Adiabate Kühlung verbessert

Mit einer verbesserten adiabaten Kühlung erregte die GEA Air Treatment GmbH, Herne, auf der diesjährigen ISH Aufmerksamkeit. Sie basiert auf einem Zentrallüftungsgerät mit Gegenstrom-Doppelplattenwärmeübertrager zur Energierückgewinnung. Im Gegensatz zu konventionellen Lösungen, die nur das Verdunsten in der Befeuchtungszone für den Kühleffekt nutzt, werden bei GEAs neuem System auch die Wärmeübertragerplatten der ERG besprüht. So wirken deren epoxidharzbeschichtete Flächen zusätzlich als Verdunstungsoberfläche. Bezogen auf die Sättigungstemperatur haben die GEA-Entwickler mit Wirkungsgraden bis 75 Prozent sehr hohe Kühlleistungen erreicht.

Da die adiabate Kühlung in der Abluftstrecke stattfindet und der Zuluft die Wärme via Plattenwärmeübertrager entzogen wird, sind die Luftströme hierbei getrennt und ein hygienischer Betrieb gewährleistet. Da die ERG Bestandteil des Kühlkonzeptes ist, nannten die Entwickler ihre Lösung ECO­TWINcool. Erhältlich sind Zentrallüftungsgeräte GEA CAIRplus mit ECOTWINcool bis Bauhöhe 1280 mm pro Geräteteil, was einem maximalen Luftdurchsatz von etwa 23000 m³/h (bei 2 m/s im Gerät) entspricht.

Zugunsten eines optimalen Effekts ist ein feines Zerstäuben des Wassers wichtig. Dies gelingt mithilfe von Spezialdüsen bereits bei einem Druck von 3 bis 5 bar, sodass ein Betrieb ohne Druckerhöhungspumpe möglich ist. Da kein Umlaufwasser verwendet wird, sind Verschmutzungen oder hygie­nische Beeinträchtigungen ausgeschlossen. Um kalkbedingte Verkrustungen der Wärmeübertrager zu verhindern, ist eine Wasseraufbereitung notwendig. Welche Variante sinnvoll ist, hängt in erster Linie von der Leitfähigkeit des Frischwassers ab. Bis zur Leitfähigkeit von ca. 500 μS/cm ist eine einfache Enthärtung ausreichend, bei höheren Leitfähigkeiten ist zusätzlich die Entsalzung in einer Umkehr-Osmoseanlage empfehlenswert.

Wie bei konventionellen Zentrallüf­tungsgeräten zur Teilklimatisierung kann auch das GEA CAIRplus ECOTWINcool mit einem Erhitzer und einem (Nach-)Kühler bestückt werden. Möglich ist ebenso der Betrieb ohne Kühlregister. Dies erhöht die Energieeffizienz zusätzlich, da die vom Wärmeübertrager verursachten Druckverluste wegfallen und keine Energie für die aktive Kühlung aufgewendet wird. Die entsprechend geringere Kühlleistung ist nur an we­nigen Sommertagen in Form etwas er-höhter Zulufttemperaturen bemerkbar, so-dass die relativ großen Einsparungen mit ei­nem geringen Komfortverzicht einhergehen.

Wirtschaftlichkeit eine Gleichung mit Konstanten und Variablen

Erste Kalkulationen ergaben, dass der Jahresenergieverbrauch für eine adiabate Kühlung plus Nachkühler mit der neuen Lösung um circa 60 Prozent unter denen einer aktiven Kühlung liegen, da ein Direktverdampfer (oder Kaltwassersatz) kleiner dimensioniert werden kann und seltener in Betrieb ist (oder komplett entfällt). Eine detaillierte Berechnung mit Klimadaten für Mannheim und Berlin bestätigte die überschlägige Rechnung. Hierzu wurden drei Geräte mit identischem Luftvolumenstrom und verschiedenen Ausstattungen bezüglich ihrer Wirtschaftlichkeit verglichen:

• Gerätekonzept 1 (GK 1): GEA CAIRplus mit Doppelplattenwärmeübertrager ECOTWIN und Kühler und Erhitzer (also eine rein aktive Lösung)
• Gerätekonzept 2 (GK 2): GEA CAIRplus mit benetzbarem Doppelplattenwärmeübertrager ECOTWINcool und mit Erhitzer sowie Nachkühler
• Gerätekonzept 3 (GK 3): GEA CAIRplus mit benetzbarem Doppelplattenwärmeübertrager ECOTWINcool mit Erhitzer, aber ohne Kühler

Angenommen wurden für alle Varianten Zentrallüftungsgeräte mit 10000 m³/h Luftleistung (bei 1,8 m/s im freien Querschnitt; Rückwärmzahl trocken 68,3 Prozent) mit freilaufenden Rädern und EC-Motoren. Sie sollen von Montag bis Freitag jeweils zwischen 7:00 und 22:00 Uhr eine Zulufttemperatur von 20 °C herstellen. Bei GK 1 wird ein Direktverdampfer mit einer Kühlleistung von 28,2 kW vorausgesetzt, bei GK 2 ein Gerät mit 19,0 kW mechanischer Kühlleistung.

Referenz-Wetterdaten helfen bei der Simulation

Die thermisch-energetische Gebäudesimulation über ein Kalenderjahr erfolgte mit der Software TRNSYS (TRaNsient SYstems Simulation). Für die Wetterdaten in Mannheim und Berlin verwendeten die GEA-Experten das Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes. Basierend auf einer Analyse der Großwetterlagen bildet es den charakteristischen Witterungsverlauf eines Jahres mit stündlicher Auflösung ab. Die dabei verwendeten Witterungsabschnitte gewährleisten eine möglichst gute Übereinstimmung der Jahreszeitenmittelwerte von Lufttemperatur und -feuchte mit den dreißigjährigen Mittelwerten. Für die Simulation wurden die Testreferenzjahre 4 (Nordostdeutsches Tiefland) und 12 (Oberrheingraben und unteres Neckartal) zugrunde gelegt.

Überzeugende Ergebnisse

Die für Mannheim und Berlin durchgeführten, detaillierten Berechnungen zeigten, dass Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit des GEA CAIRplus mit direkt besprühten Wärmeübertragerplatten GEA ECO­TWINcool (GK 2 und GK 3) erheblich besser sind als bei dem Gerät ohne adiabate Kühlung (GK 1): Während bei der Konfiguration GK 1 in Mannheim 7553 kWh Kälteenergie im Jahr benötigt wird, sind es bei GK 2(adiabate Kühlung mit Nachkühler) mit 1569 kWh etwa 79 Prozent weniger. Die Berliner benötigen bei GK 1 nur 4392 kWh, sparen aber bei einem Verbrauch mit GK 2 von 1030 kWh auch 77 Prozent. Unter Berücksichtigung der Kosten für Wasser und Wasseraufbereitung und der leicht unterschiedlichen Stromkosten zum Betrieb des Ventilators ergeben sich rund drei Fünftel niedrigere Kühlkosten als bei GK 1. Bei GK 3 ohne Direktverdampfer ist der Stromverbrauch für die Kälteerzeugung nahezu null, da nur die (beim Stromverbrauch in der Berechnung vernachlässigte) Wasseraufbereitung zu betreiben ist.

Mit besprühten Plattenwärmeübertragern sparen

Bei zugrunde gelegten Preisen von 0,15 Euro/kWh für Strom, 0,05 Euro/kWh für Heizung und 3,0 Euro/m³ für Wasser senkt die Verwendung der neuen Doppelplatten­übertrager die jährlichen Betriebskosten zum zentralen Konditionieren der Luft mindestens um zwei Prozent (GK 2, Standort Berlin) bis zu 16 Prozent (GK 3, Standort Mannheim). Aufgrund der höheren sommerlichen Außentemperaturen am Standort Mannheim sind die Einsparungen dort größer.

Hauptsächlich sind diese Betriebskosten des Zentrallüftungsgeräts durch den Stromverbrauch der Ventilatoren und die Heizkosten bestimmt. Beim Betrieb des Doppelplattenwärmeübertragers GEA ECOTWINcool mit mechanischer Kühlung (GK 2) ist der Ventilatorstromverbrauch etwas höher, da die Wärmerückgewinnung seltener im Bypass betrieben wird. Liegt die Außentemperatur über der Soll-, aber unter der Ablufttemperatur, werden beim GEA ECOTWIN (GK 1) normalerweise auf der Ab- und Zuluftseite des Lüftungsgeräts die Bypass-Klappen geöffnet, sodass der Druckverlust der ERG eingespart wird. Die Luft wird in diesem Fall nur im Kühlregister gekühlt. Bei den von außen besprühten ­Plattenwärmeübertragern hingegen bleiben die Bypass-Klappen geschlossen. Die Außenluft wird durch die ERG geführt und so von der befeuchteten Abluft gekühlt. Bei der Variante GK 3 ist der Stromverbrauch durch den Ventilator geringer, da kein Nachkühler vorhanden ist und somit dessen Druck­verlust entfällt.

Da die Kälteerzeugung nur etwa acht Prozent der Gesamtbetriebskosten ausmacht, scheint das Einsparpotenzial auf den ersten Blick gering. Über einen Zeit-raum von 15 Jahren betrachtet, sieht die Rechnung deutlich beeindruckender aus. Zudem lässt sich mit der adiabaten Kühlung bereits bei der Anschaffung Geld sparen, sofern an wenigen Jahresstunden eine leicht erhöhte Zulufttemperatur in Kauf genommen wird. Dann kann auf eine mechanische Kälteerzeugung verzichtet werden (siehe Tabelle 1). -

Journalist, München