Thermische Behaglichkeit, Hygiene, Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit sind die wichtigsten Anforderungen an gebäudetechnische Systeme zur Raumklimatisierung. Daraus resultieren Vorgaben an Temperatur, Luftfeuchte, Zugluftrisiko und Luftqualität im Raum. Diese sollen mit kleinstmöglichem Energieeinsatz und mit einem möglichst geringen Investitions- und Betriebskostenaufwand erreicht werden.
Nicht zuletzt deshalb ist der Einsatz von Wärmerückgewinnungssystemen (WRG) mit Rückwärmzahlen von 80 Prozent und eine Feuchterückgewinnung erstrebenswert. Die Nutzung des energetischen Potenzials der (Raum-)Abluft reduziert den Energieaufwand für die Außenluftaufbereitung auf den Energiebedarf zum Nachheizen, Nachbefeuchten oder Nachkühlen der Außenluft nach WRG-Austritt.
Luftentfeuchtung mit weniger Energie
Der größte Optimierungsbedarf besteht jedoch im Bereich der Luftentfeuchtung. Da konventionelle Systeme die Luft durch Taupunktunterschreitung entfeuchten, entfallen fast zwei Drittel der gesamten benötigten Kühlenergie auf die Lufttrocknung (latente Kühlung) und nur etwa ein Drittel auf die sensible Kühlung zur Temperierung. Zudem ist nach der Luftentfeuchtung durch Taupunktunterschreitung ein Nachheizen der Luft auf die erforderlichen Zuluftparameter notwendig.
Die alternative Methode der sorptiven Luftentfeuchtung, bei der feste oder flüssige hygroskopische Speichermassen (Sorptionsmittel) Wasserdampf aus der Luft entziehen und für die Regeneration ausschließlich Wärme (z. B. Solarwärme) benötigen, kann den Anteil des Primärenergiebedarfs zur Luftentfeuchtung auf Null reduzieren. Folglich erhöht sich die Energieeffizienz, Betriebskosten und CO2-Ausstoß sinken deutlich. Leider ist die sorptionsgestützte Klimatisierung derzeit nur in zentralen RLT-Anlagen umsetzbar.
Bei raumnahen Systemen zur Klimatisierung sind Luftentfeuchtungsprozesse entweder nicht realisierbar (thermische Bauteilaktivierung, Kühldecken) oder werden, um Kompromisse auf Kosten hygienischer Anforderungen zu verhindern, wegen des enormen technischen Aufwands zur Kondensatabfuhr gezielt vermieden (dezentrale Klimageräte, Fassadenklimageräte).
So erstrebenswert es ist, feste oder flüssige Sorptionsprozesse, wie sie in zentralen Lüftungsgeräten gemäß dem Stand der Technik zunehmend zum Einsatz kommen, auf raumnahe Systeme zur Klimatisierung zu übertragen, so scheiterte dies bisher an der technischen Umsetzbarkeit: Feste Speichermassen (Sorptionsrotoren) müssten zeitgleich mit der zuluftseitigen Luftentfeuchtung abluftseitig regeneriert werden, was zu einer eingeschränkten Flexibilität der Luftführung führen würde. Das Verrieseln flüssiger Sorptionsmittel in einem Luftstrom erfordert einen größeren technischen Aufwand für Tropfenabscheider (Aerosole) und stellt zur Kompensation der Strömungs- bzw. Rieselgeräusche hohe Anforderungen an die Schalldämmung.
Das Fazit lautet: Eine kondensatfreie Luftentfeuchtung in dezentralen Systemen (dezentrale Klimageräte, Kühldecken) wäre wünschenswert.
Membranbasierte Raumklimatisierung: Dezentralisierter Sorptionsprozess
Seit 2006 beschäftigt sich das ILK Dresden mit der flüssigen Sorption über semipermeable Membranen (indirekte flüssige Sorption): Ein temperierbares und hygroskopisches flüssiges Sorptionsmittel entzieht der Luft Wasserdampf und führt die frei werdende Sorptionswärme ab.
Beide Medien sind jedoch, anders als in marktüblichen Flüssig-Sorptionsprozessen in der Klimatechnik, durch eine wasserdichte, aber wasserdampfdurchlässige Membrane voneinander getrennt. Das Sorptionsmittel befindet sich in einem geschlossenen Kreislauf im Inneren eines längsdurchströmten, mit Membranen beaufschlagten Abstandhalters und kann nicht in den Luftstrom gelangen. Rieselgeräusche entfallen. Triebkraft für den Entfeuchtungsprozess ist die Wasserdampf-Partialdruckdifferenz zwischen Luft und Sorptionsmittel, beeinflusst durch dessen Temperatur und Konzentration. Durch ein Vor- und Zwischenkühlen des Sorptionsmittels kann die Luft gleichzeitig entfeuchtet und gekühlt werden. Zudem erhöht sich durch die Vorkühlung die erzielbare Entfeuchtungsleistung.
Entwicklungsstand beim indirekten flüssigen Sorptionsprozess
Um das Verfahren des indirekten flüssigen Sorptionsprozesses zur Luftentfeuchtung über eine Membran zu testen und grundlegende Prinzipien zur praktischen Umsetzung zu erarbeiten, entwickelte das ILK Dresden im Rahmen eines FuE-Projektes Wärmeübertrager mit semipermeabler Membran zur Luftentfeuchtung (IW060051) einen Membranwärmeübertrager-Prototypen. Er ermöglicht die Zusammenlegung zweier verfahrenstechnischer Grundprozesse (Kühlung und Trocknung) zu einem technologischen Schritt, ohne dass bei der Luftentfeuchtung Kondensat anfällt. Dabei übertrafen die erzielten Ergebnisse der Technologieentwicklung die Erwartungen, bestätigt durch sehr positive Ergebnisse messtechnischer Untersuchungen. Die während des Entfeuchtungsprozesses durch die Membran diffundierende Wasserdampfmenge lag bei bis zu 160 g/h je Quadratmeter aktive Membrane.
Obwohl das Kernziel die Luftentfeuchtung fokussierte, wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten deutlich, dass mit dem Membranwärmeübertrager alle Luftbehandlungsfunktionen (Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten) realisierbar sind. Zudem konnte trotz Membranoberflächentemperaturen unterhalb des Taupunktes eine Luftentfeuchtung ohne Kondensatbildung bestätigt werden. Denn bevor Wasserdampf kondensieren kann, diffundiert er durch die Membran in die Salzlösung.
Den ausgezeichneten Entwicklungsergebnissen und Leistungsdaten stehen jedoch im Hinblick auf die konstruktive Umsetzung und Gestaltungsform deutliche Optimierungspotenziale gegenüber.
Die eingesetzte Membrane aus expandiertem PTFE besitzt zwar eine hervorragende Wasserdampfdurchlässigkeit, ist je-doch nur mit äußerst aufwendigen Spezialverfahren auf die medienführende Stützstruktur kaschierbar und vergleichsweise teuer.
Aufgrund fehlender geeigneter Verarbeitungsverfahren konnten die zur Realisierung des Versuchsstands eingesetzten Materialien die Anforderungen an die Dichtheit des Systems nicht vollständig erfüllen.
Die im Prototyp eingesetzte Stützstruktur (pulverbeschichteter poröser Kunststoffschaum) ist durch das zur Formstabilität des Schaums notwendige Beschichtungsverfahren kostenintensiv und erst ab einer Dicke von größer als 10 mm dimensionsstabil. Das damit große Sorptionsmittelvolumen im Wärme-/Stoffübertrager führt zu einer extremen Trägheit der Regelung.
Aktuell arbeitet das ILK Dresden an der Anwendung des indirekten flüssigen Sorptionsprozesses in eigens dafür entwickelten Membrankühldecken. Dabei wird auch die konstruktive Gestaltung membranbasierter Wärme- und Stoffübertrager für die Klimatechnik unter folgenden Gesichtspunkten weiterentwickelt:
- Die Verringerung des Sorptionsmittelinhalts bildet einen entscheidenden Faktor zur Optimierung des Regelverhaltens und zur Kostenersparnis durch weniger Bauvolumen und Energiebedarf. Die Trägheit der Regelung des Systems wird wesentlich vom zu verdünnenden Soleinhalt beeinflusst.
- Die fügetechnische Verarbeitbarkeit der semipermeablen Membranen in Abhängigkeit von ihrer Materialzusammensetzung bildet die Grundlage für die Qualität der stoffdichten Verbindung zwischen Membran und Membranträger und beeinflusst entscheidend die Dichtheit des Systems zur Wärme- und Stoffübertragung.
- Durch eine Zwischenkühlung des Sorptionsprozesses kann einerseits Solevolumen reduziert und andererseits die Leistungsfähigkeit des Systems erhöht werden, denn die Wasserdampf-Partialdruckdifferenz zwischen Luft und Sole wird durch eine kontinuierliche Zwischenkühlung der Sole auf dem höchstmöglichen Niveau gehalten.
- Um eine Material- und Gewichtseinsparung bei der konstruktiven Auslegung der Wärmeübertrager zu realisieren, müssen geeignete leichte und kostengünstige innovative Abstandsstrukturen als medienführende Membranträger entwickelt werden, mit denen kleinstmögliche Spaltquerschnitte realisiert werden können.
Ausblick
Gestützt von den sehr positiven Messergebnissen zeigt die bisherige Entwicklung von Membranelementen für indirekte flüssige Sorptionsprozesse, dass auf der Basis dieser Technologie eine dezentrale sorptionsgestützte Klimatisierung möglich ist. Wenngleich die optimale Konstruktion der wärme- und stoffübertragenden Komponenten unter Berücksichtigung sehr vielschichtiger Anforderungen und Einflussgrößen noch gefunden werden muss: es ist mit Membran- Wärmeübertragern möglich, eine hygienisch unbedenkliche, kondensatfreie Luftentfeuchtung über Kühldecken oder dezentrale Klimageräte zu realisieren.
Zudem lässt sich so ein erheblicher Beitrag zur Erhöhung der Energieeffizienz gebäudetechnischer Anlagen leisten. Mit der membranbasierten Raumklimatisierung und dem indirekten flüssigen Sorptionsprozess über semipermeable Membranen (Membranelemente) könnten in Zukunft die eingangs erwähnten prozessbedingten Problemstellungen bei der Raumklimatisierung, die im Zusammenhang mit der Luftentfeuchtung (durch Taupunktunterschreitung) auftreten, ohne Leistungseinbußen oder Kompromisse zu Lasten hygienischer Anforderungen gelöst werden. -
Dipl.-Ing. Hannes Rosenbaum
ILK Dresden gGmbH, Hauptbereich Luft- und Klimatechnik
