Neue Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Kältetechnik zeigen erhebliche Einsparmöglichkeiten durch neue, umweltschonende Systeme. So entwickelten Forscher der Technischen Universität Hamburg-Harburg eine sorptionsgestützte Klimatisierungstechnik auf Erdgasbasis. Dabei werden Kühlung, Entfeuchtung und Heiztechnik auf energiesparende Weise miteinander verknüpft. Der DVGW unterstützte dieses Projekt über sein Forschungs- und Entwicklungsprogramm. Weitere Förderung erhielt das Projekt durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU).
Mit der Diskussion über weltweite Klimaveränderungen ist auch die Bedeutung der Klimatechnik gewachsen. In gemäßigten Klimazonen wurden Klimaanlagen in Wohn- und Bürogebäuden bisher selten eingesetzt, doch seit einiger Zeit wächst auch in Deutschland die Nachfrage. Dazu beigetragen haben die warmen Sommer der letzten Jahre sowie gestiegene Komfortansprüche der Verbraucher. Zudem verfügen mittlerweile viele Wohngebäude über eine erheblich verbesserte Wärmedämmung der Außenwände. Gut isolierte Hauswände wirken zwar bei niedrigen Außentemperaturen energiesparend, im Sommer führen sie aber zu einer verminderten Wärmeabgabe während der Nacht, was eine starke Aufheizung mit hohen Innenraumtemperaturen während des Tages zur Folge hat.
In der Gesamtbilanz ist daher ein gut wärmegedämmtes Haus, das im Winter energiesparend geheizt wird, im Sommer aber aufwändig gekühlt werden muss, nicht unbedingt effizient. Die eingesetzte Klimatechnik sollte auch im Sommer möglichst umweltverträglich arbeiten und angenehme Wohntemperaturen ermöglichen.
Die Hamburger Forscher entwickelten ein neuartiges, effizientes System, das einen geringen Kühlaufwand erfordert. Statt einer herkömmlichen Luftkühlung an einem Oberflächenkühler mit nachträglicher Erwärmung wird dabei ein sorptionsgestütztes Lüftungsgerät eingesetzt. Dieses entfeuchtet zunächst die Außenluft mit Hilfe eines Sorptionsmittels und kühlt sie anschließend bei Bedarf ab. Ein solarunterstützter, gasbetriebener Brennwertkessel liefert die Energie für die Desorption und sorgt für warmes Wasser. Alternativ kann hierfür auch die Abwärme eines Blockheizkraftwerkes genutzt werden.
Ein Nachteil konventioneller Klimaanlagen ist ihr großer Primärenergiebedarf. In der herkömmlichen Klimatechnik wird die Luft in der Regel im Oberflächenkühler abgekühlt und dabei entfeuchtet. Eine Kältemaschine ist so ausgelegt, dass sie die Luft immer unter 12 °C abkühlt, um die Taupunktunterschreitung zu gewährleisten. Der in der Luft enthaltene Wasserdampf kondensiert unter diesen Bedingungen aus und wird in flüssiger Form abgeführt. Da die Luft nach der Entfeuchtung in der Regel zu kalt ist, um sie der Raumluft zuzuführen, muss sie vor der Einleitung in den zu kühlenden Raum wieder aufgeheizt werden. Nach Verlassen des Kühlers wird sie daher durch einen Nacherhitzer geleitet, um die gewünschte Lufttemperatur zu erreichen. Da für diese Regulierung thermische Energie erzeugt werden muss, ist der Energiebedarf der Klimatisierung sehr hoch.
Das Prinzip des neuen Systems besteht in einer intelligenten Verknüpfung von Entfeuchtung, Kühlung und Heiztechnik. Zur Entfeuchtung wird die Zuluft in einem Lüftungssystem mit Hilfe einer hygroskopischen Substanz, wie zum Beispiel Silicagel oder Lithiumchlorid, getrocknet. Die in der Luft enthaltenen Wassermoleküle werden in einem sog. Sorptionsrotor an der Oberfläche des Sorptionsmittels angelagert (adsorbiert). Hierzu ist keine Taupunktunterschreitung notwendig.
Die anschließende Kühlung kann z. B. über Erdkältesonden (EKS) realisiert werden. Da die Zuluft bereits sehr trocken ist, muss nur eine sehr geringe Kälteleistung zugeführt werden. Der Energieaufwand sinkt dadurch erheblich.
Die Forschungsergebnisse zeigen auch, dass erst bei sehr hohen Außentemperaturen zusätzlich gekühlt werden muss. Das heißt, dass ein behagliches Raumklima allein durch Entfeuchtung erzielt werden kann. Ein weiterer Vorteil der sorptionsgestützten Klimatisierung ist, dass eine Entfeuchtung nicht ständig, sondern nur an bestimmten Tagen notwendig ist. In der restlichen Zeit kann die Wärmezufuhr für die Regeneration des Sorptionsrotors abgestellt werden, und es erfolgt nur eine Kühlung über die Erdkältesonden. Dadurch wird weitere Energie eingespart. Ein Lüftungsgerät sorgt dafür, dass die Zuluft zu den Räumen kühl und trocken zur Verfügung steht.
Die Hamburger Forscher rüsteten ein Bürogebäude in Hamburg sowie ein Einfamilienhaus in Rendsburg mit den von ihnen entwickelten sorptionsgestützten Klimatisierungssystemen aus. Die Anlage im Bürogebäude wurde dabei so konzipiert, dass im Sommer die Abwärme des vorhandenen gasbetriebenen Blockheizkraftwerkes für die Regeneration des Sorptionsrotors genutzt werden kann. Die Abkühlung der Luft erfolgt mit Erdkältesonden (EKS), so dass auf eine Kältemaschine vollständig verzichtet werden konnte. Beim Einfamilienhaus werden zur Desorption Solarenergie und Brennwerttechnik eingesetzt. Das Lüftungsgerät gewährleistet zusätzlich den nötigen Luftaustausch im Gebäude. Die Kälteleistung wird allein über Erdkältesonden realisiert.
Wie die Untersuchungen belegen, ist die sorptionsgestützte Klimatisierung für kleine Gebäude gut geeignet, um eine ausreichende Klimatisierung im Sommer sicherzustellen. Für Gewerbebetriebe hat sich der Einsatz sorptionsgestützter Klimatisierung in Verbindung mit einem gasbetriebenen BHKW für die Stromerzeugung und Erzeugung der Desorptionswärme als wirtschaftlich sinnvoll erwiesen. Die Sorptionstrocknung reduziert den Kühlbedarf so weit, dass eine erhebliche Einsparung von Primärenergie möglich wird. Im Vergleich zur konventionellen Klimatisierung wird so eine Reduzierung des Energieaufwands von mehr als 20 Prozent realisiert. Außerdem verlagert sich die Art des Energiebezugs von elektrischer Energie in Richtung Wärmeenergie, da der Prozess an Stelle von Strom mehr thermische Energie benötigt.
Somit wird nicht nur eine wesentliche Einsparung an Primärenergie erzielt, sondern zusätzlich auch ein Beitrag für den Klimaschutz geleistet. Denn Erdgas verursacht im Vergleich mit anderen fossilen Energieträgern die mit Abstand geringsten Treibhausgasemissionen. Auch die Nutzung von Biogas ist mit diesem Klimatisierungssystem problemlos möglich, was einen zusätzlichen Beitrag zum Klimaschutz darstellt. Insgesamt gesehen bietet die sorptionsgestützte Klimatisierung damit sowohl einen wirtschaftlichen Nutzen als auch erhebliche ökologische Vorteile.
Im Sorptionsrotor wird die feuchte Luft mit Hilfe eines hygroskopischen Mittels getrocknet. Dazu muss das Sorptionsmittel eine möglichst große Oberfläche für die Anlagerung (Adsorption) haben. Während des Sorptionsvorgangs wird Wärme frei, die aus der Bindungswärme und aus der Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme des Wassers entsteht. Im kontinuierlichen Prozess wird der sorbierte Wasserdampf aus dem Sorptionsmittel wieder entfernt (Regeneration), wobei wiederum Wärme zugeführt wird.
Ein gleichmäßiger Betrieb wird mit Sorptionsregeneratoren erreicht, die sich kontinuierlich nacheinander durch einen Prozess- und einen Regenerationsluftstrom drehen. In der Klimatechnik werden die Sorptionsregeneratoren meist so eingesetzt, dass ein rotierender Wärmerückgewinner nachgeschaltet ist. Mit dem Wärmerückgewinner kann der getrocknete und durch die Sorptionswärme gleichzeitig erwärmte Luftstrom mit Hilfe eines im Vergleich dazu kühleren Luftstromes passiv gekühlt werden. Dazu wird die Abluft eingesetzt, die vorher adiabat befeuchtet wurde. Auf der Abluftseite wird die Luft erhitzt, um den Sorptionsrotor zu regenerieren.
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Institut für Thermofluidynamik an der TU Hamburg-Harburg
Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU
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