Kontrolliert entfeuchten

Luftkühler in Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) werden häufig mit Kaltwasser als Kühlmedium versorgt. Die typische Kaltwasservorlauftemperatur beträgt 6 °C; die Spreizung im Auslegungsfall häufig 6 K. Die Leistungsregelung von Luftkühlern, die sowohl zur Kühlung als auch zur Entfeuchtung der Luft in zentralen RLT-Anlagen Anwendung finden, erfolgt entweder durch Veränderung des Kaltwassermassenstroms bei gleich­bleibender Kühlmitteleintrittstemperatur (Mengen­regelung) oder durch Veränderung der Kühlmitteleintrittstemperatur bei konstantem Kaltwassermassenstrom (beimischgeregelter Luftkühler) [1]. Dadurch ergeben sich zwei unterschiedliche Zustandsänderungen der Luft beim Durchströmen des Luftkühlers. Die beiden unterschiedlichen hydrau­lischen Schaltungsarten sind in Bild 1 dargestellt.

Mengen- und Beimischregelung

Beim Durchtritt der Luft durch einen Luftkühler findet immer dann eine Entfeuchtung statt, wenn die Kühlmitteleintrittstemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur der Luft am Kühlereintritt ist. Bei einem mengengeregelten Luftkühler kann die Kühlmitteleintrittstemperatur unabhängig von der Kühllast als von der durch die Kältemaschine zur Verfügung gestellten Kaltwasservorlauftemperatur angenommen werden. Dann erfolgt die Zustandsänderung des Luftstroms (Bild 2, Strecke 1–2) theoretisch entlang einer Verbindungslinie zwischen dem Eintrittszustand der Luft (Punkt 1) und der effektiven Oberflächentemperatur des Luftkühlers (Punkt t_O,eff).

Mit einem beimischgeregelten Luftkühler kann man einen Luftstrom, unabhängig von der Kaltwassertemperatur, völlig ohne Entfeuchtung kühlen, wenn die Kühlmitteleintrittstemperatur infolge Rücklaufbeimischung die Taupunkttemperatur der feuchten Luft nicht unterschreitet (Bild 2, Strecke 1–3). Erst bei tieferen Kühlmitteleintrittstemperaturen setzt eine Kondensation von Wasserdampf, also eine Entfeuchtung, ein (Bild 2, Strecke 3–4).

Um einen Luftstrom in einem Luftkühler von der Temperatur t₁ auf die Temperatur t₂ (t₂= t₃) zu kühlen, wird beim mengengeregelten Luftkühler die spezifische Enthalpiedifferenz (h₂ – h₁) benötigt; beim beimischgeregelten Kühler dagegen die spezifische Enthalpiedifferenz (h₃ – h₁). Der energetische Unterschied zwischen den beiden Zustandsänderungen des Luftstroms beträgt also (h₂ – h₃). Der beimischgeregelte Luftkühler benötigt für diesen Fall deutlich weniger Energie.

Soll nun anstatt der Temperatur (t₂ = t₃) eine bestimmte Wasserdampfbeladung der Luft (x₂ = x₄) am Kühleraustritt erreicht werden, so ist der mengengeregelte Luftkühler energetisch günstiger. Die mit dieser Schaltung (gegenüber dem beimischgeregelten Luftkühler) eingesparte spezifische Energie ist durch die Enthalpiedifferenz (h₄ – h₂) gekennzeichnet.

OpDeCoLo

Punkte, die in dem orangefarbenen Feld ­zwischen den beiden Strecken (1 – 2 – 5 und 1 – 3 – 4 – 5) liegen, sind mit diesen beiden Schaltungen ohne zusätzliche Anlagenteile nicht erreichbar. Erst die Kombination beider Schal­tungen, verwirklicht entweder durch die Reihenschaltung zweier Luftkühler oder durch die ­Integration beider hydraulischer Schaltungen an einem Luftkühler, erlaubt das Erreichen jedes Punktes im orangefarbenen Feld. Mit dieser ­integrierten Schaltung (verwirklicht z.B. aus ­beimischgeregelter Schaltung, aber mit dreh­zahlgeregelter Pumpe) wird bei minimalem ­Einsatz von Kühlenergie immer nur gerade so viel entfeuchtet, wie aus Behaglichkeitsgründen unbedingt notwendig ist. Diese Schaltung wird OpDeCoLo (Optimized Dehumidification Control Loop) genannt.

Anders als bei den herkömmlichen Schaltungen von Luftkühlern werden beim OpDeCoLo für jeden Luftkühler immer sowohl die Kühlmittelmenge als auch deren Eintrittstemperatur geregelt. Vereinfacht ausgedrückt ist dabei die Kühlmittel­eintrittstemperatur (Beimischkomponente) für die Entfeuchtung, die Kühlmittelmenge (Mengenkomponente) dagegen für die Temperaturreduktion verantwortlich. Dieser Zusammenhang ist vereinfacht in Bild 3 dargestellt.

Unterschiede im Kühlenergiebedarf

Um den Kühlenergiebedarfs unterschiedlicher Schaltungsarten abschätzen zu können, wurde eine Nur-Luft-Anlage mit einer rekuperativen Wärmerückgewinnung und einer Umluftsteuerung (Economizer Mode) für den Standort Mannheim numerisch untersucht. Dabei wurde als Rand­bedingung die Wasserdampfbeladung der Umluft infolge von möglichen Feuchtequellen im Raum um jeweils 1 g/kg höher als die der jeweiligen ­Zuluft angenommen. Die Randbedingungen sind in Tabelle 1 dargestellt.

Die Ermittlung der Luftzustände, die sich ­jeweils nach dem Luftkühler einstellen, beruht auf vereinfachten Ansätzen. Für den beimisch­geregelten Luftkühler wurde angenommen, dass der Kühlvorgang bis zum Erreichen der Taupunkttemperatur ohne Kondensatausfall erfolgt. Im Falle des mengengeregelten Luftkühlers wurde angenommen, dass die Zustandsänderung jeweils auf einer Geraden zwischen dem Ausgangspunkt (1) und der effektiven Oberflächentemperatur des Kühlers (t_O,eff) liegt und diese Oberflächentempe­ratur konstant sei. Für den OpDeCoLo wurden Wassereintrittstemperatur und Menge jeweils so ausgelegt, dass der Zielpunkt der Zuluft direkt erreicht werden kann.

Die Berechnungen beruhen auf den statistischen Wetterdaten gemäß DIN 4710 (2003). Die Ergebnisse, bezogen auf den beimischgeregelten Kühler, sind in Tabelle 2 für zwei Betriebsdauern (12 h und 24 h täglich) für den Standort Mannheim zusammengefasst. Bei den für die Randbedingungen getroffenen Annahmen zeigt sich deutlich die Überlegenheit des OpDeCoLo gegenüber den herkömmlichen Schaltungen, weil ausschließlich beim OpDeCoLo immer nur dann entfeuchtet wird, wenn dies aus Behaglichkeitsgründen auch wirklich erforderlich ist.

Zusammenfassung

Der OpDeCoLo erlaubt für den Standort Mannheim eine deutliche Energieeinsparung gegenüber den herkömmlichen hydraulischen Schaltungen für Luftkühler, da mit dieser Schaltung nur dann entfeuchtet wird, wenn dies aus Gründen der ­Behaglichkeit unbedingt erforderlich ist. Für andere deutsche Standorte ergeben sich ähnliche prozentuale Einsparpotenziale. Wie sich die Schaltung auf den Energieverbrauch für Luftkühler in anderen (z.B. außereuropäischen) Klimaregionen auswirkt, wurde bislang nicht untersucht. Da es sich hierbei um eine Schaltung für die Kühlmittelzufuhr handelt, sind luftseitig keine zusätzlichen Druckverluste zu erwarten.

Literatur

[1] Baumgarth, S., B. Hörner und J. Reeker (2000), Handbuch der Klimatechnik, Band 1: Grundlagen, C.F. Müller Verlag, Heidelberg

[2] DIN 4710 (2003), Statistiken meteorologischer Daten zur ­Berechnung des Energiebedarfs von heiz- und raumluft­technischen Anlagen in Deutschland, Vertrieb Beuth Verlag GmbH, Berlin

OpDeCoLo wird von der ipal Gesellschaft für Patentverwertung Berlin mbH vermarktet. ipal (Innovationen, Patente, Lizenzen) bewertet und vermarktet als Patentverwertungsagentur der Berliner Hochschulen Erfindungen im Bereich Life Sciences und Physics & Engineering und schlägt somit eine wichtige Brücke zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Sie wird getragen von der Freien Universität, der Humboldt Universität, der Technischen Universität, der Hochschule für Technik und Wirtschaft, der Beuth Hochschule für Technik sowie der Investitionsbank Berlin als Mehrheitsgesellschafterin. Von der Bewertung patentfähiger Technologien über den umfassenden Patentschutz in Zusammenarbeit mit renommierten Patentanwalts­kanzleien bis hin zur Evaluierung der Erlös­potenziale am Markt und der erfolgreichen Kommerzialisierung erbringt das Unternehmen alle Dienstleistungen.

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Prof. Dr.-Ing., Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin