HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

6.2 Kälteerzeugung

Ausgewählte Firmen der Kälte- und Klimatechnik

6.1 Klimakältebedarf
6.2 Kälteerzeugung
6.3 Kälteabgabe
6.4 Kühlanlagen

Kälte zu erzeugen bedeutet, Wärme von einem System (einem Raum oder einem Zwischenmedium) abzuführen, welches aus bestimmten Gründen die Solltemperatur überschreitet. Diese Gründe können grosse Wärmelasten und eine hohe Aussentemperatur sein. Die verschiedenen Möglichkeiten der Kälteerzeugung haben prinzipbedingte Begrenzungen, die sie für eine bestimmte Anwendung geeignet machen oder ausschliessen. Sie unterscheiden sich in ihrem Aufwand hinsichtlich Energie, Investition und Wartung. Die Kälteerzeugung erfolgt grossenteils mit der in Kapitel 2.4 behandelten Kompressions-Wärmepumpe bzw. Kompressions-Kältemaschine.

6.2.1 Freie Kühlung

6.2.1 Freie Kühlung – 6.2.2 Verdunstungskühlsysteme – 6.2.3 Absorptions-Kältemaschine – 6.2.4 Raumklimageräte

Eine freie Kühlung (free cooling) ist eine Kühlung, die ohne oder nur mit geringem technischem Zusatzaufwand eine Abkühlung des Raums bewerkstelligt. Unter passiver Kühlung wird meistens dasselbe verstanden [Zim]. Voraussetzung für die freie Kühlung ist eine Wärmesenke mit einer Temperatur, die zumindest zeitweise einige K unter der Raumtemperatur liegt. Als Wärmesenken kommen infrage:

  • Aussenluft kann mittels freier oder mechanischer Lüftung genutzt werden (Kapitel 5.2) oder mittels Rückkühlwerken (Kapitel 6.4.3).
  • Oberflächliches Erdreich dient mit einem Luft-Erdregister der Abkühlung der Aussenluft (Kapitel 5.4.12).
  • Erdreich wird vorteilhaft mit Erdsonden oder Erdpfählen zur freien Kühlung genutzt (Bild 6.7).
  • Rohr-Register in einer Betonfundamentplatte kühlt im Sommer die Fussbodenheizung.
  • Grundwasser ist eine gute Wärmesenke, eine Erwärmung ist aber aus hygienischen Gründen nur beschränkt zulässig. Wegen des Risikos der Verschmutzung wird die Grundwassernutzung nur bei grösseren Anlagen bewilligt.
  • Oberflächenwasser von Seen und Flüssen hat im Sommer eine eher hohe Temperatur für diese Nutzung und ist recht wartungsintensiv.
  • Tiefenwasser von Seen ist bezüglich Temperatur geeignet, ist aber aufwendig und wartungsintensiv.
Freie Kühlung in einer Erdsonden-Wärmepumpen-Heizanlage (vereinfacht), im Kühlbetrieb wird der Sole-Wasser-Wärmeübertrager WT statt der Wärmepumpe WP durchströmt
Bild 6.7 Freie Kühlung in einer Erdsonden-Wärmepumpen-Heizanlage (vereinfacht), im Kühlbetrieb wird der Sole-Wasser-Wärmeübertrager WT statt der Wärmepumpe WP durchströmt

6.2.2 Verdunstungskühlsysteme

6.2.1 Freie Kühlung – 6.2.2 Verdunstungskühlsysteme – 6.2.3 Absorptions-Kältemaschine – 6.2.4 Raumklimageräte

Adiabatische Kühlung

Die adiabatische Kühlung ist eine Verdunstungskühlung (adiabatisch: ohne Wärmezu- oder -abfuhr). Bild 6.8 zeigt das Prinzip. Die Abluft (ABL) wird in einem Befeuchter durch Verdunstung von zugeführtem Wasser abgekühlt (FOL1). In einem Plattenwärmeübertrager oder einem rotierenden Wärmeübertrager (ohne Feuchteübertragung) nimmt die Fortluft Wärme von der Aussenluft auf. Die Aussenluft (AUL) kühlt sich dabei ab und wird als Zuluft (ZUL) dem Raum zugeführt. Das h,x-Diagramm (Bild 6.8) zeigt auch die Grenzen der adiabatischen Kühlung. Wenn die relative Feuchte sehr hoch ist, kann durch Befeuchten die Temperatur nicht wesentlich gesenkt werden.

Funktionsweise der adiabatischen Kühlung
Bild 6.8 Funktionsweise der adiabatischen Kühlung
Sorptionsgestützte Klimatisierung

Die sorptionsgestützte Klimatisierung (desiccant cooling) ist eine Kombination von Lufttrocknung, Verdunstungskühlung und Wärmerückgewinnung [Fgk]. Die Lufttrocknung erfolgt durch Sorption an einem stark wasseranziehenden Sorptionsmittel wie Silikagel. Zu diesem Zweck wird in der Anlage gemäss Bild 6.8 zwischen Aussenluftkanal und Fortluftkanal ein rotierender Sorptionsregenerator (analog einem rotierenden Wärmeübertrager) eingebaut, welcher der Aussenluft möglichst viel Feuchtigkeit entzieht. Der Sorptionsprozess ist isenthalp, die Temperatur der Aussenluft nimmt also zunächst noch zu. Die Feuchtigkeit wird dann an die Fortluft abgegeben. Für diese Regeneration muss die Fortluft vor dem Regenerator auf 60 bis 100 °C erwärmt werden. Dazu kann minderwertige Energie (Abwärme, Solarwärme oder Fernwärme) genutzt werden. Die sorptionsgestützte Klimatisierung kann besonders effizient sein hinsichtlich Primärenergie, da für die Entfeuchtung keine Taupunktunterschreitung nötig ist. Allerdings führt das Verfahren zu einer komplexen Anlage, die einen professionellen Betreiber erfordert.

6.2.3 Absorptions-Kältemaschine

6.2.1 Freie Kühlung – 6.2.2 Verdunstungskühlsysteme – 6.2.3 Absorptions-Kältemaschine – 6.2.4 Raumklimageräte

Anstelle eines mechanischen Kompressors (vgl. Bild 2.18) kann der Kältemitteldampf mit einem thermischen Verdichter vom Verdampfungsdruck auf den Kondensationsdruck gebracht werden. Der thermische Verdichter (grau in Bild 6.9) besteht aus:

  • dem Absorber (Lösungsmittel nimmt das dampfförmige Kältemittel auf, wird angereichert),
  • dem Austreiber (durch Wärmezufuhr wird das Kältemittel aus der reichen Lösung ausgetrieben),
  • der Lösungspumpe (bringt die reiche Lösung auf den Kondensationsdruck)
  • dem Wärmeübertrager (Vorwärmung der kalten, reichen Lösung).
Funktionsweise der Absorptions-Kältemaschine, Kältemittelkreislauf ausgezogen, Lösungsmittelkreislauf gestrichelt
Bild 6.9 Funktionsweise der Absorptions-Kältemaschine, Kältemittelkreislauf ausgezogen, Lösungsmittelkreislauf gestrichelt

Die Nutzleistung ist die Kälteleistung Ф0. Als Antrieb dient der Wärmestrom ФH mit einer Temperatur von 90 bis 180 °C. Die Kondensatorleistung Фc und die Absorberleistung ФA werden an die Umgebung abgegeben. Die kleine Lösungspumpe ist der einzige bewegte Teil. Sie ist in der Energiebilanz praktisch vernachlässigbar. Die Absorptionsmaschine arbeitet mit einem Stoffpaar, dem Kältemittel und dem Lösungsmittel:

  • Wasser (Kältemittel) und Lithiumbromid (Lösungsmittel) oder
  • Ammoniak (Kältemittel) und Wasser (Lösungsmittel).

Die Absorptionsmaschine weist ein Wärmeverhältnis Ф0/ ФH von 0,5 bis 0,8 auf, es ist etwa 5 mal geringer als die Leistungszahl EER einer Kompressionsmaschine. Sie kann hingegen mit minderwertiger Antriebsenergie (Industrieabwärme, konzentrierende Sonnenkollektoren, Fernwärme) arbeiten. Kühlschränke (ohne Elektroanschluss) werden mit Brenngasen betrieben. Vorteilhaft sind die Laufruhe, Betriebssicherheit und Lebensdauer der Absorptionsmaschine.

6.2.4 Raumklimageräte

6.2.1 Freie Kühlung – 6.2.2 Verdunstungskühlsysteme – 6.2.3 Absorptions-Kältemaschine – 6.2.4 Raumklimageräte

Nachstehend folgen Geräte für kleine Leistungen, geordnet nach ihrem Technisierungsgrad. Dafür gibt es Anforderungen und eine Energieetikette. Für die effizientesten Geräte siehe [Top1].

Komfortventilator

Ein Komfortventilator bezeichnet einen Ventilator, welcher einen Luftstrom erzeugt, der den Körper umfliesst zur Verminderung der empfundenen Temperatur. Decken- oder Tischventilatoren erzeugen bei feuchter Haut Verdunstungskälte. Energieeffizient.

Mobile Raumklimageräte

Diese kostengünstigen Kompaktgeräte enthalten ein Kompressionskälteaggregat. Da sie wenig effizient sind, sollten sie nur kurzfristig eingesetzt werden. Das Ein-Schlauch-Gerät (Bild 6.10) ist in der Handhabung am einfachsten. Der Fortluftschlauch 8 wird mit einem Adapter in den Fensterspalt geklemmt. Als Ersatz für die Fortluft tritt Aussenluft 9 durch den verbleibenden Spalt in den Raum ein. Diese warme Aussenluft vermischt sich mit der kühleren Raumluft. Ein Teil der Abwärme des Aggregats heizt den Raum. Die effektive Kühlleistung ist aus diesen Gründen nur etwa zwei Drittel der deklarierten Kälteleistung. Der Grenzwert der Leistungszahl EER (Verhältnis Kälteleistung/elektrische Leistung) beträgt, je nach Kältemittel, 2,2 bis 2,4 [EU]. Die praktische Leistungszahl eines solchen Geräts dürfte somit bloss etwa 1,5 betragen.

Funktionsweise eines Ein-Schlauch-Klimageräts
Bild 6.10 Funktionsweise eines Ein-Schlauch-Klimageräts

Das Zwei-Schlauch-Gerät saugt mit einem zweiten Schlauch die Kühlluft 7 für den Kondensator von aussen an. Falls man nun die beiden Schlauchdurchtritte durch abgedichtete Bohrungen führt, wird die effektive Kühlleistung um einiges näher bei der deklarierten liegen. Die Mobilität wird allerdings eingeschränkt.

Split-Raumklimageräte

Diese Geräte für feste Installation sind wesentlich effizienter und leiser als Schlauchgeräte und erlauben meistens auch einen Wärmepumpen-Heizbetrieb. Beim Monosplitgerät sind lediglich Verdampfer und Steuerung im Innengerät, Kondensator und Kompressor befinden sich im Aussengerät (Bild 6.11). Der Kältekreislauf wird schon im Werk mit Kältemittel gefüllt und auf der Baustelle mit Steckverbindungen durch kleine Bohrungen in der Gebäudehülle verbunden.

Funktionsweise eines Split-Klimageräts
Bild 6.11 Funktionsweise eines Split-Klimageräts (Bedeutung der Zahlen wie in Bild 6.10)

Beim Multisplitgerät können an ein Aussengerät mehrere Innengeräte angeschlossen werden. Deren Leistung ist individuell einstellbar.

Das so genannte Mobil-Splitgerät stellt einen Kompromiss dar zwischen Split- und Schlauchgerät, bei dem nur der Kondensator sich im relativ leichten Aussengerät befindet. Die effektive Kühlleistung ist nur wenig geringer als die deklarierte Kälteleistung.