Indirekte Verdunstungskühlung – BAFA-gefördert

Die indirekte Verdunstungskühlung wird zum Beispiel auch in der DIN EN 13053 „Zentrale raumlufttechnische Geräte“ (2017) und in der AMEV-Richtlinie „RLT-Anlagenbau 2023“ als ökologische Alternative zur mechanischen Kühlung empfohlen: „In der Lüftungsanlage kann die Abluft durch Wasserverdunstung um 6 bis 10 K abgekühlt und das Kältepotenzial über das Wärmerückgewinnungssystem entsprechend der Rückwärmezahl (Temperaturänderungsgrad) an den Zuluftvolumenstrom übertragen werden. Kältemaschinen und Rückkühlwerke können durch diese Maßnahme mit erheblich geringerer Leistung ausgelegt werden oder gar entfallen und beanspruchen weniger Aufstellfläche.“

Im Entwurf der VDI 3803 Blatt 1 „Zentrale raumlufttechnische Anlagen“ (08/2018) findet sich folgende Formulierung: „Zur Minderung der Kälteerzeugung im Sommer soll als Ergänzung zur Wärmerückgewinnung auf der Abluftseite der Einsatz einer indirekten Verdunstungskühlung berücksichtigt werden.“

Die Technik der Verdunstungskühlung

Zum Betrieb einer Verdunstungskühlung wird auf der Abluftseite im RLT-Gerät vor der Wärmerückgewinnung ein Befeuchtungs- bzw. Verdunstungsaggregat eingesetzt, das die Abluft so nahe wie möglich an den Sättigungszustand von 100 % r.F. adiabatisch befeuchtet. Der Verdunster besteht aus parallel angeordneten, wellenförmigen Polyesterlamellen, welche von oben gleichmäßig mit aufbereitetem Wasser berieselt werden, das dann langsam durch die Polyesterelemente nach unten fließt. Bei der Durchströmung des Verdunsters wird die Abluft bis auf 96 % r.F. befeuchtet. Durch das Verdunsten des Wassers auf der großen inneren Oberfläche der Befeuchtungselemente sinkt die Temperatur der Abluft um 2,5 K pro Gramm Wasser. Es entsteht also ein adiabater Kühleffekt. Je nachdem, welche Temperatur und Feuchte die Abluft aufweist (im Sommer z.B. bei Büronutzung meist etwa 25 bis 27 °C und 55 bis 65 % r.F.), sinkt die Temperatur der Abluft um rund 6 bis 10 K. Daher verfügt die Abluft in der nachgeschalteten Wärmerückgewinnung nun über eine deutlich höhere Kapazität, um der warmen Außenluft Wärme zu entziehen.

Beim hier dargestellten Beispiel (s. h,x-Diagramm) wird durch eine indirekte Verdunstungskühlung die Abluft (25°C) auf zunächst 96% r.F. befeuchtet. Dadurch sinkt deren Temperatur auf rund 20°C. Im nachgeschalteten Kreuzstromwärmeübertrager (hier mit einer Rückwärmezahl von 75%) wird der Außenluftstrom (32°C) durch die Abluft um 9 K auf etwa 23°C abgekühlt. Ohne die Verdunstungskühlung wäre bei sonst gleichbleibenden Bedingungen nur eine Temperaturabsenkung der Außenluft um 5,2 K auf 26,8°C möglich gewesen. Durch die zusätzliche Leistung des Verdunstungskühlers fällt die zum Betrieb des Kaltwassererzeugers erforderliche elektrische Leistungsaufnahme (und die damit einhergehende CO₂-Emission) entsprechend niedriger aus. Die so vorgekühlte Außenluft muss im nachgeschalteten Kühler nur noch auf den gewünschten Zulufttemperatur-Sollwert von beispielsweise 20°C nachgekühlt werden. Dabei entspricht bei einem Luftvolumenstrom von zum Beispiel 3 m³/s die durch die Verdunstungskühlung zusätzlich erzielte Temperaturabsenkung um 3,8 K (9 K -> 5,2 K) einer Leistung von knapp 14 kW, welche der Kaltwasser-erzeuger nun nicht erbringen muss.

In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen (Temperatur, Feuchte, Effizienz der Wärmerückgewinnung) ist es auch durchaus möglich, dass die Abkühlung über den Verdunstungs-kühler bereits ausreicht, um die Außenluft ohne Zuschaltung des Kaltwassererzeugers auf die gewünschte Zulufttemperatur zu temperieren. Allerdings kann die Verdunstungskühlung keinen Beitrag zur Entfeuchtung der Außenluft leisten, da zum Unterschreiten der Taupunkttemperatur der Außenluft deutlich niedrigere Temperaturen im Kühler erforderlich sind.

Voraussetzungen für eine effiziente Verdunstungskühlung

Die tatsächliche Effizienz einer indirekten Verdunstungskühlung hängt in der Praxis hauptsächlich von folgenden Parametern ab:

Die Abluft kann umso intensiver befeuchtet (bis etwa 96%) und somit stärker gekühlt werden, je wärmer und je trockener sie ist.

Je größer die Rückwärmezahl der Wärmerückgewinnung ist, umso mehr Energie kann die warme Außenluft an die gekühlte Abluft übertragen. Gemäß Ökodesign-Richtlinie EU 1253/2014 muss die Rückwärmezahl für alle in RLT-Geräten eingesetzte Wärmerückgewinnungssysteme mindestens 73% (für KV-Systeme 68%) betragen.

Bei günstigen Rahmenbedingungen (Außenluft < 30°C, Abluft < 25°C, geringe Feuchte) kann durch eine indirekte Verdunstungskühlung eine Zulufttemperatur im Bereich von 20 bis 22°C ohne mechanische Nachkühlung erzielt werden.

Aufgrund der möglichen Übertragung von belasteter (feuchter) Abluft zur Zuluft werden zur Wärmerückgewinnung bei der Verdunstungskühlung sehr dichte Plattenwärmeübertrager oder Kreislaufverbundsysteme empfohlen. Der Einsatz von Rotoren ist wegen der systembedingt vorhandenen Leckagen zwischen Abluft- und Außenluftseite sorgfältig zu prüfen.

Simulation mittels Software

Zur Berechnung der Leistung und der Kühlarbeit einer Verdunstungskühlung hat die Condair GmbH mit „myCoolblue“ ein umfangreiches Simulationstool entwickelt, welches unter www.mycoolblue.de kostenlos genutzt werden kann. Fachplaner und Hersteller von RLT-Geräten können damit schnell und genau energetische Simulationen durchführen und Einsparpotenziale durch den Einsatz einer indirekten Verdunstungskühlung ermitteln.

Die Berechnung basiert im Wesentlichen auf drei Schritten und wird im Folgenden anhand einer Beispielauslegung kurz vorgestellt:

Zunächst erfolgt die Eingabe des Projekt-Standorts und aller gewünschten Betriebs-daten. Im Programm sind die Auslegungsdaten und Jahresverläufe von Außentemperaturen und Feuchten für zahlreiche deutsche und internationale Referenzstandorte hinterlegt. Die meteorologischen Daten basieren auf der VDI 4710 und Meteonorm-Wetterdaten. Die vorgegebenen Werte können individuell angepasst werden.

Sodann werden die spezifischen Anlagendaten eingegeben, wie zum Beispiel der Luftvolumenstrom, die Abmessungen des RLT-Geräts, Daten zur WRG etc. sowie die Anordnung der Komponenten im RLT-Gerät. Die so konfigurierte RLT-Anlage wird in einer Grafik dargestellt.

Anhand der Eingabedaten berechnet das Programm schließlich folgende Werte: Die Gesamtbetriebsstunden der RLT-Anlage pro Jahr, Betriebsstunden der Verdunstungskühlung und die zur Luftkühlung zu installierende Kälteleistung des Kaltwassererzeugers, jeweils mit und ohne Berücksichtigung der Verdunstungskühlung. Angegeben wird auch die insgesamt pro Jahr benötigte Kältearbeit zur Kühlung mit den Anteilen der mechanischen Kühlung (inklusive Entfeuchtung), der Wärmerückgewinnung und der Verdunstungskühlung sowie die Jahresarbeitszahl der Verdunstungskühlung.

Beispielhaft werden nun die Potenziale und Leistungen einer Verdunstungskühlung an den Standorten Potsdam und München (Mühldorf) aufgezeigt. Dabei orientieren sich die Daten bezüglich der Außenluft- und Abluftzustände an den Referenzvorgaben der BAFA-Förderung für die indirekte Verdunstungskühlung (Abluft 25°C, 60% r.F., Außenluft 32°C, 40% r.F.). Angenommen wird ein RLT-Gerät mit 10.800 m³/h, ein Kreuzstromwärmeübertrager mit RWZ 75 %, eine Abluftbefeuchtung auf 95%, eine Effizienz der Ventilator-Motor-Einheit von 0,6 und eine Betriebszeit der RLT-Anlage von 60 h pro Woche (3.120 h pro Jahr).

Ergebnisse der Berechnungen

Gemäß Tabelle 1 erbringt die indirekte Verdunstungskühlung inklusive der Wärmerückgewinnung an beiden Standorten einen Beitrag von rund 50% der jährlich zur Luftkühlung benötigten Kältearbeit. Die Jahresarbeitszahl der Verdunstungskühlung liegt bei 4,4 und 4,9. Gleichzeitig kann durch den Einsatz der Verdunstungskühlung die Nennleistung des Kaltwassererzeugers um 6 kW (Potsdam) beziehungsweise 8 kW (München) verringert werden. Während die Verdunstungskühlung einen Großteil der sensiblen Luftkühlung übernimmt, wird die Leistung des Kaltwassererzeugers im Wesentlichen zur Luftentfeuchtung benötigt.

Diese Aussagen und Tendenzen werden von einem weiteren Berechnungsgang bestätigt. Dabei werden alle Betriebsparameter der Beispielrechnung unverändert übernommen und nur ein Parameter geändert: Die maximal erlaubte Raumluft- beziehungsweise die Abluftfeuchte wird von zuvor 60% auf nun 70% erhöht. Dies führt zwar in den Räumen zu einer etwas geringeren thermischen Behaglichkeit, welche sich jedoch nur an sehr wenigen Stunden im Jahr einstellt. Allerdings trägt die Anhebung der Feuchte erheblich zur Verringerung der jährlich benötigten Kältearbeit zur Luftkühlung und Entfeuchtung bei, wie die Ergebnisse in Tabelle 2 zeigen.

Ein Vergleich der Daten in Tabelle 1 (Abluftfeuchte 60%) mit Tabelle 2 (Abluftfeuchte 70%) führt zu folgenden Resultaten:

Die insgesamt zur Luftkühlung benötigte Kältearbeit wird am Standort Potsdam um knapp 5.000 kWh/a und am Standort München um etwa 4.400 kWh/a reduziert. Dies entspricht im Vergleich zum Referenzzustand „60% relative Feuchte“ einer Verringerung um rund 25%.

Gleichzeitig ist der Anteil der Kältearbeit der Verdunstungskühlung und der Wärmerückgewinnung auf deutlich über 60% gestiegen.

Der Kaltwassererzeuger benötigt nun eine um 15 kW (Potsdam) beziehungsweise um 13 kW (München) geringere Leistung.

Einsparungen durch die Verdunstungskühlung

Welche monetären Einsparungen ergeben sich nun durch den Betrieb der Verdunstungskühlung zur Luftkühlung? Dazu wird angenommen, dass der eingesetzte Kaltwassererzeuger eine Arbeitszahl von 4,0 aufweist. Wenn durch die Verdunstungskühlung am Standort Potsdam (60% r.F.) 9.892 kWh_th/a eingespart werden, entspricht dies einer elektrischen Arbeit von 9.892 : 4 = 2.473 kWh_el/a (bei 70% r.F. im Vergleich zum Referenzzustand 20.014 kWh/a - 5.654 kWh/a = 14.360 kWh_th/a : 4 = 3.590 kWh_el/a). Bei einem Strompreis von 18 Cent/kWh ergeben sich Einsparungen an elektrischer Arbeit von 445 €/a (60% r.F.) beziehungsweise von 646 €/a (70% r.F.). Berücksichtigt man eine Lebenszyklusbetrachtung über 15 Jahre, ergeben sich daraus 6.675 € und 9.690 €.

Weitere Einsparungen ergeben sich aus den verringerten Nennleistungen der einzusetzenden Kaltwassererzeuger. Hier wird angenommen, dass pro kW geringere Kälteleistung 300 € weniger Investitionskosten anfallen. Alle Einsparungen werden für beide Berechnungen gemeinsam mit den Beträgen der BAFA-Förderungen in Tabelle 3 zusammengestellt.

Förderrichtlinie Kälte-Klima

Bereits mit Wirkung zum 1. Januar 2019 hat das Bundeswirtschaftsministerium eine Neufassung der „Richtlinie zur Förderung von energieeffizienten Kälte- und Klimaanlagen mit nicht-halogenierten Kältemitteln in stationären und Fahrzeug-Anwendungen“ veröffentlicht. Nach dieser Richtlinie werden nur noch neue Kälte- und Klimaanlagen gefördert, die mit natürlichen Kältemitteln betrieben werden sowie Ab- und Adsorptionskälteanlagen. Systeme der indirekten Verdunstungskühlung wurden neu in die Förderrichtlinie aufgenommen. Die Förderhöhe F einer Kälte- oder Klimaanlage (in Euro) ergibt sich nach der Gleichung:

F = (A • XB + C) • X

Darin sind X die Nennkälteleistung der Anlage (in kW) und A, B und C anlagenspezifische Koeffizienten, die für jedes einzelne Kältesystem definiert sind. Für die indirekte Verdunstungskühlung gilt: A = 3.567,45, B = -1,0788, C = 70,79. Die durch die Verdunstungskühlung erzeugte Kälteleistung X wird für die definierten Bedingungen Außenluft (32°C, 40% r.F.) und Abluft (25°C, 60% r.F.) sowie die eingesetzte Wärmerückgewinnung berechnet. Bei einer Befeuchtung der Abluft (25°C, 60% r.F.) in der Verdunstungskühlung auf 96% sinkt deren Temperatur auf etwa 20°C. Dann ergibt sich bei einer Rückwärmezahl der Wärmerückgewinnung von 75 % die Kälteleistung:

X = • ρ • cp • ΔT • η_WRG

X = 3 m³/s • 1,2 kg/m³ • 1.006 kJ/kgK • (32 - 20) K • 0,75

X = 32,6 kW

Setzt man diesen Wert in die Fördergleichung ein, folgt für die Förderung:

K = (3.567,45 • 32,6-1,0788 + 70,79) • 32,6 = 5.018 €

Somit wird bei diesem Beispiel die RLT-Anlage, unabhängig vom Standort und von sonstigen Betriebsparametern vom BAFA pauschal mit 5.018 € gefördert.

Übersicht der Einsparungen

Insgesamt ergeben sich durch den Betrieb der indirekten Verdunstungskühlung für die Beispiel-RLT-Anlage, die beiden Standorte, die beiden Feuchteannahmen (60% und 70%) und für eine Betrachtungszeit von 15 Jahren die in Tabelle 3 dargestellten Einsparungen. Die Daten in Tabelle 3 zeigen, dass sich in den genannten Standorten durch den Einsatz einer indirekten Verdunstungskühlung im Standardbetrieb (Abluftfeuchte 60%) über eine Betriebszeit von 15 Jahren erhebliche Einsparungen von mehr als 13.000 € ergeben. Diese Einsparungen steigen auf Werte von rund 22.000 bis 23.000 € an, wenn der Betreiber bereit ist, für wenige Stunden pro Jahr eine Raumluftfeuchte von 70% zu akzeptieren.

Zusätzliche Aufwendungen für die Verdunstungskühlung

Den Einsparungen in Tabelle 3 stehen naturgemäß auch Aufwendungen gegenüber. Dies ist zunächst die Beschaffung des Verdunstungskühlers. Hinzu kommen Betriebskosten für das benötigte Wasser und dessen Aufbereitung (hierfür kann auch aufbereitetes Regenwasser eingesetzt werden). Ebenso sind der zusätzliche Stromverbrauch des Abluftventilators, der Pumpe, Aufwendungen für eine dichtere Ausführung der Wärmerückgewinnung sowie Kosten für Service, Wartung und Instandhaltung (Kontrolle der Wasserhygiene, Austausch der Befeuchtungskörper etc.) zu berücksichtigen.

Alle Kosten und Einsparungen sind aber sehr stark abhängig von der RLT-Anlage selbst (Luftvolumenstrom, Rückwärmezahl der Wärmerückgewinnung, Befeuchtungsleistung, Betriebszeit), den Betriebsparametern (Temperaturen und Feuchten von Zuluft, Abluft und Außenluft), dem Standort (Jahresgang der Außenluft), den tatsächlichen Strom- und Wasserpreisen, der Arbeitszahl des Kaltwassererzeugers und den realen Einsparungen bei Verringerung der Nennleistung des Kaltwassererzeugers. Daher können die vorherigen Beispielrechnungen nur Tendenzen aufzeigen. Die zuvor genannten Faktoren müssen jeweils projektspezifisch ermittelt werden. Aus einer Vielzahl bisher ausgeführter Anlagen ergaben sich für Verdunstungskühlsysteme Amortisationszeiten zwischen 3 bis 10 Jahren – allerdings ohne Berücksichtigung der BAFA-Förderung, durch welche die Amortisationperiode nun deutlich verkürzt werden kann.

Zusammenfassung

Um die elektrisch aufzubringende Leistung der zur Kühlung in raumlufttechnischen Anlagen eingesetzten Kaltwassererzeuger zu verringern, bietet die indirekte Verdunstungskühlung erhebliche ökologische und ökonomische Potenziale. Jedoch ist Verdunstungskühlung aber kaum dazu geeignet, die Gebäudekühlung ganzjährig eigenständig zu gewährleisten. Dies ist nur unter bestimmten Voraussetzungen, zum Beispiel an sommerlich dauerhaft kühlen Standorten, möglich. Meist liegen die Anteile der Verdunstungskühlung an der Kühlarbeit, die jährlich zur Luftkühlung insgesamt benötigt wird, aber im Bereich von 50 bis 60%. Daher sollte die Verdunstungskühlung, wie es auch mehrere aktuelle technische Regeln empfehlen, stets als Basis zur Vorkühlung der Außenluft in Betracht gezogen werden. Die Rest- oder Spitzenlast zur Luftkühlung und -entfeuchtung übernimmt der in der Leistung reduzierte und dadurch günstigere Kaltwassererzeuger.

Ein weiterer positiver Aspekt sind die Einsparungen an CO₂-Emissionen durch den geringeren Stromverbrauch des Kaltwassererzeugers. Hierzu kann laut Umweltbundesamt ein Wert von rund 0,5 kg CO₂ pro eingesparte kWh Strom angesetzt werden. Daraus folgt: Wenn die Kältearbeit des Kaltwassererzeugers (Arbeitszahl 4) zum Beispiel um 8.000 kWh/a verringert wird, entspricht dies einer Einsparung beim Stromverbrauch um 2.000 kWh/a und somit einer Verringerung der CO₂-Emissionen um 1 t/a. Dieser Umweltaspekt gewinnt bekanntermaßen zunehmend an Bedeutung und spricht für den Einsatz einer Verdunstungskühlung.