Popcool artikel

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Autor

em Wunsch der Kunden entspre-

chend, auf die Betriebskosten der

Klimaanlage verzichten zu kön-

nen, entstanden die Doppelfassaden.

Nach Auffassung des Autors wird sich

zeigen, das dies ein Irrweg ist, da damit

weder Staub, Gerüche, Rauch oder Au-

ßenschadstoffe von den Räumen fern

gehalten werden können, noch Ent-

feuchtung und Temperaturen im Som-

mer dauerhaft behaglich bleiben.

Dem Grundgedanken, die Betriebskos-

ten des Gebäudes zu minimieren, sollte

die Klimabranche jedoch zum Anlass

nehmen, einmal gründlich nachzuden-

ken. Das Entstehen dieser Gebäude zeigt

die Bereitschaft der Investoren, von dem

Dogma des Behaglichkeitsfeldes der DIN

1946 mit Garantiewerten, auch bei Groß-

bauten Abstand zu nehmen.

Forderung

Als Konsequenz ist die Entwicklung

von wirtschaftlicheren Kühl- und Ent-

feuchtungsverfahren, die als alleiniges

Kriterium die Behaglichkeit definiert, zu

fordern.

Dazu zählt die Infragestellung der ge-

forderten Mindestaußenluftmenge je

Person nach DIN 1946.

Begründung

? Die erreichte Luftqualität im Aufent-

haltsbereich ist alleine ausschlaggebend

für das Wohlbefinden der Personen. Wie

hoch die tatsächliche Zuluftmenge ist,

interessiert den Kunden nur insoweit er

die Betriebskosten dafür zahlen muss.

? Die Luftqualität der Zuluft unter-

schreitet die Außenluftqualität bei einer

Vielzahl von vorhandenen Anlagen

durch Beimischung von Umluft oder

Rückgewinnung der in der Umluft ent-

haltenen Schadstoffe erheblich, ohne

dass dies zu Klagen führt.

? Was nützt den Personen eine garan-

tierte Außenluftmenge, die er 20-fach

mit (schlechter) Raumluft verdünnt er-

hält? Auslegungskriterium sollte die ab-

geführte Schadstoffbilanz sein! Die

empfundene Luftqualität ist umgekehrt

proportional der Vermischung der

Raumluft mit der Zuluft. Bei Quelllüf-

tung ist daher theoretisch eine bessere

Luftqualität mit geringeren Zuluftmen-

gen je Person bei gleicher Behaglichkeit

erreichbar. Diese Tatsache wird in der

DIN jedoch nicht berücksichtigt.

? Bei Fensterlüftung oder Doppelfassade

werden die Werte nie garantiert, und das

akzeptiert der Kunde auch.

Ähnlich verhält es sich mit der Feuch-

te. Dort gibt es in der DIN nur einen

Grenzwert der Behaglichkeit, dabei wis-

sen alle, das bei 28 °C und einer Feuchte

von 9 g/kg der Körper es leichter hat als

bei 26 °C an der Schwülegrenze. Warum

redet niemand in Verbindung mit Dop-

Luftqualität

Effiziente Klimatisierung

Im Herbst vergangenen Jahres wurden in dieser Zeitschrift am Markt

vorhandene Systeme für eine solargestützte Klimatisierung verglichen

[1; 2]. In dem Artikel fordern die Verfasser trockene kühle Luft für die

Nutzer". Diese Forderung sollte eigentlich lauten schadstoff- und

staubarme Luft im Aufenthaltsbereich mit Temperatur und Feuchte

innerhalb des Behaglichkeitsfeldes" oder kurz gesagt: hygienisch ein-

wandfrei und angenehm temperiert". Diese Forderung ist allerdings

ohne eine Luftfilterung und ohne Entfeuchtung in den Innenstädten

im Sommer nicht realisierbar.

Herbert Haser, Luxembourg

Tabelle 1

Werte für den Entfeuchtungsbetrieb

Herbert Haser

, Jahrgang 1956,

hat in der Klimatechnik Ausfüh-

rungserfahrung gesammelt bevor

er anschließend langjährig im

technischen Vertrieb von Klima-

geräten tätig war. Bei Paul Wurth

in Luxembourg ist er als Projekt-

manager im Bereich der Haus-

technik tätig.

Luftart

Temperatur

Feuchte

Enthalpie

Enthalpiedifferenz

[°C]

[g/kg]

[kJ/kg]

Außenluft

Außenluft gekühlt

18,5

49,3

13,7

Außenluft

12,4

 14,3

entfeuchtet

Kühleraustritt

hinter Nacherhitzer

18,5

41,3

+ 6,3

= Zuluft ist

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pelfassaden über die Garantie der zulässigen

Raumfeuchte?

Um Betriebs- und Investitionskosten einsparen

zu können benötigen wir in der Zukunft Anlagen

die mit geringen Luftmengen (unterhalb von

40 m

/h Person), zumindest bei extremen Außenbe-

dingungen betrieben werden können. Dies erfordert

eine Absenkung der absoluten Zuluftfeuchte auf et-

wa 9 g/kg, damit gleichzeitig keine Probleme mit

Kondensat an Kühldecken oder Betonkernaktivie-

rung auftreten können.

Istzustand

Genau bei der Entfeuchtung hat die übliche Kalt-

wasserkühlung jedoch die größten Probleme. An-

hand einer ganzjährigen Zulufttemperatur von

18,5 °C und einer maximalen Absolutfeuchte von

9 g/kg (entspricht 41,3 kJ/kg) wurden die entspre-

chenden Prozesse, getrennt nach Funktion, aus dem

hx-Diagramm entnommen (

Tabelle 1

Der Systemwirkungsgrad bei Entfeuchtungs-

betrieb ist mangelhaft, für eine benötigte Leistung

von 8 kJ/kg wird je 6,3 kJ/kg Kühl- und Erhitzerleis-

tung zusätzlich verbraucht.

Die in [1] beschriebene zur Zeit mögliche Alterna-

tive mit Sorptionstechnik mit Verdunstungsküh-

lung und Energierückgewinnung zeigt bei einer ge-

trennten Betrachtung der Vorgänge von Kühlung

und Entfeuchtung dagegen Schwächen bei der Küh-

lung (

Tabelle 2

Bei dem Wert Zuluft ist" fehlt jetzt, je nach Ein-

bausituation, noch die Ventilatorabwärme von ca.

1 K. Um diese zu eliminieren benötigt man eine um

etwa 1,5 g höhere Entfeuchtungsleistung (ca. 10 kJ/

kg zusätzlich), oder einfacher und preiswerter, man

lässt eine Steigerung der Zuluftfeuchte auf 9,7 g/kg

bei 18,5 °C zu und ist wieder bei der alten Lö-

sung (

Bild 1

Leider sind das nicht die einzigen nachteiligen Ei-

genschaften des Systems.

Es sinkt dort die Effizienz des Sorptionsprozesses

mit steigender Entfeuchtungsleistung überpropor-

tional. Dieses Verhalten gilt für alle Sorptionspro-

zesse.

Die übrigen Nachteile sind in

Tabelle 3

aufgelistet

und knapp erläutert.

Als wesentliche Änderung gegenüber der reinen

Kaltwasserkühlung übernimmt bei der Sorptions-

technik jedoch erstmals die Wärmerückgewinnung

auch erhebliche Kühlleistungen. Folglich sollte die

Luftart

Temperatur

Feuchte

Enthalpie

Enthalpiedifferenz

[°C]

[g/kg]

[kJ/kg]

Außenluft

1. Außenluft nur

67,5

+ 4,5

entfeuchtet

2. Zusatzentfeuchtung

6,0

+ 6,5

für Kühlung

Außenluft

6,0

41,5

21,5

entfeuchtet nach WRG

Nach Befeuchter

18,5

9,0

41,5

= Zuluft ist

Ablufteintritt 19°C 100 % r.F. 54 kJ/kg (

= 80 %)

Tabelle 2

Werte für Kühlung und Entfeuchtung

Systembeschreibung

Konsequenz

Systeme mit 2 hintereinandergeschal-

Der tatsächliche Außenluftbedarf für

teten Rotoren gewinnen leider nicht

gleiche Luftqualität ist praktisch fast

nur die Wärme und Feuchte zurück,

doppelt so hoch als bei Systemen ohne

sondern nach Untersuchungen [3]

Umluftanteil.

auch in der Abluft enthaltene Schad-

Die Kosten für die Luftförderung und das

stoffe. (Der Rückgewinnungsgrad der

entsprechende Kanalnetz ebenfalls.

Schadstoffe liegt je nach Schadstoff

zwischen 15 bis 40 % je Rotor).

Dies wird häufig nicht berücksichtigt.

Die Anordnung der Ventilatoren in den Druckdifferenzen grösser 500 Pa

Systemen ist sehr kritisch. Bei Anlagen

zwischen Zu- und Abluft am Rotor sind

mit hohen externen Druckverlusten ist

zu vermeiden, sonst steigt der Außen-

das System nicht mehr wirtschaftlich

luftbedarf zusätzlich um 10 bis 15 %,

einsetzbar, da die Leckrate der Rotoren je nach dem Verhältnis externer zu

dann Grössenordnungen von bis über

interner Druckverluste.

20 % Umluft oder 20 % Mehrförderung Die Anordnungen der Ventilatoren ist

des Abluftventilators aufweisen. Die

dabei immer ungünstig, einmal durch

genannten Werte sind Praxiswerte, die

den hohen Umluftanteil, andernfalls

bei nicht optimaler Einstellung der

durch das nicht nutzbare zusätzliche

Dichtungen noch überschritten

zu fördernde Volumen, bzw. durch die

werden können.

zusätzliche Ventilatorabwärme an der

kältesten Stelle im System.

Der Außenluft wird im Kühlbetrieb

Auch zu Zeiten hoher Keimbelastung der

als erstes Feuchte entzogen, die später

Außenluft ist ein Befeuchter in Betrieb.

im Befeuchter wieder zugesetzt wird.

Das ist hygienisch nicht sinnvoll.

Die Druckverluste der Befeuchter

Dies bedeutet einen hohen Energie-

stehen ganzjährig an, der Entfeuch-

bedarf für die Luftförderung, der von

tungsrotor verbleibt immer im

Anlagen mit Kaltwasserkühlern

Luftstrom, lediglich auf der Fortluft-

erheblich unterschritten wird.

seite ist ein Bypass vorgesehen.

Nach den vorliegenden Hersteller-

Da auch Staub(schichten) Feuchte

angaben erfolgt

keine

Übertragung

speichert, muss zumindest von einer

von Feuchte im Wärmerückgewinner.

geringen Feuchteübertragung ausge-

gangen werden, was sofort die Leistung

erheblich beeinträchtigt. (Gibt es ein

Unternehmen das seine Daten nach

Eurovent hat zertifizieren lassen?)

Teilweise Befeuchter mit Umlaufwasser Legionellenproblematik mit erhöhter

Wartung, Kontrolle.

Teilweise Hochdruckbefeuchter

Entweder vollentsalztes Wasser oder

nachgeschalteten Feinfilter F7

erforderlich, zusätzlicher Druckverlust

und Wartungsaufwand.

Hygienevorschriften

Da die Geräte einen Umluftanteil haben,

muss das Abluftkanalnetz nach der

VDI 6022 dem Hygienezustand der

Zuluft entsprechen und daher regel-

mässig gereinigt werden.

Bei Bedarf zusätzlicher Kaltwasser-

Die bei einem reinem Systemvergleich

systeme für EDV und/oder

nicht mehr erforderlichen Bauteile

Bauteilkühlung.

werden trotzdem benötigt =

Preisnachteil.

Tabelle 3

Nachteile des Sorptionsprozesses mit Verdunstungskühlung

Page 3

Wärmerückgewinnung korrekt als Ener-

gierückgewinnung (ERG) bezeichnet

werden.

Lösung

Einen Lösungsansatz bietet der bei der

Fa. Wurth, Luxembourg, entwickelte

Power-Optimized-Process for cooling,

kurz POPcool

(Patent angemeldet). Dort

werden bei einer geschickten Kombina-

tion zwischen Sorptionstechnik und

Energierückgewinnung (ERG) mit Kalt-

wassernachkühlung günstigere Werte

(

Tabelle 4

) erreicht.

Bei dieser Kombination sind folgende

Rahmendaten beachtenswert:

? Die Kühlleistung am Kühler sinkt ge-

genüber der reinen Kaltwasserkühlung

auf etwa 25 % der sonst benötigten Leis-

tung.

? Das Verfahren benötigt nur etwa halb

so viel Wärme für den Entfeuchtungsbe-

trieb wie die reine Sorptionstechnik.

? Das Verfahren kann mit gleichen Kalt-

wassertemperaturen wie die Kühldecke/

Betonkerntemperierung betrieben wer-

den, eine Auslegung der gesamten Käl-

teanlage auf 16/20 °C wird möglich.

? Die Anlagentechnik ist sehr effizient

und bringt Jahresdeckungsgrade bei der

Heizung von ca. 90 % und bei der Küh-

lung von ca. 85 % ohne Einsatz des

Nachwärmetauschers.

? Bei leichter Komfortminderung

(Grenzwerte der DIN 1946 werden nicht

garantiert!) ist ein Betrieb ganzjährig oh-

ne Kältemaschine der Gesamtanlage, bei

erheblich behaglicheren Bedingungen,

als zum Beispiel bei Doppelfassaden, bei

geringen Betriebskosten möglich.

? Beachtliche CO

-Reduzierung

? Viel geringere Wartungskosten

? Es sind Zuluftfeuchten bis in eine Grö-

ßenordnung von < 7 g/kg möglich.

? Bei Abwärme oder Solarbetrieb kann,

bei entsprechend hohen Regenerations-

temperaturen, die Zuluftfeuchte prak-

tisch kostenlos auf derart geringe Werte

zurückgefahren werden, ohne dass die-

ses die Kälteanlage belastet.

? Die Gesamtenergiekosten der Kli-

maanlage sinken gegenüber einer her-

kömmlichen Kaltwasserkühlung um et-

wa 40 bis 50 %.

Konsequenz

Bei Kaltwassertemperaturen von

16/20 °C erzielt eine Kompressionskäl-

teanlage erheblich bessere Leistungszif-

fern. In Deutschland sind diese Tem-

peraturen bis auf wenige Tage im Jahr

direkt durch Verdunstungskühlung ohne

den Einsatz von Kältemaschinen er-

reichbar. In Verbindung mit Kühldecken

oder Betonkernaktivierung bietet sich

an, Energiekonzepte mit gesamtheitli-

cher Betrachtung zu erarbeiten. Wurth

realisiert die Optimierungen an einem

Bürogebäude mit einer Nettonutzfläche

von 5 000 m

. Dort wird mit Kaltwasser"

(22/30 °C) geheizt und mit Warmwas-

ser" (bis 18/26 °C) gekühlt und die Ab-

wärme der EDV für die Gebäudeheizung

genutzt.

Das geschätzte Einsparpotential liegt

in einer Größenordnung von 40 % der

Gesamtbetriebskosten für die Klima-

technik bei gleichzeitig gegenüber der

Vorplanung leicht gesunkenen Baukos-

ten und erhöhtem Komfort für den Nut-

zer.

Bei dem Power-Optimized-Process for

Cooling handelt sich um eine Neukon-

Bild 1

Typischer Heizaufwand der Entfeuchtung bei konstanter Eintritts-

feuchte und Temperatur bei variablen Entfeuchtungsleistungen

Luftart

Temperatur

Feuchte

Enthalpie

Enthalpiedifferenz

[°C]

[g/kg]

[kJ/kg]

Außenluft

12,0

Außenluft entfeuchtet

9,0

67,5

+ 4,5

Außenluft

9,0

18,5

entfeuchtet nach ERG

Nach Kühler

18,5

41,5

 7,5

Tabelle 4

Werte für Sorptionskälte mit Energierückgewinnung und Kaltwassernachkühlung

Page 4

struktion die auf Basis der VDI 6022 ent-

wickelt wurde. Dabei wurden die in der

Tabelle 5

aufgeführten Konstruktions-

merkmale zum Teil erstmalig verwirk-

licht.

Funktionsbeschreibung

Bild 2

ist die Anlagentechnik mit

den zugehörigen Temperaturen im Som-

merbetrieb dargestellt. Der Umfang der

POPcool Komplettlieferung endet mit

den Jalousieklappen in der Aussen-,

Fort- und Regenerationsluft auf der ei-

nen Seite, auf der anderen Seite sind die

letzten enthaltenen Bauteile die Druck-

fühler, bzw. der komplette Regelkreis für

den Nachwärmetauscher.

Im Sommerbetrieb wird dabei feucht-

warme Luft mit 32 °C 40 % r.F. (12 g/kg)

über die Jalousieklappe dem Ventilator

zugeführt. Von diesem wird die Luft mit

einer Temperaturerhöhung von ca. 1 K

in die Filterkammer geblasen. Nach der

Filterkammer wird der Luftstrom in den

Prozessluftstrom und den Regenerati-

onsluftstrom aufgeteilt.

Der Regenerationsluftstrom wird nor-

mal auf 80 °C (bis 140 °C sind möglich)

erhitzt und über das Sorptionsrad gelei-

tet. Dort nimmt er die Feuchte und sons-

tigen bei der Regenerationstemperatur

desorptionsfähigen Stoffe auf. Über eine

Regelklappe wird der noch feuchte und

warme Regenerationsluftstrom der Ein-

fachheit halber in die Fortluft des Ge-

bäudes eingeleitet und verlässt mit die-

ser das Gebäude.

Der Prozessluftstrom wird, abhängig

von der benötigten Entfeuchtungsleis-

tung, von 0 bis 100 %, über den Sorpti-

onsrotor geleitet. Dadurch wird der

Druckverlust immer so gering wie mög-

lich gehalten. Bei der Trocknung der

Aussenluft erwärmt sich diese bei Vol-

last auf ca. 45 °C. Diese sehr warme Luft

wird dann einem Plattentauscher mit

integrierter adiabatischer Befeuchtung

zugeführt. Dort erfolgt eine Abkühlung

um ca. 19 K bei Nennluftmenge. Die

jetzt vorhandene Luft, mit ca. 25 bis

26 °C und einer absoluten Feuchte von

g/kg, wird im Nachwärmetauscher

mittels Hochtemperaturkälte auf die be-

nötigte Zulufttemperatur konditioniert

und verlässt das POPcool-Gerät.

Die Abluft erreicht das POPcool-Gerät

mit einer angenommenen Temperatur

von 26 °C und 10 g/kg über einen elasti-

schen Stutzen. Die komplette Platten-

tauscheroberfläche wird mittels eines

Realisierte Merkmale

Konsequenz/Vorteile

100 % Trennung Abluft/Aussenluft, kein

Das Abluftkanlasystem muss nicht

Umluftanteil!

zwingend gereinigt werden.

Gerät ist mit einer serienmässigen

Für die Einhaltung dieser Hygiene-

Begrenzung der Feuchte im Aussenluft-

anforderungen sind bei den her-

filter nach den Vorgaben der VDI 6022

kömmlichen Systemen erhebliche

Teil 3 (Entwurf) ausgestattet.

Mehrkosten fällig. Dieser Punkt, der

erstmals in der VDI 6022 Teil 1 aufge-

führt ist, wird zur Zeit von der Branche

ignoriert, weil angeblich zu teuer, oder

keine akzeptable Lösung vorhanden

ist.

Nur 1 Wärmetauscher für Nachkühlung

Geringe innere Druckverluste, niedrige

oder Nachheizung.

Wartungskosten, Baulängenreduzierung.

Gerät auf hoher Qualitätsstufe, Böden

Lange Lebensdauer, einfache Reinigung

generell begehbar und glatt.

möglich.

ca. 20 % Luftmengenreserve im Normal- Hohe Betriebssicherheit, längere

betrieb (Betrieb ohne Entfeuchtung)

Lebensdauer, da Bauteile im Normal-

betrieb nicht hoch belastet sind.

Nur eine Filterstufe (F7) in der Zuluft

Geringe Betriebskosten.

notwendig.

Keine feuchten Oberflächen in der

Höchster Hygienestandard.

Zuluft.

In Sorptionsrotor bakterientötend.

Höchster Hygienestandard.

(Über Pilze und Sporen gibt es noch

keine Untersuchungen.)

Im Entfeuchtungsbetrieb werden,

Höchster Hygienestandard.

ähnlich wie beim Wäscher, auch andere

wasserlösliche Luftschadstoffe und

gasförmige Schadstoffe aus der Zuluft

entfernt.

Befeuchtungssystem der Abluft ohne

Keine Legionellenprobleme möglich.

Umlaufwasser mit regelmässiger

automatischer Reinigung.

Reinigungsvorrichtung für Platten-

Abluftfilter entfällt, geringere Betriebs-

tauscher in der Abluft.

kosten. Gerät ohne Probleme auch für

stark verschmutzte Abluft, einschliesslich

Küchenabluft, nutzbar.

Hocheffiziente Energierückgewinnung.

Sehr geringe Energiekosten.

Jahresdeckungsraten bis ca. 90 % für

Wärme und 85 % für Kälte.

Wirtschaftlichkeitsberechnung mit

Kostentransparenz in jeder Phase, auch

Ihren Energiedaten und Betriebszeiten

der Nichtfachmann erhält brauchbare

wird auf Wunsch mitgeliefert.

Entscheidungsunterlagen.

Erstellung von Energieoptimierungs-

Sie sind mit den übrigen

konzepten und -gutachten für das

Problemen eines Gebäudes nicht alleine.

Gesamtbauvorhaben kann übernommen

werden.

Komplettpaket mit Regelung,

Gefahrlos von jedem Anlagenbauer zu

Verkabelung und Inbetriebnahme,

installieren.

Wasseraufbereitung und Reinigungs-

Hohe Betriebssicherheit durch geprüfte

mittel.

Komponenten.

Historische Daten aller Betriebspara-

Optimale Kostenkontrolle.

meter einschliesslich Energiespar-

potential serienmässig verfügbar.

Komplett fernüberwachbar und

Keine Schnittstellenprobleme.

kombinierbar mit allen Regelfabrikaten.

Gesamtstellfläche etwa gleich gross wie

Als Ersatz für Altanlagen im Rahmen

bei herkömmlicher Anlagentechnik.

einer Sanierung bedingt geeignet.

Problemlos an die vorhandene

Regenerationslufterhitzer mit Anschluss

Installation anpassbar.

an Heizungsnetze mit Medium 90/70 °C

ist Standard. Variante mit Gasdirektbe-

feuchtung der Regenerationsluft

möglich.

Abwärme zum Bsp. aus EDV für Heizung

Wärmetauscher für Niedrigtemperatur-

nutzbar. Betrieb Nachkühlung direkt am

niveau Nachheizung mit PWW 25/18

Kühlturn möglich.

bzw. Nachkühlung mit 18/25.

Baukastensystem für alle Luftmengen-

Lieferspektrum ab 5 000 m

/h bis

bereiche.

80 000 m

/h.

Tabelle 5

Konstruktionsmerkmale

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Bei Überschreitung der zulässigen Zu-

luftfeuchte wird der Sorptionsrotor und

der Regenerationslufterhitzer in Betrieb

genommen und die Luftmenge im Rege-

nerationsluftstrom stufenlos geregelt.

Die Regelklappe im Bypass der Prozess-

luft schliesst parallel, so dass auch nur

der benötigte Prozessluftstrom durch

das Entfeuchtungsrad geleitet wird. Soll-

te die Zuluftfeuchte zu hoch sein, regelt

die Klappe bis auf 100 % zu. Durch spe-

zielle Schaltungen regelt die Software

automatisch eventuell geringere oder

höhere Heiztemperaturen aus, so dass

sogar ausserhalb des Auslegungszustan-

des Temperatur und Feuchte der Pro-

zessluft korrekt geregelt werden und der

POPcool energieoptimiert funktioniert.

Die DDC übernimmt die Steuerung

und Überwachung aller im Liefer-

umfang enthaltenen Hilfsaggregate wie

Befeuchtungsschlitten, Wasseraufberei-

tung und Waschvorgänge. Die Steuerung

auf Basis von einer standardisierten

DDC-Einheit arbeitet autark als dezen-

trale Intelligenz mit standardisierter

Schnittstelle für die Leitzentrale.

Vom POPcool werden alle wichtigen

Daten als historische Daten gesammelt

und der Leitwarte übergeben. Am Gerät

selbst werden die momentan erzeugte

Kälte- bzw. Heizleistung sowie Luftmen-

gen ständig überwacht und angezeigt.

Düsenschlittens direkt mit enthärtetem

Wasser benetzt. Bedingt durch die nas-

sen Oberflächen steigt die Temperatur

im Tauscher auf der Abluftseite nicht li-

near, sondern entlang der Feuchtkugel-

temperatur, wodurch die mittlere loga-

rithmische Temperaturdifferenz zwi-

schen Zu- und Abluft vergrössert wird.

Selbst bei einem Lufteintritt von 35 °C

steigt die Austrittstempertur der Zuluft

nur um ca. 3 K auf 29 °C an. Das Über-

schusswasser (ca. 5 bis 10 %) wird von

der nachgeschaltetem Wanne aufgefan-

gen bzw. vom Tropfenabscheider abge-

schieden und in die Kanalisation gelei-

tet.

Der Tauscher wird bei Kühlbetrieb ein-

mal je Tag mittels der eingebauten auto-

matischen Wascheinrichtung gereinigt,

so dass auf ein Filter in der Abluft in der

Regel verzichtet werden kann.

Die sehr feuchte Luft wird mit dem

Fortluftventilator, der diese um ca. 1 K

erwärmt, zusammen mit dem Regenera-

tionsluftstrom, der die relative Luft-

feuchtigkeit zusätzlich senkt, schwaden-

frei ins Freie geblasen.

Es ist zu beachten, dass die oben ge-

nannten Daten bei Maximalluftmenge

gelten. Der POPcool verläuft nicht linear

und erreicht im Teillastbetrieb bessere

Werte als oben angegeben.

Die ERG wird über einen Bypass in der

Aussenluft stufenlos geregelt und ist bei

Anlagen mit 24 h-Betrieb mittels einer

speziellen Schaltung zuverlässig gegen

Vereisung geschützt.

Bei mehreren kleineren Anlagen in ei-

ner Zentrale mit unterschiedlichen

Temperaturen und Druckverhältnissen

kann auf den Nachwärmetauscher im

Gerät verzichtet werden. Der POPcool

übernimmt dann die Funktion einer ge-

meinsamen Aussenluftaufbereitung.

Aufgrund der sicheren Trennung der

Luftströme können Anlagen mit unter-

schiedlichen Schadstoffbelastungen an-

geschlossen werden.

Regelung

Da alle im Prozess vorkommenden Vo-

lumenströme variabel sind und Tem-

peraturen und absolute Feuchten stän-

dig schwanken, gehört eine ausgefeilte

Regeltechnik zum Lieferumfang.

Die Verkabelung der Feldgeräte erfolgt

bereits, soweit möglich, im Hersteller-

werk, so dass sich vor Ort sehr schnell

die Inbetriebnahme, ohne Bohren und

Verlegung von Kabeln im Gerät, durch-

führen lässt.

Die Drehzahl der Ventilatoren wird

üblicherweise in Abhängigkeit der ge-

wünschten Druckes im Zu- bzw. Abluft-

kanal geregelt.

Bild 2

Anlagentechnik des Power Optimized Process for cooling mit den zugehörigen Temperaturen im Sommerbetrieb

Page 6

Temperatur von 80 °C erforderlich.

Die für die Regeneration des Sorpti-

onsrotors benötigte maximale Heizleis-

tung des Lufterhitzers beträgt folglich:

1,0583 kg/s ù (80 °C - 32 °C) ù

ù 1,004 kJ/kg/K = 51,0 kW

Diese maximale Heizleistung des Luf-

terhitzers wird jedoch nur bei maxima-

ler Entfeuchtungsleistung des Sorpti-

onsrotors benötigt, d.h. wenn die Außen-

luft eine Absolutfeuchte von 12,0 g/kg

aufweist. Ein solcher Außenluftzustand

gilt im Raum Trier statistisch jedoch nur

für 141 h/a. Die restlichen Stunden ist

eine geringere Entfeuchtungsleistung er-

forderlich, d.h. dass der Sorptionsrotor

ebenfalls eine geringere Heizleistung für

seine Regeneration benötigt. Übers Jahr

gemittelt liegt die Heizleistung für die

Regeneration des Sorptionsrotors bei et-

wa einem Drittel (Vereinfachung im Re-

chenmodell) der Maximalleistung von

51 kW, d.h. bei ungefähr 17 kW.

Wirtschaftlichkeitsvergleich

Die beste Technik ist schwierig zu ver-

kaufen, wenn es nicht in der Kasse klin-

gelt. Wie wirtschaftlich der POPcool ist,

wird anhand eines Vergleiches mit ei-

nem traditionellen Kühlsystem beste-

hend aus einer Kälterzeugung mit ei-

nem Kaltwasserkreislauf 6/12 °C und ei-

nem Kaltwasser-Luftkühler mit Nach-

erhitzer dargestellt. Um den Vergleich

einfach nachvollziehbar zu halten, wer-

den teilweise vereinfachte Rechenmo-

delle benutzt.

Für einen konkreten Vergleich der

Energiekosten wird ausserdem davon

ausgegangen, dass beide Systeme die

gleiche Zuluftfeuchte von 9 g/kg errei-

chen. Mit dem POPcool sind, je nach Re-

generationsmedium und Luftmenge, ge-

ringere Absolutfeuchtewerte bis unter

7 g/kg erreichbar, während bei der tradi-

tionellen Kaltwasserkühlung in der Zu-

luft eine Absolutfeuchte von 10 g/kg in

der Regel nicht unterschritten wird. Aus-

gangsdaten siehe

Tabelle 6

Der Jahresenergiebedarf für Heizen,

Kühlen und Entfeuchten wurde nicht

nach der VDI 2071 berechnet, sondern

auf der Basis von zugeordnenten Abluft-

temperaturen zu der gewünschten Zu-

lufttemperatur in Abhängigkeit der Aus-

senlufttemperatur. Dieses Verfahren lie-

fert bei der Bestimmung der Kälterück-

gewinnungsleistung erheblich genauere

Werte.

System mit traditioneller Kühlung

Wird die Außenluft in einem klassi-

schen Kaltwasser-Luftkühler getrocknet,

der an einen Kaltwasserkreis 6/12 °C an-

geschlossen ist, muss sie für eine Redu-

zierung der Absolutfeuchte auf 9,0 g/kg

auf eine Taupunkttemperatur von

12,4 °C unterkühlt werden (diesem Tau-

punkt entspricht eine Enthalpie von

35 kJ/kg). Anschließend muss der Au-

ßenluftstrom wieder auf die gewünsch-

te Zulufttemperatur von 18,5 °C auf-

geheizt werden. Diese Energievernich-

tung erfolgt immer dann, wenn die Ab-

solutfeuchte der Außenluft eine ge-

wünschte maximale Absolutfeuchte von

9,0 g/kg übersteigt. Das sind nach der

Wetterstation Trier 1322 h/a.

Es ist folglich pro Jahr eine nicht nutz-

bare zusätzliche Kühlenergie aufzubrin-

gen von:

3,3333 kg/s ù 1 kJ/kgK ù (12,4 °C-18,5 °C)ù

ù 1 322 h/a = -26 881 kWh/a

Die gleiche Energiemenge ist als Heiz-

energie zum Nachheizen der unterkühl-

ten Luft auf 18,5 °C Zulufttemperatur er-

forderlich und verschlechtert die Ener-

giebilanz dadurch nochmals, siehe

Ta-

belle 7

Zu installierende Kälteleistung:

3,3333 kg/s ù (35 kJ/kg - 63 kJ/kg) =

= -93,33 kW

Zu installierende Nachheizleistung:

3,3333 kg/sù1 kJ/kgKù(18,5 °C - 12,4 °C) =

= 20,00 kW

POPcool

Bei dem Prozess wird Heizleistung

ausschliesslich für die Regeneration des

Sorptionsrotors gebraucht. Bei maxima-

ler Entfeuchtungsleistung sind für den

Betrieb der Regeneration des Sorptions-

rotors 3 175 m

/h (= 0,8819 m

/s oder

1,0583 kg/s) Regenerationsluft mit einer

Tabelle 6

Ausgangsdaten

Ausgangsdaten:

Luftmenge Zu- und Abluft

10 000 m

/h = 2,7778 m

bei = 1,20 kg/m

entspricht das

3,3333 kg/s

Außenluft-Sommer:

Temperatur

°C

Feuchte

12,0

g/kg

Enthalpie

kJ/kg

Raumabluft-Sommer:

Temperatur

°C

Feuchte

10,0

g/kg

Zuluft:

Temperatur

18,5

°C (ganzjährig)

Feuchte

< 9,0

g/kg

Enthalpie

< 41,3

kJ/kg

Wetterstation

Trier

Jahresenergiebedarf Heizen

124 150 kWh/a

Jahresenergiebedarf Kühlen

-10 640 kWh/a

Jahresenrgiebedarf Entfeuchten

-10 190 KwH/a

Entfeuchtungsstunden (

9,0 g/kg):

1322

h/a

Betriebszeit

h/d

12 (6:00 bis 18:00 Uhr)

h/a

4380 (d. h. 365 d/a)

Stromkosten

0,075

/kWh

Wärmekosten Fernheizung

0,033

/kWh (Winter)

Wärmekosten Fernheizung

0,015

/kWh (Sommer)

Tabelle 7

Kälteenergiebedarf pro Jahr im System mit traditioneller Kühlung

Kühlen:

-10 640

kWh/a

Kälterückgewinnung (8 % von 10 640 kWh):

851

kWh/a

Entfeuchten:

-10 190

kWh/a

Unterkühlen auf Taupunkt zwecks

Entfeuchtung:

-26 881

kWh/a

Gesamtkälteenergiebedarf pro Jahr:

-46 860

kWh/a

Page 7

Für die 1322 Betriebsstunden pro Jahr,

für welche im Raum Trier die Absolut-

feuchte der Außenluft zwischen 9,0 g/kg

und 12 g/kg liegt, besteht demnach ein

Heizenergiebedarf für die Regeneration

des Sorptionsrotors von:

17 kW ù 1322 h/a = 22 474 kWh/a

Hinter dem Sorptionsrotor weist die

Außenluft die gewünschte Feuchte der

Zuluft von 9 g/kg und eine erhöhte Tem-

peratur von 43 °C (+1 K für Motorabwär-

me) auf. Diese warme, trockene Luft (re-

lative Luftfeuchte kleiner als 20 %) wird

anschließend dem Plattenwärmetau-

scher zugeführt um bei einer konstan-

ten Absolutfeuchte von 9,0 g/kg auf 25

bis 26 °C abgekühlt zu werden.

Hinter dem Plattenwärmetauscher

wird die Zuluft dann auf die gewünschte

Zulufttemperatur von 18,5 °C im Wär-

meaustauscher, der als nicht kondensie-

render Kaltwasser-Luftkühler mit Be-

triebstemperaturen von bis zu 18/25 °C

arbeitet, abgekühlt. Die hierzu benötigte

Kälteleistung beträgt:

3,3333 kg/s ù (18,5 °C - 25 °C) ù

ù 1,004 kJ/kg/K = -21,7 kW

Die beim POPcool zu installierende

Kälteleistung beträgt folglich nur etwa

23 % der beim System mit traditioneller

Kühlung zu installierenden Kälteleis-

tung (21,7 kW gegenüber 93,33 kW).

Von dem Jahresenergiebedarf Kühlen

(10 640 kWh/a) deckt der Sorptionsrotor

in Verbindung mit dem Plattenwär-

metauscher rund 84 % ab, d.h. 8 937,6

kWh/a. Dieser extrem hohe Wirkungs-

grad ist durch günstigen Einsatzbedin-

gungen des Plattentauschers begründet,

der mit über 35 K Differenztemperatur

bei annähernd gleicher Ablufttempera-

tur mit wasserbenetzer Oberfläche opti-

male Einsatzbedingungen hat.

Von dem Jahresenergiebedarf Ent-

feuchten (10 190 kWh/a) deckt der Sorp-

tionsrotor 100 %.

Elektrischer Energieverbrauch im System

mit traditioneller Kühlung

Für die Kälteanlage, inklusive Neben-

aggregate, wird von einem Verhältnis 3:1

von Kälteleistung zu aufgenommener

elektrischer Leistung für den Vergleich

(Vereinfachung mit Nebenaggregaten)

ausgegangen.

Die Anlage mit traditioneller Kühlung

hat folglich eine maximale elektrische

Leistungsaufnahme für die Kälteerzeu-

gung von:

93,33 kW : 3 = 31,11 kW

Der Jahresverbrauch an elektrischer

Energie für die Kälteerzeugung beträgt:

47 740 kWh/a : 3 = 15 913 kWh/a (mit

Nebenaggregaten)

Der Druckverlust des Luftkühlers mit

Tropfenabscheider (0,2 kPa) fällt über

die ganze Betriebszeit, d.h. während

4 380 h/a an. Bei einem Gesamtwir-

kungsgrad der Ventilator-Motor-Einheit

von 50 % wird folgende elektrische Ener-

gie für die Durchströmung des Luftküh-

lers mit Tropfenabscheider benötigt:

(2,7778 m

/s ù 0,2 kPa / 0,50) ù 4 380 h =

= 4 866 kWh/a

Elektrischer Energieverbrauch POPcool

Beim POPcool werden für die Kälteer-

zeugung 21,7 kW : 3 = 7,2 kW elektrische

Leistung benötigt. Diese Leistung ist nur

an ca. 15 % der Jahreskühlstunden vor-

zuhalten.

Der Jahresenergieverbrauch für die

Kälteerzeugung beträgt:

(10 640 kWh/a - 8950 kWh/a) / 3 =

= 563,3 kWh/a

Der für die Regenerationsluft zur Ver-

fügung stehende Druckverlust beträgt

ungefähr 1 kPa. Für den Transport der

Regenerationsluftmenge wird, bei einem

Gesamtwirkungsgrad der Ventilator-Mo-

tor-Einheit von 50 %, maximal folgende

elektrische Leistung aufgenommen:

0,88194 m

/s ù 1 kPa / 0,50 = 1,76 kW

Regenerationsluft wird nur benötigt,

falls die Absolutfeuchte der Außenluft

9,0 g/kg übersteigt. Das sind 1 322 h im

Jahr. Zudem wird die Regenerationsluft-

menge in Funktion der erforderlichen

Entfeuchtungsleistung geregelt, so dass

die über das Jahr gemittelte elektrische

Leistungsaufnahme für den Transport

der Regenerationsluft nur ungefähr 33 %

(Vereinfachung des Rechenmodells) der

maximalen Leistungsaufnahme von

1,76 kW beträgt. Der elektrische Energie-

verbrauch für den Transport der Regene-

rationsluft beträgt pro Jahr folglich:

0,33 ù 1,76 kW ù 1 322 h/a = 767,8 kWh/a

Der Druckverlust des Hauptstroms

der Außenluft im Sorptionsrotor beträgt

ungefähr 0,5 kPa. Für den Transport der

Hauptstrommenge wird, bei einem Ge-

samtwirkungsgrad der Ventilator-Motor-

Einheit von 50 %, maximal folgende

elektrische Leistung aufgenommen:

2,7778 m

/s ù 0,5 kPa / 0,50 = 2,78 kW

Der Hauptstrom wird nur durch den

Sorptionsrotor geleitet falls eine Ent-

feuchtung erforderlich ist. Dies ist der

Fall während 1 322 h pro Jahr. Zudem

wird in Abhängigkeit der erforderlichen

Entfeuchtungsleistung ein Teil des

Hauptstroms über einen Bypass am

Sorptionsrotor vorbeigeleitet, so dass die

über das Jahr gemittelte elektrische

Leistungsaufnahme für den Transport

des Hauptstroms nur ungefähr 33 %

(Vereinfachung des Rechenmodells) der

maximalen Leistungsaufnahme von

2,78 kW beträgt. Der elektrische Energie-

verbrauch für den Transport des Haupt-

stroms beträgt pro Jahr folglich:

0,33 ù 2,78 kW ù 1322 h/a = 1212,8 kWh/a

Der gesamte Verbrauch elektrischer

Energie im Ventilator für die Überwin-

dung von Druckverlusten im Sorptions-

rotor beträgt demnach pro Jahr:

767,8 kWh/a + 1212,8 kWh/a =

= 1980,6 kWh/a

Heizenergie und Wärmerückgewinnung

Um den Vergleich der beiden Systeme

zu vervollständigen ist ebenfalls den un-

terschiedlichen Rückwärmezahlen

Rechnung zu tragen.

Bei dem System mit traditioneller

Kühlung wird eine Wärmerückgewin-

nung mit einem Wirkungsgrad von 50 %

angenommen. Bei Berücksichtigung der

tatsächlichen Abluftemperaturen in Be-

zug auf die gewünschte Zulufttempera-

tur in Abhängigkeit der Aussenlufttem-

peratur entspricht dieses einer Jahres-

deckungsrate von 62 %. Die aufzubrin-

gende Heizenergiemenge beträgt folg-

lich:

124 150 kWh/a ù 0,38 = 47 177 kWh/a

Bei dem POPcool kann unter diesen

Umständen eine Wärmerückgewinnung

mit einem Wirkungsgrad von etwa 75 %

festgehalten werden. Dies entspricht ei-

ner Jahresdeckungsrate von 90 %. Die

aufzubringende Heizenergie beträgt

folglich:

124 150 ù kWh/a ù 0,38 = 47 177 kWh/a

Die Jahresbetriebskosten des Systems

mit traditioneller Kühlung sowie die Jah-

Page 8

Tabelle 8

Jahresbetriebskosten des Systems mit traditioneller Kühlung

resbetriebskosten des POPcool sind in

den

Tabellen 8

und

angegeben.

Schlussbewertung

Der POPcool arbeitet erheblich wirt-

schaftlicher als ein System mit üblicher

Kältetechnik. Die verbrauchsbezogenen

Jahresenergiekosten des hier vorgestell-

ten Systems liegen bei ungefähr 24 %

der entsprechenden Kosten bei einem

System mit üblicher Kältetechnik. Die

Kosten für die Leistungsbereitstellung

liegen bei einem Verhältnis von 7,5 kW

zu 31 kW, d.h. einem Verhältnis von 1:4.

Außerdem benötigt die traditionelle Käl-

tetechnik einen höheren Wartungsauf-

wand und hat nicht unerhebliche Still-

standsverluste.

Im Teillastbetrieb verbessert sich der

Wirkungsgrad des POPcool nochmals.

Man kann demnach vernünftig davon

ausgehen, dass die Gesamtbetriebskos-

ten bei diesem Gerät nur noch 15 bis

20 % der Kältebetriebskosten einer, ver-

gleichbaren, traditionellen RLT-Anlage

betragen.

Zusätzlich ist anzumerken, dass mit

dem POPcool problemlos eine Reduzie-

rung der Absolutfeuchte der Außenluft

auf 8,0 g/kg zulässt, dies ist eine erheb-

lich niedrigere Absolutfeuchte als in

Systemen mit traditioneller Kühlung

sinnvoll ist. Bei modernen RLT-Anlagen,

bei denen ein Teil der Kühllast im Som-

mer durch eine Kühldecke abgedeckt

wird, sind niedrigere Absolutfeuchten

von Vorteil, da dadurch die Gefahr von

Kondensation an der Kühldecke stark

reduziert wird und so auf die sonst uner-

lässlichen Kondensationsschutzfühler

komplett verzichtet werden kann.

Investition

Der POPcool stellt ein optimiertes Ver-

fahren mit erheblichen Vorteilen bei den

Betriebskosten dar. Als wesentliche Ver-

änderung gegenüber der herkömm-

lichen Technik kann die Gebäudeküh-

lung bei Anwendung von Betonkern-

aktivierung, Kühldecken oder Kühlkon-

vektoren auf Hochtemperaturkühlung

ausgelegt werden. Dies erlaubt neue

energieoptimierte Anlagenkonzepte, die

auch das Nutzen beispielweise von EDV-

Abwärme für die Gebäudeheizung, oder

reinem Kühlturmbetrieb für die Küh-

lung erlaubt.

Beim POPcool wird das Gerät gegen-

über der traditionellen Kältetechnik er-

heblich teuerer, da in ihm viel Kältetech-

nik und auch die gesamte Regelung des

Verfahrens integriert ist. Bei der Rege-

lung und Kälteanlage sind dagegen etwa

gleichhohe Minderkosten angesagt. So

muss man zum Beispiel ein Kaltwasser-

netz 16/20 °C nicht mehr aufwendig

dämmen. Der Hersteller hat das Verfah-

ren bei einem Bauvorhaben mit einer

Gesamtzuluftmenge von 40 000 m

mit der vorhandenen Basisplanung ver-

glichen und dabei festgestellt, das die

Gesamtkosten sogar leicht gesunken

sind, bei besserer Technik und geringe-

rem Energiebedarf!

Übrigens kann der POPcool in

Deutschland, da er ein neuer CO

redu-

zierender Prozess ist, noch mit bis zu

40 % der Baukosten (abhängig vom Bun-

desland) bezuschusst werden, womit er

dann mit Sicherheit erheblich preiswer-

ter als die konventionelle Kältetechnik

wird. Für die ersten Musteranlagen lie-

ferten die Firmen Polybloc die Platten-

tauscher und Munters die

Entfeuch-

tungstechnik. H

305

Kältemaschine:

15 913 kWh/a x 0,075 /kWh =

1 194

Ventilator:

4 866 kWh/a x 0,075 /kWh =

365

Heizung:

47 177 kWh/a x 0,015 /kWh =

1 557

Nachheizung:

27 761 kWh/a x 0,015 /kWh =

417

Summe:

3 533

Kältemaschine:

563,3 kWh/a x 0,075 /kWh =

Ventilator:

1 980,6 kWh/a x 0,075 /kWh =

Heizung:

12 415

kWh/a x 0,033 /kWh = 410

Regenerationsenergie:

22 474

kWh/a x 0,015 /kWh = 337

Summe:

841

Tabelle 9

Jahresbetriebskosten des POPcool

Literatur

[1] Wolkenhauer, H.; Franzke, U.; Henning, H.-M.:

Systemkomponenten der solarunterstützten Klimati-

sierung - Teil 1. HLH Bd. 52 (2001) Nr. 10, S. 26-39.

[2] Wolkenhauer, H.; Franzke, U.; Henning, H.-M.:

Systemkomponenten der solarunterstützten Klimati-

sierung - Teil 2. HLH Bd. 52 (2001) Nr. 11, S. 60-71.

[3] Fitzner, K.: Lineare oder nichtlineare Dezipolskala?

Methoden der sensorischen Luftqualitätsbestimmung

und -berechnung.HLH Bd. 49 (1998) r. 7, S. 63-68.