Wärmerückgewinnung aus Druckluft

Für eine effiziente Energienutzung kann die thermisch gespeicherte Energie in Druckluftanlagen genutzt werden. Die abzuführende Wärmemenge von Kompressoren kann mit wenig Aufwand zum Heizen dienen, da sie bereits auf ausreichendem Temperaturniveau verfügbar ist. Bei jedem Kompressorsystem lässt sich so Energie sparen, allerdings muss mit unterschiedlichem Installationsaufwand gerechnet werden.

Gekapselte Schraubenkompressoren eignen sich ebenso zur Wärmerückgewinnung wie Kolbenkompressoren. Während bei zweistufigen Kolbenkompressoren die Hauptwärmemenge je zur Hälfte an Zwischen- und Nachkühler anfällt, wird bei Schraubenkompressoren ca. 72 % der aufgenommenen Energie allein am Ölkühler abgeführt. Über einen Sicherheits- Wärmeübertrager (Thermokoppler) kann mit dem Ölstrom eines Schraubenkompressors ohne Gefahr für die Qualität das Trinkwasser erwärmt werden.

Wärmebilanz einer Kompressorstation
Wenn Druckluft erzeugt wird, steigt während des Verdichtungsvorganges die Temperatur der Luft an. Die Höhe der Endtemperatur ist hierbei von der Konstruktion des Kompressors, der Ansaugtemperatur und dem Enddruck abhängig. Um einen Kompressor wirtschaftlich betreiben zu können und um eine qualitativ hochwertige, d.h. kühle Druckluft zu erreichen, muss die Maschine bereits während der Verdichtung gekühlt werden. Durch eine intensive Kühlung wird nicht nur die Druckluft entfeuchtet, sondern auch der Wirkungsgrad des Kompressors erhöht. Die hierfür erforderliche Kühlluft wird entweder aus dem Kompressorraum oder besser von außen angesaugt. In den bisherigen Anwendungsfällen wird die nach dem Kühlen erwärmte Luft mittels eines Ventilators energetisch ungenutzt wieder ins Freie geleitet. Die Energie, die in der erwärmten Kühlluft enthalten ist, sollte jedoch sinnvoll genutzt werden. Die Energiemenge beinhaltet ca. 95 % der dem Kompressor zugeführten elektrischen Energie. Nur ca. 4 % verbleiben als Restwärme innerhalb der Druckluft und werden abgeführt. Die restlichen ca. 1 % gehen an die Umgebungsluft als Wärme verloren.

Zur Aufstellung einer Wärmebilanz darf nicht nur die vom Motor abgegebene Leistung zugrunde gelegt werden, sondern es muss auch berücksichtigt werden, dass der Antriebsmotor elektrische Energie in Wärme umwandelt. Das bedeutet, dass bei der Wärmerückgewinnung zusätzlich auch die vom Motor aufgenommene Leistung berücksichtigt werden muss. Das Verhältnis der abgegebenen zur aufgenommenen Leistung wird durch den Motor-Wirkungsgrad definiert, der in der Praxis zwischen 85 % und 92 % angegeben wird. Bei einem Motor von beispielsweise 45 kW mit einem Wirkungsgrad von 90 % beträgt die Wärmeabgabe daher noch zusätzlich 5 kW.

Um die in der Kühlluft enthaltende Wärme nutzen zu können, sind bauliche Maßnahmen erforderlich, die je nach örtlichen Gegebenheiten unterschiedlich sein können. Der Kühlluftstrom sollte gezielt über den Kompressor hinweggeleitet und im Anschluss daran über ein Luftkanalsystem weitergeführt werden. Hierzu bietet sich u.a. eine Schalldämmhaube an, die zudem noch den Vorteil hat, dass der Geräuschpegel wesentlich gesenkt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, an die Zu- und Abluftöffnungen Luftkanäle anzuschließen, wobei hierdurch im Winter untergeordnete Raumbereiche, wie Lagerräume, Werkstätten, etc. raumlufttechnisch versorgt werden können. Im Sommerbetrieb wird durch eine Umschaltung im Kanalsystem die Raumabluft als Fortluft ins Freie geführt.

Für Verbrauchszwecke kann Kaltwasser je nach Bedarf von ca. 10 °C auf ca. 40 °C bis 50 °C erhitzt werden. Mittels einer Umwälzpumpe wird das im Sicherheits-Wärmeübertrager erwärmte Wasser in den Warmwasserspeicher transportiert. Hier stellt sich bereits nach kurzer Zeit automatisch eine Temperaturschichtung ein, so dass im oberen Speicherbereich das erwärmte Wasser und im unteren Bereich noch lange Zeit kaltes Wasser zur Kompressorkühlung zur Verfügung steht. Ohne Probleme lassen sich auch noch Wärmeübertrager in den Abluftkanal integrieren, mit deren Hilfe Wasser für ein Zentralheizungssystem zusätzlich, beispielsweise im Niedertemperatursystem, oder Trinkwasser auf ca. 40 °C erwärmen lässt.

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