Kälteanlagen in der Übersicht
Raumlufttechnische Anlagen benötigen Kälteenergie, um im Sommer die Luft zu kühlen und zu entfeuchten. Diese Energie wird normalerweise von einer Kälteanlage bereitgestellt, die einen thermodynamischen Kreisprozess nutzt, um innere Energie durch Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Nach diesem Prinzip funktionieren auch Wärmepumpen; sie unterscheiden sich nur in der Höhe der Temperaturniveaus. Aber auch andere Kältequellen und Methoden zur Kälteerzeugung sind möglich.
Geschichte der Kälteproduktion
Wegweisende Entdeckungen der Kälteproduktion erfolgten bereits im 19. Jahrhundert. So erfand der Amerikaner Jacob Perkins 1834 die erste funktionierende Kältemaschine, die jedoch primär für industrielle Zwecke gedacht war und nicht für die Gebäudekühlung. Erst knapp siebzig Jahre später, im Jahr 1902, entwickelte Willis Carrier die erste moderne Klimaanlage, um die Luftfeuchtigkeit und Temperatur in Druckereien zu kontrollieren, was die Qualität des Druckprozesses verbesserte. Dies gilt als der eigentliche Beginn der modernen Gebäudekühlung. Die Entwicklung von Kältemitteln auf der Basis von fluorierten Halogenkohlenwasserstoffen in den 1930er-Jahren ermöglichte sicherere und effizientere Kühlsysteme und legte den Grundstein für die rasche Verbreitung der Technologie, insbesondere in den USA.
Im späten 20. Jahrhundert, mit dem wachsenden Bewusstsein für Umweltfragen, rückten die Entwicklung von Kühlmitteln mit geringerem Ozonabbaupotenzial und eine verbesserte Energieeffizienz von Klimaanlagen in den Fokus. Diese Bemühungen haben sich in den letzten Jahren vor dem Hintergrund des Klimawandels und der politisch geforderten Energiewende massiv verstärkt. Daher gibt es auf dem Markt mittlerweile eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren zur Kälteerzeugung, von denen einige vielversprechend scheinen, auch wenn ihre Entwicklung noch in den Kinderschuhen steckt.
Arten und Funktionsweisen
Kompressionskältemaschine
Bei einer Kompressionskältemaschine wird ein Kältemittel durch
einen Kreislauf aus Verdampfer, Kompressor, Kondensator und
Expansionsventil geführt. Der Prozess beginnt im Verdampfer, wo das
Kältemittel Wärme aus der Umgebung (also etwa dem zu kühlenden
Raum) aufnimmt und verdampft. Der Kompressor saugt das Gas an und
verdichtet es, wodurch es sich erwärmt. Im Kondensator gibt das
heiße Gas Wärme ab und wird wieder flüssig. Durch ein
Expansionsventil wird der Druck der Flüssigkeit reduziert, sie
kühlt stark ab und fließt zurück in den Verdampfer, wo der Prozess
von Neuem beginnt.
Adsorptions-/Absorptionskältemaschine
Im Gegensatz zu Kompressionskältemaschinen, die Energie
hauptsächlich in Form von mechanischer Arbeit nutzen, funktionieren
Sorptions-Kälteprozesse (Adsorption/Absorption) unter Zufuhr von
Wärmeenergie. Das macht sie besonders für Anwendungen interessant
macht, wo Abwärme aus industriellen Prozessen oder Solarthermie verfügbar ist. Nutzt man die Abwärme
eines Blockheizkraftwerks, spricht man von Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung (KWKK). Bei der
Adsorption lagern sich Stoffe aus einem Gas oder einer Flüssigkeit
an der Oberfläche eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit an, ohne
in das Innere des Materials einzudringen. Bei
der Absorption dagegen wird ein Stoff in das
Volumen eines anderen Stoffes aufgenommen. Dies kann das Eindringen
von Gasen in Flüssigkeiten oder die Aufnahme von Flüssigkeiten in
Feststoffen sein.
Bei beiden Prozessen wird ein Kältemittel (in der Regel Wasser)
durch Aufnahme von Wärme (aus dem zu kühlenden Raum) verdampft und
im Adsorber bzw. Absorber von einem Lösungsmittel aufgenommen (z.
B. Silikagel oder Zeolith bei der Adsorptionskältemaschine,
Lithiumbromid-Lösung bei der Absorptionskältemaschine). Im
Generator wird das Kältemittel durch Zufuhr von Wärmeenergie
(Abwärme, Solarthermie) wieder freigesetzt und im Kondensator
schließlich wieder verflüssigt.
Unter den richtigen Bedingungen und insbesondere in Kombination mit verfügbaren Wärmequellen stellen Absorptions- und Adsorptionskältemaschinen eine nachhaltige und energieeffiziente Lösung zur Kühlung dar. Nachteilig sind jedoch die geringere Effizienz (im Vergleich mit Kompressionskältemaschinen), der größere Platzbedarf sowie ggf. höhere Anschaffungskosten und ein größerer Wartungsaufwand.
Verdunstungskühlung / adiabate Kühlung
Ein Verdunstungskühler erzeugt kühle Luft, indem er den natürlichen
Verdunstungsprozess von Wasser nutzt. Dabei fließt Wasser durch ein
saugfähiges oder poröses Material und verdunstet, wenn es von
warmer, trockener Außenluft durchströmt wird. Dadurch entzieht es
der Luft Wärme. Anschließend wird die abgekühlte Luft in den Raum
geleitet. Die Effizienz der Verdunstungskühlung hängt stark von den
Ausgangsbedingungen der Luft ab, vornehmlich von ihrer Temperatur
und relativen Feuchtigkeit. In trockenen, heißen Klimazonen ist
dieser Kühlprozess besonders effektiv, da die Luft eine größere
Menge an Wasser aufnehmen kann, was zu einer stärkeren Abkühlung
führt.
Solare Kältemaschine
Eine solare Kältemaschine verwendet Sonnenenergie, um Kälte zu
erzeugen. Dies kann über eine thermische Absorptions- oder
Adsorptionskälteanlegen geschehen oder über ein photovoltaisches
Kühlsystem, das mittels PV Strom erzeugt, um damit konventionelle
Kühlsysteme wie Kompressionsskältemaschinen zu betreiben. Solare
Kältemaschinen sind besonders in sonnenreichen Gebieten attraktiv
und stellen dort eine umweltfreundliche Alternative zu
herkömmlichen Klimaanlagen dar.
Magnetokalorische Kältemaschine
Die Kältemaschine basiert auf dem magnetokalorischen Effekt, bei
dem sich ein magnetisches Material erwärmt oder abkühlt, wenn es
einem Magnetfeld ausgesetzt ist. Durch Bewegen des magnetischen
Materials in und aus dem Magnetfeld kann Kälte erzeugt werden. Die
Technologie befindet sich derzeit noch in einem frühen
Entwicklungsstadium. Sie ist aber aufgrund ihrer potenziell hohen
Energieeffizienz und der Verwendung umweltfreundlicher Materialien
vielversprechend.
Thermoakustische Kältemaschine
Eine thermoakustische Kältemaschine nutzt Schallwellen, um Kälte zu
erzeugen. In einem geschlossenen Rohrsystem wird ein Gas durch
Schallwellen in Schwingungen versetzt, was zu
Temperaturunterschieden und somit zu Kälteerzeugung führt. Die
Vorteile der Technologie, die sowohl für Kühl- als auch für
Heizzwecke eingesetzt werden kann, sind ihre Einfachheit,
Zuverlässigkeit und der Einsatz umweltfreundlicher Arbeitsmedien.
Die Entwicklung und Verbreitung thermoakustischer Kältemaschinen
befindet sich allerdings noch in einem frühen Stadium.
Thermochromatische Kältemaschinen
Thermochromatische Materialien ändern ihre Farbe in Abhängigkeit
von der Temperatur. Bei Thermochromatischen Kältemaschinen wird
dieser Effekt genutzt, um eine passive Kühlung zu erzeugen. Durch
gezielte Anwendung von Temperaturänderungen können diese
Materialien Wärme aufnehmen und somit Kälte erzeugen. Diese
Technologie befindet sich noch in einem relativ frühen
Entwicklungsstadium, und viele ihrer potenziellen Anwendungen sind
noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Potenziell könnten
thermochromatische Beschichtungen auf Dächern und Außenwänden von
Gebäuden dazu beitragen, die Gebäudetemperaturen zu regulieren,
indem sie bei hohen Temperaturen Sonnenlicht reflektieren und bei
niedrigeren Temperaturen absorbieren.
Natürliche Kälte
Es gibt einige natürliche Kältequellen, die ohne zusätzliche Energiezufuhr zur Klimatisierung von Innenräumen eingesetzt werden können. Dazu zählen etwa die Brunnen- oder Grundwasserkühlung oder die Geothermie, die Kühlung über Bäche, Flüsse, Schnee und Eis (auch Eisspeicher), die freie Luftkühlung (Free Cooling, auch Nachtlüftung) oder auch die Verdunstung (s. Verdunstungskühlung). So gibt es in München ein Fernkältenetz, bei dem die Kälte aus Bach- und Grundwasser für die angeschlossenen Gebäude nutzbar gemacht wird und dessen Kältezentrale unter dem Karlsplatz mitten in der Stadt liegt.
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