Sorptionsgestützte Kälteerzeugung

Offenes System

Im Bereich der offenen Systeme ist zunächst das Verfahren der sorptionsgestützten Kälteerzeugung (SGK) oder auch DEC (für Desiccative and Evaporative Cooling) zu nennen. Dies ist eine ausgereifte Technologie zur Gebäudeklimatisierung und bietet sich aufgrund der geringen Temperaturanforderungen von etwa 60 - 80°C besonders für den Einsatz thermischer Solarenergie an.

Diese Technologie basiert auf dem Prinzip der adiabaten Außenluftentfeuchtung durch ein Adsorptionsmittel wie Silikagel oder Lithiumchlorid. Nach einer Vorkühlung der getrockneten Frischluft mit maximal befeuchteter Raumabluft gelingt es, mit einer anschließenden Verdunstungskühlung auf die gewünschte Zulufttemperatur von 16 - 18°C zu kommen. Die Außenluft wird im Sorptionsrad getrocknet, im Wärmerückgewinner mit der zusätzlich befeuchteten kühlen Raumabluft vorgekühlt und anschließend durch Verdunstungskühlung auf den gewünschten Zuluftzustand gebracht. Die Raumabluft wird durch Verdunstungskühlung maximal befeuchtet und im Wärmerückgewinner durch die trockene Luft erwärmt. Im Regenerationslufterhitzer, z.B. einem Solarkollektor, wird die Abluft auf die erforderliche Regenerationstemperatur gebracht, nimmt dann im Sorptionsrad das zuluftseitige adsorbierte Wasser auf und wird als warme feuchte Fortluft nach außen abgegeben. Schwankungen in der Regenerationslufttemperatur aufgrund wechselnder solarer Einstrahlung werden durch ein Nachheizsystem oder durch die Speichermasse des klimatisierten Raumes ausgeglichen.

Prozessbedingt kann mit offener Sorptionstechnik kein Wasserkreislauf mit den üblichen Vorlauftemperaturen von 6 - 10°C gekühlt werden. Der Kälteträger bei der offenen Sorption ist die befeuchtete Luft, die direkt in den Raum eingeblasen wird. Aufgrund der beschränkten Entfeuchtungsleistung der verwendeten Sorptionsmittel von etwa 6 g Wasser pro Kilogramm trockener Luft müssen SGK-Anlagen in sehr feuchten Klimazonen mit Kompressions- oder Absorptionskältemaschinen gekoppelt werden, um die direkte Zuluftbefeuchtung umgehen zu können. Allerdings kann die Sorptionsanlage auch rein zur Entfeuchtung der Außenluft verwendet werden, wodurch die sehr energieaufwendige Taupunktunterschreitung einer Kompressionskältemaschine entfällt. Als luftgeführtes System mit einer Kühllastabfuhr allein durch gekühlte Außenluft bietet sich der Einsatz insbesondere dann an, wenn im Gebäude ein hoher Frischluftbedarf vorhanden ist. Im Winter kann die Sorptionsanlage mit Sorptionsrad und Wärmeübertrager als hocheffiziente Wärmerückgewinnungsanlage und die thermische Solaranlage zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden.

Die Flüssigsorption hat einen ähnlichen gerätetechnischen Aufbau wie die SGK, allerdings wird die Abluft direkt nach dem Wärmerückgewinner abgeblasen, die Kühlung wird durch den Einsatz flüssiger hygroskopischer Materialien, z.B. einer Salzlösung, realisiert. Zur Aufrechterhaltung der Entfeuchtung wird die verdünnte Salzlösung in einem Regenerator wieder aufkonzentriert. Dazu wird die Salzlösung erwärmt und das gebundene Wasser verdampft.

Im Gegensatz zu Systemen mit Entfeuchtungsrotoren hat die Regeneration keinen Einfluss auf die Zustandsänderungen im Zuluftsektor. Entfeuchtung und Regeneration sind voneinander getrennt und müssen nicht zeitgleich stattfinden. Die Speicherung der Salzlösung macht es möglich, z.B. dann zu regenerieren, wenn solare Wärme anfällt. Auf diese Weise ist es möglich, Solarenergie in Form von konzentrierter Salzlösung verlustfrei zu speichern. Ein weiterer Vorteil liegt in der vollständigen Trennung der Luftströme, wie sie bei regenerativen Systemen nicht der Fall ist. Diese ermöglicht den Zuluftventilator in einer drückenden Anordnung zu installieren, wodurch im Sommer geringe Zulufttemperaturen mit Hilfe der Verdunstungskühlung garantiert sind. Experimentelle Untersuchungen mit LiCl und CaCl Lösungen ergaben hohe Entfeuchtungsleistungen von Prozessluft von 6 - 7 g/kg in einem einfachen Kreuzstromwärmeübertrager, der auf der Kühlseite durch Verdunstungskühlung mit Wasser beaufschlagt wurde.

Quelle: Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Stuttgart

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