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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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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