So funktionieren adiabatische Luftvorkühlsysteme bei Verflüssigern und Gaskühlern
Bei warmen und trockenen klimatischen Gegebenheiten ist das Energieeinsparpotenzial von adiabatischen Luftvorkühlsystemen bei CO2-Gaskühlern und Verflüssigern bezogen auf die gesamte Kälteanlage beträchtlich. Die physikalischen Grundlagen und Vorteile des Einsatzes von adiabatischen Luftvorkühlsystemen bei CO2-Gaskühlern und Verflüssigern sowie deren Regelung werden im folgenden Text genauer beschrieben.
Adiabatische Kühlung ist eine Art der Verdunstungskühlung. Im Zusammenspiel mit Wärmeübertragern ist es wichtig, zwischen den Vorgängen der adiabatischen Kühlung und der Kühlung durch Befeuchtung zu unterscheiden. Wird Luft ohne Zu- und Abfuhr von Wärme vor einem Wärmeübertrager abgekühlt, spricht man von adiabatischer Kühlung. Bei der Kühlung durch Befeuchtung hingegen wird der Wärmetauscher mit Wasser beaufschlagt (Nasslamelleneffekt).
Luftgekühlte Gaskühler, Verflüssiger und Rückkühler können mit wasserbenetzten, vor dem Lamellenpaket angebrachten Matten adiabatisch vorgekühlt werden. Dabei streicht Umgebungsluft über die Matten, wodurch das Wasser verdunstet und der Umgebungsluft Energie entzieht. Die dadurch abgekühlte Luft wird anschließend über den Wärmeübertrager geleitet und kühlt das Medium oder Kältemittel ab.
Physikalisch betrachtet handelt es sich bei Umgebungsluft um feuchte Luft, und der Vorgang der adiabatischen Luftvorkühlung bei lamellierten Wärmeübertragern lässt sich im h-x-Diagramm einfach darstellen. Gegenüber der direkten Besprühung der Lamellen ist bei der Verwendung von Mattensystemen vorteilhaft, dass der Wärmeübertragerblock während der Benetzung mit Wasser vollständig trocken bleibt. Ablagerungen auf der Lamelle, wie z. B. durch Kalk, werden vermieden.
Bild 1 zeigt zunächst den physikalischen Vorgang der Trockenkühlung bei Umgebungsbedingungen von 35 °C und 40 Prozent relativer Feuchte. Ohne Änderung der absoluten Feuchte erwärmt sich die Luft von Punkt 1 nach Punkt 2, während sie über die Lamellen streicht. Ein Maß für die Leistung ist die Enthalpiedifferenz ∆h trocken.
Ungesättigte Luft, in diesem Beispiel Luft bei 35 °C und 40 Prozent relativer Feuchte, kann durch die Aufnahme von Wasser theoretisch bis auf die Feuchtkugeltemperatur abgekühlt werden. Diesen Effekt kann man ausnutzen, um die Leistung eines Trockenkühlers zu erhöhen.
Bild 2 zeigt die reale adiabatische Kühlung im h-x-Diagramm: Die Luft wird über befeuchtete Matten geführt (1–2) und kühlt sich dabei bis auf Punkt 2 ab. Anschließend wird die Luft über den Wärmeübertrager geleitet, wobei sie sich wieder erwärmt und die relative Luftfeuchte sinkt. Die so erreichte Leistungssteigerung eines Trockenkühlers resultiert aus der vergrößerten treibenden Temperaturdifferenz zwischen Lufteintrittstemperatur und Mediumstemperatur (Verflüssigungstemperatur, Gas- oder Glykolaustrittstemperatur). Die Leistungssteigerung wird in Bild 2 als Enthalpiedifferenz ∆h adiabat dargestellt.
Der Wirkungsgrad des Mattensystems ist abhängig von der Ausführung (z. B. Tiefe) der Matte, der aufgetragenen Wassermenge und der Luftgeschwindigkeit. Je höher die Wassermenge, also je feuchter die Matten, desto höher der erzielte Wirkungsgrad. Geringe Luftgeschwindigkeiten wirken sich ebenfalls positiv auf den Wirkungsgrad aus, da mehr Zeit zum Verdunsten des Wassers zur Verfügung steht. Die Matten erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 60 Prozent, d. h. die adiabate Abkühlung der Luft beträgt bis zu 60 Prozent der maximal möglichen Abkühlung auf die Feuchtkugeltemperatur.
Auch bei Rückkühlern kann der Einsatz von Befeuchtungsmatten die Energieeffizienz der Gesamtanlage steigern, da bspw. die Stundenzahl, in denen „freie Kühlung“ möglich ist, erhöht wird. Der folgende Text beleuchtet detailliert den Anwendungsbereich von Verflüssigern und Gaskühlern.
Adiabatische CO2-Gaskühler
Über die Effizienz eines adiabatischen Luftvorkühlsystems entscheidet letztendlich das Klima am Standort. Maßgebend sind dabei die Lufttemperatur und die relative Luftfeuchte. Vereinfacht lässt sich sagen: Je wärmer und trockener ein Standort, desto höher dessen adiabatisches Potenzial. Um den Einsatz eines adiabatischen Systems beurteilen zu können, ist somit immer ein Blick auf die Klimadaten des künftigen Standorts notwendig (Tabelle 1).
Insbesondere bei der Verwendung von CO2 stehen dem wirtschaftlichen Betrieb der Kälteanlagen bei sommerlichen Temperaturen die physikalischen Eigenschaften des Kältemittels im Weg, denn ab Außentemperaturen von ca. 23 °C beginnt der energetisch ungünstige transkritische Betrieb der Kälteanlage.
Bild 3 zeigt den Jahrestemperaturverlauf für Madrid. In der Annahme, dass eine CO2-Kälteanlage ab einer Umgebungstemperatur von ca. 23 °C transkritisch betrieben wird, liegt die Anzahl der transkritischen Betriebsstunden bei ca. 1 920 h/a. Wird die angesaugte Umgebungsluft während dieser ca. 1 920 h/a allerdings mit einem adiabatischen System vorgekühlt, lässt sich die Anzahl der Stunden, in denen die angesaugte Umgebungsluft wärmer als 23 °C ist, auf ca. 300 h/a senken. Damit sinkt entsprechend auch die Anzahl der transkritischen Betriebsstunden. So verringert sich die Zahl der Betriebsstunden bei hohen Drucklagen, was zu Energieeinsparungen am Verdichter führt.
Die Analyse der klimatischen Gegebenheiten weiterer mittel- und südeuropäischer Städte zeigt, dass nicht nur in Madrid hohes Einsparpotenzial der jährlichen transkritischen Betriebsstunden besteht: Die Anzahl der Jahresstunden (h/a) wärmer als 23 °C beträgt in Frankfurt 822, in Sofia 1 014 und in Rom bereits 2 055. Setzt man an diesen Standorten eine adiabate Luftvorkühlung ein und senkt die Lufteintrittstemperaturen direkt vor dem Wärmeübertrager ab, lassen sich die Stundenzahlen stark reduzieren: 33 bis 64 Prozent an Stunden mit Lufteintrittstemperaturen > 23 °C werden jährlich eingespart.
Adiabatische Verflüssiger: Vergleich von Trockenbetrieb und Nassbetrieb
Nicht nur CO2-Gaskühler lassen sich mit adiabatischen Luftvorkühlsystemen ausstatten – auch bei Verflüssigern können Energieeinsparungen erzielt werden. Tabelle 2 zeigt eine Geräteauslegung eines trocken betriebenen Verflüssigers am Standort Madrid mit einer Leistung von 100 kW bei einer Verflüssigungstemperatur von 46 °C und einer Lufteintrittstemperatur von 40 °C. Mit vier Ventilatoren liegt der Verflüssiger bei einer elektrischen Leistungsaufnahme von 4 x 1,94 kW und einer Aufstellfläche von 5,1 m².
Wird ein adiabatischer Verflüssiger gewählt, können zwei unterschiedliche Ziele verfolgt werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, den Verflüssiger aufgrund der größeren treibenden Temperaturdifferenz entsprechend kleiner auszulegen. Insbesondere bei beengten Aufstellsituationen ermöglicht der Einsatz adiabatischer Luftvorkühlsysteme eine höhere Leistungsdichte bei gleicher Aufstellfläche. Tabelle 3 zeigt, dass sich in diesem Beispiel die Aufstellfläche von 5,1 m² auf 3,1 m² reduzieren lässt. Auch Schallanforderungen können ein Argument für die Verwendung der Matten sein.
Das energetisch interessantere Ziel ist jedoch die Senkung der Verflüssigungstemperatur, um Energie am Verdichter einzusparen. Wird der Gerätetyp des trockenen Verflüssigers beibehalten und das Gerät um adiabatische Matten ergänzt, lässt sich die Verflüssigungstemperatur von 46 °C auf bis zu 36,5 °C senken. Das entspricht einer um 9,5 K tieferen Verflüssigungstemperatur (Tabelle 3). Zwar müssen bei einer Amortisationsrechnung die Mehrausgaben für die Ausstattung mit adiabatischen Matten und der Wasserverbrauch beachtet werden, es fallen jedoch keine weiteren Kosten für eine Wasseraufbereitung im Sinne einer Enthärtungs- und Entsalzungsanlage an. Die Matten können ohne Einschränkung der maximal möglichen Betriebsstunden im Jahr mit Rohwasser benetzt werden.
Was für die Regelung wichtig ist
Da die Ressource Wasser nicht nur Kosten verursacht, sondern auch im Sinne der Umwelt nicht unnötig verbraucht werden sollte, ist eine intelligente Regelung des adiabatischen Luftvorkühlsystems unbedingt notwendig.
Das Regelprinzip lässt sich im Grunde in drei Betriebsarten einteilen (Bild 4). Den größten Teil des Jahres arbeitet das System wie ein Trockenkühler und die Regelung erfolgt über die Ventilatordrehzahl. Überschreitet das System eine gewisse Lastanforderung, beginnt die Befeuchtung der Matten. Nur während einer geringen Anzahl an Jahresstunden wird der Wärmeübertrager im Volllastbetrieb gefahren.
Entscheidend für eine wasserverbrauchsarme Regelung ist, dass nicht nur die Umgebungstemperatur permanent gemessen wird, sondern auch die Luftfeuchte. Anhand der Daten über Luftmenge, Umgebungstemperatur und Luftfeuchte lässt sich dann für jeden Betriebszustand (Teillast und Volllast) die benötigte Wassermenge berechnen und aufgeben.
Um die Betriebskosten so niedrig wie möglich zu halten, empfiehlt es sich auch, die Kosten für Strom und Wasser bei der Regelung zu beachten. Eine Erhöhung der Wassermenge hat eine lineare Steigerung der Kosten zur Folge. Die Antriebsleistung des Ventilators steigt jedoch mit der 3. Potenz zur Drehzahl.
Es muss also in jedem Betriebspunkt berechnet werden, ob es kostengünstiger ist, die Wassermenge oder die Ventilatordrehzahl zu erhöhen. Mit dem Effizienzmodus des Güntner GHM pad steht ein Regelalgorithmus zur Verfügung, der jeweils den kostengünstigsten Betriebsmodus errechnet.
Über den Effizienzmodus des Güntner Reglers GHM pad wird auf Basis der vom Kunden individuell eingegebenen Kosten für Wasser und Strom jeweils die kostengünstigste Betriebsweise eingestellt. Steigt die Lastanforderung an den Verflüssiger oder den Kühler, so berechnet der Regler, ob es kostengünstiger ist, die Ventilatordrehzahl oder die Wassermenge zu erhöhen.
Fazit
Befeuchtungsmatten erhöhen die Leistung von Trockenkühlern ohne den Einsatz einer Wasseraufbereitung oder mögliche Kalkablagerungen auf der Lamelle. Damit ermöglichen adiabate Luftvorkühlsysteme auch bei beengter Aufstellsituation die Verwendung eines herkömmlichen Verflüssigers bzw. Gaskühlers.
Verflüssiger lassen sich energieeffizienter betreiben, indem die größere Temperaturdifferenz zum Senken der Verflüssigungstemperatur genutzt wird, was zu Energieeinsparungen am Verdichter führt. Kommt die adiabatische Vorkühlung bei CO2-Gaskühlern zum Einsatz, wird die Zahl der transkritischen – energetisch ungünstigen – Jahresbetriebsstunden reduziert. Damit ist es möglich das Kältemittel CO2 auch in warmen und trockenen Klimazonen wirtschaftlich einzusetzen. Kombiniert mit einer intelligenten Regelung wird der Wasserverbrauch ganzjährig so gering wie möglich gehalten, was Betriebskosten einspart.
Letztendlich ist der Standort bzw. dessen klimatische Gegebenheiten maßgebend für die Effektivität von Befeuchtungsmatten – nur durch Analyse der Klimadaten können Rückschlüsse auf den jährlichen Wasserverbrauch gezogen werden. Zur Betrachtung der Wirtschaftlichkeit der Technologie an einem bestimmten Standort sind die Life-Cycle-Costs heranzuziehen, also die Summe aus Investitionskosten und Betriebskosten für Wasser und elektrische Energie für den Lebenszyklus der Anlage.
Dieser Artikel von Natascha Greune ist zuerst erschienen in DIE KÄLTE + Klimatechnik 01/2020. Die Autorin arbeitet als Business Developer Industrial Refrigeration bei der Güntner GmbH & Co. KG.
