Leistungspotential adiabater Kühlung in Verbindung mit dem Regelungskonzept Frank Ernst Geschäftsführer Menerga GmbH Berlin, 22./23. März 2018
Blick in die Zukunft konventioneller Kältemittel
Blick in die Zukunft konventioneller Kältemittel Die Klimaschutzziele können mit herkömmlichen Verfahren zur Kälteerzeugung in der Gebäudekühlung nicht erreicht werden Gesetzliche Vorgaben, wie die F-Gas Verordnung, schränken den Einsatz von konventionellen Kältemitteln ein Preissteigerung der Kältemittel Einschränkungen der Verfügbarkeit erhöhter Wartungsaufwand und Dichtigkeitsprüfungen Alternativen sind natürliche oder indirekte Verdunstungskühlung, sowie Hydrofluoroolefine (HFO) Kältemittel bei den natürlichen- und HFO-Kältemitteln ist der Brand- und Explosionsschutz zu beachten Durch den Nachhaltigkeitsgedanken gewinnen natürliche Verfahren der Kälteerzeugung immer mehr an Bedeutung
Trend zur adiabaten Verdunstungskühlung Nutzung natürlicher Ressourcen und FKW frei Deutliche Reduktion der elektrischen Anschlussleistung Zuverlässig auch bei sehr hohen Außenlufttemperaturen Leistungsfähige Neuentwicklungen von indirekter, adiabater Verdunstungskühlung zur wirtschaftlichen Nutzung sind im Markt verfügbar Konventionelle Kühlung kann nahezu substituiert werden
Welche Leistung steckt im Wasser? Auf dem Temperaturniveau der Verdunstungskühlung hat Wasser eine Verdampfungsenthalpie von ca. 2.500 kj/kg das entspricht ungefähr Faktor 10 von konventionellen Kältemitteln Wenn 5ml Wasser vollständig verdampfen, entspricht das der Energie, welche benötigt wird um 1m³ Luft um 10K abzukühlen
Bedarf an Kälteleistung in Deutschland Durchschnittlicher Kälteleistungszuwachs in der Klimatechnik pro Jahr in MW 158 46 414 Wassergekühlte Kältemaschinen 480 Luftgekühlte Kältemaschinen Turbo-Kältemaschinen Absorptionskältemaschinen Quelle: FGK Status-Report, Regenerative Energien in der Klima- und Lüftungstechnik, August 2011
Einsparpotenziale durch die indirekte Verdunstungskühlung Einsparpotential an Kälteleistung beim Einsatz indirekter, adiabater Verdunstungskühlung in Bezug auf jährlichen Zuwachs CO 2 -Einsparungen 21.000 t Elektro-Energieeinsparung [GWh] 40 35 30 25 20 15 10 6.000 t 13 26 13.000 t 38 5 0 20 % 40 % 60 % Anteil Abluftbefeuchtung bei der Klimatisierung bei Neuanlagen
Indirekte, adiabate Verdunstungskühlung Systemvarianten zur indirekten, adiabaten Verdunstungskühlung im Überblick
1. Rotationswärmeübertrager mit vorgeschaltetem Abluftbefeuchter Temperatur [ C] 35 34 33 32 31 30 29 28 30 % 1,125 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 1,130 1,135 1,140 1,145 1 AU 1,120 Enthalpie [kj/kg] 6 FO 40 % 50 % η Bef = 85 % F = 75 % 27 26 1,150 1,155 4 AB 60 % 25 24 23 22 1,160 1,165 1,170 2 Nach WRG 70 % 80 % 21 20 19 18 17 16 39 1,175 1,180 1,185 1,190 1,195 40 3 ZU 41 42 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 Luftdruck: 997,0 hpa 90 % 5 Befeuch 100 % 10 11 12 13 Absoluter Wassergehalt [g/kg] F (adia) = 70 %
1. Rotationswärmeübertrager mit vorgeschaltetem Abluftbefeuchter Pro: Niedrige Investitionskosten Geringe Baulänge Contra: Anordnung der Ventilatoren in der Fortluft mit Spülkammer erforderlich Feuchteübertragung durch Leckagen Zusätzliche ganzjährige luftseitige Druckverluste durch Abluftbefeuchter
2. Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager mit vorgeschaltetem Abluftbefeuchter Temperatur [ C] 35 34 33 32 31 30 % 1,125 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 1,130 1,135 1 AU 1,120 40 % 50 % η Bef = 85 % F = 73 % 30 29 28 1,140 1,145 60 % 27 26 25 24 23 22 1,150 1,155 1,160 1,165 1,170 4 AB 2 Nach WRG Enthalpie [kj/kg] 6 FO 70 % 80 % 90 % 36 21 20 19 18 17 16 38 1,175 1,180 1,185 1,190 42 41 40 39 1,195 3 ZU 44 43 52 51 50 49 48 47 46 45 Luftdruck: 997,0 hpa 56 55 54 53 5 Befeuchtet 61 60 59 58 57 100 % 9 10 11 12 13 14 15 Absoluter Wassergehalt [g/kg] F (adia) = 67 %
2. Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager mit vorgeschaltetem Abluftbefeuchter Pro: Geringe bis mittlere Investitionskosten Keine Feuchtübertragung, da rekuperatives WRG-System Handelsübliche Komponenten verschiedener Hersteller einsetzbar Contra: Niedrige adiabate Kühlleistungen Größere Baulänge, da WRG-System + separater Abluftbefeuchter Zusätzliche, ganzjährige luftseitige Druckverluste durch Abluftbefeuchter Hoher luftseitiger Druckverlust durch enge Plattenabstände bei η = 73 %
3. Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Direktwasserbetrieb) Temperatur [ C] 35 34 33 32 30 % 1,125 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 1,130 1 AU 1,120 40 % 31 30 29 28 27 26 1,135 1,140 1,145 1,150 1,155 4 AB Enthalpie [kj/kg] 6 FO 50 % 60 % F = 73 % 25 24 23 22 1,160 1,165 1,170 2 Nach WRG 70 % 80 % 21 20 19 18 17 16 1,175 1,180 1,185 1,190 1,195 39 40 3 ZU 41 42 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 Luftdruck: 997,0 hpa 54 53 90 % 100 % 5 Befeuch 10 11 12 13 14 Absoluter Wassergehalt [g/kg] F (adia) = 80 %
3. Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Direktwasserbetrieb) Pro: Geringe bis mittlere Investitionskosten Keine Feuchtübertragung, da rekuperatives WRG-System Keine dauerhaften Druckverluste durch Befeuchtungseinrichtung in der Abluft Handelsübliche Komponenten verschiedener Hersteller einsetzbar Contra: Korrosionsfreier Plattenwärmeübertrager erforderlich Hoher Wasserverbrauch Eventuell Frischwasseraufbereitung notwendig Hohe Wirkungsgrade durch steigenden Wasserbedarf beschränkt
4. Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Umlaufwasserbetrieb) Temperatur [ C] 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 25 % 1,135 1,140 1,145 1,150 1,155 1,160 1,165 30 % Enthalpie [kj/kg] 40 % 1,125 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 1,130 1 AU 4 AB 1,120 6 FO 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % F = 73 % 22 21 20 19 18 17 16 36 1,170 1,175 1,180 1,185 1,190 38 42 41 40 39 1,195 2 Nach WRG 3 ZU 44 43 50 49 48 47 46 45 56 55 54 53 52 51 5 Befeuchtet Luftdruck: 997,0 hpa 64 63 62 61 60 59 58 57 100 % 9 10 11 12 13 14 15 16 Absoluter Wassergehalt [g/kg] F (adia) = 89 %
4. Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Umlaufwasserbetrieb) Pro: Hohe Kühlleistungen Reduzierter Wasserverbrauch durch Umlaufwasser und geregelte Abschlämmung Sehr hohe Wasser-Luft-Zahlen möglich Zusätzliche luftseitige Druckverluste treten nur im Adiabatikbetrieb auf Contra: Korrosionsfreier Plattenwärmeübertrager erforderlich Regelungstechnik für Umlaufwasserbetrieb notwendig Umlaufwasserpumpe erforderlich Wanne für Umlaufwasser nötig
5. Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Umlaufwasserbetrieb) 25 % 35 Temperatur [ C] 34 33 32 30 % 1,125 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 1,130 1 AU 1,120 40 % 50 % 31 30 29 28 1,135 1,140 1,145 Enthalpie [kj/kg] 6 FO 60 % φ = 79 % 27 26 1,150 1,155 4 AB 70 % 25 24 23 1,160 1,165 80 % 22 1,170 90 % 37 21 20 19 18 17 16 38 1,175 1,180 1,185 1,190 42 41 40 39 1,195 2 Nach WRG 3 ZU 43 48 47 46 45 44 Luftdruck: 997,0 hpa 56 55 54 53 52 51 50 49 5 Befeuchtet 59 58 57 100 % 10 11 12 13 14 15 Absoluter Wassergehalt [g/kg] F (adia) = 91 %
5. Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Umlaufwasserbetrieb) Pro: Hohe Kühlleistungen Reduzierter Wasserverbrauch durch Umlaufwasser Sehr hohe Wasser-Luft-Zahlen möglich Minimale zusätzliche luftseitige Druckverluste im Adiabatikbetrieb Contra: Korrosionsfreier Plattenwärmeübertrager erforderlich Regelungstechnik für Umlaufwasserbetrieb notwendig Umlaufwasserpumpe erforderlich Wanne für Umlaufwasser nötig
6. Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Umlaufwasserbetrieb) und Taupunktkühlung Temperatur [ C] 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 34 35 1,14 25 % 1,16 1,17 1,18 1,19 1,20 49 48 47 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 1,21 1,22 30 % 1 AU Enthalpie [kj/kg] 56 55 54 53 52 51 50 40 % 1,15 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 4 AB 9 PL befeuchtet 2 nach adiabater Kühlung 5 AB befeuchtet 3 ZU nach WRG 10 Luftdruck: 1.013,3 hpa 65 64 63 62 61 60 59 58 57 7 FO 6 50 % 67 66 60 % 70 % 80 % 90 % 100 %68 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Absoluter Wassergehalt [g/kg] φ = 79 % F (TPKl.) = 90 % F (adia) = > 100 %
6. Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit direkter Befeuchtung der Abluft im Plattenwärmeübertrager (Umlaufwasserbetrieb) und Taupunktkühlung Pro: Höchste Kühlleistung im Vergleich Geringer Einfluss hoher Abluftfeuchten Geringe luftseitige Druckverluste während - und keine Zusätzlichen - außerhalb des Betriebes Contra: Korrosionsfreier Plattenwärmeübertrager erforderlich Regelungstechnik für Umlaufwasserbetrieb notwendig Wannen und Umlaufwasserpumpen erforderlich Zusätzliche Energie für erhöhten Volumenstrom erforderlich
7. Hochleistungs-Kreislaufverbund System 25 % 35 Temperatur [ C] 34 33 32 31 30 29 28 30 % 1,125 Dichte feuchter Luft [kg/m³] 1,130 1,135 1,140 1,145 1 AU 1,120 Enthalpie [kj/kg] 40 % 6 FO 50 % 60 % φ = 81 % 27 26 1,150 1,155 4 AB 70 % 25 24 23 1,160 1,165 80 % 22 1,170 90 % 37 21 20 19 18 17 16 38 1,175 1,180 1,185 1,190 42 41 40 39 1,195 2 Nach WRG 3 ZU 43 48 47 46 45 44 Luftdruck: 997,0 hpa 56 55 54 53 52 51 50 49 5 Befeuchtet 59 58 57 100 % 10 11 12 13 14 15 Absoluter Wassergehalt [g/kg] F (adia) = 90 % und >
7. Hochleistungs-Kreislaufverbund System Pro: Getrennte Aufstellung von Zu- und Abluftgerät möglich Absolute Trennung der Luftströme Hohe Flexibilität Contra: Relativ hohe Investitionskosten Wasseraufbereitung erforderlich Zusätzliches Hydraulikmodul notwendig Hoher Regelungsaufwand Zusätzliche Energie für Pumpe erforderlich
Betriebskostenvergleich verschiedener adiabatischer Verdunstungskühlsysteme Um realistische Vergleichszahlen zu erhalten, sind nicht nur die Betriebskosten im Kühlbetrieb, sondern auch die eventuell anfallenden Betriebskosten im Nicht- Kühlbetrieb zu vergleichen. Hier sind z.b. Druckverluste eines in der Abluft vorgeschalteten adiabaten Befeuchters relevant. Die Druckverluste stehen ganzjährig an Starke Einflüsse haben auch die Betriebskosten im Teillastbetrieb, sowie die Betriebsstunden im Allgemeinen Grundsätzlich ist zur Bewertung der Betriebskosten, eine Berechnung mit allen Größen, inklusive der ortsbezogenen Klimadaten erforderlich
Betriebskostenvergleich verschiedener adiabatischer Verdunstungskühlsysteme Mannheim DIN 4710:2003 6 00-18 00 adiabatische Vorkühlung und Zuluft Kühlregister Kühlung ab 20 C AU Spezifische Elektroenergiekosten = 0,18 /kwh ZU 18 C AB 26 C 4.380 h/a Feuchtigkeit + 1g/kg Temperaturbereich 20-40 C AU Frischwasser = 1,65 /m³ Preissteigerung = 4 % p.a. 10.000 m 3 /h Feuchtigkeit 2-17 g/kg AU Abwasser = 2,36 /m³ Spezifische Kühlenergiekosten = 0,12 /kwh
Verteilung der Betriebskosten im Kühlbetrieb 2.500 2.000 Betriebskosten in /a 1.500 1.000 500 0 Rotationswärmeübertrager & Abluftbefeuchter Kreuzstrom- Plattenwärmeübertrager & Abluftbefeuchter Kreuz- Gegenstrom- Plattenwärmeübertrager & Abluftbefeuchtung WRG-integriert Direktwasser Kreuz- Gegenstrom- Plattenwärmeübertrager & Abluftbefeuchtung WRG-integriert Umlaufwasser Gegenstrom- Plattenwärmeübertrager & Abluftbefeuchtung WRG-integriert Umlaufwasser Gegenstrom- Plattenwärmeübertrager & Abluftbefeuchtung & Taupunkt-kühlung WRG-integriert Umlaufwasser Kreislaufverbundsystem Abluftbefeuchtung WRG-integriert Direktwasser Kühlregister ohne adiabate Vorkühlung Wasser elektr. Strom Kälte Energie Kühlbetrieb gesamt (aktiv)
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