Verfahren und Geräte zur Klimatisierung und Kühlung

Für die Erzeugung von Kälte zur Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden oder Räumen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Weitere (seltenere) Verfahren sind:

  • Kompressions-Kaltluftprozess
  • Kompressions-Dampfstrahlprozess
  • Adsorptions-Kälteprozess
  • Peltier-Kälteprozess (Thermoelektrischer Kälteprozess)

Klimatisieren mit Wärme

Der Anstieg des Klimatisierungs- und Kältebedarfs und der Rückgang des Wärmebedarfs im industriellen und gewerblichen Bereich erfordert innovative und umweltverträgliche Verfahren zur Klimatisierung und zu Kühlung von Räumen und Gebäuden.

Gasbasierte Kälte- und Wärmepumpen sind eine effiziente Alternative zur strombasierten Kälteerzeugung. Das Heizen und Kühlen mit nur einem Aggregat bietet ökologische und ökonomische Vorteile.

Die Einsatzbereiche für Klima- und Prozesskälteerzeugung mit Kompressions- und Absorptionstechnik sind vielfältig. Als Beispiel können folgende Bereitstellungsbereiche von Kälteanlagen genannt werden:

  • Flächen- und Bauteilkühlung
  • Raumlufttechnische Anlagen
  • Prozesskühlung in Industrie und Gewerbe  


Kompressions-Kaltdampfprozess

Eine Kaltdampf-Kompressions-Kälteanlage besteht aus den Komponenten Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Entspannungsventil. Im umgekehrten Heizfall wird die Fließrichtung des Kältemittels umgeschaltet, die Wärmezufuhr im Verdampfer erfolgt aus Umgebungswärme (Wasser, Luft, Erdreich) und die Wärmeabgabe im Verflüssiger an das Gebäude, die Maschine wird als Wärmepumpe betrieben.

  • Im Verdampfer nimmt das Kältemittel die Wärme aus dem zu kühlenden Medium (Gebäude) auf und verdampft.
  • Mit Hilfe von mechanischer Energie, angetrieben durch einen Elektromotor oder einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor, wird es im Verdichter auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau gebracht.
  • Das gasförmige Kältemittel wird im Verflüssiger (Wärmeübertrager) kondesiert, gibt seine Wörme an das Kühlmittel (Wasser, Luft, Erdreich) ab und verflüssigt wieder.
  • Im Expansionsventil wird das flüssige Kältemittel entspannt und das Temperaturniveau wieder abgesenkt. Der Kreislauf beginnt von vorn.

Gasmotor-Wärmepumpen

Gasmotor-Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen sind in verschiedenen Leistungsstufen marktverfügbar. Einen beispielhaften Überblick an Herstellern bzw. Anbietern enthält unsere Gerätedatenbank. Die verfügbaren Geräte sind kaskadierbar, so dass auch größere Leistungsanforderungen realisiert werden können.

Gasmotor-Wärmepumpen werden außen aufgestellt (Außenluft als Wärmequelle), sie sind damit platzsparend und benötigen in der Regel keine Abgasanlage. Der Betrieb kann monovalent erfolgen, d. h., es ist so keine Spitzenlastabdeckung im Heizbetrieb und damit kein weiterer Wärmeerzeuger notwendig.

Der Anwendungsbereich von Gasmotor-Wärmepumpen umfasst neben dem Heizen und Kühlen auch die Entfeuchtung und Trinkwassererwärmung. Mit einem Wärmerückgewinnungssystem kann bei wassergeführten Systemen die Motorabwärme im Kühlbetrieb zurückgewonnen und beispielsweise zur Trinkwassererwärmung genutzt werden.

Eingesetzt werden können die Geräte sowohl im Neubau als auch im Bestand zur Beheizung/Kühlung von

  • Bürogebäuden
  • Supermärkten
  • Einkaufszentren
  • Hotels
  • Lagerhallen


und zu Erzeugung von Prozesswärme oder -kälte.


Neben der zu empfehlenden jährlichen Wartung des Gesamtsystems ist eine Motorwartung nach 10.000 Betriebsstunden durchzuführen, dies entspricht einem Zeitraum von etwa 3 bis 4 Jahren.

Absorptions-Kälteprozess

Beim Absorptions-Kälteprozess erfolgt die Verdichtung des Kältemittels mit Hilfe eines thermischen Verdichters. Dabei wird der physikalische Effekt der Absorption von Kältemitteldampf in einem flüssigen Lösungsmittel ausgenutzt, welches eine hohe Affinität zu Dampf besitzt.

Im Absorptions-Kälteprozess finden zwei Kreisläufe statt:

  • Lösungsmittelkreislauf (thermischer Verdichter) bestehend aus Absorber, Pumpe, Austreiber und Entspannungsventil
  • Kältemittelkreislauf mit den Komponenten Verdampfer, thermischer Verdichter, Verflüssiger und Entspannungsventil.

Gebräuchliche Stoffpaare Kältemittel-Lösungsmittel sind Ammoniak-Wasser und Wasser-Lithiumbromid.

Lösungsmittelkreislauf

  • Das Lösungsmittel-Kältemittelgemisch (reiche Lösung) wird durch die Lösungsmittelpumpe auf einen höheren Druck gebracht (Austreiberdruck).
  • Im Austreiber wird das Kältemittel durch Wärmezufuhr aus der Lösung ausgedampft. Der Kältemitteldampf wird dem Verflüssiger des Kältemittelkreislaufes zugeführt.
  • Die Lösung verlässt den Austreiber mit hoher Temperatur und wird wieder entspannt.
  • Im Absorber wird die Lösung auf ein wassergekühltes Rohrbündel gerieselt und das Lösungsmittel nimmt aus dem Verdampfer kommenden Kältemitteldampf wieder auf.

Kältemittelkreislauf

  • Das Kältemittel aus dem Austreiber kondensiert im Verflüssiger.
  • Das Kondensat wird im Expansionsventil entspannt.
  • Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme auf und verdampft. Der Kältemitteldampf wird wieder dem Absorber zugeführt.

Gas-Adsorptions-Wärmepumpen

Gas-Absorptionswärmepumpen zum Heizen und Kühlen sind in verschiedenen Leistungsstufen marktverfügbar. Einen Überblick an Herstellern bzw. Anbietern enthält unsere Gerätedatenbank. Die verfügbaren Geräte sind kaskadierbar, so dass auch größere Leistungsanforderungen realisiert werden können.

Marktverfügbare Gas-Absorptions-Wärmepumpen zum Heizen und Kühlen mit Luft als Wärmequelle werden außen aufgestellt. Sie sind damit platzsparend und benötigen in der Regel keine Abgasanlage. Eingesetzt werden können die Geräte sowohl im Neubau als auch im Bestand zur Beheizung/Kühlung von

  • Bürogebäuden
  • Supermärkten
  • Einkaufszentren
  • Hotels
  • Lagerhallen

und zur Erzeugung von Prozesswärme oder -kälte.

Gasbetriebene Absorptions-Kühler (oder auch Absorptions-Kältemaschinen) finden ihre Anwendung aufgrund der großen Leistungsbreite (bis zu mehreren MW) zumeist in der Industrie oder größeren Gewerbebetrieben. Absorptions-Kühler können direkt oder indirekt durch Nutzung vorhandener Prozesswärme befeuert werden. Die Wärmeabfuhr aus dem Verflüssiger und dem Absorber ist bei Absorptions-Kälteanlagen unerlässlich. Bei kleineren Anlagen ist die Nutzung z. B. zur Trinkwassererwärmung denkbar.

Die Wärmeabfuhr aus dem Verflüssiger und dem Absorber ist bei Absorptions-Kälteanlagen unerlässlich. Bei kleineren Anlagen ist die Nutzung z. B. zur Trinkwassererwärmung
denkbar.

Für die Rückkühlung stehen Rückkühlwerke zur Aufstellung im Freien zur Verfügung, dabei unterscheidet man grundsätzlich folgende Typen:

  • Trockenrückkühler
  • Verdunstungsrückkühler (offener oder geschlossener Kreislauf)
  • Hybrid-Rückkühler
  • Glykolkühler

In Verdunstungsrückkühlanlagen wird Wasser verrieselt oder versprüht. Mit der Fortluft können unter bestimmten Voraussetzungen legionellenhaltige Aerosole im Umkreis einer Anlage (über mehrere Kilometer) verbreitet werden. Zur Besiedlung mit Legionellen können dabei Biofilme (Nährstoffe), geeignete Temperaturen sowie ungünstige konstruktive Ausführungen beitragen. In der VDI-Richtlinie VDI 2047-2 werden die Anforderungen für einen hygienisch einwandfreien Betrieb an Konstruktion, Planung und Errichtung sowie an den Betrieb und die Instandhaltung von Verdunstungsrückkühlern genannt.

Zudem schreibt der Verordnungsgeber mit der 42. BImSchV (Verdunstungskühlanlagenverordnung) einen hygienisch einwandfreien Betrieb von Verdunstungskühlanlagen vor. Daraus ergeben sich an den Betreiber solcher Anlagen folgende Pflichten:

  • Anzeigepflicht für neue und bestehende Anlagen
  • Erstellung einer Gefährdungsbeurteilung mit Risikoanalyse- und Bewertung hinsichtlich hygienischer Sicherheit mit den daraus abzuleitenden Maßnahmen
  • Meldepflicht bei Anstieg der Legionellenkonzentration im Rahmen der Überwachung.

Kälteverteil- und Übergabesysteme

Die Kühlung von Räumen ist dezentral oder über eine zentrale Kälteversorgung möglich. Bei zentraler Versorgung erfolgt die Verteilung der Kälte mit den Medien Kaltwasser, Kaltluft oder Kältemittel. Entsprechend der Art der Kälteversorgung und dem Verteilmedium gibt es unterschiedliche Übergabesysteme.

Zentrale Lüftungsanlage (RLT-Anlage)

Zentrale Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) realisieren den notwendigen Luftwechsel sowie die Konditionierung der Zuluft, die über Lüftungskanäle und Luftauslässe den Räumen zugeführt wird. Mit einer zentralen Lüftungsanlage werden die gewünschten Raumluftbedingungen realisiert. Dazu sind neben der reinen Lüftungsfunktion folgende thermodynamische Luftbehandlungsfunktionen möglich:

  • (H) Heizen
  • (K) Kühlen
  • (B) Befeuchten
  • (E) Entfeuchten

Klimaanlagen kommen immer dann zum Einsatz, wenn besondere Anforderungen an die Raumluftqualität gestellt werden. Neben Heizen und Kühlen, z. B. in Bürogebäuden, kann im Gewerbe auch das Befeuchten und Entfeuchten der Zuluft notwendig sein. Beispiele für Nutzungen mit hohen Anforderungen an die Raumluft sind Museen, Schwimmbäder oder Lagerflächen für Produkte mit bestimmten Umgebungsanforderungen.

Die Klassifizierung der RLT-Anlagen erfolgt nach der Anzahl der gewährleisteten thermodynamischen Luftbehandlungsfunktionen in Lüftungsanlage, Teilklimaanlage und (Voll-)Klimaanlage.

Flächenkühlung

Mit Hilfe von wasserführenden Raumflächensystemen kann die gewünschte thermische Behaglichkeit durch Kühlen umgesetzt werden. Vorteile einer Flächenkühlung sind:

  • geringe Übertemperaturen
  • hoher Strahlungsanteil
  • niedriger Geräuschpegel
  • geringe Luftgeschwindigkeiten

Vorrangig kommen Kühldecken sowie die thermische Bauteilaktivierung (TBA) zum Einsatz. Kühldecken sind gut und schnell regelbar, es können Kühlleistungen bis 120 W / m² (Behaglichkeitsgrenze) realisiert werden. Die thermische Bauteilaktivierung nutzt die Speichermasse von Wänden oder Decken zur Temperaturregulierung, durch die Wasser führende Rohrleitungen (ggf. auch Luftleitungen) verlaufen. Wärme bzw. Kälte wird in der Bauwerksmasse gespeichert und zeitverzögert mit sehr geringer Über- bzw. Untertemperatur an die Räume abgegeben. Es können Kühlleistungen bis 40 W / m² erreicht werden.

Anwendung findet eine thermische Bauteilaktivierung z. B.:

  • zur Dämpfung von Lastspitzen und/oder Pufferung von Überschüssen (z. B. bei Abwärmenutzung oder Solarthermie)
  • bei Nutzung als Kälteübergabesystem: nächtliche Passivkühlung mit Erdsonde/ -kollektor o. Ä.

Dezentrale Innenheinheiten

In einem System von dezentralen Inneneinheiten (Multisplitanlagen) wird Raumluft über diese angesaugt und gekühlt oder erwärmt. Der Transport der Kälte oder Wärme erfolgt durch kältemittelführende oder kälteträgerführende (wassergeführte) Rohrleitungen. Ein Vorteil ist der geringe Querschnitt der Rohrleitungen gegenüber einer zentralen Lüftungsanlage. Weitere Vorteile sind die individuelle Regelbarkeit, eine geringe elektrische Leistung für den Antrieb der Ventilatoren in den Inneneinheiten und die große Anzahl anschließbarer Geräte auch unterschiedlicher Bauart.

Bei kältemittelführenden Systemen (VRF- oder VRV-Systeme) wird das Kältemittel direkt zu den Innengeräten geführt. Beim Wärmeaustausch mit der Raumluft verdampft das flüssige Kältemittel und wird zurück zur Zentraleinheit geführt. Bei VRF-Systemen (variable refrigerant flow) oder auch herstellerspezifischen VRV-Systemen (variable refrigerant volume) ist der Kältemittelmassestrom bzw. der Kältemittelvolumenstrom variabel und damit an die jeweiligen Anforderungen anpassbar. Wird an verschiedenen Inneneinheiten ein gleichzeitiges Heizen und Kühlen gefordert, kommen 3- oder 4-Leitersysteme zum Einsatz. Üblich sind 3-Leitersysteme, hier sind zwei Leitungen mit verschiedenen Vorlauftemperaturen und eine gemeinsame gemischte Rücklaufleitung vorhanden. Ein Umschaltventil realisiert die gewünschte Anforderung. 4-Leiter bestehen aus zwei Vor- und Rückläufen mit unterschiedlichen Temperaturen.

Klimatisieren mit Erdgas

Klimatisieren mit Erdgas |  ( Datei / 0.00 B)

Ausführliche Informationen zu Kompressions- und Absorptionskälteanlagen, zum kombinierten Heizen und Klimatisieren, zu Gaswärmepumpen oder zur Prozesskühlung im Gewerbe finden Sie hier.

Heizen und kühlen Gebäude

Heizen und kühlen Gebäude |  ( Datei / 0.00 B)

Erdgas-Klimageräte sorgen sowohl für Wärme als auch für Kälte und bieten viele Vorteile. Ob im Büro, im Hotel oder in der Gaststätte: der Betrieb ist geräuscharm und die Energiekosten gering.

Klimatisierung und Prozesskälte

Klimatisierung und Prozesskälte |  ( Datei / 0.00 B)

Mit Erdgas-Kältesysteme können effizient und kostengünstig alle gewünschten Prozesstemperaturen erreicht werden. Die dabei eingesetzten Kältemittel schonen die Umwelt.