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11. Mai 2017 Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl
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Grundlagen: Verdunstungskühlsysteme in zentralen Lüftungsgeräten

Zentrale raumlufttechnische Geräte (RLT-Geräte) haben die Aufgabe, angesaugte Außenluft zu filtern und sie nach einer Wärmerückgewinnung bedarfsgerecht auf den gewünschten Zuluftzustand zu erwärmen oder zu kühlen. Dabei erfolgt die Kühlung der Luft meist in Kühlern im RLT-Gerät, die das kalte Wasser von einem mechanischen Wasserkühlsatz bekommen. Diese Wasserkühlsätze arbeiten mit synthetischen Kältemitteln mit meist hohen Treibhauspotenzialen und benötigen zum Betrieb elektrische Energie.

Als ökologische Alternative zu Wasserkühlsätzen bietet sich der Einsatz einer Verdunstungskühlung in einem RLT-Gerät an. Das Ziel der Verdunstungskühlung, bei der Wasser zur Abkühlung von warmer Luft genutzt wird, besteht darin, die Wasserkühlsätze zu ersetzen oder zumindest deren Leistung zur Luftkühlung zu verringern. Dadurch werden elektrische Energie und CO2 eingespart sowie Emissionen von Kältemitteln aus Leckagen in den Wasserkühlsätzen in die Umgebung verringert. Ein großer Vorteil der Verdunstungskühlung liegt in der Senkung der Betriebskosten zur Luftkühlung.

Mit Wasser kühlen – dazu ein wenig Physik

Die Wirkung der Verdunstungskühlung kennt jeder: Wenn es regnet, kühlt sich die Luft ab. Dieser Abkühleffekt beruht auf dem physikalischen Prinzip, dass Luft in der Lage ist, Wasser als Wasserdampf aufzunehmen und diesen als latente Energie in sich zu speichern. Dabei ist die Kapazität dieser Wasseraufnahme umso größer, je höher die Lufttemperatur und je trockener die Luft ist (siehe Abbildung 1).

Damit eine Verdampfung von Wasser stattfinden kann, muss die Luft die dazu notwendige Verdampfungswärme "aus sich selbst heraus" bereitstellen. Die Verdampfungswärme beträgt 2.500 kJ pro kg Wasser, das in der Luft verdampft. Daraus errechnet sich, dass die Temperatur der Luft um 2,5 K pro Gramm Wasser sinkt, das pro kg Luft aufgenommen wird. Begrenzt wird diese Aufnahmefähigkeit von Wasser in der Luft durch den Sättigungszustand, wenn also eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % erreicht ist.

Dazu ein Beispiel. Wenn an einem Sommertag die Außenluft mit einer Temperatur von 32 °C und einer relativen Feuchte von 40 % durch einen langen intensiven Regen bis auf (theoretisch) 100 % relative Feuchte befeuchtet wird, kann sie dabei etwa 4 g Wasser pro kg Luft aufnehmen (von 12 auf 16 g/kg) und ihre Temperatur sinkt um 4 • 2,5 K = 10 K auf 22 °C. Abbildung 1 zeigt diese Zustandsänderungen im h,x-Diagramm.

Abbildung 1: Darstellung der Verdunstungskühlung im h,x-Diagramm. Durch die Befeuchtung der Außenluft (32 °C, 40 %) auf fast 100 % Feuchte sinkt die Lufttemperatur entlang der Isenthalpen (schräge Linie im Diagramm) um fast 10 K auf etwa 22 °C.Abbildung 1: Darstellung der Verdunstungskühlung im h,x-Diagramm. Durch die Befeuchtung der Außenluft (32 °C, 40 %) auf fast 100 % Feuchte sinkt die Lufttemperatur entlang der Isenthalpen (schräge Linie im Diagramm) um fast 10 K auf etwa 22 °C.
Dieses Prinzip der Verdunstungskühlung setzt man in der Lüftungs- und Klimatechnik ein, um warme Luft zu befeuchten und dadurch ökologisch zu kühlen.

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