Kühlen mit Wasser

Die F-Gase-Verordnung hat starke Preiserhöhungen sowie Probleme bei der Verfügbarkeit von bestimmten Kältemitteln zur Folge. Vor diesem Hintergrund gewinnt die wasserbasierte Klimatisierung bei Planern sowie Anlagenbauern und -betreibern immer mehr an Bedeutung. Der folgende Beitrag stellt drei Systembeispiele vor.

Die Auswirkungen der F-Gase-Verordnung sind in der Kälte- und Klimabranche bereits deutlich zu spüren. Durch die Vorgaben zur schrittweisen Reduzierung der jährlich verfügbaren GWP-Menge („Phase Down“) ist die Verfügbarkeit einzelner Kältemittel bereits eingeschränkt. Parallel hat sich der Preis der für Klimaanlagen üblichen Kältemittel in einem Zeitraum von März bis Ende des Jahres 2017 mehr als verdoppelt – Tendenz weiterhin steigend. Für Planer und Anlagenbauer stellt sich zudem die Frage der Haftung: Sehen sie den Einsatz einer Anlage mit großen Füllmengen eines Kältemittels mit hohem GWP-Wert vor, so sollte der Betreiber ausreichend über die möglichen zukünftigen Preissteigerungen und die ungewisse Verfügbarkeit informiert werden.

Innovative Ansätze
Eine Lösung aus dem Dilemma bietet der Wechsel auf Kältemittel mit einem niedrigen GWP-Wert, allerdings sind viele davon brennbar oder weisen andere negative Eigenschaften auf. Ein alternativer Ansatz ist die Nutzung von Wasser als Kältemittel im Kaltwassererzeuger. Was lange als schwer realisierbar galt, ist dem Unternehmen Efficient Energy GmbH gelungen. Es hat eine Technologie auf den Markt gebracht, die Wasser als Kältemittel einsetzt. Der „eChiller“ arbeitet mit der Direktverdampfung von Wasser im vakuumdichten, geschlossenen Kreislauf. Mittels Verschaltung von zwei baugleichen Modulen fungiert das Kältemittel Wasser gleichzeitig als Kaltwasser in den Verdampfern und als Kühlwasser in den Verflüssigern. Die Kälteanlage ist über Platten-Wärmeübertrager hydraulisch vom Kühl- und Kaltwasserkreis getrennt. Der Leistungsbereich (bei Kaltwasserein-/ -austritt 22/28 °C) ist durch modulare Zusammenschaltung mehrerer Einheiten von 35 kW auf bis zu 300 kW erweiterbar.
Der BAFA-förderfähige und inzwischen in Serie gefertigte Kaltwassererzeuger ist zur Kühlung von Prozessen mit kontinuierlichem Kühlbedarf bei hohem Kaltwassertemperaturniveau ausgelegt. Die realisierbaren Vorlauftemperaturen bewegen sich zwischen 10 und 28 °C. Damit eignet sich die Anlage vor allem für die Kühlung von Serverräumen, die industrielle Prozesskühlung sowie die Gebäudekühlung über Bauteilaktivierung oder Kühldecken.

Indirekte Verdunstungskühlung
Eine weitere kältemittelfreie Alternative bietet die indirekte Verdunstungskühlung in RLT-Anlagen. Dabei wird die zu konditionierende Luft mithilfe von Wasser natürlich und mit einem gegenüber herkömmlichen Kälteanlagen viel geringeren Stromverbrauch gekühlt. Allerdings ist die Abkühlung begrenzt und von der Außentemperatur abhängig. Um hier höhere Kühlleistungen erreichen zu können, hat das Unternehmen Kampmann gemeinsam mit der Tochtergesellschaft Nova die konventionelle Technik weiterentwickelt. Im Gegensatz zu gängigen Systemen arbeitet die sogenannte „Ka2O“-Technologie mit klein dimensionierten Gegenstrom-Wärmeübertragern, die zusammen mit einem Befeuchtungssystem in einzelne, variabel erweiterbare Moduleinheiten integriert sind. Aufgrund der kompakten Abmessungen der Wärmeübertrager lassen sich die zusätzlich mit einer speziellen hydrophilen Beschichtung versehenen Lamellen gleichmäßig und vollflächig benetzen. Demzufolge kann die Abluft bis auf die Feuchtkugeltemperatur abkühlen. Da im Wärmeübertrager eine konstante Nachverdunstung stattfindet, wird der vorbeigeführten Außenluft zudem zusätzlich Wärme entzogen. Dieser Prozess ist dabei unabhängig von der Außentemperatur. Ausschlaggebend ist die Feuchtkugeltemperatur der Abluft, die nahezu vollständig auf die Zuluft übertragen wird. Auf diese Weise soll sich bei adiabaten Kühlwirkungsgraden von 96 % die Temperatur der Außenluft um bis zu 20 K absenken lassen – auch wenn sie 40 °C beträgt. Die Module sind dabei für Luftmengen von bis zu 27 000 m³/h erweiterbar, wodurch die Technologie auch für größere Anwendungen attraktiv wird. Kombinationsvarianten von bis zu 12 Modulen übereinander und 5 Modultürmen hintereinander ermöglichen eine flexible Bauweise. Der modulare Aufbau stellt die Einbringung und Installation auch bei beengten Rahmenbedingungen sowie bei Sanierungsvorhaben sicher. Durch die modulare Bauweise bleibt zudem der Druckverlust unabhängig vom Volumenstrom gleichbleibend gering. Die Module sind im Wartungsfall über entnehmbare Lüftungskanäle und Revisionsöffnungen frei zugänglich und lassen sich aufgrund ihrer geringen Größe leicht reinigen.

Wassergeführte Systeme
Ist der Einsatz von Kältemitteln nicht zu vermeiden, sollte die verwendete Menge möglichst gering gehalten werden. Hier bietet sich die Kombination aus Kaltwassererzeuger bzw. Wärmepumpe und einem wassergeführten System zur Klimatisierung im Gebäudeinneren an. Im Gegensatz zu Direktverdampfungsanlagen, bei denen das Kältemittel vom Außengerät bis zu allen Inneneinheiten in den Rohrleitungen fließt, ist bei diesem System die Füllmenge der Kältemittel auf das Nötigste reduziert – nämlich lediglich auf den Kälteprozess selbst. Das verringert sowohl das Risiko für Undichtigkeiten als auch den Aufwand für die vorgeschriebene, jährliche Prüfung erheblich.
Wird das kälteerzeugende Gerät im Außenbereich aufgestellt, ist es zudem nicht von der in der DIN EN 378 vorgegebenen Füllmengenbeschränkung für ­brennbare Kältemittel – etwa im Falle des Kältemittels R32 – betroffen. Bei Gebäuden mit ganzjährigem Kühlbedarf, zum Beispiel Serverräumen oder Kunsthallen, lohnt sich der Einsatz von Anlagen mit integrierter freier Kühlfunktion. Diese kann bei niedrigen Außentemperaturen die ener­gieintensive Kompressorkühlung vollständig ersetzen und damit hohe Einsparungen beim Stromverbrauch erzielen. Zur Vereinfachung der Installation und Gewährleistung einer sicheren Einbindung des Sekundärkreislaufs im Gebäudeinneren bietet das Unternehmen Kampmann überdies eine vorgefertigte Hydraulikbox an, die bereits mit allen benötigten Komponenten wie Systemtrenner, drehzahlgeregelte Pumpe und Sicherheitsventil ausgestattet ist.
Während bei Direktverdampfungsanlagen in der Regel nur Innengeräte eines Herstellers sowie eine bestimmte Typen- bzw. Baureihe verwendet werden können, lassen sich wasserführende Systeme sehr flexibel auslegen. Eine Kombination mit Wandgeräten, Deckenkassetten, Bodenkonvektoren oder Kühldecken ist realisierbar. In den meisten Anwendungsfällen sind der Einsatz verschiedener Komponenten in einem System, die Einbindung der vorhandenen Heizungsanlage sowie eine spätere Systemerweiterung ebenfalls möglich.