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Membranbasierte Raumklimatisierung

BMWi Euronorm Innokom-Ost

Dipl.-Ing. (FH) Hannes Rosenbaum

+49-351-4081-667

erfolgreich abgeschlossen

Dezentrale Klimatechnik mit Flüssigsorption

Ausgangspunkt

Raumlufttechnische Anlagen haben einen erheblichen Bedarf an Primärenergie. Vor allem Klimaanlagen auf der Basis herkömmlicher Entfeuchtungsmethoden besitzen großes Energiesparpotential, wenn es gelingt, die energieintensive Entfeuchtung der Luft durch die Unterschreitung der Taupunkttemperatur durch sorptionsgestützte Luftentfeuchtungssysteme abzulösen. Im Gegensatz zu dezentralen Klimatisierungssystemen sind dazu in zentralen Klimaanlagen sowohl feste als auch flüssige Sorptionsprozesse bereits Stand der Technik.

Projektziel

Projektziel war die Entwicklung eines Klimatisierungssystems auf Basis eines indirekten, gekühlten flüssigen Sorptionsprozesses für raumnahe Anlagen (dezentrale Klimageräte, Kühldecken). Während das ILK Dresden seit 2006 diesen Prozess selbst sowie die entsprechenden membranbasierten Wärme- und Stoffübertragerflächen und erste konkrete Anwendungen entwickelt, optimiert und stetig weiterentwickelt hat, bestand bezogen auf die gesamte Anlagenperipherie noch erheblicher Entwicklungsbedarf. Ziel des Projektes war es, diese „Entwicklungslücken“ zu schließen, indem mehrere Einzelentwicklungen wie Systemkomponenten, Regelung, Hydraulik, Sorptionsmittelhandling und Gesamtauslegung zu einer komplexen Anlagenentwicklung zusammengefasst werden.

Ergebnisse

Die Entwicklung eines Klimatisierungssystems auf Basis eines indirekten, gekühlten flüssigen Sorptionsprozesses wurde erfolgreich beendet. Durch jeweilige Konzeptionsstudien und darauf aufgebaute theoretische und messtechnische Analysen sollten mehrere Einzelentwicklungen wie Systemkomponenten, Regelung, Hydraulik, Sorptionsmittelhandling und Gesamtauslegung zu einer komplexen Anlagenentwicklung zusammengefasst werden. Die abschließenden Arbeitsschwerpunkte behandelten u.a. Fragestellungen zur

  • Integration des Flüssigsorptionsprozesses in ein vorzugsweise dezentrales RLT- Gerät mit allen Luftbehandlungsfunktionen (HKBE) einschl. Sorptionsmittelregeneration
  • Funktionsweise eines Pilot- RLT-Gerätes mit indirekter Flüssigsorption im Hinblick auf Hydraulik- und Regelungskonzeptionen und Solehandling (theoretische und messtechnische Untersuchungen)
  • Energieversorgungsstrukturen zur Sicherstellung der Funktionalität des Gesamtsystems

Zur Integration der Flüssigsorption in ein dezentrales RLT-Gerät werden die sonst üblichen Komponenten Lufterhitzer, Luftkühler und Befeuchter durch einen Membran- Wärme- und Stoffübertrager (MWÜ) ersetzt. Der MWÜ kann sensible und latente Luftbehandlungsfunktionen koppeln. Wasserseitig genügt in der Regel der Anschluss des MWÜ an ein 2-Leiter-Netz (kombiniertes KW/WW Netz). Geräte mit integrierter Sorptionsmittel-Regenerationseinheit erfordern den Anschluss an ein 4-Leiter-Netz (KW- und WW- Netz getrennt).

Basierend auf Messergebnissen und unter Berücksichtigung variabler Luftzustandsänderungen im Jahresgang wurden konkrete Designvorgaben für Anordnung und Ansteuerung benötigter Bauelemente des Solekreislaufes abgeleitet. Dazu gehört die Dimensionierung der Komponenten, ein Regelungsregime für Regel-, Umschalt- und Belüftungsventile sowie die Anordnung und Durchströmung der Membranelemente. Die Auslegung der Membranfläche erfolgt dabei primär für die maximal zu erwartende Entfeuchtungsleistung, berücksichtigt jedoch auch das Temperaturniveau und maximal zu erwartende sensible Lasten.

Für die Regeneration wässriger LiCl-Lösung (ab Temperaturen > 42°C) ist übliche Abwärme nutzbar. Je höher das verfügbare Temperaturniveau, umso kleiner ist die für die Regeneration benötigte Membranfläche. Hohe Regenerationstemperaturen, bereitgestellt bspw. durch Vakuum-Röhrenkollektoren (bis 100°C) ermöglichen kleine Membranflächen und zudem die eine Kondensationswärmenutzung im Zusammenhang mit der Wärmerückgewinnung. Bei ausschließlicher Nutzung regenerativer (Wärme-)Energiequellen zur Soleaufbereitung liegt der Energieeinspareffekt der Trocknung (Absorption) inkl. Hilfsenergie bei bis zu 47%. Um den Hilfsenergiebedarf (Transport Regenerationsluft und Wärmeträger-medium) gering zu halten, sind zentrale Regenerationseinheiten zu bevorzugen. Ausnahme bilden die ebenfalls im Projekt entwickelten fassadenintegrierbaren (dezentralen) und von Sorptionsmittel durchströmbaren Solarthermieabsorber mit Regenerationsfunktion über integrierte Membran.

Innovative Vorteile

...des neuen Klimatisierungssystems gegenüber dem Stand der Technik sind:

  • Hygienevorteil aufgrund kondensatfreier Luftentfeuchtung ohne Direktkontakt der Fluide
  • Korrosionsschutz und aerosolfreie Stoffübertragung weil Fluide hermetisch getrennt
  • Kopplung zweier Luftbehandlungsprozesse (sensibel und latent) in einer Komponente
  • Kühlen und Entfeuchten mit Hochtemperaturkälte (16…18 °C);Heizen und Befeuchten (auch Sorptionsmittelregeneration) mit Niedertemperaturwärme (45…55 °C)
  • Energieeffizienz durch Nutzung regenerativer Energien als Energieträger für die Luftentfeuchtung

Trotz der positiven Entwicklungsergebnisse ist die Gesamtkonstruktion der Membranelemente hinsichtlich Randabdichtung und Anschlussgestaltung weiter zu optimieren. Die aktuell noch fehlende technische Möglichkeit zur Massenfertigung der Membranelemente steht einer Marktreife und Markteinführung noch entgegen und bedarf weiterführender Entwicklungsanstrengungen.

Das potentielle Anwendungsgebiet dezentraler Flüssigsorptionsprozesse über Membranen geht jedoch weit über die Klimatechnik hinaus. Wärme- und Stofftransportvorgänge über Membranen zum Zwecke der Luftbe- oder Luftentfeuchtung sind auch für Trocknungs- oder Befeuchtungsanwendungen in der Prozesslufttechnik, wie bspw. im Bereich weißer Ware interessant.


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