Bei der Auslegung von Kaltwasser-Vor- und Rücklauftemperaturen oder von RLT-Luftkühlern werden in der Praxis häufig Erfahrungswerte genutzt. Dabei spielt die RLT-Entfeuchtungsleistung und die Wahl der richtigen Luftaußentemperatur eine maßgebliche Rolle für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
Während der Durchführung von Sachverständigenabnahmen für Kälte- und Klimaanlagen sowie der Erstellung von Gerichts- oder Privatgutachten für dieses Sachgebiet trifft man im Rhein-Main-Neckar-Gebiet bei mehr als 95 Prozent aller Anlagen auf nachfolgende Auslegungsparameter von Kältemaschinen und RLT-Luftkühlern:
Die Kältemaschinen sind mit einer Kaltwasser- VL / RL- Temperatur von 6° / 12° C konzipiert und die RLT- Luftkühler sind bei Umgebungsbedingungen von 32°C AT / 40% r. F. / 12 g/kg Wassergehalt dimensioniert.
Bild: TGA Sachverständige
Effizienz der thermischen Absorptionskältemaschine
Die Effizienz des Absorptionskälteprozesses, hier das Wärmeverhältnis, errechnet sich aus:
Das Wärmeverhältnis für den thermischen Kälteprozess errechnet sich aus dem Verhältnis von abgegebener Verdampfer-Leistung (Q0) zur eingesetzten thermischen Heizleistung (QA). Für den einstufigen Absorptionskälteprozess gilt, dass das theoretische Wärmeverhältnis cK = 0,75 beträgt, d. h. je Kilowatt erzeugter Kälteleistung müssen 1,33 Kilowatt thermische Heizleistung aufgewendet werden.
Die nachfolgende Tabelle und die Grafik zeigt für Absorptionskältemaschinen (die thermische Austreibungstemperatur beträgt 95° / 78° C) folgende Ergebnisse:
Die Ermittlung der Kühlwassertemperaturen basiert auf der Kältemaschinen-Rückkühlung mittels geschlossenem Verdunstungs- oder Hybridrückkühlern mit einem Kühlgrenzabstand von 5 – 6 Kelvin. Bei Trockenkühlern liegt die Kühlwassertemperatur wegen dem größeren Kühlgrenzabstand höher.
Für die Effizienz der Absorptionskältemaschine gilt, je höher die Kaltwassertemperatur ist, desto besser ist auch das Wärmeverhältnis. Der Zuschlagsfaktor für die Rückkühlleistung bedeutet, bezogen z. B auf die erste Spalte, dass pro 1 Kilowatt erzeugte Kälteleistung sind 2,6 kW Rückkühlleistung abzuführen. Die Rückkühlleistung ist letztlich das Produkt aus der Verdampfer- und Verdichterleistung, siehe log(p)-h-Diagramm.
EER = Energy Efficiency Ratio = Energie-Effizienz-Verhältnis
Q0 = Verdampferleistung
QH = Verflüssigerleistung
Die Auslegung basiert bisher auf alten meteorologischen Daten
Aus der Grundformel ist ersichtlich, dass je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampfungsprozess und dem Verflüssigungsprozess ist, siehe Abb. 1 linksläufiger Kreisprozess im log p-h-Diagramm, erhöht sich die Effizienz des Kälteprozesses [EER- Zahl] und je geringer ist der elektrische Energieaufwand.
Die nachfolgende Tabelle und Grafik zeigt für Kaltwasser- Kompressionskältemaschinen folgende Ergebnisse:
Die Ermittlung der Kühlwassertemperaturen basiert auf der Kältemaschinen-Rückkühlung mittels geschlossenem Verdunstungs- oder Hybridrückkühlern mit einem Kühlgrenzabstand von 5 – 6 Kelvin. Bei Trockenkühlern liegt die Kühlwassertemperatur wegen dem größeren Kühlgrenzabstand natürlich höher.
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass je höher die Kaltwassertemperatur ist, desto höher auch die Effizienz im Carnotprozess und desto geringer ist die Kältemaschinen-Rückkühlungsleistung und damit auch die geometrische Aufstellfläche im Außenbereich. Wieder bezogen z. B. auf die erste Spalte bedeutet das, pro 1 Kilowatt eingesetzte elektrische Energie, werden 3 Kilowatt Kälteleistung erzeugt und es sind 4 Kilowatt Rückkühlleistung abzuführen. Erhöht man die Kaltwassertemperatur, erhöht sich die Effizienz für die Kälteerzeugung (EER-Zahl) und reduziert gleichzeitig die abzuführende Rückkühlleistung.
RLT- Luftkühlerdimensionierung
Bis heute werden im Rhein-Main-Neckar-Raum fast alle RLT-Luftkühler bei Umgebungsbedingungen von 32°C / 40% r. F. bei 12 g/kg Wassergehalt dimensioniert.Für die Dimensionierung der Luftkühler in RLT-Anlagen wird für ganz Deutschland mit Ausnahme der Küstengegend der Auslegungszustand (Außentemperatur = 32 Grad C, relative Feuchte = 40 %) verwendet. Eine Recherche hat ergeben, dass dieser Auslegungszustand auf den meteorologischen Daten des Zeitraums 1881 bis 1930 basieren. Betrachtet man die VDI 2078 mit ihren nach Kühllastzonen differenziert angegebenen Maximal-Auslegungstemperaturen, so ist es nicht angebracht, einen für ganz Deutschland gültigen Auslegungszustand zu bestimmen. Es müssen für die RLT- Luftkühlerdimensionierung die aktuellen sommerlichen Auslegungswerte gemäß den Klimazonen nach DIN 4710 verwendet werden.
Der Rhein-Main-Neckar-Raum liegt gemäß DIN 4710 und VDI 2078 in der Klimazone 4. Seit dem Jahr 1996 ist bereits eine Lufttemperatur im Sommer von 33°C / 37,5% r. F. bei 12 g/kg Wassergehalt für die Dimensionierung anzusetzen gewesen. Und seit dem Jahr 2015 ist die Lufttemperatur im Sommer auf 34,5°C / 34,5% r. F. bei 12 g/kg Wassergehalt gemäß der Klimaerwärmung erhöht worden.
Warum bis heute über 95% aller RLT- Luftkühler von den Komponentenherstellern, Planern und Anlagenbauern um bis zu 7% zu klein dimensioniert werden, ist nicht nachvollziehbar.
Jetzt wollen wir uns jedoch dem grundsätzlichen Zusammenhang zwischen der Kältemaschinen-Kaltwassertemperatur und Entfeuchtungsleistung am RLT- Luftkühler genauer anschauen.
Die Entfeuchtungsleistung errechnet sich aus:Δx = (xE – xA)
xE = Eintritt der Luft am Luftkühler
xA = Austritt der Luft am Taupunkt
Die nachfolgende Tabelle zeigt die theoretische Entfeuchtungsleistung von RLT- Luftkühlern in Korrelation zur Kaltwassertemperatur aus der Kälteerzeugung:
Bezogen z. B auf die erste Spalte ergibt sich bei einer Kaltwasser- VL/RL- Temperatur von 6° / 12° C eine theoretische Entfeuchtungsleistung von 4,8 g/kg pro 1 m3 Außenluft. Erhöht man die Kaltwassertemperatur sinkt Gleichzeitig die Entfeuchtungsleistung am RLT- Luftkühler.
Je höher die Kaltwassertemperatur, desto besser ist auch das Wärmeverhältnis.
Aus den Ergebnissen ist erkennbar, dass die Festlegung für die Kaltwassertemperatur maßgeblich von der notwendigen RLT- Entfeuchtungsleistung – entweder aus Komfort- oder Produktionsvorgaben – bestimmt wird. Je weniger Anspruchsvoll diese Vorgaben sind, desto höher kann die Kaltwassertemperatur gewählt werden. Für den Absorptions- und den Kompressions-Kälteprozess gilt, erhöht man die Kaltwassertemperatur, erhöht sich auch die Effizienz für den Carnot- Kälteprozess, reduziert sich gleichzeitig die abzuführende Kältemaschinen-Rückkühlleistung und parallel dazu auch die mögliche Entfeuchtungsleistung am Luftkühler. Die geometrische Aufstellfläche für die Kältemaschinen-Rückkühlung im Außenbereich verkleinert sich ebenfalls.
Bild: TGA Sachverständige
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Literatur:
DIN 4710 „Meteorologische Daten für die Berechnung von heiz- u. raumlufttechnischen Anlagen in Deutschland“
DIN EN 14825 „Prüfung und Leistungsmessung unter Teillastbedingungen“
VDI 2047 „Kühltürme – Begriffe und Definitionen“
VDI 2078 „Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume“
Recknagel-Sprenger-Schramek „Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik“
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