Autor: Technische Abteilung Mycond
Bei der Planung von Lüftungs- und Klimasystemen mit Adsorptionsentfeuchtern ist es entscheidend, die infolge des Adsorptionsprozesses entstehende Wärmelast korrekt zu berechnen. Die Vernachlässigung dieses Aspekts führt zu Überhitzung der Räume, unzureichender Leistung des Kühlsystems und erhöhtem Energieverbrauch. In diesem Artikel betrachten wir die physikalischen Grundlagen und die Berechnungsmethodik der Wärmelast von Adsorptionsluftentfeuchtern im Detail.
Warum es wichtig ist, die Wärmelast eines Adsorptionsentfeuchters zu berechnen
Adsorptive (Adsorptions-) und Kondensationsentfeuchter entfernen Feuchtigkeit nach grundsätzlich unterschiedlichen Mechanismen. Kondensationssysteme entfeuchten Luft, indem sie sie unter den Taupunkt abkühlen, was zur Kondensation der Feuchtigkeit führt. Adsorptionsentfeuchter hingegen nutzen Adsorbentien, um Wassermoleküle aus der Luft ohne deren Abkühlung aufzunehmen – im Gegenteil, die Temperatur steigt an.
Ein typischer Fehler von Planern besteht darin, Erfahrungen aus Kondensationssystemen auf Adsorptionssysteme zu übertragen. In Kondensationssystemen sind die Temperaturänderungen der Luft gering, während bei Adsorptionsentfeuchtern der Temperaturanstieg deutlich höher ist. Dieser Anstieg hängt von der Menge der entfernten Feuchtigkeit, vom Adsorbens-Typ und von den Regenerationsparametern des Adsorbens ab. Gemäß den Anforderungen der Normen EN 13053 und ISO 16818 müssen diese Parameter bei der Planung energieeffizienter Lüftungs- und Klimasysteme berücksichtigt werden.
Folgen der Nichtberücksichtigung der Wärmelast:
- Überhitzung des Raums
- Unzureichende Leistung der Klimaanlage
- Erhöhte Kühlenergiekosten
- Verletzung technologischer Bedingungen in Produktionsprozessen
Physikalische Grundlage: Umwandlung latenter Wärme in sensible Wärme
Zum Verständnis der thermischen Prozesse in Adsorptionsentfeuchtern müssen zwei Arten von Wärmeenergie unterschieden werden:
- Latente Wärme – Energie, die im Wasserdampf verborgen ist und die Lufttemperatur nicht verändert, aber beim Verdampfen von Wasser verbraucht und bei dessen Kondensation freigesetzt wird.
- Sensible Wärme (fühlbare Wärme) – Energie, die die Temperatur der Luft direkt erhöht, ohne ihren Feuchtegehalt zu verändern.
Im Adsorptionsprozess haften Wassermoleküle an der porösen Struktur des Adsorbens (Silicagel, Zeolithe, Molekularsiebe). Dabei wird Adsorptionswärme frei, die die „verborgene“ Energie des Wasserdampfs (latente Wärme) in „fühlbare“ Energie der Lufterwärmung (sensible Wärme) umwandelt.
Der Mechanismus dieser Umwandlung besteht in der Freisetzung intermolekularer Bindungsenergie, wenn Wassermoleküle vom gasförmigen Zustand in den an der Oberfläche des Adsorbens gebundenen Zustand übergehen. Die Größe der Adsorptionswärme auf Silicagel beträgt 2400–2600 kJ/kg, was der Wärme der Wasserkondensation (ca. 2500 kJ/kg) nahekommt. Dies erklärt sich durch die Ähnlichkeit der ablaufenden physikalischen Prozesse – der Veränderung des Bindungszustands der Wassermoleküle.
Im psychrometrischen Mollier-Diagramm wird der Adsorptionsentfeuchtungsprozess als Linie nach rechts unten dargestellt, was eine gleichzeitige Verringerung des Feuchtegehalts und Erhöhung der Temperatur zeigt. Zum Vergleich: Die Kondensationsentfeuchtung erscheint als Linie nach links unten, da sowohl der Feuchtegehalt als auch die Temperatur abnehmen.
Quellen der Wärmelast im Adsorptionsentfeuchter
In Adsorptionsentfeuchtern gibt es vier Hauptquellen der Wärmelast:
1. Adsorptionswärme
Die Hauptquelle ist die Adsorptionswärme, die direkt in den Prozessluftstrom beim Aufnehmen von Wasserdampf durch das Adsorbens freigesetzt wird. Der Anteil dieser Wärme an der Gesamtlast hängt von der Geräteausführung, dem Flächenverhältnis der Sektoren Adsorption und Regeneration sowie von der Qualität der thermischen Isolation zwischen ihnen ab.
2. Wärmeübertragung vom Regenerationssektor
In rotierenden Adsorptionsentfeuchtern durchläuft das Adsorbens zyklisch den Regenerationssektor, wo es zur Wiederherstellung der Adsorptionsfähigkeit erhitzt wird. Die Regenerationstemperatur hängt vom Typ des Adsorbens ab: Für Silicagel ist sie niedriger (80–120 °C) aufgrund der geringeren Desorptionsenergie, für Molekularsiebe höher (120–180 °C) wegen stärkerer Bindungen in der kristallinen Struktur. Ein Teil dieser Wärme wird über das Rotormaterial an die Prozessluft übertragen, selbst bei vorhandenen Spülzonen.
3. Mechanische Wärme
Ein Teil der elektrischen Energie, die für die Rotation des Rotors und den Betrieb der Ventilatoren aufgewendet wird, wandelt sich in Wärme um, die ebenfalls in den Prozessstrom gelangt.
4. Verluste über das Gehäuse
Bei unzureichender Wärmedämmung des Entfeuchtergehäuses kann Wärme aus dem Regenerationsbereich über die Gehäusewände in die Prozessluft übertragen werden.
Obwohl die Adsorptionswärme die Hauptquelle darstellt, wird die gesamte Wärmelast durch die Summe aller Faktoren bestimmt, was den Anforderungen der Norm ASHRAE 62.1 zur ganzheitlichen Bewertung der Energiebilanz von Lüftungssystemen entspricht.
Berechnungsmethodik über die Massenbilanz der Feuchte
Für eine erste Abschätzung der Wärmelast eines Adsorptionsentfeuchters kann eine Methodik auf Basis der Massenbilanz der Feuchte verwendet werden. Betrachten wir das Vorgehen Schritt für Schritt:
Schritt 1: Bestimmung der Luftparameter
Wir bestimmen die Luftparameter am Ein- und Austritt des Entfeuchters: Temperatur, Feuchtegehalt, relative Feuchte. Hierfür werden das psychrometrische Diagramm oder Berechnungstabellen gemäß der Norm ISO 7726 verwendet.
Schritt 2: Berechnung des Massenstroms trockener Luft
Ist der Volumenstrom der Luft vorgegeben, wird er unter Berücksichtigung der Dichte, die von Temperatur und Druck abhängt, in den Massenstrom trockener Luft umgerechnet. Unter Standardbedingungen (Temperatur 20 °C, Druck 101,325 kPa) beträgt die Luftdichte etwa 1,2 kg/m³; dieser Wert ändert sich jedoch mit Temperatur und Druck gemäß den thermodynamischen Gleichungen.
Schritt 3: Bestimmung der entfernten Feuchtigkeitsmenge
Die Masse der entfernten Feuchtigkeit ergibt sich als Produkt aus dem Massenstrom trockener Luft und der Differenz des Feuchtegehalts am Ein- und Austritt des Entfeuchters.
Schritt 4: Berechnung der Adsorptionswärme
Die Adsorptionswärme wird ermittelt, indem die Masse der entfernten Feuchtigkeit mit der spezifischen Adsorptionswärme multipliziert wird, die vom Typ des Adsorbens abhängt. Für Silicagel beträgt sie 2400–2600 kJ/kg aufgrund der spezifischen intermolekularen Bindungen an dessen Oberfläche, für Molekularsiebe 2600–2800 kJ/kg aufgrund stärkerer Bindungen in ihrer kristallinen Struktur.
Schritt 5: Bestimmung des Temperaturanstiegs
Der Temperaturanstieg ergibt sich aus dem Verhältnis der Adsorptionswärme zum Produkt aus Massenstrom der Luft und spezifischer Wärmekapazität der Luft, die unter Normbedingungen für trockene Luft etwa 1,005 kJ/(kg·K) beträgt.
Schritt 6: Bestimmung der tatsächlichen Austrittstemperatur
Die tatsächliche Austrittstemperatur des Entfeuchters berücksichtigt alle Wärmequellen, einschließlich zusätzlicher Anteile aus der Regeneration, mechanischer Wärme und Wärmeverluste. Diese Anteile werden auf Basis der konstruktiven Besonderheiten des Geräts abgeschätzt oder vom Hersteller gemäß den Anforderungen der DIN EN 13779 bereitgestellt.
Wichtig ist, dass diese Methodik vereinfacht ist und für Vorabschätzungen gedacht ist. Eine genaue Berechnung erfordert detaillierte Herstellerdaten oder eine spezialisierte Wärmeübertragungsmodellierung.
Berechnungsmethodik über die Änderung der Luftenthalpie
Ein genauerer Ansatz zur Bestimmung der Wärmelast eines Adsorptionsentfeuchters nutzt die Analyse der Änderung der Luftenthalpie. Diese Methode berücksichtigt automatisch die Änderungen sowohl der Temperatur als auch des Feuchtegehalts der Luft in einer einzigen Kenngröße.
Die Enthalpie feuchter Luft ist die Summe aus der Enthalpie trockener Luft und der Enthalpie des darin enthaltenen Wasserdampfs. Die Enthalpieänderung im Entfeuchtungsprozess spiegelt den gesamten energetischen Effekt wider, der mit der Feuchteentfernung und der Temperaturerhöhung verbunden ist.
Die Enthalpie am Austritt des Entfeuchters umfasst die Anfangsenthalpie der Eintrittsluft zuzüglich der Adsorptionswärme der entfernten Feuchtigkeit. Die Wärmelast für das Kühlsystem ergibt sich als Produkt aus Massenstrom der Luft und der Differenz zwischen der Enthalpie nach dem Entfeuchter und der Zielenthalpie für die Raumluftzufuhr.
Beispiel: Für Luft mit Eintrittsparametern Temperatur 30 °C, relative Feuchte 60 %, und nach dem Entfeuchter: Temperatur 45 °C, relative Feuchte 15 %, bei einem Massenstrom von 1 kg/s, beträgt die Kühl-Wärmelast ungefähr 25 kW. Dieser Wert ergibt sich daraus, dass die Enthalpiedifferenz zwischen der Luft nach dem Entfeuchter (etwa 70 kJ/kg) und der Zielzufuhrluft (etwa 45 kJ/kg) 25 kJ/kg beträgt, was bei einem Massenstrom von 1 kg/s eine Last von 25 kW ergibt.
Es ist wichtig zu betonen, dass die angegebenen Zahlen illustrativ sind und in realen Projekten auf Basis der tatsächlichen Betriebsbedingungen, der Raumeigenschaften und der Gerätecharakteristika bestimmt werden müssen. Diese Werte sind nicht ohne Neuberechnung auf andere Objekte übertragbar.
Einfluss konstruktiver und betrieblicher Parameter
Die Wärmelast eines Adsorptionsentfeuchters hängt wesentlich von seinen konstruktiven und betrieblichen Parametern ab. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind:
1. Flächenverhältnis der Sektoren Adsorption und Regeneration
Die Vergrößerung der relativen Fläche des Regenerationssektors erhöht die Effizienz der Wiederherstellung des Adsorbens, steigert jedoch zugleich die Wärmeübertragung in den Prozessstrom. Das optimale Verhältnis wird für die konkreten Betriebsbedingungen bestimmt und hängt von den Anforderungen an die Entfeuchtungstiefe und die Energieeffizienz gemäß ISO 16818 ab.
2. Temperatur der Regenerationsluft
Eine höhere Temperatur beschleunigt die Desorption der Feuchtigkeit aus dem Adsorbens, erhöht jedoch die Wärmeübertragung in den Prozessstrom. Silicagel benötigt aufgrund der geringeren Desorptionsenergie niedrigere Regenerationstemperaturen, Molekularsiebe höhere aufgrund stärkerer Bindungen in der kristallinen Struktur, was den in EN 13053 beschriebenen Prinzipien entspricht.
3. Rotationsgeschwindigkeit des Rotors
Der Einfluss der Rotationsgeschwindigkeit auf die Wärmelast ist nichtlinear. Bei optimaler Geschwindigkeit wird ein Gleichgewicht zwischen Entfeuchtungseffizienz und Wärmelast erreicht. Eine Verringerung unterhalb der optimalen Geschwindigkeit senkt die Entfeuchtungsleistung, eine Erhöhung kann zu übermäßigem Wärmetransfer aus dem Regenerationssektor führen.
4. Sättigungsgrad des Adsorbens
Ein stärker mit Feuchtigkeit gesättigtes Adsorbens zeigt eine geringere Entfeuchtungseffizienz, erwärmt sich jedoch weniger, da der Prozess verlangsamt ist. Eine regelmäßige und effektive Regeneration ermöglicht es, das Adsorbens in einem optimalen Zustand zu halten.
5. Typ des Adsorbens
Verschiedene Adsorbentien weisen unterschiedliche Adsorptionswärmen auf: Für Silicagel 2400–2600 kJ/kg, für Molekularsiebe 2600–2800 kJ/kg aufgrund unterschiedlicher Energien intermolekularer Bindungen und Porenstrukturen, was den physikalischen Prinzipien gemäß ISO 12571 entspricht.
6. Vorhandensein von Kühlsektoren
Der Einsatz zusätzlicher Kühlsektoren in der Rotorkonstruktion ermöglicht es, die Wärmeübertragung vom Regenerationssektor in den Prozessstrom zu reduzieren. Die Wirksamkeit dieser Maßnahme hängt von der Rotorgeometrie und den Temperaturregimen ab.
Wichtig ist, dass all diese Parameter miteinander verknüpft sind und ihr Einfluss nicht durch einfache Koeffizienten ausgedrückt werden kann. Für eine genaue Bewertung sind Herstellerdaten oder spezialisiertes Modellieren unter Berücksichtigung der Anforderungen der DIN EN 13779 erforderlich.
Integration des Entfeuchters in das Lüftungs- und Klimasystem
Die Integration eines Adsorptionsentfeuchters in das Lüftungs- und Klimasystem beeinflusst die gesamte Energiebilanz des Systems wesentlich. Betrachten wir zwei Hauptvarianten der Positionierung:
Entfeuchter nach dem Kühler
Wenn der Entfeuchter nach dem Kühler angeordnet ist, dann ist die Luft durch Kondensation bereits teilweise entfeuchtet, was die Belastung des Adsorbens reduziert. Allerdings ist die Temperatur nach der Entfeuchtung höher als der Zielwert, sodass eine zusätzliche Kühlstufe erforderlich ist.
Vorteile:
- Reduzierte Belastung des Adsorbens
- Längere Lebensdauer des Adsorbens
- Geringere Regenerationskosten
Nachteile:
- Komplexeres Lüftungsschema
- Zusätzliche Ausrüstung (zweiter Kühler)
- Höhere Investitionskosten
Die Wärmelast ergibt sich in diesem Fall als Summe der Lasten beider Kühler: Der erste senkt die Temperatur und entfernt teilweise Feuchtigkeit, der zweite kompensiert die Erwärmung durch den Adsorptionsentfeuchter.
Entfeuchter vor dem Kühler
Wenn der Entfeuchter vor dem Kühler angeordnet ist, dann arbeitet der Entfeuchter mit warmer, feuchter Luft, und der gesamte Temperaturanstieg wird durch den nachfolgenden Kühler kompensiert. Die Kühlerleistung muss deutlich höher sein, um sowohl die anfängliche Wärmelast als auch die Adsorptionswärme auszugleichen.
Vorteile:
- Einfacheres Lüftungsschema
- Geringere Investitionskosten für die Ausrüstung
- Der gesamte Temperaturanstieg wird von einem Kühler kompensiert
Nachteile:
- Höhere Kühlleistung erforderlich
- Höhere Belastung des Adsorbens aufgrund höheren Feuchtegehalts
- Höhere Betriebskosten für die Regeneration
Die Wärmelast ergibt sich als Produkt aus Massenstrom der Luft und der Differenz zwischen der Enthalpie der Luft nach dem Entfeuchter und der Zielenthalpie der Zuluft in den Raum.
Die optimale Variante hängt von den Zielparametern des Raumklimas, den Anforderungen an die Energieeffizienz, dem Budget und dem verfügbaren Platz für die Ausrüstung ab. Die endgültige Entscheidung sollte auf einem technik-ökonomischen Vergleich der Varianten für das konkrete Projekt gemäß EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) und DIN V 18599 basieren.
Typische Ingenieurfehler und Fehlannahmen
Bei der Planung von Systemen mit Adsorptionsentfeuchtern begehen Ingenieure häufig Fehler, die zu einer falschen Bewertung der Wärmelast führen. Die wichtigsten sind:
1. Annahme eines isoenthalpen Prozesses
Fehler: Davon auszugehen, dass der adsorptive Entfeuchtungsprozess ohne Änderung der Luftenthalpie abläuft, wie bei einer Drosselung.
Folgen: Unterschätzung der Wärmelast um 70–90 %, wobei der genaue Prozentsatz von der Menge der entfernten Feuchtigkeit abhängt – je mehr Feuchtigkeit entfernt wird, desto größer die Unterschätzung.
Richtiger Ansatz: Berücksichtigen, dass die adsorptive Entfeuchtung aufgrund der Adsorptionswärme mit einer deutlichen Erhöhung der Enthalpie einhergeht, wie in Abschnitt 2 beschrieben.
2. Verwendung empirischer Formeln für Kondensationsentfeuchter
Fehler: Anwendung von Berechnungsmethoden für Adsorptionsentfeuchter, die für Kondensationssysteme entwickelt wurden.
Folgen: Unterschätzung des Temperaturanstiegs. Bei Kondensationsentfeuchtern beträgt der typische Anstieg 2–3 °C durch Wärmeverluste des Kompressors, während er bei Adsorptionsentfeuchtern aufgrund der Adsorptionswärme, die latente Wärme in sensible Wärme umwandelt, deutlich höher ist.
Richtiger Ansatz: Spezialisierte Methoden für Adsorptionssysteme verwenden, die die physikalischen Besonderheiten des Adsorptionsprozesses berücksichtigen, wie in den Abschnitten 4 und 5 beschrieben.
3. Ignorieren des Einflusses der Regenerationsluft
Fehler: Die Wärmeübertragung vom Regenerationssektor in den Prozessstrom nicht berücksichtigen.
Folgen: Zusätzliche Wärmelast von 10 % bis 30 %, abhängig von der Regenerationstemperatur und der Rotorkonstruktion. Bei höheren Regenerationstemperaturen und geringerer thermischer Isolation zwischen den Sektoren steigt dieser Anteil.
Richtiger Ansatz: Alle Quellen der Wärmelast berücksichtigen, einschließlich der Wärmeübertragung aus dem Regenerationssektor, wie in Abschnitt 3 beschrieben.
4. Falsche Bewertung der Parameter nach dem Entfeuchter
Fehler: Verwendung vereinfachter Modelle zur Bestimmung von Temperatur und Feuchte am Austritt des Entfeuchters.
Folgen: Fehlerhafte Auslegung der nachfolgenden Komponenten des Lüftungssystems, was zum Verfehlen der Zielparameter des Raumklimas führt.
Richtiger Ansatz: Herstellerdaten oder spezialisierte Simulationsprogramme nutzen, die die realen Eigenschaften des konkreten Geräts berücksichtigen.
5. Fehlende Kompensation in der Wärmebilanz
Fehler: Die Wärmelast des Entfeuchters bei der Berechnung der Gesamtbilanz der Klimaanlage nicht berücksichtigen.
Folgen: Unzureichende Kühlleistung, die je nach Anteil der Entfeuchtung an der Gesamtbilanz des Systems 20 % bis 50 % der Gesamtlaste betragen kann.
Richtiger Ansatz: Die Wärmelast des Entfeuchters in die Gesamtbilanz des Systems einbeziehen und die Kühlleistung entsprechend erhöhen, wie in Abschnitt 7 beschrieben.
6. Verwendung von Katalogdaten ohne Präzisierung der Prüfbedingungen
Fehler: Direkte Anwendung von Katalogdaten ohne Berücksichtigung der Unterschiede zwischen Prüfbedingungen und realen Betriebsbedingungen.
Folgen: Abweichung der realen Kennwerte von den geplanten, was zur Verletzung der Raumklimaparameter führt.
Richtiger Ansatz: Beim Hersteller die Prüfmethode klären und die Katalogdaten unter Berücksichtigung der konkreten Betriebsbedingungen gemäß den in EN 13053 beschriebenen Verfahren korrigieren.
Grenzen der Methodik und besondere Fälle
Die dargestellten Methoden zur Berechnung der Wärmelast von Adsorptionsentfeuchtern haben bestimmte Einschränkungen sowie besondere Fälle, die zusätzliche Präzisierungen erfordern:
1. Temperaturgrenzen
Bei niedrigen Temperaturen (unter 5 °C) verlangsamt sich die Diffusion der Wassermoleküle, was die Effizienz der Adsorption verringert. Ursache ist die abnehmende kinetische Energie der Moleküle, die das Eindringen in die poröse Struktur des Adsorbens erschwert.
Bei hohen Temperaturen (über 40 °C für Silicagel, über 60 °C für Molekularsiebe) nimmt die Adsorptionskapazität aufgrund thermodynamischer Gesetzmäßigkeiten ab: Erhöhte Temperaturen begünstigen die Desorption und wirken der Adsorption entgegen. Diese Schwellenwerte hängen vom konkreten Adsorbens ab und sind keine absoluten Grenzen.
2. Grenzfeuchten
Bei sehr niedrigen relativen Feuchten (unter 20 %) sinkt die Entfeuchtungseffizienz aufgrund des geringeren Gradienten des Wasserdampf-Partialdrucks zwischen der Luft und dem Adsorbens, der die treibende Kraft des Adsorptionsprozesses darstellt.
Bei extrem hohen Feuchten (über 90 %) kann es zur kapillaren Kondensation in den Poren des Adsorbens kommen, wodurch sich der Mechanismus der Feuchteaufnahme und damit die thermischen Effekte verändern.
3. Systeme mit teilweiser Regeneration
In Systemen, die keine vollständige Regeneration des Adsorbens sicherstellen (aufgrund unzureichender Temperatur, Zeit oder Regenerationsluftstrom), erfolgt eine schrittweise Anreicherung von Restfeuchte im Adsorbens. Dies verändert Adsorptionseigenschaften und thermische Effekte, die von Standardmethodiken nicht abgedeckt werden.
4. Systeme mit integrierter Kühlung
Einige moderne Adsorptionsentfeuchter verfügen über integrierte Kühlsektionen, die die Gesamtwärmebilanz verändern. Interne Wärmeflüsse in solchen Systemen sind mit Standardmethoden schwer zu analysieren und erfordern spezialisiertes Modellieren.
5. Flüssige Desiccant-Systeme
Die in diesem Artikel dargestellten Methodiken beziehen sich auf feste Adsorbentien. Für flüssige Desiccants (Lösungen von LiCl, CaCl₂, Glykolen) unterscheidet sich die Prozessphysik grundlegend: Anstelle von Adsorption findet Absorption mit anderen thermischen Effekten statt.
In all diesen Fällen sind eine spezialisierte Analyse, detailliertes Modellieren oder Rücksprache mit den Geräteherstellern erforderlich. Es wird empfohlen, die Anforderungen der DIN EN 13779 und ISO 16818 einzuhalten, die einen ganzheitlichen Ansatz zur Bewertung der Energiebilanz unter nicht standardmäßigen Bedingungen vorsehen.
FAQ (Häufig gestellte Fragen)
1. Um wie viele Grad steigt die Temperatur nach dem Entfeuchter an?
Der Temperaturanstieg hängt von der Menge der entfernten Feuchtigkeit, dem Adsorbens-Typ und dem Regenerationsmodus ab. Näherungsweise kann er mit folgender Formel bestimmt werden: Temperaturanstieg = (Menge der entfernten Feuchtigkeit × Adsorptionswärme) / (Massenstrom der Luft × Wärmekapazität der Luft). Unter typischen Bedingungen kann der Anstieg 5 °C bis 25 °C betragen, wobei die unteren Werte einer geringen Feuchtereduktion und die oberen einer tiefen Entfeuchtung entsprechen. Dieser Bereich gilt für Standardbetriebsbedingungen und kann in konkreten Fällen abweichen.
2. Kann man einfach die Leistung der Klimaanlage erhöhen?
Ja, die Erhöhung der Leistung der Klimaanlage ist eine notwendige Maßnahme zur Kompensation der Wärmelast durch den Adsorptionsentfeuchter. Allerdings führt dies sowohl zu höheren Investitionskosten (größerer Kälteerzeuger) als auch zu höheren Betriebskosten (mehr Stromverbrauch).
Alternative Ansätze umfassen den Einsatz von Wärmetauschern zur Vorkühlung der Luft vor dem Entfeuchter, Rotoren mit Kühlsektoren oder die Nutzung der Regenerationswärme für andere Zwecke (Warmwasserbereitung, Raumheizung in der kalten Jahreszeit).
3. Wie lässt sich die Wärmelast minimieren?
Zur Minimierung der Wärmelast können folgende Maßnahmen angewendet werden:
- Einsatz hocheffizienter Adsorbentien mit geringerer Adsorptionswärme
- Verwendung von Rotoren mit Kühlsektoren
- Optimierung der Rotordrehzahl
- Vorkühlung der Luft vor dem Entfeuchter
- Verbesserte Wärmedämmung zwischen den Sektoren Adsorption und Regeneration
- Optimierung der Regenerationstemperatur
Die Wirksamkeit jeder Maßnahme hängt von den konkreten Betriebsbedingungen und den Geräteeigenschaften ab.
4. Unterscheidet sich die Berechnung für Silicagel und Molekularsiebe?
Ja, die Berechnung unterscheidet sich aufgrund unterschiedlicher Werte der Adsorptionswärme. Für Silicagel beträgt die Adsorptionswärme 2400–2600 kJ/kg aufgrund der Besonderheiten der Oberflächenadsorption an amorphem Siliciumdioxid. Für Molekularsiebe ist dieser Wert höher – 2600–2800 kJ/kg – aufgrund der stärkeren Bindungen, die in der regelmäßigen kristallinen Struktur der Aluminosilikate entstehen. Diese Unterschiede müssen bei der Bestimmung der Wärmelast berücksichtigt werden.
5. Was ist besser – Entfeuchter vor oder nach dem Kühler?
Es gibt keine universell bessere Variante – die Wahl hängt von vielen Faktoren ab:
- Bei besonders hohen Anforderungen an die Entfeuchtungstiefe ist es oft effizienter, die Luft zunächst zu kühlen (einen Teil der Feuchtigkeit durch Kondensation zu entfernen) und anschließend adsorptiv zu entfeuchten
- Bei weniger strengen Anforderungen an die Entfeuchtung kann es wirtschaftlicher sein, die Luft zuerst adsorptiv zu entfeuchten und danach zu kühlen
Für jedes konkrete Projekt ist eine technik-ökonomische Analyse erforderlich.
6. Ist für jeden Betriebsmodus eine separate Berechnung erforderlich?
Ja, die Wärmelast eines Adsorptionsentfeuchters variiert wesentlich in Abhängigkeit vom Betriebsmodus (Eingangsparameter der Luft, Volumen-/Massenstrom, Entfeuchtungsgrad). Für eine verantwortungsvolle Planung sind Berechnungen für alle charakteristischen Betriebsmodi erforderlich: Nenn-, Maximal-, Minimal- und Übergangszustände.
7. Wie hoch ist die Genauigkeit der Berechnung?
Die vereinfachten Methoden in den Abschnitten 4 und 5 liefern eine Genauigkeit von 15–25 %, abhängig davon, wie vollständig alle Faktoren berücksichtigt werden. Diese Abweichung erklärt sich durch Vereinfachungen im Wärmeübertragungsmodell und die Nichtberücksichtigung einiger sekundärer Faktoren.
Für eine verantwortungsvolle Planung empfiehlt es sich, geprüfte Gerätedaten des Herstellers oder spezialisierte Simulationen zu verwenden und Leistungsreserven für die Kühlung zur Kompensation möglicher Abweichungen vorzusehen.
Schlussfolgerungen
Auf Basis der durchgeführten Analyse lassen sich folgende technische Schlussfolgerungen ziehen:
1. Fundamentale Eigenschaft von Adsorptionsentfeuchtern
Adsorptionsentfeuchter erhöhen die Lufttemperatur stets aufgrund der Adsorptionswärme. Dies ist eine fundamentale Eigenschaft, die auf den physikalischen Gesetzen der Umwandlung latenter in sensible Wärme beruht und nicht eliminiert werden kann.
2. Bedeutung der Wärmelast
Die Wärmelast eines Adsorptionsentfeuchters kann 20–50 % der Gesamtlaste der Klimaanlage ausmachen, wobei der konkrete Wert vom Verhältnis aus fühlbarer und latenter Wärme in der Gesamtbilanz des Raums abhängt. Die Nichtberücksichtigung dieser Last ist ein kritischer Fehler.
3. Berechnungsmethoden
Die Wärmelast kann auf zwei Hauptwegen berechnet werden: über die Massenbilanz der Feuchte (für Vorabschätzungen) und über die Enthalpieänderung (für die Detailplanung). Beide Methoden berücksichtigen sämtliche Wärmequellen, jedoch liefert der Enthalpieansatz eine höhere Genauigkeit (Abweichung bis 15 %) dank der ganzheitlichen Berücksichtigung der Energieflüsse.
4. Einfluss der Systemkonfiguration
Die Wahl der Konfiguration (Position des Entfeuchters relativ zum Kühler) beeinflusst die Lastverteilung wesentlich. Die optimale Lösung wird durch die Analyse des konkreten Projekts bestimmt – eine universelle Variante gibt es nicht.
5. Maßnahmen zur Lastminimierung
Zur Minimierung der Wärmelast können verschiedene technische Lösungen eingesetzt werden, von denen jede ihre eigenen Vorteile und Kosten hat. Die wirtschaftliche Zweckmäßigkeit jeder Maßnahme ist im Kontext des konkreten Projekts zu bewerten.
6. Abhängigkeit der Genauigkeit von der Datenqualität
Die Genauigkeit der Wärmelastberechnung hängt kritisch von der Qualität der Eingangsdaten ab. Für verantwortungsvolle Projekte sind geprüfte Daten oder Simulationen zu verwenden und technische Reserven vorzusehen.
7. Grenzen der Methodik
Die dargestellten Methodiken haben Einschränkungen unter extremen Betriebsbedingungen, für die eine spezialisierte Analyse unter Berücksichtigung der Besonderheiten des konkreten Geräts erforderlich ist.
Die korrekte Berücksichtigung der Wärmelast von Adsorptionsentfeuchtern ist ein obligatorisches Element einer hochwertigen Planung von Lüftungs- und Klimasystemen. Der Ingenieur muss die entsprechende Methodik beherrschen, die physikalischen Grundlagen der Prozesse verstehen, verlässliche Daten verwenden und die erzielten Ergebnisse kritisch bewerten, um einen effizienten und zuverlässigen Betrieb des Systems gemäß DIN EN 13779, ISO 16818 und ASHRAE 62.1 sicherzustellen.
