Sorptionskühlung mit Absorptionskältemaschinen: Technologien für energieeffiziente Feuchte- und Temperaturregelung

Autor: Technische Abteilung Mycond

Die Sorptionskühlung ist eine innovative Klimatisierungstechnologie, die sich grundlegend von traditionellen Kompressionssystemen unterscheidet. Anstatt Feuchte und Temperatur gleichzeitig zu reduzieren, indem unter den Taupunkt gekühlt wird, trennen Sorptionssysteme die Behandlung von fühlbarer (temperaturbedingter) und latenter (feuchtebedingter) Last. Dadurch lässt sich die Energieeffizienz deutlich steigern.

Der traditionelle Ansatz der Klimatisierung erfordert das Abkühlen der Luft unter den Taupunkt, um Feuchte zu kondensieren, gefolgt von einem Nachheizen (reheat). Das führt zu erheblichen Energieverlusten. Diese lassen sich aus der Wärmebilanz ermitteln und hängen von den Anfangsparametern der Luft, der Entfeuchtungstiefe und der Effizienz der Wärmeübertrager ab. Sorptionssysteme entfernen dagegen zunächst die Feuchte durch Adsorption und kühlen anschließend die trockene Luft auf eine behagliche Temperatur, was den Energieeinsatz optimiert.

Historischer Kontext und physikalische Grundlagen

Die aktive Entwicklung von Sorptionskühlsystemen begann in den 1980er-Jahren, als der Bedarf an energieeffizienten Klimatisierungslösungen stieg. Die Technologie entwickelte sich von einfachen stationären Adsorbentien zu modernen, kompakten rotierenden Rädern, die eine kontinuierliche Regeneration des Desiccants ermöglichen.

Der Kern der Technologie ist die Adsorption – die physikalische Bindung von Wassermolekülen an der Oberfläche eines festen Sorbens. Dieser Prozess wird durch den Unterschied der Partialdrücke des Wasserdampfs zwischen der feuchten Luft und der Oberfläche des Desiccants angetrieben. Die Effizienz der Adsorption hängt von der spezifischen Oberfläche des Materials ab, die bei modernen Desiccants 500–800 m²/g erreichen kann. Dieser Wert wird vom Materialtyp, dem Herstellungsverfahren und der Porengröße bestimmt.

Die Regeneration des Desiccants erfolgt durch Erwärmung auf eine materialspezifische Temperatur. Für Silikagel liegt diese typischerweise bei 80–120°C, für Molekularsiebe bei 180–220°C, und für neue Verbund-Desiccants kann sie 50–80°C betragen. Wichtig ist, dass bei der Feuchteaufnahme Sorptionswärme frei wird, die aus der latenten Kondensationswärme (ca. 2500 kJ/kg Wasser) sowie zusätzlicher chemischer Bindungswärme besteht, deren Größe vom Desiccant-Typ abhängt.

Systemkomponenten

Das Herzstück eines Sorptionskühlsystems ist das drehende Sorptionsrad (Entfeuchtungsrotor). Es handelt sich um einen Rotor, der mit einem adsorbierenden Material mit einer spezifischen Oberfläche von 400–800 m²/g gefüllt ist. Das Rad ist in zwei Sektoren unterteilt: den Prozesssektor (typisch 75% der Fläche), in dem die Luft entfeuchtet wird, und den Regenerationssektor (25%), in dem das Desiccant regeneriert wird. Der Durchmesser des Rads bestimmt die erforderliche Luftleistung, und die Drehzahl (3–20 Umdrehungen pro Stunde) beeinflusst die Entfeuchtungstiefe.

Das Regenerationssystem umfasst einen Regenerationsluft-Erhitzer, der für typische Desiccants Temperaturen von 80–120°C bereitstellt. Der Regenerationsluftstrom beträgt 30–40% des Prozessluftstroms, und der Energiebedarf für die Regeneration liegt bei 3000–4500 kJ/kg entfernte Feuchte.

Zur Steigerung der Energieeffizienz wird ein Enthalpierad als Wärmeübertrager eingesetzt, das eine Energierückgewinnung zwischen den Luftströmen mit einer Effizienz von 65–75% ermöglicht. Dadurch sinkt der Energiebedarf zur Luftkühlung nach dem Sorptionsrad.

Ein wichtiges Element eines effizienten Systems ist das Modul der indirekten Verdunstungskühlung. Dessen Effizienz liegt je nach Außenluftfeuchte, Wärmetauscherkonstruktion und weiteren Faktoren bei 60–85%. Diese Komponente ermöglicht eine Luftkühlung ohne Feuchtezugabe, was nach der Entfeuchtung besonders wichtig ist.

Integration mit Absorptionskältemaschinen

Eine Absorptionskältemaschine ist eine thermische Kältemaschine, die Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid (LiBr) als Absorbens nutzt. Der Arbeitszyklus umfasst vier Hauptkomponenten:

• Verdampfer, in dem Wasser bei niedrigem Druck (0,6–1,2 kPa) und bei 3–7°C verdampft
• Absorber, in dem Wasserdampf vom konzentrierten LiBr-Lösungsgemisch aufgenommen wird, wobei Wärme frei wird
• Generator, in dem die Lösung für einstufige Maschinen auf 80–95°C und für zweistufige auf 130–160°C erhitzt wird
• Kondensator, in dem der Kältemitteldampf unter Wärmeabgabe kondensiert

Die Leistungszahl (COP) von Absorptionskältemaschinen beträgt 0,65–0,75 bei einstufigen und 1,1–1,3 bei zweistufigen Maschinen, während Dampfkompressionssysteme COP von 2,8–5,5 erreichen. Der entscheidende Vorteil von Absorptionskältemaschinen ist jedoch die Nutzung günstiger Wärmeenergie anstelle teurer elektrischer Energie.

Wärmequellen für solche Systeme sind:

• Abwärme aus industriellen Prozessen und aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (Temperaturen 70–120°C)
• Solarthermie über Kollektoren (Temperaturen 70–150°C abhängig vom Typ)
• Erdgas über Brenner mit einem Wirkungsgrad von 85–95%
• Elektrische Heizer (die teuerste Quelle, selten genutzt)

Es gibt drei grundlegende Integrationsschemata der Sorptionsentfeuchtung mit Absorptionskältemaschinen:

1. Serienschaltung

Die Luft durchläuft zunächst das Sorptionsrad, wo Feuchte entfernt und die Temperatur infolge der Sorptionswärme erhöht wird. Anschließend wird sie mit der Absorptionskältemaschine auf Behaglichkeitstemperatur gekühlt. Vorteil: vollständig unabhängige Kontrolle von Temperatur und Feuchte.

2. Parallelschaltung

Das Desiccant behandelt ausschließlich die frische Außenluft und reduziert die latente Last, während die Absorptionskältemaschine mit Umluft arbeitet. Das reduziert die Gesamtlast der Kältemaschine und senkt die Investitionskosten.

3. Kogeneratives Schema

Eine einzige Wärmequelle (z. B. ein Gasheizkessel) versorgt sowohl die Regeneration des Desiccants als auch den Generator der Absorptionskältemaschine. Das maximiert die Nutzung der Primärenergie des Brennstoffs und steigert den Gesamtwirkungsgrad des Systems auf 70–85%.

Die Kombination von Sorptionssystemen mit Absorptionskältemaschinen erzeugt wichtige Synergieeffekte:

• Lastverlagerung von der elektrischen Spitzenlast auf Wärme, was die Leistungsentgelte reduziert
• Erhöhung des COP der Absorptionskältemaschine durch Anhebung der Kaltwassertemperatur (pro 5–7°C Erhöhung der Verdampfertemperatur verbessert sich der COP um 0,05–0,1)
• Möglichkeit, niederwertige Abwärme zur Regeneration von niedrigtemperaturen Desiccants zu nutzen

Energieeffizienz und Leistungskennzahlen

Die Leistungszahl (COP) von Sorptionskühlsystemen wird als Verhältnis der nutzbaren Kälteleistung zur Summe aller Energieaufwendungen definiert. Je nach Konfiguration liegt der COP solcher Systeme bei 0,8–1,5, was geringer ist als bei Dampfkompressionssystemen (2,8–5,5), aber bei Nutzung günstiger Wärmeenergie wirtschaftlich gerechtfertigt ist.

Für eine vollständige Bewertung werden thermal COP (nur Wärmeanteil des Energieverbrauchs) und electrical COP (elektrischer Anteil) herangezogen. Das erlaubt einen objektiven Vergleich verschiedener Klimatisierungssysteme.

Im Vergleich zu traditionellen Kühl-Entfeuchtungssystemen sind Sorptionssysteme unter folgenden Bedingungen im Vorteil:

• Hoher Anteil latenter Last (SHR < 0,7)
• Erforderlicher niedriger Taupunkt (< 10°C)
• Verfügbarkeit günstiger Wärmeenergie

Zur Steigerung der Energieeffizienz wird eine zweistufige Regeneration eingesetzt: Die erste Stufe arbeitet mit einer niedrigtemperierten Wärmequelle (50–70°C), die zweite mit einer höher temperierten (80–120°C). Je nach Stufenaufteilung und Prozessparametern lassen sich so 25–40% Hochtemperaturenergie einsparen.

Ein weiteres Optimierungsverfahren ist die Energiespeicherung in flüssigen Speichersystemen, wodurch die Regeneration in Tarif-Niedriglastzeiten erfolgen kann. Der wirtschaftliche Effekt hängt von der Tarifstruktur, dem Speichervolumen und den Investitionskosten der Ausrüstung ab.

Typische Anwendungen und Planungsansätze

Sorptionssysteme mit Absorptionskältemaschinen werden in verschiedenen Objekten effektiv eingesetzt:

• Supermärkte – offene Kühlmöbel erzeugen hohe latente Lasten; die Wärme der Kondensatoren der Kälteanlagen kann zur Regeneration genutzt werden
• Hotels – hohe Komfortanforderungen und beträchtliche Außenluftanteile, die die Hauptlast an latenter Feuchte einbringen
• Schwimmbäder – Verdunstung erzeugt eine latente Last, die die fühlbare übersteigt (SHR = 0,3–0,5)
• Systeme mit Strahlungskühlung – erfordern einen niedrigen Taupunkt zur Kondensationsvermeidung

Bei der Planung solcher Systeme ist die korrekte Auslegung der Luftströme entscheidend. Der Prozessluftstrom ergibt sich aus der Feuchtebilanz als Verhältnis der Feuchtefreisetzung zur Differenz des Feuchtegehalts. Der Regenerationsluftstrom beträgt typischerweise 30–40% des Prozessluftstroms und hängt von der Regenerationstemperatur sowie den Außenluftparametern ab.

Die Regenerationstemperatur wird in Abhängigkeit vom Desiccant-Typ und dem Ziel-Taupunkt gewählt: Für Silikagel ermöglichen 80–120°C Taupunkte von 5–15°C, für Molekularsiebe führen 180–220°C zu Taupunkten bis −40°C.

Für die Energierückgewinnung sind optimal:

• Rotationswärmeübertrager – Effizienz 65–75%, kompakt, jedoch geringes Feuchteübertragen
• Plattenwärmeübertrager – Effizienz 55–65%, kein Feuchtetransfer
• Wärmepumpe – COP 3,5–4,5, ermöglicht präzise Temperaturregelung

Besondere Aufmerksamkeit gilt der Minimierung von Luftleckagen zwischen den Zonen: Bereits 5–7% Leckage können die Systemleistung um 15–20% verringern. Zur Leckagekontrolle wird ein Differenzdruck eingesetzt – die Prozesszone wird gegenüber der Regenerationszone im Überdruck gehalten.

Häufig gestellte Fragen

Worin unterscheidet sich die Sorptionskühlung grundsätzlich von der traditionellen Klimatisierung und wann ist sie sinnvoll?

Die traditionelle Klimatisierung nutzt einen einzigen Prozess zur gleichzeitigen Reduktion von Temperatur und Feuchte – Abkühlung der Luft unter den Taupunkt mit anschließendem Nachheizen (reheat). Das erfordert erhebliche Energiemengen, die sich aus der Wärmebilanz berechnen und 20–40% des Gesamtenergieverbrauchs der Anlage ausmachen können. Die Sorptionskühlung trennt hingegen Feuchte- und Temperaturbehandlung: Zuerst wird Feuchte durch Adsorption entfernt, danach wird die trockene Luft gekühlt.

Sorptionskühlung ist unter drei Bedingungen sinnvoll:

• Hoher Anteil latenter Last (Kennzahl SHR < 0,7)
• Niedriger Ziel-Taupunkt (unter 10°C)
• Verfügbarkeit günstiger Wärmeenergie

Zur Beurteilung der Eignung für ein konkretes Projekt wird eine vergleichende technisch-wirtschaftliche Analyse durchgeführt, die Laststruktur, Energietarife und den Betriebsmodus der Anlage berücksichtigt.

Wie arbeitet eine Absorptionskältemaschine und warum ergänzt sie das Desiccant so gut?

Die Absorptionskältemaschine ist eine thermochemische Kältemaschine, die das Paar Wasser–LiBr als Arbeitsmedium nutzt. Der Zyklus umfasst vier Hauptprozesse:

1. Im Verdampfer verdampft Wasser bei niedrigem Druck (0,6–1,2 kPa) und entzieht dem zu kühlenden Wasser Wärme
2. Im Absorber wird der Wasserdampf von einer konzentrierten LiBr-Lösung aufgenommen, wobei Absorptionswärme frei wird
3. Im Generator wird die verdünnte Lösung erhitzt und Wasserdampf freigesetzt
4. Im Kondensator kondensiert der Dampf und gibt Wärme an das Kühlwasser ab

Der COP von Absorptionskältemaschinen (0,65–0,75 bei einstufigen, 1,1–1,3 bei zweistufigen) ist geringer als bei Dampfkompressionssystemen, jedoch nutzen sie günstige Wärmeenergie.

Die Synergie mit dem Desiccant zeigt sich in drei Aspekten:

1. Beide Systeme nutzen Wärmeenergie und verlagern dadurch Lasten vom Stromnetz
2. Vortrocknung erlaubt, die Kaltwassertemperatur von 7°C auf 12–15°C anzuheben, was den COP der Absorptionskältemaschine pro 5°C Anhebung um 0,05–0,1 verbessert
3. Eine gemeinsame Wärmequelle kann beide Systeme versorgen und die Energienutzung maximieren

Welche Wärmequellen können genutzt werden und wie wirkt sich das auf die Wirtschaftlichkeit aus?

Wärmequellen für Sorptionssysteme und Absorptionskältemaschinen in aufsteigender Kostenreihenfolge:

1. Abwärme – am günstigsten; die Kosten hängen von den Investitionen für die Rückgewinnung (Wärmeübertrager, Rohrleitungen) ab; umfasst Wärme aus industriellen Prozessen, KWK-Anlagen und Kondensatoren von Kälteanlagen
2. Solarthermie – Kosten nach Amortisation hängen von Investitionen (1000–1500 €/kW) und der jährlichen Einstrahlung des Standorts ab; Flachkollektoren liefern 70–90°C, Vakuumröhren 90–150°C
3. Erdgas – Tarife variieren je Region (0,3–0,7 €/m³); moderne Brenner erreichen Wirkungsgrade von 85–95%
4. Elektrische Heizer – teuerste Quelle; Wirkungsgrad nahezu 100%, aber hohe Stromkosten (0,12–0,35 €/kWh)

Die Nutzung von Abwärme kann die Betriebskosten gegenüber Gas um 60–80% senken und macht Sorptionssysteme mit Absorptionskältemaschinen trotz höherer Investitionen wirtschaftlich attraktiv.

Welche typischen Fehler treten bei der Planung von Sorptionskühlsystemen auf?

Hauptfehler von Planern:

1. Unterschätzen der Restwärme – die Feuchteabfuhr setzt Sorptionswärme frei (2500–3000 kJ/kg Wasser), die zusätzliche Kälteleistung erfordert. Lösung: Gesamtlast unter Berücksichtigung der Sorptionswärme berechnen.
2. Falsche Wahl des Strömungsverhältnisses – das optimale Verhältnis von Regenerations- zu Prozessluft hängt von Regenerationstemperatur, Außenluftparametern und Ziel-Taupunkt ab. Lösung: Berechnungen mit Adsorptionsisothermen für die konkreten Bedingungen durchführen.
3. Ignorieren von Luftleckagen – selbst kleine Leckagen (5–7%) reduzieren die Leistung deutlich. Lösung: hochwertige Dichtungen, Dichtigkeitsprüfung, Halten eines Überdrucks in der Prozesszone.
4. Unzureichende Luftfiltration – Verschmutzung senkt die Adsorptionskapazität des Desiccants. Lösung: Filter mindestens der Klasse F7/M5 installieren und die Luftqualität regelmäßig kontrollieren.
5. Nichtbeachtung saisonaler Schwankungen der Verdunstungskühlung – die Effizienz hängt von der Differenz zwischen Trocken- und Feuchtkugeltemperatur ab. Lösung: Auslegung für ungünstige Bedingungen oder Einsatz eines Hybridschemas mit Absorptionskältemaschine.

Fazit

Die Sorptionskühlung mit Absorptionskältemaschinen ist eine fortschrittliche Technologie, die die Behandlung von fühlbaren und latenten Lasten trennt und Wärmeenergie anstelle elektrischer Energie nutzt. Sie ermöglicht die unabhängige Regelung von Temperatur und Feuchte und bietet hohen Komfort bei reduziertem Energieverbrauch.

Praktische Empfehlungen für Ingenieure:

1. Wählen Sie das Integrationsschema entsprechend der Laststruktur: seriell bei hoher latenter Last, parallel bei großem Außenluftanteil, kogenerativ bei komplexen Energieanforderungen.
2. Nutzen Sie Abwärme oder erneuerbare Wärmequellen maximal – das ist der Hauptfaktor für die Wirtschaftlichkeit solcher Systeme.
3. Berücksichtigen Sie die Restwärme der Adsorption bei der Berechnung der erforderlichen Kälteleistung.

Sorptionssysteme mit Absorptionskältemaschinen sind optimal unter folgenden Bedingungen:

• Latente Last übersteigt 30–40% der Gesamtlaste
• Erforderlicher Taupunkt unter 10°C
• Günstige Wärmequelle verfügbar

Zugleich ist zu beachten, dass Sorptionskühlung bei niedriger latenter Last, fehlendem Zugang zu Wärmeenergie, sehr trockenem Klima oder kleinen Objekten mit kurzen Kühlperioden weniger effizient sein kann. In solchen Fällen können traditionelle Dampfkompressionssysteme die bessere Lösung sein.

Die Integration von Sorptionskühlung mit Absorptionskältemaschinen ist gerechtfertigt, wenn gleichzeitig tiefe Entfeuchtung und Kühlung erforderlich sind und eine geeignete Wärmequelle verfügbar ist. Bei korrekter Auslegung und Betrieb bieten solche Systeme erhebliche Energieeinsparungen und niedrigere Betriebskosten.