Bei offenen Verfahren steht das Kältemittel – Wasser – in direktem Kontakt mit der Atmosphäre. Im Unterschied zu geschlossenen Kältemaschinen stellen sie nicht nur Kälte bereit, sie konditionieren sowohl die Temperatur als auch die Feuchte.

Feste Sorbentien

Das am weitesten verbreitete Verfahren verwendet feste Sorbentien in Sorptionsrotoren (Abb. 2). Die Sektoren des Rotors durchlaufen mit einer langsamen Drehung abwechselnd die Zuluftseite, auf der die angesaugte Außenluft entfeuchtet wird und die Abluftseite, auf der das angelagerte Wasser unter Zufuhr von warmer Luft wieder desorbiert wird. Das Sorptionsrad koppelt Entfeuchtung und Regeneration unmittelbar aneinander. Deshalb muss auch gleichzeitig regeneriert werden, wenn entfeuchtete Luft zur Klimatisierung benötigt wird. Eine Speicherung ist nicht möglich. Ein prinzipbedingter Nachteil ist die mögliche Übertragung von Gerüchen aus der Fortluft in die Zuluft. Verunreinigungen können sich an den großen Oberflächen der Sorbentien anlagern und gelangen nach einer halben Drehung wieder in den Zuluftstrom, wo sie desorbiert und ins Gebäude zurückgelangen können.

– und flüssige Sorbentien

Verfahren mit flüssigen Sorptionsmitteln vermeiden diesen Nachteile, da Zuluft und Abluft voneinander getrennt sind. Sie arbeiten aber nach dem gleichen Prinzip: Außenluft wird sorptiv entfeuchtet und durch Verdunsten von Wasser gekühlt. Die zentrale Einheit ist der Absorber. Hier wird ein flüssiges Sorbens auf gekühlten Kontaktflächen verrieselt, an denen die Luft vorbeigeführt wird (Abb. 3). Das Sorbens – üblicherweise eine konzentrierte wässrige Lithiumchloridlösung – nimmt die Luftfeuchte auf, wodurch die Salzkonzentration sinkt. Ein indirekter Verdunstungskühler führt die freiwerdende Sorptionswärme an die Abluft ab, sodass die Zuluft gleichzeitig entfeuchtet und gekühlt wird.
Das jetzt verdünnte Sorbens wird in einem Tank gesammelt und anschließend wieder aufkonzentriert, indem es in einem luftdurchströmten Regenerator auf 60 bis 80 °C erwärmt wird. Wärmerückgewinnung aus der Luft und dem Sorbens erhöht dabei den Wirkungsgrad. Durch getrennte Lagerung von verdünntem und konzentriertem Sorbens wird Energie gespeichert.

Effizienz und Speicherfähigkeit

Weltweit sind die Erfahrungen mit flüssigen Sorbentien bei der Gebäudeklimatisierung noch gering. Ein Forschungsprojekt des ZAE Bayern sollte das Potenzial der Technik für dieses Einsatzgebiet weiter ausloten und verbesserte Systemlösungen anbieten. In einem ersten Schritt optimierten die Forscher die Effizienz zentraler Komponenten wie Absorber und Regenerator, die sie in früheren Arbeiten, gemeinsam mit der L-DCS Technology GmbH, entwickelt hatten. Ein besonderes Augenmerk galt dabei der Speicherfähigkeit des Gesamtsystems. Mehrere Leistungstests am Absorber und am Verdunstungskühler unter kontrollierten Versuchsbedingungen erzielten eine Energiespeicherdichte zwischen 120 bis 150 kWh/m³. Dies ist deutlich größer als die eines Eisspeichers, der 50 bis 70 kWh/m³ erreicht. Die spezifische Leistung war für einen Prototyp akzeptabel, kann aber noch deutlich verbessert werden. Analysen deuteten darauf hin, dass nur ca. 30% der Bruttoaustauschfläche tatsächlich wirksam sind. Im Labor wurden in früheren Versuchen an Einzelflächen bis zu 90% erreicht. Verbesserungen in der Konstruktion und der Fertigung sollen künftig die aktive Fläche auf 70% erhöhen.

Low-flow – die Kunst

der Langsamkeit Je stärker die Salzlösung bei der Absorption verdünnt werden kann um so größer ist die nutzbare Energiedichte des Speichers. Eine möglichst starke Verdünnung erreichten die Forscher mit der so genannten „low-flow“ Sorptionstechnik. Dabei verteilt sich in dem Absorber (Abb. 4) ein sehr kleiner Salzlösungsstrom gleichmäßig über eine große Austauschfläche. Lediglich 0,2 Liter (der Inhalt eines Weinglases) werden pro Stunde für die Benetzung eines Quadratmeters der Absorberfläche benötigt. Dadurch konnte ein Massenverhältnis von Salzlösungsstrom und Luftstrom zwischen 0,025 und 0,012 erreichen werden. Dies ist ca. 50 Mal kleiner als in kommerziellen Anlagen üblich.

Kombinierte Verfahren

Eine Begrenzung des Volumenstroms der Lüftungsanlage auf den hygienischen Luftwechsel und die notwendige Feuchteabfuhr ist energetich sinnvoll. Wenn die Kühlleistung nicht ausreicht, können darüber hinaus gehende Wärmelasten über Flächenkühlsysteme abgeführt werden. Insbesondere bei kleinen Anlagen scheitert eine solche Lösung allerdings häufig an den höheren Investitionskosten, da zwei Systeme – Lüftungsanlage und System mit Kaltwasser – benötigt werden.

Verfügbare Systeme

Anlagen mit flüssigen Sorptionsmitteln werden seit Jahrzehnten zur industriellen Prozesslufttrocknung vertrieben. Aktuelle Produkte können Luftvolumenströme von 4.000 bis 120.000 m³/h behandeln. Eine Energiespeicherung im System ist nicht vorgesehen. Gebäude werden bisher nur in Einzelfällen mit flüssigen Sorbentien klimatisiert. Das BINE-Projektinfo 8/2002 dokumentiert ein System, das mit einem hohen spezifischen Solestrom arbeitet. Die Salzlösung wird im Umlauf verwendet und wird nur phasenweise durch konzentrierte Sole ersetzt. Dadurch wird eine deutliche Konzentrationsdifferenz zwischen konzentrierter und verdünnter Lösung erreicht, was die nutzbare Speicherdichte erhöht. Die Lösung verliert zwar mit der Zeit an Entfeuchtungspotenzial, dies ist in gemäßigten Klimazonen vertretbar. In feuchten Klimaten muss die Sole jedoch so schnell erneuert werden, dass dort nur geringe Energiespeicherdichten erreicht werden.