Verdampingskoeling in installaties voor klimaatregeling zorgt voor lagere bedrijfskosten en CO2-emissies. Door dr. Manfred Stahl.
Wereldwijd zorgen miljoenen installaties voor klimaatregeling ervoor dat er in kantoren een aangenaam werkklimaat heerst, dat in klinieken, laboratoria, productieafdelingen en datacenters voorgeschreven luchtkwaliteiten en temperaturen in acht worden genomen en dat bederfelijke producten veilig worden opgeslagen. Bij deze klimaatregelprocessen is de koeling van lucht in waterkoelapparaten zeer omslachtig: ze werken met koudemiddelen die schadelijk zijn voor het milieu, verbruiken veel stroom en zorgen voor hoge CO2-emissies. De indirecte verdampingskoeling is een ecologisch alternatief. Deze wekt het koelvermogen voor luchtkoeling op met water, verbruikt minder stroom en werkt volledig zonder synthetische koudemiddelen. Hoe werkt deze milieuvriendelijke waterkoeltechniek die steeds belangrijker wordt voor de klimaattechniek?
De verdampingskoeling berust op het fysische principe dat lucht dampvormig water kan opnemen en opslaan. Voor dit proces moet de lucht echter de daarvoor benodigde verdampingswarmte van 2.500 kJ per kg water 'uit zichzelf' beschikbaar stellen en koelt daardoor af. Dit natuurlijke proces kent iedereen goed. Als 's zomers de buitenlucht een temperatuur heeft van 32 °C en de relatieve luchtvochtigheid na een intensieve regenbui tot bijna 100% stijgt, daalt de temperatuur tot ongeveer 23 °C. Hoe wordt deze kennis gebruikt voor het koelen van lucht in installaties voor klimaatregeling?
DE TECHNISCHE REALISATIE
In een installatie voor klimaatregeling zuigt een ventilator buitenlucht aan. Deze wordt gefilterd, in de warmteterugwinningsinstallatie van de afvoerlucht voorverwarmd en vervolgens in warmteoverdrager tot de gewenste toevoerluchttemperatuur naverwarmd of nagekoeld. Het daarvoor benodigde koel- of verwarmingswater komt van een koudemachine of een verwarmingsketel. Tegelijkertijd stroomt de uit het gebouw afkomstige afvoerlucht in het apparaat voor klimaatregeling door de warmteterugwinningsinstallatie, neemt daarin de warmte op uit de buitenlucht (of geeft warmte af aan de buitenlucht) en wordt als uitlaatlucht naar buiten afgevoerd. Nu wordt dit proces uitgebreid met de verdampingskoeling.
Als in de zomer de in het apparaat voor klimaatregeling aangezogen buitenlucht direct bevochtigd en daardoor gekoeld wordt, ontstaat er een toevoerluchtvochtigheid van meer dan 90%, wat in de ruimtes een onaangename benauwde atmosfeer creëert. Bij de indirecte verdampingskoeling wordt een omweg via de afvoerlucht gekozen, die gericht bevochtigd en daardoor gekoeld wordt. Daardoor kan de nu koelere afvoerlucht tijdens de daaropvolgende warmteterugwinning meer warmte aan de buitenlucht onttrekken en dus sterker afkoelen. En als de buitenlucht tijdens de warmteterugwinning sterker wordt gekoeld, hoeft ze minder of aanzienlijk minder mechanisch te worden nagekoeld. Zo kan de verdampingskoeling waterkoelers vervangen of kunnen er exemplaren met een geringer vermogen worden ingezet waardoor op elektrische energie, CO2-emissies en bedrijfskosten wordt bespaard.
HOE KRACHTIG ZIJN DERGELIJKE SYSTEMEN?
Hoe efficiënt en rendabel een verdampingskoeling in de praktijk werkelijk is, is van meerdere parameters afhankelijk:
- Hoe groter het temperatuurverschil tussen de buitenlucht en de afvoerlucht is, des te meer thermische energie er tijdens de warmteterugwinning wordt overgedragen. Daarom moeten systemen voor warmteterugwinning een efficiëntie van minimaal 70% behalen.
- Hoe warmer en droger de afvoerlucht is, des te meer water kan de lucht opnemen en des te sterker kan ze afkoelen. Het doel bij verdampingskoeling is de relatieve luchtvochtigheid van 100% in de afvoerlucht zo dicht mogelijk te benaderen om een maximaal koeleffect te bewerkstelligen.
- Het drukverlies tijdens de warmteterugwinning moet gering zijn omdat dit verlies door een hoger vermogen van de ventilator gecompenseerd moet worden.
Met een voorbeeld leggen we de werking van een indirecte verdampingskoeling uit.
Situatie 1
Zomermodus zonder verdampingskoeling: De in het apparaat voor klimaatregeling aangezogen buitenlucht (32 °C) wordt in het warmteterugwinningssysteem (warmteterugwinningspercentage 75%) door de afvoerlucht (26 °C) voorgekoeld. Daarbij daalt de temperatuur van de buitenlucht met 4,5 K tot 27,5 °C. Om de gewenste aanvoerluchttemperatuur van 19 °C te bereiken, moet de lucht nog met 8,5 K worden nagekoeld.
Situatie 2
Zomermodus met verdampingskoeling via honingraatbevochtiger: De relatieve luchtvochtigheid van de afvoerlucht wordt in een verdampingskoelsysteem verhoogd tot 95% en daardoor gekoeld van 26 °C tot 21 °C. De buitenluchttemperatuur (32 °C) daalt tijdens de warmteterugwinning nu met 8,2 K tot 23,8 °C. Nu hoeft de lucht slechts nog met 4,8 K te worden nagekoeld tot de toevoerluchttemperatuur van 19 °C.
Bij een luchtvolumestroom van 10.000 m³/h komt deze 'besparing' van 8,5 – 4,8 = 3,7 K overeen met een koelvermogen van 12,3 kW, die de waterkoeler nu niet meer hoeft te genereren. Maar het hiervoor beschreven conventionele proces van indirecte verdampingskoeling kan door een nieuwe technologie nog aanzienlijk worden verbeterd.
VERDAMPINGSKOELING MET KOELTURBO
Bij het hierboven toegelichte proces wordt de afvoerlucht in een apart systeem bevochtigd waarna de lucht in het warmteterugwinningssysteem stroomt. Als nu het voor verdamping bedoelde water direct in het warmteterugwinningssysteem wordt gespoten, zoals bij het modulaire Ka2O-systeem van Kampmann, wordt een groter koelvermogen gerealiseerd. Een Ka2O-module bestaat uit een warmtewisselaar volgens het tegenstroomprincipe met 160 dunne, hydrofiel gecoate aluminium platen en sproeiers, die water in de richting van de afvoerluchtstroom direct in de warmtewisselaar sproeien. Door de capillaire werking van de hydrofiele coating wordt het ingespoten water homogeen verdeeld over de oppervlakken aan de afvoerluchtzijde van de platen van de warmtewisselaar. Bij dit principe ontstaat naast de 'normale' verdampingskoeling door de opname van de warmte van de buitenlucht bij de vochtige hydrofiele platen een extra verdampings- en koeleffect, waardoor de efficiëntie en de prestaties toenemen. Afhankelijk van de luchtvolumestroom worden de Ka2O-modules (van elk 400 m³/h) als torens boven en naast elkaar in het apparaat voor klimaatregeling geplaatst. In dezelfde omstandigheden als hiervoor koelt dit systeem de buitenlucht van 32 °C af tot een toevoerluchttemperatuur van slechts 21 °C. Dat betekent in vergelijking met de conventionele verdampingskoeling een extra temperatuurverlaging met 2,8 K en een besparing op het mechanische koelvermogen van nog eens 9,3 kW. Bij een luchtvolumestroom van 10.000 m³/h heeft het Ka2O-systeem om een koelvermogen van in totaal 36,7 kW te realiseren slechts 77 liter water per uur en een gering pompvermogen nodig.
DE TOEKOMST IS VERDAMPINGSKOELING?
In een apparaat voor klimaatregeling is een uitbreiding van een systeem voor warmteterugwinning met een zeer efficiënte verdampingskoeling aan de afvoerluchtzijde ecologisch zinvol en economisch interessant. In de vermelde installaties is aangetoond dat door gebruik van verdampingskoeling de waterkoelers om de lucht te koelen per jaar wel 80% minder hoefden te werken en dus stroom, bedrijfskosten en CO2 werden bespaard. In de bijdrage kunnen echter alleen fundamentele aspecten van verdampingskoeling worden weergegeven; meer informatie is vanaf september verkrijgbaar bij de Kampmann/NOVA-evenementen.
PLAATSING VAN Ka2O-MODULES (in het midden van de afbeelding) voor indirecte verdampingskoeling in een apparaat voor klimaatregeling. Voor het koelen van
10.000 m³/h buitenlucht van 32 °C tot 21 °C is slechts 77 liter water per uur nodig – in plaats van het vermogen van een
waterkoeler van bijna 37 kW.
ARRANGEMENT OF Ka2O MODULES (centrum) voor indirecte verdampingskoeling in een airconditioner. Voor het koelen van
10.000 m³/h verse lucht van 32 °C tot 21 °C, slechts 77 liter water per uur is nodig - in plaats van de capaciteit van
Waterkoelingseenheid van bijna 37 kW.
Bild: Dr. Manfred Stahl © Dr. Manfred Stahl