Verdunstungskühlung: Prinzip, Wirkungsgrad und Darstellung im h,x-Diagramm

Die Verdunstungskühlung verdunstet Wasser in einen Luftstrom: Die Verdunstung entzieht Wärme, und die Luft kühlt sich ab, und das ohne Verdichter, ohne Kältemittel und mit deutlich geringerem Energieverbrauch als eine konventionelle Klimaanlage. Thermodynamisch handelt es sich um einen adiabaten Prozess: Die Gesamtenthalpie ändert sich nicht, nur die Aufteilung zwischen sensibler Wärme (die Temperatur sinkt) und latenter Wärme (die Feuchte steigt). Im h,x-Diagramm verläuft sie daher entlang der Linie konstanter Enthalpie, und ihre natürliche Grenze ist die Feuchtkugeltemperatur der Eintrittsluft.

Das physikalische Prinzip: Verdunstung und latente Wärme

Wenn Wasser in die Luft verdunstet, verbraucht es die latente Verdampfungswärme – etwa 2 501 kJ/kg bei 0 °C beziehungsweise 2 442 kJ/kg bei 25 °C. Diese Energie stammt aus keiner anderen Quelle als dem Wärmeinhalt der Luft selbst. Die sensible Wärme, die die Luft durch das Absinken der Temperatur freisetzt, ist genau die Wärme, die die Verdunstung verbraucht, und die Gesamtenthalpie bleibt so (näherungsweise) gleich.

Wo der Prozess im h,x-Diagramm verläuft

Der Anfangszustand ist Punkt A (etwa 35 °C / φ = 20 %). Die Luft strömt durch den Befeuchter und verläuft näherungsweise entlang der Isenthalpe (der Linie konstanter Enthalpie, genauer entlang der Linie konstanter Feuchtkugeltemperatur) zu einer niedrigeren Temperatur. Der Prozess endet entweder im gewünschten Punkt oder spätestens auf der Sättigungslinie ($\varphi = 100\ \%$) – das ist das theoretische Maximum, die sogenannte adiabate Sättigungstemperatur, die der Feuchtkugeltemperatur der Eintrittsluft entspricht. Reale Geräte erreichen 70–95 % dieses Maximums, je nach adiabatem Wirkungsgrad $\eta_{a}$ (Sättigungswirkungsgrad, in ASHRAE $\varepsilon$).

Berechnung des Sättigungswirkungsgrads

Der adiabate Wirkungsgrad $\eta_{a}$ (Sättigungswirkungsgrad) ist der grundlegende Parameter jedes Verdunstungskühlers:

$$\eta_{a} = \frac{ϑ_{\text{ein}} - ϑ_{\text{aus}}}{ϑ_{\text{ein}} - ϑ_{f}}$$

wobei $ϑ_{f}$ die Feuchtkugeltemperatur der Eintrittsluft ist.

Beispiel: Eintrittsluft 35 °C / φ = 15 %, Feuchtkugeltemperatur 17,5 °C, Kühler mit $\eta_{a} = 0{,}85$:

$$ϑ_{\text{aus}} = 35 - 0{,}85 \cdot (35 - 17{,}5) = 35 - 14{,}9 = 20{,}1\ ^{\circ}\text{C}$$

Eine Abkühlung um fast 15 °C ohne ein einziges Watt Verdichterleistung.

Direkte vs. indirekte Verdunstungskühlung

Direkte Verdunstungskühlung

Die Luft kommt in direkten Kontakt mit Wasser oder Wassernebel. Einfach, günstig, sehr wirksam in trockenem Klima. Nachteil: Die in den Raum eintretende Luft ist feuchter. Im mitteleuropäischen Sommer, wenn das Eintritts-φ 50–60 % beträgt, ist der Spielraum für die Abkühlung geringer, und die resultierende Raumfeuchte kann unbehaglich sein.

Indirekte Verdunstungskühlung

Die Verdunstung kühlt einen sekundären Luftstrom, dessen Wärme über einen Wärmeübertrager an den Primärstrom abgegeben wird, ohne dass sich beide mischen. Der Primärluftstrom kühlt sich ab, ohne Feuchte aufzunehmen – im Diagramm bewegt er sich waagerecht nach links (sensible Kühlung). Die fortschrittlichste Variante ist der Maisotsenko-Zyklus (M-Cycle), der eine Austrittstemperatur des Primärstroms unterhalb der Feuchtkugeltemperatur erreichen kann. Aus hygienischer Sicht ist die indirekte Kühlung ein häufig gewählter Weg, eine Teilkühlung der Luft bei niedrigen Investitionskosten in ein Projekt zu bringen.

Grenzen der Verdunstungskühlung

Die grundlegende Grenze ist klar: Die Kühlung funktioniert umso besser, je trockener die Eintrittsluft ist. Übersteigt das Eintritts-φ 60–70 %, sinkt der Spielraum für die Abkühlung dramatisch. In mitteleuropäischen Sommern mit einer mittäglichen relativen Luftfeuchtigkeit von 45–55 % ist die direkte Verdunstungskühlung weniger effizient als in trockenem Kontinentalklima; indirekte Varianten bleiben auch hier konkurrenzfähig. Eine weitere Grenze ist die Wasserqualität: Hartes Wasser verkalkt die Systeme, weiches kann Korrosion verursachen. Ein weiterer Nachteil ist das Hygienerisiko durch Legionellen, dem mit ausreichender Wasseraufbereitung einschließlich Abschlämmung und gegebenenfalls UV-Entkeimung vorgebeugt wird. Bei direkten Systemen ist dieser Kontaminationsschutz zwingend. Für die direkte Kühlung von Räumen mit erhöhten Reinheitsanforderungen ist die Verdunstungskühlung nicht geeignet. Eine weitere Einschränkung ist der höhere Wasserverbrauch im Betrieb.

Vergleich mit der Kompressionskälte

Ein Verdunstungskühler verbraucht typischerweise 10–25 % der Energie einer Kompressionsklimaanlage gleicher Leistung. Das Verhältnis von Kühlleistung zur Leistungsaufnahme von Ventilator und Pumpe (in diesem Sinne vereinfacht „COP”, nicht der thermodynamische COP des Kältekreislaufs) liegt bei Verdunstungssystemen in der Größenordnung von 10–40, während der tatsächliche COP einer Split-Klimaanlage 2,5 bis 5 beträgt. Der Ausgleich dafür ist die Abhängigkeit von der Feuchte der Eintrittsluft und die Unfähigkeit, ohne ein Zusatzsystem präzise Bedingungen sicherzustellen. Für Rechenzentren, Industriehallen und die Außenluftkühlung in trockenem Klima ist die Verdunstungskühlung die erste Wahl; für die präzise Regelung in mitteleuropäischen Büros eher eine Ergänzung.

Häufige Fragen

Warum kann ein Verdunstungskühler die Luft nicht unter die Feuchtkugeltemperatur kühlen? Weil der Prozess entlang der Linie konstanter Enthalpie verläuft und die Feuchtkugeltemperatur der Punkt ist, an dem diese Linie die Sättigungslinie schneidet. Weiter lässt sich die Luft nicht kühlen, denn sie ist gesättigt. Eine Ausnahme bilden fortschrittliche indirekte Zyklen (M-Cycle).

Lohnt sich die Verdunstungskühlung in Mitteleuropa? Die direkte Kühlung hat im feuchten mitteleuropäischen Sommer ein begrenztes Potenzial, doch die indirekten Varianten bleiben energetisch vorteilhaft. Am besten kommt sie dort zur Geltung, wo die Eintrittsluft relativ trocken ist.

Wie hängt der Sättigungswirkungsgrad mit der Auslegung zusammen? Er bestimmt, wie nah der Austritt an die Feuchtkugeltemperatur herankommt. Aus $\eta_{a}$ und den Eintrittsbedingungen berechnen Sie unmittelbar die Austrittstemperatur, die sich im h,x-Diagramm überprüfen lässt.