Ziel der Entwicklung

Motivation:
Notwendigkeit und Energieeffizienz der Raumklimatisierung werden im Kontext der Energiewende, des Klimawandels und energiepolitischer Randbedingungen zunehmend hinterfragt. Einerseits wächst der Kühlenergiebedarf kontinuierlich. Die Studie „The Future of Cooling“ der Internationalen Energieagentur bezifferte allein für Europa ausgehend von 2016 eine Zunahme des Raumklimagerätebedarfs um 184 % (weltweit 250 %) bis 2050. Zum anderen passt der folgerichtig prognostizierte dramatische Anstieg des globalen Energiebedarfs für die Kältebereitstellung für raumlufttechnische-Geräte (RLT) nicht mit ambitionierten politischen Klimazielen zur CO2-Einsparung zusammen. Das ist selbsterklärend und erfordert Gegenmaßnahmen. Die Studie zielt dabei auf eine signifikante Erhöhung der Energieeffizienz der in der Regel kältemittel¬betriebenen Anlagen ab, beziffert die aktuelle mittlere Arbeitszahl des weltweiten Bestandes mit COP = 3,9 und strebt an, diese bis zum Jahr 2050 auf 8,5 anstatt nur auf 5,0 zu verbessern um so die CO2- Emissionen jährlich um 900 Mio. t reduzieren zu können.
Verdunstungskühlsysteme hingegen verzeichnen durchaus Leistungszahlen > 10, arbeiten ohne klima- oder umweltschädliche Kältemittel und können so einen wesentlichen Beitrag zur Bewältigung energiepolitischer Herausforderungen leisten. Aus hygienischer und energetischer Sicht als besonders vorteilhaft gilt dabei die indirekte Verdunstungskühlung (IEC), da sie ohne unnötigen Feuchteeintrag in die Zu- oder Raumluft auskommt und im Vergleich zur direkten Verdunstungskühlung niedrigere Zuluftttempetraturen ermöglicht. Auch die Wirtschaftlichkeit der IEC ist gut darstellbar – begünstigt durch steigende Energiekosten.
Gegenwärtig werden allerdings fast ausschließlich zentrale RLT-Geräte in Nichtwohngebäuden mit IEC ausgestattet. In vergleichsweise wenigen Fällen wird die IEC mit einer zuluftseitigen Lufttrocknung auf Sorptionsbasis und anschließender Nachbefeuchtung (DEC-Anlagen) kombiniert. Sehr große dezentrale Geräte sind im Zusammenhang mit der Kühlung von Hallen bekannt.
Für kleinere dezentrale Geräte fehlen dem Markt geeignete Lösungsansätze, um die o.g. positiven Effekte der indirekten Verdunstungskühlung in Wohn- und Nichtwohn- / Bürogebäuden umzusetzen.
Insbesondere für Bestandsgebäude fehlen nachrüstbare dezentrale Gerätekonzepte mit indirekter Verdunstungskühlung. Zur Sicherstellung der wirtschaftlichen Betriebsweise besteht gleichzeitig ein hoher Erwartungsdruck hinsichtlich Funktionalität und Nachhaltigkeit.
Ziel:
Genau hier setzt die geplante Entwicklung des Kühlpaneels im vorliegenden Entwicklungsprojekt an:
- Funktionale Verknüpfung von Luftbeaufschlagung der Verdunstungskühlung und hygienischem Mindestluftwechsel
- Leistungszahl des Kühlpaneels für den Anteil der IEC (Ventilatoren, Pumpe) > 10
- Minimales Zugluftrisiko: Lastkompensation konvektiv (Luftweg) und strahlungswirksam (Strahlungsaustausch zwischen Personen und Oberfläche des Kühlpaneels)
- Minimierung sogenannter Verteilungsverluste durch unmittelbare Nähe von Kältebereitstellung (Verdunstungskühleffekt) und Kühllastkompensation durch Wärmeeintrag aus Raum bzw. Aufenthaltszone (Luftein- und -austritt sowie Strahlungsfläche)
- Möglichkeit der Kaskadierung zur Anpassung der Leistung an die Raumgröße
- Sicherstellung hygienischer Anforderungen bspw. durch aerosolfreien Verdunstungsvorgang über semipermeable Membran)
- Einhaltung akustischer Anforderungen/ Grenzwerte
- Autarke Betriebsweise (optional): minimale elektrische Anschlussleistung für „steckerfertige“ photovoltaische ELT-Versorgung
- Nachrüstbar in Bestandsgebäuden: eine Adaptierbarkeit der Luftführung über das Oberlicht eines Fensters ermöglicht eine Montage des Kühlpaneels ohne Eingriff in die Gebäudehülle (Mieträume / Wohnungsbau)

Vorteile und Lösungen

Die Entwicklung des Natural Cooling Panels erfolgte in 4 Teilschritten:
Konstruktive Entwicklung eines Membran-Wärmeübertragers als Kernkomponente für die IEC, Geräteentwicklung für zwei Arten der IEC: hybride Abluftbefeuchtung & Außenluftrückführung sowie Auslegung der Systemkomponenten, Entwicklung eines impulsarmen konvektiv & strahlungswirksamen Luftauslasses, Entwicklung von MSR-Strategien & Erprobung der Gesamtentwicklung an einem Demonstrator.
Membran-Wärmeübertrager (MWÜ):
Ausgangspunkt war der Einsatz semipermeabler Flachmembranen für den Wärme- & Stofftransport. Mit der Entwicklung von MWÜ im Kontext von Flüssigsorptionsprozessen beschäftigt sich das ILK Dresden seit mehreren Jahren. Aufbauend auf bestehendem Knowhow konnte ein neuartiger, den Anforderungen der IEC entsprechender 3- fluidiger MWÜ entwickelt werden. Er besteht aus 4-lagigen textilen Mehrlagenlaminaten (Abstandstextil, wasserdampfermeable Membran, Stützvlies und Sperrfolie). Anders als in Flüssigsorptionsprozessen strömen im MWÜ des Natural Cooling Panels zwei verschiedene Luftströme & Wasser. Die luftführenden Querschnitte entstehen durch beabstandetes Stapeln der textilen Mehrlagenlaminate.
Zu den wichtigsten Schwerpunkten gehörten
- Kennfeldanalysen zur temperatur- und geschwindigkeitsabhängigen Wasserdampfdurchlässigkeit von Membranen und Sperrfolien, sowie Wasserdichtheit, Klebeverhalten
- Strömungswiderstände von Abstandstextilien (Wasserseite) und porösen Abstandsstrukturen (Luftseite)
- Erarbeitung numerischer Berechnungsmodelle basierend auf Materialkenndaten für Auslegung und Monitoring
- Entwicklung eines kontinuierlichen Randabdichtungsverfahrens für textile Mehrlagenlaminate als Rollenwahre
- Entwicklung der luft- und wasserseitigen Medienzufuhr
- Strömungstechnische, thermodynamische und Leckagemessungen
Gerätegesamtkonzept:
Die Entwicklung des Gerätegesamtkonzepts führte zur vergleichenden Erprobung eines Demonstrators für beide Verfahren der IEC (hybride Abluftbefeuchtung, Außenluftrückführung). Wesentliche Teilschritte waren
- Festlegung von Bauraum, Komponentenanordnung und Nennbedingungen
- Anforderungsgerechte Auswahl und Auslegung der Einzelkomponenten einschließlich MWÜ
- Konstruktive Variantenuntersuchungen
- Numerische Berechnungen im Erarbeiteten Berechnungsmodell zur Unterstützung der Komponentenauslegung
- Lösungsansätze für ganzjährige Nutzung
konvektiv- und strahlungswirksame Luftaustrittsfläche:
Ausgangspunkt für die Entwicklung des konvektiv- & strahlungswirksamen Luftauslasses für das Natural Cooling Panel ist ein Quellluftauslass erweitert um die Funktion einer statischen Kühlfläche. Strömungstechnische & thermografische Analysen an einfachen und modifizierten luftdurchlässigen / porösen Materialien sowie an komplexen Sandwichelementen führten im Ergebnis zu einem ausgewogenen Eigenschaftsprofil hinsichtlich:
- Luftdurchlässigkeit, Strömungswiderstand sowie, Strömungs- und Wärmeverteilung
- Wärmeleitung innerhalb der porösen Struktur
- Hohes Absorptions- und Emissionsverhalten bei niedrigster Reflexion und Transmission von Wärmstrahlung (thermografisches Verhalten)
- Mechanische Eigenstabilität
Als potentielle Materialien getestet wurden u.a. perforierte Platten, faserbasierte Materialien (Vliese), textile Materialien & poröse Kunststoffplatten.
Erprobung des Demonstrators & neuer MSR- Strategien:
Die abschließende positive Bewertung der Entwicklung basiert auf Untersuchungen am Demonstrator des Natural Cooling Panels unter praxisrelevanten Bedingungen. Dazu gehörten:
- Strömungstechnische Analysen und Leckage- sowie Volumenstrom- Bilanzmessungen
- thermische Leistungsmessungen im Voll- sowie im Teillastfall unter Berücksichtigung verschiedener Methoden zur zielgerichteten Beeinflussung der Kühlleistung
- akustische Analysen zu Schallemissionen
- Ermittlung vergleichbarer normativer Kennwerte, wie Wärmeübertragungsgrad, Befeuchtungswirkungsgrad, Kühlleistung, elektrische Leistung, EER, Schallleistung
Begleitet wurden die Messungen von numerischen Berechnungen am Simulationsmodell des MWÜ und von Optimierungsmaßnahmen hinsichtlich Wärmedämmung und Schallisolierung.
Ergebnis:
Das Natural Cooling Panel realisiert bei Außenbedingungen von 32 °C, 40 % r.F. Zulufttemperaturen bis 20 °C. EER- Werte zwischen 6,0 und 8,5 (je nach Verfahren der IEC) bezogen auf das Gerät bzw. zwischen 13,0 und 16,5 bezogen auf den Anteil der IEC liegen im Bereich marktüblicher IEC- Geräte und oberhalb derer von Splitgeräten. Sie bestätigen die Energieeffizienz und Umweltfreundlichkeit der IEC zur Kälteerzeugung. Natural Cooling Panels verknüpfen nachhaltig die Funktionen „Lüften“ und „Kühlen“, können potentiell photovoltaisch betrieben werden und sind mit geringem Installationsaufwand zur Nachrüstung in Bestandsgebäuden geeignet. Eine Kaskadierung zur Leistungsanpassung ist möglich. Die Kombination von Strahlungs- und konvektiver Wirkung des Luftauslasses ermöglicht thermischen Komfort.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielmarkt:
Zielmarkt für Kühlpaneele, wie das Natural Cooling Panel (mit indirekter Verdunstungskühlung über Membranen) sind in erster Linie Lüftungs- und Klimatisierungsaufgaben in Büro- und Arbeits- aber auch in Wohngebäuden. Sie können sowohl als einzelne Geräte in kleineren Räumen bzw. an einzelnen Arbeitsplätzen zum Einsatz kommen als auch zum Zwecke der Klimatisierung großer Räume (Großraumbüros) zu einer größeren Geräteeinheit zusammengeschaltet werden. Aufgrund des geringen Installationsaufwandes gehören auch Nachrüstungen in Bestandsgebäuden zum Zielmarkt.
Anders als viele konventionelle dezentrale Kühlsysteme (z.B. Kühldecken, Split-/Multisplit-Geräte) ermöglichen die neuartigen Natural Cooling Panels mit IEC über Membranen auch die Funktion des hygienisch notwendigen Luftwechsels. Im Gegenzug geht die Kühlfunktion der Paneele weit über die reine Lüftungsfunktion vieler klassischer dezentraler Lüftungsgeräte (auch Wohnungslüftungsgeräte) hinaus.
Dennoch konkurriert das Kühlpaneel mit indirekter Verdunstungskühlung Im Wettbewerb mit eben diesen Systemen:
- Kühldecken, Kühlsegel, Kühlkonvektoren
- Split- und Multisplit-Anlagen
- Dezentrale Klimageräte mit Kühlfunktion
Konkurrenzfähig ist die Neuentwicklung der Natural Cooling Panels mit indirekter Verdunstungskühlung insbesondere aufgrund ihrer hocheffizienten Kühltechnologie. Mit EER- Werten bezogen auf das Gerät > 6 und bezogen auf die indirekte Verdunstungskühlung > 10 können sie mehr Kälte bereitstellen, als marktübliche kältemittelbetriebene Systeme, deren EER im weltweiten Durchschnitt (Bestandsanlagen) nur bei 3,9 liegt.
Ein weiterer Wettbewerbsvorteil der Kühlpaneele mit indirekter Verdunstungskühlung über Membranen ist, dass die Kälteerzeugung ohne Einsatz von Kältemitteln auskommt. Im Gegensatz zu marktüblichen Kälteerzeugern ist damit GWP gleich Null. Zusätzlich begünstigt wird dieser Wettbewerbsvorteil, wenn die elektrische Energieversorgung mittels Solarstrom aus PV-Modulen in autarker Betriebsweise ermöglicht wird.
Marktgröße:
Die Studie der Internationalen Energieagentur „The Future of Cooling“ hat eine Zunahme des Raumklimagerätebestandes allein in Europa ausgehend von 2016 um 184 % bis 2050 beziffert. Genauer formuliert wächst der (überwiegend kältemittelbasierte) Raumklimagerätebestand im besagten Zeitraum von 97 auf bis zu 275 Millionen Stück.
Linear betrachtet entspricht das prognostizierte Bestandswachstum der Neuinstallation von jährlich 4 bis 6 Millionen Geräten in Europa. Würden für Deutschland anteilig 5 bis 7 % angenommen, entspräche das rund 200.000 jährlich installierten (kältemittelbasierten) Raumklimageräten – unabhängig davon, ob es sich um Erstinstallationen in Neubauten oder Nachrüstungen in Bestandsgebäuden handelt.
Nach einer Weiterentwicklung zur Marktreife und Kostenreduktion durch automatisierte Fertigung der Membran-Wärmeübertrager für die Cooling Panels ist es potentiell möglich, dass von den jährlich installierten Raumklimageräten mittelfristig (ca. 5 Jahre nach Projektende) etwa 1000 (0,5 % Marktanteil bezogen auf Deutschland) und langfristig (ca. 10 Jahre nach Projektende) 5000 (2,5 %) als Kühldeckenpaneele mit indirekter Verdunstungskühlung über Membranen realisiert werden könnten.
Zur Überführung in ein marktreifes Produkt bedarf neben der Optimierung des MWÜ als Kernkomponente (Konstruktion als Gegenströmer, Druckverlust, innere Leckagen, Automatisierung der Fertigung, Materialzusammenstellung, Füllvolumen, Medienversorgung und Anordnung der Membransegel) auch der Optimierung des Gesamtgerätes (Wärmeverluste, Wasserreservoir, Bypassklappe, Schallemissionen, Gewicht).
Transfer und wirtschaftliche Effekte:
Für die Entwicklung zur Marktreife wird die Bildung eines kompetenten Konsortiums angestrebt, das die gesamte Prozesskette von der Auslegung, Herstellung und Konfektionierung textiler Wärme- und Stoffübertragerflächen bis zum Anlagenbau, der Prozesssteuerung und dem Energiemanagement am Endprodukt beim Endanwender abdeckt. Daran können sich Institute und Firmen verschiedener Branchen (Textilfertigung, Textilveredlung, Werkstoffprüfung, Membrantechnologie, Textilforschung, Kunststofftechnik, Luft- und Kältetechnik, RLT-Hersteller und Zulieferer, Endanwender) beteiligen. Direkt beteiligte Institute und Firmen erwerben im Projekt einen Knowhow-Vorsprung, der zur Stärkung des Wirtschaftsstandorts Deutschland und zur Festigung branchenspezifischer Leaderpositionen beiträgt. Unter Berücksichtigung des sich entwickelnden Marktes in Deutschland werden insgesamt signifikante wirtschaftliche Effekte erwartet.