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Eine energiesparende Klimaanlage
Diesen Sommer die Luft in Häusern und Büros kühl zu halten, wird teuer – etwa 5 Prozent der in den Vereinigten Staaten jährlich verbrauchten Energie werden für den Betrieb von Klimaanlagen verwendet. Forscher des US-amerikanischen National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, CO, haben jedoch ein neues Klimaanlagendesign entwickelt, von dem sie sagen, dass es die Effizienz dramatisch steigern und Gase eliminieren wird, die zur globalen Erwärmung beitragen.
Cooler Lauf: NREL-Senioringenieur Eric Kozubal untersucht einen Prototyp des Luftstromkanals der DEVap-Klimaanlage. Die Grafik zeigt, wie sich heiße, feuchte Luft (in Rot) in kühle trockene Luft (in Blau) ändert, wenn die Luft durch das System strömt.
Die Technologie, die wir heute haben, ist fast hundert Jahre alt, sagt Eric Kozubal, leitender Ingenieur bei NREL. Kozubal und Kollegen haben eine Klimaanlage entwickelt, die Verdunstungskühlung mit einem wasserabsorbierenden Material kombiniert, um kühle, trockene Luft zu liefern und dabei bis zu 90 Prozent weniger Energie zu verbrauchen. Die mit Trockenmittel verstärkte Verdunstungs- oder DEVap-Klimaanlage soll die alte Beschwerde angehen: Es ist nicht die Hitze; es ist die Feuchtigkeit, effizienter.
Verdunstungskühlung – das Blasen von Luft über eine nasse Oberfläche zur Förderung der Verdunstung – wird seit langem in sogenannten Sumpfkühlern verwendet. Ein Verfahren namens indirekte Verdunstungskühlung verbessert dieses Design, indem die Luft in zwei Ströme geteilt wird, die durch eine Polymermembran getrennt werden. Wasser wird durch einen Luftstrom geleitet, wodurch es kühler und feuchter wird; die kühle luft kühlt die membran, die wiederum die luft auf der anderen seite ohne wasserzugabe kühlt.
Aber Luft kann nur so viel Wasserdampf aufnehmen, daher ist die Wirkung in feuchten Klimazonen begrenzt. An einem 32 °C-Tag in Houston, sagt Kozubal, kann die Verdunstungskühlung die Temperatur nur auf etwa 27 °C senken. Für ein komfortables Gebäude sollte eine Klimaanlage idealerweise die Luft auf 13 oder 16 °C abkühlen.
NREL überwindet das Feuchtigkeitsproblem, indem es einen weiteren Schritt hinzufügt, die Verwendung eines als Trockenmittel bekannten Materials, das Feuchtigkeit absorbiert. NREL verwendet ein flüssiges Trockenmittel, eine sirupartige Lösung von Lithiumchlorid oder Calciumchlorid, etwa 44 Volumenprozent Salz. Bei diesem Aufbau trennt eine weitere Membran das Trockenmittel von der Luft, die durch einen Kanal strömt. Die Polymermembran hat Poren mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikrometer bis 3 Mikrometer, die groß genug sind, um Wasserdampf leicht durchzulassen, während die salzige Flüssigkeit in Position bleibt. Die Membran ist außerdem mit einer teflonähnlichen Substanz beschichtet, um flüssiges Wasser abzustoßen. Das Trockenmittel entzieht dem Luftstrom Feuchtigkeit und hinterlässt trockene, warme Luft. Dann geht es zurück zur indirekten Verdunstungskühlung: In einem zweiten Kanal verdunstet Wasser, um einen sekundären Luftstrom zu kühlen, der wiederum den ersten Luftstrom kühlt, und es kommt kühle, trockene Luft heraus.
Ich finde es sehr vielversprechend, sagt Anthony Jacobi, Co-Direktor des Air Conditioning and Refrigeration Center an der University of Illinois in Urbana-Champaign. Ich glaube nicht, dass die Idee, diese Technologien zu integrieren, sehr neu ist. Es kann erfolgreich sein.
Neu ist laut Kozubal ein Design, das es schafft, Verdunstungskühlung und Trockenmitteltrocknung zu einem kostengünstigen System zu vereinen. Es macht diese Art der Klimatisierung für gewerbliche und private Prozesse zur Kühlung geeignet, sagt er.
Die Industrie arbeite an einer Vielzahl von Methoden, um die Effizienz der Klimatisierung zu verbessern, sagt Jacobi, von der Verwendung von Wärmetauschern bis hin zu Verbesserungen in den Kompressionssystemen traditioneller Maschinen. Es ist ein Bereich von großer Bedeutung für das Land, denn etwa ein Drittel des Energieverbrauchs unseres Landes entfällt auf Gebäude.
Laut der U.S. Energy Information Administration verwenden die USA jedes Jahr etwa 100 Billiarden britische Wärmeeinheiten. Bis zu 40 Prozent davon entfallen auf Gebäude, etwa 5 Prozent auf die Klimatisierung. Kozubal sagt, dass sein System dies in weniger feuchten Gebieten und um bis zu 90 Prozent bei hoher Luftfeuchtigkeit halbieren könnte. Wenn man von einer Technologie spreche, die 2 bis 3 Prozent der gesamten Energieversorgung des Landes einsparen könne, sei das viel, sagt er.
Das im System verwendete Trockenmittel ist relativ ungefährlich (Calciumchlorid wird in Streusalz verwendet), seine Korrosivität erfordert jedoch, dass Metall aus der Hardware entfernt wird. Besonders attraktiv ist, dass es die Fluorchlorkohlenwasserstoffe ersetzt, die in herkömmlichen Klimaanlagen als Kältemittel verwendet werden. Diese FCKW können leicht austreten, und jedes Kilogramm davon hat die gleiche Treibhausgaswirkung wie etwa 2.000 Kilogramm Kohlendioxid.
Kozubal sagt, dass es ungefähr fünf Jahre dauern könnte, das System so weit zu entwickeln, dass NREL es zur Kommerzialisierung an die Industrie übergeben kann. Das System wurde entwickelt, um bestehende Systeme ohne viele Änderungen zu ersetzen, sodass es schrittweise eingeführt werden könnte, wenn die Leute ihre alten Klimaanlagen aufrüsten.
Das Trockenmittel kann einfach wiederverwendet werden, indem es erhitzt wird, um das aufgenommene Wasser abzukochen. In einer industriellen Umgebung könnte dies durch die Nutzung von Abwärme aus einem anderen industriellen Prozess erfolgen. Im Haushalt würde Erdgas oder Solarenergie funktionieren. Tatsächlich, sagt Kozubal, könnte der Aufbau Solarthermiesysteme, die Sonnenlicht absorbieren, um ein Haus und sein Wasser zu erwärmen, kosteneffektiver machen. An heißen Sommertagen könnte also Sonnenenergie, die sonst verloren gehen könnte, tatsächlich dazu beitragen, ein Gebäude kühl zu halten.