Desiccant-køling: ingeniørprincipper og integration med absorptionskølere

Forfatter: Myconds tekniske afdeling

Klimaanlæg bruger traditionelt én enhed til at løse to opgaver – køling og affugtning af luften. Denne tilgang fører dog ofte til betydelige energitab. Desiccant-køling tilbyder et banebrydende alternativ ved at adskille temperatur- og fugtighedskontrol, hvilket muliggør markante energibesparelser og mere præcis styring af mikroklimaet.

Desiccant-køling er en teknologi, der bruger termisk energi til adsorptiv affugtning af luft efterfulgt af dens køling. Denne tilgang eliminerer den energikrævende kondensationsaffugtning, hvor luften køles under dugpunktet efterfulgt af genopvarmning (reheat).

Fysiske principper og psykometrisk analyse

Kernen i desiccant-køling er adsorptionsprocessen – fysisk binding af vanddampmolekyler på overfladen af et fast desiccant-materiale (adsorbent). Processen drives af forskellen i partialtryk for vanddamp mellem fugtig luft og desiccantens overflade.

Adsorptionseffektiviteten afhænger i høj grad af desiccantens specifikke overfladeareal, som kan nå 600-800 m²/g for silicagel og over 1000 m²/g for moderne molekylesigter. De konkrete værdier bestemmes af materialetype, fremstillingsmetode og kornstørrelsesfordeling.

Regenereringen af desiccanten sker ved opvarmning til en temperatur, der afhænger af materialet og den ønskede affugtningsdybde. For silicagel er denne temperatur typisk 80-120°C, for molekylesigter 200-350°C og for lithiumchlorid-baserede desiccanter 60-90°C. Disse intervaller er vejledende og skal verificeres for specifikke produkter.

Et nøgleaspekt i termodynamikken for desiccant-affugtning er frigivelsen af sorptionsvarme, som består af den latente kondensationsvarme (omkring 2500 kJ/kg vand) plus varmen ved binding af vandmolekyler til desiccanten (150-350 kJ/kg afhængigt af materialet). Derfor opvarmes den affugtede luft, hvilket kræver efterfølgende køling.

Systemkomponenter i desiccant-køling

Det centrale element i et desiccant-system er et roterende hjul belagt med adsorberende materiale. Hjulet er opdelt i to zoner: proceszonen (affugtning) og regenereringszonen. Hjulets typiske diameter bestemmes af luftmængden og er normalt 0,5 til 4,0 m. Omdrejningshastigheden er 10-20 omdrejninger i timen, optimeret til de konkrete driftsforhold.

Regenereringssystemet omfatter en opvarmer til regenereringsluften, som sikrer den temperatur, der er nødvendig for desorption af fugt. Luftmængden for regenereringsluften udgør typisk 30-50% af procesluften, selvom forholdet kan variere afhængigt af regenereringstemperaturen og udeluftens parametre.

Et entalpihjul anvendes til energigenvinding mellem luftstrømmene. Dets effektivitet er typisk 65-85% og afhænger af omdrejningshastighed, konstruktion og luftstrømmenes karakteristika.

Et system til indirekte evaporativ køling gør det muligt effektivt at sænke temperaturen uden at tilføre fugt til procesluften. Effektiviteten ligger på 60-85% og afhænger i høj grad af udeluftens fugtighed og varmevekslerens konstruktion.

Absorptionskølere og deres integration med desiccant-systemer

En absorptionskøler er en termisk drevet kølemaskine, der bruger varme i stedet for elektricitet til at generere kulde. Driften er baseret på en termokemisk cyklus, hvor vand fungerer som kølemiddel, og en opløsning af lithiumbromid (LiBr) fungerer som absorbent.

Cyklussen i en absorptionskøler omfatter fire hovedkomponenter:

• Fordamper: vand fordamper ved lavt tryk (0,6-1,2 kPa) og lav temperatur (3-7°C), hvorved varme optages fra det vand, der skal køles;
• Absorber: vanddampen absorberes af en koncentreret LiBr-opløsning og frigiver varme, som skal bortledes;
• Generator: den fortyndede opløsning opvarmes for at fordampe vand og genskabe LiBr-koncentrationen (80-100°C for enkelttrins-maskiner, 140-160°C for totrins-maskiner);
• Kondensator: kølemiddeldampen kondenserer og afgiver varme til kølevandet.

Ydelseskoefficienten (COP) for absorptionskølere er 0,6-0,8 for enkelttrins og 1,0-1,3 for totrins. Dette er lavere end for dampkompressionssystemer (3,0-5,0), men absorptionskølere bruger billig termisk energi i stedet for dyr elektrisk energi.

Forskellige varmekilder kan bruges til regenerering af desiccanter og til at drive absorptionskølere:

1. Spildvarme (fra procesanlæg, kondensatorer, kraft-varme-anlæg) – den mest økonomiske kilde med temperaturer fra 60 til 200°C;
2. Solenergi via plane (60-90°C) eller vakuumrørkollektorer (80-150°C) – særligt relevant om sommeren, når kølebehovet er størst;
3. Naturgas via gaskedler med en virkningsgrad på 85-95%;
4. Elektriske varmelegemer med effektivitet omkring 100%, men økonomisk kun berettiget i særlige tilfælde på grund af høj elpris.

Integrationsskemaer for desiccant-affugtning med absorptionskølere

Der findes tre hovedskemaer for integration af desiccant-affugtning med absorptionskølere:

1. Serielt skema – luften passerer først gennem desiccant-hjulet, hvor den affugtes og opvarmes på grund af sorptionsvarmen, og afkøles derefter af absorptionskøleren. Fordel: uafhængig styring af temperatur og fugt.
2. Parallelt skema – desiccanten behandler kun friskluft og fjerner fugt, mens absorptionskøleren køler recirkulationsluften. Fordel: reduceret belastning på køleren og mindre kølekapacitet.
3. Kogenerationsskema – én varmekilde forsyner både desiccant-regenereringen og generatoren i absorptionskøleren. Fordel: maksimal udnyttelse af brændslets primære energi med en samlet virkningsgrad op til 80-90%.

Synergieffekter ved kombination af desiccant-systemer med absorptionskølere:

• Lastflytning fra elnettets spidsbelastning til termisk energi;
• Højere kølevandstemperatur fra traditionelle 7°C til 12-15°C takket være foraffugtning, hvilket forbedrer absorptionsmaskinens COP;
• Mulighed for at bruge lavtemperatur spildvarme til regenerering af specialtyper af desiccanter.

Energieffektivitet og ydelsesindikatorer

Ydelseskoefficienten (COP) for desiccant-kølesystemer defineres som forholdet mellem nyttig kølekapacitet og summen af alle energiforbrug. Afhængigt af systemkonfiguration kan COP variere fra 0,5 til 1,5 for basisskemaer og op til 2,5 for skemaer med varmegenvinding.

Til vurdering af den termiske cyklus separat fra den elektriske komponent anvendes termisk COP, som kun medregner termisk energi:

Termisk COP = Kølekapacitet / Varmeenergi til regenerering

Sammenlignet med traditionelle køle-/affugtningssystemer har desiccant-systemer fordele i tre tilfælde:

1. Høj andel latent belastning (sensible heat ratio under 0,7-0,8);
2. Behov for lavt dugpunkt (under 7-10°C);
3. Tilgængelighed af billig termisk energi.

Totrinsregenerering er en metode til at øge energieffektiviteten, hvor første trin bruger lavtemperaturvarme til delvis regenerering, og andet trin bruger højtemperaturvarme til dyb regenerering. Det sparer 20-40% højtemperaturenergi.

Projektering og systemoptimering

Beregning af luftstrømme er kritisk for systemets effektivitet. Procesluftmængden bestemmes ud fra fugtbalancen som forholdet mellem fugtfrigivelsen og forskellen i absolut fugtindhold. For at opnå et mål-dugpunkt på +10°C ved fugtfrigivelse på 20 kg/t og en forskel i fugtindhold på 6 g/kg kræves en luftmængde på ca. 3330 kg/t.

Regenereringsluftmængden bestemmes af desorptionsdybden og afhænger af regenereringstemperaturen. Forholdet mellem proces- og regenereringsluft er typisk 2:1 til 3:1 ved høje regenereringstemperaturer (90-120°C) og 1:1 til 2:1 ved lavere temperaturer (60-80°C).

Valg af regenereringstemperatur afhænger af desiccant-typen og det ønskede dugpunkt. Generel tommelfingerregel: en stigning i regenereringstemperaturen på 10-15°C sænker dugpunktet med 2-5°C, men øger energiforbruget med 15-25%.

Optimal placering af varmevekslere til energigenvinding kan omfatte:

• Entalpihjul (effektivitet 65-85%, men mulig fugttransport);
• Pladevarmeveksler (effektivitet 55-75%, ingen fugttransport);
• Varmepumpe (COP 3-5, mere fleksibel styring, højere omkostninger).

Minimering af luftlækager mellem proces- og regenereringszoner er afgørende. Selv små lækager (5% af procesluften) kan reducere affugtningseffektiviteten med 10-20%.

Styring og modulering af kapacitet kan realiseres via:

• Ændring af hjulets omdrejningshastighed;
• Modulering af regenereringstemperaturen;
• Prædiktiv styring ved hjælp af systemmodeller og vejrprognoser.

Økonomiske aspekter og evalueringsmetodik

Anlægsomkostningerne for desiccant-systemer er typisk 30-60% højere sammenlignet med traditionelle systemer med tilsvarende kapacitet. De ekstra omkostninger delvist opvejes dog af mindre kølere og lavere elektriske tilslutninger.

Driftsomkostningerne har en anden struktur: i desiccant-systemer dominerer termisk energi, mens traditionelt dominerer elektricitet. Den økonomiske sammenligning afhænger af forholdet mellem tariffer for termisk energi og elektricitet.

Faktorer, der bestemmer den økonomiske berettigelse af desiccant-systemer:

• Forholdet mellem el- og varmepriser;
• Klimazone (højere fugtighed favoriserer desiccant-systemer);
• Driftsmønster og kølesæsonens længde;
• Tilgængelighed af spildvarme eller andre billige energikilder.

Metoden til beregning af tilbagebetalingstiden er baseret på formlen:

Tilbagebetalingstid (år) = Yderligere anlægsinvesteringer / Årlige driftsbesparelser

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)

Hvad adskiller desiccant-køling principielt fra traditionel aircondition, og hvornår er det relevant?

Traditionel aircondition bruger én proces til samtidigt at sænke temperatur og fugtighed ved at køle luften under dugpunktet og derefter genopvarme (reheat). Dette kræver betydeligt energiforbrug, bestemt af varmebalancen og afhængigt af luftparametre og affugtningsdybde. Desiccant-køling adskiller fugt- og temperaturbehandlingen, hvilket muliggør uafhængig styring af disse parametre.

Desiccant-køling er relevant under tre betingelser: høj andel latent belastning (over 30-40% af totalen), behov for lavt dugpunkt (under 10°C) og tilgængelighed af billig termisk energi. For at vurdere egnethed i et konkret projekt skal belastningsstrukturen beregnes, energiforbruget for begge systemer sammenlignes og energipriserne vurderes.

Hvordan fungerer en absorptionskøler, og hvorfor kombineres den effektivt med desiccant?

En absorptionskøler arbejder ud fra en termokemisk cyklus, hvor vand bruges som kølemiddel, og en opløsning af lithiumbromid (LiBr) som absorbent. I fordamperen fordamper vand ved lavt tryk (0,6-1,2 kPa) og optager varme fra det kølede vand. I absorberen optages vanddampen i LiBr-opløsningen og frigiver varme. I generatoren opvarmes den fortyndede opløsning for at fordampe vand. I kondensatoren kondenserer dampen og afgiver varme.

COP for absorptionskølere (0,6-0,8 for enkelttrin) er lavere end for elektriske (3,0-5,0), men de bruger billig termisk energi. Synergien med desiccant opstår fordi: 1) begge systemer forbruger termisk energi, hvilket flytter last fra elnettet; 2) foraffugtning gør det muligt at hæve kølevandstemperaturen fra 7°C til 12-15°C, hvilket forbedrer absorptionsmaskinens COP med 10-20%; 3) det er muligt at bruge én varmekilde til begge systemer.

Hvilke typiske fejl ses ved projektering af desiccant-kølesystemer?

De mest udbredte projekteringsfejl:

1. Undervurdering af restvarme – man overser, at fjernelse af fugt frigiver varme (2500-2800 kJ/kg vand), som kræver ekstra kølekapacitet. Løsning: beregn den samlede belastning inkl. sorptionsvarmen.
2. Forkert valg af flowforhold – det optimale forhold mellem proces- og regenereringsluft afhænger af regenereringstemperatur, udeluftparametre og mål-dugpunkt. Løsning: udfør beregninger baseret på adsorptionsisotermer for de konkrete forhold.
3. Ignorering af luftlækager – selv små lækager (3-5%) reducerer ydelsen med 10-20%. Løsning: kvalitetsforseglinger, tæthedstest, oprethold positivt tryk i proceszonen.
4. Utilstrækkelig filtrering – forurening reducerer desiccantens kapacitet, og degraderingen afhænger af type og koncentration af forureninger. Løsning: installer filtre i klasse mindst F7/F8, udfør periodisk overvågning af luftkvalitet.

Hvordan integreres et desiccant-system med et eksisterende HVAC-system?

Der findes tre hovedmetoder til eftermontering:

1. Tilføjelse af modul i friskluftlinjen – den enkleste løsning. Fordele: minimal indgriben i det eksisterende system. Ulemper: giver ikke fuld kontrol over alle parametre. Typisk anvendelse: når kun friskluftens fugtighed skal sænkes.
2. Udskiftning af kølesektion – en mere radikal løsning. Fordele: fuld kontrol over luftparametre. Ulemper: højere omkostninger og længere ombygning. Typisk anvendelse: ved omfattende renovering af systemet.
3. Parallelinstallation – et ekstra system arbejder parallelt med det eksisterende. Fordele: pålidelighed, fleksibilitet, mulighed for trinvis implementering. Ulemper: højeste omkostninger, behov for ekstra plads. Typisk anvendelse: kritiske anlæg, hvor redundans er nødvendig.

Konklusion

Desiccant-køling med absorptionskølere er en innovativ teknologi, der adskiller håndteringen af sensible og latente belastninger ved at bruge termisk energi i stedet for elektrisk. Det muliggør høj energieffektivitet og præcis mikroklimakontrol.

For ingeniører, der overvejer at implementere sådanne systemer, anbefales følgende praktiske tiltag:

1. Vælg integrationsskema efter belastningsstruktur: serielt ved høj latent belastning, parallelt ved stor andel friskluft, kogeneration ved komplekse energibehov.
2. Udnyt spildvarme eller vedvarende varme maksimal som hovedfaktor for økonomisk effektivitet.
3. Medregn sorptionsrestvarme ved dimensionering af nødvendig kølekapacitet.

Desiccant-systemer er optimale ved latent belastning over 30-40% af totalen, behov for at holde dugpunkt under 10°C, og tilgængelighed af billig varme. Tilbagebetalingstiden bestemmes af forholdet mellem energitariffer, driftsmønster og muligheder for varmegenvinding.

Bemærk, at desiccant-køling kan være ineffektiv ved: lav latent belastning, manglende adgang til termisk energi, meget tørt klima, små anlæg med høje specifikke anlægsomkostninger og kort kølesæson. Integration af desiccant-systemer med absorptionskølere er kun berettiget, når der samtidig er behov for dyb affugtning og køling.