Desiccantkoeling: een innovatieve methode voor vocht- en temperatuurregeling met absorptiekoelmachines

Auteur: Technische afdeling Mycond

Desiccantkoeling is een energiezuinig alternatief voor traditionele compressie- airconditioningsystemen, waarmee vochtigheid en temperatuur van de lucht afzonderlijk kunnen worden geregeld. In tegenstelling tot standaardsystemen, die de lucht onder het dauwpunt koelen om vocht te condenseren en vervolgens naverwarmen (reheat), maakt desiccantkoeling gebruik van adsorptiedroging met daaropvolgende koeling, wat aanzienlijke energiebesparingen oplevert.

De traditionele benadering met koeling onder het dauwpunt en naverwarming vereist aanzienlijke energie-inzet, berekend op basis van de warmtebalans en afhankelijk van de aanvangsparameters van de lucht, de droogdiepte en de efficiëntie van warmtewisselaars. Deze kosten kunnen 30-50% van het totale energieverbruik van het airconditioningsysteem bedragen.

Het belangrijkste voordeel van desiccantsystemen is de scheiding van de behandeling van voelbare (temperatuur) en latente (vocht) belasting. Eerst wordt vocht geadsorbeerd door speciale materialen (desiccants), waarna de gedroogde lucht wordt gekoeld. Deze aanpak maakt het mogelijk thermische energie te gebruiken in plaats van elektrische voor een aanzienlijk deel van het proces.

De ontwikkeling van desiccantkoeling kwam in een stroomversnelling in de jaren tachtig met de introductie van compacte roterende wielen, gecoat met desiccants, en de stijgende energieprijzen. Tegenwoordig vindt deze technologie steeds bredere toepassing dankzij hogere eisen aan luchtkwaliteit, energie-efficiëntie en milieuvriendelijkheid van HVAC-systemen.

Fysische grondslagen van adsorptiedroging met psychrometrische analyse

De adsorptie van vocht in desiccantsystemen is een fysisch proces waarbij waterdampmoleculen uit de lucht zich hechten aan het oppervlak van de desiccant door een verschil in partiële drukken. Desiccantmaterialen hebben een enorm specifiek oppervlak (van 200 tot 1200 m²/g, afhankelijk van het type materiaal, de productiemethode en de korrelgrootte), wat zorgt voor een hoge vochtopname-efficiëntie.

Om de adsorptiecapaciteit te herstellen, wordt de met vocht verzadigde desiccant geregenereerd door verhitting. De regeneratietemperatuur wordt bepaald door het type desiccant en het beoogde dauwpunt: voor silicagel doorgaans 80-120°C, voor moleculaire zeven 180-350°C, en voor laagtemperatuur polymeerdessiccants 50-80°C. Deze bereiken zijn indicatief en moeten voor een specifiek product worden geverifieerd in de technische documentatie van de fabrikant.

Een cruciaal thermodynamisch effect dat in desiccantsystemen in rekening moet worden gebracht, is de vrijkomende adsorptiewarmte, bestaande uit de latente condensatiewarmte (ongeveer 2500 kJ/kg water) plus de chemische bindingswarmte (500 tot 1000 kJ/kg, afhankelijk van het type desiccant). Dit leidt tot opwarming van de lucht nadat deze door het desiccantwiel is gegaan.

Ter illustratie een psychrometrisch voorbeeld: lucht met parameters 30°C en 70% relatieve vochtigheid (vochtgehalte circa 18,9 g/kg) passeert het desiccantwiel en wordt gedroogd tot een dauwpunt van 10°C (vochtgehalte circa 7,7 g/kg). Door de vrijkomende adsorptiewarmte stijgt de luchttemperatuur daarbij tot 45-50°C. De werkelijke temperatuurstijging volgt uit de warmtebalans rekening houdend met wielrendement, procestempo en warmteoverdrachtscondities.

Belangrijk is dat de restwarmtecoëfficiënt (residual heat) een functie is van vele variabelen en doorgaans tussen 0,7 en 0,9 ligt. De exacte waarde hangt af van het ontwerp van het wiel, de rotatiesnelheid en de effectiviteit van de recuperatie.

Componenten van een desiccantsysteem en hun technische kenmerken

Het draaiende desiccantwiel is het hart van het systeem. Het bestaat uit een dun, gegolfd drager­materiaal dat met desiccant is gecoat. Het percentage desiccantcoating hangt af van fabrikant en toepassing en bedraagt 70% tot 90%. De diameter van het wiel wordt bepaald door de luchtvolumestroom en berekend op basis van de luchtsnelheid door de doorsnede, doorgaans 2,5-3,5 m/s. De diepte van het wiel varieert van 100 tot 400 mm, en de rotatiesnelheid van 5 tot 25 omwentelingen per uur. Het wiel is verdeeld in een proceszone (ongeveer 75% van het oppervlak) en een regeneratiezone (ongeveer 25% van het oppervlak).

Het regeneratiesysteem bestaat uit een verwarmer voor de regeneratielucht, waarvan de temperatuur wordt bepaald door het type desiccant en de vereiste regeneratiediepte. De regeneratieluchtstroom bedraagt doorgaans 25-40% van de proceslucht en wordt berekend op basis van de vochtbalans. Het energieverbruik voor regeneratie bedraagt indicatief 4000 tot 6000 kJ per kilogram verwijderd vocht, afhankelijk van regeneratietemperatuur, recuperatierendement en verliezen in warmtewisselaars.

Het enthalpiewiel wordt gebruikt voor energierecuperatie tussen stromingen. De efficiëntie van dergelijke wielen ligt gewoonlijk tussen 65% en 85%, afhankelijk van ontwerp, rotatiesnelheid en tegenstroomconfiguratie.

Indirecte verdampingskoeling maakt het mogelijk lucht effectief te koelen zonder vocht toe te voegen. De efficiëntie van indirecte verdampingskoeling bedraagt 50% tot 80% en is sterk afhankelijk van de luchtvochtigheid buiten, het ontwerp van de warmtewisselaar, de luchtsnelheid in droge en natte kanalen en de kwaliteit van de waterverneveling.

Absorptiekoelmachines en hun integratie met desiccantsystemen

Een absorptiekoelmachine is een thermische koelinstallatie die water als koudemiddel en lithiumbromide (LiBr) als absorptiemiddel gebruikt. Het werkingsprincipe is gebaseerd op een viercomponentencyclus:

1. In de verdamper verdampt water bij lage druk (0,6-1,2 kPa, afhankelijk van de verdampertemperatuur) en lage temperatuur (4-12°C), waarbij warmte wordt onttrokken aan het te koelen water of de lucht.

2. In de absorber wordt waterdamp opgenomen door een geconcentreerde LiBr-oplossing. Dit proces geeft warmte af, die via het koelsysteem van de absorber moet worden afgevoerd.

3. In de generator wordt de oplossing verhit tot een temperatuur afhankelijk van het type machine: voor eentraps 80-120°C, voor tweetraps 140-180°C.

4. In de condensor condenseert de damp en geeft warmte af aan het koelwater.

De prestatiecoëfficiënt (COP) van absorptiekoelmachines bedraagt voor eentraps meestal 0,6-0,8, en voor tweetraps 1,0-1,3. Deze waarden liggen lager dan die van dampcompressiekoelmachines (COP 3,0-5,5), maar absorptiekoelmachines gebruiken goedkope thermische energie in plaats van dure elektrische energie.

Warmtebronnen voor absorptiekoelmachines (in oplopende kosten):

1. Restwarmte uit diverse bronnen (temperatuur van 80 tot 180°C afhankelijk van de bron).

2. Zonne-energie via collectoren (temperatuur 70 tot 150°C afhankelijk van het type).

3. Aardgas (rendement branders 85-95%).

4. Elektrische verwarmers (duurste bron, rendement circa 98%).

Er zijn drie hoofdconfiguraties voor integratie van desiccantdroging met absorptiekoelmachines:

1. Serieschakeling: de lucht passeert eerst het desiccantwiel, waar vocht wordt verwijderd en de temperatuur stijgt, en wordt daarna gekoeld door de absorptiemachine. Voordeel: onafhankelijke regeling van temperatuur en vocht. Toepassing: systemen met hoge eisen aan vochtigheidscontrole.

2. Parallelschakeling: de desiccant behandelt de verse buitenlucht en verwijdert vocht, terwijl de absorptiemachine de recirculatielucht koelt. Voordeel: lagere totale belasting van de koelmachine. Toepassing: systemen waar verse lucht de belangrijkste vochtbron is.

3. Cogeneratieschema: één warmtebron voedt zowel de regeneratie van de desiccant als de generator van de absorptiekoelmachine. Voordeel: maximale benutting van primaire energie. Het totale systeemrendement kan 70-85% bereiken, afhankelijk van de efficiëntie van alle componenten.

Synergetische effecten van combinatie van desiccantkoeling met absorptiekoelmachines:

1. Beide systemen gebruiken thermische energie, waardoor de piekbelasting op het elektriciteitsnet wordt verlaagd en de kosten voor piekvermogen dalen.

2. Voorontvochtiging met desiccant maakt het mogelijk de temperatuur van het gekoelde water van de koelmachine te verhogen van traditioneel 6-7°C naar 12-15°C, wat de COP van de absorptiemachine met 10-30% verbetert, afhankelijk van de parameters.

3. Mogelijkheid om laagwaardige restwarmte te gebruiken voor regeneratie van laagtemperatuurdessiccants, met name relevant voor locaties met warmteafvoer van 50-70°C.

Energie-efficiëntie en prestaties van desiccantsystemen

De prestatiecoëfficiënt (COP) voor desiccantkoelsystemen wordt gedefinieerd als de verhouding van nuttige koelcapaciteit tot de som van alle energie-inzetten. Typische COP-waarden, afhankelijk van de systeemconfiguratie, liggen tussen 0,5 en 1,5. Deze waarden zijn indicatief en hangen sterk af van de buitenluchtcondities, het bedrijfsregime, de efficiëntie van de componenten en de warmtebron.

Voor een basisschema wordt de COP bepaald door de verhouding tussen gebruikte thermische en elektrische energie. Voor een schema met warmteterugwinning stijgt de COP dankzij besparing op regeneratie. Voor een volledig thermisch schema houdt de algemene COP rekening met geïntegreerd energiegebruik en kan waarden tot 1,8-2,2 bereiken.

Vergeleken met traditionele koel-ontvochtigingssystemen hebben desiccantsystemen voordelen onder drie voorwaarden:

1. Hoge fractie latente belasting (sensible heat ratio lager dan 0,7).

2. Behoefte aan een laag dauwpunt (lager dan 7-10°C).

3. Beschikbaarheid van goedkope thermische energie.

Tweestapsregeneratie is een effectieve methode om de energie-efficiëntie te verhogen. De eerste trap gebruikt warmte met lagere temperatuur (50-80°C) om een deel van het vocht te verwijderen, en de tweede trap warmte met hogere temperatuur (80-120°C) voor volledige regeneratie. Voordeel: besparing van hoogtemperatuurenergie met 20-40%.

Het concept van energieopslag in vloeibare systemen maakt regeneratie tijdens laagtarieven mogelijk. Het economisch effect hangt af van de tariefstructuur, de opslagcapaciteit en de kapitaalkosten voor extra reservoirs.

Typische toepassingen en ontwerpkeuzes

Desiccantkoelsystemen worden effectief toegepast in de volgende gebieden:

1. Supermarkten, waar open koelmeubelen een aanzienlijke latente belasting creëren. Een desiccantsysteem houdt de luchtvochtigheid op 40-45%, vermindert condensvorming en verhoogt de efficiëntie van koelapparatuur.

2. Hotels, waar verse lucht een groot deel van de totale luchtverversing uitmaakt en de belangrijkste drager van latente belasting is. Een desiccantsysteem verlaagt de luchtvochtigheid, waardoor de grootte van de koelmachine met 20-30% kan worden verminderd.

3. Zwembaden, waar verdamping een grote latente belasting veroorzaakt met een sensible heat ratio van circa 0,3-0,4.

4. Systemen met stralingskoeling, waar het dauwpunt van de lucht 1-3°C onder de temperatuur van de koude oppervlakken moet blijven om condensatie te voorkomen.

Bij het ontwerpen van desiccantsystemen is het belangrijk de volgende parameters te optimaliseren:

1. Berekening van luchtstromen: de procesluchtstroom wordt bepaald uit de vochtbalans als de verhouding tussen vochtproductie en verschil in vochtgehalte. De regeneratieluchtstroom wordt bepaald door de vereiste diepte van desorptie uit de desiccant.

2. Keuze van regeneratietemperatuur afhankelijk van het type desiccant en het doel­dauwpunt. Algemene regel: verhoging van de regeneratietemperatuur verbetert de droogdiepte, maar verhoogt het energieverbruik.

3. Optimale plaatsing van warmtewisselaars voor energierecuperatie: roterend wiel (hoge efficiëntie 70-85%, geringe vochtoversleep), platenwisselaar (efficiëntie 50-70%, geen vochtoversleep) of warmtepomp (COP 3,0-5,0, flexibele regeling).

4. Minimalisatie van luchtlekken tussen zones en controle van differentiële druk: de proceszone moet onder positieve druk staan ten opzichte van de regeneratiezone.

5. Regelstrategie en vermogensmodulatie: van basisregeling (eenvoudig, maar minder efficiënt) tot voorspellende regeling met gebruik van een systeemmodel (kan de kosten met 10-20% verlagen).

Veelgestelde vragen of FAQ

Waarin verschilt desiccantkoeling principieel van traditionele airconditioning en wanneer is het zinvol?

Traditionele airconditioning gebruikt één proces om temperatuur en vochtigheid tegelijk te verlagen door de lucht onder het dauwpunt te koelen met daaropvolgende naverwarming (reheat). Dit vereist energie-inzet waarvan de grootte uit de warmtebalans volgt en afhankelijk is van luchtparameters en droogdiepte. Desiccantkoeling scheidt de behandeling van voelbare en latente belasting, waardoor temperatuur en vochtigheid onafhankelijk kunnen worden geregeld.

De zinvolheid van desiccantkoeling wordt bepaald door drie factoren:

• Hoge fractie latente belasting (meer dan 30-40% van het totaal);
• Behoefte aan lage luchtvochtigheid (dauwpunt lager dan 7-10°C);
• Beschikbaarheid van goedkope thermische energie.

Om de geschiktheid voor een specifiek project te bepalen, moeten de energie- en operationele kosten van beide systemen worden vergeleken, rekening houdend met lokale tarieven en het belastingsprofiel.

Hoe werkt een absorptiekoelmachine en waarom combineert deze effectief met een desiccant?

Een absorptiekoelmachine gebruikt een thermochemische cyclus, waarbij water als koudemiddel fungeert en een lithiumbromide-oplossing (LiBr) als absorptiemiddel. In de verdamper verdampt water bij lage druk en onttrekt warmte aan het te koelen water. In de absorber wordt waterdamp door de LiBr-oplossing opgenomen met warmteafgifte. In de generator wordt de oplossing verhit, waardoor waterdamp vrijkomt. In de condensor condenseert de damp en geeft warmte af aan het koelwater.

De COP van absorptiekoelmachines (0,6-1,3) is lager dan van elektrische chillers (3,0-5,5), maar hun voordeel is de mogelijkheid om te worden gevoed door goedkope warmtebronnen.

De synergie met een desiccant komt tot uiting in verschillende aspecten:

• Beide systemen verbruiken thermische energie, wat de belasting van het elektriciteitsnet verplaatst;
• Voorontvochtiging maakt het mogelijk de temperatuur van het gekoelde water te verhogen van 6-7°C naar 12-15°C, wat de COP van de absorptiemachine met 10-30% verbetert;
• De mogelijkheid om één warmtebron te gebruiken maximaliseert de energiebenutting.

Welke warmtebronnen kunnen worden gebruikt en hoe beïnvloeden ze de economie van het systeem?

Warmtebronnen in oplopende kosten:

1. Restwarmte (goedkoopst): van koelsystemen, industriële processen, WKK-installaties. De kosten hangen af van kapitaalinvesteringen voor recuperatie.
2. Zonne-energie: via collectoren die temperaturen van 70-150°C bereiken. De kostprijs na afschrijving hangt af van kapitaalkosten en de jaarlijkse instraling van de locatie.
3. Aardgas: tarieven variëren per regio, seizoen en verbruik. Het rendement van branders bedraagt 85-95%.
4. Elektrische verwarmers (duurste): rendement circa 98%, maar hoge energiekosten.

Het gebruik van restwarmte kan de operationele kosten met 40-80% verlagen, wat de economie van desiccantsystemen aanzienlijk verbetert en de terugverdientijd van 5-7 naar 2-3 jaar kan verkorten (concrete waarden zijn projectspecifiek).

Wat zijn typische ontwerpfouten bij desiccantkoelsystemen?

De belangrijkste fouten zijn onder meer:

1. Het onderschatten van restwarmte: het verwijderen van vocht geeft warmte vrij (2500-3500 kJ/kg water), wat extra koelcapaciteit vereist. Oplossing: de totale belasting berekenen met inbegrip van adsorptiewarmte.
2. Onjuiste keuze van stromingsverhoudingen: de optimale verhouding hangt af van regeneratietemperatuur, buitenluchtparameters en het beoogde dauwpunt. Oplossing: berekeningen uitvoeren op basis van adsorptie-isothermen voor de specifieke condities.
3. Het negeren van luchtlekken: zelfs kleine lekken (3-5%) verlagen de prestaties. Oplossing: hoogwaardige afdichtingen, lektesten, handhaven van positieve druk in de proceszone.
4. Onvoldoende luchtfiltratie: vervuiling verlaagt de adsorptiecapaciteit met 10-30% per jaar. Oplossing: filters van de juiste klasse installeren en de luchtkwaliteit bewaken.
5. Geen rekening houden met seizoensvariatie van de efficiëntie van verdampingskoeling: de efficiëntie hangt af van het verschil tussen droge- en natteboltemperatuur, dat seizoensafhankelijk is. Oplossing: een reservesysteem of hybride schema met absorptiekoeling voorzien.

Hoe integreer je een desiccantsysteem met een bestaande HVAC-installatie?

Er zijn drie hoofdscenario’s voor modernisering:

1. Toevoegen van een module in de verse-luchtlijn (eenvoudigst):
   • Voordelen: minimale ingreep, lage investeringskosten
   • Nadelen: biedt geen volledige parametercontrole
   • Toepassing: systemen met een groot aandeel verse lucht
2. Vervanging van de koelsectie (ingrijpender):
   • Voordelen: volledige parametercontrole
   • Nadelen: hogere kosten, noodzaak tot verbouwing
   • Toepassing: systemen met hoge eisen aan luchtparameters
3. Parallelle installatie:
   • Voordelen: betrouwbaarheid, flexibiliteit, redundantie
   • Nadelen: hoogste kosten, extra ruimte nodig
   • Toepassing: kritische locaties waar onderbreking onaanvaardbaar is

Technische vereisten omvatten het voorzien in elektrisch vermogen, een warmtebron, een systeem voor warmteafvoer (koeltoren), automatisering en afvoer. Specifieke parameters worden per project afzonderlijk berekend.

Conclusies

Desiccantkoeling met absorptiekoelmachines is een energie-efficiënte technologie die de behandeling van voelbare en latente belasting scheidt en thermische energie in plaats van elektrische energie benut. Deze combinatie biedt betrouwbare controle over zowel de luchtvochtigheid als de luchttemperatuur.

Praktische aanbevelingen voor ingenieurs:

• Kies de integratieconfiguratie in lijn met het belastingsprofiel: serie bij hoge latente belasting, parallel bij een groot aandeel verse lucht, cogeneratie bij complexe energiebehoeften.
• Benut restwarmte of hernieuwbare warmte maximaal als belangrijkste factor voor economische efficiëntie.
• Houd rekening met de resterende adsorptiewarmte bij het berekenen van de vereiste koelcapaciteit.

Desiccantsystemen zijn optimaal bij een latente belasting van meer dan 30-40% van het totaal, noodzaak van een laag dauwpunt en beschikbaarheid van goedkope warmte. De terugverdientijd wordt bepaald door de verhouding van energietarieven, het bedrijfsregime en de mogelijkheid tot warmteterugwinning.

Tegelijkertijd kent desiccantkoeling beperkingen en kan het inefficiënt zijn bij:

• Lage latente belasting (minder dan 20-25% van het totaal), waar traditionele systemen eenvoudiger en goedkoper zijn.
• Ontbrekende toegang tot thermische energie, waar elektrische systemen economischer zijn.
• Zeer droog klimaat, waar indirecte verdampingskoeling een lage efficiëntie heeft.
• Kleine objecten, waar de complexiteit van het systeem niet gerechtvaardigd is door hoge specifieke investeringskosten.
• Kort koelseizoen, waar de terugverdientijd te lang wordt.

Integratie van desiccantsystemen met absorptiekoelmachines is gerechtvaardigd bij gelijktijdige behoefte aan diepe ontvochtiging en koeling, en bij beschikbaarheid van thermische energie. Juiste engineering en exploitatie van dergelijke gecombineerde systemen kan hun energetische en economische efficiëntie aanzienlijk verhogen.