Wege zu Energie, Umweltdesign, Wassereinsparung, Gutschriften für Verdunstungskühltürme

Verdunstungskühltürme spielen eine wichtige Rolle in umweltfreundlichen Gebäuden, da sie den Energieverbrauch erheblich senken, wenn sie herkömmliche Klimaanlagen ergänzen oder ersetzen, wodurch sich der CO2-Fußabdruck und die Betriebskosten verringern. Obwohl Verdunstungskühlung eine große Energieeinsparung ermöglicht, verbraucht sie zwar etwas Wasser, aber die Vorteile der Energieeinsparung überwiegen den Wasserverbrauch, der an manchen Orten eine knappe Ressource ist.

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Der Wasserschutz hat daher bei der Entwicklung und dem Betrieb wassergekühlter Geräte hohe Priorität und spielt eine wichtige Rolle bei der LEED-Zertifizierung (Leadership in Energy and Environmental Design) des USGBC und anderen Nachhaltigkeitsprogrammen. LEED vergibt Kreditpunkte zur Reduzierung des Wasserverbrauchs.

Die LEED-Optionen zur Reduzierung des Trinkwasserverbrauchs in Kühltürmen lassen sich in zwei Strategien unterteilen:

Nutzen Sie das Trinkwasser besser. Die erste Strategie zielt darauf ab, die Nutzung und den Wert jeder Gallone Trinkwasser, die bei der Verdunstungskühlung verwendet wird, zu maximieren, indem die Konzentrationszyklen (COC) des Kühlturms optimiert werden. Der Erfolg dieser Strategie und die Leichtigkeit oder Schwierigkeit ihrer Umsetzung hängen stark von der Qualität des verfügbaren Trinkwassers ab.

Ersatz von Brauchwasser. Die zweite von LEED empfohlene Strategie – die mit der ersten kombiniert werden kann – besteht darin, einen Teil des gesamten Wasserverbrauchs durch nicht trinkbares Wasser wie HVAC-Kondensat oder Regenwasser zu ersetzen. Analog zur Nutzung von Sonne und Wind als „alternative Energie“-Quellen, um den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu ersetzen oder zu ergänzen, fungiert die Nutzung von nicht trinkbarem Wasser als „alternative Wasser“-Quelle und ersetzt potenziell knappes Trinkwasser. Offensichtlich hängt die Durchführbarkeit dieses Ansatzes von der Art der verfügbaren Nichttrinkwasserquellen ab.

Bei einigen dieser Entwurfspfade bringt das Erreichen der gewünschten Reduzierung des Trinkwasserverbrauchs einige potenzielle Nebenwirkungen und neue Herausforderungen mit sich, die bewertet und angegangen werden müssen. Beispielsweise ist die Erhöhung des COC schwieriger, wenn das örtliche Wasser eine hohe Härte aufweist. Ein weiteres Beispiel sind HVAC-Kondensat und Regenwasser, die oft großartige, natürlich weiche Optionen für Brauchwasser darstellen. Es ist zu beachten, dass dadurch potenzielle Probleme durch luftgetragene Partikel entstehen, die das biologische Wachstum fördern, sowie durch Korrosivität gegenüber der Kühlausrüstung.

Um das Prinzip von COC zu verstehen, müssen wir einen Schritt zurücktreten und die Ursachen des Wasserverlusts in einem Kühlturm verstehen.

Verdunstung. Wasserdampf ist ein Hauptnebenprodukt der Verdunstungskühlung, und die Environmental Protection Agency (EPA) schätzt, dass pro Tonne Kühlung etwa 1,8 Gallonen Wasser verdunsten. Laut EPA ist „Verdunstung die Hauptfunktion eines Kühlturms und die Methode, mit der dem Kühlturmsystem Wärme entzogen wird. Die Menge der Verdunstung ist normalerweise nicht auf die Wassereffizienz ausgerichtet, da sie für den Kühleffekt verantwortlich ist.“

Quelle: EPA: Water Efficiency Management Guide – Mechanical Systems, November 2017

Drift, Lecks und Überlauf.Während Verdunstung als notwendige und akzeptable Ursache für Wasserverlust gilt, müssen andere Ursachen für Wasserverlust sorgfältig kontrolliert werden.

Drift ist die kleine Wassermenge in Form von Nebel oder Wassertröpfchen, die vom Kühlturm weggeblasen wird, ohne dass die Kühlwirkung gering ist. Gerätehersteller begegnen diesem Problem, indem sie Tropfenabscheider einbauen, die den Tropfenverlust zwischen 0,05 und 0,2 % des Wasserdurchflusses durch den Kühlturm kontrollieren. Bei einer 500-Nenntonnen-Anwendung mit einem Durchfluss von 1500 gpm könnte der Abdriftverlust bis zu 3 gpm betragen, was typisch für Querstromgeräte ist und etwa 1 % des gesamten Wasserverbrauchs ausmacht.

In einem ordnungsgemäß betriebenen und gewarteten Kühlturm sollte es nicht regelmäßig zu Undichtigkeiten oder Überläufen kommen. Überlaufmelder sollten am Überlaufabfluss installiert werden, wie es in der Regel in den Sanitär- und Bauvorschriften vorgeschrieben ist, um etwaige Leck- oder Überlaufprobleme schnell zu beheben.

Abblasen. Damit bleibt eine Ursache für Wasserverlust übrig. Bei der Abschlämmung, auch Entlüftung genannt, handelt es sich um das Wasser, das aus dem System abgelassen wird, um die Konzentration der gelösten Feststoffe im zirkulierenden Kühlwasser innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten. Wenn Wasser verdunstet, entweicht das Wasser, die meisten anderen Moleküle bleiben jedoch zurück. Dieser Prozess erhöht die Konzentration der gesamten gelösten Feststoffe (TDS), die im Systemwasser verbleiben, einschließlich Kalzium, Magnesium, Chlorid und Kieselsäure. Hohe Konzentrationen können zur Bildung von Ablagerungen oder Korrosion führen, was zu Systemineffizienzen, Ausfällen und Wartungsproblemen führt. Auch die Konzentration von Schwebstoffen aus Schwebstoffen aus der Luft und anderen Quellen nimmt zu, was biologische Verschmutzung begünstigt und das Risiko von Bakterienwachstum birgt.

Einfach ausgedrückt wird die Konzentration von TDS und suspendierten Feststoffen durch die Entfernung von Abschlämmwasser gesteuert. Um das optimale Wasservolumen im System aufrechtzuerhalten, wird das gesamte Wasservolumen, das durch dieses Abblasen und durch Verdunstung verloren geht, durch „Ergänzungswasser“ ersetzt (vorausgesetzt, es erfolgt kein Verlust durch Abdrift, Lecks und Überlauf).

Ein grundlegendes Maß für die Effizienz eines Kühlturms sind Konzentrationszyklen, auch Konzentrationsverhältnis genannt. Konzentrationszyklen (COC) sind definiert als das Verhältnis der gelösten Feststoffe (Leitfähigkeit) im Turmwasser zu den gelösten Feststoffen (Leitfähigkeit) im Zusatz. Dies lässt sich leicht und häufig ermitteln, indem man den spezifischen Leitwert des Kühlwassers durch den Leitwert der Zusatzflüssigkeit dividiert. Die Berechnung kann auch mit Mineralien durchgeführt werden, die von der chemischen Behandlung nicht betroffen sind, wie beispielsweise Chlorid oder Kieselsäure.

Eine alternative, ebenso genaue Methode zur Berechnung des COC besteht darin, das Zusatzwasservolumen durch das Entlüftungsvolumen zu dividieren. Dies lässt sich leicht bewerkstelligen, wenn der Turm mit Wasserzählern an den Nachspeise- und Entlüftungsleitungen ausgestattet ist. Diese Vorgehensweise wird dringend empfohlen.

Je besser die Qualität des Zusatzwassers ist – mit anderen Worten, je niedriger der TDS, die Schwebstoffe und die Korrosivität –, desto höher ist der COC, der erreicht werden kann, und es ist weniger Abschlämmung erforderlich, um den gewünschten COC aufrechtzuerhalten und die Systemwasserqualität aufrechtzuerhalten innerhalb akzeptabler Grenzen. Im Folgenden betrachten wir verschiedene Methoden zur Verbesserung der Qualität des Zusatzwassers.

TDS und insbesondere die Wasserhärte sind bei weitem der wichtigste Faktor, der Strategien zur Wassereinsparung durch Erhöhung des COC beeinflusst. An Orten, an denen das Wasser von Natur aus weich ist, beispielsweise in Teilen des Nordostens, Südostens und Nordwestens der Vereinigten Staaten, lässt sich eine COC-Erhöhung viel einfacher umsetzen.

In LEED Version 4.0 werden für das Erreichen von mindestens 10 COC 2–4 Credits vergeben, je nachdem, ob das System für einen Neubau, ein bestehendes Gebäude oder ein Rechenzentrum vorgesehen ist. Programme zur Wasserreduzierung, die weniger als 10 COC erreichen, erhalten nur 1–2 Credits (es sei denn, mindestens 20 % des Zusatzwassers sind recyceltes Brauchwasser; in diesem Fall können 2–4 Credits erworben werden).

LEED Version 4.1 ist etwas anders. Dadurch wird der Schwellenwert von 10 COC abgeschafft und stattdessen werden Credits basierend auf der prozentualen Überschreitung des COC vergeben. Der Prozentsatz vergleicht den COC vor und nach Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität des Zusatzwassers. Für BD+C- und Kern- und Shell-Projekte werden bei einer Überschreitung des Basis-COC um 25 % 2 Credits vergeben, bei Kern- und Shell-Projekten kann ein zusätzlicher Punkt erworben werden, wenn der Basis-COC um 30 % überschritten wird.

Wo verfügbar, können nicht trinkbare Wasserquellen eine gute Möglichkeit sein, Trinkwasser zu sparen und 2 LEED-Punkte zu verdienen. Schauen wir uns vier gängige Kategorien von Nichttrinkwasser an: HVAC-Kondensat, Regen- und Regenwasser, recyceltes kommunales Wasser und Grauwasser.

HVAC-Kondensat. Vor allem im Südosten der USA birgt die hohe Luftfeuchtigkeit und hohe Kühllast während des größten Teils des Jahres ein hohes Potenzial für die Kondensatabscheidung. Laut einem Artikel im ASHRAE Journal aus dem Jahr 2021 könnte die Kondensatabscheidung beispielsweise in Washington, D.C. bis zu 10 Gallonen/Kubikmeter OA pro Jahr und in Miami bis zu 31 Gallonen/Kubikmeter OA pro Jahr betragen.

HVAC-Kondensat ist aus zwei Gründen eine ideale Quelle für Nachspeisewasser für Kühltürme. Erstens stimmt der Zeitpunkt der Kondensatbildung aus Klimaanlagen gut mit dem Zeitpunkt des Bedarfs an Zusatzwasser für die Kühltürme überein. Diese Ausrichtung bedeutet, dass ein Lagertank möglicherweise nicht erforderlich ist. Zweitens ist Kondenswasser rein und weist einen sehr geringen Gehalt an gelösten Mineralien auf. Ein potenzieller Nachteil von HVAC-Kondensat besteht jedoch darin, dass es manchmal Schwermetalle wie Kupfer oder Blei enthält, die vor der Verwendung als Zusatzwasser möglicherweise einer Behandlung bedürfen.

Regenwasser. Regen- und Regenwasser wird üblicherweise von Dächern und harten Oberflächen wie Straßenbetten oder Parkplätzen gesammelt. Die Vorschriften zur Verwendung dieses Wassers variieren je nach Staat. Diese Karte bietet eine erste Einschätzung der Machbarkeit der Regen- und Regenwassererfassung. Eine 2012 von der University of Tennessee veröffentlichte Studie kam zu dem Schluss, dass mit Regenwasser ein hoher COC-Gehalt erreicht werden kann, da die gelösten Feststoffe deutlich geringer sind als im Leitungswasser.

Allerdings liegt der pH-Wert des Regenwassers häufig um oder unter 6 und muss daher vor der Verwendung in einem Kühlturm abgemildert werden, um das Risiko von Korrosion und Kontamination zu minimieren. Außerdem muss die Kontrolle des mikrobiologischen Wachstums in jeden Wasseraufbereitungsplan einbezogen werden, in dem gesammeltes Regenwasser verwendet wird. Der erforderliche Grad der Aufbereitung des gesammelten Regenwassers hängt von der Quelle ab. Zwei häufige Probleme sind Vogelkot, wenn der Regen von einem Dach gesammelt wird, und Öl, wenn er von Straßenbetten und Parkplätzen gesammelt wird.

Recyceltes kommunales Wasser. Lokale Kommunen entwickeln zunehmend Möglichkeiten, aufbereitetes Abwasser zurückzugewinnen und zu verkaufen (zu einem deutlich niedrigeren Preis als Trinkwasser), anstatt es in einen See oder Fluss einzuleiten. Um solche Verteilungssysteme von Trinkwasserleitungen zu unterscheiden, werden „lila Rohre“ zusammen mit einer entsprechenden Beschilderung verwendet.

Dieses Wasser ist oft von guter Qualität, obwohl die Konzentration an Mineralien normalerweise höher ist als bei Trinkwasser. Ein Vorteil besteht darin, dass der erhöhte Kieselsäure-, Alkalitäts-, Härte- und Phosphatgehalt in aufbereitetem Wasser oft weniger korrosiv ist als Leitungswasser. Bei der Verwendung von recyceltem kommunalem Wasser müssen Wasserqualitätsmanagementteams bewerten, wie sich Korrosionsinhibitoren aus dem kommunalen Prozess auf die Wasseraufbereitungsstrategien für Kühlturm-Zusatzwasser auswirken können.

Graues Wasser. Leider sind typische kommerzielle Grauwasserquellen – z. B. Urinale und Wäschereien – ohne erhebliche weitere Aufbereitung nicht für die Verwendung als direkte Nichttrinkwasserquelle geeignet. Seifen in der Wäsche können problematisch sein, da sie als Nahrungsquelle für mikrobiologisches Wachstum dienen.

Abhängig von der Qualität des verfügbaren Wassers und basierend auf Tests und Empfehlungen von Wasseraufbereitungsfachleuten kann die Strategie zur Wassereinsparung die Implementierung einer oder mehrerer Minderungsmethoden erfordern. Diese Methoden lassen sich in zwei grundlegende Kategorien einteilen: (a) Verbesserung des Wassers durch chemische Behandlung und Filterung und (b) Schutz des Systems mit Konstruktionsmaterialien, die einen hohen Korrosionsschutz bieten.

Gelöste Mineralien. Wasser mit einem hohen Mineralstoffgehalt kann eine besondere Herausforderung darstellen, da ein hoher Gehalt an Kalzium, Magnesium, Alkalität und Kieselsäure das Risiko von Ablagerungen auf Wärmeübertragungsflächen erhöht, was die Systemleistung schnell beeinträchtigen kann. Andererseits erhöht ein hoher Chlorid- und Sulfatgehalt das Korrosionsrisiko verschiedener in Kühlwassersystemen verwendeter Metalle, was zu höheren Wartungskosten und einer kürzeren Lebensdauer der Anlagen führen kann. Die Begrenzung gelöster Feststoffe ist entscheidend, um die Anzahl der Konzentrationszyklen zu erhöhen. Üblicherweise werden drei Schadensbegrenzungsmethoden verwendet:

Chemische Behandlung. Chemikalien zur Hemmung von Ablagerungen führen zu einem Prozess namens Kristallmodifikation, der die harten Kanten des kristallinen Niederschlags zu einem runderen Material aufweicht, das länger in Lösung bleibt und weniger wahrscheinlich zur Bildung von Ablagerungen neigt. Zu den chemischen Behandlungen gehören auch dispergierende Polymere, die diese weicheren Partikel koaleszieren und agglomerieren und durch hydrophile und hydrophobe Kräfte die Wahrscheinlichkeit einer Bindung dieser Partikel an die Wärmeübertragungsoberflächen verringern. Diese chemischen Behandlungen funktionieren, haben jedoch aufgrund der modernen Chemie Grenzen und reichen oft nicht aus, um Wasser mit hohem Mineralgehalt zu behandeln.

Mechanische Vorbehandlung. Die meisten Anlagen müssen eine mechanische Vorbehandlung in Betracht ziehen, entweder Wasserenthärtungssysteme oder teilweise Umkehrosmosesysteme oder eine Kombination aus beiden. Wasserenthärter verwenden ein Ionenaustauscherharz, das Kalzium und Magnesium sammelt, sowie einen Soletank, der Salz als Regenerationsmittel verwendet. Diese Systeme sind relativ einfach und haben niedrige Gesamtbetriebskosten, sie entfernen jedoch nur Kalzium und Magnesium und keine anderen gelösten Feststoffe wie Chloride; und sie reduzieren die Alkalität nicht. Wasserenthärter können die Konzentrationszyklen von etwa 2 auf 4 erhöhen, ermöglichen jedoch selten die großen Sprünge, die zum Erreichen von 10 COC erforderlich sind.

Die partielle Umkehrosmose (RO) ist effektiver. Wasser wird durch eine Membran gedrückt und entfernt dabei 95–98 % aller Mineralien. Normalerweise wird RO zur Herstellung von reinem Wasser verwendet, aber das wäre für Kühlturmanwendungen zu korrosiv. Daher wird Teil-RO verwendet, das das RO-Wasser mit kommunalem Ergänzungswasser mischt. Bei Wasser mit sehr hohem Mineralstoffgehalt besteht die kostengünstigste Lösung darin, einen Wasserenthärter zu verwenden, um die Härtemineralien vor dem RO-Prozess zu entfernen.

Schwebstoffe. Die Konzentration von Schwebstoffen aus verschiedenen Wasserquellen und von Partikeln aus der Luft, die sich am Kühlturm ansammeln, begünstigt biologische Verschmutzung und birgt das Risiko eines gefährlichen Bakterienwachstums. Für diese Anwendung ist die Zyklonfiltration effektiver und einfacher zu warten als die Sandfiltration.

Die kostengünstigste Lösung besteht darin, ein Seitenstromfiltersystem mit Beckenkehrrohren zu entwerfen und zu installieren. Das System sollte werkseitig zusammengebaut und mit dem neuen Kühlturm geliefert werden. (Bei Aftermarket-Systemen muss die Füllpackung entfernt werden, was das Risiko einer Beschädigung der Füllung erhöht.)

Korrosion.Strategien zur Wassereinsparung gehen häufig mit einer erhöhten Korrosivität des Systemwassers einher, insbesondere wenn teilweise RO oder hochreines Nichttrinkwasser wie HVAC-Kondensat und Regenwasser verwendet wird.

Alternative Baumaterialien.

Eine weitere Strategie zur Risikominderung besteht darin, für den Kühlturm ein Konstruktionsmaterial auszuwählen, das einen gewissen Korrosionsschutz bietet, beispielsweise Edelstahl. Für höchsten Korrosionsschutz können Beckenbeschichtungen aus Polyurethan aufgebracht werden. Das TriArmor-Korrosionsschutzsystem der Baltimore Aircoil Company bietet eine werkseitig aufgebrachte Polyurethanbeschichtung.

Eigentümer und Betreiber, die Ablagerungen, Bakterien und Korrosion bekämpfen, können die maximale Systemeffizienz aufrechterhalten und die Lebensdauer der Verdunstungskühlgeräte verlängern. Die folgende Tabelle fasst Designüberlegungen zur Erreichung dieser Ziele zusammen:

Diese verschiedenen Designpfade bieten viele Möglichkeiten, LEED-Punkte in bestehenden Gebäuden und Neubauten zu sammeln. Durch die Reduzierung des Energie- und Trinkwasserverbrauchs schonen gut konzipierte und gut gewartete Kühlturmsysteme knappe natürliche Ressourcen und sparen Geld.