Eine vergleichende Analyse mehrstufiger Verdunstungskühlung und konventioneller Kältemaschinen für bürogebäudegerechte Kühllasten

Warum es wichtig ist, Gebäude kühl zu halten

Während Städte heißer werden und Büros immer stärker auf Klimaanlagen angewiesen sind, entwickelt sich die Gebäudekühlung stillschweigend zu einem der größten Treiber für Stromverbrauch und klimaschädliche Emissionen. Diese Studie stellt eine praktisch relevante Frage mit globaler Tragweite: Kann man große Bürogebäude in Indiens intensiven Sommern und feuchten Monsunzeiten komfortabel halten und dabei deutlich weniger Strom verbrauchen als mit den heute üblichen Kühlgeräten? Die Forschenden konzentrieren sich darauf, das bewährte Arbeitspferd — die mechanische Kältemaschine — mit einer intelligenteren Form der „Luftkühlung mit Wasser“ zu kombinieren, um den Energiebedarf zu senken, ohne den Komfort zu opfern.

Eine neue Variante der Wasserkühlung

Viele kennen Wüstenkühler, die Luft durch nasse Matten blasen. Sie verwenden Wasser statt chemischer Kältemittel, haben aber bei hoher Luftfeuchte Probleme und erreichen nicht immer das Komfortniveau moderner Büros. Das Team untersuchte eine weiterentwickelte Variante, die indirekte Verdunstungskühlung genannt wird: Außenluft wird entlang einer nassen Fläche gekühlt, ohne zusätzliche Feuchte aufzunehmen. Diese vorgekühlte Luft gelangt dann zu einer üblichen Kaltwasserspirale. Die zentrale Idee ist, dass wenn die Luft zunächst teilweise mit Wasser gekühlt wird, die Kältemaschine weniger arbeiten muss und somit weniger Strom verbraucht.

Die Gebäudeaustauschluft als Helfer nutzen

Die Forschenden schlagen eine einfache, aber wirkungsvolle Modifikation vor: Statt die wechselnde Außenluft als „Arbeitsstrom“ im indirekten Kühler zu verwenden, nutzt man die Rückluft, die aus den Büros zurückkommt. Diese Rückluft ist typischerweise temperaturstabiler und kann während des Betriebs tatsächlich kühler sein als die Außenluft. Indem diese Luft durch die nasse Seite des indirekten Kühlers geleitet und anschließend abgesaugt wird, kann das System mehr Wärme aus der einströmenden Frischluft ziehen. In manchen Fällen fällt die Temperatur der vorgekühlten Luft unter die sonst durch den Außen-Nasskugelwert gesetzte Grenze — ein Hinweis darauf, dass der Rückluftansatz pro Kilogramm Luft zusätzliche Kühlleistung herausholt.

Das Konzept in Indiens Klimazonen getestet

Um zu prüfen, ob es sich um einen Laboreffekt oder um eine praxistaugliche Lösung handelt, modellierten die Autorinnen und Autoren ein großes, büroleveliges Industriegebäude und berechneten detaillierte Kühllasten für mehrere indische Städte, die heiß‑trockenes, warm‑feuchtes, gemäßigtes, kaltes und gemischtes Klima repräsentieren. Sie verglichen drei Konfigurationen: eine reine Kältemaschine, einen konventionellen indirekten Kühler plus Kältemaschine und die neue, rückluftunterstützte Variante. Mithilfe standardisierter Wetterdaten für Spitzenzeiten im Sommer und die schwüle Monsunperiode verfolgten sie, wie viel Kühlung jedes System liefern musste und wie viel elektrische Energie der Kältemaschine zur Aufrechterhaltung eines typischen Innensollwerts um 27 °C bei angenehmer Luftfeuchte entzogen wurde.

Wie viel Energie und Ausrüstung eingespart werden kann

Die Ergebnisse zeigen, dass schon eine konventionelle indirekte Verdunstungsstufe vor einer Kältemaschine die erforderliche Kälteleistung für das Referenzgebäude um etwa 50–60 Tonnen Kühlleistung reduzieren kann. Das modifizierte Mehrstufensystem mit Rückluft geht noch weiter und verringert die benötigte Kältemaschinengröße je nach Stadt und Saison um 80–140 Tonnen. Weil die Luft, die die Kühlspule erreicht, bereits kühler ist, läuft die Kältemaschine weniger und verbraucht deutlich weniger Strom. Bei gleicher Kühlanforderung reduzierte die herkömmliche Kombination aus Kältemaschine und indirektem Kühler den Stromverbrauch um etwa 28 % gegenüber einer alleinstehenden Kältemaschine, während das neue rückluftunterstützte System rund 35 % Einsparung erzielte. Wichtig ist, dass diese stärkere Leistung auch in den feuchten Monsunbedingungen anhielt, in denen traditionelle Verdunstungskühler normalerweise einen Großteil ihrer Wirksamkeit verlieren.

Was das für künftige Gebäude bedeutet

Einfach gesagt legt die Studie nahe, dass große Büros und Fabriken in Indien Beschäftigte komfortabel halten können und dabei etwa ein Drittel weniger Kühlstrom verbrauchen, allein durch Umgestaltung des Luft‑ und Wasserflusses in bereits vorhandenen Anlagen. Indem die Kältemaschine ihre Aufgabe mit einem clever gestalteten wasserbasierten Kühler teilt, der die Innenluft als Hilfsstrom wiederverwendet, können Gebäudeeigentümer kleinere Kältemaschinen installieren, Betriebskosten senken und die Belastung der Stromnetze bei Hitzewellen reduzieren. Mit steigendem Kühlbedarf durch den Klimawandel bieten solche hybriden Systeme einen praktischen, skalierbaren Weg zu kühleren Gebäuden, die sowohl dem Geldbeutel als auch dem Planeten zugänglicher sind.

Zitation: Chiranjeevi, C., Sekhar, Y.R., Javith, J. et al. A comparative analysis of multi-stage evaporative cooling and conventional chillers for office-scale cooling loads. Sci Rep 16, 11244 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41650-9

Schlüsselwörter: Verdunstungskühlung, Gebäudeenergieverbrauch, Hybrides HLK, Bürokühlung, Indische Klimazonen