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Kälte- und Klimatechnikwissen (wikipedia.org)


Klimatechnik

Aufgabe der Klimatechnik ist es, Temperatur, Luftfeuchte und Luftqualität (CO2-Gehalt) in einem Raum auf die gewünschten Werte zu regeln - unabhängig von inneren (Wärmequellen wie z.B. Personen, EDV, Beleuchtung) und äußeren Lasten (Sonneneinstrahlung, Transmissionswärmeverluste - bzw. gewinne, etc.) Dazu dienen Maschinen und Einrichtungen, sogenannte Klimaanlagen, die mit geeigneter Luftführung Wärme abführen (kühlen) oder zuführen (heizen), die Feuchtigkeit steigern (befeuchten) oder absenken (entfeuchten) und die eingesetzten Medien (Luft, Wasser) transportieren.

Klimatechnik findet für verschiedenen Nutzungsbereiche, wie Büro- und Wohngebäuden, Lagerhäusern, Gewächshäusern, Kfz oder in der Prozesstechnik (Windkanäle, Prüftechnik, Klimakammern, etc.) Anwendung.

Für die Raumluft in Büroräumen gilt z. B.:
Temperatur der Raumluft zwischen 19 und 27 °C,
Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 70 %,
die Luftbewegung sollte laminar sein und <= 0,2 m/s betragen.

In Deutschland tritt für das Raumklima und der Kategorisierung der Luftschadstoffe ab Oktober 2009 die DIN EN 13779 - Lüftung von Nichtwohngebäuden - Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme in Kraft.

Klimaanlage

Eine Klimaanlage ist eine Anlage zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Raumklimas. Der Begriff Klimaanlage wird in Deutschland in dem Sinne verwendet, dass in einem Raum Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität erzeugt und gehalten werden kann. Im Gegensatz dazu wird im Ausland oft unter Klimaanlage lediglich eine Raumkühlung (air conditioning) verstanden.

Klimaanlagen sorgen für ein definiertes Raumklima. Bei Maschinenräumen und Rechenzentren werden die notwendigen Umgebungsbedingungen für Anlagen und Maschinen hergestellt. Ein für den Menschen angenehmes Raumklima hat eine Temperatur von ca. 22 °C und ca. 50 % relative Luftfeuchtigkeit.

Eine Klimaanlage hat die Aufgabe mit Hilfe der Zuluft und der Luftführung einen Raum zu konditionieren. Die Einteilung erfolgt nach den geregelten thermodynamischen Funktionen für die Zuluft.

Zentrale Klimaanlagen

Bei zentralen Klimaanlagen werden die erforderlichen lüftungstechnischen Grundfunktionen der thermodynamischen Luftbehandlung – Luftförderung, Filterung, Temperierung, Be- und Entfeuchtung – in einem zentralen Zuluftgerät und in einem zentralen Abluftgerät durchgeführt. Bei der Temperierung ist der Wärme-/Kältebedarf der zugeführten Außenluft und ggf. die Transmissionswärme/-kälte für die Räume bereitzustellen. Von den beiden Geräten aus verteilen sich Luftkanäle zu den einzelnen Räumen.

Zentrale Klimaanlagen werden in kombinierte Luft-/Wasser-Anlagen und Nur-Luft-Anlagen unterschieden.

Luft-/Wasser-Anlagen

Zur Temperierung erfolgt bei dieser Bauweise die Deckung der Transmissionswärme/-kälte im Raum über wassergebundene Flächenheiz- oder -kühlsysteme, (Heizkörper, Kühldecken, o. ä.), während die Temperierung der zugeführten Außenluft, Luftförderung, Filterung, Be- und Entfeuchtung in den zentralen Geräten verbleibt. Diese Bauweise garantiert eine flexible Raumnutzung hinsichtlich Luftmenge und Raumtemperatur.

Nur-Luft-Anlagen

Bei dieser Bauweise erfolgt die komplette Konditionierung des Raumes ausschließlich mit der zugeführten Luft. Nur-Luft-Anlagen kommen dann zum Einsatz, wenn aus besonderen Gründen wassergebundene Flächenheiz- oder -kühlsysteme im Raum vermieden werden sollen oder wenn größere Räume, wie Säle, Auditorien, Theater, Versammlungsräume, o. ä. klimatisiert werden müssen.

Zentrale Klimaanlagen gelten als bewährt. Die Komfortanforderungen im Raum hinsichtlich Luftqualität, Lautstärke, Luftfeuchtigkeit, Zugfreiheit und Temperatur lassen sich erfüllen. Die räumliche Konzentrierung wesentlicher Bauteilkomponenten bietet wirtschaftliche Vorteile bezüglich Energieeffizienz, Wartung, Hygiene und Flächennutzung.

Zentrale Lüftungsanlagen gestatten eine umfassende und energieeffiziente Aufbereitung der benötigten Luft. Unabhängig von der Fassadenausrichtung wird meist an der verkehrsabgewandten Gebäudeseite in Bodennähe im Winter wind-/regengeschützt relativ warme und im Sommer relativ kühle Außenluft ins Gebäude eingebracht. Die Baugrößen ermöglichen durchgängig den Einsatz von Komponenten mit hohen Wirkungsgraden, wie z. B. Ventilatoren, Wärmerückgewinnung, Schalldämpfung. Zur Steigerung der Energieeffizienz lassen sich leistungsfähige multifunktionale Wärmerückgewinnungssysteme einsetzen, die auch im Sommer „als Nebenprodukt“ mit der indirekten adiabatischen Verdunstungskühlung selbsterzeugte Kälte bereit stellen. Damit wird die Heizzentrale um einen Teil der thermischen Luftaufbereitung entlastet, und große stromzehrende Kälteanlagen inkl. deren Rückkühlwerke werden vermieden. Zudem können architektonische Möglichkeiten zur Vermeidung von Transmissionswärmeverlusten, wie z. B. Doppelfassade oder Passivhausbauweise umfassend genutzt werden.

Wird bei der Planung einer festinstallierten Klimaanlage die Kühllast berechnet, lassen sich Fehldimensionierungen vermeiden. Die Kühllastberechnung basiert auf der VDI2078. Oft genügt das Aufnehmen der Daten aus den entsprechenden vorhandenen Unterlagen (U-Wert der Baustoffe, Grundrisse usw.).

Dezentrale Klimaanlagen

Bei dezentralen Klimaanlagen werden die Luftbehandlungen Luftförderung, Filterung und Temperierung direkt im Raum ausgeführt. Unabhängig von der Himmelsausrichtung des Gebäudes wird über die Fassade die benötigte Luft raumweise angesaugt und ins Gebäude eingebracht. Die Raumabluft wird ebenfalls wieder raumweise über die Fassade ins Freie entlassen.

Analog den zentralen Klimaanlagen lassen sich dezentrale Klimaanlagen ebenfalls in Luft-/Wasser-Anlagen und Nur-Luft-Anlagen unterteilen. Allerdings beschränken sich hier die Nur-Luft-Anlagen auf relativ kleine Räume, wie z. B. Büroräume an der Fassade.

Dezentrale Klimaanlagen sind aus Fenster-Kühlaggregaten entstanden, wie sie seit langem in den heißen Regionen Asiens und Amerikas eingesetzt werden, indem eine Lüftungs- und Heizfunktion hinzugefügt wurde. Dezentrale Klimaanlagen werden vorzugsweise für den nachträglichen Einbau in einzelne Räume vorgesehen. An den Komfortanforderungen müssen unter Umständen bei Luftqualität, Lautstärke, Luftfeuchtigkeit, Zugfreiheit und Hygiene Abstriche gemacht werden. Das kann beispielsweise daran liegen, dass bei verkehrszugewandten Fassaden belastete Außenluft in den Raum geführt wird, dass über die Fassade ausgeblasene Fortluft wieder angesaugt wird, dass zusätzlich zum Ventilatorgeräusch über die Fassadenöffnungen auch Verkehrslärm in den Raum dringt, dass keine Be- und Entfeuchtung stattfindet, dass der Winddruck Einfluss auf die Luftbilanzierung des Gebäudes hat oder wegen fehlender Filtervorerwärmung durchnässte Filter verkeimen.

Dezentrale Klimageräte werden vorwiegend unter Flur oder in die Brüstung eingebaut. Dies verringert zentrale Luftverteilungen im Gebäude und die Ausweisung einiger Technikflächen im Keller oder auf dem Dach. Der Einbau in die Brüstung birgt die Möglichkeit geringer Geschosshöhen, allerdings wird dabei im Gegenzug die effektive Raumbodenfläche um den Überstand der Brüstung reduziert. Es ist zu beachten, dass Räumlichkeiten im Gebäudekern oder Untergeschossen nicht zu klimatisieren sind.

Bei der Erreichung guter Energieeffizienzen sind in größeren Anlagen Abstriche zu machen. Das liegt daran, dass der Vorteil vermiedener Luftverteilungen nicht die Nachteile bei der thermischen Luftaufbereitung überwiegt. Auf Grund der begrenzten Einbausituationen sind die einzelnen Bauteile klein gehalten, was die erreichbaren Wirkungsgrade z. B. beim Ventilator, Wärmerückgewinnung oder Schalldämpfer vermindert. Nicht gegen Regen und Wind geschützt, kann es in der Heizperiode passieren, dass die kältere Fassaden-Außenluft mehr aufgewärmt werden muss und dann mit einem höheren Luftheizbedarf zu rechnen ist. Auf Grund der Thermik und Strahlung erfordert die Fassaden-Außenluft im Sommer zudem höhere Kühlleistung. Da auch keine indirekte adiabate Verdunstungskühlung nutzbar ist, muss die Kühlleistung über Kältemaschinen und Rückkühlwerke erzeugt werden, die zusätzliche Technikflächen benötigen und hohe Stromverbräuche verursachen. Bei der Wartung dezentraler Bauteile hat sich gezeigt, dass Zeit- und Transportaufwand für lange Wege und erneute Rüstzeiten vor Ort durchweg erhöhte Kosten nach sich ziehen. Auch können Wartungsarbeiten im Raum Behinderungen im Arbeitsablauf der dort anwesenden Personen verursachen. Dezentrale Klimaanlagen gestatten ein eigenes Konzept zur flexiblen Raumnutzung und Kostenabrechnung.

Um über die Fassade Fortluftansaugungen zu vermeiden und damit auch Brand- und Rauchübertragung einzuschränken, führt man dezentrale Klimaanlagen inzwischen vermehrt als hybride Ausführungen aus. Dabei wird die Raumabluft im Gebäude zusammengefasst und über ein zentrales Abluftgerät über Dach abgeführt, während die Außenluftansaugungen der einzelnen Räume noch über die Fassade erfolgen.

Mechanische Kühlung

Eine Klimaanlage kann gegenüber konventionellen Heizungs- und Luftreinigungsanlagen auch kühlen, filtern und entfeuchten. Hierzu verfügt sie über einen Kältekreislauf, wie er ähnlich auch in vielen Kühlschränken vorzufinden ist. Die Filterung erfolgt oft über Filtervliese. Kondensationsflächen mit Wasserabläufen dienen der Lufttrocknung. Grob gesprochen wird die Wärme über den Kältekreislauf abtransportiert und dann auf der anderen Seite abgegeben. Folglich benötigt eine Klimaanlage immer ein Medium, mit dem sie die Wärme transportieren kann. Hierzu wird üblicherweise modernes Kältemittel R410A, R407C; R134a; Chlordifluormethan (R22) oder R290 (bei kleinen Anlagen wegen der Brandgefahr) und in Fahrzeugen R-134a sowie in älteren das heute verbotene R12 verwendet.

Eine Kaltluft-erzeugende Klimaanlage besitzt im Allgemeinen eine Wärmepumpe. In deren Kältekreislauf wird der Zusammenhang ausgenutzt zwischen Druck und Temperatur des Klimagases: Ein Gas, das man komprimiert, erwärmt sich; umgekehrt kühlt es sich ab, wenn man es entspannen (sich wieder ausdehnen) lässt.

1. Das Klimagas wird im Freien komprimiert, so kann die dabei entstehende Wärme an die Umwelt abgeführt werden. Das Klimagas ist danach komprimiert und hat wieder (Außen-)Umgebungstemperatur.
2. Das komprimierte Gas wird in den Innenraum geleitet, wo es sich in Kühlrippen wieder ausdehnen darf, wobei es diese unter (Innen-)Raumtemperatur abkühlt.
3. Raumluft wird an den Kühlrippen vorbeigeblasen und gibt dabei ihre Wärme an die Kühlrippen ab - und wird deutlich abgekühlt wieder in den Raum abgegeben.
4. Das entspannte, durch die Wärmeübertragung von der Raumluft wieder beinahe auf Raumtemperatur erwärmte Klimagas wird wieder nach außen zum Kompressor geführt. Der Kreislauf beginnt wieder von vorn.

Der Energieverbrauch, den moderne Klimaanlagen zum Kühlen oder Heizen benötigen, konnte stetig gesenkt werden. Da man nur den Wärmetransport über den Kältekreislauf (Kompressor) bezahlen muss, sind heute höherwertige Klimageräte mit einer Leistungszahl von 3,5 bis 4,0 keine Seltenheit. Diese benötigen also bei einem modernen, hochwertigen Klimagerät mit einer Kühlleistung von 4 kW nur eine Antriebsleistung von ca. 1,1 kW.

Bei Wohn- und Autoklimaanlagen hängt der Verbrauch stark von der Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur ab. Bei Klimaanlagen zum Kühlen von Rechenzentren oder Maschinen ist der primäre Verbrauchsfaktor die durch die Geräte erzeugte Wärme, die abgeführt werden muss.

Klimaanlagen werden auch immer öfter zum Heizen verwendet (also ein „umgekehrter Betrieb“), da sie rund 2/3 der abgegebenen Wärmemenge aus der Außenluft entnehmen und nur 1/3 der abgegebenen Wärmemenge elektrisch aufnehmen (Wärmepumpenprinzip). Moderne Geräte erreichen Leistungszahlen von bis zu 5 im Heiz- und bis zu 4 im Kühlbetrieb, d. h. nur noch 20–25 % der benötigten Energiemenge kommen aus der Steckdose. Höherwertige Splitklimageräte mit Wärmepumpenfunktion sind deshalb weit effizienter als Elektroheizungen. Es werden für größere Objekte bereits Wärmerückgewinnungsanlagen gebaut, bei denen auch die Abwärme im Kühlbetrieb für das Erwärmen von Brauchwasser genutzt werden kann. Auch eine Kombination mit einer Fußbodenheizung ist heute möglich.

Als Splitgeräte werden solche Klimaanlagen bezeichnet, die über eine Außeneinheit (Kondensator/Kompressor) und eine mit dieser über Kältemittelleitungen verbundenen Inneneinheit (Verdampfer), evtl. auch mehrere Inneneinheiten (Multi-Splitanlagen), verfügen. Zum technischen Verständnis des ablaufenden Kreisprozesses in Splitgeräten siehe Abschnitt „Kompressionskälteanlagen“ im Artikel Kältemaschine.

Als Klimaanlagen mit Inverter oder mit Inverter-Technologie werden solche Anlagen bezeichnet, bei denen sich die Leistung des Klimakompressors variabel dem Kühlbedarf anpassen kann. Die zentrale Rolle bei der Regulierung des Kompressors hat hierbei ein Frequenzumrichter, auch Inverter genannt – daher die Bezeichnung.

Bei herkömmlichen Klimaanlagen läuft der Kompressor entweder auf Höchstleistung oder ist abgeschaltet. Die Anpassung der Kühlleistung erfolgt durch den Wechsel verschiedenlanger Perioden von Betrieb und Stillstand des Kompressors. In Inverter-gesteuerten Anlagen wird die Leistung des Kompressors dem Kühlbedarf variabel und fließend angepasst. Der Wechselstrom aus dem Stromnetz wird dazu zunächst mit Hilfe eines Gleichrichters in Gleichstrom gewandelt, während der nachgeschaltete Wechselrichter den Strom wieder in Wechselstrom unterschiedlicher Frequenzen umwandelt. Je nach Wechselstromfrequenz dreht sich der Motor des Kompressors dann schneller oder langsamer und verändert so die Leistung des Kompressors.

Da bei einem intensiven Start-Stopp-Betrieb die mechanischen Bauteile der Geräte stärker beansprucht und auch das Stromnetz durch abrupte Änderungen der Leistungsaufnahme ineffizienter belastet wird, sind Klimaanlagen mit Inverter-Technologie in Situationen mit sich häufig und kontinuierlich änderndem Kühl- (oder Heiz-)Bedarf effizienter. In Situationen in denen ein durchgehender Betrieb auf Maximalleistung benötigt wird, sind die herkömmlichen Geräte wiederum im Vorteil, da bei der Inverter-Technologie beträchtliche Energieverluste durch die Konvertierung zwischen Wechsel- und Gleichstrom entstehen.

Wie bei anderen Haushaltsgeräten werden die Geräte in Energieeffizienzklassen von A (gut) bis G (schlecht) eingeteilt; diese Angabe ist mittlerweile Pflicht.

Außerdem sind, in geringem Umfang, Gaswärmepumpen im Einsatz. Diese werden mit einem Verbrennungsmotor betrieben und nehmen ihre Energie aus Erd- oder Flüssiggas. Strom wird hier lediglich für Steuerung bzw. bei Kaltwassermaschinen für kleinere Pumpen benötigt. Ein bekannter Hersteller dieser Geräte ist die Firma Aisin Seiki. Gaswärmepumpen haben den Vorteil, dass sie Primärenergie direkt einsetzen und so Verluste die bei der Verstromung von Gas und Verluste durch Transport der elektrischen Energie verloren gehen, vermieden werden. Sie haben jedoch den Nachteil der erhöhten Anschaffungskosten und Wartungsaufwand.