Klimaanlage

Die Funktion von Klimaanlagen ist die Kühlung von Räumen innerhalb der Gebäudehülle. Sie spielen besonders in Nichtwohngebäuden, wie beispielsweise Bürogebäuden eine große Rolle, da in dicht besetzten Räumen durch die inneren Wärmequellen (Personen, Rechner, etc.) Temperaturen oberhalb der Komfortgrenze entstehen können.

 

 

Varianten der Kälteverteilung im Gebäude

 

Wie bei den Lüftungsanlagen unterscheidet man zunächst zwischen zentralen und dezentralen (also raumweisen) Anlagen.

 

Zentrale Klimaanlagen

 

Die beiden folgenden Arten der Wärmeübertragungen an die Raumluft sind üblich:

 

- Luft - Wasser - Anlagen und

- Nur - Luft - Anlagen

 

Bei Nur - Luft - Anlagen, wird die gesamte Raumkühlung durch konditionierte Zuluft erreicht. Dabei wird die Kälteleistung durch einen Wärmetauscher in die Zuluftleitungen eingetragen.

Luft - Wasser - Anlagen nehmen durch gekühlte Flächen die Wärme der Räume auf. Ein sehr naheliegendes Beipiel hierfür ist die Nutzung einer Wärmepumpe (die auch Kälteleistung erzeugen kann) zur Kühlung über die Heizkörper und Heizkreise.

 

/// Bild: Gebäube Prinzip zentrale Klimaanlage Nur Luft vs Luft Wasser ///

 

Dezentrale Klimaanlagen

 

Dezentrale Klimaanlagen können raumweise installiert werden. Oft sind hierbei ästethische Erwägungen nicht unerheblich. In heißen Regionen kommen diese Geräte oft zum Einsatz, da so Installations- und Investitionsaufwände gering gehalten werden können. Zudem sind solche Geräte, ähnlich wie dezentrale Lüftungsgeräte auch für diie nachträgliche Installation geeignet. Da private Wohngebäude in Deutschland selten klimatisiert sind und weit überwiegend Nichtwohngebäude zentral klimatisiert werden, ist der Einsatz eher selten. Zudem kann ein dezentrales Klimagerät nicht im Mauerwerk untergebracht werden, wie eine dezentrale Lüftungsanlage.

 

 

Kältemaschinen

 

Kältemaschinen in Klimaanlagen werden überwiegend als Kompressionskältemaschinen seltener als  Sorptionsmaschinen in größeren Projekten ausgeführt.

 

Sorptionsanlagen sollen hier nicht weiter erläutert werden, da sie bisher selten sind. Der grundsätzliche Vorteil ist, dass Sorptionsanlagen ohne Kältemittel auskommen. Da in Zukunft solche Systeme aufgrund ihrer besseren ökologischen Gesamtbilanz zum Einsatz kommen könnten, finden Interessierte hier einige weiterführende Informationen.

 

Kompressionskältemaschinen funktionieren im Prinzip gleich einer Wärmepumpe, nur in umgekehrter Wärmetransportrichtung (Kühlung statt Heizung).

 

/// Bild: Wärmepumpe vs. Kompressionskältemaschine ///

 

Entscheidend für die Effizienz einer Kompressionskältemaschine sind die folgenden Einflüsse:

 

Kältemittel

Das Kältemittel ist zentral für die Auslegung des thermischen Prozesses. Immer noch gängigstes ist R134a. Ein Beispiel der ökologischen Konsequenzen ist für die Wärmepumpen gerechnet.

 

/// Bild: Prozess für R134a ///

 

Zwei Studien von zu Kältemitteln von Klimaanlagenherstellern finden Sie unter [1], [2].

Die ältere Studie von 2001 ist dabei eine Reaktion auf die Ausbreitung des Ozonlochs und dem weltweiten Verbot von FCKW (auch als R22 bezeichnet). Die neuere Studie von 2010 zeigt die neure Tendenz zur Vermeidung des Treibhauseffektes.

Grundsätzlich ist bei Kältemitteln immer die Abwägung zu treffen, inwieweit die positiven Effekte, nämlich die Reduzierung der Klimaschädlichkeit, andere Konsequenzen nach sich ziehen, insbesondere die Wirtschaftlichkeit, aber auch sicherheitsrelevante Fragen, wie die Brennbarkeit.

Die Beurteilung ist vor dem Hintergrund von sich ändernden gesetzlichen Bestimmungen schwierig und die geeignete Auswahl sollte mit einem Fachplaner besprochen werden.

 

In der folgenden Tabelle [3] finden Sie eine Übersicht von Kältemitteln, wobei folgende Eigenschaften aufgeführt sind:

 

- GWP, als Maß für das Treibhauspotential. Das GWP (Global Warming Potential) ist ein Vergleichswert der Menge an CO2, die in die Atmosspäre ausgestoßen werden müsste, um den gleichen Treibhauseffekt zu verursachen

- MAK, als die Konzentration die permanent als unbedenklich eingestuft wird. Je niedriger die MAK (Maximale Arbeitsplat Konzentration), desto höher müssen Schutzmaßnahmen sein.

- COPtheoretisch, als erreichbare Effizienz in einem idealisierten Vergleichsprozess*. Je höher, desto größer ist die erreichbare Effizienz.

Gruppe Kältemittel

GWP

MAK COPtheoretisch Sonstiges
H-FCKW R22 1900 1000 5,8 Verboten für Neuanlagen
H-FKW R134a 1600 1000 5,8 Zukunft unsicher
R404A 2340 1000 4,9
Anorganische Ammoniak

0

25 6  
CO2 1 5000 -  
Organische Propan 20 2500 5,7 Brennbar

 

Außentemperatur

 

Es gilt:

 

Je höher die Außentemperatur,

desto schlechter die Effizienz einer Kompressionskältemaschine

 

Als erster Richtwert für die Temperaturspreizung zwischen Außenluft und Zuluft der zu kühlenden Räume kann man von 10 - 20 °C ausgehen.

In den Klimaregionen Deutschlands gibt es nur wenige Tage im Jahr, in denen die Temperaturen ein Niveau erreichen, in denen der Wirkungsgrad von Kältemaschinen einbricht. Allerdings ist es gerade diese Spitzenlast, in denen Klimaanlagen Klimaanlagen ihre Höchstleistung erbringen müssen, um den Raumkomfort zu gewährleisten. Daher werden sie auf diese Lasten ausgelegt, was die Investitionskosten beeinflusst. Die Zusammenhänge sind sehr grob, das folgende Bild soll nur eine Tendenz widerspiegeln.

 

/// Bild: Zusammenhang COP - Außentemperatur R134A, R404A ///

 

Eine Möglichkeit ist ein sogenannter Luftbrunnen, dessen Prinzip schon im antiken Rom genutzt wurde. Dabei wird die Luft durch einen Erdwärmetauscher auf ein Temparturniveau gebracht, das im Winter über und im Sommer unter der Außenlufttemperatur liegt.

 

/// Bild: Alter Luftbrunnen, neuer Luftbrunnen ///

 

Die Investiion muss hierbei den Einsparungen gegenübergestellt werden.

 

Kompressor

 

Übliche Bauarten sind:

 

Hubkolbenverdichter

 

/// Bild: Hubkolbenverdichter ///

 

- Gutes Teillastverhalten

- Schallpegel problematisch

 

Schraubenverdichter

 

/// Bild: Schraubenverdichter ///

 

- Weniger gutes Teillastverhalten

- Ruhiger Lauf

- Ölbedarf höher

- Stufenlose Regelung

 

/// Bild: Scrollverdichter ///

 

- Weniger gutes Teillastverhalten

- Ruhiger Lauf

 

 

Klimaanlagen und Feuchteschutz

 

Klimaanlagen haben einen Einfluss auf die relative Feuchte. Wenn Außenluft oder Umluft gekühlt wird, steigt die relative Luftfeuchtigtkeit. Wenn dadurch Behaglichkeitsgrenzen überschritten werden oder sogar das Risiko von Schimmelbildung besteht.

Einen guten Ansatz, welche Feuchtegrenzen nicht überschritten werden sollten, geben die "Technischen Regeln für Arbeitsstätten". Demnach gilt als Obergrenze für die relative Luftfeuchtigkeit:

Raumlufttemperatur rel. Luftfeuchtigkeit
[°C] [%]
20 80
22 70
24 62
26 55

 

Effizienz und Wirtschaftlichkeit

 

Kompressionskältemaschinen haben einen COP von 2,5...6. Bei vorgekühlter Luft, beispielsweise über einen Luftbrunnen, können Werte > 10 erreicht werden.

 

Grundlage der Klimaanlagenauslegung und der Bestimmung des Verbrauches ist die Kühllastberechnung.

 

Als Beispiel sei hier ein EFH mit einer Nutzfläche von 150 m², einer zentralen Klimaanlage mit einer installierten Kälteleistung von 8 kW und einem COP von 4.

 

Heiße Sommertage: 30

Nutzungsdauer pro Sommertag: 10 h

Endenergiebedarf pro Jahr (Strom): 600 kWh

Stromkosten: 25 ct / kWh

Stromkosten pro Jahr: 150 €/Jahr

*: Carnot Prozess mit to = 0 °C (Verdampfer), tc = 40 °C (Verflüssiger), tu = 35 °C (Unterkühlung)

 

[3] "Heizung, Klima, Technik"; Rechnagel, Sprenger, Schramek; 73. Auflage; 2007 Oldenbourg Verlag, S.1781

 

Druckversion Druckversion | Sitemap
© Christoph Mevenkamp