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Klimaanlage

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dezentrale Klimaanlagen (Außenmodule von Splitgeräten) in Hongkong, 2002

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, Feuchte und Luftqualität erzeugt und gehalten werden kann. Im Gegensatz dazu wird im Ausland oft unter Klimaanlage (air conditioning) lediglich eine Raumkühlung verstanden.

Klimaanlagen stellen für Mensch oder Tier ein zuträgliches Klima ein. Bei Maschinenräumen werden die notwendigen Umgebungsbedingungen für Anlagen und Maschinen gesichert.

Ein für den Menschen angenehmes Raumklima hat eine Temperatur von ca. 22 °C und ca. 50 % relative Luftfeuchtigkeit.

Funktionsweise

Eine Klimaanlage hat die Aufgabe Raumluft zu erneuern bzw. zu reinigen und Temperatur sowie Luftfeuchte in einem Raum zu konditionieren. Die Unterscheidung der Klimaanlagen erfolgt zum einen nach der Lüftungsfunktion:

  • mit Lüftungsfunktion : Außenluft
  • ohne Lüftungsfunktion : reine Umluft

und zum andern nach der thermodynamischen Behandlungsfunktion:

Eine (Voll)Klimaanlage erfüllt neben der Lüftungsfunktion alle vier der vorstehend genannten thermodynamischen Funktionen. Erfüllt sie nur zwei oder drei thermodynamische Funktionen, so spricht man von einer Teilklimaanlage und bei einer oder keiner thermodynamischen Funktion von einer Lüftungsanlage. Die Einteilung in (Voll)Klima- und Teilklimaanlagen gilt auch bei Umluftanlagen ohne Lüftungsfunktion.

Vor- und Nachteile von Klimaanlagen

Die Auswirkungen von Klimaanlagen auf die Produktivität bei der Arbeit ist umstritten und von vielen individuellen Faktoren beeinflusst.

Pro:

  • Gesundheitlich zuträgliche Atemluft wird den Arbeitsräumen zugeführt. Dies ist gemäß der Arbeitsstätten-Richtline dann erreicht, wenn die Luftqualität mindestens der Außenluftqualität entspricht. Auch Gerüche und Schadstoffe, wie Lösungsmittel aus Baustoffe oder Teppiche, Ozon aus Laserdrucker, Stäube, Gase und Dämpfe aus Herstellungsprozessen etc. werden abgeführt. Maßstab ist die maximale Konzentration am Arbeitsplatz (MAK).
  • Bei etwa 20 °C ist der Mensch zu 100 % leistungsfähig. Bei 28 °C sinkt die Leistungsfähigkeit auf 70 % und bei 33 °C auf 50 %[1]. An Büroarbeitsplätzen sollte die Temperatur 26 °C nicht übersteigen.

Contra:

  • Viele Menschen empfinden das künstliche Klima als unangenehm. Eine Befragung der AOK ergab, dass sich fast 40 % durch schlechte Belüftung und Klimaanlagen beeinträchtigt fühlen.
  • Schlecht gewartete Systeme können Bakterien, Schimmelpilze und Mikroorganismen verbreiten. Ein bekannter Fall führte zur Entdeckung der Legionärskrankheit. Aus diesem Grund wurden Klimaanlagen lange Zeit verdächtigt, ernsthafte gesundheitliche Beschwerden am Arbeitsplatz auszulösen[2].
  • Zwar verbrauchen moderne, effiziente Klimaanlagen weniger Energie als ältere Geräte, aber ein verlustleistungsfreier Betrieb ist prinzipiell unmöglich. Das belastet spürbar gerade urbane Stromversorgungsnetze.
  • Klimaanlagen führen in vielen Städten der heißeren Regionen schon zu spürbaren Umweltbelastungen, und zwar direkt durch die Aufheizung der Außentemperatur und indirekt über den Stromverbrauch. Dabei könnte man z.B. von der passiven Betonarchitektur der 50er und 60er Jahre in Japan, Taiwan usw. viele Alternativen lernen.

Zentrale Klimaanlagen

Bei zentralen Klimaanlagen werden vorwiegend alle Grundfunktionen räumlich in einer Technikzentrale zusammengefasst. Von dort aus verteilen Kanäle die zentral behandelte Luft in die einzelnen Räume. Hinsichtlich der Behaglichkeit, Energiebedarf der thermodynamischen Funktionen, Wartung, Brandschutz, Hygiene, Platzbedarf und Gebäudedichtheit werden alle Anforderungen hervorragend erfüllt. Große Luftverteilnetze führen in der Regel zu erhöhtem Strombedarf der Ventilatoren.

Dezentrale Klimaanlagen

Um die Vorteile fehlender Luftverteilnetze, bessere Einzelraumregelung und flexiblere Raumnutzung umsetzen zu können, werden dezentrale Klimaanlagen eingesetzt. Dazu ist pro Raum mindestens eine eigene Klimaanlage vorgesehen. Dabei ist zu beachten, dass dabei einige grundlegende Klimafunktionen nicht, eingeschränkt oder nur aufwendig umgesetzt werden können, wie z.B. Be- und Entfeuchten, effiziente Wärmerrückgewinnung, adiabate Kühlung, Hygiene, Brandschutz, Belüften und Gebäudedichtheit. Darunter gehören auch Einschränkungen im Komfortbereich hinsichtlich Behaglichkeit, Zugfreiheit, Luftqualität und Geräusche. Eingesparte Investitionen werden durch erhöhte Betriebsmittelkosten für Wartung, Wärme, Kälte oder Strom schnell eingeholt.

Ökologische Betrachtung

Klimaanlagen zur Kühlung werden insbesondere in den Subtropen und Tropen eingesetzt, um Wohn- und Arbeitsbedingungen zu schaffen, die denen moderaterer Klimazonen entsprechen. Sie sind in vielen warmen Ländern die Voraussetzung für den Aufbau wettbewerbsfähiger Industrien, so wie sie ursprünglich dem Süden der USA erst den Anschluss an die industrielle Entwicklung des Nordens ermöglicht hatten. Ohne Klimatisierung könnten beispielsweise die heranwachsenden Industrienationen Südostasiens ihr Wachstumstempo nicht durchhalten.

Daraus ergeben sich jedoch neue und belastende Probleme wie sehr hohe Energiekosten, Überlastungen der Energieversorger und lokale Klimaveränderungen. Aus diesem Grund nennen die Menschen im Großraum Tokio ihr Gebiet, das etwa auf der geografischen Höhe von Rom liegt, bereits „Hitzeinsel“.

Um diesen Problemen vorzubeugen, wird seit Mitte der 1980er Jahre in Deutschland immer mehr die adiabate Kühlung in der Gebäudeklimatisierung eingesetzt. Die erforderliche Kälte wird dabei durch Verdunstungskälte erzeugt. Durch Verdunsten von Wasser an der Luft entsteht ein Kühlpotential, das immer unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die erreichbare Untertemperatur hängt von den klimatischen Bedingungen der Luft ab und liegt in Deutschland im Mittel bei gut 10° C. Bis auf den Transport von Luft und Wasser wird zur Kälteerzeugung keinerlei mechanische-, elektrische- oder thermische Energie benötigt. Mit 1 m³ Wasser (etwa 5 €) lassen sich so am Tag gut 1000 m² Bürofläche kühlen.

2004 wurde in Toronto (Kanada) ein besonders innovatives und stromsparendes Kühlsystem für Bürogebäude installiert, das so genannte Deep Lake Water Cooling. Dabei wird dem nahen Ontariosee, aus ausreichender Tiefe 4 °C kaltes Wasser entnommen und durch eine Art „Nahkältenetz“ in bestimmte Gebäude verteilt, anschließend wird das Wasser wieder in den See zurückgeführt. Dieses Verfahren ist bei ausreichend großen Seen bzw. Wassermassen herkömmlichen Kühlsystemen ökologisch deutlich überlegen.

Ende 2005 bezogen Firmen in Neubiberg, einem südlichen Vorort von München, die Büro- und Laborgebäude von Campeon. In den Gebäuden wird mit Konvektionswärmeübertragern gekühlt und geheizt. Die künstliche Seenanlage um Campeon herum wird als Biotop entwickelt und gleichzeitig von der Klimatechnik genutzt. Wie immer bei weiträumig ausgebauter Klimatechnik gibt es auch hier individuelle Beschwerden, denen durch Öffnen von Fenstern und im Sommer mit leichten bis dicken Pullovern begegnet werden kann.

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 Filterfliese. 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 - also Wärme, wenn gekühlt werden soll, oder Kälte, wenn geheizt werden soll. Hierzu wird üblicherweise modernes Kältemittel R410A, R407C; R134; R22 oder R290 (bei kleinen Anlagen wegen der Brandgefahr) und in Fahrzeugen R134a sowie in älteren das verbotene R12 verwendet.

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 Markenklimageräte mit einer Leistungszahl von 3,5 bis 4,0 keine Seltenheit. Diese benötigen also bei einem modernen Markenklimagerät 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[3] verwendet, 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 Kühlbetrieb, d. h. nur noch 20 – 25 % der benötigten Wärmemenge kommen aus der Steckdose. Marken-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 verbundenen Inneneinheit (Verdampfer), evtl. auch mehrere Inneneinheiten (Multi-Splitanlagen), verfügen. Zum technischen Verständnis des ablaufenden Kreisprozesses in Splitgeräten siehe Abschnitt „Kompressionskälteanlagen“ unter dem Kapitel Kältemaschine.

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

Anwendungsbereiche und Bauarten

Die Bauarten von Klimaanlagen sind sehr verschieden; es wird unterschieden zwischen

  • Direktverdampfern und
  • indirekter Kühlung über Kaltwasser- oder Solekühler.

In kleinen Klimaanlagen, wie Raumkühlgeräte, PKW-Klimaanlagen, Krananlagen und Klimaanlagen in Zügen wird die Luft direkt über ein den Einbau eine Verdampferbündels in dem Luftstrom gekühlt. Großanlagen für die Klimatisierung von Bürogebäuden oder auch zur Kühlung von größeren Elektroschaltanlagen mit einer größeren Anzahl von Kühlstellen werden indirekt gekühlt. Der Verdampfer der Kälteanlage ist ein Wärmeübertrager, der Wasser oder Sole kühlt. Die Sole besteht aus Wasser, dem Frostschutzmittel beigegeben ist. Es wird ein geschlossener Kühlkreislauf mit Kreiselpumpen betrieben, in dem ein Ausdehnungsgefäß zur Aufnahme der thermischen Volumenänderung eingebaut ist.

Die Leistungen der Klimaanlagen reichen von 2 kW Kälteleistung (Raumklimagerät) bis zu zentralen Kälteanlagen im Steinkohlenbergbau mit einer Kälteleistung bis 3.000 kW je Verdichteraggregat.

Für den privaten Gebrauch kommen Monoblock- oder Splitgeräte in Frage:

  • Monoblockgeräte haben einen Ansaug- und Abluftschlauch für die Kühlluft, die dem Verflüssiger zugeführt wird. Die Schläuche können fest verlegt in Wanddurchbrüchen verlegt sein oder im einfachen Fall einfach aus einem Fenster gehängt werden. Diese Geräte haben den Nachteil, dass durch den zwangsläufigen Luftdruckausgleich die nach außen geblasene Abluft sofort wieder ersetzt wird durch (warme) Außenluft, die durch die Ritzen in Fenstern und Türen einströmt. Somit wird ein großer Teil der Wirkung der Klimaanlage wieder zunichte gemacht. Ferner sind diese Geräte lauter als Splitgeräte, da das Gebläse für die Ansaugung der Verflüssigerkühlluft in dem Gerät integriert ist.
  • Splitgeräte sind effizienter, da der Verflüssiger an einer günstigen Stelle außerhalb des zu kühlenden Raums aufgestellt werden kann. Verflüssiger und Verdampfer werden über Schlauchleitungen verbunden. Die Schlauchkupplung ist praktisch ohne Totraum ausgeführt, so dass nach dem Verbinden der Teile die Klimaanlage ohne Eingriff in den Kältemittelkreis betrieben werden kann. Einige Split-Klimageräte verfügen heutzutage über eine sog. Wärmepumpenschaltung, die es ermöglicht, die Klimaanlage auch im Herbst, Winter und Frühling als energiesparende Zusatzheizung bis zu einer Außentemperatur von bis zu –15 °C zu betreiben.

Bekannt aus den USA ist auch eine Klimaanlage von der Größe eines Mikrowellenherdes, die in einen Fensterrahmen gestellt werden kann, und die Abwärme direkt nach außen abgibt. Dazu ist es jedoch erforderlich, den Rest des Fensterrahmens gegen die ansonsten wieder eintretende Abluft zu verschließen. Dies ist nur bei den in den USA üblichen Fenstern praktikabel, die nach oben aufgeschoben werden können.

Weitere Einsatzgebiete

Fahrzeuge

Schalter für eine manuelle Klimaanlage
Schalter für eine manuelle Klimaanlage (BMW)
Bedienungseinheit einer Kfz-Klimaautomatik (Audi)

Klimaanlagen werden auch in Luftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen eingesetzt. Oftmals wird dabei auch von Klimatronik (oder Klimatronic, Climatronic) oder Klimaautomatik gesprochen. Der generelle Unterschied liegt in der Bedienungsart und/oder Ansprechart der Bauteile der Klimaanlage. Eine Klimatronik sowie eine Klimaautomatik werden elektronisch geregelt, dagegen funktionieren ältere Anlagen nur über Drehregler oder mechanisch, dabei spricht man von „manueller“ Klimaanlage. Zudem ist es mit modernen Klimaautomatiken in Fahrzeugen sogar möglich, die Temperatur für Fahrer, Beifahrer sowie Rückbank separat einzustellen. Üblicherweise wird auch die unterschiedliche Erwärmung des Fahrgastraumes durch Sonneneinstrahlung kompensiert, indem die Position der Sonne über einen Sonnenstandssensor (auch: Solarsensor) ermittelt und dementsprechend die betroffene Seite des Fahrzeugs stärker gekühlt wird.

Durch Klimaanlagen wird häufig ein gesteigerter Komfort empfunden begleitet durch erhöhtes Wohlbefinden, was auch die Sicherheit fördern kann. Insbesondere bei hohen Temperaturen kann die Konzentrationsleistung des Fahrers erheblich abnehmen. Früher noch als verzichtbarer Luxus abgetan, erlebten Kfz-Klimaanlagen in Deutschland in den 1990er Jahren einen regelrechten Boom. In bestimmten Fahrzeugklassen gilt heute ein Gebrauchtfahrzeug ohne Klimaanlage schon als nahezu unverkäuflich. Der Betrieb des Klimakompressors erhöht auch den Arbeitswiderstand des Motors und somit auch den Verbrauch. Der Mehrverbrauch reicht in der Realität von nicht messbar bis über 5 l/100 km. Wie hoch er letztendlich ist, hängt neben den Betriebsbedingungen von Motorleistung und Bauart des Klimakompressors ab. Neuere Messungen (2006) verschiedener Institute (u. a. ADAC) ergaben Mehrverbräuche von 0,8 – 1,2 l/100 km bei Autobahnfahrten und 2 – 4,5 l/100 km im Stadtverkehr.

Verschiedene Verbraucherschutzorganisationen plädieren dafür, den Mehrverbrauch durch die Klimaanlage in den Fahrzeugdaten mit auszuweisen. Die Verbrauchsangabe pro 100km ist allerdings denkbar ungeeignet, da der Verbrauch mehr von der Betriebszeit als der Strecke abhängt. Ein mit 5km/h fahrendes Auto hätte z.B. einen sehr hohen Mehrverbrauch durch eine Klimaanlage, weil diese 20 Stunden laufen müsste, bis die 100km zurückgelegt sind.

Klimaanlagen können auch bei älteren Fahrzeugen nachgerüstet werden. Der Aufwand dafür ist oft erheblich, da in der Regel das Armaturenbrett ausgebaut werden muss, um den Verdampfer installieren zu können. Die Montage kann nur geschultes Fachpersonal vornehmen. Der Einsatz von FCKW-Kältemitteln ist mittlerweile verboten worden. Technischer Stand ist die Verwendung des fluorierten Kohlenwasserstoffes R134a. Kälteanlagen in Kraftfahrzeugen weisen sehr hohe Kältemittelverluste auf, die durch den Einbau "offener Verdichter" hervorgerufen werden. Die Verluste werden in erster Linie durch Undichtheiten an der Verdichterwellenabdichtung verursacht. Begünstigt werden die Undichtheiten, wenn der Verdichter im Winter nicht eingeschaltet wird und kein Öl der Wellenabdichtung zugeführt wird. Hinzu kommen Undichtheiten an lösbaren Verbindungen, die durch die Schwingungen des Motors verursacht werden. Die Anlage sollte ca. alle ein bis zwei Jahre auf etwaige Verluste an Kältemittel überprüft werden.

Ab 2011 verbietet eine EU-Richtlinie den Einsatz von FKWs mit einem GWP-Wert größer 150 (dazu zählt auch R134a) in Klimaanlagen neu zugelassener KFZ. In Zukunft soll stattdessen Kohlendioxid (R744) zum Einsatz kommen. Es besitzt ein vielfach geringeres Treibhaus-Potential als herkömmliche Kältemittel (GWP von 1) und trägt nicht zum Ozonabbau bei. Zudem zeigte sich in Testfahrten in fast allen Fällen eine höhere Energieeffizienz als für Systeme, die mit HFC-134a arbeiten. Kältetechnische Komponenten für die erforderlichen Hochdruck-Systeme wurden bereits entwickelt und versprechen einen baldigen kommerziellen Einsatz.

Schiffe

Auf Schiffen ist der Betrieb einer Klimaanlage sehr viel einfacher und kostengünstiger, da hier die Abfalltemperatur über das praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehende und relativ kalte Seewasser abgegeben werden kann. Aus diesem Grunde können auch wesentlich tiefere Temperaturen erreicht werden. Beispiele für solche als „Kaltwassersatz“ bezeichneten Klimageräte findet man z. B. auf fast allen Schiffen der Deutschen Marine.

Eisenbahn

Klimagerät auf dem Dach eines GTW

Nahezu alle modernen Triebzüge und Personenwagen sowie die Führerstände vieler Lokomotiven sind mit Klimaanlagen ausgerüstet. Die Klimageräte sind entweder unter dem Fußboden, oder auf dem Dach eingebaut (Niederflurfahrzeuge). Sie werden meistens über die Zugsammelschiene mit Energie versorgt. Damit keine warme Außenluft ins Wageninnere gelangen kann, können bei klimatisierten Zügen die Fenster nicht geöffnet werden. Die Klimageräte sind meistens als Splitgeräte aufgebaut.


Flugzeuge

siehe Klimaanlage (Flugzeug)


Siehe auch

Literatur

  • Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenbuch für Heizung+Klimatechnik., 73. Auflage., Oldenbourg Industrieverlag München 2007, ISBN 3-8356-3104-7
  • Klaus Daniels, Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure - ISBN 3-7281-2727-2
  • Maake-Eckert, Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik - ISBN 3-7880-7310-1
  • Jungnickel, H.; Agsten, R.; Kraus, W. E.: Grundlagen der Kältetechnik. 3. Auflage, Verlag Technik, Berlin 1990, ISBN 3-341-00806-3
  • Lehrbuch der Kältetechnik (Hrsg. H.L. von Cube; F. Steimle; H. Lotz; J. Kunis) Bd.1 und 2, 4. Auflage, C. F. Müller Verlag, Heidelberg 1997, ISBN 978-3-7880-7509-5

Quellen

  1. ↑ Süddeutsche Zeitung, 22. Juli 2006, Jutta Göricke, S.V2/13.
  2. ↑ Klimaanlage - Gefahr für die Gesundheit?
  3. ↑ S.75, "Wozu heizen wir unser Zimmer?" in: Michail W. Wolkenstein (Mikhail Vladimirovich Volkenstein), Entropie und Information
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