Der Artikel "Klimaanlagen" (8.4) informiert über die Definition und die Aufgaben einer Klimaanlage und vermittelt in diesem Zusammenhang Grundwissen für den technisch interessierten Laien. Es werden wichtige Begriffe und die verschiedenen Bauarten erklärt. Es wird auf die Auslegung eingegangen sowie auf Vorschriften und Auflagen, die es zum Bau einer Klimaanlage gibt. Zum Schluss werden Tips für das Vorgehen bei der Planung abgegeben.
8.4 Klimaanlagen
Braucht
es wirklich eine Klimaanlage?
Wann
sind Klimaanlagen notwendig?
Grundsatz
8.4.1 Einleitung
Definitionen
Aufgaben
einer Klimaanlage
Luftkonditionierungselemente,
Luftauslässe
Aufgaben
einer Klimaanlagen-Regelung
8.4.3 Bauarten
Klimassteme
Raumluftverteilsysteme
8.4.4 Auslegung
Grundlagen,
Auflagen, Vorschriften
Grundlagen
für den Bedarfsnachweis einer Klimaanlage
Anlagendimensionierung
8.4.5 Tips für Planung,
Praxis, Energie
Planung
Praxis
Energie
Braucht es wirklich eine Klimaanlage?
Wann
sind Klimaanlagen notwendig?
Grundsatz
Diese Frage muss man sich wegen der relativ hohen Energie- und
Instandhaltungskosten von Klimaanlagen regelmässig stellen und abklären, ob die
Anforderungen an die Luftkonditionierung noch gelten oder ob inzwischen vielleicht mit
kostengünstigeren Methoden ähnliche Resultate erreicht werden können. Auf jeden Fall
sollen das Befeuchten, das Kühlen und das Entfeuchten der Luft nur dann erfolgen, wenn
keine Alternativen zur Verfügung stehen und es unabdingbar notwendig ist.
Grundsätzlich braucht es nur dann Klimaanlagen, wenn die Temperatur
und die relative Feuchte der Luft über längere Zeit innerhalb eines Toleranzbereiches
konstant bleiben müssen. Diese Anforderungen können gegeben sein bei der Produktion, der
Lagerung oder dem Umschlag von Produkten sowie in Räumen, in denen geforscht oder
entwickelt wird. Erhköhte Anforderungen an die Umgebungsluft beziehen sich oft nur auf
eine begrenzte Zone, so dass für die übrigen Bereiche ein reduzierter Komfort völlig
ausreicht. Es gibt aber auch sogenannte Komfortanlagen, bei denen eine Klimatisierung
notwendig wird.
Klimaanlagen müssen primär durch die Anforderungen begründet werden.
Damit ist gemeint, dass nur die absolut notwendigen Bereiche und Prozesse klimatisiert
werden. Ist eine Klimaanlage begründet, so ist darauf zu achten, dass die Bereitstellung
und die zu erfüllenden Funktionen (Heizen, Befeuchten, Kühlen, Entfeuchten) möglichst
nahe an der effektiven Nutzung liegen. Nach dem heutigen Stand der Technik sollten stets
auch energiearme alternative Methoden geprüft werden.
Definitionen
Aufgaben einer
Klimaanlage
Luftkonditionierungselemente,
Luftauslässe
Aufgaben einer
Klimaanlagen-Regelung
Eine Klimaanlage muss mindestens folgende Funktionen erfüllen: Heizen,
Befeuchten, Kühlen und Entfeuchten, Erneuern und Reinigen der Luft. Fehlt eine dieser
Funktionen, handelt es sich um eine "Teilklimaanlage"
Schaffung eines den Anforderungen entsprechenden Raumklimas bezüglich Raumlufttemperatur, Raumfeuchte, Luftreinheit und Luftbewegung. Lufterneuerung, Luftfiltrierung, Geruchsbeseitigung, Schadstofferfassung und Beseitigung von Abwärme, oft auch Konstanthaltung von Druckdifferenzen zwischen Räumen, definierte Reinheit der Raumluft, definierte Luftströmung zum Schutz von Produkten oder Personen sind ebenfalls wichtige Aufgaben. Für die thermodynamischen Prozesse einer Klimaanlage werden folgende Elemente eingesetzt:
| Funktion | Lüftungselement | Prozessmedium |
| Erwärmen | Lamellenrohr-Lufterwärmer, Wärmerückgewinner (WRG) regenerativ oder rekuperativ | Heisswasser, Dampf, Strom, Heizungswarmwasser, WRG-Sole |
| Befeuchten | Kontaktbefeuchter, Luftwäscher, Ultraschallbefeuchter, Dampfbefeuchter | Trinkwasser (kalt, warm, dampfförmig, teilweise entsalzt) |
| Kühlen | Luftkühler, Direktverdampfer | Kälte-Kaltwasser, Sole, Kältemittel, Trinkwasser |
| Entfeuchten | Luftkühler, Direktverdampfer, Sorptionsentfeuchter und gegebenenfalls Nachwärmer | Kälte-Kaltwasser, Kälte-mittel, Chloridlösungen, Kieselgel (Silika-Gel) |
Die thermodynamischen Funktionen der Klimaanlage werden mit Hilfe von
Luftkonditionierungselementen erreicht, welche entweder in einer zentralen Einheit
(Monoblock) eingebaut sind oder dezentral in Lüftungskanälen, an Fensterbrüstungen, im
Raum, in Deckenelementen oder in Doppelböden montiert werden. Für eine zugfreie
Verteilung der klimatisierten Luft in der Aufenthaltszone von Personen und für definierte
Reinheit und Luftströmung ist die Wahl geeigneter Luftauslasselemente sowie die korrekte
Dimensionierung und Anordnung dieser Elemente von entscheidender Bedeutung.
Einhalten einer bestimmten Raumlufttemperatur durch Erwärmung und
Kühlung. Einhalten einer vorgeschriebenen relativen Luftfeuchtigkeit durch Befeuchten
(hauptsächlich im Winter) und Entfeuchten (hauptsächlich im Sommer). Energetisch
optimale Nutzung der Aussenlufttemperatur und der Feuchte.
| Begriff | Bemerkungen |
| Klimaanlage | Luftkonditionierungsanlage mit den vier thermodynamischen Funktionen Heizen, Befeuchten, Kühlen und Entfeuchten. |
| Teilklimaanlage | Luftkonditionierungsanlage mit nur 2 oder 3 der oben aufgezählten Funktionen. |
| Kühlanlage | Anlage zur Kühlung der Raumluft, gegebenenfalls mit einer Befeuchtung ergänzt. Verwendung in Kühl- und Tiefkühlräumen. Die Lufterneuerung, Filtrierung, Heizung usw. fehlen, ausser die Heizung dient der Enteisung. |
| Klimagerät | Kompakte Umluftkühlgeräte (auch Splitgeräte oder Fan-coil-Anlage genannt) zum Einbau in Fenster oder Aussenwände zur Kühlung eines Raumes. Split-Geräte haben im Raum nur den Kühler und den Ventilator, mit einer Verbindungsleitung zum Aussengerät (Verdichter und Verflüssiger). Der Begriff Klima ist hier irreführend, denn die Geräte ersetzen keine Klimaanlage. Deshalb ist vorgängig eine genaue Definition der Komfortbedingungen nötig. |
| Monobloc | Gerät zur Aufbereitung von Luft mit Hilfe von Apparateeinheiten wie Filter, Ventilator, Lufterhitzer, Befeuchter, Kühler usw. |
| Lufterwärmer (Lufterhitzer) |
Wärmetauscher mit lamellierten Rohren zur Erwärmung der Luft mit dem Wärmetransportmedium Heizungswarmwasser, Heisswasser oder Dampf. |
| Luftkühler | Wärmetauscher mit lamellierten Rohren zur Kühlung und Entfeuchtung der Zuluft oder der Umluft mit Kaltwasser, welches in einer Kälteanlage erzeugt wurde. |
| Absorption | Reduktion des Wasserdampfgehaltes der Raumluft durch Kontakt mit einer hygroskopischen Flüssigkeit, z. B. Lithiumchlorid. |
| Adsorption | Reduktion des Wasserdampfgehaltes der Raumluft durch Anlagerung an der Oberfläche eines festen Körpers, z. B. Kieselgel. |
| Klimakonvektor, Induktionsgerät |
Gerät in Hochdruck-Klimaanlagen, in dem durch die Einführung von Primärluft durch ein Düsenrohr durch statischen Unterdruck Umluft aus dem Raum via Wärmetauscher (Konvektor) angesaugt und nachbehandelt wird, mit Luftauslassgitter und Temperaturregelung. |
| Induktionsströmung | Induzierung von Umgebungsluft durch statischen Unterdruck, der mit einem Luftstrom bei hoher Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird. |
| Zweikanalmischapparat | Apparat, in dem Kaltluft und Warmluft, stufenlos geregelt, vermischt und bei konstantem Luftstrom auf einen tieferen Netzdruck entspannt wird. |
| Verdrängungsströmung | Stabile, gerichtete, gleichmässige Strömung ohne Richtungsumkehr. |
| Induktionsströmung (turbulente Strömung) |
Die Energie des Zuluftstrahls induziert Raumluft; deren Richtung und Geschwindigkeit ist ungleichmässig. |
| Quellluftauslass | Luftausslass über dem Boden, für Zuluft mit leichter Untertemperatur, erzeugt einen ÇFrischluftseeÈ. Die Wärmequellen (Personen, Apparate) erzeugen den thermischen Auftrieb. |
| Drallauslass | Luftauslass, der durch die kreisförmige Anordnung von Schaufeln eine Drallströmung (Luftwirbel) bewirkt. |
Klimassteme
Raumluftverteilsysteme
Die verschiedenen Klimasyteme werden aufgrund ihrer Bauart in die beiden Hauptgruppen reine Luftsysteme und Wasser-Luftsysteme eingeteilt:
| Bauarten | Zonen | Bemerkungen | Mögliche Einsatzorte |
| Reine Luftsysteme: | |||
| Einkanalsystem mit konstanter Zuluft | eine | örtliche Heizflächen | Verwaltungs- und Laborgebäude mit ähnlichen Lastverhältnissen in allen Räumen |
| mehrere | Nachwärmer, Nachkühler, Zonenregelklappen, örtliche Heizfläche, Kühldecke | unterschiedliche Lasten in den Räumen | |
| Einkanalsystem mit variabler Zuluft | mehrere | Volumenstromregler | Büros, Labors |
| Zweikanalsystem mit Warmluft und Kaltluft, Volumenstrom konstant oder variabel | mehrere | Mischapparate, VS-Regler |
Verwaltungs- und Laborgebäude mit gleichartigen Räumen und geringer Kühllast |
| Wasser- Luftsysteme: | |||
| Primärluftanlage mit örtlicher Nachwärmung | pro Achse | Induktionsgerät | Verwaltungsgebäude mit gleichartigen Räumen und geringer Kühllast |
| Primärluftanlage mit örtlicher Kühlung | Raumzone | Induktionsgerät, Kühldecke, Kühlbalken | Verwaltungsgebäude mit verschiedenartigen Räumen |
| Ventilatorkonvektoran-lage mit Primärluft und Umluft oder mit örtlicher Aussenluft | pro Achse | Kühler, Nachwärmer | Verwaltungsgebäude mit verschiedenartigen Räumen |
| Zweileiter-Induktionsanlage mit Primärluft | pro Achse | Induktionsgeräte, zentrale Umschaltung Heizen/Kühlen | Verwaltungsgebäude mit Räumen gleicher Nutzung |
| Dreileiter-Induktionsanlage mit Primärluft | pro Achse | Induktionsgeräte mit örtlicher Umschaltung | Verwaltungsgebäude mit Räumen unterschiedlicher Nutzung und wechselnden Lasten |
| Vierleiter-Induktions-anlage mit Primärluft | pro Achse | Induktionsgeräte mit zwei Wärmetauschern | Verwaltungsgebäude mit Räumen unterschiedlicher Nutzung und wechselnden Lasten |
Je nach Raumgestaltung, Raum-Layout der Möbel und der Apparate, Standort der Wärmequellen und der Arbeitsplätze sowie der Luftmengen und der Klimasysteme wird eines der unten erwähnten Raumluftströmungsprinzipien angewandt:
| Strömungsprinzip, Zulufteinführung | Luftauslass | Mögliche Einsatzorte |
|
Bodendrallauslass oder Lochplatten | Konstantes oder variables Luftvolumensystem |
|
Quellluftauslass | Konstantes oder variables Luftvolumensystem |
|
Brüstungsgitter | Induktionsklimaanlage mit Klimakonvektor |
|
Drall-, Schlitz-oder Düsenauslass | 1-Kanal-, 2-Kanal-, VV-System |
|
Gitter und Düsen | 1-Kanal-System |
Grundlagen, Auflagen, Vorschriften
Grundlagen für
den Bedarfsnachweis einer Klimaanlage
Anlagendimensionierung
Damit eine optimale Auslegung einer Klimaanlage möglich ist, sind vorgängig Grundlagen zu erarbeiten. Diese müssen in einem interdisziplinären Team erarbeitet werden. Zu diesen Daten gehören:
| Grundlagen, Konzepte | Dokumente, Planungsdaten |
| Raumprogramm | Arbeitsplätze, Apparatedisposition Apparateleistungen |
| Betriebskonzept | Raumluftzustände, Komfortzonen, interne Lasten, Betriebszeiten, Gleichzeitigkeitsfaktor |
| Energieversorgung | vorhandene / mögliche Energien |
| Energiegesetze | Gebäudehüllendaten, Grenzwerte |
| Anlagenkonzept | Kühllastberechnung, Lufttemperatur, Luftstrom, Temperaturen, Drücke, System-Varianten, Regelung |
Der Bedarf muss nachgewiesen werden, denn Klimaanlagen sind nach heutigem Energiegesetz (Basel-Stadt und Baselland) grundsätzlich zuerst einmal verboten, wenn eine Lüftung ausreicht. Folgende Daten müssen für einen Bedarfsnachweis vorhanden sein:
| Dokumente | Grundlagendaten |
| Raumfunktionen | Situation, Personendichte, Raumkonditionen |
| Betriebskonzept, Prozessverfahren, Prozessabläufe | Raumluftanforderungen, Luftreinheit, Differenzdruck, Schadstoffkonzentration, Wärmelasten, zeitliche Lastverteilung, Betriebszeiten |
| Energiekonzept | Luftmengen, Luftwechselraten, Anlagesysteme, Energierückgewinnung, Energiebedarf, Energiekennzahlen |
Für die Auslegung der Anlagen werden den Vorstudien und dem Bedarfsnachweis Daten entnommen:
| Daten | Auslegung |
| Raumanforderungen Klima | Zuluft-Temperaturbereich, Feuchte |
| Gebäudehülle | Örtliche Heizleistung / Kühllast |
| Interne Lasten | Kühllast |
| Luftreinheit, Dichtheit der Räume | Filtertyp, Raum-Differenzdruck |
| Schadstoffanfall, Abwärmelasten | Zuluftstrom, Verteilsystem |
| Raumluftzustand, Aussenluftzustände, Lasten | Lufterhitzer-, Kühler-, Befeuchtungs- und Entfeuchtungsleistung |
| Luftströme, Druckverluste | Ventilatorleistung |
| Zu- und Abluftdaten | WRG-Leistung, Wirkungsgrad |