Klimaanlage

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Eine Klimaanlage ist eine Anlage zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Raumklimas. Je nach Zielsetzung sorgt sie für konstante Temperatur durch Erwärmung oder Kühlung der Luft, reguliert die Luftfeuchtigkeit durch Ent- oder Befeuchtung, oder sie reduziert den Staubanteil in der Luft durch Filterung, Be- oder Entlüftung. Bei Kraftfahrzeugen bezeichnet der Begriff im allgemeinen die Komponente der Kühlung.

Eine Vollklimaanlage muss sieben Funktionen erfüllen:

1. Befeuchten
2. Entfeuchten
3. Kühlen
4. Heizen
5. Belüften (auch Ventilation)
6. Entlüften
7. Filtern

Klimaanlagen für Räume und Fahrzeuge sorgen durch Ihren Aufbau für eine Temperatur und Luftfeuchtigkeit, bei der sich ein für Menschen oder Tiere zuträgliches Klima einstellt. Bei Maschinenräumen werden die notwendigen Umgebungsbedingungen für Anlagen und Maschinen gesichert. Weitere häufige Einsatzgebiete sind Rechenzentren und Operationssääle.

Ein für den Menschen angenehmes Raumklima hat eine Temperatur von ca. 23 °C und ca. 50 % r.F.

Inhaltsverzeichnis 1 Funktionsweise 2 Anwendungsbereiche und Bauarten 3 Vor- und Nachteile von Klimaanlagen 4 Ökologische Betrachtung 5 Weitere Einsatzgebiete 5.1 Fahrzeuge 5.2 Schiffe 5.3 Flugzeuge 6 Philosophische Betrachtung 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 Quellen

[Bearbeiten] Funktionsweise

Klimaanlagen sind Entropiepumpen^[1], die nach dem Prinzip der Thermodynamik Wärmelasten und Feuchtigkeit aus Wohn- und Arbeitsbereichen heraus in die Umwelt transportieren. Drinnen wird es dadurch angenehmer, draußen unangenehmer.

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^[2] 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.

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

[Bearbeiten] 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. Bei den Geräten muss bei der Montage darauf geachtet werden, dass die nach außen geblasene Abluft nicht sofort wieder durch (warme) Außenluft, die durch das geöffnete Fenster oder durch Türritzen einströmt, ersetzt wird und somit ein großer Teil der Wirkung der Klimaanlage wieder zunichte gemacht wird. 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.

[Bearbeiten] Vor- und Nachteile von Klimaanlagen

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

Pro:

• Bei etwa 20 °C ist der Mensch zu 100 % leistungsfähig. Bei 28 °C sinkt die Leistungsfähigkeit auf 70 % und bei 33 °C auf 50 %^[3]. An Büroarbeitsplätzen sollte die Temperatur 26 °C nicht übersteigen.

Contra:

• Zwar verbrauchen moderne Klimaanlagen mit gutem Leistungsfaktor weniger Energie als ältere Geräte, aber ein verlustleistungsfreier Betrieb ist prinzipiell unmöglich. Deswegen kommt zur exportierten Entropie immer noch zusätzliche Entropie hinzu. Das belastet spürbar gerade urbane Stromversorgungsnetze.
• 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.
• Klimaanlagen wurden lange Zeit verdächtigt, ernsthafte gesundheitliche Beschwerden am Arbeitsplatz auszulösen^[4].

• 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 Betonarchitektur der 50ger und 60ger Jahre in Japan, Taiwan usw. viele Alternativen lernen. Schon die nächste Generation wird nicht mehr so locker die Klimaanlage anwerfen können. Es wird einfach zu teuer werden. Statt dessen wird intelligentes Bauen wiederenteckt werden.

[Bearbeiten] Ökologische Betrachtung

Klimaanlagen 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 einem 1 m² 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.

[Bearbeiten] Weitere Einsatzgebiete

[Bearbeiten] Fahrzeuge

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 Sonnenenstrahlung 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 Kraftfahzeugen 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 neuzugelassener 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.

[Bearbeiten] 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.

[Bearbeiten] Flugzeuge

siehe Klimaanlage (Flugzeug)

[Bearbeiten] Philosophische Betrachtung

Wie alle Lebewesen müssen Menschen Entropie exportieren^[5][6], und zwar um so mehr, je mehr Energie sie umsetzen. Das können sie nur, wenn die Entropie ihrer Umgebung niedrig genug ist. Wo die Entropie nicht niedrig genug ist, muss entweder weniger Energie umgesetzt werden (das ist die Aufgabe der Siesta) oder man braucht Entropiepumpen.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Klimatechnik
• Kühlschrank
• Wärmepumpe
• Kryostat
• Kältemaschine
• Kühlwagen
• Pankha

[Bearbeiten] Literatur

• Recknagel-Sprenger-Schramek, Taschenbuch für Heizung Klimatechnik - ISBN 3-486-26214-9
• Maake-Eckert, Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik - ISBN 3-7880-7310-1
• Klaus Daniels, Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure - ISBN 3-7281-2727-2

[Bearbeiten] Weblinks

• Informationsdienst für Gebäudetechnik
• Informationen zu Kühldecken
• Legislative Entschließung des Europäischen Parlaments zu dem Gemeinsamen Standpunkt des Rates im Hinblick auf den Erlass der Verordnung des Europäischen Parlaments und des Rates über bestimmte fluorierte Treibhausgase
• RICHTLINIE 2006/40/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 17. Mai 2006 über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen und zur Änderung der Richtlinie 70/156/EWG
• Verbraucherstudie Klimaanlage im Auto
• Verbrauchsmessungen bei geöffnetem Fenster - WDR
• Österreichisches Informationsportal zu Klimatechnik

[Bearbeiten] Quellen

1. ↑ Martin Goldstein and Inge F. Goldstein: The Refrigator and the Universe, Harvard 1995
2. ↑ S.75, "Wozu heizen wir unser Zimmer?" in: Michail W. Wolkenstein (Mikhail Vladimirovich Volkenstein), Entropie und Information
3. ↑ Süddeutsche Zeitung, 22. Juli 2006, Jutta Göricke, S.V2/13.
4. ↑ Klimaanlage - Gefahr für die Gesundheit?
5. ↑ E. Schroedinger: What is life? 1943 (Erwin Schrödinger: Was ist Leben? 1987)
6. ↑ S.142 in: Michail W. Wolkenstein (Mikhail Vladimirovich Volkenstein), Entropie und Information, 1986, ISBN 3817111002 und ISBN 3055006283 (wg. urheberrechtlichen Streits vergriffen)