Schatzkarte zum richtigen Raumklima...

Schatzkarte zum richtigen Raumklima

Anschauliche Darstellung des Luftzustands

Das h,x-Diagramm (Mollier-Diagramm)

Das h,x-Diagramm ist ein wichtiges Werkzeug für Kälte-Klima-Experten. Sie nutzen es bei der richtigen Auslegung und Einstellung von Klimageräten, Heizungen und Befeuchtungslösungen.

Luftkonditionen ablesen und berechnen

Im h,x-Diagramm können die für das Raumklima maßgeblichen Werte Temperatur, Feuchtegehalt, relative Feuchtigkeit und Enthalpie (Wärmeinhalt) sowie ihre Abhängigkeiten voneinander abgelesen werden. Es ist ein wichtiges Hilfsmittel, um Zustandsänderungen zu erklären und Probleme in einem System zu erkennen.

Das h,x-Diagramm wird auch verwendet, um verschiedene Möglichkeiten zur Luftkonditionierung zu vergleichen oder aber die Leistung von Geräten zum Heizen, Kühlen oder Be- und Entfeuchten von Räumen zu verbessern.

Eine bahnbrechende Idee

Vor 100 Jahren stellte der deutsche Physiker Richard Mollier sein Diagramm zur Veranschaulichung von Luftbehandlungsprozessen vor. Seine Idee: Die bis dahin wenig aussagekräftige Darstellung der Zustandsgrößen feuchter Luft durch Scherung (Parallelverschiebung) sichtbar zu machen. In dem nun schiefwinkligen Koordinatensystem können die Abhängigkeit von Temperatur, Feuchte, Enthalpie, Dichte und Partialdruck der feuchten Luft anschaulich abgelesen und Luftbehandlungsprozesse grafisch dargestellt werden.

Zustandsgrößen feuchter Luft


Temperatur

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Die Temperatur kennzeichnet den thermischen Zustand eines Systems, also die gemessene Wärme, die durch Teilchenbewegung entsteht. Sie wird mit einem Thermometer in den Einheiten Grad Celsius oder Kelvin gemessen und kann im h,x-Diagramm an der Ordinate (y-Achse) entlang von Isothermen abgelesen werden.

Die Isothermen zeigen konstante Temperaturen an. Sie steigen, bedingt durch den Wärmeinhalt des zunehmenden Wassergehalts, nach rechts oben leicht an und verlaufen dabei nicht parallel zur x-Achse. Die einzige Ausnahme ist die 0-°C-Isotherme, die einen horizontalen Verlauf aufweist.

Feuchte

+
Feuchtegehalt
Der Feuchtegehalt gibt an, wieviel g Wasserdampf in 1 kg trockener Luft enthalten sind. Im h,x-Diagramm kann er an senkrechten Linien mit konstantem Feuchtegehalt an der X-Achse abgelesen werden.

Relative Feuchte
Die relative Feuchte ist der prozentuale Sättigungsgrad an Wasser, das die Luft zum jeweiligen Zeitpunkt aufgenommen hat. Sie wird in % r. F. angegeben und ist eine anschauliche Größe, um die Höhe der Luftfeuchte abzuschätzen. Da die relative Luftfeuchtigkeit bei Erwärmung abnimmt, muss die dazugehörige Temperatur angegeben werden. Im h,x-Diagramm wird die relative Feuchte an den sogenannten Isohumen abgelesen.

Enthalpie

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Die Enthalpie ist ein Maß für die Energie in einem thermodynamischen System. Sie gibt an, wieviel Wärme von außen aufgebracht werden muss, um eine Zustandsänderung zu bewirken. Im h,x-Diagramm bezieht sich die spezifische Enthalpie auf die trockene Luft bzw. auf den Wasserdampf. Die angegebenen Werte sind die Differenz vom betrachteten Punkt zum Punkt bei 0 °C und 0 % Luftfeuchtigkeit (abgelesen an sogenannten Isenthalpen).

Dichte

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Die Dichte beschreibt die Masse der feuchten Luft pro Volumen und wird in der Einheit kg/m³ angegeben. Sie ist abhängig von der Temperatur und dem Feuchtegehalt der Luft: Je höher die Temperatur, umso mehr dehnt sich die Luft aus und die Dichte sinkt. Auch bei steigendem Feuchtegehalt sinkt die Dichte des feuchten Luftgemischs. Im h,x-Diagramm wird die Dichte entlang von sogenannten Isochoren an der Y-Achse abgelesen.

Druck

+
Absolutdruck
Der Absolutdruck ist der auf der betrachteten Höhenlage herrschende Luftdruck. Er muss unbedingt angegeben werden, da das Verhalten feuchter Luft stark vom Luftdruck abhängig ist. Wenn sich der Absolutdruck ändert, verschieben sich insbesondere die Sättigungskurven.

Partialdruck
Der Wasserdampf-Partialdruck ist der zusätzlich entstehende Druck, wenn Wasser verdampft. Je höher der Wasserdampfanteil ist, desto höher ist auch der Partialdruck. Die die Luft nicht unbegrenzt viel Wasser aufnehmen kann, zeigt die Sättigungslinie, ab wann das Wasser aus der Luft kondensiert. Im h,x-Diagramm wird der Partialdruck an senkrechten Linien an der X-Achse abgelesen.

Nutzung des h,x-Diagramms

Im h,x-Diagramm lassen sich aus jeweils zwei bekannten Zustandsgrößen alle anderen ableiten. Luftbehandlungsprozesse wie heizen, kühlen, mischen sowie be- und entfeuchten lassen sich so grafisch darstellen und die Zustandsgrößen von vorher und nachher vergleichen.

Luftbehandlungsprozesse

Heizen

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Das Heizen ist die einfachste Zustandsänderung feuchter Luft, da sich dabei der Feuchtegehalt der Luft nicht ändert. Um die gewünschte Lufttemperatur zu erreichen, muss der Luft eine bestimmte Wärmemenge zugeführt werden. Im h,x-Diagramm verläuft dieser Luftbehandlungsprozess daher auf einer senkrechten Linie nach oben. Die Temperatur steigt und die relative Feuchte nimmt ab, weil Luft mit höherer Temperatur mehr Wasser aufnehmen kann.

Kühlen

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Das Kühlen ist eine Zustandsänderung mit verschiedenen Variationen. Wenn die Temperatur sinkt, steigt die relative Feuchte zunächst. Wird die Sättigung erreicht, kondensiert ein Teil der Luftfeuchtigkeit aus. Im h,x-Diagramm verläuft dieser Luftbehandlungsprozess daher auf einer senkrechten Linie nach unten bis zu Sättigungslinie. Wird weiter gekühlt, liegt der neue Zustandspunkt im Nebelgebiet.

Auch technisch gibt es zwei Möglichkeiten, die Luft abzukühlen: Die Luft kann über eine kältere Oberfläche geführt werden und wird damit gleichzeitig entfeuchtet. Bei der Verdunstungskühlung wird Wasser im Luftstrom vernebelt rund die Luft damit zugleich befeuchtet.

Befeuchten

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Ist die Luft zu trocken, kann sie mit Wasser oder mit Dampf befeuchtet werden. Daraus entstehen zwei verschiedene Zustandsänderungen.

Bei der Dampfbefeuchtung wird die Zustandsänderung des Wassers über eine externe Energiequell herbeigeführt. Es wird verkocht und der heiße Dampf erhöht die Luftfeuchtigkeit. Im h,x-Diagramm verläuft dieser Luftbehandlungsprozess entlang von Isothermen, die Lufttemperatur bleibt also annähernd gleich.

Bei der Befeuchtung von Wasser wird die benötigte Energie der Umgebung entzogen und es entsteht ein kalter Nebel, der den Raum befeuchtet. Im h,x-Diagramm verläuft dieser Luftbehandlungsprozess entlang von Adiabaten, die spezifische Enthalpie bleibt also bei der Erhöhung des Feuchtgehalts annähernd konstant, während die Temperatur sinkt.

Entfeuchten

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Ist die Luft zu feucht, kann sie durch Kühlung oder durch Sorption entfeuchtet werden. Daraus entstehen zwei verschiedene Zustandsänderungen.

Wird ein Luftstrom bis zur Sättigung gekühlt, fällt mit Erreichen des Taupunkts (temperaturabhängig) ein Teil der Luftfeuchtigkeit als Kondensat aus – der Feuchtegehalt der Luft sinkt. Im h,x-Diagramm verläuft dieser Luftbehandlungsprozess zunächst auf einer senkrechten Linie nach unten bis zur Sättigungslinie und folgt dieser bei weiterer Kühlung. 

Bei der Sorption wird die feuchte Luft über Trockenräder geführt, die mit einem Trockenmittel beschichtet sind. Der Rotor nimmt die Feuchtigkeit in einem fortwährenden Kreislauf auf und gibt sie an einem erwärmten Gegenluftstrom wieder ab. So können bei der Trocknung von feuchter Luft sehr niedrige Taupunkte erreicht werden. Im h,x-Diagramm verläuft dieser Luftbehandlungsprozess nach links oben, ohne einer speziellen Linie zu folgen. Während der Feuchtegehalt und die relative Feuchte abnehmen, steigen die Temperatur und die spezifische Enthalpie.

Für einen sehr niedrigen Taupunkt werden die beiden Zustandsänderungen kombiniert: Zunächst wird die Luft mit einem Vorkühler vorentfeuchtet und anschließend mit einem Rotationsentfeuchter auf den gewünschten Taupunkt gebracht.

Mischen

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Werden zwei Luftströme mit ihren jeweiligen Zustandsgrößen gemischt, stellt sich der Zustand der Mischung im h,x-Diagramm auf der Verbindungsgeraden zwischen deren Anfangszuständen ein. Ist einer der Luftströme z. B. viel größer als der andere, liegt der Zustand der Mischung im Diagramm sehr nahe beim Anfangszustand des größeren Luftstroms.

Das behagliche Raumklima

Wie sollte das Raumklima sein, damit wir uns wohlfühlen? Neben der Temperatur spielt auch die Luftfeuchte eine wichtige Rolle für unser Wohlbefinden. Im Sommer wird eine Raumtemperatur zwischen 25 und 27 °C sowie eine relative Luftfeuchte zwischen 40 und 50 % als angenehm empfunden, im Winter eine Raumtemperatur zwischen 19 und 22 °C bei ebenfalls 40 bis 50 % relativer Luftfeuchte. Wenn es im Sommer sehr heiß und schwül oder im Winter sehr kalt und trocken ist, sinken das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit. Für eine ideale Luftkonditionierung kann das h,x-Diagramm ein hilfreiches Werkzeug sein.