Aufbau einer Klimaanlage
Eine Zentralanlage besteht aus diesen Teilen:
- Wärme- und Kältequelle: Ein Kaltwassersatz (Chiller) macht kaltes Wasser (etwa 7 C). Ein Heizkessel oder eine Wärmepumpe macht warmes Wasser zum Heizen. Ein Kühlturm oder ein Außengerät gibt die Wärme nach draußen ab.
- Pumpen und Rohre: Sie transportieren das Wasser.
- Raumlufttechnisches Gerät (RLT-Gerät, AHU): Filter, Wärmetauscher (Kühler oder Heizer), Ventilator und manchmal ein Befeuchter.
- Kanäle und Luftauslässe: Sie führen die Luft und verteilen sie im Raum.
- Regelung: Fühler, Regler und Ventile.
Der Weg der Luft: Raumluft, Filter, Kühler, Ventilator, Kanal, Luftauslass, Raum.
Zentrale und einzelne Klimageräte
Zentrale Systeme erzeugen kaltes Wasser oder kalte Luft an einem Ort und schicken sie in viele Räume. Sie passen zu großen Gebäuden: gute Regelung, hoher Wirkungsgrad, nur ein Ort für die Wartung. Dafür braucht man Technikräume und Schächte.
Einzelsysteme (Fenstergerät, Split-Gerät, Kassettengerät, VRF) versorgen einen Raum oder eine Zone. Sie sind günstig, leicht einzubauen und jeder Raum wird einzeln geregelt. Viele Geräte können aber mehr Lärm draußen und mehr Wartung bedeuten. Ein Split-Klimagerät hat ein Innengerät und ein Außengerät, die durch Kältemittelleitungen verbunden sind. Bei VRF hängen viele Innengeräte an einem Außengerät.
Regelung von Klimaanlagen
Ein Regelkreis hat einen Fühler (Temperatur oder Feuchte), einen Regler und ein Stellglied (Ventil, Klappe oder Ventilatordrehzahl). Der Regler vergleicht den gemessenen Wert mit dem Sollwert und greift ein. Ein Zweiwegeventil öffnet weiter, wenn der Raum warm ist. Weitere Regelungen: die Ventilatordrehzahl, die Klappenstellung für Frischluft und Zeitpläne, die die Anlage nachts abschalten.
Das ist ein Regelkreis mit Rückkopplung: messen, vergleichen, handeln, wiederholen.
Energiesparen bei der Klimaanlage
- Stelle die Temperatur auf 24 bis 26 C. Jedes Grad höher spart etwa 6 %.
- Dämme Wände und Dach, beschatte die Fenster und dichte Spalten ab.
- Nutze Inverter-Verdichter sowie Ventilatoren und Pumpen mit variabler Drehzahl.
- VAV (variabler Luftvolumenstrom) senkt den Luftstrom, wenn die Last klein ist. Die Ventilatorleistung sinkt etwa mit der dritten Potenz der Drehzahl.
- Gewinne Wärme aus der Abluft zurück und nutze freie Kühlung, wenn die Außenluft kühl ist.
- Reinige Filter und Kühler, repariere Lecks und schalte leere Räume aus.
COP (Leistungszahl) = Kühlleistung / elektrische Leistung. Ein höherer COP heißt: weniger Strom für dieselbe Kühlung.
Auslegung von Klimaanlagen
Schritte der Auslegung: (1) Kühl- und Heizlast bestimmen; (2) die Anlagenleistung wählen (kW oder TR); (3) den Luftstrom berechnen V = Q / (rho x cp x ΔT); (4) die Kanäle bemessen, Fläche A = V / v (in Büros etwa 5 m/s); (5) den Kaltwasserstrom berechnen m = Q / (cp x ΔT) mit cp = 4.18 kJ/kg K; (6) Pumpen, Ventilatoren und Regelung auswählen. Gib eine kleine Sicherheitsreserve dazu, aber vermeide eine zu große Anlage.
Wichtige Formeln und Definitionen
- COP = Kühlleistung / elektrische Leistung
- Luftstrom V = Q / (rho x cp x deltaT), rho = 1.2 kg/m3, cp = 1.005 kJ/kg K
- Kanalquerschnitt A = V / v
- Wasserstrom m = Q / (cp x deltaT), cp = 4.18 kJ/kg K
- Ersparnis etwa 6 % pro Grad höherer Solltemperatur
Gelöste Beispiele
1. Eine Klimaanlage liefert 9 kW Kühlleistung bei 3 kW Stromaufnahme. Berechne den COP.
COP = 9 / 3 = 3.
2. Ein Raum braucht 6 kW sensible Kühlung, die Zuluft ist 10 K kälter. Berechne den Luftstrom.
V = 6 / (1.2 x 1.005 x 10) = 0.4975, also etwa 0.5 m3/s.
3. Der Luftstrom beträgt 0.5 m3/s bei 5 m/s. Berechne den Kanalquerschnitt.
A = 0.5 / 5 = 0.1 m2.
4. Ein Kühler entzieht 84 kW; das Wasser erwärmt sich um 5 K. Berechne den Wasserstrom.
m = 84 / (4.18 x 5) = 4.02 kg/s, also etwa 4 L/s.
5. Ein Gerät braucht 900 kWh im Monat. Die Solltemperatur wird um 2 Grad erhöht. Strom kostet 8 pro kWh. Berechne die monatliche Ersparnis.
Ersparnis 12 % = 108 kWh. Geld = 108 x 8 = 864.
Häufige Fehler
- Ein Gerät wählen, das viel größer ist als die Last, sodass es ständig ein- und ausschaltet (Taktbetrieb).
- Das Thermostat in die Sonne oder neben eine Wärmequelle stellen.
- Die Filter nicht reinigen, sodass der Ventilator härter arbeiten muss.
- COP (ohne Einheit) und Leistung in kW verwechseln.