LEXIKON

Kältetechnik

Als Kälte wird in der Technik, insbesondere in den damit befassten Unterdisziplinen der Kühl- und Kältetechnik, ein Zustand mit einer Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur bezeichnet.

Die Umgebungstemperatur ist in der Kühltechnik als Bezugs- und Grenztemperatur von besonderer Bedeutung, da die natürliche Umgebung (Atmosphärenluft, Gewässer, Erdreich, …) in der Regel als Wärmesenke für die Abwärme von Kühlprozessen dient. Gemäß dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik fließt Wärme aber nicht „freiwillig“ (ohne Exergiezufuhr) entgegen einem Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Senke. Es ist daher mit einfachen Methoden der Kühlung, die nur auf einem freien Wärmeübergang und somit Temperaturausgleich zwischen Quelle und Senke basieren, nicht möglich, die Temperatur der Quelle (hier: das zu kühlende Objekt) unter die der Senke (hier: die Umgebung) abzukühlen. Soll die Temperatur weiter abgesenkt werden, muss zur Aufrechterhaltung des Wärmestromes ein Kälteprozess zwischengeschaltet werden. Da hierbei aktiv Energie aufgewendet werden muss, wird häufig davon gesprochen, dass die Kälte „erzeugt“ werden muss.

Die Methoden und Verfahren zur Erzeugung von Kälte sind Gegenstand der Kältetechnik (bei Temperaturen unterhalb von -150°C auch Kryotechnik genannt). Als Kälteprozesse kommen verschiedene Prozesse in Frage, die auf unterschiedlichen physikalischen Effekten beruhen. Die meisten stationären Kälteprozesse nutzen zyklische Phasenwechsel eines Kältemittels in einer Kältemaschine.

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Klimatechnik

Aufgabe der Klimatechnik ist es, Temperatur, Luftfeuchte und Luftqualität (CO2-Gehalt) in einem Raum auf die gewünschten Werte zu regeln – unabhängig von inneren (Wärmequellen wie z.B. Personen, EDV, Beleuchtung) und äußeren Lasten (Sonneneinstrahlung, Transmissionswärmeverluste – bzw. gewinne, etc.) Dazu dienen Maschinen und Einrichtungen, sogenannte Klimaanlagen, die mit geeigneter Luftführung Wärme abführen (kühlen) oder zuführen (heizen), die Feuchtigkeit steigern (befeuchten) oder absenken (entfeuchten) und die eingesetzten Medien (Luft, Wasser) transportieren.

Klimatechnik findet für verschiedenen Nutzungsbereiche, wie Büro- und Wohngebäuden, Lagerhäusern, Gewächshäusern, Kfz oder in der Prozesstechnik (Windkanäle, Prüftechnik, Klimakammern, etc.) Anwendung.

Für die Raumluft in Büroräumen gilt z. B.:

  • Temperatur der Raumluft zwischen 19 und 27 °C,
  • Luftfeuchtigkeit zwischen 30 und 70 %,
  • die Luftbewegung sollte laminar sein und <= 0,2 m/s betragen.

In Deutschland tritt für das Raumklima und der Kategorisierung der Luftschadstoffe ab Oktober 2009 die DIN EN 13779 – Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme in Kraft.

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Kältemittel

Kältemittel transportieren Enthalpie (das heißt Wärmeenergie) von dem Kühlgut zur Umgebung. Der Unterschied zum Kühlmittel ist, dass ein Kältemittel in einem Kältezyklus dies entgegen einem Temperaturgradienten tun kann, so dass die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes, während ein Kühlmittel lediglich in der Lage ist, in einem Kühlzyklus die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren.

Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“ bzw. nach DIN 8960 Abs. 3.1 als „Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt.“ Die Definitionen nach DIN beziehen sich auf Kompressions-Kältemaschinen. Als Zustandsänderung im Sinne der Norm ist eine Änderung des Aggregatzustandes gemeint (siehe Kältemaschine).

Kältemittel werden in geschlossenen oder offenen Kälteanlagen als Arbeitsmedium eingesetzt. Während bei Kältemitteln im engeren Sinne Wärme durch Verdampfung bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aufgenommen wird, geschieht dies in einer Kältemischung chemisch durch eine Mischungs- oder Lösungsreaktion. Die Regeneration erfolgt daher bei Kältemitteln durch Verflüssigung (in einem konventionellen Verdichter mit nachfolgendem Verflüssiger), bzw. bei Kältemischungen durch Entmischung (in einem „thermischen Verdichter“ einer Absorptionskältemaschine).

Ammoniak, Kohlenstoffdioxid und Wasser, aber auch Kohlenwasserstoffe und Luft werden, im Gegensatz zu halogenierten Kohlenwasserstoffen, auch als natürliche Kältemittel bezeichnet, da diese Substanzen in der Natur vorkommen. Dabei wird außer Acht gelassen, dass auf natürlichem Wege sowohl von Mikroorganismen und Pflanzen als auch infolge vulkanischer Tätigkeit nicht unerhebliche Mengen an halogenierten Kohlenwasserstoffen freigesetzt werden[1]. Natürliche Kältemittel tragen nicht zum Abbau der Ozonschicht bei und haben entweder keinen oder nur einen sehr geringen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt.

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Kaltwassersatz

Kaltwassersätze, bei einigen Herstellern auch water-chiller oder process-cooler genannt, dienen in erster Linie dazu, ein Fluid zu kühlen. Dieses wird als Wärmeträgermedium eingesetzt und hat die Aufgabe, an einer Wärmequelle Wärme aufzunehmen und abzutransportieren. Häufig kommt dabei Wasser zum Einsatz, das in Abhängigkeit von der Temperatur zur Frostsicherheit mit Ethylenglycol und Korrosionsschutzinhibitoren versetzt wird.

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Luftfeuchtigkeit

Die Luftfeuchtigkeit – oder kurz Luftfeuchte – bezeichnet den Anteil des Wasserdampfs am Gasgemisch der Erdatmosphäre oder in Räumen. Flüssiges Wasser (zum Beispiel Regentropfen, Nebeltröpfchen) oder Eis (z. B. Schneekristalle) werden der Luftfeuchtigkeit folglich nicht zugerechnet. Die Luftfeuchtigkeit ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche technische und meteorologische Vorgänge sowie für Gesundheit und Behaglichkeit.

In Abhängigkeit von der Temperatur kann Luft von einem gegebenen Volumen nur eine gewisse Höchstmenge Wasserdampf aufnehmen. Das geläufigste Maß für die Luftfeuchtigkeit ist die relative Luftfeuchtigkeit, angegeben in Prozent (%). Sie gibt für die aktuelle Temperatur und den aktuellen Druck das Verhältnis des momentanen Wasserdampfgehalts zum maximal möglichen Wasserdampfgehalt an.

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Luftführung

Die Luftführung beschreibt in der Lüftungstechnik den Strömungsweg der Luft durch den Aufenthaltsbereich des Raumes. Dabei wird zwischen Verdrängungslüftung und Verdünnungslüftung unterschieden. Maßgebend für Ausbildung der Lüftungsart sind Art und Anordnung der Luftdurchlässe im Raum. Die Luftführung hat starken Einfluss auf den Energieverbrauch (Strom, Wärme, Kälte) und Behaglichkeit einer Lüftungs- bzw. Klimaanlage. Die Verdrängungsströmung wird vorwiegend in Bereichen eingesetzt, an die besondere Anforderungen an Sicherheit oder Hygiene besteht, z. B. Labore, OP-Räume, Reinräume. Ansonsten kommt als Kompromiss zwischen einfacherer Bauweise und gestalterischen Ansprüchen der Architekten überwiegend die Verdünnungsströmung zum Einsatz.

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Lufttemperatur

Eine für den Menschen behagliche Raumtemperatur hängt von der Wärmeabgabe der Person ab. Die empfundene Raumtemperatur wird als operative Temperatur bezeichnet und ist der Mittelwert aus der Luft- und Strahlungstemperatur. Dafür werden für definierte Bekleidung, Aktivität, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte für die verschiedensten Räume Richtwerte der Behaglichkeitsgrenzen empfohlen. Mit den Kategorien 1–4 lässt sich der Prozentsatz der damit zufriedenen Personen vorhersagen: über 94 %, über 90 %, über 85 % und bis 85 %.

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Luftqualität

Für die Luftqualität erfolgt eine Klassifizierung in vier Kategorien.
– Kategorie IDA-1: Hohe Raumluftqualität
– Kategorie IDA-2: Mittlere Raumluftqualität
– Kategorie IDA-3: Mäßige Raumluftqualität
– Kategorie IDA-4: Niedrige Raumluftqualität
Die Raumluftqualität hängt von der Art und Wirkung der berücksichtigten Verunreinigung ab und ob sich in dem Raum z. B. vorwiegend Erwachsene, Kinder oder Kranke aufhalten. In der Praxis erfolgt die qualitative Bestimmung nach vier Verfahren, die je nach Eigenart des Raumes angewandt werden; und zwar nach:
1. Außenluftstrom je Person (Raum, in dem sich vorwiegend Personen aufhalten, z. B. Büro) Die Zufriedenheitsrate liegt in den Kategorien 1–4 bei über 85 %, 80 %, 70 % und bis 70 %.
2. Luftvolumenstrom je Bodenfläche (kein Aufenthaltsbereich für Personen, z. B. Lagerraum)
3. CO2-Konzentration (Raum, in dem vorwiegend natürliche Ausdünstungen von Personen vorherrschen)
4. Konzentration bestimmter Verunreinigungen (Raum mit bedeutsamer Emission)

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Klimaanlage

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

Klimaanlagen sorgen für ein definiertes Raumklima. Bei Maschinenräumen und Rechenzentren werden die notwendigen Umgebungsbedingungen für Anlagen und Maschinen hergestellt. Ein für den Menschen angenehmes Raumklima hat eine Temperatur von ca. 22 °C und ca. 50 % relative Luftfeuchtigkeit.

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Raumluft

Der Begriff Raumluft wird vor allem in der Klimatechnik verwendet, der die Luft in Räumen von Gebäuden beschreibt. Dazu werden die verschiedenen Kriterien in vier Kategorien eingeteilt, die das Maß an Erwartungen des Nutzers definiert.
– Kategorie-1: hohes Maß an Erwartungen (Räume für empfindliche und kranke Personen, z. B. Kinder, Ältere, Kranke, …)
– Kategorie-2: normales Maß an Erwartungen (Räume in neuen und renovierten Gebäuden)
– Kategorie-3: moderates Maß an Erwartungen (Räume bestehender Gebäude)
– Kategorie-4: keine Erwartungen (zeitlich begrenzter Teil des Jahres)

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