Autor: Technische Abteilung Mycond
Die Kontrolle der Luftfeuchte ist ein kritischer Faktor für die Erhaltung der Produktqualität, die Funktionalität von Anlagen und die Schaffung komfortabler Bedingungen in Räumen verschiedenster Nutzung. Ingenieurinnen und Ingenieure stehen jedoch oft vor einer paradoxen Situation: Installierte Sensoren zeigen normgerechte Feuchtewerte an, dennoch bildet sich auf einzelnen Oberflächen Kondensat, Produkte verderben, und an Bauteilen tritt Korrosion auf. Der Grund liegt in der inhomogenen Feuchteverteilung und einem falschen Ansatz bei der Platzierung der Sensoren.
Physikalische Mechanismen des Stofftransports von Wasserdampf
Die Luftfeuchte in einem Raum verteilt sich über zwei grundlegende physikalische Mechanismen. Der erste ist der konvektive Transport, der durch die Bewegung von Luftmassen infolge von Lüftung, Temperaturdifferenzen oder mechanischen Einrichtungen erfolgt. Der zweite ist die molekulare Diffusion, bei der sich Wassermoleküle aus Bereichen höherer Konzentration in Bereiche niedrigerer Konzentration entsprechend dem Gradienten des Partialdrucks bewegen.
Die Geschwindigkeit der Angleichung der Feuchte hängt direkt von der Intensität des Luftaustauschs und der Struktur des Temperaturfeldes ab. Der Diffusionskoeffizient von Wasserdampf in Luft beträgt unter Normalbedingungen etwa 2.4×10^-5 m²/s, kann jedoch je nach Temperatur im Bereich von 2.0–2.6×10^-5 m²/s variieren. Das bedeutet, dass ohne erzwungene Luftbewegung die Angleichung der Feuchte über eine Distanz von 5 Metern mehrere Stunden bis zu einem Tag dauern kann.
Die Geometrie des Raums erzeugt eine komplexe Struktur von Luftströmungen. In langgestreckten Räumen entstehen Totzonen, in denen die Zirkulation begrenzt ist. Die Deckenhöhe bestimmt die vertikale Schichtung der Feuchte. Das Vorhandensein von Trennwänden, Säulen und Mobiliar verändert die Trajektorien der Luftströmungen und erzeugt lokale Zonen mit erhöhter oder verringerter Feuchte.
Luftschichtung und vertikaler Feuchtegradient
Die Dichte feuchter Luft hängt von Temperatur und Feuchtegehalt gemäss der Zustandsgleichung des idealen Gases ab: ρ = P/(R×T) × (1 + d)/(1 + 1.608×d), wobei ρ die Luftdichte (kg/m³), P der Druck (Pa), R die Gaskonstante für trockene Luft (J/kg·K), T die absolute Temperatur (K) und d der Feuchtegehalt (kg Wasserdampf/kg trockene Luft) ist.
Warme, feuchte Luft hat eine geringere Dichte und steigt naturgemäss nach oben, wodurch sich ein vertikales Profil des Feuchtegehalts ausbildet. Bei Wärmequellen auf unterschiedlichen Höhen (Anlagen, Beleuchtung, Heizsysteme) verstärkt sich dieser Effekt. Der vertikale Feuchtegradient kann in Räumen mit natürlicher Konvektion 0.5–1.5 g/m³ je Meter Höhe betragen.
Eine stabile Schichtung entsteht, wenn sich warme und feuchte Luft im oberen Teil des Raumes konzentriert, während kalte und trockene Luft unten verbleibt. Das ist besonders charakteristisch für hohe Räume mit Fussbodenkühlung oder bei Feuchtequellen in Höhe. Die Aufhebung der Schichtung wird durch erzwungene Lüftung mit einer Luftwechselrate von mindestens 5–6 Wechseln pro Stunde und durch eine korrekte Platzierung von Zu- und Ablufteinrichtungen erreicht.
Einfluss des Lüftungssystems auf die Gleichmässigkeit der Parameter
Der Typ des Lüftungssystems beeinflusst die Feuchteverteilung im Raum massgeblich. Es gibt drei grundlegende Schemata der Luftverteilung, die jeweils ein eigenes Feuchtefeld erzeugen.
Die Mischlüftung mit Zuluft in die obere Zone sorgt für eine intensive Durchmischung der Luft im gesamten Volumen. Bei korrekter Auslegung wird eine hohe Gleichmässigkeit der Parameter mit einer Feuchteabweichung von nicht mehr als 5–7% vom Mittelwert erreicht. Allerdings können sich in Bodennähe und in Ecken Totzonen mit einem Radius von 0.5–1.5 m bilden.
Die Verdrängungslüftung führt Luft mit geringer Geschwindigkeit in die untere Zone. Warme, belastete Luft steigt nach oben und erzeugt eine stabile vertikale Schichtung. Der Unterschied im Feuchtegehalt zwischen Boden und Decke kann 3–4 g/m³ erreichen. Dieses System ist zur Entfernung lokaler Feuchtequellen effizient, erfordert jedoch eine sorgfältigere Kontrolle der Parameter in verschiedenen Zonen.
Kombinierte Konzepte vereinen Elemente beider Ansätze und werden häufig in komplexen oder multifunktionalen Räumen eingesetzt. Die erforderliche Luftwechselrate wird nach der Formel berechnet: n = W/(V × (dвих - dвх)), wobei n die Luftwechselrate (h⁻¹), W die Intensität der Feuchtefreisetzung (g/h), V das Raumvolumen (m³) und dвих bzw. dвх der Feuchtegehalt der Luft am Austritt bzw. Eintritt (g/m³) sind.
Wichtig ist zu verstehen, dass selbst eine hohe Luftwechselrate keine Gleichmässigkeit garantiert, wenn die Luftverteilung falsch organisiert ist. Leistungsstarke Strahlen, die in eine Zone gerichtet sind, bewirken nur lokal eine Durchmischung und lassen andere Bereiche mit unzureichender Luftbewegung zurück.
Lokale Feuchtequellen und Zonen erhöhten Risikos
Räume enthalten in der Regel verschiedene Feuchtequellen. Offene Wasserflächen (Schwimmbecken, Becken, offene Behälter) verdunsten 0.1–0.2 kg/(m²·h) bei 20°C und bis zu 0.5 kg/(m²·h) bei 30°C. Technologische Prozesse mit Hochtemperaturbehandlung von Materialien können je nach Leistung 2 bis 15 kg/h Feuchte freisetzen.
Menschen sind durch Atmung und Schwitzen eine konstante Feuchtequelle. Eine Person gibt bei moderater Aktivität 40–70 g/h ab, bei intensiver körperlicher Arbeit bis zu 150–200 g/h. Dies erzeugt Zonen erhöhter Feuchte mit einem Radius von 1.5–2 m um Arbeitsplätze.
Besondere Aufmerksamkeit ist kalten Oberflächen zu widmen – Wänden, Decken, Fenstern, Kälteanlagen und Rohrleitungen. Auf diesen Oberflächen kann die lokale Temperatur unter den Taupunkt fallen und selbst bei normaler mittlerer Raumfeuchte Kondensation verursachen. Besonders kritisch sind Wärmebrücken in der Gebäudehülle, bei denen die Oberflächentemperatur 3–7°C unter dem Mittel liegen kann.
Methodik zur Bestimmung der Anzahl und Platzierung von Feuchtesensoren
Für eine effektive Feuchtekontrolle wurde eine klare Methodik zur Bestimmung der optimalen Anzahl und Platzierung von Sensoren entwickelt:
Schritt 1: Analyse der Raumplanung sowie Identifikation von Feuchtequellen und kalten Oberflächen. Im Grundriss werden alle technologischen Prozesse mit Feuchtefreisetzung, Personenkonzentrationen und Bauteile mit geringem thermischem Widerstand markiert.
Schritt 2: Bestimmung des Typs des Lüftungssystems und der Hauptrichtungen der Luftströmungen. Anhand der Planungsunterlagen werden die Positionen der Zu- und Ablufteinrichtungen, deren Leistung und die Richtung der Luftbewegung analysiert.
Schritt 3: Abgrenzung charakteristischer Zonen: Zone aktiver Lüftung, Zone technologischer Anlagen, mögliche Totzonen, Zonen in der Nähe kalter Oberflächen. Der Raum wird bedingt in Sektoren nach Luftaustauschcharakter und Risiko erhöhter Feuchte aufgeteilt.
Schritt 4: Ermittlung der Notwendigkeit eines separaten Sensors für jede Zone. Hauptkriterien: Vorhandensein einer lokalen Feuchtequelle mit einer Intensität von mehr als 0.5 kg/h; Vorhandensein einer kalten Oberfläche mit einer Temperatur um 2°C oder mehr unter dem Mittel; Abstand von der Zone aktiver Lüftung grösser als 5–7 m.
Schritt 5: Bestimmung der Installationshöhe der Sensoren. Für Mischlüftung ist eine Höhe von 1.2–1.5 m über dem Boden (Arbeitsbereich) optimal. Für Verdrängungslüftung – auf Höhe kritischer technologischer Prozesse oder Anlagen. In mehrgeschossigen Lagern werden Sensoren auf jeder Ebene separat platziert.
Schritt 6: Überprüfung, dass sich keine Sensoren direkt an Zu- oder Ablufteinrichtungen befinden. Der Mindestabstand zur Zu- oder Abluft muss mindestens dem Dreifachen des Luftkanaldurchmessers oder einem Meter entsprechen.
Beispiel: Für einen Lagerraum von 30×20×6 m mit Mischlüftung und einer Zone mit Kälteanlagen in der Ecke sind mindestens drei Sensoren erforderlich: einer in der zentralen Zone in 1.5 m Höhe, der zweite in der Nähe der Kälteanlagen in 1.0 m Höhe, der dritte in der gegenüberliegenden Ecke in 1.5 m Höhe zur Kontrolle einer potenziellen Totzone.
Typische Fehler bei der Planung von Feuchtemesssystemen
Ingenieurinnen und Ingenieure begehen häufig eine Reihe typischer Fehler, die die Wirksamkeit von Feuchtekontrollsystemen untergraben:
Fehler 1: Installation eines einzigen Sensors für den gesamten Raum. In Räumen mit mehr als 100 m² Fläche oder komplexer Form kann ein Sensor die räumliche Inhomogenität der Feuchteverteilung physisch nicht abbilden. Die Differenz zwischen Messwerten an verschiedenen Punkten kann 15–20% erreichen.
Fehler 2: Platzierung des Sensors direkt im Zuluft- oder Abluftstrahl. Ein solcher Sensor misst die Parameter der Lüftungsluft und nicht die realen Bedingungen im Raum, was zu fehlerhafter Steuerung der Entfeuchtung führt.
Fehler 3: Ignorieren der Temperaturschichtung und Platzierung des Sensors in einer Höhe, die nicht der kritischen Zone entspricht. Besonders problematisch ist es, wenn der Sensor hoch unter der Decke installiert ist, während sich die Kondensationsrisikozone unten befindet.
Fehler 4: Fehlende Sensoren in der Nähe kalter Oberflächen, wo das Kondensationsrisiko am höchsten ist. Kondensation tritt am häufigsten auf Glasflächen, Metallkonstruktionen und Kälteanlagen auf.
Fehler 5: Installation von Sensoren nur an montagefreundlichen Stellen ohne Berücksichtigung der Struktur der Luftströmungen. Die Zugänglichkeit für Wartung ist wichtig, darf die Funktionalität aber nicht überlagern.
Betriebliche Folgen einer falschen Sensorplatzierung
Falsch platzierte Feuchtesensoren verursachen ernsthafte betriebliche Probleme, die sich in drei Hauptszenarien manifestieren:
Szenario 1: Der Sensor befindet sich in einer Zone mit aktivem Luftaustausch und zeigt normale Feuchte (40–60%) an, während in Totzonen die Feuchte erhöht ist (70–80%) und Kondensation auftritt. Folgen: Produktschäden, Korrosion von Metallkonstruktionen, Schimmelbildung. Die Abweichung zwischen dem „zentralen“ Sensor und der tatsächlichen Feuchte in Problemzonen kann 15–25% betragen.
Szenario 2: Der Sensor befindet sich in der Nähe einer lokalen Feuchtequelle und zeigt dauerhaft erhöhte Werte (65–80%) an. Die Entfeuchtung arbeitet mit maximaler Leistung und verbraucht 30–50% mehr Energie als nötig. Gleichzeitig werden entfernte Zonen auf 25–30% relative Feuchte übertrocknet, was feuchteempfindliche Materialien schädigen kann.
Szenario 3: Der Sensor ist in der falschen Höhe platziert, z. B. unter der Decke in einem Raum mit Verdrängungslüftung. Er zeigt erhöhte Feuchte (65–75%) an, obwohl sie im Arbeitsbereich normal ist (45–55%). Die Entfeuchtung arbeitet übermässig und verbraucht unnötige Ressourcen.
Einschränkungen der Methodik und notwendige Korrekturen
Die beschriebene Methodik weist eine Reihe von Einschränkungen auf, die zusätzliche Massnahmen erfordern:
Einschränkung 1: In Räumen mit einem Volumen von mehr als 5000 m³ können selbst korrekt platzierte stationäre Sensoren keine vollständige Kontrolle gewährleisten. Es sollten zusätzlich mobile Messsysteme zur periodischen Erfassung des gesamten Volumens eingesetzt werden.
Einschränkung 2: Bei Temperaturen unter −10°C sinkt die Genauigkeit kapazitiver Feuchtesensoren erheblich. Es sind spezielle Niedertemperatursensoren oder Systeme mit Sensorheizung einzusetzen.
Einschränkung 3: In Räumen mit intensiven Staubquellen oder aggressiven Stoffen degradieren Standardsensoren schnell. Es wird empfohlen, Schutzfilter oder alternative Messtechnologien wie optische Hygrometer zu verwenden.
Einschränkung 4: Bei saisonalen Änderungen des Betriebsmodus (Sommer/Winter, Änderung des Prozesses) kann eine Rekalibrierung oder sogar eine Anpassung der Sensorplatzierung an die neuen Bedingungen erforderlich sein.
FAQ: Häufige Fragen zur Feuchtekontrolle
Frage: Warum bildet sich Kondensat an den Wänden, obwohl der zentrale Sensor normale Werte anzeigt?
Antwort: Das ist ein klassisches Zeichen für eine inhomogene Feuchteverteilung. Der zentrale Sensor erfasst die mittlere Feuchte in der Zone mit aktivem Luftaustausch, während in der Nähe kalter Wände die lokale Feuchte deutlich höher ist. Wenn die Wandtemperatur unter den Taupunkt fällt, kommt es zur Kondensation, obwohl die Gesamtfeuchte des Raums im Normbereich liegt. Zur Problemlösung sollten zusätzliche Sensoren in der Nähe kalter Oberflächen installiert oder die Wärmedämmung der Wände verbessert werden.
Frage: Wie viele Sensoren sollten in einem Lagerraum mit 500 m² installiert werden?
Antwort: Die Anzahl der Sensoren hängt nicht nur von der Fläche, sondern auch von der Raumkonfiguration, dem Lüftungssystem und der Lagerart ab. Nach einem Basisalgorithmus werden für einen Raum mit 500 m² mindestens 3–5 Sensoren benötigt: einer in der zentralen Zone, jeweils einer an den kältesten Aussenwänden, einer in der Zone mit der geringsten Luftzirkulation und einer in der Nähe technologischer Anlagen, sofern vorhanden. Bei mehrgeschossiger Lagerung steigt die Anzahl proportional zur Anzahl der Ebenen.
Frage: In welcher Höhe sollten Feuchtesensoren installiert werden?
Antwort: Die Höhe hängt vom Lüftungstyp und den technologischen Prozessen ab. Für Mischlüftung ist eine Höhe von 1.2–1.5 m über dem Boden (Arbeitsbereich) optimal. Für Verdrängungslüftung – auf Höhe kritischer Prozesse oder Anlagen, üblicherweise 0.5–1.0 m. In Lagerbereichen mit mehrgeschossiger Lagerung sind Sensoren auf jeder Ebene erforderlich, insbesondere oben, wo sich warme und feuchte Luft konzentriert.
Frage: Darf man Sensoren in der Nähe von Türen oder Fenstern installieren?
Antwort: Es wird nicht empfohlen, Sensoren näher als 1.5–2 m an Türen, Fenstern oder anderen Infiltrationsquellen zu platzieren. Über diese Elemente findet ein unkontrollierter Luftaustausch mit der Aussenumgebung statt, und die Luftparameter in diesen Zonen können stark von den Mittelwerten im Raum abweichen. Eine Ausnahme bilden Fälle, in denen gerade die Infiltration das Kondensationsrisiko erzeugt und überwacht werden muss.
Frage: Was tun, wenn sich die Messwerte verschiedener Sensoren stark unterscheiden?
Antwort: Vergewissern Sie sich zunächst, dass alle Sensoren korrekt kalibriert sind. Wenn die Differenz 10% relative Feuchte überschreitet, deutet dies auf eine reale Inhomogenität der Feuchteverteilung hin. Analysieren Sie das Lüftungssystem, prüfen Sie den Zu- und Abluftabgleich und beseitigen Sie Totzonen. Mitunter sind zusätzliche lokale Entfeuchtungen in Problemzonen oder eine Anpassung des Betriebs der zentralen Klimaanlage erforderlich.
Schlussfolgerungen
Die korrekte Platzierung von Feuchtesensoren ist keine formale Anforderung, sondern eine ingenieurtechnische Notwendigkeit, die sich direkt aus der Physik des Stofftransports von Wasserdampf ergibt. Die Missachtung der Prinzipien der inhomogenen Feuchteverteilung führt zu gravierenden Betriebsproblemen, zu Schäden an Anlagen und zu erhöhtem Energieverbrauch.
Schlüsselempfehlungen für Planende:
- Analysieren Sie stets die Struktur der Luftströmungen, bevor Sie Messpunkte festlegen
- Berücksichtigen Sie lokale Feuchtequellen und kalte Oberflächen
- Sparen Sie nicht an der Anzahl der Sensoren, wenn dies durch Grösse und Komplexität des Objekts gerechtfertigt ist
- Installieren Sie Sensoren in der Höhe, die den kritischen Zonen oder Prozessen entspricht
- Überprüfen Sie regelmässig die Korrelation zwischen den Messwerten verschiedener Sensoren
- Führen Sie für besonders wichtige Objekte eine zusätzliche Feuchtekartierung mit mobilen Messsystemen durch
Ein ganzheitlicher Ansatz zur Feuchtekontrolle gewährleistet einen stabilen Anlagenbetrieb, die Erhaltung der Produktqualität und optimale Bedingungen für technologische Prozesse bei minimalem Energieeinsatz.
