Autor: Technische Abteilung Mycond
Ist Ihnen schon aufgefallen, dass sich an einem heissen Tag Wassertröpfchen auf der Oberfläche eines kalten Wasserglases bilden, wenn Sie es aus dem Kühlschrank nehmen? Woher kommen sie? Das ist nicht nur ein interessanter physikalischer Effekt, sondern ein Beispiel für ein Phänomen, das die Psychrometrie untersucht – die Wissenschaft von den Eigenschaften und dem Verhalten feuchter Luft.
Psychrometrie ist so etwas wie eine „Gebrauchsanleitung“ für Luft mit Wasserdampf. Für HLK-Ingenieure (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) ist das Verständnis der Psychrometrie so wichtig wie Mathematik für einen Buchhalter.
Täglich nutzen Ingenieure die Psychrometrie zur Lösung praktischer Aufgaben: Wie viel Wasser kondensiert an Kälteanlagen im Supermarkt, welche Temperatur und Luftfeuchtigkeit sind für ein Büro am komfortabelsten, warum ist es im Winter in der Wohnung so trocken, dass die Lippen aufreissen, wie lässt sich Schimmel im Bad verhindern, wie viel Energie wird benötigt, um die Luft in der Pharmafertigung zu trocknen.
Was ist Psychrometrie und wozu braucht man sie?
Wenn wir ein Glas mit kaltem Wasser in einen Raum stellen, bilden sich auf der Glasoberfläche Tropfen. Das passiert, weil die Temperatur des Glases unter dem Taupunkt der Luft liegt und der Wasserdampf aus der Luft an der kalten Oberfläche kondensiert.
Psychrometrie ist die Wissenschaft von den Eigenschaften feuchter Luft, also der Mischung aus trockener Luft und Wasserdampf. Sie ermöglicht zu berechnen, wie sich die Luftparameter bei unterschiedlichen Prozessen ändern: Erwärmung, Abkühlung, Befeuchtung, Entfeuchtung.
Sieben Schlüsselparameter feuchter Luft
Um den Zustand der Luft vollständig zu beschreiben, müssen einige Kenngrössen bekannt sein. Stellen wir uns 1 Kilogramm Luft in einer unsichtbaren Box aus einem typischen Wohnraum vor: Temperatur 21°C, relative Luftfeuchte 50%. Sehen wir uns die wichtigsten Parameter dieser Luft an.
1. Trockenkugeltemperatur (Dry Bulb Temperature) — das ist die gewöhnliche Lufttemperatur, die wir mit einem normalen Thermometer messen. Bezeichnung t oder T, Einheit °C. Wenn wir sagen „im Raum +21°C“, meinen wir die Trockenkugeltemperatur. Im psychrometrischen Diagramm ist das die horizontale Achse unten, die Temperatur nimmt von links nach rechts zu. Für den Komfort des Menschen sind optimal: 20–24°C im Winter und 23–26°C im Sommer.
2. Relative Luftfeuchte (Relative Humidity) — der Prozentsatz der maximal möglichen Wassermenge, die die Luft bei gegebener Temperatur halten kann. Bezeichnung RH oder φ, Einheit %. Ein entscheidendes Merkmal: Der Parameter hängt von der Temperatur ab, was viele Missverständnisse verursacht. Stellen Sie sich einen Schwamm vor: Bei 21°C fasst er maximal 100 Einheiten Wasser (100% Feuchte), sind es gerade 50 Einheiten – entspricht das 50% RH. Wird der Schwamm auf 30°C erwärmt, fasst er nun 200 Einheiten, aber das Wasser ist weiterhin 50, somit ist RH jetzt 50/200 = 25%. Der Komfortbereich für Menschen liegt bei 40–60% relativer Feuchte.
3. Feuchtegehalt (Humidity Ratio) — die tatsächliche physikalische Menge Wasserdampf in Gramm pro Kilogramm trockener Luft. Bezeichnung d, w oder x, Einheit g/kg. Im Gegensatz zur relativen Luftfeuchte hängt der Feuchtegehalt nicht von der Temperatur ab. In unserem Beispiel: 21°C, RH 50%, Feuchtegehalt 7,8 g/kg. Das bedeutet, in 1 kg trockener Luft sind 7,8 g Wasserdampf enthalten. Wenn wir die Luft auf 30°C erwärmen, bleibt der Feuchtegehalt 7,8 g/kg, aber die RH sinkt auf ~27%.
4. Taupunkttemperatur (Dew Point) — die Temperatur, auf die Luft abgekühlt werden muss, damit sie gesättigt ist (100% RH) und Feuchte zu kondensieren beginnt. Bezeichnung Td, Einheit °C. In unserem Beispiel: Luft 21°C, 50% RH, 7,8 g/kg — Taupunkt +10°C. Das bedeutet: Hat eine Oberfläche eine Temperatur von +10°C oder darunter, kondensiert darauf Feuchte.
5. Dampfdruck (Vapor Pressure) — der Partialdruck, den die Moleküle des Wasserdampfs erzeugen. Bezeichnung pv, Einheit Pa oder kPa. In unserem Beispiel: Ein Feuchtegehalt von 7,8 g/kg entspricht einem Dampfdruck von 1240 Pa (1,24 kPa). Feuchte bewegt sich von Bereichen mit hohem Dampfdruck zu solchen mit niedrigem, was für das Verständnis der Feuchtediffusion durch Materialien wichtig ist.
6. Enthalpie (Enthalpy) — die gesamte Energie der Luft, die sowohl die Wärme der Luft selbst (sensible Wärme) als auch die für die Verdampfung des Wassers aufgewendete Wärme (latente Wärme) umfasst. Bezeichnung h oder i, Einheit kJ/kg. In unserem Beispiel: 21°C, Feuchtegehalt 7,8 g/kg, Enthalpie 41 kJ/kg. Praktische Anwendung: Berechnung der Kühllast einer Klimaanlage und Bewertung der Energieeinsparung durch Wärmerückgewinnung.
7. Feuchtkugeltemperatur (Wet Bulb Temperature) — die Temperatur, die ein Thermometer anzeigt, das mit einem feuchten Tuch umwickelt ist, durch das Luft strömt. Bezeichnung Tw, Einheit °C. In unserem Beispiel: Trockentemperatur 21°C, RH 50%, Feuchtkugeltemperatur 15°C. Dieser Parameter wird zur einfachen Messung der Feuchte sowie zur Auslegung von Verdunstungskühlungen verwendet.
Psychrometrisches Diagramm — die Karte der feuchten Luft
Das psychrometrische Diagramm (Mollier-Diagramm) ist ein grafisches Werkzeug, das die Wechselbeziehungen aller sieben Parameter feuchter Luft gleichzeitig darstellt. Die Grundregel für die Anwendung: Sind zwei beliebige Parameter bekannt, lassen sich alle anderen bestimmen.
Beispiel: Wenn wir die Temperatur 21°C und die relative Luftfeuchte 50% kennen, können wir bestimmen: Feuchtegehalt 7,8 g/kg, Taupunkt 10°C, Enthalpie 41 kJ/kg, Feuchtkugeltemperatur 15°C.
Ein weiteres Beispiel: Sind die Temperatur 30°C und der Taupunkt 20°C bekannt, findet man im Diagramm, dass die relative Luftfeuchte etwa 57%, der Feuchtegehalt etwa 13 g/kg und die Enthalpie etwa 63 kJ/kg beträgt.
Praktische Beispiele für HLK-Ingenieure
Beispiel 1: Kühlen und Entfeuchten der Luft mit einer Klimaanlage
Aufgabe: Aussenluft mit 32°C und 70% relativer Feuchte soll auf 18°C gekühlt werden.
Schritt 1: Anfangsparameter bestimmen: T₁=32°C, RH₁=70%, laut Diagramm Feuchtegehalt d₁=21 g/kg, Enthalpie h₁=85 kJ/kg, Taupunkt Td₁=26°C.
Schritt 2: Kühlprozess. Zuerst kühlt die Luft bei gleichem Feuchtegehalt ab (senkrechte Linie nach unten). Bei Erreichen des Taupunkts (26°C) beginnt die Kondensation, und danach kühlt die Luft entlang der Linie 100% RH bis auf 8°C ab, wobei d₂=6,5 g/kg.
Schritt 3: Berechnung der Kondensatmenge. Abgeschiedene Feuchte = d₁ − d₂ = 21 − 6,5 = 14,5 g pro kg Luft. Bei einem Volumenstrom von 1000 m³/h (≈1200 kg/h): Kondensat = 1200 × 14,5 / 1000 = 17,4 kg/h Wasser.
Beispiel 2: Warum es im Winter in Wohnungen trocken ist
Situation: Draussen −5°C, relative Luftfeuchte 80%. Diese Luft gelangt über die Lüftung in die Wohnung und erwärmt sich auf 21°C.
Schritt 1: Die Aussenluft hat folgende Parameter: T₁=−5°C, RH₁=80%, Feuchtegehalt d₁=2,2 g/kg.
Schritt 2: Bei Erwärmung auf 21°C ändert sich der Feuchtegehalt nicht, aber die relative Luftfeuchte fällt auf 14% — sehr trocken!
Fazit: Nicht die Feuchte draussen ist niedrig (dort 80% RH!), sondern kalte Luft enthält physikalisch wenig Wasser. Beim Erwärmen „verdünnt“ sich diese geringe Menge im grösseren Volumen der warmen Luft, was zu niedriger relativer Feuchte führt.
FAQ
Was ist Psychrometrie in einfachen Worten?
Psychrometrie ist die Wissenschaft von feuchter Luft. Sie hilft zu verstehen, wie Temperatur und Feuchte einander beeinflussen, und zu berechnen, was mit der Luft bei verschiedenen Aufbereitungsprozessen geschieht.
Warum zeigt die relative Luftfeuchte nicht die reale Wassermenge in der Luft?
Weil es ein relativer Wert ist, der von der Temperatur abhängt. Ändert sich die Temperatur, ändert sich die maximale Feuchtemenge, die die Luft halten kann. Deshalb kann kalte Luft mit hoher relativer Feuchte weniger Wasser enthalten als warme Luft mit niedriger relativer Feuchte.
Wie lässt sich der Taupunkt schnell ohne Diagramm bestimmen?
Vereinfachte Formel: Td ≈ T − ((100 − RH) / 5), wobei T die Lufttemperatur in °C ist und RH die relative Luftfeuchte in %. Beispiel: T=21°C, RH=50%, Td ≈ 21 − ((100−50)/5) = 21−10 = 11°C.
Was ist der Unterschied zwischen sensibler und latenter Wärme?
Sensible Wärme ist die Energie, die zur Änderung der Lufttemperatur aufgewendet wird. Latente Wärme ist die Energie, die für Verdampfung oder Kondensation von Feuchte ohne Temperaturänderung benötigt wird.
Schlussfolgerungen — warum HLK-Ingenieure Psychrometrie brauchen
Das Verständnis der Psychrometrie ist für HLK-Ingenieure aus mehreren Gründen unerlässlich:
1. Systemauslegung: Ohne Psychrometrie lassen sich Kühllast von Klimaanlagen, Leistung von Entfeuchtern, Leistung von Befeuchtern und Parameter von Lüftungssystemen nicht berechnen.
2. Energieeinsparung: Das Diagramm erlaubt es, die optimale Strategie der Luftaufbereitung zu bestimmen, Möglichkeiten für Free-Cooling/Entfeuchtung zu finden und die Effizienz der Wärmerückgewinnungssysteme zu bewerten.
3. Vermeidung von Problemen: Das Verständnis des Taupunkts verhindert Kondensation in Lüftungssystemen, das Durchfrieren von Wänden, Schimmelbildung und Korrosion von Anlagen.
4. Luftqualitätskontrolle: Die richtige Kombination aus Temperatur und Feuchte sorgt für Komfort, den Erhalt von Materialien und Geräten und die Einhaltung technologischer Anforderungen.
Die Grundregel: Um den Zustand der Luft vollständig zu bestimmen, müssen mindestens ZWEI Parameter bekannt sein; alle anderen können aus dem Diagramm abgeleitet werden. Die nützlichsten Kombinationen: T+RH — am einfachsten zu messen, T+Td — am besten zur Kondensationskontrolle, T+d — am besten für Entfeuchtungsberechnungen.
Psychrometrie ist keine abstrakte Theorie, sondern ein tägliches Werkzeug des Ingenieurs. Sie hilft, die richtigen Entscheidungen zu treffen, Energie und das Geld der Kunden zu sparen und komfortable sowie sichere Bedingungen in Innenräumen in der Schweiz und in anderen Ländern mit vielfältigem Klima zu schaffen.
