Saisonale Optimierung von Systemen zur Luftfeuchtekontrolle: Wie das Winterpotenzial nutzen und sich auf sommerliche Spitzen vorbereiten

Autor: Technische Abteilung Mycond

Systeme zur Kontrolle der Luftfeuchte werden in der Regel für mittlere Jahresbedingungen oder für extreme Sommerbedingungen ausgelegt. Das führt im Winter aufgrund des kontinuierlichen Betriebs der Entfeuchter trotz des kostenlosen Potenzials trockener Winterluft zu erheblichen Energie-Mehrverbräuchen, oder im Sommer aufgrund einer Unterschätzung der Spitzenlasten zur Unfähigkeit, die Ziel-Feuchte einzuhalten. Ein ganzheitlicher Ansatz zur saisonalen Optimierung kann den Energieverbrauch in einzelnen Perioden um 30–50% senken, die Zuverlässigkeit des Systems erhöhen und über das gesamte Jahr stabile Mikroklima-Parameter sicherstellen.

1. Einleitung

Das Klima der Schweiz ist durch ausgeprägte saisonale Schwankungen der relativen und absoluten Luftfeuchte gekennzeichnet. In den Regionen Zürich, Bern und anderen Städten kann die relative Feuchte im Winter zwischen 70–90% und im Sommer zwischen 50–80% schwanken, doch der Schlüsselunterschied liegt im tatsächlichen Feuchtegehalt (absolute Feuchte).

Statistische Analysen von Wetterdaten zeigen, dass die absolute Feuchte der Aussenluft im Winter etwa 2–4 g/kg beträgt (beispielhafte Annahme für ein gemässigtes Klima), während sie im Sommer 12–18 g/kg erreichen kann. Diese grosse Differenz ist fundamental für die Auslegung energieeffizienter Entfeuchtungssysteme.

Das Ignorieren saisonaler Änderungen führt zu erheblichen energetischen und betrieblichen Problemen:

• Mehrverbrauch an elektrischer Energie im Winter durch den Dauerbetrieb der Entfeuchter, obwohl Potenzial für eine kostenlose Entfeuchtung über Aussenluft besteht;
• Unfähigkeit, die vorgegebenen Feuchteparameter in Phasen sommerlicher Spitzenlasten einzuhalten;
• Ineffizienter Betrieb in den Übergangsjahreszeiten aufgrund fehlender adaptiver Algorithmen.

Der wirtschaftliche Effekt einer saisonalen Optimierung von Entfeuchtungssystemen kann in einzelnen Perioden des Jahres eine Reduktion des Energieverbrauchs um 30–50% ergeben (grobe Potenzialabschätzung). Der konkrete Effekt wird für jedes Objekt individuell unter Berücksichtigung seiner Besonderheiten ermittelt.

2. Physikalische Grundlagen saisonaler Veränderungen des Luftfeuchteregimes

Die Grundlage einer effizienten saisonalen Optimierung ist das Verständnis psychrometrischer Prozesse im Jahreszyklus. Luft hat eine begrenzte Fähigkeit, Feuchte zu halten, die stark von der Temperatur abhängt. Beim Erwärmen steigt die Fähigkeit der Luft, Feuchte zu halten, beim Abkühlen sinkt sie.

Zur Berechnung der absoluten Feuchte (d) anhand bekannter Werte der Temperatur (t) und relativen Feuchte (φ) wird folgende Formel verwendet:

d = 622 × φ × Ps / (P - φ × Ps), wobei:

• d – absolute Feuchte, g/kg;
• φ – relative Feuchte, dimensionsloser Anteil;
• Ps – Sättigungsdampfdruck bei gegebener Temperatur, Pa;
• P – atmosphärischer Druck, Pa (gewöhnlich 101325 Pa).

Beispielsweise beträgt bei einer Temperatur von −5°C und 80% relativer Feuchte die absolute Feuchte etwa 2,5 g/kg, während sie bei 25°C und derselben relativen Feuchte rund 16 g/kg beträgt (vereinfachte Beispiele zur Erläuterung der Methodik).

3. Winterperiode: Nutzung der trockenen Winterluft

Das Grundprinzip der lüftungsseitigen Entfeuchtung im Winter besteht im Austausch feuchter Innenluft durch trockene Aussenluft. Ein solcher Austausch ist effektiv, wenn die Differenz der absoluten Feuchten von Innen- und Aussenluft ausreichend ist, um die erforderliche Feuchteabfuhr zu gewährleisten. 
Die Berechnung des Entfeuchtungspotenzials erfolgt nach der Formel: W = L × (d_innen - d_außen), wobei: * W – Menge der abgeführten Feuchte, g/h; * L – Luftvolumenstrom, m³/h; * d_innen – absolute Feuchte der Innenluft, g/kg; * d_außen – absolute Feuchte der Aussenluft, g/kg. 
Beispielrechnung für einen Raum mit 1000 m³ Volumen, mit Innentemperatur 20°C und relativer Feuchte 60% (vereinfachtes Beispiel zur Erläuterung der Methodik): 
1. Berechnung d_innen ≈ 8,7 g/kg 
2. Bestimmung d_außen bei t_außen = 0°C, φ_außen = 80% ≈ 3,0 g/kg 
3. Bei einem Luftvolumenstrom von 500 m³/h: W = 500 × (8,7 − 3,0) = 2850 g/h 
Allerdings führt die lüftungsseitige Entfeuchtung im Winter zu Wärmeverlusten. 
Die Berechnung der Wärmeverluste erfolgt nach der Formel: Q = L × ρ × cp × (t_innen − t_außen), 
wobei: 
* Q – Wärmeverluste, W; * ρ – Luftdichte, kg/m³ (≈ 1,2 kg/m³); 
* cp – spezifische Wärmekapazität der Luft, J/(kg×K) (≈ 1005 J/(kg×K)); 
* t_innen – Temperatur der Innenluft, °C;
 * t_außen – Temperatur der Aussenluft, °C.

Zur Bestimmung der energetischen Zweckmässigkeit der lüftungsseitigen Entfeuchtung müssen die Energieaufwendungen für das Erwärmen der Zuluft mit dem Stromverbrauch des Entfeuchters bei gleichem Feuchteentzug verglichen werden.

4. Sommerliche Spitzenlasten für Entfeuchtungssysteme

Im Sommer müssen Entfeuchtungssysteme auf deutlich höhere Feuchtelasten vorbereitet sein, bedingt durch zwei Faktoren:

1. Maximale externe Feuchteeinträge. Berechnung der Feuchteeinträge durch Infiltration und Lüftung:

W_außen = L_inf × ρ × (d_außen.max − d_innen.ziel), wobei:

• L_inf – Volumen des Infiltrationsluftstroms, m³/h;
• d_außen.max – absolute Feuchte der Aussenluft unter Maximalbedingungen, g/kg;
• d_innen.ziel – Zielwert der absoluten Feuchte der Innenluft, g/kg.

2. Innere Feuchtequellen, die im Sommer oft stärker ausgeprägt sind:

• Verdunstung von offenen Wasserflächen (insbesondere in Schwimmbädern);
• Feuchteabgabe aus technologischen Prozessen;
• Erhöhte Atemintensität von Produkten in Lagerräumen;
• Häufigeres Öffnen von Türen und Toren.

Methodik zur Bestimmung der summierten Spitzenlast:

W_Spitze = W_außen.max + W_innen.max + W_Reserve, wobei:

• _{W_außen.maxс} – maximale externe Feuchteeinträge;
• W_innen.max – maximale interne Feuchteabgaben;
• W_Reserve – Leistungsreserve.

Bei der Berechnung der Gesamtlast ist es wichtig, den Gleichzeitigkeitsfaktor zu berücksichtigen, der üblicherweise 0,8–1,0 beträgt (typischer ingenieurtechnischer Bereich), und eine Leistungsreserve der Entfeuchtungsanlage von 15–25% über der berechneten Spitzenlast sicherzustellen.

5. Strategien zur Steuerung von Entfeuchtungssystemen in den Übergangszeiten

Frühling und Herbst sind durch instabile Aussenbedingungen mit tageszeitlichen Temperaturschwankungen von 10–15°C und relativer Feuchte von 20–40% gekennzeichnet (beispielhafte Werte). Das schafft zusätzliche Herausforderungen für Systeme zur Feuchtekontrolle.

Eine wirksame Lösung ist die Implementierung adaptiver Regelalgorithmen:

1. Kontinuierliche Überwachung der absoluten Feuchte der Aussen- und Innenluft.
2. Automatische Entscheidung über den Betriebsmodus:
   • Wenn d_außen < d_innen und die Energiebilanz günstig ist – Einsatz lüftungsseitiger Entfeuchtung;
   • Wenn d_außen > d_innen oder die Energiebilanz ungünstig ist – Aktivierung mechanischer Entfeuchtung.
3. Kombinierter Einsatz von lüftungsseitiger und mechanischer Entfeuchtung nach Bedarf.

Besondere Aufmerksamkeit ist in den Übergangszeiten der Vermeidung von Kondensation auf kalten Oberflächen bei plötzlichen Abkühlungen zu widmen. Hierzu müssen die Taupunkttemperatur der Innenluft und die Oberflächentemperaturen der Gebäudehülle kontinuierlich überwacht sowie präventiv die Entfeuchtungsintensität vor prognostizierten Kälteeinbrüchen erhöht werden.

6. Energetische Optimierung saisonaler Betriebsmodi

Die Basis der energetischen Optimierung ist eine ganzjährige Analyse des Energieverbrauchs von Systemen zur Feuchtekontrolle mit Identifikation von Perioden maximalen und minimalen Verbrauchs.

Zur Steigerung der Energieeffizienz im Winter ist die Wärmerückgewinnung ein Schlüsselelement. Mögliche Lösungen:

• Plattenwärmetauscher (typischer Wirkungsgrad: 50–70%);
• Rotationswärmetauscher (typischer Wirkungsgrad: 70–85%);
• Wärmepumpen auf Abluftbasis (typischer COP: über 300%).

Im Sommer ist eine Vorkühlung der Zuluft ein wirksamer Ansatz zur Reduktion der Last auf die Entfeuchter:

• Indirekte adiabate Kühlung (typischer Effekt: Temperaturabsenkung um 5–10°C ohne Feuchtezunahme);
• Erdwärmetauscher, die die stabile Bodentemperatur nutzen (typische Werte für gemässigtes Klima: 8–12°C).

Die wirtschaftliche Effizienz der saisonalen Adaption von Systemen zur Feuchtekontrolle wird durch den Vergleich des jährlichen Energieverbrauchs bei fixem und adaptivem Betrieb mit der Berechnung der Amortisationszeit der zusätzlichen Investitionen bestimmt.

7. Typische Fehler bei der Auslegung saisonaler Betriebsarten und betriebliche Folgen

Die häufigsten Planungsfehler:

1. Ignorieren des Winterpotenzials lüftungsseitiger Entfeuchtung (Verlust eines Einsparpotenzials von 40–60% Energie);
2. Unterschätzung sommerlicher Spitzenlasten um 20–30%, was dazu führt, dass die Ziel-Feuchte im Sommer nicht gehalten werden kann;
3. Auslegung der Systeme nur auf mittlere Jahresparameter ohne Berücksichtigung von Extremen;
4. Fehlende adaptive Steuerung in den Übergangsperioden;
5. Nichtberücksichtigung der Wärmeverluste bei Winterlüftung;
6. Geräteauswahl ohne Berücksichtigung der saisonalen Leistungsdegradation.

Betriebliche Folgen nicht optimierter Systeme:

• Mehrverbrauch an elektrischer Energie im Winter um 30–50%;
• Unfähigkeit, die vorgegebene Feuchte im Sommer einzuhalten;
• Verkürzung der Lebensdauer der Ausrüstung um 20–40% durch Dauerbetrieb am Maximum;
• Risiken von Kondensation, Schimmelbildung und Korrosion in den Übergangszeiten.

Wichtig ist zu beachten, dass Optimierungsansätze Einschränkungen haben und nicht immer wirksam sind unter folgenden Bedingungen:

• Bei extrem niedrigen Aussenlufttemperaturen (unter −15°C), wenn lüftungsseitige Entfeuchtung zum Durchfrieren von Bauteilen führen kann;
• In technologischen Prozessen mit kritischen Anforderungen an die Stabilität der Parameter;
• Bei kleinen Objekten, bei denen sich die Investitionen in adaptive Steuerung nicht amortisieren;
• In Klimazonen mit minimalen saisonalen Unterschieden der absoluten Feuchte.

8. Häufige Fragen (FAQ)

Wie wird das Potenzial der winterlichen lüftungsseitigen Entfeuchtung im Detail berechnet?

Zur Berechnung des Potenzials der winterlichen lüftungsseitigen Entfeuchtung sind folgende Schritte erforderlich: 1) Bestimmung der absoluten Feuchte der Innenluft mit d_innen = 622 × φ_innen × Ps(t_innen) / (P − φ_innen × Ps(t_innen)); 2) Bestimmung der absoluten Feuchte der Aussenluft mit d_außen = 622 × φ_außen × Ps(t_außen) / (P − φ_außen × Ps(t_außen)); 3) Berechnung des Entfeuchtungspotenzials W = L × (d_innen − d_außen); 4) Berechnung der Wärmeverluste Q = L × ρ × cp × (t_innen − t_außen); 5) Vergleich der Energieaufwendungen für das Erwärmen mit dem Energieverbrauch eines Entfeuchters, der denselben Feuchteentzug erbringt. Zum Beispiel können in einem Lagerraum mit 2000 m³ Volumen, Innenbedingungen 18°C/60% und Aussenbedingungen −5°C/85%, bei einem Luftvolumenstrom von 600 m³/h etwa 3,5 kg/h Feuchte entfernt werden, mit einem Energiebedarf für die Lufterwärmung von ca. 4,6 kW.

Bei welchen Temperatur- und Feuchtewerten wird lüftungsseitige Entfeuchtung ineffizient?

Lüftungsseitige Entfeuchtung wird ineffizient, wenn die Energieaufwendungen für das Erwärmen der Zuluft den Energieverbrauch eines mechanischen Entfeuchters übersteigen. Der Umschaltpunkt wird durch psychrometrische Analyse und Berechnung der Energiebilanz bestimmt. In der Schweiz liegt dieser Punkt typischerweise bei Aussenlufttemperaturen um 5–10°C, hängt jedoch stark von der Ziel-Feuchte im Raum und der Energieeffizienz des Entfeuchters ab. Zur Bestimmung des Break-even-Punkts sind zu vergleichen: E_Lüftung = Q_Heizung / η_Heizung und E_Entfeuchter = W / SMER, wobei SMER der Energieeffizienzkoeffizient des Entfeuchters (kg/kWh) ist und η_Heizung der Wirkungsgrad des Heizsystems. Lüftungsseitige Entfeuchtung ist sinnvoll, wenn E_Lüftung < E_Entfeuchter.

Welche Methodik bestimmt die sommerliche Spitzenlast des Entfeuchtungssystems?

Zur Bestimmung der sommerlichen Spitzenlast sind erforderlich: 1) Identifikation externer Feuchtequellen (Infiltration, Lüftung) bei meteorologischen Maximalbedingungen mit 95%iger Verfügbarkeit; 2) Berechnung interner Feuchtequellen (Technologie, Personal, Produkte); 3) Bestimmung des Gleichzeitigkeitsfaktors; 4) Berechnung der Gesamtlast unter Berücksichtigung der Reserve. Formel: W_Spitze = (W_außen.max + W_innen.max) × K_gleich × (1 + K_Reserve). Beispiel: Für ein Schwimmbad mit 100 m² Fläche bei Aussenbedingungen 30°C/75% r. F., Verdunstungsrate 0,5 kg/m²·h und Infiltration 200 m³/h ergibt sich: W_Spitze = (50 + 2,4) × 0,9 × 1,15 ≈ 54 kg/h.

Welche Regelparameter sollten in den Übergangszeiten angepasst werden?

In den Übergangszeiten wird empfohlen, folgende Regelparameter anzupassen: 1) Feuchte- und Temperatur-Sollwerte – dynamische Schwellwerte auf Basis der Aussenbedingungen; 2) Modulation der Entfeuchterleistung – proportionale Regelung statt Taktbetrieb; 3) Anpassung der Ventilatorgeschwindigkeiten – entsprechend der Feuchtelast; 4) PID-Parameter – Anpassung der proportionalen, integralen und differentiellen Anteile; 5) Betriebsmodi der Wärmerückgewinnung – Bypass des Wärmetauschers bei günstigen Aussenbedingungen. Für den Frühling umfasst eine typische Einstellung die Vergrösserung der proportionalen Regelbandbreite auf 5–10% r. F., eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit des Systems sowie die Bereitschaft zum schnellen Umschalten zwischen den Modi.

Wie lässt sich Kondensation auf kalten Oberflächen bei plötzlichen Kälteeinbrüchen verhindern?

Zur Vermeidung von Kondensation bei plötzlichen Kälteeinbrüchen ist erforderlich: 1) Identifikation kritischer Zonen mit den niedrigsten Oberflächentemperaturen (Aussenwände, Fensterprofile, Metallkonstruktionen); 2) Installation von Temperaturmonitoring in diesen Zonen; 3) Berechnung der Taupunkttemperatur der Innenluft: t_Tau ≈ 243.5 × ln(φ × e^{(17.67 × t) / (243.5 + t)}) / (17.67 − ln(φ × e^{(17.67 × t) / (243.5 + t)})), wobei φ die relative Feuchte (Anteil) ist und t die Temperatur in °C; 4) Bei prognostiziertem Kälteeinbruch sicherstellen, dass t_Oberfläche > t_Tau + 2°C, entweder durch Senkung der Feuchte oder Erhöhung der Oberflächentemperatur. Für ein Lager mit kalten Wänden ist es sinnvoll, die Entfeuchtung 12–24 Stunden vor dem erwarteten Kälteeinbruch zu aktivieren und die Mindesttemperatur der Innenoberflächen nicht unter 12°C fallen zu lassen.

9. Fazit

Die saisonale Optimierung von Systemen zur Feuchtekontrolle basiert auf folgenden Schlüsselfaktoren:

1. Nutzung des Potenzials trockener Winterluft zur Entfeuchtung, was den Energieverbrauch deutlich reduziert.
2. Korrekte Berechnung sommerlicher Spitzenlasten mit ausreichender Leistungsreserve (15–25%).
3. Flexible, adaptive Steuerung in den Übergangszeiten, die sowohl Energieverschwendung als auch kritische Feuchteanstiege verhindert.
4. Integration von Wärmerückgewinnungssystemen zur Erhöhung der Energieeffizienz der winterlichen lüftungsseitigen Entfeuchtung.
5. Ganzjährige, umfassende Analyse des Energieverbrauchs unter Berücksichtigung aller Jahreszeiten.

Bei der Planung von Systemen zur Feuchtekontrolle sind eine Energiebilanz für verschiedene Jahreszeiten, die Geräteauswahl unter Berücksichtigung saisonaler Lastschwankungen sowie die Einführung adaptiver Steuerungen obligatorisch.

Investitionen in die saisonale Optimierung von Systemen zur Feuchtekontrolle sind wirtschaftlich sinnvoll, da sie die Betriebskosten im Jahresmittel um 25–45% reduzieren können (grobe Potenzialabschätzung).

Wichtig ist, dass alle Berechnungsparameter und Steuerungsalgorithmen an die konkreten Objektbedingungen, die klimatischen Besonderheiten der Region und die technologischen Anforderungen des Prozesses angepasst werden.