Klimaanlage

Dezentrale Klimaanlagen (Außenmodule von Splitgeräten) in Hongkong, 2002

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.

Einteilung

Eine Klimaanlage hat die Aufgabe mit Hilfe der Zuluft und der Luftführung einen Raum zu konditionieren. Die Einteilung erfolgt nach den geregelten thermodynamischen Funktionen für die Zuluft.

Einteilung von Lüftungs-, Teilklima- und Klimaanlagen nach DIN EN 13779

Kategorie	geregelte Funktionen					Anlagenbezeichnung
	Lüftung	Heizung	Kühlung	Befeuchtung	Entfeuchtung
THM-C0	X					Einfache Lüftungsanlage
THM-C1	X	X				Lüftungsanlage mit Heizfunktion bzw. Luftheizungsanlage
THM-C2	X	X		X		Teilklimaanlage mit Befeuchtungsfunktion
THM-C3	X	X	X		(x)	Teilklimaanlage mit Kühlfunktion
THM-C4	X	X	X	X	(x)	Teilklimaanlage mit Kühl- und Befeuchtungsfunktion
THM-C5	X	X	X	X	X	Klimaanlage mit allen Funktionen (oder ugs. „Vollklimaanlage“)

Legende: X Wird in der Teilklimaanlage geregelt. (x) Wird in der Teilklimaanlage beeinflusst, aber nicht geregelt.

Weiterhin werden die Klimaanlagen zusätzlich nach der Lüftungsfunktion gekennzeichnet. Wird Außenluft zugeführt, so handelt es sich um eine Klimaanlage mit Lüftungsfunktion. Wird dagegen nur Umluft gefahren, so ist das eine Klimaanlage ohne Lüftungsfunktion.

Vor- und Nachteile von Klimaanlagen

Die Auswirkungen von Klimaanlagen auf die Produktivität bei der Arbeit sind umstritten und von vielen individuellen Faktoren beeinflusst.

Pro:

• Gesundheitlich zuträgliche Atemluft wird den Arbeitsräumen zugeführt. Dies ist gemäß Arbeitsschutz, z. B. in Deutschland nach der Arbeitsstätten-Richtlinie Lüftung (ASR 5) dann erreicht, wenn die Luftqualität im Wesentlichen der Außenluftqualität entspricht^[1]. Neben CO2 werden auch Gerüche und Schadstoffe, wie Lösungsmittel aus Baustoffen oder Teppichen, Ozon aus Laserdruckern, Stäube, Gase und Dämpfe aus Herstellungsprozessen etc. abgeführt. Maßstab ist die maximale Konzentration am Arbeitsplatz (MAK).
• Bei etwa 20 °C ist der Mensch zu 100 % leistungsfähig. Bei 28 °C sinkt die Leistungsfähigkeit auf 70 % und bei 33 °C auf 50 %^[2]. Laut Arbeitsstätten-Richtlinie Raumtemperatur (ASR 6) soll die Temperatur an Büroarbeitsplätzen 26 °C nicht übersteigen^[3].

Contra:

• Eine Befragung der AOK ergab, dass sich fast 40 % der Befragten durch schlechte Belüftung und Klimaanlagen beeinträchtigt fühlen. Schlecht gewartete Systeme können Schadstoffe nicht abführen oder sogar Bakterien, Schimmelpilze und andere Mikroorganismen verbreiten.^[4].
• Zwar verbrauchen moderne, effiziente Klimaanlagen weniger Energie als ältere Geräte, aber ein verlustleistungsfreier Betrieb ist prinzipiell unmöglich. Das belastet spürbar die Stromversorgungsnetze, gerade in urbanen Gegenden.
• Ungünstige Gebäudekonzepte oder falsch konzipierte Klimaanlagen führen durch Wärmeabgabe zu thermischen Belastungen, welche sich in Form von lokalen Klimaveränderungen äußern können.

Zentrale Klimaanlagen

Bei zentralen Klimaanlagen werden die erforderlichen lüftungstechnischen Grundfunktionen der thermodynamischen Luftbehandlung – Luftförderung, Filterung, Temperierung, Be- und Entfeuchtung – in einem zentralen Zuluftgerät und in einem zentralen Abluftgerät durchgeführt. Bei der Temperierung ist der Wärme-/Kältebedarf der zugeführten Außenluft und ggf. die Transmissionswärme/-kälte für die Räume bereitzustellen. Von den beiden Geräten aus verteilen sich Luftkanäle zu den einzelnen Räumlichkeiten.

Zentrale Klimaanlagen werden in kombinierte Luft-/Wasser-Anlagen und Nur-Luft-Anlagen unterschieden.

• Luft-/Wasser-Anlagen

Zur Temperierung erfolgt bei dieser Bauweise die Deckung der Transmissionswärme/-kälte im Raum über wassergebundene Flächenheiz- oder –kühlsysteme, (Heizkörper, Kühldecken, o.ä.), während die Temperierung der zugeführten Außenluft, Luftförderung, Filterung, Be- und Entfeuchtung in den zentralen Geräten verbleibt. Diese Bauweise garantiert eine flexible Raumnutzung hinsichtlich Luftmenge und Raumtemperatur.

• Nur-Luft-Anlagen

Bei dieser Bauweise erfolgt die komplette Konditionierung des Raumes ausschließlich mit der zugeführten Luft. Nur-Luft-Anlagen kommen dann zum Einsatz, wenn aus besonderen Gründen wassergebundene Flächenheiz- oder -kühlsysteme im Raum vermieden werden sollen oder wenn größere Räumlichkeiten, wie Säle, Auditorien, Theater, Versammlungsräume, o.ä. klimatisiert werden müssen.

Zentrale Klimaanlagen haben sich gut bewährt. Alle Komfortanforderungen hinsichtlich der Behaglichkeit im Raum, wie Luftqualität, Lautstärke, Luftfeuchtigkeit, Zugfreiheit und der Temperatur lassen sich einfach erfüllen. Die räumliche Konzentrierung wesentlicher Bauteilkomponenten bietet wirtschaftliche Vorteile bezüglich Luftqualität, Energieeffizienz, Wartung, Hygiene und Flächennutzung.

Zentrale Lüftungsanlagen gestatten eine umfassende und energieeffiziente Aufbereitung der benötigten Luft. Unabhängig von der Fassadenausrichtung wird der verkehrsabgewandten Gebäudeseite in Bodennähe hier im Winter wind-/regengeschützt relativ warme und im Sommer relativ kühle Außenluft ins Gebäude eingebracht. Die Baugrößen ermöglichen durchgängig den Einsatz von Komponenten mit hohen Wirkungsgraden, wie z. B. Ventilatoren, Wärmerückgewinnung, Schalldämpfung. Zur Steigerung der Energieeffizienz lassen sich leistungsfähige multifunktionale Wärmerückgewinnungssysteme einsetzen, die auch im Sommer „als Nebenprodukt“ mit der indirekten adiabatischen Verdunstungskühlung selbsterzeugte Kälte bereit stellen. Damit wird die Heizzentrale um den Teil der thermischen Luftaufbereitung entlastet, und große stromzehrende Kälteanlagen inkl. deren Rückkühlwerke werden vermieden. Zudem können architektonische Möglichkeiten zur Vermeidung von Transmissionswärmeverlusten, wie z. B. Doppelfassade oder Passivhausbauweise umfassend genutzt werden.

Dezentrale Klimaanlagen

Bei dezentralen Klimaanlagen werden die Luftbehandlungen Luftförderung, Filterung und Temperierung direkt im Raum ausgeführt. Unabhängig von der Himmelsausrichtung des Gebäudes wird über die Fassade die benötigte Luft raumweise angesaugt und ins Gebäude eingebracht. Die Raumabluft wird ebenfalls wieder raumweise über die Fassade ins Freie entlassen.

Analog den zentralen Klimaanlagen lassen sich dezentrale Klimaanlagen ebenfalls in Luft-/Wasser-Anlagen und Nur-Luft-Anlagen unterteilen. Allerdings beschränken sich hier die Nur-Luft-Anlagen auf relativ kleine Räume, wie z. B. Büroräume an der Fassade.

Dezentrale Klimaanlagen sind aus Fenster-Kühlaggregaten entstanden, wie sie seit langem in den heißen Regionen Asiens und Amerikas eingesetzt werden, indem eine Lüftungs- und Heizfunktion hinzugefügt wurde. Dezentrale Klimaanlagen werden vorzugsweise für den nachträglichen Einbau in einzelne Räume vorgesehen. An den Komfortanforderungen müssen unter Umständen bei Luftqualität, Lautstärke, Luftfeuchtigkeit, Zugfreiheit und Hygiene Abstriche gemacht werden. Das kann beispielsweise daran liegen, dass bei verkehrszugewandten Fassaden belastete Außenluft in den Raum geführt wird, dass über die Fassade ausgeblasene Fortluft wieder angesaugt wird, dass zusätzlich zum Ventilatorgeräusch über die Fassadenöffnungen auch Verkehrslärm in den Raum dringt, dass keine Be- und Entfeuchtung stattfindet, dass der Winddruck Einfluss auf die Luftbilanzierung des Gebäudes hat oder wegen fehlender Filtervorerwärmung durchnässte Filter verkeimen.

Dezentrale Klimageräte werden vorwiegend unter Flur oder in die Brüstung eingebaut. Dies verringert zentrale Luftverteilungen im Gebäude und die Ausweisung einiger Technikflächen im Keller oder auf dem Dach. Der Einbau in die Brüstung birgt die Möglichkeit geringer Geschosshöhen, allerdings wird dabei im Gegenzug die effektive Raumbodenfläche um den Überstand der Brüstung reduziert. Es ist zu beachten, dass Räumlichkeiten im Gebäudekern oder Untergeschossen nicht zu klimatisieren sind.

Bei der Erreichung guter Energieeffizienzen sind in größeren Anlagen Abstriche zu machen. Das liegt daran, dass der Vorteil vermiedener Luftverteilungen nicht die Nachteile bei der thermischen Luftaufbereitung überwiegt. Auf Grund der begrenzten Einbausituationen sind die einzelnen Bauteile klein gehalten, was die erreichbaren Wirkungsgrade z. B. beim Ventilator, Wärmerückgewinnung oder Schalldämpfer vermindert. Nicht gegen Regen und Wind geschützt, kann es in der Heizperiode passieren, dass die kältere Fassaden-Außenluft mehr aufgewärmt werden muss und dann mit einem höheren Luftheizbedarf zu rechnen ist. Auf Grund der Thermik und Strahlung erfordert die Fassaden-Außenluft im Sommer zudem höhere Kühlleistung. Da auch keine indirekte adiabate Verdunstungskühlung nutzbar ist, muss die Kühlleistung über Kältemaschinen und Rückkühlwerke erzeugt werden, die zusätzliche Technikflächen benötigen und hohe Stromverbräuche verursachen. Bei der Wartung dezentraler Bauteile hat sich gezeigt, dass Zeit- und Transportaufwand für lange Wege und erneute Rüstzeiten vor Ort durchweg erhöhte Kosten nach sich ziehen. Auch können Wartungsarbeiten im Raum Behinderungen im Arbeitsablauf der dort anwesenden Personen verursachen. Dezentrale Klimaanlagen gestatten ein eigenes Konzept zur flexiblen Raumnutzung und Kostenabrechnung.

Um über die Fassade Fortluftansaugungen zu vermeiden und damit auch Brand- und Rauchübertragung einzuschränken, führt man dezentrale Klimaanlagen inzwischen vermehrt als hybride Ausführungen aus. Dabei wird die Raumabluft im Gebäude zusammengefasst und über ein zentrales Abluftgerät über Dach abgeführt, während die Außenluftansaugungen der einzelnen Räume noch über die Fassade erfolgen.

Regelung und Vergleichsprozess

Die Zusammenschaltung der verschiedenen Aggregate zur Luftaufbereitung bedürfen spezieller Regelungsalgorithmen. Sie nehmen direkten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit, den Ressourcenverbrauch und die Umweltverträglichkeit der Klimaanlage. Die unterschiedlichen Regelungsverfahren können mit Jahressimulationen zwar auf ihre Effizienz hin beurteilt werden, sie gestatten aber keine Aussage bezüglich ihres tatsächlichen, absoluten Qualitätsstandes. Aus diesem Grund wurden Vergleichsprozesse der Klimatechnik entwickelt. Sie basieren auf einer Optimierungsstrategie (dynamische Optimierung mit den Variablen Temperatur und Feuchte) mit einer variabel definierbaren Zielfunktion. ^[5].

Sick-Building-Syndrom

Das Sick-Building-Syndrom wird fälschlicherweise nur mit Klimaanlagen in Verbindung gebracht. Wie das Wort Syndrom andeutet, müssen jedoch mehrere Kriterien gleichzeitig vorliegen, um Symptome auszulösen. Das Wohlbefinden in klimatisierten Räumen ist von insgesamt sechs Hauptfaktoren abhängig, wovon allerdings nur die ersten beiden der nachfolgend genannten Hauptfaktoren von Klimaanlagen beeinflusst werden können. Erst bei Erfüllung aller Kriterien kommt es nicht zum Sick-Building-Syndrom.

1. Behaglichkeit ist gegeben
2. Luftqualität stimmt (Frischluft statt Umluft)
3. Körperlicher Gesundheitszustand ist zufriedenstellend
4. Arbeitsplatz ist optimal gestaltet (kein Lärm, ausreichende Beleuchtung, keine spürbaren Hochhausschwingungen)
5. Arbeitsklima ist angenehm (kein Mobbing, keine innere Kündigung, kein Burn-Out).
6. Angenehme und interessante Tätigkeit wird ausgeführt.

Ökologische Betrachtung

Klimaanlagen zur Kühlung werden insbesondere in den Subtropen und Tropen eingesetzt, um Wohn- und Arbeitsbedingungen zu schaffen, die denen moderaterer Klimazonen entsprechen. Sie sind in vielen warmen Ländern die Voraussetzung für den Aufbau wettbewerbsfähiger Industrien, so wie sie ursprünglich dem Süden der USA erst den Anschluss an die industrielle Entwicklung des Nordens ermöglicht hatten. Ohne Klimatisierung könnten beispielsweise die heranwachsenden Industrienationen Südostasiens ihr Wachstumstempo nicht durchhalten.

Daraus ergeben sich jedoch neue und belastende Probleme wie sehr hohe Energiekosten, Überlastungen der Energieversorger und lokale Klimaveränderungen. Aus diesem Grund nennen beispielsweise die Menschen im Großraum Tokio ihr Gebiet, das etwa auf der geografischen Breite von Los Angeles liegt, bereits „Hitzeinsel“.

Um diesen Problemen vorzubeugen, wird seit Mitte der 1980er Jahre in Deutschland immer mehr die adiabate Kühlung in der Gebäudeklimatisierung eingesetzt. Die erforderliche Kälte wird dabei durch Verdunstungskälte erzeugt. Durch Verdunsten von Wasser an der Luft entsteht ein Kühlpotential, das immer unterhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die erreichbare Untertemperatur hängt von den klimatischen Bedingungen der Luft ab und liegt in Deutschland im Mittel bei gut 10 °C. Bis auf den Transport von Luft und Wasser wird zur Kälteerzeugung keinerlei mechanische, elektrische oder thermische Energie benötigt. So sorgt die adiabate Kühlung im Sommer in den Räumlichkeiten des deutschen Bundeskanzleramts für ein angenehmes Klima. Mit 1 m³ Wasser (etwa 5 €) lassen sich so am Tag gut 1000 m² Bürofläche kühlen. Ein Extremfall für die adiabate Kühlung war die EXPO 1992 in Sevilla. Dort wurde die Außenlufttemperatur auf dem EXPO-Gelände durch Verdunstung an Spitzentagen von 42° C auf deutlich angenehmere 36° C abgesenkt. Auch werden auf Basis von Erdkälte (z. B. Brunnenwasser, Oberflächenwasser) Kühlsysteme für Bürogebäude installiert. Dabei wird beispielsweise einem nahen See aus ausreichender Tiefe 4 °C kaltes Wasser entnommen und durch eine Art „Nahkältenetz“ in bestimmte Gebäude verteilt, anschließend wird das Wasser wieder in den See zurückgeführt. Voraussetzung ist die Umweltverträglichkeit solcher Maßnahmen, da veränderte Temperaturen Auswirkungen auf das Ökologiesystem haben können (Fischbestand, Wasserqualität etc.)

Mechanische Kühlung

Eine Klimaanlage kann gegenüber konventionellen Heizungs- und Luftreinigungsanlagen auch kühlen, filtern und entfeuchten. Hierzu verfügt sie über einen Kältekreislauf, wie er ähnlich auch in vielen Kühlschränken vorzufinden ist. Die Filterung erfolgt oft über Filtervliese. Kondensationsflächen mit Wasserabläufen dienen der Lufttrocknung. Grob gesprochen wird die Wärme über den Kältekreislauf abtransportiert und dann auf der anderen Seite abgegeben. Folglich benötigt eine Klimaanlage immer ein Medium, mit dem sie die Wärme transportieren kann. Hierzu wird üblicherweise modernes Kältemittel R410A, R407C; R134a; Chlordifluormethan (R22) oder R290 (bei kleinen Anlagen wegen der Brandgefahr) und in Fahrzeugen R134a sowie in älteren das heute verbotene R12 verwendet.

Der Energieverbrauch, den moderne Klimaanlagen zum Kühlen oder Heizen benötigen, konnte stetig gesenkt werden. Da man nur den Wärmetransport über den Kältekreislauf (Kompressor) bezahlen muss, sind heute höherwertige Klimageräte mit einer Leistungszahl von 3,5 bis 4,0 keine Seltenheit. Diese benötigen also bei einem modernen, hochwertigen Klimagerät mit einer Kühlleistung von 4 kW nur eine Antriebsleistung von ca. 1,1 kW.

Bei Wohn- und Autoklimaanlagen hängt der Verbrauch stark von der Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur ab. Bei Klimaanlagen zum Kühlen von Rechenzentren oder Maschinen ist der primäre Verbrauchsfaktor die durch die Geräte erzeugte Wärme, die abgeführt werden muss.

Split-Klimaanlage

Klimaanlagen werden auch immer öfter zum Heizen^[6] verwendet, da sie rund 2/3 der abgegebenen Wärmemenge aus der Außenluft entnehmen und nur 1/3 der abgegebenen Wärmemenge elektrisch aufnehmen (Wärmepumpenprinzip). Moderne Geräte erreichen Leistungszahlen von bis zu 5 im Heiz- und bis zu 4 im Kühlbetrieb, d. h. nur noch 20–25 % der benötigten Energiemenge kommen aus der Steckdose. Höherwertige Splitklimageräte mit Wärmepumpenfunktion sind deshalb weit effizienter als Elektroheizungen. Es werden für größere Objekte bereits Wärmerückgewinnungsanlagen gebaut, bei denen auch die Abwärme im Kühlbetrieb für das Erwärmen von Brauchwasser genutzt werden kann. Auch eine Kombination mit einer Fußbodenheizung ist heute möglich.

Als Splitgeräte werden solche Klimaanlagen bezeichnet, die über eine Außeneinheit (Kondensator/Kompressor) und eine mit dieser verbundenen Inneneinheit (Verdampfer), evtl. auch mehrere Inneneinheiten (Multi-Splitanlagen), verfügen. Zum technischen Verständnis des ablaufenden Kreisprozesses in Splitgeräten siehe Abschnitt „Kompressionskälteanlagen“ im Artikel Kältemaschine.

Als Klimaanlagen mit Inverter oder mit Inverter-Technologie werden solche Anlagen bezeichnet, bei denen sich die Leistung des Klimakompressors variabel dem Kühlbedarf anpassen kann. Die zentrale Rolle bei der Regulierung des Kompressors hat hierbei ein Frequenzumrichter, auch Inverter genannt – daher die Bezeichnung.

Bei herkömmlichen Klimaanlagen läuft der Kompressor entweder auf Höchstleistung oder ist abgeschaltet. Die Anpassung der Kühlleistung erfolgt durch den Wechsel verschiedenlanger Perioden von Betrieb und Stillstand des Kompressors. In Inverter-gesteuerten Anlagen wird die Leistung des Kompressors dem Kühlbedarf variabel und fließend angepasst. Der Wechselstrom aus dem Stromnetz wird dazu zunächst mit Hilfe eines Gleichrichters in Gleichstrom gewandelt, während der nachgeschaltete Wechselrichter den Strom wieder in Wechselstrom unterschiedlicher Frequenzen umwandelt. Je nach Wechselstromfrequenz dreht sich der Motor des Kompressors dann schneller oder langsamer und verändert so die Leistung des Kompressors.

Da bei einem intensiven Start-Stopp-Betrieb die mechanischen Bauteile der Geräte stärker beansprucht und auch das Stromnetz durch abrupte Änderungen der Leistungsaufnahme ineffizienter belastet wird, sind Klimaanlagen mit Inverter-Technologie in Situationen mit sich häufig und kontinuierlich änderndem Kühl- (oder Heiz-)Bedarf effizienter. In Situationen in denen ein durchgehender Betrieb auf Maximalleistung benötigt wird, sind die herkömmlichen Geräte wiederum im Vorteil, da bei der Inverter-Technologie beträchtliche Energieverluste durch die Konvertierung zwischen Wechsel- und Gleichstrom entstehen.

Wie bei anderen Haushaltsgeräten werden die Geräte in Energieeffizienzklassen von A (gut) bis G (schlecht) eingeteilt; diese Angabe ist mittlerweile Pflicht.

Außerdem sind, in geringem Umfang, Gaswärmepumpen im Einsatz. Diese werden mit einem Verbrennungsmotor betrieben und nehmen ihre Energie aus Erd- oder Flüssiggas. Strom wird hier lediglich für Steuerung bzw. bei Kaltwassermaschinen für kleinere Pumpen benötigt. Ein bekannter Hersteller dieser Geräte ist die Firma Aisin Seiki. Gaswärmepumpen haben den Vorteil, dass sie Primärenergie direkt einsetzen und so Verluste die bei der Verstromung von Gas und Verluste durch Transport der elektrischen Energie verloren gehen, vermieden werden. Haben jedoch den Nachteil der erhöhten Anschaffungskosten und Wartungsaufwand.

Anwendungsbereiche und Bauarten

Die Bauarten von Klimaanlagen sind sehr verschieden; es wird unterschieden zwischen

• Direktverdampfern und
• indirekter Kühlung über Kaltwasser- oder Solekühler.

In kleinen Klimaanlagen wie Raumkühlgeräten, PKW-Klimaanlagen, Krananlagen und Klimaanlagen in Zügen wird die Luft direkt über den Einbau eines Verdampferbündels in den Luftstrom gekühlt. Großanlagen für die Klimatisierung von Bürogebäuden oder auch zur Kühlung von größeren Elektroschaltanlagen mit einer größeren Anzahl von Kühlstellen werden indirekt gekühlt. Der Verdampfer der Kälteanlage ist ein Wärmeübertrager, der Wasser oder Sole kühlt. Die Sole besteht aus Wasser, dem Frostschutzmittel beigegeben ist. Es wird ein geschlossener Kühlkreislauf mit Kreiselpumpen betrieben, in dem ein Ausdehnungsgefäß zur Aufnahme der thermischen Volumenänderung eingebaut ist.

Großkühlung (ehem. Zeche Gneisenau, Dortmund-Derne)

Die Leistungen der Klimaanlagen reichen von 2 kW Kälteleistung (Raumklimagerät) bis zu zentralen Kälteanlagen im Steinkohlenbergbau mit einer Kälteleistung bis 3000 kW je Verdichteraggregat.

Für den privaten Gebrauch kommen Monoblock- oder Splitgeräte in Frage:

• Monoblockgeräte haben einen Abluftschlauch, der in einem Wanddurchbruch fest verlegt sein oder aus einem Fenster gehängt werden muss. Diese Geräte haben den Nachteil, dass durch den zwangsläufigen Luftdruckausgleich die nach außen geblasene Abluft sofort wieder ersetzt wird durch warme und feuchte Außenluft, die durch die Ritzen in Fenstern und Türen einströmt. Somit wird ein großer Teil der Wirkung der Klimaanlage wieder zunichte gemacht. Ferner sind diese Geräte lauter als Splitgeräte, da der Kompressor innerhalb der Wohnung arbeiten muss. Allerdings gibt es auch Monoblockgeräte mit einem zweiten Schlauch zum Ansaugen von Außenluft, sodass kein Luftdruckausgleich mehr erforderlich ist. Diese Zweischlauch-Geräte sind aber bisher wenig verbreitet.

• Splitgeräte sind effizienter, da der Verflüssiger an einer günstigen Stelle außerhalb des zu kühlenden Raums aufgestellt werden kann. Verflüssiger und Verdampfer werden über Schlauchleitungen verbunden. Die Schlauchkupplung ist praktisch ohne Totraum ausgeführt, so dass nach dem Verbinden der Teile die Klimaanlage ohne Eingriff in den Kältemittelkreis betrieben werden kann. Einige Split-Klimageräte verfügen heutzutage über eine sog. Wärmepumpenschaltung, die es ermöglicht, die Klimaanlage auch im Herbst, Winter und Frühling als energiesparende Zusatzheizung bis zu einer Außentemperatur von bis zu −15 °C zu betreiben.

Bekannt aus den USA ist auch eine Klimaanlage von der Größe eines Mikrowellenherdes, die in einen Fensterrahmen gestellt werden kann, und die Abwärme direkt nach außen abgibt. Dazu ist es jedoch erforderlich, den Rest des Fensterrahmens gegen die ansonsten wieder eintretende Abluft zu verschließen. Dies ist nur bei den in den USA üblichen Fenstern praktikabel, die nach oben aufgeschoben werden können.

Siehe auch: Sorptionsklimaanlage

Weitere Einsatzgebiete

Fahrzeuge

US-amerikanischer Verdunstungskühler der 1950er Jahre

manueller Schalter für eine Klimaanlage (BMW)

Bedienungseinheit für Klimaautomatik aus den 1970er Jahren (Mercedes-Benz W 123)

Bedienungseinheit einer Kfz-Klimaautomatik (Audi)

Klimaanlagen werden auch in Luftfahrzeugen und Kraftfahrzeugen eingesetzt. Oftmals wird dabei auch von Klimatronik (Climatronic) oder Klimaautomatik gesprochen. Der generelle Unterschied liegt in der Bedienungsart und/oder Ansprechart der Bauteile der Klimaanlage. Eine Klimatronik sowie eine Klimaautomatik werden elektronisch geregelt, dagegen funktionieren ältere Anlagen nur über Drehregler oder mechanisch, dabei spricht man von „manueller“ Klimaanlage. Zudem ist es mit modernen Klimaautomatiken in Fahrzeugen sogar möglich, die Temperatur für Fahrer, Beifahrer sowie Rückbank separat einzustellen. Üblicherweise wird auch die unterschiedliche Erwärmung des Fahrgastraumes durch Sonneneinstrahlung kompensiert, indem die Position der Sonne über einen Sonnenstandssensor (auch: Solarsensor) ermittelt und dementsprechend die betroffene Seite des Fahrzeugs stärker gekühlt wird.

Die Funktionsweise einer Autoklimaanlage sieht – generell gesehen – so aus: Die zu kühlende Luft wird an einem Verdampfer vorbeigeleitet, in welchem das Kühlmittel verdampft. Der Verdampfungsprozeß kühlt die vorbeiströmende Luft deutlich ab. Das Kühlmittel wird danach gasförmig in einen Kreislauf geleitet, indem es durch einen Kompressor angesaugt wird und durch einen nachgeschalteten Kondensator – dem Schweiß-Prinzip der Haut ähnlich – wieder abgekühlt und in seinen Flüssigkeitszustand zurückgesetzt wird. Bevor das Kühlmittel wieder in den Verdampfer gelangt, wird ihm noch in einem Trockner Feuchtigkeit entzogen. Der Nebeneffekt, der bei Einschalten der Klimaanlage das Beschlagen der Scheiben verhindert, liegt darin begründet, dass kältere Luft grundsätzlich weniger Feuchtigkeit enthalten kann als wärmere. Kleinere Wasserlachen unter dem Fahrzeug beim Parken sind auf das „Abtauen“ des Verdampfers der Klimaanlage zurückzuführen.^[7]

Durch Klimaanlagen wird häufig ein gesteigerter Komfort empfunden, was auch die Sicherheit fördert. Insbesondere bei hohen Temperaturen kann die Konzentration des Fahrers erheblich abnehmen. Früher noch als verzichtbarer Luxus abgetan, erlebten Kfz-Klimaanlagen in Deutschland in den 1990er Jahren einen regelrechten Boom. Heute gehört die Klimaanlage im Pkw zur Standardausstattung und sorgt nicht nur für kühle, sondern auch für saubere Luft im Innenraum durch einen entsprechenden Filter. Gereinigt wird die Luft mittels eines Kabinenluftfilters, auch bekannt unter den Bezeichnungen Pollen- oder Innenraumfilter. Nur durch den Einsatz hochwertiger Kabinenluftfiltersysteme gelingt es, die Passagiere vor Pollen, Dieselruß, Feinstaub, Ozon und anderen Reizgasen zu schützen. In bestimmten Fahrzeugklassen gilt heute ein Gebrauchtfahrzeug ohne Klimaanlage schon als nahezu unverkäuflich. Der Betrieb des Klimakompressors erhöht auch den Arbeitswiderstand des Motors und somit auch den Verbrauch. Der Mehrverbrauch reicht in der Realität von nicht messbar bis über 5 l/100 km. Wie hoch er letztendlich ist, hängt neben den Betriebsbedingungen von Motorleistung und Bauart des Klimakompressors ab. Neuere Messungen (2006) verschiedener Institute (u. a. ADAC) ergaben Mehrverbräuche von 0,4–1,2 l/100 km bei Autobahnfahrten und 2,0–4,5 l/100 km im Stadtverkehr.

Verschiedene Verbraucherschutzorganisationen plädieren dafür, den Mehrverbrauch durch die Klimaanlage in den Fahrzeugdaten mit auszuweisen. Die Verbrauchsangabe pro 100 km ist allerdings lediglich als grober Schätzwert geeignet, da der Verbrauch hauptsächlich von der Betriebszeit und nur wenig von der zurückgelegten Strecke abhängt. Ein mit 5 km/h fahrendes Auto hätte z. B. einen sehr hohen Mehrverbrauch durch eine Klimaanlage, da diese 20 Stunden laufen müsste, bis 100 km zurückgelegt sind.

Klimaanlagen können auch bei älteren Fahrzeugen nachgerüstet werden. Der Aufwand dafür ist oft erheblich, da oft das Armaturenbrett ausgebaut werden muss, um den Verdampfer installieren zu können. Der Einsatz von FCKW-Kältemitteln wie R12 (Freon) ist mittlerweile verboten. Technischer Stand ist die Verwendung des fluorierten Kohlenwasserstoffes R134a. Zum Austausch von R12 in alten Klimaanlagen eignet sich das Gemisch R413a, welches nur zu 88 % aus R134a besteht, im Gegensatz zu R134a aber ähnliche Fließ- und Schmier-Eigenschaften wie R12 aufweist.

Kälteanlagen in Kraftfahrzeugen weisen sehr hohe Kältemittelverluste auf, die durch den Einbau „offener Verdichter“ hervorgerufen werden. Die Verluste werden in erster Linie durch undichte Verdichterwellenabdichtungen verursacht. Begünstigt werden die Undichtheiten, wenn der Verdichter im Winter nicht eingeschaltet wird und kein Öl der Wellenabdichtung zugeführt wird. Hinzu kommen mögliche Undichtheiten an lösbaren Verbindungen, die durch die Schwingungen des Motors verursacht werden können. Die Anlage sollte ca. alle zwei bis vier Jahre auf etwaige Verluste an Kältemittel überprüft werden; spätestens, sobald die Kälteleistung nachlässt.

Seit 2011 verbietet eine EU-Richtlinie den Einsatz von FKWs mit einem GWP-Wert größer 150 (dazu zählt auch R134a) in Klimaanlagen neu zugelassener Fahrzeugtypen. In Zukunft soll stattdessen Kohlendioxid (R744) zum Einsatz kommen. Es besitzt ein vielfach geringeres Treibhauspotenzial als herkömmliche Kältemittel (GWP von 1) und trägt nicht zum Ozonabbau bei. Zudem zeigte sich in Testfahrten in fast allen Fällen eine höhere Energieeffizienz als für Systeme, die mit R134a arbeiten. Kältetechnische Komponenten für die erforderlichen Hochdruck-Systeme wurden bereits entwickelt und versprechen einen baldigen kommerziellen Einsatz.^[8] Manche Autohersteller werben allerdings für das gefährliche 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (HFO-1234yf), da sich dieses auch in den bisherigen Klimaanlagen verwenden lässt. Dieser Stoff ist relativ klimafreundlich, aber brennbar. Bei Löschversuchen nach einem Unfall kann gefährliche Flusssäure entstehen.^[9]

Schiffe

Auf Schiffen ist der Betrieb einer Klimaanlage sehr viel einfacher und kostengünstiger, da hier die Abfalltemperatur über das praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehende und relativ kalte Seewasser abgegeben werden kann. Aus diesem Grunde können auch wesentlich tiefere Temperaturen erreicht werden. Beispiele für solche als „Kaltwassersatz“ bezeichneten Klimageräte findet man z. B. auf fast allen Schiffen der Deutschen Marine.
Siehe auch: Klimatisierung von Schiffen

Eisenbahn

Klimagerät auf dem Dach eines GTW in der Schweiz

Nahezu alle modernen Schienenfahrzeuge wie Triebzüge und Personenwagen sowie die Führerstände vieler Lokomotiven sind mit Klimaanlagen ausgerüstet. Die Klimageräte sind entweder unter dem Fußboden, häufiger aber auf dem Dach eingebaut (vor allem bei Niederflurfahrzeugen). Sie werden über das Bordnetz des Fahrzeuges oder über entsprechende Umrichter direkt aus der Zugsammelschiene mit Energie versorgt. Damit keine warme Außenluft ins Wageninnere gelangen kann, können bei klimatisierten Zügen die Fenster nicht geöffnet werden. Die Klimageräte sind überwiegend als Kompaktgeräte ausgeführt, seltener als Splitgeräte.

Flugzeuge

siehe Klimaanlage (Flugzeug)

Entwicklungsgeschichte

Die erste voll funktionsfähige Klimaanlage nach heutigem Prinzip soll von W.H.Carrier 1911 erfunden worden sein. Im Bereich der Autoklimaanlagen wurden diese zuerst 1938 von Nash, und im selben Jahr auch von Studebaker eingebaut.^[7]

Abkürzungen

• A/C (Aircondition type Carrier) = Klimaanlage nach W.H.Carrier (im Kfz. gebräuchliche Taste)
• VRF (Variable Refrigerant Flow) = Variabler Kältemittelmassenstrom
• BTU = british thermal unit, 1000 BTU/h = 293 W

Literatur

• Recknagel-Sprenger-Schramek: Taschenbuch für Heizung+Klimatechnik.. 73. Auflage., Oldenbourg Industrieverlag München 2007, ISBN 3-8356-3104-7
• Klaus Daniels: Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure. ISBN 3-7281-2727-2
• Maake-Eckert: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik. ISBN 3-7880-7310-1
• Jungnickel, H.; Agsten, R.; Kraus, W. E.: Grundlagen der Kältetechnik. 3. Auflage, Verlag Technik, Berlin 1990, ISBN 3-341-00806-3
• Lehrbuch der Kältetechnik (Hrsg. H.L. von Cube; F. Steimle; H. Lotz; J. Kunis) Bd.1 und 2, 4. Auflage, C. F. Müller Verlag, Heidelberg 1997, ISBN 978-3-7880-7509-5
• Olav Möller: Ratgeber Klimageräte 1.Auflage 2009, ISBN 978-3-00-028004-7

Einzelnachweise

1. ↑ Arbeitsstätten-Richtlinie Lüftung (ASR 5)
2. ↑ Süddeutsche Zeitung, 22. Juli 2006, Jutta Göricke, S.V2/13.
3. ↑ Arbeitsstätten-Richtlinie Raumtemperatur (ASR 6)
4. ↑ Klimaanlage - Gefahr für die Gesundheit?
5. ↑ Bernd Glück: "Vergleichsprozesse der Klimatechnik". Optimale Betriebsstrategie von Klimaanlagen mit frei definierbarer Zielfunktion
6. ↑ S.75, „Wozu heizen wir unser Zimmer?“ in: Michail W. Wolkenstein (Mikhail Vladimirovich Volkenstein), Entropie und Information
7. ↑ ^{a b} O.V.: „Wie funktioniert eine Klimaanlage?“, in: SPRINT - Das Mitsubishi Automagazin, 04/2007, S.50
8. ↑ CO₂ (R744) in Fahrzeug-Klimaanlagen
9. ↑ Andreas Halbach, Christian Rohde: Gefahr im Auto – Streit um neues Kühlmittel, Veröffentlichung bei KI-Kälte, Luft, Klimatechnik. Frontal21, 28. Oktober 2008, abgerufen am 20. Februar 2011. 

Siehe auch

• solare Klimatisierung
• Klimatechnik
• Luftführung
• Lüftungseffizienz
• Luftarten
• Schwerkraftkühlung
• Raumluft
• Kühlschrank
• Kryostat
• Kältemaschine
• Kühlwagen
• Nutzung von Geothermie zur Gebäudekühlung
• Pankha

Weblinks

• F-Gase Verordnung - Auswirkung auf Klimaanlagen, Kältetechnik & Wärmepumpen (eng.)
• Die sorptionsgestützte Klimatisierung
• Studie: Emissionen des Kältemittels R134a aus mobilen Klimaanlagen, PDF (Zusatzinformation: Wie funktioniert eine Autoklimaanlage) (846 kB)
• Sick-Building-Syndrom, Arbeitshilfe zur Ursachensuche bei gesundheitlichen Beeinträchtigungen an Arbeitsplätzen in Gebäuden pdf-Dokument der Unfallkasse Post und Telekom, Stand 2007 (301 kB)

 Commons: Air conditioners – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien