Autor Technische Abteilung Mycond
Die Planung von Systemen für Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) steht vor der grundlegenden Herausforderung, widersprüchliche Feuchteanforderungen für verschiedene Funktionszonen innerhalb eines Gebäudes in Einklang zu bringen. Das Fehlen eines differenzierten Ansatzes zur Feuchtekontrolle führt zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten durch Kondensation, Korrosion, mikrobielles Wachstum und Qualitätsverlust von Produkten. Dieser Artikel beseitigt technische Unklarheiten bei der Festlegung von Feuchtenormen und bietet eine Methodik zur Berechnung der Feuchtelasten für unterschiedliche Gebäudetypen.
Der Feuchteparameter ist einer der Schlüsselfaktoren in HLK-Systemen und wirkt sich direkt sowohl auf den Komfort der Menschen als auch auf die Erhaltung von Materialien, Ausrüstung und die Qualität technologischer Prozesse aus. Das Verständnis der physikalischen Natur der Luftfeuchte sowie der Methodik zur Berechnung von Feuchtelasten ist für jeden Planungsingenieur unerlässlich.
Physikalische Natur der Luftfeuchte
Die absolute Luftfeuchte wird als Masse des Wasserdampfs pro Volumeneinheit Luft (g/m³) ausgedrückt, während die relative Luftfeuchte das Verhältnis des Partialdrucks von Wasserdampf zum Sättigungsdampfdruck bei gegebener Temperatur in Prozent angibt. Ein entscheidender Punkt ist, dass die relative Luftfeuchte stark von der Temperatur abhängt, da die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit zu halten, mit steigender Temperatur zunimmt.
Zur Veranschaulichung: Luft mit einer Temperatur von 25°C und 50% relativer Luftfeuchte enthält etwa 11,5 g/m³ Wasserdampf. Wird diese Luft ohne Zu- oder Abfuhr von Feuchtigkeit auf 15°C abgekühlt, steigt die relative Luftfeuchte auf etwa 82%. Bei weiterer Abkühlung auf 10,5°C wird 100% relative Luftfeuchte erreicht – dies ist der Taupunkt, an dem die Kondensation beginnt. Diese Werte dienen dem Verständnis der Physik des Prozesses; in realen Projekten werden die tatsächlichen Auslegungsdaten verwendet.
Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist (relative Luftfeuchte 100%). Eine Absenkung der Temperatur unter den Taupunkt führt zur Kondensation von Feuchtigkeit. Die Berechnung des Taupunkts ist entscheidend, um Kondensation an kalten Oberflächen von Konstruktionen und Geräten zu vermeiden.
Die Auswirkung der Luftfeuchte auf Materialien hängt von deren hygroskopischen Eigenschaften ab. Holz ändert seine Abmessungen in Abhängigkeit von der Luftfeuchte, was zu Verformungen von Möbeln und Bauteilen führen kann. Metalle sind bei hoher Feuchte korrosionsanfällig, insbesondere bei zyklischen Änderungen. Elektronik leidet sowohl unter hoher Feuchte (Kondensation) als auch unter niedriger (statische Elektrizität). Diese Prozesse hängen vom Materialtyp und den Betriebsbedingungen ab.
Normative Grundlage
Die europäische Norm EN 16798-1:2019 definiert die Klassifizierung der Qualität der Innenraumumgebung (IEQ) und legt Parameter für verschiedene Gebäudekategorien fest. Gemäß EN 16798-1:2019 werden die Bereiche der relativen Luftfeuchte für verschiedene Kategorien der Innenraumluftqualität wie folgt festgelegt:
Für Kategorie I (hohe Erwartungshaltung): relative Luftfeuchte 30-50% (Winter), 30-50% (Sommer).
Für Kategorie II (normale Erwartungshaltung): relative Luftfeuchte 25-60% (Winter), 25-60% (Sommer).
Für Kategorie III (mäßige Erwartungshaltung): relative Luftfeuchte 20-70% (Winter), 20-70% (Sommer).
Wichtig ist das Verständnis des Konzepts des adaptiven Komforts, das unterschiedliche Erwartungen der Menschen in Sommer- und Winterperioden berücksichtigt. Zur Veranschaulichung des Temperatureinflusses auf die absolute Feuchte: Bei 20°C und 50% relativer Luftfeuchte beträgt die absolute Feuchte etwa 8,6 g/m³, und bei 25°C und gleicher relativer Luftfeuchte bereits 11,5 g/m³. Dies zeigt die Bedeutung der Berücksichtigung der absoluten Feuchte bei der Planung von Lüftungssystemen, da eine Temperaturänderung ohne Änderung des Feuchtegehalts der Luft zu erheblichen Veränderungen der relativen Feuchte führt.
Die Methodik zur Berechnung von Feuchteparametern in Normen basiert auf statistischen Ansätzen unter Berücksichtigung des prozentualen Zeitanteils, in dem eine Überschreitung der Grenzwerte zulässig ist. Die Wahl des Konservativitätsniveaus hängt von der Kritikalität der Prozesse im Gebäude ab.
Gewerbliche Gebäude
In der Planungspraxis werden für Büroräume oft Bereiche der relativen Luftfeuchte von 40-60% unter Berücksichtigung der Saisonalität betrachtet. Die konkreten Grenzen werden vom Planer abhängig von Normen, Ausrüstung und Betriebsbedingungen festgelegt. Bei niedriger Feuchte (unter 30%) verspüren Mitarbeiter Trockenheit der Schleimhäute und der Augen, zudem nimmt die statische Aufladung zu, was den Komfort beeinträchtigt und elektronische Geräte beschädigen kann. Bei Feuchtewerten über 65% steigt das Risiko des Wachstums von Mikroorganismen.
Zur Veranschaulichung der Methodik zur Berechnung der Feuchtelast betrachten wir ein angenommenes Büro mit 200 m² und 20 Mitarbeitern. Die Feuchteabgabe eines Menschen bei leichter Bürotätigkeit beträgt etwa 50-70 g/h. Wenn die Lüftung 40 m³/h pro Person liefert, kann bei Außenbedingungen von -5°C/85% (Winter) oder 30°C/60% (Sommer) die erforderliche Entfeuchtungsleistung von der Notwendigkeit der Befeuchtung bis zur deutlichen Entfeuchtung variieren. Dieses Beispiel demonstriert den Berechnungsansatz, die Methodik wird jedoch mit realen Projektdaten angewendet.
In Einkaufszentren ist den zonalen Unterschieden besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Lebensmittelbereiche mit offenen Kühlmöbeln erfordern Feuchtekontrolle, um Kondensation auf kalten Oberflächen zu verhindern. Die Oberflächentemperatur von Kälteanlagen liegt häufig unter dem Taupunkt der Umgebungsluft, was zu erheblicher Kondensation führen kann.
In Hotels sind Küchen mit prozessbedingter Feuchteabgabe und Konferenzräume mit hoher Belegungsdichte Feuchtequellen. Ein typischer Planungsfehler ist die Anwendung eines universellen Ansatzes ohne Berücksichtigung der verschiedenen Funktionszonen.
Industrielle Anlagen
In der pharmazeutischen Industrie ist die Feuchtekontrolle von entscheidender Bedeutung. Gemäß GMP Annex 1 (2022) umfasst die Stabilität der Raumklimaparameter für die aseptische Herstellung eine strenge Kontrolle der relativen Luftfeuchte. In der Praxis der pharmazeutischen Produktion kommen Feuchtetoleranzen von ±5% vor, für einige Prozesse sogar ±2%. Die konkreten Parameter werden vom Planer in Abhängigkeit von den technologischen Anforderungen festgelegt.
Bei hygroskopischen Pulvern und Stoffen, die stark mit Feuchtigkeit interagieren, ist eine präzise Kontrolle der Luftfeuchte eine notwendige Bedingung zur Sicherstellung der Produktqualität. Zur Veranschaulichung der Berechnungsmethodik betrachten wir einen Reinraum der ISO-Klasse 7 mit 100 m² Grundfläche und 3 m Raumhöhe, in dem 5 Personen in Schutzkleidung arbeiten. Bei einer Feuchteabgabe des Personals von 40 g/h pro Person und einer Luftwechselrate von 30 h⁻¹ ist die gesamte Feuchtelast unter Berücksichtigung sowohl interner Feuchtequellen als auch der mit der Außenluft eingetragenen Feuchte zu berechnen. Die Beispielrechnung zeigt die Methodik; im Projekt werden alle Daten aus dem Lastenheft entnommen.
In der Lebensmittelindustrie hängen die Feuchteanforderungen von den spezifischen Prozessen ab. Trocknungsabteilungen benötigen Luft mit niedriger Feuchte für eine effiziente Feuchtigkeitsabfuhr aus dem Produkt, was auf der Physik der Partialdrücke beruht. Bäckereien wiederum können für bestimmte Prozesse eine erhöhte Feuchte erfordern.
Für Lagerbereiche ist die Feuchtekontrolle wichtig, um Warenschäden zu verhindern. In Kühlräumen muss der Taupunkt der Luft unter der Temperatur der kältesten Oberfläche liegen, um Kondensation zu vermeiden.
In der Elektronikindustrie, insbesondere bei Fotolithografieprozessen, wird die Feuchte mit außergewöhnlicher Genauigkeit geregelt. Abweichungen von den Sollparametern können zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten durch Ausschuss führen. Niedrige Feuchte ist zudem zur Kontrolle statischer Elektrizität erforderlich.
In der Textilindustrie beeinflusst die Feuchte die Fadenrisshäufigkeit während der Produktion. In der Holzverarbeitung ist das Konzept der Gleichgewichtsfeuchte wichtig, die aufrechterhalten werden muss, um Verformungen der Produkte zu vermeiden. In Holzlagerhallen sollte die Berechnungsmethodik die Verdunstung von Feuchtigkeit aus den Materialien berücksichtigen.
Institutionelle Einrichtungen
In Krankenhäusern, insbesondere in Operationssälen, sind die Anforderungen an die Feuchtekontrolle streng. Gemäß DIN 1946-4:2018 ist für Operationsräume der Klasse Ia eine relative Luftfeuchte im Bereich von 30-60% einzuhalten. In der Praxis der Krankenhausplanung kommen unterschiedliche Bereiche vor, abhängig vom Typ der medizinischen Einrichtung und der Operationen. Die konkreten Parameter werden vom Planer entsprechend den nationalen Normen und den Operationsarten festgelegt.
Es ist notwendig, ein Gleichgewicht zwischen der Vermeidung statischer Elektrizität (erfordert höhere Feuchte) und der Begrenzung des Wachstums von Mikroorganismen (erfordert niedrigere Feuchte) zu finden. Lüftungssysteme müssen die Stabilität der Raumklimaparameter gewährleisten.
Zur Veranschaulichung betrachten wir einen Operationssaal mit 50 m², 6 Personen medizinischem Personal und einem Patienten. Bei einem Zuluftvolumenstrom von 2000 m³/h und einer Beleuchtungsleistung von 2 kW muss die Klimaanlage sowohl die sensible als auch die latente Kühllast kompensieren, einschließlich der Feuchteabgabe durch Personen.
In Bildungseinrichtungen beeinflusst die Feuchtekontrolle den Komfort und die Konzentrationsfähigkeit. Überfüllte Klassenräume können aufgrund der Feuchteabgabe der Schüler erhöhte Feuchte aufweisen.
Für Museen und Archive sind Feuchteanforderungen besonders wichtig. Nach Erkenntnissen der musealen Konservierung sollte für die meisten Papierexponate die relative Luftfeuchte im Bereich von 45-55% mit minimalen täglichen Schwankungen gehalten werden. Unterschiedliche Exponate haben unterschiedliche Anforderungen, was die Planung von Raumklimasystemen für große Museen mit vielfältigen Sammlungen erschwert.
Physikalische Degradationsmechanismen von Exponaten umfassen zyklische Spannungen bei Feuchteänderungen und Schimmelbildung bei hoher Feuchte. Studien zufolge beginnt Schimmel sich bei relativer Luftfeuchte über 70% über längere Zeiträume zu entwickeln, insbesondere auf organischen Materialien.
Sportanlagen
In der Planungspraxis von Schwimmbädern werden Bereiche der relativen Luftfeuchte von 50-65% verwendet, die jedoch konkret vom Typ des Beckens, der Ausstattung und den nationalen Normen abhängen. Die Feuchtekontrolle ist wichtig, um Korrosion der Konstruktionen und Schimmelbildung zu vermeiden.
Die Verdunstungsphysik von Wasseroberflächen wird durch die Formel beschrieben:
W = A × (Poberfläche - Pluft) × e
wobei W die Menge des verdunsteten Wassers (kg/h) ist, A die Fläche der Wasseroberfläche (m²), Poberfläche der Sättigungsdampfdruck bei Wassertemperatur, Pluft der Partialdruck des Wasserdampfs in der Luft und e ein empirischer Koeffizient, der von der Luftbewegung und der Aktivität im Wasser abhängt.
Zur Veranschaulichung der Berechnungsmethodik betrachten wir ein Becken mit 300 m², einer Wassertemperatur von 28°C und einer Lufttemperatur von 30°C bei 60% relativer Luftfeuchte. Unter diesen Bedingungen beträgt die Verdunstung bei geringer Besucheraktivität ungefähr 60-70 kg/h. Diese Methodik wird mit den tatsächlichen Daten des jeweiligen Projekts angewendet.
Zur Vermeidung von Kondensation ist es wichtig, dass die Oberflächentemperatur jeglicher Bauteile im Schwimmbad über dem Taupunkt der Luft liegt. Besondere Aufmerksamkeit ist der Verglasung und Metallkonstruktionen zu widmen, die eine niedrigere Oberflächentemperatur haben können.
In Sporthallen sind die Feuchteanforderungen weniger streng, aber ebenfalls wichtig für den Komfort der Sportler. Spa-Bereiche haben unterschiedliche Anforderungen für trockene und feuchte Zonen.
Eisarenen stellen eine besondere Herausforderung dar: Die kalte Eisoberfläche kann bei falsch ausgelegten Lüftungssystemen zur Kondensation führen. Das System muss die großen Temperaturdifferenzen zwischen der Eisfläche und dem Zuschauerbereich berücksichtigen.
Rechenzentren
Gemäß den Empfehlungen von ASHRAE TC 9.9 (2021) sind für Rechenzentren mehrere Zuverlässigkeitsklassen mit entsprechenden Feuchteanforderungen definiert. Für die Klasse A1 (strengste Anforderungen) beträgt der Bereich der relativen Luftfeuchte 20-80%.
In der Planungspraxis von Rechenzentren hängen die tatsächlichen Parameter von den Vorgaben der Gerätehersteller ab. Die Feuchtekontrolle ist aus mehreren Gründen wichtig: Eine zu niedrige Feuchte begünstigt die Ansammlung statischer Elektrizität, die empfindliche Geräte beschädigen kann, und eine zu hohe Feuchte kann zu Kondensation bei lokaler Oberflächenkühlung führen.
Moderne Planungsansätze für Rechenzentren beinhalten die Erweiterung des zulässigen Feuchtebereichs zur Steigerung der Energieeffizienz. Der Einsatz adiabater Kühlsysteme in einigen Klimazonen ermöglicht eine deutliche Senkung des Energieverbrauchs, erfordert jedoch eine sorgfältige Feuchteregelung.
Wohngebäude
Für Wohngebäude werden in der Planungspraxis Bereiche der relativen Luftfeuchte von 30-60% mit saisonalen Anpassungen betrachtet. Die konkreten Parameter hängen von nationalen Normen, Klimazone und Gebäudetyp ab.
Saisonale Unterschiede beeinflussen die Luftfeuchte in Wohnräumen erheblich. Im Winter fällt bei Nutzung der Heizung ohne Befeuchtung die relative Luftfeuchte oft unter den Komfortbereich. Im Sommer kann insbesondere bei hoher Außenluftfeuchte eine Entfeuchtung erforderlich sein.
Die Auswirkungen der Luftfeuchte auf die Gesundheit der Bewohner sind erheblich: Eine zu trockene Atmosphäre führt zu Reizungen der Atemwege und der Augen, während übermäßige Feuchte Bedingungen für das Wachstum von Mikroorganismen, einschließlich Schimmelpilzen und Hausstaubmilben, schafft.
Wesentliche häusliche Feuchtequellen sind die Atmung von Personen (40-50 g/h pro Person), das Kochen (0,5-1,0 kg/h), Waschen und Trocknen von Wäsche (0,5-2,0 kg/Tag), Zimmerpflanzen und Aquarien. Diese Quellen sind bei der Lüftungsplanung zu berücksichtigen.
Berechnungsmethodik
Bei der Planung von Systemen zur Feuchtekontrolle ist eine klare Hierarchie der Anforderungen einzuhalten: Technologische Anforderungen (falls vorhanden) haben oberste Priorität, gefolgt von normativen Anforderungen und Komfortanforderungen.
Die Berechnung der Feuchtelasten umfasst mehrere Hauptbestandteile:
- Feuchteeintrag über die Außenluft-Zuluft
- Feuchteabgabe durch Personen
- Technologische Feuchtequellen
- Infiltration durch die Gebäudehülle
- Verdunstung von offenen Wasserflächen
Die Ermittlung der erforderlichen Leistung von Entfeuchtungs- oder Befeuchtungssystemen sollte Spitzenlasten berücksichtigen und Sicherheitszuschläge beinhalten, die von der Unsicherheit der Eingabedaten und der Kritikalität der Prozesse abhängen.
Für Gebäude mit unterschiedlichen Funktionszonen ist die richtige Zonierung der Feuchtekontrollsysteme von entscheidender Bedeutung. Technische Lösungen können autonome Systeme für verschiedene Zonen oder lokale Zusatz-Entfeuchter/Befeuchter zur Parametrierung umfassen.
Typische Fehler
Die häufigsten Fehler bei der Planung von Feuchtekontrollsystemen:
- Anwendung universeller Ansätze ohne Berücksichtigung der Spezifika verschiedener Gebäudebereiche
- Unterschätzung der Feuchtelasten, insbesondere aus technologischen Prozessen
- Ignorieren der Infiltration durch die Gebäudehülle
- Falsche Platzierung von Feuchtesensoren
- Unzureichende Sicherheitszuschläge für kritische Prozesse
- Nichtberücksichtigung des Wechselspiels von Kühlung und Entfeuchtung
Im Betrieb treten häufig Probleme durch falsche Feuchtemessung aufgrund nicht kalibrierter oder falsch platzierter Sensoren auf. Viele Sensoren für relative Luftfeuchte benötigen eine regelmäßige Kalibrierung, um die Genauigkeit zu gewährleisten.
Betriebliche Auswirkungen
Übermäßige Feuchte kann zu ernsthaften Folgen führen:
- Kondensation an kalten Oberflächen und innerhalb der Konstruktionen
- Korrosion metallischer Elemente, insbesondere bei zyklischen Feuchteänderungen
- Wachstum von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Schimmelpilze)
- Verschlechterung der Eigenschaften hygroskopischer Materialien
- Verringerung der Wirksamkeit der Wärmedämmung durch Feuchteaufnahme
Auch zu geringe Feuchte verursacht Probleme:
- Unbehagen für Menschen (Trockenheit der Schleimhäute, der Haut, der Augen)
- Ansammlung statischer Elektrizität
- Mechanische Schäden an Materialien durch Schwinden und Rissbildung
- Austrocknen von Klebeverbindungen
Die wirtschaftlichen Folgen einer falschen Feuchtekontrolle können erheblich sein: von erhöhten Reparaturkosten durch Bauschäden bis hin zum vollständigen Verlust teurer Exponate in Museen oder Ausschuss in der Mikroelektronikfertigung.
Systeme zur Feuchtekontrolle
Moderne Systeme zur Feuchtekontrolle umfassen:
- Feuchtesensoren verschiedener Typen (kapazitiv, resistiv, psychrometrisch)
- Automatische Regelsysteme
- Luftentfeuchtungsgeräte (adsorptiv, kondensativ)
- Befeuchtungsausrüstung (Dampf-, Ultraschall-, adiabatische Systeme)
Die Messgenauigkeit der Luftfeuchte ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere für technologische Prozesse. Die meisten industriellen Feuchtesensoren benötigen eine regelmäßige Kalibrierung, insbesondere in aggressiven Umgebungen.
Regelungssysteme sollten die Trägheit der Feuchteprozesse berücksichtigen und Schwingungen der Parameter in Systemen mit hohen Stabilitätsanforderungen vermeiden.
Fazit
Die Planung von Feuchtekontrollsystemen erfordert einen differenzierten Ansatz in Abhängigkeit vom Gebäudetyp und den spezifischen Anforderungen der verschiedenen Funktionszonen. Wichtige Prinzipien, die einzuhalten sind:
- Festlegung klarer Kriterien für die Luftfeuchte auf Basis technologischer, normativer und Komfortanforderungen
- Sorgfältige Berechnung der Feuchtelasten unter Berücksichtigung aller Feuchtequellen
- Richtige Zonierung der Feuchtekontrollsysteme
- Auswahl geeigneter Ausrüstung mit ausreichender Leistungsreserve
- Sicherstellung zuverlässiger Mess- und Automatisierungssysteme
Bei der Planung sind nicht nur die Anfangsinvestitionen zu berücksichtigen, sondern auch Betriebskosten und potenzielle Risiken, die mit einer falschen Feuchtekontrolle verbunden sind. Ein solcher ganzheitlicher Ansatz ermöglicht die Schaffung effizienter und zuverlässiger HLK-Systeme für alle Gebäudetypen.
