Physikalische Ursachen für die Ungleichmäßigkeit der Luftfeuchte in Innenräumen: ein wissenschaftlicher Ansatz zur Platzierung von Sensoren

Autor: Technische Abteilung Mycond

Die Kontrolle der Luftfeuchte in Innenräumen ist entscheidend, um komfortable Aufenthaltsbedingungen zu gewährleisten, materielle Werte zu schützen und technologische Prozesse zu unterstützen. Dennoch kommt es selbst beim Einsatz moderner Entfeuchtungssysteme häufig zu Situationen, in denen bei normalen Anzeigen eines Feuchtesensors in einem Bereich des Raums in anderen Zonen Kondensat entsteht. Dieses Phänomen lässt sich durch die ungleichmäßige Verteilung der Luftfeuchte im Raumvolumen erklären, die das Ergebnis komplexer physikalischer Prozesse des Wasserdampftransports ist.

Mechanismen des Stofftransports von Wasserdampf in der Luft

Die Ungleichmäßigkeit der Luftfeuchte in einem Raum entsteht durch zwei grundlegende physikalische Mechanismen des Feuchtetransports: konvektiver Transport und molekulare Diffusion. Der konvektive Transport erfolgt durch die Bewegung von Luftmassen und ist der dominierende Mechanismus in belüfteten Räumen. Die molekulare Diffusion entsteht durch einen Konzentrationsgradienten des Wasserdampfes und wirkt selbst in ruhender Luft.

Die Geschwindigkeit des Feuchteausgleichs durch Diffusion wird durch das erste Fick’sche Gesetz beschrieben: J = -D·(dC/dx), wobei J der Feuchtefluss, D der Diffusionskoeffizient von Wasserdampf in Luft (etwa 2.6×10^-5 m²/s bei 20°C) und dC/dx der Feuchtekonzentrationsgradient ist. Wichtig ist, dass der Diffusionskoeffizient von der Temperatur abhängt: Bei einer Abnahme der Temperatur um jeweils 10°C verringert er sich um etwa 15–20%.

Die Geometrie des Raums beeinflusst die Struktur der Luftströmungen erheblich. In langen Fluren mit hoher Decke bewegen sich Luftmassen anders als in offenen Bereichen. Zur Abschätzung des Geometrieeinflusses kann ein dimensionsloser Parameter verwendet werden – das Verhältnis der charakteristischen Raumlänge zur Quadratwurzel der Querschnittsfläche. Überschreitet dieses Verhältnis den Wert 3, ist mit einer erheblichen Ungleichmäßigkeit der Feuchteverteilung zu rechnen.

Luftschichtung und vertikaler Feuchtegehaltsgradient

Ein vertikaler Feuchtegradient im Raum entsteht durch Luftschichtung. Die Dichte feuchter Luft hängt gemäß der für feuchte Luft modifizierten Zustandsgleichung idealer Gase von Temperatur und Feuchtegehalt ab: ρ = (P·M)/(R·T)·(1 - 0.378·φ·Ps/P), wobei ρ die Dichte feuchter Luft, P der Gesamtdruck, M die Molmasse trockener Luft, R die universelle Gaskonstante, T die absolute Temperatur, φ die relative Feuchte und Ps der Sättigungsdampfdruck ist.

Bei Wärme- und Feuchtequellen in unterschiedlichen Höhen bildet sich ein stabiler vertikaler Profilverlauf des Feuchtegehalts. Warme, feuchte Luft hat eine geringere Dichte und steigt nach oben, wodurch ein vertikaler Feuchtegradient entsteht, der 2% bis 15% relative Feuchte pro Höhenmeter betragen kann. Eine stabile Schichtung entsteht, wenn der Temperaturgradient 0.5–1.0°C/m übersteigt und der Unterschied im Feuchtegehalt zwischen oberer und unterer Zone mehr als 2–3 g/kg beträgt.

Die Aufhebung der Schichtung erfolgt bei intensivem Luftaustausch mit mehr als 8–10 Raumwechseln pro Stunde oder beim Einsatz gerichteter Luftströme mit einer Luftgeschwindigkeit von über 0.3–0.5 m/s.

Einfluss des Lüftungs- und Luftverteilungssystems auf die Gleichmäßigkeit der Parameter

Das Lüftungssystem ist ein Schlüsselfaktor für die Gleichmäßigkeit der Feuchteverteilung im Raum. Man unterscheidet drei grundlegende Arten der Luftverteilung:

• Mischlüftung mit Zuluft in die obere Raumzone erzeugt eine intensive Durchmischung und gewährleistet bei ausreichender Luftwechselrate (6–12 h⁻¹) eine relativ gleichmäßige Feuchteverteilung.
• Verdrängungslüftung mit Zuluft in die untere Zone erzeugt eine vertikale Schichtung mit einem Feuchtegradienten von der unteren zur oberen Zone.
• Kombinierte Konzepte verbinden Elemente beider Typen und werden in Räumen mit komplexer Geometrie eingesetzt.

Zur Sicherstellung einer vorgegebenen Gleichmäßigkeit ist die Luftwechselrate über die Massenbilanz zu berechnen: n = (G·K)/(V·ΔC_доп), wobei n die Luftwechselrate, G die Leistungsstärke der Feuchtequelle, K der Ungleichmäßigkeitsfaktor (1.2–1.8 je nach Luftverteilungskonzept), V das Raumvolumen und ΔC_доп der zulässige Unterschied der Feuchtekonzentration an verschiedenen Punkten im Raum ist.

Wichtig ist, dass eine hohe Luftwechselrate keine Gleichmäßigkeit garantiert, wenn die Luftverteilung falsch organisiert ist. Bei der Platzierung von Zu- und Abluftöffnungen sind die charakteristische Strahllänge der Zuluft und die Vermeidung von Stagnationszonen zu berücksichtigen.

Lokale Feuchtequellen und Zonen mit erhöhtem Risiko

In Innenräumen sind in der Regel verschiedene lokale Feuchtequellen vorhanden, die zu einer inhomogenen Feuchteverteilung führen. Zu den Hauptquellen zählen:

• Offene Wasserflächen – erzeugen eine lokale Erhöhung der Luftfeuchte in einem Radius von 2–5 m mit einer Verdampfungsintensität von 0.2–0.5 kg/(m²·h).
• Technologische Prozesse mit Verdampfung – können Zonen mit relativer Feuchte schaffen, die um 15–30% über dem Raummittel liegen.
• Menschen – geben 40–70 g Wasser pro Stunde ab und erzeugen eine lokale Feuchteerhöhung in einem Radius von 1–2 m.

Besondere Aufmerksamkeit verdienen kalte Oberflächen (umschließende Bauteile, Kälteanlagen, Rohrleitungen), die potenzielle Kondensationszonen darstellen. Kondensation tritt auf, wenn die Oberflächentemperatur unter dem Taupunkt der Luft liegt. Der lokale Feuchtegehalt in der Nähe kalter Oberflächen kann durch das Phänomen der Thermophorese – die Bewegung von Feuchte in kühlere Bereiche – um 20–30% höher sein als in der Raummitte.

Die Effizienz der Feuchteabfuhr (EF) kann als Verhältnis der Feuchtekonzentration in der Abluft zur Konzentration in der Quellzone bewertet werden: EF = C_витяж/C_джерело. Bei wirksamer Lüftung sollte dieser Wert nahe 1.0 liegen; bei Werten unter 0.7 ist das Luftverteilungskonzept zu überarbeiten.

Methodik zur Bestimmung der Anzahl und Platzierung von Feuchtesensoren

Die korrekte Platzierung von Feuchtesensoren ist entscheidend für eine effektive Mikroklimakontrolle. Wir empfehlen ein schrittweises Vorgehen:

1. Analyse der Raumaufteilung: Identifizieren Sie alle Feuchtequellen und kalten Oberflächen. Erstellen Sie eine Karte des Raums mit Markierung dieser Zonen.
2. Bestimmung des Lüftungstyps: Analysieren Sie das Luftverteilungsschema, die Hauptrichtungen der Luftströme und mögliche Stagnationszonen.
3. Abgrenzung charakteristischer Zonen: Unterteilen Sie den Raum in Funktionszonen (aktive Lüftung, technologische Anlagen, mögliche Stagnation, kalte Oberflächen).
4. Festlegung der Notwendigkeit eines separaten Sensors für jede Zone nach folgendem Kriterium: Wenn in der Zone eine lokale Feuchtequelle oder eine kalte Oberfläche vorhanden ist oder der Abstand zur Zone aktiver Lüftung die charakteristische Mischlänge überschreitet (L > 3·√A, wobei A die Querschnittsfläche des Strahls ist), ist ein separater Sensor erforderlich.
5. Bestimmung der Montagehöhe: Für Räume mit Mischlüftung – in Höhe der Arbeitszone (1.0–1.8 m); für Räume mit Verdrängungslüftung – in der Höhe mit maximalem Kondensationsrisiko; für mehrgeschossige Lager – separat auf jeder Ebene.
6. Überprüfung der Platzierung: Kein Sensor darf direkt neben Zu- oder Abluftöffnungen in einer Entfernung von weniger als dem Dreifachen des Kanaldurchmessers oder weniger als einem Meter installiert werden.

Beispielrechnung: Für ein Lager mit 30×15×6 m und Mischlüftung sowie Kälteanlagen entlang einer Wand beträgt die Mindestanzahl der Sensoren: 1 allgemeiner (im Zentrum in 1.5 m Höhe) + 2 in der Nähe der Kälteanlagen (im Abstand von 1 m von der Oberfläche in 1.0 m Höhe) = 3 Sensoren.

Typische Fehler bei der Planung von Feuchtemesssystemen

Bei der Planung von Feuchtekontrollsystemen treten häufig folgende Fehler auf:

• Einsatz nur eines Sensors für den gesamten Raum unabhängig von dessen Größe. In Räumen über 100 m² kann der Feuchteunterschied zwischen Zonen 10–20% betragen, was zu fehlerhafter Regelung führt.
• Platzierung des Sensors im Zu- oder Abluftstrahl. Ein solcher Sensor misst die Parameter der Zu- oder Abluft und nicht die mittleren Raumparameter.
• Ignorieren der Temperaturschichtung und Platzierung des Sensors in einer Höhe, die nicht der kritischen Zone entspricht. In Räumen über 4 m Höhe kann der Feuchteunterschied zwischen oben und unten 25–30% erreichen.
• Fehlende Sensoren in der Nähe kalter Oberflächen, wo das Kondensationsrisiko am höchsten ist. Die lokale relative Feuchte in der Nähe kalter Oberflächen kann 15–25% höher sein als im Raumzentrum.
• Montage der Sensoren nur an leicht zugänglichen Stellen ohne Berücksichtigung der Luftströmungsstruktur. Dies kann zu systematischen Messfehlern von 10–15% führen.

Betriebliche Folgen einer falschen Sensorplatzierung

Eine falsche Platzierung von Feuchtesensoren führt zu erheblichen Betriebsproblemen. Drei typische Szenarien:

1. Sensor in einer Zone mit aktivem Luftaustausch: zeigt normale Feuchte (45–55%) an, während in Stagnationszonen die Feuchte erhöht ist (65–80%) und Kondensation auftritt. Folgen: Beschädigung von Waren, Korrosion von Bauteilen, Wachstum von Mikroorganismen. Die Abweichung zwischen Sensoranzeigen und den realen Parametern in kritischen Zonen kann 15–25% relative Feuchte betragen.
2. Sensor in der Nähe einer lokalen Feuchtequelle: zeigt ständig erhöhte Werte (60–75%) an, das Entfeuchtungssystem arbeitet mit maximaler Leistung. Folgen: 30–50% Mehrenergieverbrauch, Übertrocknung anderer Zonen (bis auf 25–30% relative Feuchte).
3. Sensor in falscher Höhe: beispielsweise unter der Decke in einem Raum mit Verdrängungslüftung zeigt er eine erhöhte Feuchte (65–80%) an, obwohl sie in der Arbeitszone normal ist (45–55%). Folge: unnötiger Betrieb des Entfeuchters mit bis zu 40% Mehrenergieverbrauch.

Diese Abweichungen hängen von den konkreten Bedingungen ab, ihr Einfluss auf Betriebskosten und den Erhalt von Waren ist jedoch stets erheblich.

Einschränkungen der Anwendung der Methodik

Die beschriebenen Ansätze zur Platzierung von Feuchtesensoren haben gewisse Einschränkungen:

• Große Raumvolumina: Bei Volumina über 5000 m³ können selbst korrekt platzierte Punktsensoren keine vollständige Kontrolle gewährleisten; erforderlich ist ein verteiltes Monitoring-System mit 10–15 Sensoren oder ein Feuchtescansystem.
• Extrem niedrige Temperaturen: Bei Temperaturen unter -20°C sinkt die Messgenauigkeit standardmäßiger kapazitiver Feuchtesensoren auf ±5–7%; spezielle Niedrigtemperatursensoren sind erforderlich.
• Intensive Staub- oder Aggressivstoffquellen: Standardkapazitive Sensoren verschmutzen schnell und verlieren an Genauigkeit; die Lebensdauer kann sich von 5–8 Jahren auf 6–12 Monate verkürzen. Schutzgehäuse oder alternative Sensortypen sind notwendig.
• Saisonale Änderungen des Betriebsregimes: Beim Wechsel der Jahreszeit kann eine Neukalibrierung (±3–5% rF) oder eine Änderung der Sensorplatzierung erforderlich sein, insbesondere in Räumen mit natürlicher Lüftung.

FAQ: Häufige Fragen zur Feuchtekontrolle

1. Warum bildet sich Kondensat an den Wänden, obwohl der zentrale Sensor normale Werte anzeigt?

Dies ist ein typischer Ausdruck der ungleichmäßigen Feuchteverteilung. Der zentrale Sensor kann 55% anzeigen, doch in der Nähe kalter Wände kann die lokale Feuchte aufgrund von Thermophorese und langsamer Dampfdiffusion 80–90% erreichen, was bei einer Absenkung der Wandtemperatur um 3–5°C unter die mittlere Lufttemperatur zur Kondensation führt. Lösung: zusätzliche Sensoren in der Nähe kalter Oberflächen installieren oder die Luftzirkulation verbessern.

2. Wie viele Sensoren sollten in einem Lager mit 500 m² installiert werden?

Die Anzahl der Sensoren hängt nicht nur von der Fläche ab, sondern auch von der Raumgeometrie, dem Vorhandensein von Feuchtequellen und dem Lüftungstyp. Für ein Lager mit 500 m² und 6 m Höhe beträgt die Mindestanzahl: 1 Basissensor + (Fläche/150) + (Anzahl der Feuchtequellen) + (Anzahl der kalten Zonen) = 1 + 3 + N + M Sensoren. Bei verteilter Lagerung verschiedener Waren und vorhandener Kälteanlagen können 7–10 Sensoren erforderlich sein.

3. In welcher Höhe sollte der Feuchtesensor installiert werden?

Die optimale Höhe hängt vom Lüftungstyp und der Nutzung des Raums ab: Für Mischlüftung – 1.5–1.8 m über dem Boden; für Verdrängungslüftung – zwei Messpunkte: in 0.5–1.0 m und 2.0–2.5 m Höhe; für Produktionsräume – in Höhe der Arbeitszone; für Lager – auf Höhe der empfindlichsten Ware, in der Regel 1.0–2.0 m über dem Boden.

4. Kann ein Sensor in der Nähe von Türen oder Fenstern installiert werden?

Es wird nicht empfohlen, Sensoren näher als 2–3 m an Türen, Fenstern und anderen Infiltrationsquellen zu platzieren, da der Zustrom von Außenluft eine lokale Anomalie der Parameter erzeugt, die die realen Bedingungen im Raum nicht widerspiegelt. Besonders kritisch ist dies im Winter, wenn der Unterschied im Feuchtegehalt zwischen Außen- und Innenluft 5–10 g/kg erreichen kann.

5. Was tun, wenn die Anzeigen verschiedener Sensoren stark voneinander abweichen?

Prüfen Sie zunächst die Kalibrierung, indem Sie die Sensoren vorübergehend nebeneinander platzieren. Wenn der Unterschied unter gleichen Bedingungen bestehen bleibt, kalibrieren Sie sie. Wenn die Anzeigen an den Arbeitspositionen nach der Kalibrierung weiterhin um mehr als 8–10% differieren, deutet dies auf eine reale Ungleichmäßigkeit der Feuchteverteilung hin. Analysieren Sie in diesem Fall die Ursachen (unzureichende Zirkulation, lokale Feuchtequellen, Temperaturgradienten) und optimieren Sie das Lüftungssystem.

Fazit

Die richtige Platzierung von Feuchtesensoren ist keine formale Anforderung, sondern eine ingenieurtechnische Notwendigkeit, die sich aus der Physik des Stofftransports ergibt. Die ungleichmäßige Feuchteverteilung in Räumen ist ein natürliches Phänomen, das durch konvektiven Transport, molekulare Diffusion, Luftschichtung und lokale Feuchtequellen verursacht wird.

Für Planer von Mikroklimakontrollsystemen empfehlen wir:

• Die Struktur der Luftströmungen stets vor der Festlegung der Messpunkte zu analysieren
• Lokale Feuchtequellen und kalte Oberflächen bei der Sensorplatzierung zu berücksichtigen
• Nicht an der Anzahl der Sensoren zu sparen, wenn dies durch Größe und Komplexität des Objekts gerechtfertigt ist
• Sensoren in Höhen zu installieren, die den kritischen Kontrollzonen entsprechen
• Die Korrelation zwischen den Anzeigen verschiedener Sensoren regelmäßig zu überprüfen
• Parameteränderungen bei saisonalen Temperaturschwankungen zu berücksichtigen

Die Einhaltung dieser Empfehlungen ermöglicht einen effizienten Betrieb der Entfeuchtungssysteme, vermeidet Kondensation in kritischen Zonen und reduziert den Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung eines optimalen Mikroklimas.