Autor: Technische Abteilung von Mycond
An einem heißen Sommertag holen Sie ein Glas kaltes Wasser aus dem Kühlschrank. Nach ein paar Minuten bemerken Sie, dass sich auf der Außenseite des Glases Wassertropfen bilden. Woher kommen sie? Das Wasser ist ja nicht durch die Glaswand gesickert. Das ist eines der häufigsten Beispiele für Phänomene, die die Psychrometrie untersucht – die Wissenschaft von den Eigenschaften feuchter Luft.
Was ist Psychrometrie und wozu braucht man sie?
Psychrometrie ist die Lehre von den Eigenschaften und dem Verhalten feuchter Luft. Man kann sie als „Bedienungsanleitung“ für Luft bezeichnen, die Wasserdampf enthält. Für HVAC-Ingenieurinnen und -Ingenieure (Heizung, Lüftung, Klimatisierung) ist das Verständnis der Psychrometrie so wichtig wie Mathematik für Buchhalterinnen und Buchhalter.
Die Psychrometrie hilft, zahlreiche praktische Aufgaben zu lösen:
- Berechnen, wie viel Wasser an Kälteanlagen im Supermarkt kondensiert
- Die optimale Temperatur und Luftfeuchte für Komfort im Büro bestimmen
- Erklären, warum es im Winter in Wohnungen so trocken ist, dass die Lippen reißen
- Schimmelbildung im Badezimmer verhindern
- Die Energie berechnen, die zur Entfeuchtung der Luft in der Pharma-Produktion benötigt wird
Sieben Schlüsselparameter feuchter Luft
Um den Zustand der Luft vollständig zu beschreiben, müssen mehrere Kenngrößen bekannt sein. Stellen wir uns 1 Kilogramm Luft in einer unsichtbaren Box eines typischen Wohnraums vor: Temperatur 21°C, relative Luftfeuchte 50 %. Betrachten wir die wichtigsten Parameter dieser Luft.
1. Trockenkugeltemperatur (Dry Bulb Temperature)
Das ist die gewöhnliche Lufttemperatur, die wir mit einem Thermometer messen. Abgekürzt t oder T, gemessen in °C. Wenn wir sagen „im Raum +21°C“, meinen wir die Trockenkugeltemperatur. Im psychrometrischen Diagramm ist dies die horizontale Achse unten, die Temperatur steigt von links nach rechts.
Praktische Bedeutung: der wichtigste Parameter des thermischen Komforts. Menschen fühlen sich im Winter bei 20–24°C und im Sommer bei 23–26°C am wohlsten.
2. Relative Luftfeuchte (Relative Humidity)
Sie ist der Prozentsatz der maximal möglichen Menge an Wasserdampf, die die Luft bei einer gegebenen Temperatur halten kann. Wichtig: „relativ“ bedeutet, dass dieser Parameter von der Temperatur abhängt – die Quelle vieler Missverständnisse.
Abgekürzt RH oder φ, gemessen in %. Stellen Sie sich einen Schwamm vor: Bei 21°C fasst er maximal 100 Einheiten Wasser (100 % Feuchte). Sind darin aktuell 50 Einheiten – entspricht das 50 % RH. Erhitzen Sie den Schwamm auf 30°C – nun kann er 200 Einheiten aufnehmen, aber die Wassermenge bleibt 50, also ist RH jetzt 50/200 = 25 %.
Im Diagramm: geschwungene Linien von der linken unteren zur rechten oberen Ecke, die oberste Linie 100 % RH ist die Sättigungslinie.
3. Feuchtegehalt (Humidity Ratio)
Das ist die reale physikalische Menge an Wasserdampf in Gramm pro Kilogramm trockener Luft. Abgekürzt d, w oder x, gemessen in g/kg. Im Gegensatz zur relativen Feuchte hängt der Feuchtegehalt nicht von der Temperatur ab – er ist eine absolute Größe.
In unserem Beispiel: Temperatur 21°C, RH 50 %, Feuchtegehalt 7,8 g/kg. Das bedeutet, dass in 1 kg trockener Luft 7,8 g Wasserdampf enthalten sind. Erhitzen wir die Luft auf 30°C, bleibt der Feuchtegehalt 7,8 g/kg, aber die RH sinkt auf ~27 %.
Praktische Anwendung: Berechnung der Wassermenge, die ein Entfeuchter entfernen muss. Formel: Wassermenge (kg/h) = Luftmassenstrom (kg/h) × Differenz des Feuchtegehalts (g/kg) / 1000.
4. Taupunkttemperatur (Dew Point Temperature)
Das ist die Temperatur, auf die die Luft abgekühlt werden muss, damit sie gesättigt wird (100 % RH) und Feuchtigkeit zu kondensieren beginnt. Abgekürzt Td, gemessen in °C.
Erinnern wir uns an das Glas mit kaltem Wasser – wenn die Oberflächentemperatur unter den Taupunkt der Raumluft sinkt, kondensiert der Wasserdampf am Glas.
In unserem Beispiel: Luft 21°C, 50 % RH, 7,8 g/kg – Taupunkt +10°C. Das bedeutet: Gibt es eine Oberfläche mit +10°C oder darunter (z. B. eine kalte Leitung), kondensiert dort Feuchtigkeit.
Vereinfachte Formel zur Berechnung des Taupunkts: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Beispiel: T=21°C, RH=50 %, Td ≈ 21 - ((100-50)/5) = 21-10 = 11°C (exakter Wert +10,2°C, Abweichung unter 1°C).
5. Dampfdruck (Vapor Pressure)
Das ist der Partialdruck, den die Wasserdampfmoleküle erzeugen. Abgekürzt pv, gemessen in Pa oder kPa. Jedes Wassermolekül „drückt“ auf die Umgebung, je mehr Moleküle, desto höher der Dampfdruck.
In unserem Beispiel: Feuchtegehalt 7,8 g/kg, Dampfdruck 1240 Pa = 1,24 kPa.
Wichtiger Aspekt – die Diffusion von Feuchtigkeit durch Materialien: Feuchtigkeit bewegt sich von einem Bereich mit hohem Dampfdruck zu einem mit niedrigem (wie Luft aus einem angestochenen Reifen). Im Winter ist es im Raum warm und die Luftfeuchte 40 % (Dampfdruck ~1000 Pa), draußen -10°C und 80 % RH (Dampfdruck ~200 Pa), die Differenz von 800 Pa „schiebt“ die Feuchtigkeit durch die Wand nach außen.
6. Enthalpie (Enthalpy)
Das ist die gesamte Energie der Luft, die sowohl die Wärme der Luft selbst (sensible Wärme) als auch die zur Verdampfung des Wassers aufgewendete Wärme (latente Wärme) umfasst. Abgekürzt h oder i, gemessen in kJ/kg.
Um Luft von 0°C auf 21°C zu erwärmen, wird Energie benötigt (sensible Wärme); um 7,8 g Wasser zu verdampfen, ist zusätzliche Energie nötig (latente Wärme). Enthalpie = sensible Wärme + latente Wärme.
In unserem Beispiel: Temperatur 21°C, Feuchtegehalt 7,8 g/kg, Enthalpie 41 kJ/kg, davon sensible Wärme ~21 kJ/kg, latente Wärme ~20 kJ/kg.
7. Feuchtkugeltemperatur (Wet Bulb Temperature)
Das ist die Temperatur, die ein Thermometer anzeigt, das mit einem feuchten Tuch umwickelt ist, durch das Luft strömt. Abgekürzt Tw, gemessen in °C.
Wasser aus dem Tuch verdunstet, entzieht Verdampfungswärme und kühlt das Thermometer. Je trockener die Luft, desto intensiver die Verdunstung und desto niedriger die Feuchtkugeltemperatur.
In unserem Beispiel: Trockentemperatur 21°C, RH 50 %, Feuchtkugeltemperatur 15°C.
Praktische Anwendung – Verdunstungskühlung: Die Feuchtkugeltemperatur ist die minimale Temperatur, auf die sich Luft durch die Verdunstung von Wasser ohne mechanische Kälte abkühlen lässt.
Das psychrometrische Diagramm — die Karte der feuchten Luft
Alle sieben Parameter feuchter Luft hängen miteinander zusammen. Das psychrometrische Diagramm (Mollier-Diagramm) ist ein grafisches Werkzeug, das all diese Zusammenhänge gleichzeitig zeigt.
Die Grundregel der Diagrammnutzung: Wenn Sie irgendwelche ZWEI Parameter kennen, können Sie alle anderen finden. Zum Beispiel:
Wenn wir T=21°C und RH=50 % kennen, finden wir auf der horizontalen Achse 21°C, ziehen eine vertikale Linie nach oben und suchen den Schnittpunkt mit der 50 %-RH-Linie. Dieser Punkt liefert: d=7,8 g/kg, Td=10°C, h=41 kJ/kg, Tw=15°C.
Praktische Beispiele für HVAC-Ingenieurinnen und -Ingenieure
Beispiel 1: Kühlen und Entfeuchten der Luft mit einer Klimaanlage
Aufgabe: Außenluft 32°C, 70 % RH soll auf 18°C gekühlt werden.
Schritt 1: Anfangsparameter bestimmen: T₁=32°C, RH₁=70 %, laut Diagramm d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C.
Schritt 2: Kühlprozess. Beim Erreichen des Taupunkts (26°C) beginnt die Kondensation. Beim Abkühlen auf 18°C: d₂=12,8 g/kg, RH≈95 %.
Schritt 3: Kondensat berechnen. Entfernte Feuchtigkeit = d₁ - d₂ = 21 - 12,8 = 8,2 g pro kg Luft. Bei einem Volumenstrom von 1000 m³/h (≈1200 kg/h): Kondensat = 1200 × 8,2 / 1000 = 9,84 kg/h Wasser.
Beispiel 2: Warum es im Winter in Wohnungen trocken ist
Situation: Winter, draußen -5°C, 80 % RH, diese Luft gelangt über die Lüftung in die Wohnung und wird auf 21°C erwärmt.
Schritt 1: Analyse der Außenluft: T₁=-5°C, RH₁=80 %, laut Diagramm d₁=2,2 g/kg.
Schritt 2: Erwärmung auf Raumtemperatur. Beim Erwärmen ändert sich der Feuchtegehalt nicht: T₂=21°C, d₂=2,2 g/kg, laut Diagramm RH₂=14 % — sehr trocken!
Fazit: Kalte Luft enthält physikalisch wenig Wasser. Beim Erwärmen verteilt sich diese geringe Menge in einem größeren Volumen warmer Luft, was zu niedriger relativer Luftfeuchte führt.
Beispiel 3: Lufttrocknung mit Sorptionsmittel
Aufgabe: Eine pharmazeutische Produktion benötigt Luft mit einem Taupunkt von -10°C bei einer Temperatur von 21°C.
Schritt 1: Erforderliche Parameter: T=21°C, Td=-10°C, laut Diagramm d=1,6 g/kg, RH=15 %.
Schritt 2: Analyse der Zuluft im Sommer: T₁=28°C, RH₁=65 %, d₁=15,5 g/kg.
Schritt 3: Zu entfernende Feuchtigkeit berechnen: Δd = 15,5 - 1,6 = 13,9 g/kg.
Eine herkömmliche Klimaanlage ist für eine derart tiefe Entfeuchtung ungeeignet, daher wird ein Adsorptionsentfeuchter benötigt, der bei jeder Temperatur arbeitet und Taupunkte bis -40°C erreichen kann.
Häufige Fragen zur Psychrometrie
Was ist Psychrometrie in einfachen Worten?
Psychrometrie ist die Wissenschaft von den Eigenschaften feuchter Luft. Sie hilft zu verstehen, wie Luft mit Wasser interagiert und wie diese Prozesse unseren Komfort und technische Abläufe beeinflussen.
Warum zeigt die relative Luftfeuchte nicht die tatsächliche Wassermenge in der Luft?
Die relative Luftfeuchte ist lediglich der Prozentsatz der maximal möglichen Wasserdampfmenge bei einer gegebenen Temperatur. Warme Luft kann mehr Wasser halten, daher liefert dieselbe Wassermenge bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche relative Feuchten.
Warum ist es im Winter in Innenräumen trocken, selbst wenn die Außenluftfeuchte hoch ist?
Kalte Luft enthält selbst bei hoher relativer Feuchte wenig Wasser. Gelangt diese Luft ins Gebäude und wird erwärmt, bleibt der Feuchtegehalt unverändert, aber die relative Feuchte fällt stark ab.
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 mit der Verdampfung oder Kondensation von Wasser in der Luft verbunden ist, ohne die Temperatur der Luft zu ändern.
Fazit — warum Psychrometrie für HVAC-Ingenieurinnen und -Ingenieure unverzichtbar ist
Das Verständnis der Psychrometrie ist für HVAC-Ingenieurinnen und -Ingenieure aus mehreren zentralen Gründen notwendig:
- Systemauslegung: Ohne Psychrometrie lassen sich Kälteleistungen von Klimageräten, die Leistung von Entfeuchtern und die Leistung von Befeuchtern nicht berechnen.
- Energieeinsparung: Das psychrometrische Diagramm hilft, die optimale Luftaufbereitungsstrategie zu bestimmen und die Effizienz von Wärmerückgewinnungssystemen zu bewerten.
- Problemvermeidung: Das Verständnis des Taupunkts verhindert Kondensation in Lüftungsanlagen, Wanddurchfeuchtung/Frostschäden und Schimmelbildung.
- Luftqualitätskontrolle: Die richtige Kombination aus Temperatur und Feuchte gewährleistet den Komfort der Menschen und die Erhaltung von Materialien.
Grundregel: Um den Luftzustand vollständig zu bestimmen, müssen mindestens ZWEI Parameter bekannt sein; alle anderen lassen sich aus dem Diagramm ablesen.
Psychrometrie ist keine abstrakte Theorie, sondern ein Alltagswerkzeug der Ingenieurinnen und Ingenieure. Es hilft, fundierte Entscheidungen zu treffen, Energie und Kundengeld zu sparen sowie komfortable und sichere Bedingungen in Innenräumen zu schaffen.
