Saisonale Optimierung von Luftfeuchtigkeitskontrollsystemen: Wie man das Winterpotenzial nutzt und sich auf sommerliche Spitzen vorbereitet

Autor: Technische Abteilung Mycond

Luftfeuchtigkeitskontrollsysteme werden in der Regel für mittlere Jahresbedingungen oder extreme Sommerbedingungen ausgelegt. Das führt im Winter zu erheblichen Energieüberverbräuchen, weil Entfeuchter ständig laufen, obwohl das Potenzial der trockenen Winteraußenluft kostenlos zur Verfügung steht, oder im Sommer dazu, dass die Ziel-Luftfeuchte nicht gehalten werden kann, weil Spitzenlasten unterschätzt werden. Die Optimierung saisonaler Betriebsmodi solcher Systeme ermöglicht eine deutliche Steigerung ihrer Energieeffizienz und Zuverlässigkeit.

Unter den Bedingungen in Deutschland und Mitteleuropa, wo ausgeprägte saisonale Schwankungen der Klimaparameter auftreten, sollte ein korrekt ausgelegtes Luftfeuchtigkeitskontrollsystem diese Veränderungen berücksichtigen, um ganzjährig optimal zu funktionieren.

Physikalische Grundlagen saisonaler Feuchteschwankungen

Der Jahreszyklus der Veränderungen der Luftfeuchtigkeit ist direkt mit Temperaturschwankungen verknüpft. In deutschen Städten wie Berlin, München oder Hamburg bewegen sich die Wintertemperaturen üblicherweise im Bereich von -10°C bis +5°C (typische ingenieurtechnische Richtwerte), bei einer relativen Luftfeuchte von 70-90% (Planungspraxis). Dabei ist der absolute Feuchtegehalt der Winterluft außerordentlich niedrig – etwa 0,5 bis 3 g/kg trockener Luft (vereinfachtes Beispiel zur Erläuterung der Methodik).

Im Sommer erreichen die Temperaturen in denselben Regionen +20...+32°C (typische ingenieurtechnische Bereiche), mit relativer Luftfeuchte von 50-80% (Planungspraxis). Der absolute Feuchtegehalt steigt dabei deutlich an – auf 10-15 g/kg trockener Luft (vereinfachtes Beispiel für Berechnungen).

Nutzung der trockenen Winterluft

Einer der wirkungsvollsten Ansätze der saisonalen Optimierung ist der Einsatz von Lüftungsentfeuchtung im Winter. Das Prinzip besteht darin, feuchte Innenluft durch trockene Außenluft zu ersetzen. Dieser Ansatz ist dann effektiv, wenn die Differenz der absoluten Feuchte zwischen Innen- und Außenluft ausreichend ist, um die notwendige Entfeuchtung zu erzielen (Richtwert – 2-3 g/kg; der konkrete Schwellenwert wird objektspezifisch berechnet).

Die Berechnung des Entfeuchtungspotenzials kann mit folgender Formel erfolgen:

W = L × (d_innen - d_außen)

wobei W – die abgeführte Feuchtemenge (g/h), L – der Luftvolumenstrom (m³/h), d_innen und d_außen – die absolute Feuchte der Innen- bzw. Außenluft (g/kg) sind.

Für einen Raum mit einem Volumen von 1000 m³, einer Innentemperatur von +20°C und einer relativen Luftfeuchte von 60% (vereinfachtes Beispiel zur Erläuterung der Methodik) beträgt die absolute Feuchte etwa 8,7 g/kg. Bei einer Außentemperatur von -5°C und 80% relativer Luftfeuchte liegt die absolute Feuchte der Außenluft bei nur etwa 2 g/kg. Bei einem Luftwechsel von 500 m³/h ergibt sich ein Entfeuchtungspotenzial von:

W = 500 × (8,7 - 2) = 3350 g/h bzw. 3,35 kg/h.

Wichtig ist jedoch, die Wärmeverluste bei dieser Entfeuchtungsmethode zu berücksichtigen. Die Berechnung der Wärmeaufwendungen für die Erwärmung der Außenluft:

Q = L × ρ × C_p × (t_innen - t_außen)

wobei Q – der Wärmebedarf (W), ρ – die Luftdichte (kg/m³), C_p – die spezifische Wärmekapazität der Luft (1005 J/(kg×°C)) sowie t_innen und t_außen – die Innen- bzw. Außentemperatur (°C) sind.

Sommerliche Spitzenlasten für Entfeuchtungssysteme

Im Sommer stehen Luftfeuchtigkeitskontrollsysteme aufgrund des erhöhten absoluten Feuchtegehalts der Außenluft sowie der intensiveren inneren Feuchtequellen vor maximalen Lasten.

Zur Bestimmung der sommerlichen Spitzenlast sind zwei Hauptquellen des Feuchteeintrags zu berücksichtigen:

1. Externe Quellen (Infiltration und Lüftung):

W_außen = L_inf × ρ × (d_außen.max - d_innen.ziel)

2. Interne Quellen (technologische Prozesse, Personal, offene Wasserflächen usw.)

Die gesamte Spitzenlast wird mit folgender Formel berechnet:

W_spitze = W_außen.max + W_innen.max + W_reserve

Bei der Planung ist eine Leistungsreserve der Entfeuchtungseinheit von 15-25% (typische Ingenieurpraxis) über der berechneten Spitzenlast vorzusehen – abhängig von den Zuverlässigkeitsanforderungen an das System.

Strategien für die Steuerung in Übergangsjahreszeiten

Frühjahr und Herbst sind durch instabile klimatische Bedingungen mit täglichen Temperaturschwankungen von 10-15°C (vereinfachtes Beispiel) und relativer Luftfeuchte von 20-40% (vereinfachtes Beispiel) gekennzeichnet. In diesen Perioden sind adaptive Steuerungsalgorithmen für Entfeuchtungssysteme erforderlich.

Ein Algorithmus zur saisonalen Adaption lässt sich wie folgt beschreiben:

1. Das System misst kontinuierlich die absolute Feuchte der Außen- und Innenluft.
2. Ist die absolute Feuchte der Außenluft gegenüber der Innenluft um eine ausreichende Größe niedriger (wird berechnet) und liegt die Außentemperatur im zulässigen Bereich, wechselt das System in den Modus der Lüftungsentfeuchtung.
3. Ist die Differenz der absoluten Feuchte nicht ausreichend oder die Außentemperatur zu niedrig/zu hoch, wird die mechanische Entfeuchtung aktiviert.
4. Bei Bedarf kann das System in einem kombinierten Modus arbeiten, in dem die Lüftungsentfeuchtung durch mechanische Entfeuchtung ergänzt wird, um die Zielwerte zu erreichen.

Zur Vermeidung von Kondensation auf kalten Oberflächen in den Übergangszeiten sind der Taupunkt der Innenluft sowie die Temperatur der Hüllflächen kontinuierlich zu überwachen. Wird ein rascher Abfall der Oberflächentemperaturen auf ein Niveau nahe dem Taupunkt prognostiziert, sollte das System prophylaktisch die Luftfeuchte im Raum reduzieren oder eine Beheizung kritischer Zonen bereitstellen.

Energieoptimierung saisonaler Betriebsweisen

Um maximale Energieeffizienz in den verschiedenen Jahreszeiten zu erreichen, ist eine umfassende Analyse des Energieverbrauchs mit der Erstellung eines monatlichen Energieprofils erforderlich. So lassen sich Perioden maximalen und minimalen Verbrauchs identifizieren und der Systembetrieb optimieren.

Eine der effektivsten Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz im Winter ist die Integration von Wärmerückgewinnung. Moderne Plattenwärmetauscher erreichen Wirkungsgrade von 50-70% (typische Datenblattwerte), Rotationswärmetauscher 70-85% (typische Werte).

Im Sommer ist zur Reduktion der Last auf die Entfeuchter eine Vorkühlung der Zuluft wirksam. Systeme der indirekten Verdunstungskühlung ermöglichen eine Temperaturabsenkung um 5-10°C (typischer Effekt) ohne Erhöhung der Luftfeuchte.

Typische Planungsfehler und deren Vermeidung

Die häufigsten Fehler bei der Planung von Luftfeuchtigkeitskontrollsystemen:

1. Ignorieren des Potenzials der winterlichen Lüftungsentfeuchtung, was zum Verlust von 40-60% Energieeinsparungspotenzial führt (grobe Schätzung auf Basis der Praxis).
2. Unterschätzung der sommerlichen Spitzenlasten um 20-30% (typischer Fehler), wodurch das System in heißen Perioden die Ziel-Luftfeuchte nicht halten kann.
3. Auslegung von Systemen ausschließlich auf mittlere Jahreswerte ohne Berücksichtigung saisonaler Extreme.
4. Fehlende adaptive Steuerung in Übergangszeiten, was zu Energieüberverbrauch oder unzureichender Entfeuchtung führt.
5. Nichtberücksichtigung der Wärmeverluste bei winterlicher Lüftung.
6. Fehlende Leistungsreserve für extreme Wetterbedingungen.

Es ist zu beachten, dass die beschriebenen Ansätze zur saisonalen Optimierung gewisse Einschränkungen haben und in folgenden Fällen nicht funktionieren oder eine Anpassung erfordern können:

- Bei extrem niedrigen Außentemperaturen (unter -15...-20°C), wenn Lüftungsentfeuchtung eine Gefahr für das Heizungssystem oder den Prozess darstellt.
- In Räumen mit kritischen Anforderungen an die Stabilität der Parameter (Labore, Reinräume), wo Feuchteschwankungen unzulässig sind.
- In kleinen Objekten, wo die Investitionskosten für adaptive Steuerungen sich nicht amortisieren könnten.
- In Klimazonen mit geringer Differenz zwischen winterlichen und sommerlichen Luftparametern.
- Bei normativen Einschränkungen, die die Nutzung von Außenluft für bestimmte Prozesse untersagen.

Häufig gestellte Fragen

Wie berechnet man das Potenzial der winterlichen Lüftungsentfeuchtung?

Zur Berechnung des Potenzials der winterlichen Lüftungsentfeuchtung ist die Differenz der absoluten Feuchte von Innen- und Außenluft zu bestimmen. Zunächst wird die absolute Feuchte der Innenluft aus Temperatur und relativer Feuchte berechnet (mithilfe psychrometrischer Tabellen oder Formeln). Anschließend wird analog die absolute Feuchte der Außenluft ermittelt. Das Entfeuchtungspotenzial (W) ergibt sich aus: W = L × (d_innen - d_außen), wobei L der Luftvolumenstrom in m³/h ist. Für eine vollständige wirtschaftliche Bewertung ist der Energiebedarf zur Erwärmung der Zuluft mit dem Energieverbrauch des mechanischen Entfeuchters zu vergleichen.

Wann wird die Lüftungsentfeuchtung ineffizient?

Die Lüftungsentfeuchtung wird ineffizient, wenn die energetischen Aufwendungen für die Erwärmung der Zuluft die Einsparung durch das Abschalten des mechanischen Entfeuchters übersteigen. Der Umschaltpunkt wird durch den Vergleich des Energieverbrauchs beider Methoden bestimmt. Hauptkriterium: Ist Q_Heizung > Q_Entfeuchter, ist die Lüftungsentfeuchtung ineffizient. Zudem tritt Ineffizienz ein, wenn die absolute Feuchte der Außenluft die Ziel-Absolute im Innenraum erreicht oder übersteigt. In Deutschland ist dies typischerweise bei Außentemperaturen über +10...+15°C der Fall (vereinfachtes Beispiel); der konkrete Wert wird für jedes Objekt gesondert berechnet.

Wie bestimmt man die sommerliche Spitzenlast für das Entfeuchtungssystem?

Zur Bestimmung der sommerlichen Spitzenlast eines Entfeuchtungssystems sind alle potenziellen Feuchtequellen zu berücksichtigen: 1) Externe Quellen: Infiltration und Lüftung, berechnet mit W_außen = L × ρ × (d_außen.max - d_innen.ziel); 2) Interne Quellen: technologische Prozesse, Personal, offene Wasserflächen usw.; 3) Gleichzeitigkeit der Lasten (typisch 0,8-1,0, abhängig von der Objektspezifik). Gesamte Spitzenlast: W_spitze = W_außen.max + W_innen.max + W_reserve, wobei W_reserve die Leistungsreserve ist (15-25% der Summe).

Welche Steuerungsparameter sollten in den Übergangsjahreszeiten angepasst werden?

In den Übergangsjahreszeiten (Frühjahr/Herbst) wird empfohlen, folgende Systemparameter anzupassen: 1) Sollwerte der relativen Luftfeuchte – saisonale Anpassung innerhalb des zulässigen Bereichs möglich; 2) Umschaltalgorithmen zwischen Lüftungs- und mechanischer Entfeuchtung – Festlegung von Schwellenwerten der Differenz der absoluten Feuchte; 3) Parameter der PID-Regler – Anpassung der Koeffizienten zur Stabilität bei variablen Außenbedingungen; 4) Betriebsmodi der Ventilatoren – Modulation der Drehzahl je nach Entfeuchtungsbedarf; 5) Einstellungen der Wärmerückgewinner – Optimierung des Wärmeübertragerwirkungsgrads.

Wie verhindert man Kondensation auf kalten Oberflächen?

Um Kondensation bei plötzlichen Abkühlungen zu vermeiden, sind folgende Maßnahmen erforderlich: 1) Temperaturfühler an kritischen Oberflächen (Fenster, Außenwände) installieren; 2) Den Taupunkt der Innenluft kontinuierlich per Formel oder psychrometrischem Diagramm berechnen; 3) Automatische Erhöhung der Entfeuchtungsintensität, wenn die Oberflächentemperatur den Taupunkt erreicht (mit 2-3°C Sicherheitsabstand); 4) Bei Bedarf lokalen Heizbetrieb für kritische Zonen oder Oberflächen einsetzen; 5) Wetterprognosen nutzen, um vor starken Abkühlungen präventiv zu entfeuchten.

Fazit

Die saisonale Optimierung von Luftfeuchtigkeitskontrollsystemen ermöglicht eine deutliche Steigerung ihrer Energieeffizienz und Zuverlässigkeit. Zentrale Prinzipien dieser Optimierung:

1. Maximale Nutzung des Potenzials der trockenen Winterluft für Lüftungsentfeuchtung mit obligatorischer Energiebilanzrechnung.
2. Sicherstellung einer ausreichenden Leistungsreserve (15-25%) zur Abdeckung sommerlicher Spitzenlasten.
3. Einführung adaptiver Steuerungen für den optimalen Betrieb in Übergangsjahreszeiten.
4. Integration von Wärmerückgewinnungssystemen zur Steigerung der Energieeffizienz der winterlichen Lüftungsentfeuchtung.
5. Ganzheitlicher Ansatz zur Bestimmung der Feuchtequellen und Berechnung der Gesamtlast auf das System.

Ein korrekt ausgelegtes System, das die saisonale Spezifik berücksichtigt, gewährleistet nicht nur die zuverlässige Einhaltung der erforderlichen Mikroklimaparameter, sondern optimiert auch die Betriebskosten. Das Potenzial zur Reduktion der Betriebskosten durch saisonale Optimierung liegt bei 25-45% pro Jahr (grobe Schätzung), die tatsächliche Einsparung wird jedoch für jedes Objekt individuell berechnet.