Leitfaden für Lüftungs- und Klimaanlagen

Lars Keller Edition Recknagel Leitfaden für Lüftungs- und Klimaanlagen + CD mit Zusatz material 3.Au fl a g e OLDENBOURG INDUSTRIEVERLAG GMBH www.oldenbourg-industrieverlag.de

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über www.dnb.de abrufbar. ISBN 978-3-8356-3307-0 Diejenigen Bezeichnungen von im Buch genannten Erzeugnissen, die zugleich eingetragene Warenzeichen sind, wurden nicht besonders kenntlich gemacht. Es kann also aus dem Fehlen der Markierung TM oder nicht geschlossen werden, dass die Bezeichnung ein freier Warenname ist. Es ist auch nicht zu entnehmen, ob Patente oder Gebrauchsmusterschutz vorliegen. Von den in diesem Buch erwähnten Normen, Vorschriften, Gesetzen und Verordnungen haben stets nur die letzten Ausgaben verbindliche Gültigkeit. Das Buch ist nicht allumfassend und es besteht kein Anspruch auf Vollständigkeit. Alle in diesem Buch enthaltenen Angaben, Daten, Ergebnisse usw. wurden vom Autor nach bestem Wissen erstellt und von ihm und dem Verlag mit größtmöglicher Sorgfalt überprüft. Dennoch sind inhaltliche Fehler nicht völlig auszuschließen. Daher erfolgen die Angaben ohne jegliche Verpflichtung oder Garantie der Verlages oder des Autors. Es wird keine Verantwortung und Haftung für etwa vorhandene inhaltliche Unrichtigkeiten übernommen. Für die auf der CD hinterlegten firmenspezifischen Informationen sind die entsprechenden Firmen verantwortlich und müssen nicht zwangsläufig mit der Ansicht des Autors oder des Verlages übereinstimmen. Oldenbourg Industrieverlag GmbH Rosenheimer Straße 145, D-81671 München Telefon: 049 (89) 45051-0 www.oldenbourg-industrieverlag.de Lektorat: Kathrin Lange und Nico Hülsdau Herstellung: Annika Böning Satz: Schmidt Media Design, München Druck: B.o.s.s Druck und Medien GmbH, Goch Bildquelle Coverfoto: McQuay Italia S.p.A. http://www.mcquayeurope.com Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urherrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrehtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Herausgeber und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Lars Keller Leitfaden für Lüftungs- und Klimaanlagen 3. Auflage Oldenbourg Industrieverlag München

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Vorwort zur 3. Auflage Vorwort zur 3. Auflage Die 3. erweiterte Auflage des Leitfaden für Lüftungs- und Klimaanlagen richtet sich weiterhin an mehrere Zielgruppen. Zum einen werden die planenden Ingenieure und Fachleute der TGA-Branche angesprochen, die diesem Werk grundlegende Informationen betreffend der Auslegung und Planung von Vollklimaanlagen entnehmen können. Gebäudetechniker, Service- und Instandhaltungspersonal, Facility Manager und Betreiber haben die Möglichkeit, diesen Leitfaden bei der täglichen Arbeit einzusetzen. Durch die kompakte und prägnante Beschreibung können im Betrieb auftretende Fragen schnell geklärt werden, auf komplizierte Berechnungen wird bewusst verzichtet. Studenten und Diplomanden haben die Fachgebiete Klima- und Raumlufttechnik, Raumluftströmung und -qualität, Strömungslehre und -maschinen, Thermodynamik und Schallgrundlagen in einem Buch zusammengefasst. Durch die vielen Diagramme und farbigen Komponentenfotos wird ihnen der Einstieg in die Klimatechnik somit erleichtert. Grundlegende Neuerungen sind im Kapitel I die Kältetechnischen Grundlagen, in denen die Anwendung des h, log p-diagramms kompakt und verständlich erläutert werden. Folglich wurden im Kapitel II auch die Kompressionskälteerzeuger und deren Komponenten hinzugefügt. Wer tiefer in die Materie der Kältetechnik einsteigen möchte, sei auf das Buch Leitfaden für Kompressionswasserkühlsätze verwiesen, das auch in der Edition Recknagel erschienen ist. Der Fokus wird erneut auf die Energieeffizienz von RLT-Geräten gelegt. In Kapitel I ist die Klassifizierung nach Eurovent mit aufgenommen worden und eine Gegenüberstellung zur Klassifizierung nach dem RLT Geräte Herstellerverband e. V. aufgezeigt. Neu erarbeitet wurde das Kapitel IV Normen und Vorschriften. Hierin werden in tabellarischer Form die wichtigsten Normen, VDI-Richtlinien sowie Gesetze und Verordnungen der Klimatechnik betreffend aufgelistet. Ein Teil dieser Informationen und Dokumente ist zusätzlich auf der beiliegenden CD enthalten. Grundlage sind die anerkannten Regeln der Technik, die einschlägigen DIN-Normen sowie die VDI-Vorschriften. Als besondere Schwierigkeit bei der Überarbeitung des Leitfadens hat sich die zum Teil noch nicht abgeschlossene Überarbeitung der deutschen, europäischen und internationalen Normen gezeigt, da bei der Vereinheitlichung nicht immer Standards bisheriger DIN-Normen 5

Vorwort zur 3. Auflage und VDI-Vorschriften übernommen wurden. Diese Flut an Normen, Vorschriften und Gesetzen, die teils widersprüchlich sind oder sich auf veralterte Regelwerke beziehen, stellen nach Meinung des Autors in der Praxis ein Problem dar, diese auch anzuwenden. Hier sollte eine Vereinfachung angestrebt werden. Da der Prozess der Anpassung der verschiedenen Normen noch nicht abgeschlossen ist, werden bei Formelzeichen und Indizes häufig weiterhin bisherige Standards angewandt. Eine Auswahl grundlegender Formelzeichen ist im Anhang ersichtlich, zusätzlich werden Formelzeichen in den jeweiligen Kapiteln dargestellt. Eine Mehrfachverwendung gleicher Formelzeichnung mit unterschiedlicher Bedeutung ist möglich. Dank gilt den Unternehmen und deren Mitarbeitern, die aktiv mit Rat und Tat zur Seite standen und nachhaltig an der Überarbeitung dieses Buches mitgeholfen haben. Vor allem danke ich meiner Frau Carolina für ihre Geduld und Unterstützung. Lars Keller, im Sommer 2012 6

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Vorwort zur 3. Auflage... 5 I. Grundlagen... 15 1 Physiologische Grundlagen... 17 1.1 Abhängigkeit der Behaglichkeit der Personen im Raum... 17 1.2 Ursachen und Auswirkung von Unbehaglichkeit... 18 1.3 Mechanismen der Wärmeabfuhr... 19 1.4 Urteilskala für das Wärmeempfinden... 19 1.5 Luftgeschwindigkeit und Turbulenz... 20 1.6 Luftfeuchte... 22 1.7 Klassifizierung der Luftarten... 22 1.8 CO 2 -Bilanz... 24 1.9 Geruchsemission nach Fanger... 27 1.10 Sick Building Syndrom... 29 2 Thermodynamische Grundlagen... 33 2.1 Temperatur... 33 2.2 Absolute Luftfeuchte... 33 2.3 Relative Luftfeuchte... 33 2.4 Dichte... 34 2.5 Spezifische Wärmekapazität... 34 2.6 Latente Wärme... 35 2.7 Sensible Wärme... 35 2.8 Enthalpie... 36 2.9 Druck... 37 2.10 Stoffstrom... 38 3 Der Aufbau des h,x-diagramms... 39 3.1 Temperatur-Skala... 39 3.2 Absolutfeuchte-Skala... 40 7

Inhaltsverzeichnis 3.3 Dampfdruck-Skala... 40 3.4 Sättigungsdruck, Sättigungslinie... 41 3.5 Taupunkttemperatur (Sättigungstemperatur)... 42 3.6 Linien konstanter relativer Feuchte... 42 3.7 Linien mit konstanter Enthalpie... 43 3.8 Feuchtkugeltemperatur... 44 3.9 Dichte... 45 3.10 Beispiel für den Aufbau des h,x-diagramms... 45 4 Die Anwendung des h,x-diagramms... 47 4.1 Mischen zweier Luftmengen... 47 4.2 Lufterwärmung... 51 4.3 Luftkühlung... 53 4.3.1 Oberflächenkühlung... 53 4.3.2 Verdunstungskühlung (Nasskühlung)... 60 4.4 Luftbefeuchtung... 61 4.4.1 Befeuchtung mit Wasser (Wasser im Überschuss)... 61 4.4.2 Befeuchtung mit Wasserdampf... 68 4.5 Lufttrocknung... 71 4.5.1 Unterkühlungsmethode... 71 4.5.2 Adsorptionsmethode... 72 4.5.3 Lufttrocknung durch Beimischung trockener Luft... 74 4.6 Umrechnung Luftvolumen in Luftmasse... 74 4.7 Sollwert/Behaglichkeitsfeld in Verbindung mit der h,x-geführten Regelung... 76 4.7.1 Sollwert... 76 4.7.2 Behaglichkeitsfeld... 76 4.7.3 Verbindung von Sollwert und Behaglichkeitsfeld... 76 5 Berechnungsgrundlagen zur Korrektur der Höhenlage... 79 5.1 Einfluss der Höhenlage auf den Luftdruck... 79 5.2 Berechnung der Korrekturfaktoren für ϕ und r... 79 5.3 Konstruktion der Sättigungslinie... 81 5.4 Veränderung der Luftzustandsgrößen... 82 8

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Inhaltsverzeichnis 6 Kältetechnische Grundlagen... 83 6.1 Aggregatszustandsänderungen... 83 6.1.1 Schmelzen (fest in flüssig) und Erstarren (flüssig in fest)... 83 6.1.2 Verdampfen (flüssig in gasförmig)... 83 6.1.3 Verflüssigung, Kondensation (gasförmig in flüssig)... 84 6.2 h,log-p-diagramm... 84 6.2.1 Verdampfungsprozess... 86 6.2.2 Verdichtungsprozess... 87 6.2.3 Verflüssigungsprozess... 87 6.2.4 Entspannungsprozess... 88 6.3 Kältemittelkreislauf... 89 6.4 Kältemittel... 90 6.4.1 Definitionen und Begriffserklärungen... 91 6.4.2 Eigenschaften von Kältemittel... 92 6.4.3 Dampfdrucktafeln... 93 II. Bauteile einer Klimaanlage... 97 1 Gerätegehäuse... 99 1.1 Bauliche Grundlagen... 99 1.2 Geräteausführungen... 106 1.2.1 Standardausführung... 106 1.2.2 Wetterfeste Ausführung... 107 1.2.3 Hygieneausführung... 108 1.3 Energieeffizienzklassen... 110 1.3.1 Spezifische Ventilatorleistung (SFP)... 110 1.3.2 Energieeffizienzklasse A+, A und B nach RLT Raumlufttechnische Geräte Herstellerverband e. V.... 112 1.3.3 Energieeffizienzklasse A bis E nach Eurovent Certification... 115 1.3.4 Zusammenfassung Klassifizierung RLT Herstellerverband und Eurovent... 118 10

Inhaltsverzeichnis 2 Ansaugöffnung, Fortluftauslass, Klappen... 119 3 Mischkammer... 126 4 Filter... 130 4.1 Grundlagen... 130 4.2 Taschenfilter... 142 4.3 Kompaktfilter... 144 4.3.1 Kassettenfilter... 144 4.3.2 V-Form-Konstruktion... 145 4.4 Aktivkohlefilter (Granulatfilter)... 146 4.5 Rollbandfilter... 146 5 Ventilatoren... 148 5.1 Grundlagen... 148 5.2 Energieeffizienz bei Motoren und Ventilatoren... 155 5.3 Radialventilatoren mit Spiralgehäuse... 157 5.3.1 Radialventilatoren mit vorwärts gekrümmten Laufradschaufeln... 158 5.3.2 Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Laufradschaufeln... 159 5.4 Radialventilatoren mit freilaufendem Laufrad... 160 5.5 Axialventilatoren... 161 5.6 Anpassung und Regelungsmöglichkeiten... 162 5.6.1 Regelung über EC-Technik... 162 5.6.2 Regelung über Frequenzumformer... 164 5.6.3 Sonstige Regel- und Anpassmöglichkeiten... 165 6 Erhitzer... 169 6.1 Lamellenrohr-Lufterhitzer... 169 6.2 Elektro-Lufterhitzer... 173 6.3 Gasbetriebener Lufterhitzer... 174 7 Kühler und Kälteerzeuger... 177 7.1 Lamellenrohr-Luftkühler... 178 7.2 Direktverdampfer... 181 11

Inhaltsverzeichnis 7.3 Indirekte adiabate Kühlung... 181 7.4 Sorptionsgestützte Kühlung... 183 7.5 Kompressionskälteerzeuger und deren Komponenten... 184 7.5.1 Verdichter (Kompressor)... 184 7.5.2 Verflüssiger und Verdampfer... 187 7.5.3 Expansionseinrichtung... 190 7.5.4 Kältemittelschauglas... 191 7.5.5 Magnetventil... 191 7.5.6 Filtertrockner... 192 7.5.7 Temperaturschalter (Thermostate) und Druckschalter (Pressostate)... 192 7.5.8 Kältemittelsammler... 192 7.5.9 Kompensatoren (Anakonda)... 193 7.5.10 4-Wege-Umschaltventil... 193 8 Befeuchter... 194 8.1 Sprühbefeuchter... 195 8.2 Hochdruckdüsenbefeuchter... 196 8.3 Winglet-Wirbel-Befeuchter... 197 8.4 Ultraschallbefeuchter... 198 8.5 Rieselbefeuchter... 199 8.6 Hybridbefeuchter... 199 8.7 Dampfbefeuchter... 200 8.8 Vergleich der Befeuchtungssysteme... 202 9 Schalldämpfer... 204 9.1 Akustische Grundlagen... 204 9.2 Schalldämmung des Gerätegehäuses... 207 9.2.1 Luftschalldämmung... 207 9.2.2 Körperschalldämmung... 208 9.3 Luftschalldämpfung in der Luftführung... 208 9.3.1 Kulissenschalldämpfer... 208 9.3.2 Resonanzschalldämpfer... 209 9.3.3 Aktive Schalldämpfer... 210 12

Inhaltsverzeichnis 10 Wärmerückgewinner... 211 10.1 Allgemeine Hinweise... 211 10.2 Rekuperative Systeme... 218 10.2.1 Plattenwärmetauscher (PWT)... 218 10.2.2 Röhrenwärmeaustauscher... 221 10.3 Regenerative Systeme... 221 10.3.1 Kreislaufverbundsystem (KVS)... 221 10.3.2 Wärmerohr... 223 10.4 Regeneratoren mit drehendem/ nicht drehendem Wärmeträger... 224 10.4.1 Rotationswärmetauscher (RWT)... 224 10.4.2 Umschaltspeicher (Wärme-Kälte-Akkumulator)... 229 10.5 Wärmepumpe (WP)... 231 10.6 Übersicht und Vergleich verschiedener Systeme zur Wärmerückgewinnung... 234 III. Steuerung und Regelung von Anlagen... 235 1 Zuluftventilator... 237 2 Lüftungsgerät mit Erhitzer und mischkammer (Temperatur-Kaskade, Lüfter stetig)... 239 3 Lüftungsgerät mit Kühler und mischkammer (Temperatur-Kaskade, Lüfter stetig)... 242 4 Lüftungsgerät mit Erhitzer und Kühler (Temperatur-Kaskade, Lüfter stetig)... 245 5 Lüftungsgerät mit Erhitzer, Kühler und WRG-Plattentauscher (Temperatur-Kaskade, Lüfter stetig)... 248 13