Temperatur-Sicherheits-Elemente

In einzelnen Wärmequellen sind auch Temperatur-Sicherheits-Elemente erforderlich. Wie schon bei Holz-Kesseln und Holz-Öfen, mit Wärmetauschern erwähnt, sind dort Sicherheits-Temperatur-Ableitungs-Systeme eingebaut, um bei Ausfall der Wärmeabnahme durch das Heizungs-Netz eine Überhitzung zu vermeiden. Aber auch bei Öl- und Gas-Kesseln sind Temperatur-Sicherungs-Elemente erforderlich, um beim Ausfall der Regelung eine Überhitzung zu vermeiden. Diese Sicherheits-Temperatur-Begrenzer (STB) sind bei uns vorgeschrieben, um überhaupt eine Zulassung dieser Kessel zu bekommen. Es handelt sich hierbei in der Regel um Kapilarrohr Temperaturfühler, die eine Bauteil-Zulassung haben, selbstverriegelnd sind und direkt die Stromzufuhr des Brenners unterbrechen oder die Kraftstoff-Zuleitung verschliessen müssen, und zwar gänzilch ohne Fremdenergie. Die Bauteil-Zulassung wird von Prüfinstituten erteilt, die diese Geräte geprüft haben. Selbstverriegelnd heist: Dass wenn diese Elemnte auslösen, diese Auslösung von Hand zurückgestellt werden muss und nicht nach einer eventuellen Abkühlung selbständig zurückschaltet. Es ist daher nach einer Auslösung immer ein Hand-Eingriff erforderlich, um ein übersehen oder ein ignorieren zu vermeiden. Diese Sicherungselemente müssen immer direkt eingreifen, also entweder den Strom für einen Brenner unterbrechen, oder die Kraftstoffleitung verschliessen. Ohne Fremdernergie heist hier, dass diese Sicherheitselemente auch dann funtionieren müssen, wenn Stromausfall oder ein Defekt im Regler vorliegt.
Solche Sicherheits-Temperatur-Bergrenzer werden in den Anlagen- Funktions- und Regel-Schematas meistens nicht explizit dargestellt, da sie für die Funktion und Verständlichkeit nicht erfgorderlich sind. Sie sind aber bei Wärmequellen unverzichtbar und absolut notwendig. In den meisten Fällen sogar gesetzlich vorgeschrieben und Bauart geprüft.
Sicherheits-Temperatur-Bergrenzer müssen regelmäßig geprüft werden um Gefahren zu vermeiden. 

Ein Temperatur-Wächter (TW) ist die unkritische Variante einer Temperatur-Sicherung. Temperatur-Wächter werden dort eingesetzt, wo zum normalen Regler eine zusätzliche Temperatur-Überwachung sinnvoll ist. Dieser kann z.B. Anlagenteile vor Beschädigung schützen, die durch Reglerausfall oder Fehlbedinung entstehen. Ein Typischer Einsatz ist z.B. ein Temperatur-Wächter in der Vorlauftemperatur einer Fußboden-Heizung. Dieser soll verhindern dass die Fußbodenheizung Schaden nimmt, wenn die Vorlauftemperatur einen kritischen Wert übersteigt (z.B. 40°C). Der Temperatur-Wächter kann z.B. das Mischventil schliessen, oder einfach nur die Pumpe abschalten. Temperatur-Begrenzer können, mussen aber nicht selbstverriegelnd sein, da hier keine Gefahr für Personen besteht, sondern lediglich ein Anlagenschutz wirkt. Es ist aber sinnvoll, dass auch Temperatur-Wächter eine Anzeige, oder Benachrichtigungs-Funktion haben, damit die Ursache einer Auslösung überhaupt erkannt, ermittelt und beseitigt werden kann.

Druck-Sicherheits-Elemente

In jedem geschlossenen hydraulischen System, benötigt man gewisse Sicherheits-Elemente. Unter anderem ein Ausdehnungsgefäß. Das Ausdehnungs-Gefäß ist für die Druckhaltung in einem geschlossenen hydfraulischen System zuständig und unerläßlich. Da sich Flüßigkeiten nicht kompremieren lassen, aber bei zunehmender Temperatur sich ausdehnen, würde der Druck in einem geschlossenen System bei steigender Temperatur extrem stark und schnell ansteigen und es ventuell zum bersten bringen. Daher werden Ausdehnungsgefäße eingesetzt. In einem Audehnungsgefäß ist im oberen Teil Luft und im unteren Teil die hydraulische Flüßigkeit aus dem Hydraulik-Netz (Heizungs- Solar- bzw. Kühl-Netz), mit einer flexiblen Membrane getrennt (oft auch MAG = Membran-Ausdehnungs-Gefäß gennnt). Das Gas im oberen Teil des Ausdehnungsgefäßes lässt sich im Gegensatz zur Flüßigkeit kompremieren. Dadurch kann die Flüssigkeit ins Ausdehnungsgefäß expandieren und somit sich ein vertretbarer Druck aufbauen, ohne dass dieser für das Netzwerk kritisch wird. Die Größe des Ausdehnungsgefäßes muss daher nach der Menge und dem Ausdehnungskoefizent der Flüßigkeit dimensioniert werden. Das Ventil im Gasförmigen oberen Teil, dient dazu entsprechndes Gas einzufüllen. 
Das Ausdehnungsgefäß ist eignentlich nur ein Sicherheits-Element im hydraulischen Netz und hat mit der Funktion des Netzwerkes nichts zu tun. Es sollte aber regelmäßig überprüft werden. Daher befindet sich im Hydryulik-Netz auch meistens ein Zeiger-Druckfühler (Manometer) und ein Überdruck-Sicherheits-Ventil. Das Überdruck-Ventil sorgt dafür, dass ab einem kritischen Druck, die Hydraulik-Flüssigkeit abeleitet wird, entweder in den Abfluß oder einen offenen Auffangbehälter. Überdruck-Ventile funktionieren sicherheitshalber rein mechanisch über Federkraft und dürfen nicht absperrbar sein. Auch dieses Überdruck-Ventil ist ein Sicherheits-Element im geschlossenen hydraulischen Netz, das regelmäßig geprüft werden muß. Der Druck in einem Heizungsnetz hängt natürlich von der Beschaffenheit und der Anordnung der einzelen Elemete ab. Wenn sich die Druck-Sicherheits-Elemente im Keller, also ganz unten im Haus befinden und der am höchsten gelegen Punkt des Netzes im oberen Stockwerk liegt (Heizkörper), dann muss man berücksichtigen, dass pro 10m Höhenunterschied ca. 1Bar Druck alleine dadurch entstehen. Bei der Einstellung des Druckes muß dies natürlich berücksichtigt weden, vor allem beim Nachfüllen im Netz. 
Die Drucksicherungs-Elemente, werden in den Analgenschematas meist gar nicht dargestellt, da sie zur Funktion nicht beitragen. Sie sind aber absolut notwendig, da sie Sicherheitsrelevant sind. Die Auslassrichtung des Überedruckventils sollte so angebracht sein, dass bei einer Auslösung die evtl. sehr heisse Hydraulikflüssigkeit nicht in Richtung von Personen spritzt.

Hydraulischer Abgleich

Der hydraulische Abgleich ist die Voraussetzung damit eine Anlage in den vorgesehenen Rahmenbedingungen überhaupt funktioniert. Unter dem hydraulischen Abgleich versteht man, dass die Voraussetzungen gegeben sind, um die gewünschten Funktionen zu erreichen. Dazu muss man den Zusammenhang der gesamten Anlage betrachten. Als gesamtes System betrachten wir bei einer Heizungsanlage, die Summe jedes in sich geschlossene System mit flüssigem Wärmeträger-Medium. Das wichtigste System einer Heizungs-Anlage ist das Heizungs-Netz. Es beinhaltet das Medium (Heizungs-Wasser), das die Wärmeenergie von der Wärmeerzeugung, über die Wärmeverteilung, bis zu den Verbrauchern transportiert. Dies können unter Umständen auch hydraulich von einander getrennte Kreisläufe sein, die die Wärmeübergabe nicht durch das Medium selbst, sondern über Wärmetauscher übergeben. Ein hydraulischer Abgleich bezieht sich daher immer nur auf ein Teil-System mit eienem Medium in der gesamten Anlage. Wärmetauscher dienen dazu, unterschiedliche hydrauliche Systeme mit unterschiedlichen Medien einen Energieinhalt (Wärmemenge) zu übergeben, ohne dass dabei die beiden Medien in Berührung kommen. Jedes einzelne Medium muss daher in sich hydraulich abgelichen sein, so dass die gewünschte Funktion gegeben ist.
Innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes (das selbe Medium) muss daher dafür gesorgt werden, dass die gewünschte Wärmeverteilung auch erfolgen kann. Z.B. müssen alle Heizkörper in einem Kreislauf so viel Medium zur Verfügung gestellt bekommen, dass sie ihre gewünschte Heizleistung für den Raum bringen können. Da aber die Rohrleitungen unterschiedlich lang und die Heizkörper unterschiedlich groß sein können, muss man mit eingebauten Drosselventilen dafür sorgen, dass diese Voraussetzungen gegeben sind. Man muss daher unter Umständen an einzelnen Heizkörpern den Durchfluss etwas einschränken, damit die anderen Heizkörper genügend Wärmeenergie erhalten. Dies gillt für jeden unabhängigen Kreislauf in sich und auch untereinander. Die wichtigsten Komponenten bei einem hydraulischen Abgleich sind daher die Pumpenleistung und der hydraulische Widerstand, den die Bauteile, wie Verbraucher (z.B Heizkörper) und Leitungen der Zirkulation entgegensetzen.
Wenn also mehrere Heizstränge an einem Gesamtheizungsnetz angeschlossen sind, so sollten sich alle Strängen auch gleich verhalten, sowohl bei Vollast, als auch bei nur geringerem Wärmebedarf. Damit ein hydraulisches System überhaupt funktioniert müssen gewisse Parameter eingehalten werden. Hierzu werden verschiedene Hilfsmittel eingesetzt.
Der Druck in einer Anlage darf einen gewissen Wert nicht übersteigen, um mechanische Beschädigungen an Beuteilen und Rohren zu vermeiden. Dazu verwendet man Druck-Sicherungs-Elemente.
Um die Strömungsverhältnisse in der hydraulischen Anlage aufeinander anzupassen, muss dafür gesorgt werden, dass der Druckabfall an jedem Element gemäß dessen Eigenschaft eingehalten wird. Dazu muss sowohl die Umwälzpumpe, als auch alle anderen Komponenten in ihrer Dimensionierung auf einander abgestimmt sein. um dies zu erreichen, muss der Durchfluss gegebenefalls eigeschränkt werden, damit sich richtigen Druckverhältnisse und damit die erforderliche Durchflussmenge einstellt.
Dazu müssen natürlich die hydraulichen Eigenschaften der einzelnen Anlagen-Komponenten bekannt sein.
Der hydraulische Abgleich sorgt also dafür, dass innerhalb eines geschössenen hydraulischen Systemes die Voraussetzungen für eine erforderliche Wärmeverteilung überhaupt gegeben ist.
Hierzu findet man im Internet viele Beiträge, die dies genauer und ausführlich erklären, z.B hier oder hier, um nur Beispile zu nennen.

Bimetall

In der Regelungstechnik findet man immer wieder den Begriff Bimetall. Wie der Begriff "Bi" schon andeutet, handelt es sich hier um 2 unterschiedliche Metalle,die direkt miteinander verbunden sind (zusammen gewalzt), und zwar auf eine gewisse Länge. Wenn nun  Metall A einen höheren Temperaturausdehnungskoefizient hat, als das Metall B, so verbiegt sich der Metallstreifen, auf Grund der unterschiedlichen Längenausdehnung, wenn sich die Temperatur erhöht. Auf diese Weise kann man eine seitliche Bewegung (Biegung) des Streifens erreichen, der äquivalent der Temperatur des Streifens ist.
Durch die Biegung kann man natürlich auch direkt einen elektrischen Kontakt betätigen und direkt Anlagenteile, wie z.B. Pumpen ansteuern. Ein solcher "Bimetall-Schalter" (Thermostat =Temperatur-Schalter) ist im Prinzip schon ein einfacher Regler mit binärem Ausgang. Die Umgebungstemperatur ist der Istwert, der elektrische Kontakt der Stellwert und die Einsellung des Kontaktpunktes der Sollwert.
Wenn man den Metallstreifen (Bimetall) als Spirale aufwickelt und in der Mitte fixiert, kann man eine starke Drehbewegung am Ende  des Streifens erreicheen und das ganze auch als optische Anzeige verwenden.

Temperatur-Sensoren

In der Regelungstechnik ist die Temperatur wohl die heufigste Größe, die man mit Sensoren erfassen muss. Es gibt hierzu die verschiedensten Sensoren, die zum Einsatz kommen. Wenn wir mal davon ausgehen, dass die Temperatur als Istwert einer Regelstrecke, bzw. eines Reglers erfasst werden soll, dann handelt es sich hier normalerweise um einen analogen Wert, das heist es wird eine Temperatur in einem gewissen Bereich erfasst und unmittelbar weiter verarbeitet. Je nach Temperaturbereich und Medium, das gemessen wird verwenden wir unterschiedliche Sensoren. Für Raum- und Aussenfühler werden meistens Widerstands-Fühler verwendet. Es wird also ein elektrischer Widerstand verwendet, dessen Widerstandswert von der ihn umgebenden Temperatur abhängt. Wir unterscheiden hier PTC und NTC Widerstände. PTC (positiver-temperatur-Koefizient) Widerstände erhöhen ihren Widerstandswert bei steigender Temperatur, NTC (negativer-temperatur-Koefizien) verringern ihren Widerstand bei steigender Temperatur. Wärend in technichen Geräten sehr oft Pt100 Widerstände eingesetzt werden (Fühler auf Platin Basis mit 100 Ohm bei 0°C), kommen in der Haustechnik eher Ni1000 (Nickel-Widerstand mit 1000 Ohm bei 0°C) oder Pt1000 (Platin Fühler mit 1000 Ohm bei 0°C) Fühler zum Einsatz. PTC Sensoren haben eine ganz andere Charakteristik als NTC Sensoren. Nicht nur die Richtung ist entgegengesetzt, sondern auch die Form ist anders. Während PTC Sensoren sich annähernd linear verhalten sind NTC Sensoren eher exponential. Aber auch die Bauform muss den Gegebenheiten angepasst sein. Bei Raumtemperaturen kann der Sensor in einem einfachen Kunststoffgehäuse eingebaut sein, bei Fühlern in Heizmedien, werden Sensoren in Metallgehäusen eingesetzt, die auch noch über Tauchhülsen in die entsprechende Rohrleitung oder Behälter hineinragen, um auch nur die Medium-Temperatur zu erfassen und nicht die Umgebung.
Sensoren haben aber auch oft Ausgangssignale, die allgemein deffiniert sind, z.B. 0-10V Gleichspannung. Damit können auch Sensoren und Auswerteeinheiten unterschiedlicher Fabrikate eingesetzt werden.
Neuerdings werden aber auch elektronische Sensoren eingesetzt, die auch integrierte Schaltkreise nutzen und die Werte teils auch per Funk-Signal zum Auswerte-, bzw. Regelgerät übertragen.
Letztendlich ist nur wichtig, dass der Wert möglichst genau, unverzögert und zuverlässig erfasst, übermittelt und dort richtig interpretiert und ausgewertet wird.

Problematik der Messung

Das Dillemma mit der Messung ist in der Realität nicht unproblematisch. Eine Messung ist nur so gut, wie der Sensor und wie die Wahl des richtigen Messortes. Je nachdem welchen Sensor man benutzt, ist die Messung mehr oder weniger genau. Es gibt hochwertige Sensoren (Messfühler) z.B. für Luft-Temperaturen, aber da muss man schon einen gewissen Aufwand treiben und gegebenfalls den Sensor eichen. In der Haustechnik, vor allem im privaten Umfeld ist das preislich sicherlich nicht erforderlich, vor allem wenn man gewisse Rahmenbedingungen berücksichtigt. Meistens ist die Genauigkeit in % zum Messbereich angegeben. Raumtemperatur-Fühler mit mehr als 1% Genauigkeit sind in der Regel nicht erforderlich, denn wenn der Messbereich von 0°C bis 50°C angegeben ist, dann sind 1% nur 0,5°C. Für einen Raumtemperaturfühler ist das vollkommen ausreichend. Der Montageort eines Fühlers ist hier meistens viel entscheidender, für die Messung bzw. die damit zusammenhängende Regelung. Ein Raumtemperatur Fühler sollte so platziert werden, dass er für den Aufenhaltsort im Raum massgebend ist. Daher sollte er nicht im Einflussbereich von Wärmequellen (z.B. Heizkörper, elektrischen Geräten usw.) oder von Luftströmungen (Fenster, Türen, usw.), aber auch nicht in Nieschen oder hinter Abschirmungen (Regalen, Schränken, Vorhängen, Möbeln usw.) angebracht sein. Ideal, aber denkbar unpraktisch, währe mitten im Raum. Bei einer falschen Plazierung können schon mal mehrere Grad Abweichung entstehen, was wesentlich mehr ausmacht, als die Messgenauigkeit. Für eine Messung ist oft nicht der Wert der Messung aussagekräftig, sondern sein Verhalten über eine gewisse Zeitspanne, also die Veränderung. In diesem Fall spielt die Messgenauigkeit keine Rolle mehr, denn diese bleibt ja immer dieselbe.
Die meisten Sensoren sind eigentlich Punkt-Messtellen (sie messen nur an einer Stelle) und haben eine gewisse Trägheit. Das bedeutet, dass es eine gewisse Zeit dauert, bis die Anzeige, bzw. der übermittelte Wert, dem Messwert, des Messortes entspricht. Dies muss man vor allem dann berücksichtigen, wenn große oder schnelle Änderungen auftreten. Aus diesen Gründen müssen z.B. Raumtemperaturfühler ganz andere Eigenschaften haben als z.B. Heiz-Medium-Fühler. Ein Temperaturfühler z.B. in einem Heizkessel muss viel schneller auf eine Temperaturänderung reagieren, da dort in kuzer Zeit starke Temperaturänderungen entstehen, z.B. bein Starten aus dem Ruhezustand. Dafür sind hier 5°C in der Messgenauigkeit vollkommen ausreichend. Idealer Weise sitzen Wärme-Medium-Sensoren in einer "Tauchhülse". Das ist in einem vertieften Hohlraum innerhalb des Gefäßes oder Rohres, in dem sich das Wärmemedium befindet. Auf diese Weise ist der Mess-Sensor fast vollkommen von der Wandung des Medium-Trägers umgeben und nimmt die Mediums-Temperatur sehr schnell an.
In Lüftungsanlagen werden gegebenfalls auch Messruten eingesetzt, das sind 0,5 bis 5 Meter lange Fühlerruten, bei denen sich der Sensor auf die ganze Messrutenlänge ersteckt und sie somit in Lüftungskanälen diagonal oder gar im Zick-Zack verspannt werden können. Der erfasste Messwert entspricht dann dem Mittelwert der gesamten Messrute. Daduch spielen Luftschichtungen in den Lüftungs-Kanälen praktisch keine Rolle mehr.

Bei Feuchtikeits-Messungen in der Luft, ist die Genauigkeit noch wesentlich schlechter als bei Temperatur-Messungen. Da Feuchtigkeits-Fühler meistens durch gespannte Membranen und deren Ausdehnung in Abhängigkeit der relativen Luftfeuchte arbeiten, sind hier Messgenauigkeiten von mehr als 10% schon realisisch. Bei elektronischen Messsensoren ist die Genaugkeit nur unwesentlich besser. Auch arbeiten Feuchte-Fühler oft nicht über den gesamtem Wert von 0% bis 100% Luftfeuchtigkeit. In der Praxis sind Feuchte-Fühler generell nicht genau und ähnlich wie Temperaturfühler sehr startk vom Einsatzort abhängig. Auch hier ist aber oft nicht der exakte Wert wichtig, sondern die Tendez und der Vergleich zu früheren oder späteren Messungen am selben Ort.

Letztendlich müssen alle Messungen unter den gegebenen Gesichtspunkten bewetet werden und sind daher immer mit einer Fehlerquote behaftet.
Man muss Messwerte immer relativieren, auch wenn Anzeigegeräte manchmal mehrstlleig nach dem Komma Werte darstellen.  
Hier gilt oft die Devise: "wer misst misst Mist und wer viel misst, der misst viel Mist".

Hysterese

In der Regelungstechnik findet man immer wieder den Begriff Hysterese. Mit Hysterese wird die Umschalt-Differenz eines analogen Wertes in einen binären Wert bezeichnet. Das bedeutet wenn ein analoger Wert sich verändert, wird ab einem bestimmten Punkt der Ausgang umgeschaltet, sowohl bei steigendem als auch bei fallendem Wert. Da aber Werte, schon wegen der Messgenauigkeit immer geringfügig schwanken können, würde beim Umschaltpunkt der Ausgang andauernd umschalten (flackern). Um diesen Effekt zu unterbinden und um ein gezieltes umschalten zu gewährleisten, weichen die Umschaltpunkte bei steigendem Wert und bei fallendem Wert etwas von einander ab. Diesen Schaltabstand des Ausganges bezogen auf den Wert nennt man Hysterese. Für eine Hysterese muss man 2 Werte kennen, zum einen den Umschaltpunkt und zum anderen den Schaltabstand "d" des Wertes. Je nach Deffinition kann der Umschaltpunkt genau zwischen den Schaltabständen (Beispiel) also symetrisch,  oder am oberen- oder unteren- Schaltabstand deffiniert sein.

Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe hat das Wirkungsprinzip eines Kühlschrankes, nur eben umgekehrt. Das bedeutet einem Medium wird Wärmeenergie entzogen und diese einem anderen Medium zugefügt. Dabei liegt das Temperatur-Niveau nicht im delben Bereich, denn sonst könnte man ja einen einfachen Wärmetauscher verwenden. Hier wird also Wärmeenergie von einem kälteren Medium entzogen und deinem Medium, das in einem höheren Temperatur-Niveau liegt, zugefügt.
Im Prinzip, ist das vergleichbar, wenn man Wasser von einem niedrigeren Niveau auf ein höheres bringen will, dann braucht man ein technisches Hilfsmittel, nämlich eine Pumpe. Aus dieser Analogie ist auch der Begriff Wärmepumpe abgeleitet. Man bringt Energie (Wärmeenergie) auf ein höheres (Temperatur)-Niveau.
Hierbei macht man sich die Eigenschaft der Änderung des Agregatzustandes zu Nutze. Wie man es z.B. von Wasser kennt, kühlt es beim verdunsten ab. Das bedeutet, dass dem Wasser beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand Wärme entzogen wird. Diese Energie ist im Zustand "gasförmig" gespeichert. Umgekehrt ist es so, dass wenn Wasserdampf flüssig wird (kondensiert), wird Energie freigesetzt, genau diese Energie, die beim verdampfen entzogen wurde. Im Prinzip gillt das nicht nur für Wasser, sondern für alle Medien, die in flüssigem und gasförmigerm Zustand vorkommen. Das Verdunsten bzw. verflüssigen kann man auch dadurch erreichen, indem man das Medium einem anderen Druck aussetzt. Wasser z.B. verdampft bei 1Bar (in Meereshöhe) bei 100°C, aber in goßen Höhen (Hochgebirge, weniger als 1 Bar) schon deutlich füher z.B. schon bei 85°C. Das zeigt, dass man durch eine Druckänderung auch den Agregatzustand eines entsprechenden Mediums verändern kann. Genau das wird bei einer Wärmepumpe gemacht. Natürlich benutzt man hier nicht Wasser als Medium, sondern Kältemittel (früher Flur-Kohlen-Wasserstoffe, FCKW, heute andere Kältemittel, die weniger umweltschädlich sind), die speziell für diesen Zweck optimiert sind.
Der Wirkunssinn ist folgendermaßen zu erklären: Das Kältemittel in flüssiger Form, steht unter einem hohen Druck (mehre Bar), und strömt in einen Behälter, der unter geringerem Druck steht. Damit dies geziehlt und nicht schlagartig passiert, wird ein Expansions-Ventil verwendet, das nur eine geringe Menge des Medium durchlässt. Durch den Druckabfall im Medium wird dies gasförmig (es verdampft) und dabei kühlt dieses sehr stark ab. Wenn wan nun dieses Kältemittel über Rohrschlangen durch ein anderes Medum führt, so entzieht es beim Übergang zum gasförmigen Zustand (Verdampfer) dem anderen Medium Energie.
Dieses nun gasförmige Kältemittel wird anschliessend über einen Kompressoer verdichtet (kompemiert), verflüssigt sich  und gibt die dadruch freiwerdende Energie über die Wandung der Rohrschlangen (Kondensator, Verflüssiger) an ein ganz anderes Medium ab. Es ist dabei natürlich entscheidend, dass dass beim kompremieren die Wärme an ein anderes Medium abgegeben wird, als es beim Verdampfen die Wärme entzogen hat. Dieser andauernde Kältemittel-Kreislauf (verdampfen-kondensieren-verdampfen usw.) muss natürlich in Gang gesetzt werden. Die Hilfsenergie die man dazu braucht ist die Energie die der Kompressor benötigt. Man muss also eine externe Energie zuführen (Strom für den Kompressor), um die Wärmeenergie von einem Medium in ein anderes zu transportieren (pumpen). Wärmepumpen haben in der Regel eine Wärmekennzahl von 3 bis 5. Das bedeutet, dass man bei einer Wärmkekennzahl von z.B. 4 aus 1kW elektrischer Leistung 4 kW Wärmeenergie von einem zum anderen Medium übertragen kann.
Natürlich muss man dabei auch dafür sorgen, dass das warme Medium dorthin abgeführt wird, wo man es haben will (bei der Wärmepumpe ist dies das Heizungsnetz oder ein Pufferspeicher) bzw. Das kalte Medium dort Wärme aufnehmen kann , wo es gewünscht wird (beim Kühlschrank der Innenraum, bei der Wärmepumpe entweder die Aussenluft oder einanderes externes Medium wie Grundwasser oder das Erdreich). 

Luft-Zustände

Um die Luft Zustände und damit die Luft-Eigenschaften zu verstehen, muss man die physikalischen Zusammenhänge zwischen Temperatur und Feuchte berücksichtigen, die sich gegenseitig beeinflussen. Schon das körperliche Empfinden zeigt uns diesen Zusammenhang. Wenn man einen Raum erwärmt, fühlt er sich trockener an und wenn die Temperatur sinkt, so wird das auch als feuchter empfunden.
Die genauen Zusammenhänge, zwischen Temperatur und Feuchte kann man im h-x-Diagram das nach Richard Mollier benannt ist, gut erkennen. Zunächt müssen wir zwischen relativer Feuchte und absoluter Feuchte unterscheiden.
Die relaive Feuchte ist die Sättigung der Luft mit Wasser in %, wobei 100% als volle Sättigung bezeichnet werden, das heist die Luft kann keine Feuchtigkeit mehr aufnehmen. Jede witere Feuchtigkeit (Wasser) wird in flüssiger Form ausgeschieden. Es kondensiert, bzw. es bildet sich Nebel (Nebel ist nichts anderes als Wasser in winzigen Trofen die in der Luft schweben) Diese winzigen Trofen lagern sich auch auf Oberflächen ab, was wir in der Natur als Tau bezeichnen. Eine Luftfeuchtigkeit von 0% wäre im Gegensatz eine vollkommen trockene Luft, die keinerlei Wasser enthält, auch nicht in dampfförmigem Zustand. Ein rein theoretischer Wert, der in der Praxis kaum erreicht werden kann.
Die absolute Feuchte, gibt den absoluten Wassergehalt in der Luft an. Er wird in Gramm-Wasser pro Killogramm-Luft angegeben.
Im Mollier h-x-Diagramm ist aber ausser der Temperatur, der absoluten Feuchte, der relativen Feuchte noch die Enthalpie erkennbar. Die Enthalpie, ist der Energiegehalt der Luft. Es ist hier auch zu erkennen, dass warme und feuchte Luft natürlich mehr Energie enthält, als trockene-kalte Luft.
Und letztendlich ist auch die Dichte der Luft erkennbar und in Kilogramm pro Kubikmeter Luft angegeben. Hier ist auch deutlich zu erkennen, dass warme Luft leichter ist, als kalte Luft und war fast unabhängig von der Luft-Feuchtigkeit.
Die Temperatur ist im h-x-Diagramm senkrecht dargestellt und die absolute Feuchte waagrecht. Die Kuven der Rel.Feuchtigkeit verlaufen im h-x-Diagramm von links unten nach recht oben und die Enthalpie als Gerade von links-oben, nach rechts-unten.
Die Dichte der Luft ist nur leicht geneigt zur Temperatur etwas abfallend bei höherer absoluter-Feuchte.

So kann jeder Luftzustand im h-x-Diagramm genau bestimmt werden und die Zusammenhänge zwischen Temperatur, absoluter- und relativer-Feuchte, sowie dem Energiegehalt festgestellt werden.
Alles natürlich bezogen auf normalen Luftdruck in Meereshöhe.

Der Bereich zwischen 30% und 65% relativer Feuchte und zwischen 20°C und 26°C begrenz durch die maximale absolute Feuchte von 11,5 g/kg Luft, ist als Thermische Behaglichkeit nach DIN 1960 deffiniert.
In diesem Bereich ist unter normalen Bedingungen (Wohnraum, Arbeitsplatz, Freizeitfläche) die optimale Raumqualität vorhanden und das Ziel für eine Lüftungs-, Klimanalge.

Alle Luftzustände kann man in das Mollier h-x-Diagramm eintragen. Es gibt keine Luftzustände jenseits der 100% Relative-Feuchtigkeits-Linie. Die Luft kann nur solange Wasser in Gasform aufnehmen, bis eine Sättigung von 100% erreicht ist. Diese Linie nennt man auch Kondensatzions-Linie. Alles Wasser das die 100% Feuchtigkeit in der Luft überschreiten würde, wird unmittelbar in flüssiger Form auftreten. Zunächst in Form von winzigen Wassertröüfchen, die wir in der Natur am Boden als Nebel oder höher als Wolke bezeichnen. Diese Wassertröpfchen lagern sich dann auf Flächen ab, die Temperatur mässig genau auf oder unter der Taupunkt-Linie befinden. In Gebäuden tritt dieses Phänomen als feuchte Oberfläche auf und fördert durch die Feuchtigkeit in flüssiger Form die Schimmelbildung. Man sollte daher in Räumen an keiner Wand die Taupunkt-Linie unterschreiten, um eine Schimmelbildung zu vermeiden.

Das Mollier h-x-Diagramm Hochformat können Sie hier als PDF herunterladen ==> Anklicken
Das Mollier h-x-Diagramm Querformat als Beispiel für Stuttgart hier als PDF herunterladen ==> Anklicken

Luft-Aufbereitung Temperatur und Feuchte

Da in Lüftungs- und Klimaalagen die Luft bewusst beeinflusst wird, kann man alle diese einzelnen Luft-Behandlungs-Zenarien im Mollier h-x-Diagram darstellen. Dadurch ist jede Veränderung des Luft-Zustandes sehr anschaulich und verständlich nachzuvollziehen.
Natürlich kann man auch die Luft-Zustände in einem Raum darstellen, nur ist die an verschieden Stellen im Raum etwas unterschiedlich und hängt immer von den Gegebenheiten ab, da die physikalischen Werte an unterschiedlichen Positionen im Raum abweichen können..

Wenn wir die Zustände der Luft verändern, dann heist das, dass wir uns innerhalb des h-x-Diagrammes bewegen. Je nachdem welcher Art die Beeinflussung ist, bewegen wir uns im h-x-Diagramm entlang den Linien, die diesen Einfluss beschreiben. Wir müssen uns daher immer im klaren sein, welchen Einfluss wir nehmen, bzw. wie dieser Einfluss stattfindet.
Betrachten wir zunächt den einfachen Fall der reinen Luft-Erwärmung. In einem Lüftungskanal wäre das ein Heizregister, das die durchströmende Luft lediglich erhitzt und nichts anders beigibt. In einem Raum währe das ein einfacher Heizkörper, Ofen oder eine Flächenheizung, die die Raumluft erhitzt (die Strahlungswärme wird hier vernachlässigt). Das bedeutet im h-x-Diagramm, dass wir uns längs der Temperaturlinie nach oben bewegen, und zwar bei konstantem Wasserhehalt, (absolute Feuchte) also paralell zur absoluten Feuchte. In diesem Beispiel von 10°C auf 22°C bei konstantem Wassergehalt von knapp unter 6 g Wasser pro kg Luft. Da ein Heizkörper/Erhitzer nur die Luft erwärmt, aber keinerlei Wasser ein-, oder ausbringt. Die relative Feuchte ist hier bei 10°C ca. 70% und bei 22°C knapp 35%. bei exakt gleichem Wassergehalt der Luft. Die Enthalpie (der Energieinhalt der Luft) steigt hierbei von 25 kJ/kg Luft auf ca. 37 kJ/kg Luft. Das ist die Energie, die der Heizkörper/Erhitzer an die Luft überträgt. In diesem Beispiel entspricht das einer Lufterwärmung von einer Aussentemperatur von 10°C mit 70% Feuchte (durchaus realistisch) auf 22°C mit knapp 35% Feuchte, also innerhalb des Behaglichkeitsbereiches. Wenn man also im Frühjahr oder Herbst in unseren Breitengraden Aussenluft in einen Raum bläst, müsste man dies wie in diesem Beispiel umsetzen. Die Lufterhitzung über ein Heizregister führt der Luft natürlich Energie zu, aber die Wassermenge in der Luft bleibt unverändert. Wir bewegen uns also paralell der Linien der absoluten Feuchte nach oben, je nachdem wieviel Wärme wir der Luft zuführen. In einer Lüftungsanlage reden wir hier von der Zuluft und bei einer Raumheizung von der Raum-Luft.
Wir sehen hier aber auch, dass wir aus einer doch etwas feuchten Aussenluft (10°C bei 70% Feuchte) eine relativ trockene Raumluft erhalten (22°C bei 35% Feuchte), obwohl wir kein Wasser entzogen haben. Man kann also deutlich und auch schematisch im h-X-Diagramm erkennen dass reine Lufterhitzung die Relative Feuchte der Luft stark reduziert. Das ist der Grund, warum beheizte Räume im Winter praktisch immer trocken wirken, und man daher oft Luftbefeuchter einsetzt um im komfortablem Bereich (Thermische Behaglichkeit) zu bleiben.

Genau diesen Fall sehen wir in nächsten Beispiel.Wir wollen hier die Luft von 0°C bei 50% Feuchte in den Behaglichkeits-Bereich von 22°C bei 40% Feuchte bringen. Wir verwenden in diesem Beispile eine Lüftungsanlage mit Befeuchtungs-Möglichkeit. Wenn wir in der Lüftungsanlage einen Kreuzstrom- oder Register-Wärmetauscher einsetzen, wird in der Wärmerückgewinnung nur die Luft erhitzt, exakt wie in einem Heizregister. Daher verhält er sich genau so wie das Heizregister. Die Luft wird zunächt durch die Wärmerückgewinnung (WRG) erhitzt und anschliessend durch das Heizregister. In diesem Beispiel von 0°C auf 25°C. Dadurch hat aber die Luft nach dem Vorerhitzer lediglich noch 10% Feuchte. Wenn wir anschliessend mit einem Sprühbefeuchter (bringt nur Wasser und keine Energie in die Luft) der Zuluft Wasser beifügen, steigt zwar die relative Luftfeuchte auf ca. 70% Feuchte, aber die Temperatur nimmt dabei wieder auf ca. 13°C ab. Wir bewegen uns dann der Linie mit konstnter Enthalpie (keine Energieänderung). Daher müssen wir anschliessend die Luft nochmals mit einem Nacherhitzer erwärmen, um, in den komfortablen Bereich (thermische Behaglichkeit) zu kommen.
Dies ist nur eine der Möglichkeiten das Ziel zu erreichen.
Wir könnten auch zunächst mit der Wärmerückgewinnung und einem Heizregister die Luft auf ca. 35°C erhitzen und dann mit der Befeuchtung über die Enthalpie-Linie 40kJ/kg in den Komfort Bereich gelangen. Wir bräuchten dann nur 1 Heizregister, aber dieser müsste relativ viel Energie in die Luft bringen, was entweder ein großes Heizregister oder eine hohe Heizemediums-Temperatur erfordert.
Diese Luftbehandlung ist vor allem im Winter oder bei kühleren Aussentemperaturen erforderlich, da bei niedrigen Temperaturen die Luft nicht viel Wasser (absolute Feuchte) enthalten kann. Die Kurve von 100% relativer Feuchte kann nicht überschritten werden, da das Wasser in der Luft dann kondensiert und als Flüssigleit (Tröpfchen) oder gar gefrohren (Schnee) ausgeschieden wird.

Exakt diese Eigenschaft (Kondensation) macht man sich zu Nutze um Luft zu entfeuchten. Dies ist im Sommer oft erforderlich, bei höheren Temperaturen, denn dann enthält die Luft relativ viel Wasser (absolute Feuchte). Wenn wir wie in diesem Beispiel eine Aussentemperatur von 30°C mit einer Luftfeuchte von 50% annehmen, dann sind in der Luft fast 14 g Wasser pro kg Luft enthalten, also fast 7 mal soviel Wasser als im vorigen Winter-Beispiel bei gleicher relativer Feuchte (50%). Da wir der Luft aber nicht einfach das Wasser entziehen können, müssen wir uns dem Hilfsmittel der Kondensation bedinen. Wenn wir die Luft mit einem Kühlregister stark abkühlen, dann sinkt zunächst die Lufttemperatur bei kontantem Wassergehalt (absolute Feuchte) ab, dabei steigt zwangsläufig aber die relative Feuchte an, bis wir den Kondensationspunkt, die 100% relative Feuchtigkeit errreicht haben. Wenn wir dann die Luft noch weiter abkühlen, dann tritt das Wasser, das in der Luft in Dampfform vorliegt in flüssiger Form auf. Diesen Effekt nennt man kondensieren. Die Nebelbildung in der freien Natur ist genau dieser Effekt. Das überschüssige Wasser, das nun in flüssiger Form auftritt muss natürlich abgeleitet werden. Da es keine Luftzutände jenseits der 100% relativer Feuchtigkeit gibt, folgt der Luftzustand bei weiterer Abkühlung genau dieser 100% Linie (Kondensationslinie). man kann hier sehr gut erkennen, dass die absolute Feuchtigkeit dann geringer wird, nämlich genau um den Wasseranteil, der kondensiert. Um nun wieder in den Bereich der Thermischen Behaglichkeit zu kommen, müssen wir nach der Entfeuchtung (Kondensation) die Luft natürlich wieder erhitzen. Dazu benötigt man also einen Erhitzer , der nach dem Kühler angeordnet ist (Nachererhitzer).
Man kann hierbei im h-x-Diadramm ganz deutlich und anschaulich diesen Effekt nachvollziehen. Um eine Luft zu entfeuchten müssen wir also die Luft zunächt unter den Kondensationspunkt abkühlen und danach wieder erhitzen. Wieviel Energie wir hierbei der Luft zunächst entziehen und dann wider zuführen müssen kann man an den Linien der Enthalpie ablesen. Es ist daher auch nachvollziehbar, dass das entfeuchten der Luft ziemlich Energieintensiev ist. 

Man kann aus diesem Effekt auch die ungekehrte Erkentniss ziehen. Wenn man einen Raum in der Thermischen Behaglichkeit hat und irgenwo in diesem Raum Temperaturen auftreten, die unterhalb der Kondensationslinie liegen (z.B. eine Ecke, hinter Möbelstücken oder schlecht isolierten Fenstern), dann tritt bei Unterscheritung der Kondensationslinie an dieser Stelle Feuchtigaut aus der Luft in Form von Wassertropfen aus. Die kalte Oberfläche wird feucht und das führt dann mit der Zeit zur Schimmelbildung.

Man kann mit Hilfe des h-x-Diagrammes auch die Mischung von Luft mit unterschiedlichen Zuständen darstellen.
Wenn man die beiden Punkte der Luftzustände im h-x-Diagramm markiert und diese dann mit einer Linie verbindet, dann wird sich eine Mischung dier beiden Luftzustände igendwo längs dieser Linie einstellen. Je nachdem in welchem Verhältnis die beiden Luftzustände vermischt werden, befindet sich die Mischtemperatur näher beim einen oder anderen Ausgangspunkt. Die Pfeillängen der Linien sind umgekehrt proportional zu den Luftmengen der Mischung. Der Mischpunkt liegt immer näher an dem Ausgangspunkt, von dem die gößere Luftmenge stammt. Man kann aber auch erkennen, dass bei einer Luftmischung sich alle Eigenschaften der Luft verändern, die Temperatur, die relative- und absolute Feuchtigkeit, sowie der Energieinhalt (Enthalpie).

Wenn man diese Erkentniss auf einen Raum mit Heizkörpern (keine Lüftungsanlage) bezieht, kann man das Verhalten des Lüften eines Raumes nachvollziehen. Im Winter verliert der Raum beim Lüften sowohl Energgie (Enthalpie) , als auch Feuchtigkeit (absolute Feuchte), wobei sich die relative Feuchte sogar erhöhen kann. Durch die dauernde Erwärmung des Raumes durch die Heizung, wird zwar die Temperatur wieder in den komfortalen Bereich ansteigen, aber der fehlende Wassergehalt (absolute Feuchte) erzeugt einen trokeneren Raum als vor dem Lüften. Da Personen über die Atemluft und die Hautoberfläche auch Wasser abgeben, gleicht sich das zwar mit der Zeit aus, aber es ist sinnvoller das Wasser anderweitig, durch Verdunstung einzubringen, als über Personen. Hier helfen Verdunstungbehäter an den Heizkörpern, oder einfach Pflanzen, die auch Wasser an die Luft abgeben.

Mit dem Mollier h-x-Diagramm kann man praktisch alle Luftzustände, Luftveränderungen und Luftbehandlungen grafisch sehr anschaulich darstellen. Man muss nur wissen auf welche Weise die Luft mit den unterschiedlichen Mehoden verändert werden. reines heizen und kühlen, ohne zu-, oder abführen von Wasser bedeutet immerer ein senkrehte bewegung in Diagramm. Sobald man aber an die Kondensationslinie (100% rel.Feuchtigkeit) kommt verändert sich der Wassergehalt aufgrund der Eigenschaft des Wassers, das sich in der Luft, im Normalfall in Dampfform, befindet.

Das Mollier h-x-Diagramm Hochformat können Sie hier als PDF herunterladen ==> Anklicken
Das Mollier h-x-Diagramm Querformat als Beispiel für Stuttgart hier als PDF herunterladen ==> Anklicken