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Luft- und Klimatechnik

Systeme zur zentralen Luftbefeuchtung

Kontrollierte Wohnraumlüftung mit einer Luftbefeuchtung im Zuluftkanal.
Kontrollierte Wohnraumlüftung mit einer Luftbefeuchtung im Zuluftkanal.
Um in Lüftungsanlagen die angesaugte Außenluft (mitunter Mischluft) auf den gewünschten Zuluftzustand zu konditionieren, wird sie – je nach Jahreszeit, aktueller Witterung und gewünschtem Zuluft- und Raumzustand – erwärmt oder gekühlt sowie be- oder entfeuchtet.

Dabei ist eine kontrollierte Befeuchtung der besonders in den kühlen Jahreszeiten trockenen Außenluft notwendig. Dadurch sollen in den mit Zuluft versorgten Räumen eine relative Luftfeuchtigkeit von mindestens 40 bis 60 % und hygienisch und gesundheitlich gute Zustände sichergestellt werden.

Zur Befeuchtung der Außenluft im Lüftungssystem stehen verschiedene Möglichkeiten und Systeme zur Verfügung, die nachfolgend im Hinblick auf ihre Funktionsprinzipien und wichtigsten Eigenschaften beschrieben werden. Neben den seit vielen Jahren bekannten und bewährten Verfahren der adiabatischen Befeuchtung (Zerstäuben von Wasser in den Luftstrom) und der Dampfluftbefeuchtung steht nun ein neues Verfahren zur Verfügung: Diffusions-Luftbefeuchtern mit semipermeablen Membranen.

Die Notwendigkeit der Luftbefeuchtung

Wenn zum Beispiel im Winter kalte Außenluft im Lüftungsgerät auf eine Zulufttemperatur von 30 °C erwärmt wird, sinkt deren relative Feuchte auf Werte unter 10 %. Personen in Räumen, die einer solch trockenen Raumluft ausgesetzt sind, leiden dann häufig unter einer Austrocknung der Atemwegschleimhäute.

Dies kann zu Atemwegerkrankungen, wie Husten, Schnupfen, Bronchitis und Nebenhöhlenentzündungen, führen. Bereits vor dem Auftreten von Erkrankungen führt eine zu trockene Raumluft oft zu einem als unbehaglich empfundenen Raumklima, zu verminderter Leistungsfähigkeit, Abgeschlagenheit, Augenbrennen oder Kratzen im Hals. Als optimale Luftzustandswerte für Behaglichkeit und Gesundheitsschutz empfehlen technische Regeln, wie DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden“ und die Richtlinie VDI 6022 „Hygieneanforderungen an raumlufttechnische Anlagen und Geräte“ relative Feuchten zwischen etwa 30 % (Winter) und 65 % (Sommer).

Gleichzeitig wird in diesen Regelwerken auch detailliert festgelegt, wie Systeme zur Luftbefeuchtung für eine bestmögliche Behaglichkeit und Hygiene zu planen, zu betreiben sowie regelmäßig zu inspizieren und zu warten sind.

Systeme zur Luftbefeuchtung: Verdampfen, Zerstäuben, Diffundieren.
Systeme zur Luftbefeuchtung: Verdampfen, Zerstäuben, Diffundieren.

Methoden der Luftbefeuchtung

Zur Luftbefeuchtung werden Systeme auf Basis der physikalischen Methoden Verdampfen, Zerstäuben und Verdunsten eingesetzt. Aus Sicht der Leistungen und der Hygiene stellen die drei Verfahren unterschiedliche Anforderungen an die Befeuchtungstechnik.

 

Befeuchten mit flüssigem Wasser

Zerstäubung von Wasser in einem Hybrid-Luftbefeuchter. - fotolia / Jana Horti - © fotolia / Jana Horti
Zerstäubung von Wasser in einem Hybrid-Luftbefeuchter. - fotolia / Jana Horti
Ein Hybrid-Luftbefeuchter nutzt zwei sich ergänzende Methoden der Luftbefeuchtung: Eine Zerstäubereinheit und eine Verdunstereinheit.

Die Zerstäubereinheit besteht aus mehreren Molekular-Zerstäubungsdüsen, die im Lüftungsgerät auf einem Trägergitter befestigt werden. Aus diesen Düsen wird das zuvor in einer Osmoseanlage aufbereitete Wasser mit einem Druck von etwa 4 bis 8 bar fein zerstäubt in den Luftstrom eingesprüht. Ein Teil dieser Wassertröpfchen verdampft dabei direkt in der Luft, ein weiterer Teil trifft auf die nachgeschalteten porösen Keramikelemente. Dadurch werden die Keramikelemente gleichmäßig mit Wasser beaufschlagt, und wenn die Luft daran vorbeiströmt, ergibt sich eine zusätzliche Befeuchtung.

Bei dieser Art der Befeuchtung wird das eingebrachte Befeuchtungswasser durch die Kombination von Zerstäuben und Verdunsten optimal ausgenutzt und die anfallende Überschusswassermenge, die sich am Boden des Lüftungsgeräts ansammelt, ist sehr gering. Dieses wenige Wasser kann daher, auch aus Hygienegründen, frei abgeleitet werden und wird nicht mehr dem Befeuchtungswasserkreislauf zugeführt. So ergeben sich eine sehr gute Hygienequalität und eine sehr wirtschaftliche Betriebsweise mit geringen bis sehr hohen Befeuchtungsleistungen.

Da das System mit flüssigem Wasser betrieben wird, erfolgt bei diesem adiabatischen Befeuchtungsprozess allerdings stets eine Abkühlung der Zuluft um etwa 2,5 K pro Gramm Wasser pro kg Luft, um das diese befeuchtet wird. Diese Abkühlung muss im nachgeschalteten Lufterhitzer bei der Erwärmung der Luft auf die gewünschte Zulufttemperatur durch eine etwas höhere Heizleistung kompensiert werden.

Befeuchtung mit Wasserdampf

Luftbefeuchtung mit Dampf. - fotolia / geografika - © fotolia / geografika
Luftbefeuchtung mit Dampf. - fotolia / geografika
Im Vergleich zur Luftbefeuchtung mit flüssigem Wasser wird bei der Dampfluftbefeuchtung das Wasser in einem vorgeschalteten System verdampft und dieser Dampf dann zum Lüftungsgerät geführt. Die Verdampfung des Wassers erfolgt durch elektrische Energie (ähnlich wie bei einem Tauchsieder oder einem Wassererhitzer) oder durch den Einsatz von Gas als Brennstoff. Der so erzeugte Dampf strömt dann in der Dampfleitung zu dem Verteilsystem, das sich im Lüftungsgerät oder im Zuluftkanal befindet.

Gegenüber der Befeuchtung mit flüssigem Wasser hat die Dampfluftbefeuchtung mehrere Vorteile: Aufgrund des hohen Temperaturniveaus des Dampfs von 110 bis 200 °C ist sie völlig keimfrei und hygienisch absolut sicher. Gleichzeitig wird die Luft beim Verdampfungsprozess nicht mehr abgekühlt, und somit entfällt die bei der Wasserbefeuchtung noch zusätzlich notwendige Nacherhitzungsleistung. Diese beiden positiven Effekte haben aber auch eine Schattenseite: Der Energiebedarf der Dampfluftbefeuchtung ist deutlich höher, da bei diesem Prozess Energie aufgewendet werden muss, um das Wasser zu verdampfen.

Wie die Befeuchtung mit flüssigem Wasser eignet sich die Dampfbefeuchtung für geringe bis zu sehr großen Befeuchtungsleistungen, die sehr gut geregelt werden können.

Befeuchtung mit Diffusions-Luftbefeuchtern

Diffusion von Wassermolekülen. - fotolia / Ramil Gibadullin - © fotolia / Ramil Gibadullin
Diffusion von Wassermolekülen. - fotolia / Ramil Gibadullin
Gegenüber den zuvor beschriebenen Verfahren der Luftbefeuchtung mit flüssigem Wasser oder Dampf ist die Diffusionsluftbefeuchtung ein noch junges Prinzip, das auch gänzlich anders funktioniert.

Es basiert auf dem Einsatz von Spezial-Sterilmembranen (Diffusionsvliese). Dabei sind die Diffusionskapillaren in der Membrane so klein, dass sie flüssiges Wasser zurückhalten und nur für Wasserdampfmoleküle durchlässig sind. Unerwünschte Wasserinhaltsstoffe werden dadurch sicher zurückgehalten und können nicht in die Zuluft der Lüftungsanlage gelangen. Ein System der Diffusions-Luftbefeuchtung besteht aus zwei Einheiten:

In einer Hydraulik-Box wird das zur Befeuchtung vorgesehene Wasser aufbereitet und auf Temperaturen von etwa 25 bis 35 °C erwärmt. Für diese Erwärmung können bestehende Wärmequellen (Heizkessel, Solaranlage, Abwärme) genutzt oder eine elektrische Beheizung eingesetzt werden. Darüber hinaus enthält die Hydraulik-Box alle weiteren Systeme zum Betrieb (Pumpe) sowie zur Steuerung und Regelung der Anlage inklusive eines Touchscreen-Displays zur Kontrolle und Veränderung der Betriebs- und Leistungsdaten.

Einheit Nummer zwei ist das Kanal-Element, das sich im Zuluftstrang des Lüftungsgeräts befindet. Das Kanal-Element besteht aus mehreren, nebeneinander angeordneten Membranelementen und erhält das temperierte Wasser von der Hydraulik-Box. Aufgrund des geringen Überdrucks und der Feuchte- und Temperaturdifferenz zur vorbeiströmenden Luft (daraus ergibt sich ein geringer Differenzdruck zur Luft hin) strömt ausschließlich warmer Wasserdampf aus dem Kanal-Element aus und wird dann von der Luft aufgenommen. Dabei bleibt die Oberfläche der Kanal-Elemente stets trocken.

Das Prinzip der Diffusions-Luftbefeuchtung ermöglicht eine sehr wirksame Feuchtediffusion, ohne dass der Luftstrom dabei mit nassen und dadurch möglicherweise hygienisch bedenklichen Oberflächen in Berührung kommt. Der mit temperiertem Befeuchtungswasser durchflossene Diffusions-Luftbefeuchter erwärmt die Zuluft je nach Wassertemperatur und Luftstrom um bis zu 5 K. Dieser Effekt ermöglicht wärmere Zuluft-Einblastemperaturen und entlastet die nachträgliche Beheizung. Die Diffusions-Luftbefeuchtung eignet sich besonders für geringere bis mittlere Befeuchtungsleistungen.

Weitere Aspekte der Luftbefeuchtung

Bei allen Systemen zur Luftbefeuchtung muss im Lüftungssystem eine ausreichend lange Befeuchtungsstrecke vorhanden sein. Sie muss so dimensioniert sein, dass eine optimale Verteilung der Wassertröpfchen oder des Dampfs im Luftstrom sichergestellt ist und der Befeuchtungsprozess über der Strecke abgeschlossen wird und danach kein flüssiges Wasser mit der Luft transportiert wird.

Bei der Entscheidung für eine bestimmte Luftbefeuchtungstechnik sind stets die Kriterien Hygiene und benötigte Leistung zu beachten. Eine Keimbildung im Luftbefeuchter und ein Keimeintrag in die Anlagen- oder Atemluft müssen sicher verhindert werden. Unabhängig vom Befeuchtungsverfahren müssen daher folgende Hygienekriterien erfüllt werden:

  • Befeuchtungsstrecken richtig dimensionieren
  • Bildung von Biofilmen unterbinden
  • Eintrag von Wasser-Aerosolen in den Zuluftstrom verhindern
  • systemgerechte Feuchteregelung vorsehen
  • Hygienenachweise für alle hygienerelevanten Eigenschaften des Systems müssen erbracht sein ■