26. Oktober 2021

Hygienische, wirtschaftliche, präzise und nachhaltige Befeuchtungslösungen richtig planen

Nicht nur die Raumtemperatur entscheidet darüber, ob man sich in einem Raum wohlfühlt oder die Produktion in einer Halle ablaufen kann. Auch die relative Luftfeuchte hat einen großen Einfluss. Muss die Raumluft befeuchtet werden, kommen unterschiedliche Techniken zum Einsatz. Jede hat ihre ganz spezifischen Vor- und Nachteile sowie bevorzugte Einsatzbereiche.

Notwendigkeit einer korrekten Raumfeuchte

Mehr Menschen verbringen mehr Zeit in Innenräumen. Deshalb ist es wichtig, die Qualität des Innenraumklimas näher zu beleuchten. Neben Temperatur und CO₂-Gehalt hat die relative Raumfeuchte einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des Innenraumklimas. Lüftungsanlagen mit Rotationswärmeübertrager können Feuchte aus der Abluft kostengünstig zurückgewinnen.

Zu trockene Luft (˂ 40 %) reizt die Haut sowie die Augen und Schleimhäute. Auch die Immunabwehr wird schwächer. Zu feuchte Luft (˃ 60 %) wiederum fördert Schimmelbildung. Atmet der Mensch zu viele Pilzsporen ein, steigt das Risiko für Atemwegserkrankungen. Als behaglich hingegen wird das Raumklima in einem Korridor zwischen 40 % und 60 % relativer Raumfeuchte empfunden. Die DIN EN 16798 Teil 3 empfiehlt (für Nichtwohngebäude) 30 % – 70 % ¹).

Neben Komfortanwendungen in Büros oder Wohngebäuden gibt es auch Umgebungen, in denen Prozesse, Industrieanwendungen oder gelagerte Materialien eine bestimmte Raumfeuchte benötigen.

Anforderungen an eine Befeuchtungslösung

Regelgenauigkeit und Komfort

Befeuchtungslösungen müssen bestimmte Anforderungen erfüllen, die der Planende unbedingt im Vorfeld erörtern muss.

Der Anwendungsfall bestimmt die erforderliche Regelgenauigkeit. Während Komfortanwendungen für Menschen meistens eine geringere Regelgenauigkeit erfordern als Prozess- oder Lageranwendungen, müssen Befeuchtungslösungen für Menschen bestimmte Auslastungsprofile und Raumnutzungskonzepte berücksichtigen. Komfortanwendungen müssen oft flexibel reagieren können. Wo Prozesse oder Lager klimatisiert werden, geht es dagegen oft um möglichst konstante Bedingungen, die besonders exakt geregelt werden wollen. Bereits geringe Schwankungen in der Raumfeuchte in Rechenzentren, Reinräumen oder Museen können bereits kostspielige Folgen haben.

Hygiene

Hygiene ist ein elementarer Faktor in der Klimatisierung von Gebäuden. Deshalb sind Hygieneüberlegungen auch aus der Befeuchtung nicht wegzudenken.

Regelwerke wie die VDI 6022 ²) geben wertvolle Hinweise zu Konstruktion, Planung, Herstellung und Anlagenbetrieb. Die Wahl der Befeuchtungslösung hat direkte Auswirkungen auf die notwendigen Hygienemaßnahmen. Grundsätzlich sollte jeder Planende fünf Hygienekriterien gewissenhaft berücksichtigen:

• die Befeuchtungsstrecke richtig bemessen,
• Vermeidung von Biofilmbildung,
• keine Wasser-Aerosole in Luftleitungen,
• Taupunktunterschreitungen vermeiden,
• Hygienenachweise erbringen.

Wasserqualität

Die Beschaffenheit des Wassers, das zur Befeuchtung verwendet wird, hat entscheidenden Einfluss auf die Funktionsfähigkeit, auf die Auslegung und auf die Kosten eines Befeuchtungssystems. Deshalb spielt die vorherrschende Wasserqualität bereits in der Planungsphase einer Befeuchtungslösung eine wichtige Rolle. Wertvolle Auskünfte über die Wasserqualität geben beispielsweise die lokalen Stadtwerke.

Weiches Wasser ist günstiger für alle Anwendungen, bei denen es erhitzt wird. Dazu gehört auch die Dampfbefeuchtung. Dementsprechend verursacht hartes Wasser einen höheren Wartungsaufwand; auch sinkt die Lebenserwartung von wasserführenden Systemen.

Zur Befeuchtung von Luft kann vollentsalztes Wasser verwendet werden. Hier sind Mineralien und Calcium vorab durch eine Wasseraufbereitung entfernt wurde. Anzumerken ist hierbei aber, dass der Betrieb mit enthärtetem (also mineralfreiem Wasser) nicht bei jedem Luftbefeuchtertyp möglich ist. Ein Widerstands-Luftbefeuchter kann mit einem solchen Wasser betrieben werden. Ein Elektroden-Luftbefeuchter hingegen braucht leitfähiges, mineralhaltiges Wasser.

Wirtschaftlichkeit

Neben den Anschaffungs- und Wartungskosten sind die Energiekosten beim Vergleich unterschiedlicher Befeuchtungssysteme zu berücksichtigen. Erst die Vollkostenbetrachtung aus allen drei Kostenbestandteilen lässt Rückschlüsse auf die tatsächliche Wirtschaftlichkeit zu.

Dampfluftbefeuchter beispielsweise weisen zwar höhere Energiekosten auf, sind dagegen in der Anschaffung meist deutlich günstiger als Düsenluftbefeuchter. Letztere werden zudem hauptsächlich in großen Räumen wie Produktionshallen eingesetzt. Für kleinere, besonders exakt zu regelnde, empfindliche Umgebungen eignen sie sich weniger gut. Dampfluftsysteme bieten für diese Einsatzzwecke eine besonders hohe Regelgenauigkeit.

Adiabate Lösungen schließlich schlagen nur mit geringen Energiekosten zu Buche. Dafür können sie nicht mit herkömmlichem Speisewasser betrieben werden. Eine notwendige Osmoseanlage erhöht die anfänglichen Investitionskosten. Aus Hygienesicht sind adiabate Systeme grundsätzlich gewissen Beschränkungen unterworfen.

Arten der Befeuchtung

Grundsätzlich unterscheidet man drei physikalische Methoden, um die Feuchte in einem Raum zu optimieren: Verdampfen, Zerstäuben und Verdunsten. Zerstäuben und Verdunsten sind adiabate Vorgänge. Sie werden als thermodynamische Verfahren bezeichnet – die Lufttemperatur ändert sich. Verdampfen ist ein isothermer Vorgang. Vereinfacht gesagt bleibt dabei die Lufttemperatur gleich.

Adiabiate Befeuchtung

Bei der adiabaten Luftbefeuchtung führen Anlagen der Luft Wasser zu, das flüssig ist. Bevor die Luft die Feuchte aus dem Wasser aufnehmen kann, muss es mit Energieaufwand in einen gasförmigen Aggregatszustand gebracht werden. Dazu entzieht das Befeuchtungssystem der Umgebungsluft Wärme. Diese Temperaturänderung kennt man als adiabiaten Kühleffekt. Ein positiver Nebeneffekt der Direkt-Raumluftbefeuchtung ist zusätzlich die adiabatische Verdunstungskühlung.

Bei Verdunstungslösungen werden Matten befeuchtet und die zu befeuchtende Luft hindurchgeführt. Der Vorteil solcher Systeme ist ihr attraktiver Preis. Zudem können notwendige Kühlaggregate kleiner ausgelegt werden, da die indirekte Verdunstungskühlung einen gewissen Teil der erforderlichen Kälteleistung erbringt. Dies senkt die Betriebskosten der gesamten Klimatisierungslösung. Eine Befeuchtungsleistung von 100 kg/h liefert ca. 63 kW Kühlleistung. Eine Absenkung der Raumtemperatur zwischen 2 und 5 K ist dadurch möglich und führt zu einer geringeren Beanspruchung eingesetzter Klimaanlagen.

Ähnlich funktionieren Zerstäuber, bei denen das Wasser der Luft in kleinsten Wassertröpfen zugeführt wird. Auch hier tritt ein adiabater Kühleffekt ein. Diese Technik wird häufig in (produktionstechnischen) Umgebungen eingesetzt, in denen viel Wärme entsteht.

Isotherme Befeuchtung

Isotherme Befeuchtung beschreibt die Luftbefeuchtung mit Dampf. Die Lufttemperatur bleibt weitestgehend gleich. Ihre Hauptvorteile liegen in der äußerst hohen Regelgenauigkeit und in der besonderen Hygienequalität.

Dampfluftbefeuchter erzeugen den Dampf, bevor sie ihn mit der zu befeuchtenden Luft vermischen. Ein Ventilator oder eine Klimaanlage vermischt den Dampf mit der zu befeuchtenden Luft. Je nach Anforderung und baulichen Gegebenheiten wird der Dampf zentral oder dezentral erzeugt.

Besteht eine zentrale Dampferzeugung, kommen Druck-Dampf-Luftbefeuchter zum Einsatz. Muss der Dampf dezentral erzeugt werden, werden meist elektrische betriebene Dampfluftbefeuchter eingesetzt. Dabei werden Elektroden-von Widerstands-Dampfluftbefeuchtern unterschieden. Elektrodenanlagen nutzen die Leitfähigkeit des Wassers; dabei fließt der Strom direkt über das Befeuchterwasser. Widerstandsdampfbefeuchter dagegen tauchen eine erhitzte Spirale in das Medium, ähnlich wie ein Tauchsieder.

Beispielplanung Museum

Die Anforderungen, die Befeuchtungsarten, deren Vor- und Nachteile und ihre jeweiligen Anwendungsgebiete sind nun skizziert – doch wie sieht eine tatsächliche Planung aus? Reale Projekte passen selten in Schubladen, oft erfüllen Gebäude mehrere Zwecke, oft sind Auslastungsszenarien und Nutzungskonzepte nicht durchgängig vorhersehbar. Sicher ist nur, dass die Anlage fast vollständig im Dauerbetrieb geführt werden wird. In unserem Beispiel, einem Museum, ist dies ebenso der Fall. Hier werden nicht nur hochsensible Produkte gelagert, es besteht auch eine große Bandbreite der saisonalen Auslastung der Räumlichkeiten. Auch muss die Raumnutzung flexibel bleiben, da mitunter Räume für Ausstellungen neu geteilt werden. Schlussendlich stellt ein Museum als öffentliches Gebäude hohe Anforderungen an die Hygiene.

Wie empfindlich Exponate reagieren können, zeigte ein amerikanisches Forschungsinstitut, das auf die wissenschaftliche Untersuchung optimaler Lagerungsbedingungen für historische Exponate in Museen spezialisiert ist. Das bei Washington, D.C. beheimatete Smithsonian Museum Conservation Institute (MCI) untersuchte, inwieweit Schwankungen der relativen Feuchte Exponate aus verschiedenen Materialien beeinflussen. In einer detaillierten Studie fanden die Forscher heraus, dass schlagartige Änderungen der relativen Feuchte viel schädlicher sein können als langzeitige Abweichungen vom optimalen Niveau. In der Arbeit wurde ein beispielhaftes Leinwandgemälde mehreren Feuchteänderungszyklen in einem Bereich zwischen 35 % und 90 % ausgesetzt. Jede Zyklushälfte (vom Mindestwert zum Höchstwert und umgekehrt) dauerte jeweils 24 Stunden. Der Großteil der Schaden bildete sich bereits nach vier Zyklen und zeigte sich in großflächigen Rissen auf der Oberfläche. Nach neun Zyklen dagegen stoppte das Schadensausmaß fast gänzlich. Dies zeigt, dass schon wenige, plötzliche Feuchteänderungen zu gro ßen Schäden führen. Dieses Ergebnis unterstreicht, wie wichtig eine hohe Regelgenauigkeit der Feuchteregulierung insbesondere in Museen ist.

Projektrahmen

Die Rahmenbedingungen des Projekts führt zu bestimmten Auslegungsdaten (Tabelle 1).

Auswahl des Befeuchtungsprinzips

Das Prinzip, wie befeuchtet wird, ist schnell gefunden. Das Anforderungsprofil gibt eine klare Richtung vor. Nur die Dampfbefeuchtung kombiniert hohe Regelgenauigkeit, isotherme Befeuchtung und hohe Hygienequalität.

Auswahl des Befeuchters

Da im Beispielfall das Trinkwasser einen hohen Kalkgehalt aufweist, muss der Planende besonders auf die wasserberührenden Komponenten der Befeuchtungsanlage achten.

Kostenkalkulation

Nach Analyse der Kostenaufstellung (Tabelle 2) kommt ein Widerstandsdampfbefeuchter mit Titan-Heizelementen zum Einsatz. Das Material ist besonders beständig und senkt durch seinen geringen Verschleiß die Betriebskosten.

¹) DIN EN 16798-3: Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden – Teil 3: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Leistungsanforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme

²) VDI 6022: Raumlufttechnik, Raumluftqualität

Autor: Efecan Pehlivan, Technischer Innendienst, Befeuchtungslösungen, Swegon Germany GmbH

www.swegon.de