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Neue Energien, 22.08.2022

So ging energiesparende Klimatisierung vor 30 Jahren!

Energiesparende Klimatisierung und ist nicht erst seit Beginn der Energiekrise ein Thema - donnerwetter.de-Geschäftsführer und Klimatologe veröffentlichte bereits vor 30 Jahren eine Arbeit zu diesem hochaktuellen Thema.

Geändert hat sich seit 1992 vieles, die grundlegenden Methoden einer energiesparenden Klimatisierung haben aber heute noch immer Gültigkeit. Auch wenn sie in der aktuellen Energiespar-Diskussion gerne mal vergessen oder unbeachtet bleiben - Stichworte Einzelraumbeheizung und 19-Grad-Deckelung.

Nachfolgend lesen Sie Originalauszüge aus der Veröffentlichung "Neue energiesparende Methoden der Klimatisierung" (1991/1992) inkl. "modernisierter" Grafiken!

Lüftungsgrundbedingungen

Wichtige für jede Klimatisierung sind die Luftwechselraten, die eingehalten werden müssen, damit keine zu hohen Luftfeuchtigkeiten oder zu hohe Schadstoffkonzentrationen entstehen. In der Literatur gibt es über die Mindestlüftung immer noch eine Diskussion, doch kann man verschiedene Werte definieren, die erreicht werden müssen.

Für jede Person in einem zu lüftenden Raum müssen etwa 40 g/h gerechnet werden. Dieser Wert mag vielleicht etwas niedrig erscheinen, ist aber in der Realität sehr sinnvoll. Daneben gibt es dann Pauschalwerte, die ich selber nachgemessen habe.

15 Topfpflanzen : 3600 g/d = 150 g/h = 10 g/h/1 Topfpflanze

1 Stunde Kochen : 1000 g/h

15 min Duschbad : 650 g/h

 

Diese Feuchtigkeiten müssen beseitigt werden, damit z.B. keine Feuchteschäden in der Wohnung entstehen. Um die Luftwechselrate zur Beseitigung der Feuchtigkeit zu bestimmen, muss die transportierbare Feuchte bekannt sein, die mit der Außenfrischluft geliefert wird. Diese transportierbare Feuchte ist durch die Außenluft nach Aufheizen auf Innentemperatur und bei Anreichern auf die Innenfeuchte transportierbare Feuchte. Nehmen wir mal an, wir haben eine transportierbare Feuchte von 6 g/m³ und eine Feuchteemission im Raum von 600g/h. Dann muss die Luftwechselrate 100 m³/h betragen, um die Feuchte abzutransportieren. Wenn man die Luftwechselrate nach der Feuchtigkeit richtet, hat man normalerweise ein genügend großes Austauschvolumen, was nur in Einzelfällen, z.B. bei Schadstoffquellen in Werkstätten, erhöht werden muss.

Die Klimatisierung nach der menschlichen Temperatur

Ich möchte bei der Temperierung ganz neue Maßstäbe einführen, nach denen die Steuerung gerichtet werden muss. Mein Konzeptvorschlag ist es, die Klimatisierung nach der menschlichen Temperatur zu richten. Der Begriff der "menschlichen Temperatur" gilt es nun näher zu fassen. Durch das folgende Schaubild wird der Parameter deutlich.

Viele wird dieses Schaubild etwas verwundern, denn sie werden denken, dass, um ein optimales Klima im Innenraum herzustellen, nur die Temperatur und vielleicht noch die Luftfeuchtigkeit grob regulierbar sein müssen. Doch dies stellt sich anders dar, wie ich an einem Beispiel belegen möchte. Bei einer Temperatur von 22 Grad C und 40 - 50 % Luftfeuchtigkeit würden wir uns in dem speziellen Raum behaglich fühlen. Würde nun aber entweder die kurzwellige Einstrahlung oder die Feuchtigkeit erhöht werden, würde es uns zu warm oder zu schwül in dem Raum werden. Ich versuche, das menschliche Klimabedürfnis hier ganz neu zu erfassen und zu optimieren, was z. B. in der Schule wichtig ist. Ein optimales Lernen hängt auch von diesen Randparametern ab, denn es ist eindeutig erwiesen, dass die Konzentration unter bestimmten Bedingungen nachlässt. Es wird mit mit einem speziellen Computermodell ein Index ausgerechnet, der diese im Schaubild dargestellten Punkte berücksichtigt. Erklären muss ich aber noch die Memory-Funktion im Modell. Diese Funktion weist auf die Witterung draußen hin. Auch hier möchte ich ein Beispiel anfügen, um dies näher zu erläutern. Nehmen wir mal einen warmen Sommertag. Die Klimaanlagen in großen Hotels sind auf eine feste Temperatur eingestellt. Hier merkt man diesen Memory-Effekt am deutlichsten. Wenn man nachmittags bei brütender Hitze in das Hotel kommt, ist es im klimatisierten Raum angenehm. Ganz anders ist dies aber, wenn man am Abend oder in der Nacht in diesem Raum hereinkommt. Dann ist es unangenehm warm, weil das Außenklima wesentlich kühler ist.

Gerade für das Personal ist die menschengerechte Klimatisierung von großer Wichtigkeit. Dazu gehört auch eine Klimatisierung nach der Bekleidung der Benutzer des Raumes, denn dies ist z.B. bei Bussen sehr wichtig, wo man als Fahrgast in den überhitzten Raum kommt im Winter mit Schal und Mantel und so richtig schwitzt. Um nun einen Index zu bilden, kann man zwei Wege nehmen. Der erste ist.ein komplett mathematischer Ansatz, der aber nicht vollziehbar ist. Wir können die Wärmkonvektion von der Haut und die Strahlungsbilanz der Haut wie folgt berechnen: WK=f*A*t*TD, ST=(KW*R)+LW

Darin ist f die Wärmeübergangsgröße, A die Fläche,t die Zeit, TD die Temperaturdifferenz, KW die kurzwellige Strahlungsbilanz, R die Reflexion und LW die langwellige Strahlungsbilanz.

Daraus können Wir die Energiesumme auf der Hautoberfläche Q=ST+KW bilden. Nur diese stimmt absolut nicht aufgrund der Kleidung und anderer schlecht mathematisch zu fassenden Parameter. Des weiteren lässt sich auch die Abkühlung der Haut durch Schweiß nur schlecht simulieren. Auch lassen sich andere Parameter, wie die Memoryfunktion, nur schlecht darstellen. Sicherlich ist es möglich, dies alles mathematisch aufzuschlüsseln, doch würde dies einen Riesenaufwand an Einzelgrößen und Computerkapazität benötigen. Es ist besser einfache Zusammenhänge statistischer Natur zu definieren. Dies habe ich getan und folgende Zusammenhänge aufgestellt, die sich auf Tests mit Bekannten und Verwandten beziehen.

Die Parameter der kurzwelligen Strahlung ist in W/m² angegeben, die Feuchtigkeit in % und die Temperatur in Grad C. Mit diesem simplen Schema lassen sich schon wesentliche Verbesserungen der Klimatisierung erreichen.

Natürlich gilt dieses Schema nur für spezielle Büro- und Verkaufsräume. Mit diesem Schema kann also eine Approximation an die menschliche Temperatur geschafft werden. Nach diesem Schema könnte eine automatische Klimatisierung gestaltet werden. Ich habe neben diesem einfachen statistischen Verfahren noch andere Versionen entwickelt, die noch expliziter vorgehen, doch muss man überlegen, dass alle bisherigen Klimaanlagen keine Temperatur- oder Feuchteänderungen nach menschlichen Bedürfnissen beinhalten. Zudem haben diese Variationen der Parameter positive energetische Effekte, die ich später zeige.

 

Vorstellung eines intelligenten Steuerungssystems

Ich möchte nun einen kleinen Sprung weg von der Berechnung der optimalen Temperatur zur Steuerung machen. Meine Klimaanlagensysteme sollen alle mit einer Computersteuerung versehen werden, um die vielfältigen Möglichkeiten eines Computers zu nutzen. Zwei Grundsätze soll das System vollziehen können: Erstens soll so wenig Energie verbraucht werden wie möglich, trotzdem soll ein wesentlich höherer Komfortstatus erreicht werden als bisher. Um nun auf die allgemeine Steuerung zu kommen, möchte ich noch erwähnen, dass man bei jeder speziellen Anlage wesentliche effektivere Verbesserungen noch anbringen kann. Hier will ich erst einmal die Grundidee darlegen. Normale Klimaanlagen oder Heizungssysteme führen die Anlage nach der Außenwitterung, die durch einen Außentemperaturfühler gekennzeichnet wird.

Ich habe aufgrund meiner meteorologischen Erfahrung Schemata entwickelt, mit denen man mit geringfügig mehr Messtechnik Vorhersagen von klimarelevanten Parametern machen kann. Wenn nämlich bekannt ist, wie die Energiebilanz des zu steuernden Raums in den nächsten 12-24 Stunden und zudem noch die Nutzungsfunktion definiert ist, kann man die Heizungs- oder Kühlmengen einzeln dosieren. Der erste wichtige Parameter, der dem Computersystem immer einzeln definiert sein mus, zeigt die Tabelle Grunddaten: Größe des Raumes in m³, Wandmaterial(Wärmekapazität/Leitfähigkeit), Wanddicke, Wandfläche nach außen, Fensterfläche (Süd/Nord) je nach Anwendung noch einzelne Parameter.

Natürlich erfordert dies etwas mehr an Eingabezeit, doch wird dies ja nur einmal beim Aufbau des Systems eingegeben und läuft dann für immer. Bei dem Parameter der Nutzungsfunktion wird die Raumnutzung in Zeiten angegeben. Man kann einzeln Wochen- und Wochenendtage definieren. Zudem kann man auch spezielle Lüftungsraten fordern in Räumen mit hoher Luftbelastung oder speziellen Emissionen. Mit diesen beiden Grundparametern kann nun schon eine detaillierte Belastungsabschätzung vorgenommen werden. Nun fragen Sie sich sicher, wie die Vorhersage aufgebaut ist. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten, die Temperaturen, Feuchtigkeiten und Strahlungswerte ungefähr zu erfassen. Ich muss aber hier betonen, dass natürlich an keine Wettervorhersage in dem Sinne der Vorhersage einzelner Ereignisse gedacht ist, sondern eher an eine Varianzkurve der Temperatur, Feuchte usw. Die Fehler werden im Mittel bei 2-3 K bei der Temp. liegen. Für ein Heizungs- oder Kühlungssystem reichen diese Daten aber schon für eine deutliche Verbesserung aus. Was für Messinstrumente werden dazu gebraucht? Ich benötige für diese Art der Vorhersage zwei Außentemperaturfühler und einen Feuchteaußenfühler. In dem zu klimatisierenden Raum werden ebenfalls ein Temperatur- und Feuchtefühler installiert. Die beiden Temperaturfühler draußen müssen in zwei verschiedenen Höhen angebracht sein, um verschiedene Parameter zu ermitteln und zu errechnen. Zuerst muss der aktuelle Wetterzustand analysiert werden. Um die aktuelle Bewölkung zu ermitteln, wird folgendes Schema benutzt, was in der nächsten Abbildung gezeigt wird.

(Karsten Brandt, "Neue energiesparende Methoden der Klimatisierung",1991/1992)

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