Prozesse feuchter Luft im h,x-Diagramm: Erwärmen, Kühlen, Befeuchten, Trocknen

Das h,x-Diagramm stellt jeden Zustand feuchter Luft als Punkt und jeden thermodynamischen Prozess als Linie dar. Es gibt vier grundlegende Prozesse, die die Bausteine jeder raumlufttechnischen Anlage bilden – Erwärmen, Kühlen, Befeuchten und Trocknen. Jeder sieht im Diagramm anders aus, ändert andere Größen und hat einen anderen Energiebedarf. Ihre Kombination beschreibt selbst die komplexesten Klimaschemata.

Erwärmung: der einfachste Prozess im Diagramm

Die Erwärmung mit einem Lufterhitzer (elektrische Spirale, Warmwasser- oder Dampfübertrager) ist im h,x-Diagramm eine senkrechte Linie nach oben. Die Temperatur steigt, die Enthalpie steigt, doch der Wassergehalt $x$ bleibt konstant – wir fügen der Luft weder Wasser hinzu noch entziehen wir es. Die Folge ist ein Absinken der relativen Luftfeuchtigkeit, weil die maximale Dampfkapazität der Luft mit der Temperatur steigt und sich die Luft von der Sättigungslinie entfernt. Welche Art der Erwärmung gewählt wird, richtet sich nach den verfügbaren Wärmequellen.

Leistung des Erhitzers:

$$\Phi = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \Delta ϑ \quad \text{[kW]}$$

wobei $\dot{m}$ der Massenstrom [kg/s], $c_{pa} = 1{,}006\ \text{kJ/(kg·K)}$ und $\Delta ϑ$ die Temperaturdifferenz [K] ist. Genauer entspricht die Leistung der Enthalpiedifferenz $\Phi = \dot{m} \cdot \Delta h$.

Typische Anwendungen: Vorerwärmung der Außen-Zuluft im Winter, Nacherwärmung hinter dem Kühler im Sommer.

Kühlung: es kommt darauf an, wo Sie beginnen

Die Kühlung ist nicht das einfache Gegenteil der Erwärmung – das Ergebnis hängt davon ab, ob die Temperatur über oder unter den Taupunkt fällt.

Kühlung über dem Taupunkt (sensible Kühlung)

Fällt die Temperatur nicht unter den Taupunkt, handelt es sich um sensible Kühlung. Im Diagramm eine senkrechte Linie nach unten: Die Temperatur sinkt, $x$ bleibt konstant, die relative Luftfeuchtigkeit steigt (wir nähern uns der Sättigungslinie). Keine Kondensation, kein Feuchteentzug.

Kühlung unter dem Taupunkt (Kühlung mit Entfeuchtung)

Sobald die Temperatur den Taupunkt erreicht, beginnt die Kondensation. Die Luft kühlt weiter entlang der Sättigungslinie ($\varphi = 100\ \%$) ab – Temperatur und Wassergehalt $x$ sinken. Das Kondensat läuft als Wasser aus dem Kühler ab. Genau so arbeitet die übliche Klimaanlage im Sommer.

Die Leistung des Kühlers umfasst einen sensiblen und einen latenten Anteil, weshalb die richtige Größe die Enthalpie ist und nicht die Temperatur:

$$\Phi = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2) \quad \text{[kW]}$$

Befeuchtung: zwei Wege zum selben Ergebnis

Isotherme Befeuchtung (Dampfbefeuchter)

Zufuhr von Wasserdampf bei konstanter Temperatur: im Diagramm eine waagerechte Linie nach rechts: $x$ steigt, die Temperatur bleibt näherungsweise konstant, die Enthalpie steigt. Elektrische oder gasbeheizte Dampfbefeuchter sind energieaufwendiger, aber genau regelbar. Sie eignen sich für Betriebe mit höheren Anforderungen an Reinheit, Hygiene und Genauigkeit.

Adiabate Befeuchtung (Wasserbefeuchter)

Verdunstung von flüssigem Wasser in die Luft ohne äußere Wärmezufuhr: Die Luft bewegt sich entlang der Linie konstanter Enthalpie (schräg nach rechts unten): Die Temperatur sinkt, die Feuchte steigt, die Enthalpie bleibt nahezu konstant. So arbeiten die adiabate Kühlung und der Ultraschallzerstäuber. Die Verdunstungsenergie stammt aus der Wärme der Luft selbst, sodass die adiabate Befeuchtung keine zusätzliche Energie benötigt – im Gegensatz zur isothermen. Ein Vergleich der Methoden im Beitrag Arten der Luftbefeuchtung. Am häufigsten kommt sie in der Industrie zum Einsatz, wo die Randbedingungen es zulassen: wenn weder das Produkt noch der Raum die höhere relative Feuchte der Zuluft stört.

Trocknung: der Entzug von Feuchte aus der Luft

Kondensationstrocknung (durch Kühlung unter den Taupunkt)

Die verbreitetste Methode: Die Luft wird unter den Taupunkt gekühlt, die Feuchte kondensiert und läuft ab, woraufhin die Luft üblicherweise auf die gewünschte Temperatur nacherwärmt wird. Das Ergebnis ist Luft mit der gewünschten Temperatur, aber niedrigerem Wassergehalt (und damit auch niedrigerer relativer Luftfeuchtigkeit). Eingesetzt wird sie vor allem dort, wo die Anforderungen an die Entfeuchtungsleistung gering sind.

Adsorptionstrocknung (mit Sorptionsmittel)

Die Luft strömt durch ein Sorptionsmaterial (Silikagel, Zeolithe), das den Wasserdampf an sich bindet. Im h,x-Diagramm geht die Luft schräg nach links oben, die Feuchte sinkt, doch die Temperatur steigt (die Sorption setzt Wärme frei). Sie ermöglicht sehr niedrige Taupunkte (auch unter −40 °C), die die Kondensationstrocknung wirtschaftlich nicht erreicht. Ausführlich im Beitrag Adsorptionsentfeuchtung. Anwendung findet sie in der Lebensmittelproduktion, der Pharmazie sowie in spezialisierten Fertigungs- und Lagerprozessen.

Mischung von Luftströmen: ein kombinierter Prozess

In der Praxis werden fast immer zwei Ströme gemischt, etwa frische Außenluft mit rezirkulierter Raumluft. Der resultierende Mischzustand liegt auf der Verbindungsgeraden beider Eingangszustände, an der Stelle, die dem Massenverhältnis der Ströme entspricht. Die Mischung von ⅓ Außenluft und ⅔ Raumluft platziert den Ergebnispunkt in einem Abstand von 1/3 vom Raumzustand in Richtung Außenzustand.

Kombinierte Prozesse: ein reales Klimaschema

Die sommerliche Klimatisierung eines Büros sieht im h,x-Diagramm etwa so aus:

1. Mischung – Außenluft (32 °C / 50 % r. F.) wird mit rezirkulierter Luft (26 °C / 55 % r. F.) gemischt.
2. Kühlung mit Entfeuchtung – die Mischung wird unter den Taupunkt gekühlt, etwa auf 12–14 °C / 95 % r. F.
3. Erwärmung – die Luft wird auf die Zulufttemperatur nacherwärmt (16–18 °C), um keine Zugerscheinungen zu erzeugen.
4. Zuluft in den Raum – die Luft nimmt nach und nach die Wärme- und Feuchtelast auf und ändert ihren Zustand zurück zu den Auslegungsbedingungen.

Der gesamte Zyklus ist eine Folge von Linien, die die Zustandspunkte verbinden. Den Auslegungsablauf behandelt ausführlicher der Beitrag Klimaanlage im h,x-Diagramm auslegen.

Häufige Fragen

Warum sinkt bei der Erwärmung die relative Luftfeuchtigkeit, obwohl kein Wasser zugeführt wird? Die Erwärmung erhöht die Dampfkapazität der Luft. Der Wassergehalt (der Wassergehalt $x$) bleibt gleich, doch das Verhältnis zur höheren Kapazität – die relative Luftfeuchtigkeit – sinkt.

Worin unterscheiden sich isotherme und adiabate Befeuchtung? Die isotherme (Dampf-)Befeuchtung fügt Dampf bei konstanter Temperatur hinzu und verbraucht Energie für die Dampferzeugung. Die adiabate (Wasser-)Befeuchtung verdunstet flüssiges Wasser entlang der Linie konstanter Enthalpie – die Luft kühlt sich dabei ab und bezieht die Verdunstungsenergie aus ihrer eigenen Wärme.