Autor Technische Abteilung Mycond
Die Planung von HLK-Systemen steht vor einem grundlegenden ingenieurtechnischen Problem – der Uneindeutigkeit der Feuchteanforderungen für verschiedene Gebäudetypen und Funktionszonen. Dies führt zu erheblichen Fehlern bei der Berechnung von Feuchtelasten, zu einer nicht optimalen Geräteauswahl und zu ineffizienten Betriebsmodi der Systeme. Eine korrekte Normierung der Luftfeuchtigkeit ermöglicht es, sowohl übermäßige Investitionskosten für Entfeuchtungssysteme als auch Betriebsrisiken durch Kondensation, Korrosion von Anlagen und das Wachstum von Mikroorganismen zu vermeiden.
Physikalische Eigenschaften der Luftfeuchtigkeit
Die Luftfeuchtigkeit kann in absoluten und relativen Größen angegeben werden. Absolute Feuchte – das ist die Masse des Wasserdampfs in Gramm pro Kubikmeter Luft (g/m³). Relative Feuchte – das Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfs in der Luft zum Sättigungsdampfdruck bei gegebener Temperatur, ausgedrückt in Prozent (%). Eine Schlüsselerkenntnis: Bei gleicher relativer Feuchte, aber unterschiedlichen Temperaturen unterscheidet sich der absolute Feuchtegehalt der Luft erheblich.
Zur Veranschaulichung der Berechnung des Taupunkts betrachten wir Luft mit einer Temperatur von 24°C und einer relativen Feuchte von 50%. Mithilfe des psychrometrischen Diagramms oder Formeln lässt sich bestimmen, dass der Taupunkt etwa 13°C beträgt. Das bedeutet, dass bei einer Abkühlung der Luft unter 13°C die Kondensation einsetzt. Diese Parameter dienen dem Verständnis der Physik des Prozesses; im realen Projekt werden die tatsächlichen Planungsdaten verwendet.
Der Einfluss der Feuchte auf Materialien variiert je nach deren Beschaffenheit. Hygroskopische Materialien wie Holz ändern ihre Abmessungen und physikalisch-mechanischen Eigenschaften. Aus der Ingenieurpraxis ist bekannt, dass Feuchteschwankungen von 30% bis 70% lineare Dimensionsänderungen von Holz bis zu 2–3% verursachen können – kritisch für Präzisionskonstruktionen. Die exakte Ausprägung hängt von Holzart, Bearbeitungsbedingungen und Anfangsfeuchte ab.
Metalle, insbesondere unlegierte Stähle und einige Buntmetalllegierungen, korrodieren bei erhöhter Luftfeuchte, insbesondere in Gegenwart von Verunreinigungen. Elektronik leidet an zwei Extremen: Hohe Feuchte verursacht Kondensation und Kontaktkorrosion, niedrige Feuchte führt zu statischer Elektrizität und Mikroschlägen, die empfindliche Komponenten schädigen.
Normative Grundlage für die Raumfeuchte
Die wichtigsten Normen, die Anforderungen an die Raumfeuchte regeln, sind EN 16798-1:2019 (europäisch), ASHRAE Standard 55 (US-amerikanisch) und ISO 7730 (international). Diese Dokumente definieren Parameter der Qualität des Innenraumklimas (IEQ) für verschiedene Gebäudetypen.
Gemäß EN 16798-1:2019 werden Räume in vier Qualitätskategorien (I–IV) eingeteilt. Klasse I hat die höchsten Anforderungen an das Raumklima und sieht für den Winter eine relative Feuchte von 30–50% vor. Klasse II erlaubt einen breiteren Bereich. Die Fassung von 2019 unterscheidet sich von der vorherigen durch eine größere Flexibilität der Parameter.
Ein wichtiges Konzept moderner Normen ist der adaptive Komfort, der die saisonale Akklimatisation von Personen berücksichtigt. Zur Veranschaulichung des Temperatureinflusses auf die absolute Feuchte ein Beispiel: Bei 20°C und 50% relativer Feuchte beträgt die absolute Feuchte etwa 8,7 g/m³, bei 25°C mit derselben relativen Feuchte bereits 11,5 g/m³. Das zeigt die Bedeutung der Berücksichtigung der absoluten Feuchte bei der Planung von Lüftungssystemen, insbesondere bei wechselnden Temperaturregimen.
Die Methodik zur Wahl der Auslegungsparameter umfasst statistische Ansätze unter Berücksichtigung von Überschreitungsanteilen. So werden Parameter für Kühlsysteme häufig mit 1% oder 2% Überschreitung gewählt, was bedeutet, dass die realen Bedingungen nur 1–2% der Jahreszeit außerhalb der Auslegung liegen.
Feuchteanforderungen für Gewerbebauten
In der Planungspraxis werden für Büroräume häufig Bereiche der relativen Feuchte von 30–60% im Winter und 40–60% im Sommer betrachtet. Die konkreten Grenzen legt der Planer in Abhängigkeit von normativen Anforderungen, Art des Klimasystems und der Nutzungsspezifik der Räume fest.
Bei niedriger Feuchte (unter 30%) treten in Büros Beschwerden durch trockene Schleimhäute auf; das Risiko statischer Elektrizität steigt, was besonders in Räumen mit viel Computertechnik kritisch ist. Bei hoher Feuchte (über 60%) steigt das Risiko mikrobiellen Wachstums und von Schimmel, insbesondere in Bereichen mit Wärmebrücken.
Zur Veranschaulichung betrachten wir eine beispielhafte Berechnung für ein Büro von 200 m² mit 20 Mitarbeitenden. Bei mittlerer Aktivität gibt jede Person etwa 50–70 g Feuchte pro Stunde ab. Bei Außenluft von 30 m³/h pro Person und einer Differenz der absoluten Feuchte von Innen- zu Außenluft von 2 g/m³ beträgt die Gesamtfeuchtelast etwa 1,2–1,8 kg/h durch Personen und 1,2 kg/h durch die Lüftung. Dieses Beispiel zeigt die Vorgehensweise; die Methodik wird mit realen Projektdaten angewandt.
Für Büros stammt die Hauptlast für Entfeuchtungssysteme oft aus der Außenluft, insbesondere in warm-feuchten Perioden.
Einkaufszentren sind durch eine erhebliche zonale Differenzierung der Feuchteanforderungen gekennzeichnet. Lebensmittelbereiche benötigen eine Kontrolle der Kondensation an kalten Oberflächen von Vitrinen. Die Physik beruht darauf, dass bei Oberflächentemperaturen unterhalb des Taupunkts der Luft Kondensation einsetzt.
Hotels stehen vor der Herausforderung der Feuchtekontrolle in Küchen mit erheblicher prozessbedingter Feuchteabgabe und in Konferenzräumen mit hoher Belegungsdichte. Ein typischer Fehler ist der Einsatz eines einheitlichen Ansatzes für das gesamte Gebäude ohne Berücksichtigung der Funktionszonen.
Feuchteanforderungen für Industrieobjekte
Pharmazeutische Produktionen und Reinräume haben die strengsten Anforderungen an die Feuchtekontrolle. Gemäß GMP Annex 1 (2022) und ISO 14644-1:2015 müssen Räume der Reinheitsklassen ISO 5 und höher stabile Mikroklimaparameter aufweisen. In der pharmazeutischen Praxis sind Toleranzen der relativen Feuchte von ±5% für kritische Prozesse üblich. Die genauen Werte werden vom Planer abhängig vom Prozess und den Produktanforderungen festgelegt.
Die Kritikalität der Feuchtekontrolle in der Pharmazeutik ergibt sich aus der Interaktion mit hygroskopischen Pulvern, der Stabilität Wirkstoffe und der Vermeidung mikrobieller Kontamination.
Zur Veranschaulichung betrachten wir einen beispielhaften Raum von 100 m² mit Reinheitsklasse ISO 6, in dem 45±5% relative Feuchte zu halten sind. Bei einer Luftwechselrate von 20 h⁻¹ und einer Differenz der absoluten Feuchte von 3 g/m³ zwischen Zuluft und Umluft muss das Entfeuchtungssystem etwa 6 kg Feuchte pro Stunde entfernen. Die Rechnung zeigt die Methodik; im Projekt werden alle Daten aus dem Pflichtenheft entnommen.
Die Lebensmittelindustrie hat je nach Technologie unterschiedliche Feuchteanforderungen. Trocknungsbereiche benötigen niedrige Feuchte für eine wirksame Wasserabgabe aus dem Produkt, basierend auf den Partialdrücken des Wasserdampfs. Bäckereien benötigen oft erhöhte Feuchte für bestimmte Prozessschritte.
Lagerbereiche für Lebensmittel brauchen Feuchtekontrolle zur Vermeidung von Verderb. Besonders kritisch sind Kühlräume, in denen das Vereisen von Verdampfern verhindert werden muss – dafür ist die Taupunktberechnung erforderlich.
Die Elektronikindustrie, insbesondere die Halbleiterfertigung, erfordert Feuchtekontrolle für photolithografische Prozesse. Abweichungen von den Normen führen zu wirtschaftlichen Folgen durch Ausschuss. Statische Elektrizität bei niedriger Feuchte kann empfindliche Komponenten schädigen.
Die Textilproduktion benötigt Feuchtekontrolle, da die Fadenreißfestigkeit von der Luftfeuchte abhängt. Holz verarbeitende Betriebe steuern die Feuchte zur Aufrechterhaltung der Gleichgewichtsfeuchte des Holzes.
Feuchteanforderungen für institutionelle Einrichtungen
Krankenhäuser, insbesondere Operationssäle, haben spezifische Feuchteanforderungen. In der Krankenhausplanung werden Bereiche von 40–60% für Standard-OPs und 50–60% für orthopädische OPs angetroffen. Die genauen Werte legt der Planer nach nationalen Normen und OP-Typ fest.
Es gilt, ein Gleichgewicht zu halten: Niedrige Feuchte erhöht das Risiko statischer Elektrizität und der Austrocknung von Patientengewebe, hohe Feuchte begünstigt das Wachstum von Mikroorganismen. Lüftungssysteme in OPs müssen bei hoher Luftwechselrate die vorgegebene Feuchte einhalten.
Zur Veranschaulichung betrachten wir einen OP mit 40 m² und einem Luftvolumenstrom von 1500 m³/h. Bei einer Differenz der absoluten Feuchte von Außen- zu Innenluft von 5 g/m³ beträgt die Feuchtelast durch die Lüftung 7,5 kg/h. Zusätzliche Feuchteabgabe durch das Personal (6 Personen) – etwa 0,5 kg/h.
Bildungseinrichtungen benötigen Feuchtekontrolle zur Sicherung von Komfort und Konzentrationsfähigkeit. Museen und Archive haben spezifische Anforderungen zur Erhaltung von Exponaten. Laut Museums-Konservierung wird für die meisten Papierdokumente und Gemälde eine relative Feuchte von 45–55% empfohlen. Unterschiedliche Exponate haben verschiedene Anforderungen: Metalle werden bei niedriger Feuchte besser erhalten, Holzobjekte bei mittlerer.
Physikalische Degradationsmechanismen umfassen zyklische Materialspannungen bei Feuchteschwankungen sowie Schimmelbildung bei Feuchten über 65–70% in Kombination mit Temperaturen von 20–25°C.
Feuchteanforderungen für Sportstätten
In der Planungspraxis geschlossener Schwimmbäder werden relative Feuchten von 50–65% angetroffen. Die konkreten Werte hängen von der Ausstattung, den normativen Anforderungen und der energetischen Bilanz des Gebäudes ab. Die Verdampfungsphysik von Wasserflächen wird durch die Differenz der Partialdrücke des Wasserdampfs über dem Wasser und in der Luft bestimmt.
Zur Veranschaulichung betrachten wir ein Becken mit 25×12 m, Wassertemperatur 28°C und Lufttemperatur 30°C bei 60% relativer Feuchte. Nach VDI 2089 beträgt die Verdunstung etwa 55–65 kg/h bei inaktivem Betrieb und kann bei aktiver Nutzung auf 150–180 kg/h steigen. Die Methodik wird mit den tatsächlichen Daten des konkreten Projekts angewandt.
Für Schwimmbäder ist die Vermeidung von Kondensation an Bauteilen kritisch – die Oberflächentemperaturen müssen oberhalb des Taupunkts liegen. Hohe Feuchte beschleunigt zudem die Korrosion metallischer Bauteile.
Sporthallen und SPA-Bereiche haben je nach Nutzung unterschiedliche Feuchteparameter. Eishallen erfordern eine besondere Kontrolle, um Kondensation auf der Eisfläche und an tragenden Konstruktionen zu verhindern.
Feuchteanforderungen für Rechenzentren
Gemäß den Empfehlungen der ASHRAE TC 9.9 (2016) sind für Rechenzentren Bereiche der zulässigen und empfohlenen Feuchte festgelegt. Für Geräte der Klasse A1 wird ein Bereich der relativen Feuchte von 20–80% empfohlen.
In der Planungspraxis von Rechenzentren wird häufig der Ansatz verfolgt, die unteren Grenzwerte zu wählen, um Risiken durch Kondensation in Störfällen zu reduzieren. Konkrete Parameter hängen von den Geräteanforderungen und der Risikomanagementstrategie ab.
Hauptprobleme im Zusammenhang mit Feuchte in Rechenzentren: statische Elektrizität bei niedriger Feuchte und Kondensation bei hoher. Diese Faktoren beeinflussen direkt die Zuverlässigkeit der Anlagen und die Kosten der Klimatisierung.
Feuchteanforderungen für Wohngebäude
Für Wohngebäude werden in der Praxis Bereiche der relativen Feuchte von 30–60% betrachtet. Die genauen Werte hängen von nationalen Normen, Klimazone und Saison ab. Der Winter ist durch niedrigere Werte gekennzeichnet – bedingt durch geringen Feuchtegehalt der Außenluft und intensive Beheizung.
Der Einfluss der Feuchte auf die Gesundheit der Bewohner zeigt sich durch das Risiko mikrobiellen Wachstums bei hoher Feuchte und durch Reizungen der Atemwege bei niedriger. Kondensation an kalten Oberflächen (Fenstern, Wänden) entsteht, wenn die Luft unter den Taupunkt abgekühlt wird.
Wesentliche häusliche Feuchtequellen sind: Atmung von Personen (0,05–0,1 kg/h pro Person), Kochen (0,5–1,5 kg/h), Duschen und Baden (0,2–0,5 kg pro Vorgang), Waschen und Trocknen von Wäsche (1–2 kg pro Zyklus).
Methodik zur Berechnung von Feuchtelasten
Bei der Planung von Feuchteregelungssystemen ist eine Hierarchie der Anforderungen einzuhalten: technologische (durch den Prozess definiert), normative (durch Standards festgelegt), Komfort (zur Gewährleistung des Wohlbefindens).
Die Berechnung der Feuchtelasten umfasst folgende Komponenten:
- Feuchteabgabe durch Personen: abhängig von Anzahl der Personen und Aktivität
- Prozessbedingte Feuchteabgaben: abhängig von Verfahren und Anlagen
- Infiltration von Feuchte mit Außenluft: bestimmt durch Differenz der absoluten Feuchte und Luftvolumina
- Verdunstung von feuchten Oberflächen: abhängig von Fläche und Differenz der Partialdrücke
Die Leistung von Entfeuchtungssystemen wird unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren (10–20%) bestimmt, abhängig von der Unsicherheit der Eingangsdaten und der Kritikalität des Raums.
Zonierung und technische Lösungen
Die Prinzipien der Zonierung beruhen auf der Gruppierung von Räumen mit ähnlichen Feuchteanforderungen. Dadurch lassen sich Investitions- und Betriebskosten der Klimasysteme optimieren.
Technische Lösungen zur Feuchtekontrolle umfassen:
- Kondensationsentfeuchtung: wirksam bei hoher Temperatur und Feuchte
- Adsorptionsentfeuchtung: für niedrige Taupunkte
- Kombinierte Systeme: optimieren den Energieverbrauch über einen breiten Bedingungenbereich
Typische Ingenieurfehler
Die häufigsten Fehler bei der Planung von Feuchteregelungssystemen:
- Einsatz universeller Ansätze ohne Berücksichtigung der Raum-Spezifika
- Unterschätzung der Feuchtelasten, insbesondere der prozessbedingten
- Ignorieren der Wechselwirkung zwischen Lüftung und Entfeuchtung
- Falsche Platzierung von Feuchtesensoren, was zu fehlerhaften Messwerten führt
Betriebsfehler umfassen die Nichtberücksichtigung saisonaler Änderungen und eine unprofessionelle Einstellung der Automationssysteme.
Betriebliche Folgen eines gestörten Feuchteregimes
Übermäßige Feuchte führt zu einer Reihe negativer Folgen:
- Kondensation an kalten Oberflächen und in Konstruktionen
- Korrosion metallischer Bauteile und technischer Systeme
- Wachstum von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Schimmel)
- Schäden an Oberflächenmaterialien und Verschlechterung des Erscheinungsbildes
Unzureichende Feuchte hat ebenfalls negative Folgen:
- Unbehagen für Personen (trockene Schleimhäute, Reizung der Atemwege)
- Erhöhtes Risiko statischer Elektrizität, die elektronische Geräte schädigen kann
- Mechanische Materialschäden durch Schwinden und Rissbildung
Wirtschaftliche Folgen umfassen erhöhte Kosten für Reparaturen, den Austausch von Anlagen und die Kompensation von Produktionsausfällen.
Feuchteregelungssysteme und Energieeffizienz
Effektive Feuchteregelungssysteme basieren auf präzisen Sensoren mit regelmäßiger Kalibrierung. Moderne kapazitive Sensoren bieten eine Genauigkeit von ±2–3% relativer Feuchte, was für die meisten Anwendungen ausreicht.
Die Regelung der Feuchte kann nach verschiedenen Algorithmen erfolgen, einschließlich PID-Regelung und Kaskadenregelungen. Wichtig ist die Implementierung von Schutzalgorithmen gegen Kondensation an kritischen Oberflächen.
Ansätze zur Energieeffizienz von Entfeuchtungssystemen umfassen:
- Wärmerückgewinnung aus dem Entfeuchtungsprozess
- Nutzung der Freikühlung in der kalten Jahreszeit
- Optimierung der Betriebsalgorithmen unter Berücksichtigung der Prozessträgheit
Typische Fehler und Irrtümer bei der Feuchtenormierung
Es gibt eine Reihe weit verbreiteter Irrtümer zur Feuchtekontrolle in Gebäuden:
Irrtum 1: "Ein einziger Feuchtebereich passt für alle Räume"
Realität: Unterschiedliche Funktionszonen haben unterschiedliche Anforderungen; ein universeller Ansatz führt zu suboptimalen Lösungen. Was für ein Büro passt, kann für einen Serverraum unzulässig sein.
Irrtum 2: "Temperaturregelung stellt automatisch die Feuchtekontrolle sicher"
Realität: Die relative Feuchte ändert sich mit der Temperatur auch bei konstanter absoluter Feuchte. Kühlsysteme liefern nicht immer ausreichende Entfeuchtung, insbesondere bei Teillast.
Irrtum 3: "Niedrige Feuchte ist für Elektronik immer besser"
Realität: Zu niedrige Feuchte (unter 30%) erhöht die Risiken durch statische Elektrizität.
Irrtum 4: "Ein Feuchtesensor reicht zur Kontrolle eines großen Raums aus"
Realität: In großen oder komplexen Bereichen können Zonen mit unterschiedlichen Feuchteparametern entstehen, die mehrere Messpunkte erfordern.
Fazit
Eine wirksame Feuchtenormierung für verschiedene Gebäudetypen erfordert das Verständnis physikalischer Prozesse, die Berücksichtigung funktionaler Anforderungen und die Anwendung ingenieurtechnischer Berechnungsmethoden.
Zusammenfassung der Grundprinzipien:
- Hierarchie der Anforderungen: technologisch > normativ > komfortbezogen
- Notwendigkeit der Zonierung nach funktionaler Nutzung
- Berücksichtigung aller Feuchtequellen und Transportwege
- Auslegung der Systeme unter realen Randbedingungen
- Sicherstellung hochwertiger Kontrolle und Automatisierung
Praktische Empfehlungen umfassen: sorgfältige Analyse der Eingangsdaten, konservativer Ansatz bei der Lastberechnung für kritische Räume, Vorsehen von Anpassungsmöglichkeiten des Systems bei geänderten Betriebsbedingungen sowie die Ausarbeitung klarer Anweisungen für das Wartungspersonal.
