Autor: Technische Abteilung Mycond
Stellen Sie sich einen heißen Sommertag vor. Sie holen ein Glas kaltes Wasser aus dem Kühlschrank und bemerken nach ein paar Minuten, dass sich auf der Oberfläche des Glases Wassertropfen bilden. Woher kommen sie? Die Antwort liefert die Psychrometrie – die Wissenschaft von den Eigenschaften und dem Verhalten feuchter Luft.
Psychrometrie ist so etwas wie die „Bedienungsanleitung“ für Luft mit Wasserdampf. Für HVAC/HLK-Ingenieur:innen (Heizung, Lüftung, Klimatechnik) ist das Verständnis der Psychrometrie so wichtig wie Mathematik für Buchhalter:innen – sie ist das Fundament des Berufs.
Was ist Psychrometrie und wozu braucht man sie
Psychrometrie ist ein Teilgebiet der Thermodynamik, das die Eigenschaften und das Verhalten feuchter Luft untersucht. Sie hilft Ingenieur:innen, wichtige praktische Aufgaben zu lösen:
- Die Menge des Kondenswassers auf Kälteanlagen eines Supermarkts berechnen
- Die optimale Temperatur und Luftfeuchte für Komfort im Büro bestimmen
- Erklären, warum es im Winter in Wohnungen so trocken ist, dass die Lippen aufreißen
- Schimmelbildung im Bad vorbeugen
- Die Energie für die Luftentfeuchtung in der pharmazeutischen Produktion berechnen
Sieben Schlüsselparameter feuchter Luft
Um den Zustand der Luft vollständig zu beschreiben, braucht man mehrere Kennwerte. Stellen wir uns 1 Kilogramm Luft in einer unsichtbaren Box aus einem typischen Wohnraum vor: Temperatur 21°C, relative Luftfeuchte 50%. Betrachten wir sieben wesentliche Parameter:
1. Trockentemperatur (Dry Bulb Temperature)
Das ist die normale Lufttemperatur, die wir mit einem gewöhnlichen Thermometer messen. Wird mit t oder T bezeichnet, in °C gemessen. Wenn wir sagen „im Raum +21°C“, meinen wir genau die Trockentemperatur. Im psychrometrischen Diagramm ist das die horizontale Achse unten, die Temperatur steigt von links nach rechts. Der Mensch fühlt sich im Winter am wohlsten bei 20–24°C und im Sommer bei 23–26°C.
2. Relative Luftfeuchtigkeit (Relative Humidity)
Das ist der Prozentsatz der maximal möglichen Wassermenge, die die Luft bei der gegebenen Temperatur halten kann. Wichtige Besonderheit – der Wert hängt von der Temperatur ab, daher „relativ“. Bezeichnung RH oder φ, Einheit in %. Komfortbereich – 40–60% RH. Unter 30% ist die Luft zu trocken, was zu trockener Haut und statischer Aufladung führt, über 70% ist sie zu feucht, was Schimmel begünstigt.
3. Feuchtegehalt (Humidity Ratio, Specific Humidity)
Das ist die tatsächliche physikalische Menge an Wasserdampf in Gramm pro Kilogramm trockener Luft. Bezeichnet als d, w oder x, gemessen in g/kg. Anders als die relative Feuchte ist der Feuchtegehalt temperaturunabhängig – er ist eine absolute Größe. In unserem Beispiel: bei 21°C und 50% RH beträgt der Feuchtegehalt 7,8 g/kg. Das heißt, in 1 kg trockener Luft sind 7,8 g Wasserdampf enthalten.
4. Taupunkttemperatur (Dew Point Temperature)
Das ist die Temperatur, auf die die Luft abgekühlt werden muss, damit sie gesättigt ist (100% RH) und Kondensation beginnt. Bezeichnung Td, in °C. In unserem Beispiel: bei 21°C, 50% RH und 7,8 g/кg Feuchtegehalt liegt der Taupunkt bei +10°C. Das bedeutet, dass auf Oberflächen mit +10°C oder kälter Feuchtigkeit kondensiert.
5. Dampfdruck (Vapor Pressure)
Das ist der Partialdruck, den die Wasserdampfmoleküle erzeugen. Bezeichnung pv, gemessen in Pa oder kPa. Jedes Wassermolekül „drückt“ auf die Umgebung – je mehr Moleküle, desto höher der Dampfdruck. In unserem Beispiel: bei 7,8 g/kg Feuchtegehalt beträgt der Dampfdruck etwa 1240 Pa (1,24 kPa). Feuchte wandert vom Bereich hohen Dampfdrucks zum niedrigen, was bei der Planung von Dampfsperren in Gebäuden wichtig ist.
6. Enthalpie (Enthalpy)
Das ist die gesamte Energie der Luft, die sowohl sensible Wärme (der Luft) als auch latente Wärme des verdampften Wassers umfasst. Bezeichnung h oder i, gemessen in kJ/kg. In unserem Beispiel: bei 21°C und 7,8 g/kg Feuchtegehalt beträgt die Enthalpie 41 kJ/kg, davon sensible Wärme ~21 kJ/kg, latente Wärme ~20 kJ/kg.
7. Feuchtkugeltemperatur (Wet Bulb Temperature)
Das ist die Temperatur, die ein Thermometer anzeigt, das mit feuchtem Gewebe umwickelt ist, durch das Luft strömt. Bezeichnung Tw, gemessen in °C. Das Wasser im Gewebe verdunstet, entzieht Wärme und kühlt das Thermometer. Je trockener die Luft, desto intensiver die Verdunstung und desto niedriger die Feuchtkugeltemperatur. In unserem Beispiel: bei Trockentemperatur 21°C und 50% RH beträgt die Feuchtkugeltemperatur 15°C.
Psychrometrisches Diagramm — die Landkarte feuchter Luft
Alle sieben Parameter sind miteinander verknüpft, und das psychrometrische Diagramm (Mollier-Diagramm) ist ein grafisches Werkzeug, das all diese Zusammenhänge gleichzeitig zeigt. Die Grundregel: Wenn Sie zwei beliebige Parameter kennen, können Sie alle anderen bestimmen.
Beispielsweise: kennen wir T=21°C und RH=50%, finden wir im Diagramm den Schnittpunkt und erhalten alle anderen Parameter: Feuchtegehalt d=7,8 g/kg, Taupunkt Td=10°C, Enthalpie h=41 kJ/kg und Feuchtkugeltemperatur Tw=15°C.
Praxisbeispiele für HVAC/HLK-Ingenieur:innen
Beispiel 1: Kühlen und Entfeuchten der Luft
Aufgabe: Außenluft 32°C 70% RH soll auf 18°C gekühlt werden.
Ausgangsparameter: T₁=32°C, RH₁=70%, laut Diagramm d₁=21 g/kg, h₁=85 kJ/kg, Td₁=26°C. Beim Kühlen bewegt sich der Luftzustand im Diagramm zunächst nach unten bis zum Taupunkt (26°C), danach beginnt die Kondensation entlang der 100%-RH-Linie. Am Austritt erhalten wir: d₂=6,5 g/kg, was die Entfernung von 14,5 g Wasser je kg Luft bedeutet.
Bei einem Volumenstrom von 1000 m³/h (≈1200 kg/h) fallen 17,4 l/h Kondensat an, und die Kälteleistung beträgt 21 kW.
Beispiel 2: Warum es im Winter in Wohnungen trocken ist
Im Winter kann es draußen -5°C bei 80% RH haben. Diese Luft enthält nur 2,2 g/kg Wasser. Gelangt sie in die Wohnung und erwärmt sich auf 21°C, bleibt der Feuchtegehalt gleich (2,2 g/kg), aber die relative Feuchte fällt auf 14%. Die Ursache der Trockenheit ist also nicht die niedrige Feuchte draußen (dort sind es hohe 80%), sondern die geringe physikalische Wassermenge in kalter Luft.
Um die Feuchte auf komfortable 45% zu erhöhen, müssen etwa 4,8 g Wasser pro kg Luft zugeführt werden, was bei einer Lüftung von 50 m³/h rund 7 Liter Wasser pro Tag entspricht.
Beispiel 3: Entfeuchtung der Luft mit Desiccant
Für die pharmazeutische Produktion kann Luft mit einem Taupunkt von -10°C bei 21°C erforderlich sein (RH=15%, d=1,6 g/kg). Wenn die Zuluft im Sommer 28°C und 65% RH (d=15,5 g/kg) hat, müssen 13,9 g Wasser aus jedem Kilogramm Luft entfernt werden.
Ein herkömmliches Klimagerät ist dafür ungeeignet, da die Luft zur Erreichung eines so niedrigen Taupunkts auf -10°C gekühlt werden müsste, was zum Vereisen des Wärmetauschers führt. Die Lösung ist der Einsatz eines Desiccant-Entfeuchters, der Taupunkte bis -40°C und darunter erreichen kann.
FAQ — Häufige Fragen
Was ist Psychrometrie in einfachen Worten?
Psychrometrie ist die Lehre von den Eigenschaften feuchter Luft und hilft Ingenieur:innen zu verstehen, wie sich das Gemisch aus Luft und Wasserdampf unter verschiedenen Bedingungen verhält.
Warum zeigt die relative Luftfeuchte nicht die tatsächliche Wassermenge in der Luft?
Die relative Luftfeuchte ist der Sättigungsgrad der Luft mit Wasser bei einer bestimmten Temperatur. Beim Erwärmen kann die Luft mehr Feuchte halten, daher sinkt die relative Feuchte selbst bei unveränderter Wassermenge.
Wie lässt sich der Taupunkt ohne Diagramm schnell bestimmen?
Man kann eine vereinfachte Formel verwenden: Td ≈ T - ((100 - RH) / 5). Zum Beispiel ergibt sich bei T=21°C und RH=50% ein Taupunkt von etwa 21 - ((100-50)/5) = 11°C (der exakte Wert ist +10,2°C).
Was ist der Unterschied zwischen sensibler und latenter Wärme?
Sensible Wärme ist die Energie zur Veränderung der Lufttemperatur. Latente Wärme ist die Energie, die mit dem Phasenwechsel von Wasser (Verdampfung/Kondensation) ohne Temperaturänderung verbunden ist.
Wofür wird die Feuchtkugeltemperatur verwendet?
Sie bestimmt das Potenzial der Verdunstungskühlung und ist die minimale Temperatur, auf die sich Luft durch das Hinzufügen von Feuchtigkeit ohne zusätzliche Energie abkühlen lässt.
Fazit — warum HVAC/HLK-Ingenieur:innen Psychrometrie benötigen
Das Verständnis der Psychrometrie ist für HVAC/HLK-Ingenieur:innen aus vier zentralen Gründen unerlässlich:
- Systemauslegung: Ohne Psychrometrie lassen sich Kälteleistung von Klimageräten, Leistung von Befeuchtern, Leistung von Entfeuchtern und die Parameter von Lüftungssystemen nicht korrekt berechnen.
- Energieeinsparung: Das Diagramm hilft, die optimale Luftbehandlungsstrategie zu bestimmen, Möglichkeiten für Free Cooling zu erkennen und die Effizienz von Wärmerückgewinnung zu bewerten.
- Problemvermeidung: Das Verständnis des Taupunkts verhindert Kondensation in Lüftungsanlagen, das Durchfrieren von Wänden, Schimmelbildung und Korrosion an Geräten.
- Luftqualitätskontrolle: Die richtige Kombination aus Temperatur und Feuchte sorgt für Komfort, Materialerhalt und die Einhaltung technologischer Anforderungen.
Grundregel: Um den Luftzustand vollständig zu bestimmen, müssen mindestens ZWEI Parameter bekannt sein, alle anderen lassen sich aus dem Diagramm ablesen. Die bequemsten Kombinationen: T+RH (am einfachsten messbar), T+Td (am besten zur Kondensationskontrolle), T+d (am besten für Entfeuchtungsberechnungen).
Psychrometrie ist keine abstrakte Theorie, sondern ein tägliches Werkzeug von Ingenieur:innen, das hilft, richtige Entscheidungen zu treffen, Energie zu sparen und komfortable Innenraumbedingungen zu schaffen.
