Luftkühlung im RLT-Gerät: Kühlleistung und Entfeuchtung berechnen

Der Kühler in einem RLT-Gerät kühlt die Zuluft unter den Taupunkt – er kondensiert die überschüssige Feuchte und führt sie als Kondensat ab. Die gesamte Kühlleistung ist die Summe aus sensibler und latenter Wärme: $\Phi_c = \dot{m} \cdot (h_1 - h_2)$, wobei $h_1$ und $h_2$ die Enthalpie der Luft vor und hinter dem Kühler sind.

Prinzip der Kühlung mit Entfeuchtung

Die Luft tritt mit der Temperatur $ϑ_{1}$ und der relativen Luftfeuchtigkeit $\varphi_1$ in den Kühler ein. Der Kühler kühlt sie über den Taupunkt ($ϑ_{τ}$) bis auf die Austrittstemperatur $ϑ_{2}$:

1. Sensible Kühlung – Absinken der Temperatur ohne Änderung der Feuchte, bis die Luft den Taupunkt erreicht
2. Latente Kühlung (Entfeuchtung) – unterhalb des Taupunkts kondensiert der Wasserdampf, der Wassergehalt $x$ sinkt
3. Austrittszustand – die Luft verlässt den Kühler gesättigt ($\varphi_2 \approx 95\text{–}100\ \%$) oder wird anschließend auf die gewünschte Temperatur nacherwärmt

Prinzip der Kühlung ohne Entfeuchtung

Bleibt die Austrittstemperatur $ϑ_{2}$ über der Taupunkttemperatur, findet keine Kondensation statt – die Luft wird nur abgekühlt.

1. Sensible Kühlung – Absinken der Temperatur ohne Änderung der Feuchte, bis die Luft den Taupunkt erreicht
2. Austrittszustand – die Luft verlässt den Kühler stärker gesättigt als beim Eintritt

Berechnung der Kühlleistung

Gesamte Kühlleistung

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

wobei $\dot{m}$ der Luftmassenstrom [kg/s] ist.

Sensibler Leistungsanteil

$$\Phi_s = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (ϑ_{1} - ϑ_{2}) \approx \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot (ϑ_{1} - ϑ_{2}) \quad \text{[kW]}$$

Latenter Leistungsanteil (Entfeuchtung)

$$\Phi_{lat} = \dot{m} \cdot r_0 \cdot (x_1 - x_2) \approx \dot{m} \cdot 2501 \cdot (x_1 - x_2) \quad \text{[kW]}$$

wobei $r_0 = 2501\ \text{kJ/kg}$ die Verdampfungswärme des Wassers bei 0 °C ist.

Kondensatstrom

$$q_{\text{Kond}} = \dot{m} \cdot (x_1 - x_2)\ \text{[kg/s]} = \dot{m} \cdot (x_1 - x_2) \cdot 3600\ \text{[l/h]}$$

Rechenbeispiel

Aufgabe: RLT-Gerät, Volumenstrom 3000 m³/h, Eintritt in den Kühler: $ϑ_{1}$ = 32 °C, $φ_1$ = 55 %, Austritt: $ϑ_{2}$ = 14 °C, $φ_2$ = 95 %.

Psychrometrische Werte:

• Luftdichte: $\rho \approx 1{,}145\ \text{kg/m}^3$ → $\dot{m} = \frac{3000}{3600} \cdot 1{,}145 = \mathbf{0{,}955}\ \textbf{kg/s}$
• $h_1$ (32 °C, φ 55 %): $\approx \mathbf{74{,}6}\ \textbf{kJ/kg}$
• $h_2$ (14 °C, φ 95 %): $\approx \mathbf{38{,}1}\ \textbf{kJ/kg}$
• $x_1 \approx 16{,}6\ \text{g/kg}$, $x_2 \approx 9{,}5\ \text{g/kg}$

Ergebnisse:

• Gesamtleistung: $\Phi_c = 0{,}955 \cdot (74{,}6 - 38{,}1) = \mathbf{34{,}9}\ \textbf{kW}$
• Sensible Leistung: $\Phi_s = 0{,}955 \cdot 1{,}006 \cdot (32 - 14) = \mathbf{17{,}3}\ \textbf{kW}$
• Latente Leistung: $\Phi_{lat} = 0{,}955 \cdot 2501 \cdot \dfrac{16{,}6 - 9{,}5}{1000} = \mathbf{17{,}0}\ \textbf{kW}$
• Kondensat: $0{,}955 \cdot \dfrac{7{,}1}{1000} \cdot 3600 = \mathbf{24{,}4}\ \textbf{l/h}$

Sensible-Wärme-Verhältnis (SHR)

Das SHR (Sensible Heat Ratio) gibt an, welchen Anteil der gesamten Kühlleistung die sensible Kühlung ausmacht:

$$\text{SHR} = \frac{\Phi_s}{\Phi_c} = \frac{17{,}3}{34{,}9} = \mathbf{0{,}50}$$

Typische Werte:

• Büros: SHR = 0,75–0,85 (geringe innere Produktion latenter Wärme)
• Restaurants, Schwimmbäder: SHR = 0,45–0,65
• Tropisches Klima: SHR = 0,50–0,65

Temperatur hinter dem Kühler (Bypass-Faktor)

Ein realer Kühler kühlt nie die gesamte Luft exakt auf die Oberflächentemperatur des Übertragers. Der Bypass-Faktor (BF) = der Anteil der Luft, der den Kühler ohne Kontakt durchströmt:

$$ϑ_{2} = ϑ_{\text{ADP}} + \text{BF} \cdot (ϑ_{1} - ϑ_{\text{ADP}})$$

wobei $ϑ_{\text{ADP}}$ die Temperatur des Apparatetaupunkts (Apparatus Dew Point) ist – die Oberflächentemperatur des Übertragers.

Der BF für einen Lamellenübertrager liegt typischerweise bei 0,05–0,15. Im Mollier-Diagramm gilt, dass der Austrittszustand der Luft auf der Verbindungsgeraden von Zustand $ϑ_{1}$, $\varphi_1$ zur Sättigungslinie liegt – der Abstand entspricht dem BF.

Kühlung im Mollier-Diagramm

Im h,x-Diagramm:

1. Zeichnen Sie den Eintrittszustand der Luft (Punkt 1)
2. Ziehen Sie eine Gerade nach links zur Sättigungslinie – Punkt 2’ ist der ideale Austritt (BF = 0)
3. Der tatsächliche Austritt (Punkt 2) liegt auf der Strecke 1–2’ im Abstand BF von der Sättigungslinie

Die Konstruktion lässt sich auch von Hand durchgehen – auf einem leeren Blatt zum Ausdrucken ist die Sättigungslinie mit 0,5 mm gezeichnet, sodass man sie mit dem Lineal gut trifft. PsychroView führt diese Berechnung nach Eingabe des Eintrittszustands und der Austrittstemperatur oder -enthalpie automatisch durch.

Häufige Fragen

Wie ermittle ich die benötigte Kühlleistung? Die Kühlleistung ergibt sich aus den Wärmegewinnen des Raums (Sonne, Personen, Leuchten, Technik) plus der über die Lüftung zugeführten Wärme. Für ein Standardbüro rechnen Sie mit 60–100 W/m² Gesamtkühlleistung.

Warum bildet der Austritt des Kühlers gesättigte Luft? Der Kühler kühlt die Luft unter den Taupunkt – er kondensiert Feuchte, und die Luft nähert sich der Sättigung. Hinter dem Kühler ist die Luft typischerweise bei φ = 90–100 % und verhältnismäßig kalt (12–16 °C), weshalb hinter dem Kühler üblicherweise ein Nacherhitzer angeordnet wird.

Was sind ein Chilled-Water-Register und ein DX-Register? Chilled-Water-Register (Kaltwasserregister, CW) – durch die Lamellen strömt kaltes Wasser (typischerweise +6/+12 °C) aus einer zentralen Kältequelle (Kaltwassersatz). DX-Register (Direktverdampfer, direct expansion) – in den Lamellen verdampft das Kältemittel direkt aus der Verdichtereinheit.