Klimatechnik: Grundlagen und Anwendungen der Luftkonditionierung

333 Pages·1968·14.96 MB·German

by  Dr.-Ing. Harald Loewer (auth.)

I(limatechnik
Grundlagen und Anwendungen
der Luftkonditionierung
Von
Harald Loewer
Springer-Ver1ag Berlin Heidelberg New York 1968
Dr.-lng. HARALD LOEWER
Beratender Ingenieur VBI
Karlsruhe
Aile Rechte vorbehaiten
Kein Teil dieses Buches dar! ohne die schriftliche Genehmigung'des Springer-Ver/ages
iibersetzt oder in irgendeiner Form vervieifaitigt werden
® by Springer-Verlag, BerlinlHeidelberg 1968
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1968
Library of Congress Catalog Card Number 68-23124
ISBN-13: 978-3-642-95071-1 e-ISBN-13: 978-3-642-95070-4
DOl: 10.1007/978-3-642-95070-4
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichuungen usw. in diesem Buche
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annabme, daB solche Namen im Sinne
der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von
jedermann benutzt werden diirften
Titelnummer 1473
Vorwort
Die Schaffung bestimmter, vom Zustand der Umgebung unabhangiger
klimatischer Verhii.ltnisse innerhalb geschlossener Raume ist heute kein
technisches Problem mehr. Fiir die Klimatisierung stehen mit den tech
nischen Verlahren zur Heizung, Kiihlung, Lufterneuerung, Entstaubung,
Be- und Entfeuchtung ausreichende Mittel und Moglichkeiten zur Ver
fiigung. Wenn die Behaglichkeit in den verschiedensten Aufenthalts
raumen allerdings bislang noch manche Wiinsche offen laBt und instal
lierte klimatechnische Anlagen nicht immer zur Zufriedenheit der Be
nutzer arbeiten, so liegt das vor allem daran, daB die gegebenen Moglich
keiten entweder zu wenig bekannt sind oder nicht richtig eingesetzt
werden.
Mit den steigenden Anforderungen an die KIimatechnik und mit der
wachsenden Bedeutung, die dieses Fachgebiet auch im europaischen
Raum gewonnen hat, hat die Fachliteratur - insbesondere im deutsch
sprachigen Raum - nicht Schritt gehalten. Wichtige und interessante
Veroffentlichungen iiber Einzelprobleme sind nur verstreut in den zahl
reichen Fachzeitschriften zu finden, zusammenfassende Buchveroffent
lichungen befassen sich fast ausschIieBlich mit Teilgebieten der Klima
technik. Es fehlt bislang eine umfassende Gesamtdarstellung, die im
Rahmen eines normalen Fachbuches die Problematik dieses Fachgebietes
aufzeigt und so weit auf Einzelheiten eingeht, wie es zum Verstandnis
der Zusammenhange erlorderlich ist.
Mit dem vorliegenden Buch wird versucht, diese Liicke zu schlieBen.
Es solI sowohl den Studenten als auch den praktisch tatigen lngenieur
in das Fachgebiet "Klimatechnik" einfiihren und ihnen die theoretischen
Grundlagen und praktischen Mittel fUr Projektierung und Bau klima
technischer Anlagen aufzeigen. Dabei wurde besonderer Wert darauf
gelegt, die Klimatechnik als Technik der Luftkonditionierung mit allen
ihren Verlahren insgesamt zu betrachten und abzuhandeln. Dieser For
derung entsprechend wurde der Stoff geordnet und die Kapiteleinteilung
gewahlt.
1m ersten Kapitel werden die wichtigsten theoretischen Grundlagen
der Klimatechnik in einer dem Gesamtumfang des Buches angepaBten
Form dargestellt. Diese Zusammenstellung gibt gleichzeitig einen Dber-
IV Vorwort
blick uber die fUr die Bearbeitung des Fachgebietes "Klimatechnik"
erforderlichen Grundlagenkenntnisse.
Der zweite Abschnitt behandelt die Projektierung klimatechnischer
Anlagen. Dabei werden in erster Linie Berechnungsverfahren angegeben
zur Ermittlung der erforderlichen Anlagenleistungen und zur Dimensio
nierung einzelner Anlagenteile. Daneben werden die allgemein in der
Klimatechnik ublichen Anlagentypen mit ihren besonderen Eigenschaf
ten beschrieben. Auf die fUr die Projektierung klimatechnischer Anlagen
wichtige Frage der Warme-und Kalteversorgung wird ebenfalls in diesem
Abschnitt in allgemeiner Form eingegangen.
Das dritte Kapitel behandelt die Erfordernisse und Anspruche der
wichtigsten und charakteristischen Raum- und Gebaudearten (Wohn
gebaude, Schulen, Krankenhauser, Burogebaude, Fahrzeuge) an die
Klimatechnik. Dabei wird im wesentlichen dem derzeitigen Stand mittel
europaischer Bedurfnisse Rechnung getragen. Spezielle Anlagentypen,
die fUr den Einsatz in einzelnen Gebaudearten entwickelt bzw. hierfur
weiterentwickelt wurden, werden jeweils bei der betreffenden Gebaude
art eingehend beschrieben. Dieser Abschnitt erhebt keinen Anspruch auf
Vollstandigkeit, da die Behandlung einiger wichtiger Einsatzgebiete der
Klimatechnik, insbesondere die Industrieklimatisierung, aus Platz
grunden zunachst zuruckgestellt werden muGte.
Bei der Wahl der Formelzeichen und Einheiten wurde soweit wie
moglich nach den neuesten Normen und internationalen Empfehlungen
verfahren. Beispielsweise erhalt danach bereits die spezifische Enthalpie
das international gebrauchliche Zeichen h (statt i). Die in dem Kapitel
"Theoretische Grundlagen" aufgefUhrten Zahlenwerte werden in den
Dimensionen des internationalen Einheitensystems angegeben. Um den
Dbergang zu diesem zu erleichtern, erscheinen - wo erforderlich - wich
tige Zahlenwerle in den Einheiten dieses Systems und in den bisher
verwendeten (kcal, kp, atm, Torr) nebeneinander. Bei den AusfUhrungen
in den Kapiteln 2 und 3 wird aus praktischen Erwagungen noch dar
auf verzichtet, die Einheiten der internationalen Einheiten einzufuhren.
Hier werden die bisher in der Praxis gebrauchlichen Einheiten weiter
verwendet. Das gilt insbesondere fUr die Einheit Kilokalorie. Eine Ande
rung kann hier erst dann erfolgen, wenn die Einheiten des internationalen
Einheitensystems auch in der Praxis ausreichend bekannt und ein
gefUhrt sind.
Das Buch sollte einen Umfang haben, der eine gute Ausstattung zu
einem nicht zu hohen Preis ermoglicht. Diese Forderung schloG die aus
fUhrliche Behandlung des gesamten einschlagigen Schrifttums von vorn
herein aus. Um dem Leser dennoch ein weitergehendes Studium spezieller
Probleme zu ermoglichen, werden die zusammenfassenden Darstellungen
durch moglichst viele Literaturhinweise erganzt.
Vorwort v
Es wurde versucht, die Beschreibungen von Anlagen und deren Bau
elemente durch eine moglichst groBe Zahl von Abbildungen zu erganzen.
Die dabei verofi"entlichten Darstellungen bestimmter Fabrikate stellen
kein Werturteil iiber diese und gegeniiber anderen Fabrikaten dar. Fiir
die Dberlassung von technischen Unterlagen und Bildvorlagen sei den
betrefi"enden Firmen bestens gedankt.
Besonderer Dank gebuhrt dem Verlag fiir die angenehme Zusammen
arbeit bei der Herstellung des Buches und fur das verstandnisvolle Ein
gehen auf die Wiinsche des Autors.
Kar Isruhe, im April 1968
H.Loewer
Inhaltsverzeichnis
Historische Entwicklung und gegenwartige Bedeutung der KIimatechnik 1
1. Theoretische Grundlagen der Klimatechnik
1.1 Thermodynamische Grundlagen .. ... . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . .. 13
1.11 Die thermischen ZustandsgroBen .............................. 13
1.12 GrundgroBen und abgeleitete GroBen .......................... 16
1.13 Thermodynamik der Gase.. . . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
1.14 Thermodynamik der Dampfe .................................. 22
1.15 Feuchte Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26
1.16 Thermodynamik der Kalteerzeugung ........................... 36
1.17 Warmeiibertragung .......................................... 42
1.18 Verbrennungsprozesse ........................................ 48
1.2 Stromungstechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
1.21 Die reibungsfreie Stromung ................................... 52
1.22 Die Rohrstromung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 54
1.23 DurchfluB durch Drosselgerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59
1.24 AusfluB aus Offnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
1.3 Elektrotechnische Grundlagen ..................................... 62
1.31 Grundgesetze der Elektrotechnik .............................. 62
1.32 Elektrische Kraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
1.33 Elektrische MeBgerate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
1.34 Elektrische Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68
1.35 Der thermoelektrische Effekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
1.4 Schalltechnische Grundlagen ...................................... 71
1.41 Allgemeine Bezeichnungen .................................... 71
1.42 Grundbegriffe der physikaIischen Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 72
1.43 Grundbegriffe der physiologischen Akustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73
1.44 Gerausche in Anlagen der Klimatechnik ........................ 78
1.45 MogIichkeiten des Schallschutzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
1.5 MeBtechnische Grundlagen ........................................ 81
1.51 Temperaturmessung ......................................... 81
1.52 Druckmessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86
1.53 Messung des Luftfeuchtigkeit ................................. 88
1.54 DurchfluBmessung ........................................... 90
1.55 Warmestrommessung ........................................ 94
1.56 Heizwertbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
1.57 Rauchgasanalyse ............................................ 98
1.58 Schallmessung .............................................. 99
Inhaltsverzeichnis VII
1.6 Regelungs- und steuerungstechnische Grundlagen _. ................... 101
1.61 Grundbegriffe der Steuerungs-und Regelungstechnik . . . . . . . . . . . .. 102
1.62 Der Regelkreis und seine Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 104
1.63 Zeitverhalten undArbeitsweise von Regel-und Steuereinrichtungen.. 107
1.7 Meteorologische und klimatische Grundlagen ........................ 110
1.71 Begriffserklarungen .......................................... 110
1.72 Die atmospharische Luft und ihre Zusammensetzung ............. 111
1. 73 Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113
1.74 Die Strahlung ............................................... 118
1.75 Luftdruck und Wind ......................................... 120
1.8 Physiologische und hygienische Grundlagen ......................... 121
1.81 Der Warmehaushalt des menschlichen Korpers .................. 122
1.82 Der EinfluB des thermischen Raumzustandes auf den Menschen ..... 124
1.83 Zusammensetzung der Raumluft ............................ '" 131
2. Berechnung und Entwurf klimatechnischer Anlagen
2.1 Ermittlung der erforderlichen Anlagenleistung ....................... 133
2.11 Berechnung des Warmebedarfs ................................ 134
2.12 Die Kiihllastberechnung ...................................... 140
2.13 Ermittlung des Luftbedarfs ................................... 148
2.2 Klimatisierungsverfahren und Anlagensysteme ....................... 153
2.21 Klimaanlagen ............................................... 157
2.22 Heizungsanlagen ............................................ 164
2.23 Liiftungsanlagen ............................................. 175
2.24 Be- und Entfeuchtungsanlagen ................................ 180
2.25 Warmepumpe ............................................... 182
2.3 Rohrleitungen ................................................... 184
2.31 Druckverlustberechnung und Rohrleitungsdimensionierung ........ 185
2.32 Warmeverluste und Rohrleitungsisolierung ...................... 190
2.33 Rohrwerkstoffe und -bauarten ................................. 195
2.34 Rohrverbindungen ........................................... 198
2.35 Zeichnerische Darstellung und Kennzeichnung von Rohrleitungen.. 201
2.4 Luftverteileinrichtungen........................................... 204
2.41 Ventilatoren ................................................ 204
2.42 Dimensionierung von LuftverteiIungsleitungen .................. 209
2.43 Warmeverluste und Kanalisolierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 216
2.44 Ausfiihrung und Anordnung von Luftkanalen ................... 219
2.45 Luftdurchlasse .............................................. 223
2.46 Luftfilter ................................................... 228
2.5 Warmeversorgung bei klimatechnischen Anlagen ..................... 232
2.51 Warmewirtschaft ............................................ 232
2.52 Warmeerzeugung mit festen, fliissigen und gasfOrmigen Brenn-
stoffe n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 234
2.53 Fernwarmeversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 242
VllI InhaltBverzeichnis
2.6 Kalteversorgung bei klimatechnischen Anlagen ...................... 244
2.61 Verfahren der Luftkiihlung in der Klimatechnik ................. 244
2.62 Kalteerzeugung fUr Klimaanlagen groBer Leistung ............... 247
2.63 Kalteerzeugung fUr Klimaanlagen mittlerer und kleiner Leistung 254
2.64 Fernkii.lteversorgung ......................................... 259
8. Klimatechnische Anlagen in verschiedenen Raum- und Gebiiudearten
3.1 Wohngebaude •.................................................. 261
3.11 Anforderungen an das Wohnraumklima ........................ 261
3.12 Die Beheizung von Wohngebauden ............................ 263
3.13 Regelung der Raumtemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 271
3.14 Die Wohnungsliiftung ........................................ 272
3.2 Schulen ......................................................... 275
3.21 Hygienische Anforderungen an das Raumklima in. Schulen ........ 275
3.22 Die Beheizung von Klassenraumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 278
3.23 Die Liiftung von Klassenraumen .............................. 282
3.24 Klimatechnische Einrichtungen fiir Turn- und Schwimmhallen .... 286
3.3 Krankenanstalten ................................................ 288
3.31 Hygienische und warmephysiologische· Anforderungen an das
Raumklima in Krankenanstalten .............................. 288
3.32 Die Warmeversorgung von Krankenhausern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 290
3.33 Klimatechnische Einrichtungen in Behandlungsraumen . . . . . . . . . .. 292
3.34 Klimatechnische Einrichtungen in Bettenstationen . . . . . . . . . . . . . .. 297
3.4 Biiro-und Geschaftshauser .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 300
3.41 Die Wirtschaftlichkeit der Klimatisierung von Biiro- und
Geschaftshausern ........•.................................. 300
3.42 Anlagensysteme fUr die Biirohausklimatisierung ................. 301
3.43 Klimatechnische Anlagen in Warenhausern und Verkaufsgeschiiften 307
3.44 Lufttiiren ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 309
3.5 Verkehrs- und Transportmittel (Fahrzeuge) .......................... 311
3.51 Klimatisierung von Schienenfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 312
3.52 Klimatechnische Einrichtungen in Kraftfahrzeugen .......••..... 314
3.53 Klimatisierung von Flugzeugen und Schifi"en .................... 316
Allgemeine Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 318
Sachverzeichnis ..................................................... 319
Historische Entwicklung
und gegenwartige Bedeutung der Klimatechnik
Die Klimatechnik umfa13t als technisches Fachgebiet aile bekannten
und zur Anwendung geeigneten technischen Verfahren, die eine Beein
flussung der klimatischen Umgebungszustande durchAnderung von Tem
peratur, Druck, Feuchtigkeit, Geschwindigkeit und Zusammensetzung
der Raumluft und durch Anderung der Temperatur der Raumumgren
zungsflachen ermoglichen. Diese Beeinftussung der klimatischen Um
gebungszustande kann erwiinscht sein, urn entweder ein optimales Wohl
befinden der in einem Raum befindlichen Menschen zu erreichen oder die
Lagerung, Verarbeitung und Untersuchung von Materialien unter be
stimmten Klimabedingungen durchfiihren zu konnen.
Die bekanntesten, das Gesamtgebiet der Klimatechnik heute be
herrschenden Verfahren sincl Heizung, Kiihlung, Liiftung, Entstaubung,
Be- uncl Entfeuchtung. Hierzu gehOren zahlreiche Techniken, clie die
Entwicklung der modernen Klimatechnik wesentlich beeinfluBt haben
und ohne clie keines cler genannten Klimatisierungsverfahren in seiner
heutigen technischen Anwendung vorstellbar ist. Sie sind deshalb, wie die
Thermodynamik, clie Stromungstechnik, die MeBtechnik, die Regelungs
technik uncl clie Akustik, integricrende Bestandteile der moclernen Klim"a
technik geworden, mit denen jeder nicht, nur handwerksmiiBig arbeitende
Klimatechniker vertraut sein mu13.
Die Heizungstechnik stellt in historischer Sicht wohl das bedeutendste
und zeitlich langste Kapitel cler Klimatechnik dar. Der Gebrauch des
Feuers war bereits dem vorgeschichtlichen Menschen bekannt und von
cliesem zur Anlegung von Herdstellen verwendet worden. Bis zum Be
ginn des technischen Zeit alters in der zweiten Halfte des 19. J ahrhunderts
war die Heizung praktisch das einzige bekannte klimatechnische Ver
fahren - von vereinzelten Ausnahmen abgesehen, die Versuche einer
weitergehenden Klimatisierung schon sehr friih erkennen lassen (vgl.
S.4) -, das in einer laufend verbesserten Technik zur Erwarmung cler
menschlichen Behausungen und Wohnungen eingesetzt ~urde.
Bis etwa zum Beginn dieser Zeitrechnung wurde die Heizungstechnik
wesentlich von clem frei brennenden Feuer uncl einer primitivcn Form
der Einzelofenheizung beherrscht. Als der Urahn aller StubenOfen ist
1 Loewcr. Klimatcchnik
2 Historische Entwicklung und gegeml'iirtige Bedeutung der Klimatechnik
dabei der Lehmofen zu betrachten, der in Grabern der Bronzezeit.
(2000 v. Chr.) gefunden wurde. Schon sehr fruh such ten die Menschen
nach einer Heizungsart., die sie von der Belastigung durch Rauch und
Gase befreien konnte. Ergebnisse dieser Bemuhungen waren die ersten
Zentralheizungen, die romische Hypokaustenheizung1 und die chine.
sische Kangheizung. Bei der Hypokaustenheizung (Abb. 1) wurde der
Feuerraum (Fornax) von einem auBerhalb des Hauses gelegenen Heiz·
mum aus geheizt.. Die heiBen Abgase zogen durch einen Kanal in einen
unter dem FuBboden des zu beheizenden Raumes liegenden Hohlraum
(Hypokaustum) und verlieBen an der gegenuberliegenden Seite die An·
lage. Diese fur damalige Begriffe hervorragende Heizungsanlage konnte
als reine FuBbodenheizung und als kom binierte Boden. und Wandheizung
angelegt werden. Sie wurde etwa seit dem 1. Jahrhundert v. Chr. im
romischen Reich und seinen nordlichen Provinzen in verschiedenen Aus·
fuhrungen zur Beheizung von Badehausern, Burgen, Kasernen und Wohn.
hiiusern begut.ert.er Burger eingeset.zt2. - Die chinesische Kangheizung3
war eine der altromischen Hypokaustenheizung ahnliche Feuerungsanlage
mit Vo rfeuerung und groBem W armespeicher. Sie wurde in mehreren Aus
fuhrungsarten bereits einige Jahrhunderte vor Christus im Fernen Osten,
insbesondere in Nordchina und Tibet angewandt. Besonders interessant
ist die Tatsache, daB die Chinesen in Verbindung mit der zentralen WolIn.
raumbeheizung teilweise bereits eine Luftbefeuchtung anwendeten, indem
sie mit Wasser gefullte GefiiBe und Schalen in den Zimmern aufstellten.
Unabhangig von diesen fruhen, auf Einzelfalle beschrankte Anwen·
dungen zentraler Heizungsanlagen blieben Herdfeuer und Einzelofen.
1 Die aus dem Griechischen stammende Bezeichnung Hypokauste setzt sich
zusammen aus hypo = von unten und kauein = brennen. Es bedeutet soviel wie
Heizen von unten her.
2 SEELMEYER, G.: Die Anfiinge der Haustechnik im Altertum. Haustechn.
Rundschau 53 (1954) S. 131-132. - Zur Entwicklungsgescbichte der Heiztechnik
bis 1900. Heiz.-Liift.-Haustechll. 7 (1956), Nr. 4, S. 57-60.
a FABER, A.: Raumheizung im alten China. Ges.-Ing. 64 (1941) S. 512-514.