Funktion eines Klimagerätes

Ein Klimagerät arbeitet im Prinzip ähnlich wie ein Kühlschrank. Es muss allerdings erheblich mehr leisten. Ein handelsübliches Kompaktklimagerät mit einer Kühlleistung von rund 2,5 kW produziert bereits soviel Kälte wie 17 normale Haushaltskühlschränke. Die meisten Kältemaschinen - im Kühlschrank wie in den Klimageräten - arbeiten heute nach dem Kompressionsprinzip.

Obwohl man im Zusammenhang mit Kühl- und Klimageräten allgemein von «Kälteerzeugung» spricht, ist dieser Begriff nicht ganz korrekt. Denn nach den Regeln der Physik wird nicht «Kälte erzeugt», sondern «Wärme entzogen». Das Klimagerät kühlt die Raumluft, indem es ihr Wärme entzieht und diese über den Verflüssiger nach draussen abführt.

Ein Klimagerät besteht aus zwei Einheiten: einer im Freien angebrachten Einheit, dem Verflüssiger, und einer im Raum befindlichen Einheit. Die Aufgabe des Klimagerätes besteht darin, Wärme von einer «Einheit» zur anderen zu transportieren, wobei als «Transportmittel» das sog. Kältemittel dient.

Beim Betrieb der Anlage bringt der Verdichter in der Ausseneinheit das gasförmige Kältemittel auf eine hohe Temperatur und einen hohen Druck. Dieses Gas strömt dann durch die Ausseneinheit, wobei es Wärme abgibt und sich bei hoher Temperatur und hohem Druck verflüssigt. Das flüssige Kältemittel fliesst dann durch Kupferrohre in die Verdampfer-Rohrschlange im Inneren der Luftkühl-Einheit, wo es sich entspannen kann. Bei der plötzlichen Entspannung geht der Druck des Kältemittels schlagartig zurück, es wird gasförmig und kühlt stark ab. Dieses Gas absorbiert dann Wärme aus der Luft, die im Kanalnetz zirkuliert, so dass sich diese ebenfalls abkühlt. Sie kann dann im Gebäude verteilt werden. Das kalte und unter niedrigem Druck stehende Kältemittelgas strömt in den Verdichter zurück und beginnt einen neuen Kreislauf.

Luftkühler gibt es in beweglicher (transportabler) Ausführung, oder sie werden fest an der Wand oder als Konsole installiert. Für die Wahl zwischen den beiden Ausführungen sind folgende Kriterien entscheidend:

• Das Raumvolumen des Bereichs, der klimatisiert werden soll
• Die Nutzungsart dieses Bereichs (Schlafen, Arbeiten, Wohnen)
• Die Sonneneinstrahlung
• Bestimmungen und bautechnische Vorgaben (Kann außen ein Verflüssiger angebracht werden? Ist ein Balkon vorhanden?)
• Anzahl der Tage im Jahr, an denen es wärmer als 27 °C ist
• Anzahl der Menschen, die im Haus wohnen

Wenn Sie beispielsweise nur zu zweit in einem Appartement mitten in Zürich leben, ist eine transportable Ausführung genau richtig für Sie. Sind Sie aber eine vierköpfige Familie, die sich den ganzen Tag über in einem Haus in Locarno aufhält, ist eine fest installierte Klimaanlage die beste Wahl.

Die Klimaanlage sorgt nicht nur für eine kühle Umgebung, sie arbeitet auch sehr effizient als Luftentfeuchter: die warme Luft, die über die Verdampfer-Rohrschlange streicht, kühlt sich ab und kann dann nicht mehr so viel Feuchtigkeit binden. Daher kondensiert ein Teil der Feuchtigkeit an der Aussenseite der Rohre und fliesst durch einen Ablauf ab. Der Vorgang ist der gleiche wie bei der Kondensation von Feuchtigkeit an einem Spiegel wenn Sie sehr warm duschen und die Feuchtigkeit den Spiegel beschlägt.

Die Leistung eines Klimagerätes (nur Kühlung oder Wärmepumpe) kann in drei verschiedenen Einheiten ausgedrückt werden: Watt, kcal/h (Kilokalorien/h)= frig/h (Kälteeinheiten/h) und BTU/h (British Thermal Units/h). Alle beziehen sich auf den gleichen Sachverhalt, nämlich darauf, welche Wärmemenge pro Zeiteinheit erzeugt oder abgeführt wird. Die Werte können ineinander umgerechnet werden: 1 Watt = 3,4 BTU/h; 1 kcal/h oder 1 frig/h = 4 BTU/h.

Zunächst ein kleiner Ausflug in die Dampftechnik: Wenn man Wasser auf einem Herd erhitzt, steigt seine Temperatur bis zum Siedepunkt von rund 100 Grad C. Setzt man die Wärmezufuhr fort, steigt die Temperatur nicht weiter an. Statt dessen bewegt die Wärme, dass sich das Wasser in Dampf umwandelt. Anders ausgedrückt: Das Wasser entzieht seiner Umwelt - in diesem Fall der Herdplatte - während des Verdampfens Wärme.

Es gibt jedoch auch Flüssigkeiten, die einen wesentlich niedrigeren Siedepunkt als Wasser haben. Alkohol beispielsweise siedet bereits bei 67 Grad C. Bei den handelsüblichen Kältemitteln liegt der Siedepunkt sogar bei nur -30 Grad C bis -40 Grad C (bei atmosphärischem Druck). Der jeweils herrschende Druck hat wesentlichen Einfluss auf den Siedepunkt einer Flüssigkeit (So siedet z.B. Wasser im Gebirge, also bei niedrigerem Luftdruck, bereits unter 100 Grad C). Im praktischen Betrieb sind die Druckverhältnisse im Kältekreislauf des Klimagerätes so gewählt, dass die Verdampfungstemperaturen des Kältemittels bei etwa +5 Grad C bis +10 Grad C liegen. Wie zuvor beim Wasser - allerdings auf einem wesentlich tieferen Temperaturniveau - wird auch beim Verdampfen eines Kältemittels der Umgebung Wärme entzogen. Diese stammt jetzt natürlich nicht mehr von einer Herdplatte, sonder von dem Medium, das man kühlen möchte. In unserem Fall ist das die Raumluft.

Um das Kältemittel, nachdem es einmal verdampft ist, wieder weiterverwenden zu können, schickt man es auf eine ziemlich aufwendige Rundreise - Kältekreislauf genannt.

So sieht der vereinfachte Kältekreislauf eines Raumklimagerätes - gezeigt am Beispiel eines Kompaktgerätes für Wandeinbau - aus.

Nachdem es den Verdampfer verlassen hat, wird das dampfförmige Kältemittel vom Verdichter angesaugt. In diesem wird es komprimiert und dadurch stark aufgeheizt. Die nächste Station ist der im Freien befindliche Verflüssiger. Hier wird der heisse Kältemitteldampf mit Hilfe der Aussenluft so weit abgekühlt, dass er kondensiert, d.h. wieder flüssig wird. Die bei dem Abkühlvorgang freiwerdende Wärme wird von der Aussenluft übernommen. Durch den Verdichtungsvorgang steht das Kältemittel immer noch unter hohem Druck. Deshalb befindet sich hinter dem Verflüssiger ein Drosselelement. Dieses verringert den Druck auf das Niveau, das im nachfolgenden Verdampfer herrscht. Dort findet nun die eigentliche Kälteerzeugung statt: Das flüssige Kältemittel verdampft wieder, wobei der umgebenden Luft - wie zuvor beschrieben - Wärme entzogen wird. Diese nunmehr abgekühlte Luft wird vom Ventilator in den zu klimatisierenden Raum geblasen und für das Kältemittel beginnt der Kreislauf nun aufs neue.

Bei Mobil- und Kompaktgeräten befinden sich Verdampfer und Verflüssiger - wie gerade beschrieben - in einem Gehäuse. Bei Splitgeräten sind Verdampfer- und Verflüssigerteil in getrennten Gehäusen untergebracht, die durch Kältemittelleitungen verbunden sind.

Wenn man die Funktionen von Verdampfer und Verflüssiger vertauscht, kann man ein Klimagerät grundsätzlich auch zum Heizen verwenden. Man spricht dann von einer Wärmepumpe. Der im Freien befindliche ursprüngliche Verflüssiger übernimmt nun die Funktion des Verdampfers. Das Kältemittel nimmt hier Wärme aus der Aussenluft auf und transportiert sie zum ehemaligen Verdampfer, der jetzt als Verflüssiger fungiert.

Das Arbeitsprinzip: Der Verdichter saugt dampfförmiges Kältemittel aus dem jetzt im Freien liegenden Verdampfer an, verdichtet und erhitzt es. Der hochtemperierte Dampf gelangt zum Verflüssiger im Haus. Dort wird er durch die kältere Raumluft abgekühlt und kondensiert. Die Raumluft wird dabei erwärmt. Das verflüssigte Kältemittel gelangt über das Drosselelement wieder in den Verdampfer. Die für das Verdampfen benötigte Wärme wird der Aussenluft entzogen. Bei dem hier geschilderten Vorgang wird Wärme von einem niedrigeren Temperaturniveau (Aussenluft) auf eine höheres (Raumluft) «hochgepumpt». Die Funktion der Pumpe übernimmt dabei der Verdichter.

Kältemittel sind Flüssigkeiten mit sehr niedrigem Siedepunkt. Meistens handelt es sich um Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffverbindungen. Seit davon ausgegangen wird, dass FCKW-haltige Kältemittel die Ozonschicht schädigen, werden seitens der Industrie intensive Anstrengungen unternommen, umweltfreundliche Ersatzstoffe zu entwickeln. In Raumklimageräten wird ein H-FCKW 22 verwendet, das nur 5% Ozonabbaupotential gegenüber FCKW hat.

Beim Schlagwort «FCKW-haltige Kältemittel» muss man sich allerdings folgendes vor Augen halten: Das in einem geschlossenen Kältekreislauf zirkulierende Kältemittel ist ungefährlich für die Umwelt. Nu rein Kältemittel, das entweicht, gelangt in die Atmosphäre, etwa durch Undichtigkeiten, bei nicht sachgemäss ausgeführten Reparaturarbeiten oder wenn ein Klimagerät verschrottet wird, ohne zuvor das Kältemittel vorschriftsmässig zu entsorgen.

In ihm spielt sich der eigentliche Kälteerzeugungsprozess ab. Der Verdampfer besteht üblicherweise ähnlich wie ein Luftkühler aus Rippenrohren. Durch die Rohrwindungen strömt das Kältemittel, während die zu kühlende Luft - vom Ventilator des Klimagerätes bewegt - aussen vorbeistreicht. Die Rippen bewirken eine grössere Oberfläche und damit einen besseren Wärmeübergang.

Beim Abkühlen wird der Luft zugleich Feuchtigkeit entzogen. Diese Feuchtigkeit fällt aussen am Verdampfer als Kondenswasser an und muss abgeführt werden. Dies geschieht entweder über einen fest installierten Ablauf oder mit Hilfe eines Sammelbehälters, er in Abständen entleert wird.

Ausser dem hier beschriebenen sogenannten «Direktverdampfer» der die Luft direkt kühlt, gibt es noch den «Kaltwasserkühler»". Hier wird - wie schon der Name sagt - statt Luft Wasser gekühlt, das seinerseits über meist weiter entfernt installierte Luftkühler die Raumluft kühlt.

Im Verflüssiger - auch Kondensator genannt - wird der komprimierte, heisse Kältemitteldampf durch Wärmeaustausch mit der kühleren Aussenluft verflüssigt. Der Verflüssiger ist grundsätzlich wie der Verdampfer aufgebaut. Um den Wärmetausch zu intensivieren, wird die Aussenluft durch ein Gebläse «in Fahrt» gebracht. Auch hier gibt es eine Variante mit Wasserkühlung. Diese Lösung wird z.B. bei Klimageräten gewählt, die in Räumen stehen, welche keine Verbindung zur Aussenluft haben.

Früher wurden bei Klimageräten vorwiegend Verdichter mit Hubkolben verwendet, inzwischen haben sich jedoch allgemein die moderneren Rotationsverdichter durchgesetzt, die im Vergleich zu ihren Vorgängern folgende Vorteile aufweisen: Sie sind unkomplizierter im Aufbau (haben beispielsweise keine Ventile), noch zuverlässiger, noch leiser und schwingungsärmer und verbrauchen weniger Strom.

Moderne Raumklimageräte bieten ein hohes Mass an Bedienungskomfort. Dazu gehört in jedem Fall eine automatische Temperaturregelung, die dafür sorgt, dass die gewünschte Raumtemperatur eingehalten wird. Anspruchsvollere Geräte sind darüber hinaus meistens mit Fernbedienung und programmierbarer Zeitschaltung ausgestattet.

«Ein-/Aus»-Steuerung

Die Raumtemperatur wird mit Hilfe eines Thermostats geregelt. Bei Mobilgeräten oder einfachen Kompaktgeräten misst ein Fühler im Gerät Temperatur der angesaugten Raumluft. Wenn diese über den gewünschten Wert ansteigt, wird automatisch das Kälteaggregat eingeschaltet. Wird der Sollwert unterschritten, schaltet das Aggregat ab. Diese Art der Regelung - im Prinzip wie beim Kühlschrank ist ebenso einfach wie «narrensicher». Eine weitere Verfeinerung der Temperaturregelung kann erzielt werden, wenn man zusätzlich die Ventilatordrehzahl variiert. (Je höher die Drehzahl, um so stärker die Kühlung der Raumluft).

Eine technisch optimale Lösung für Kälteaggregate mit Rollkolben- oder anderen Rotationsverdichtern bietet die sogenannte Inverterregelung. Dabei wird die Verdichterdrehzahl stufenlos exakt der jeweils benötigten Kälteleistung angepasst. Unter Inverterbetrieb versteht man die Beeinflussung der Drehzahl durch Veränderung der normalen Wechselstromfrequenz von 50 Hz. Dazu wird zunächst der Wechselstrom in Gleichstrom verwandelt. Dann wird mit Hilfe von 3-Satz-Ein-/Aus-Schaltern eine neue «Wechselstromwelle» erzeugt, die je nach Leistungsbedarf stufenlos zwischen 30 Hz und 90 Hz verändert werden kann. Die Invertertechnik ermöglicht einen besonders energiesparenden Betrieb. Da sie jedoch relativ aufwendig ist, kommt sie - zumindest vorerst - nur für leistungsstärkere Kälteaggregate in Frage.

Bei Kompakt- und Mobilgeräten sind die Bedienungselemente meistens im Gerät integriert. Neben Ein-/Aus-Schalter, Thermostateinstellung etc. gehört dazu häufig auch eine Schaltuhr, die das Gerät zu einer vorgewählten Zeit ein- oder ausschaltet. Dadurch kann man z.B. an heissen Tagen die Wohnung vorkühlen und betritt, wenn man nach Hause kommt, angenehm temperierte Räume.

Bei Splitgeräten mit fest montiertem Innenteil können die Bedienungs-Elemente auch in einer an der Wand montierten Steuereinheit zusammengefasst werden.

Maximalen Komfort bietet heute die Fernbedienung, die zu vielen anspruchsvollen Raumklimageräten angeboten wird. Sie ermöglicht die Steuerung sämtlicher Funktionen bequem vom Sessel aus.

Damit sich die gekühlte Luft mit der wärmeren Raumluft vermischen kann, muss sie mittels eines Ventilators in Bewegung versetzt werden.

Bei den meisten Klimageräten werden heute leise laufende Tangentiallüfter verwendet. Um die Leistung exakt dosieren zu können, sind die Drehzahlen in mehreren Stufen - bei bestimmten Sonderausführungen sogar stufenlos - einstellbar.

Von wenigen Ausnahmen abgesehen (wie etwa bei Deckeneinbaugeräten) wird die konditionierte Luft vom Klimagerät direkt in den Raum geblasen. Verstellbare Lamellen ermöglichen eine optimale, weitgehend zugfreie Luftverteilung.

Die einzelnen Produkte werden unter Produkte vorgestellt.