Das Eindringen von Umgebungsluft berechnen: Die Gleichung hinter dem thermischen Zug von Monoblock-Klimageräten

Die meisten Testberichte zu portablen Klimageräten konzentrieren sich auf BTU-Werte und Dezibelpegel. Weit seltener wird die Wärme thematisiert, die ungebeten in den Raum zurückkehrt — die thermische Einbuße, die das Eindringen des thermischen Zugs bei Monoblock-Klimageräten jedem in Betrieb befindlichen Einschlauchgerät auferlegt. Dies ist kein Konstruktionsfehler, den Ingenieure übersehen haben; es ist die unvermeidliche Folge davon, Raumluft nach draußen abzuführen, und der Physik, die daraus folgt. Handhabbar wird es dadurch, dass es mathematisch vorhersagbar und damit messbar, sichtbar und reduzierbar ist.

Dieser Artikel entwickelt die vollständige Gleichung für die Infiltrationswärmelast Schritt für Schritt: die sensible Komponente, die mit der Temperaturdifferenz steigt, die latente Komponente, die mit der Außenluftfeuchte steigt, und die kombinierte Summe, gegen die der Verdichter arbeiten muss, bevor überhaupt eine Netto-Raumkühlung erreicht wird. Die Zahlen stützen sich auf reale europäische sommerliche psychrometrische Bedingungen und stimmen mit den Werten überein, die in veröffentlichten Herstellerspezifikationen und in EU-EPREL-Einträgen angegeben werden.

Was ist das Eindringen des thermischen Zugs bei Monoblock-Klimageräten?

Das Eindringen des thermischen Zugs bei Monoblock-Klimageräten ist die gesamte Wärmelast, die durch infiltrierende Außenluft in einen Raum getragen wird, welche angesaugt wird, um die vom Abluftventilator eines portablen Einschlauchgeräts abgeführte Luft zu ersetzen. Es umfasst zwei Komponenten: sensible Wärme (die Last, die mit der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenluft verbunden ist) und latente Wärme (die Last, die mit dem höheren Feuchtegehalt der sommerlichen Außenluft verbunden ist). Beide müssen von der Verdampferbatterie entfernt werden, was den Anteil der für die tatsächliche Absenkung der Raumtemperatur verfügbaren Kühlleistung verringert.

Das Wort Monoblock (ein Gerät mit einem einzigen Gehäuse, das Verdichter, Verflüssiger, Verdampfer und Ventilatoren in einem portablen Gehäuse vereint) ist hier wichtig, weil sich der Abluftventilator innerhalb des Luftvolumens des Raums befindet. Jeder Kubikmeter pro Stunde, den der Abluftventilator nach draußen abführt, ist ein Kubikmeter pro Stunde an Infiltrationspotenzial, das der Unterdruck im Raum in einen tatsächlichen einwärts gerichteten Luftstrom durch alle vorhandenen Undichtigkeiten in der Gebäudehülle umwandelt.

Wie lautet die Gleichung zur Berechnung der Infiltrationswärmelast?

Die gesamte Infiltrationswärmelast teilt sich in zwei Terme auf. Sensible Last: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, wobei ρ die Luftdichte (1.2 kg/m³), V die volumetrische Infiltrationsrate in m³/s, Cp die spezifische Wärmekapazität der Luft bei konstantem Druck (1,005 J/(kg·K)) und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen außen und innen in Kelvin ist. Latente Last: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, wobei h_fg die latente Verdampfungswärme von Wasser (etwa 2,500 kJ/kg bei 25°C) und Δω die Differenz des Feuchtegehalts zwischen Außen- und Innenluft in kg Wasser pro kg trockener Luft ist.

Der Feuchtegehalt ω (auch spezifische Feuchte oder Mischungsverhältnis genannt) kann psychrometrischen Tabellen entnommen oder als ω = 0.622 × p_v / (p_atm − p_v) berechnet werden, wobei p_v der Partialdruck des Wasserdampfs und p_atm der atmosphärische Druck (101.325 kPa) ist. Bei 35°C und 60 Prozent relativer Luftfeuchte beträgt ω etwa 0.0215 kg/kg (21.5 Gramm Wasser pro Kilogramm trockener Luft). Bei 22°C und 50 Prozent relativer Luftfeuchte beträgt ω etwa 0.0083 kg/kg. Die Differenz, Δω = 0.0132 kg/kg, ist die Feuchtigkeit, die der Verdampfer aus jedem Kilogramm infiltrierender Luft kondensieren und ableiten muss.

Rechenbeispiel: ein Einschlauchgerät, das an einem Nachmittag mit 35°C und 60 Prozent relativer Luftfeuchte gegenüber einem Innenraum-Sollwert von 22°C einen Infiltrationsluftstrom von 50 m³/h (0.01389 m³/s) erzeugt. Luftmassenstrom = 1.2 × 0.01389 = 0.01667 kg/s. Sensible Last: Q_s = 0.01667 × 1,005 × 13 = 218 W. Latente Last: Q_l = 0.01667 × 2,500,000 × 0.0132 = 550 W. Gesamte Infiltrationslast: 768 W. Gegenüber einem Gerät mit einer Nennkühlleistung von 2,500 W (etwa 8,530 BTU/h) entspricht dies 30.7 Prozent der Gesamtleistung, die durch selbst erzeugte Infiltration verbraucht werden, bevor überhaupt eine Netto-Raumkühlung beginnt.

Wie verändert sich die Infiltrationswärmelast bei verschiedenen europäischen Sommerbedingungen?

Die gesamte Infiltrationslast reagiert sehr empfindlich sowohl auf die Außenluftfeuchte als auch auf die Temperatur, weil die latente Komponente die sensible Komponente bei typischen europäischen Sommerbedingungen häufig übersteigt. Bei 30°C und 55 Prozent relativer Luftfeuchte trägt eine Infiltration von 40 m³/h eine moderate kombinierte Last. Bei 38°C und 65 Prozent relativer Luftfeuchte verdreifacht sich die Last bei derselben Infiltrationsrate nahezu, wobei die latente Komponente nun über 70 Prozent der Gesamtlast ausmacht. Dies erklärt, warum feuchte europäische Küstenstädte bei gleicher Lufttemperatur eine schlechtere Leistung von Einschlauchgeräten erleben als trockene Standorte im Binnenland.

Die Zeile mit 80 m³/h steht für einen Monoblock, der nahe seiner maximalen Abluftventilatordrehzahl in einem Raum läuft, in dem die Infiltration eng der Abluftrate folgt — ein Szenario, das in älteren Gebäuden mit undichten Schiebefenstern, Briefkastenschlitzen und fugenanfälligem Bodenaufbau häufig ist. Unter diesen Bedingungen an einem Tag mit 35°C wird fast die Hälfte der Geräteleistung durch die selbst erzeugte Infiltrationslast verbraucht, sodass die verbleibenden 50 Prozent für die tatsächliche Raumkühlung übrig bleiben.

Warum die latente Komponente oberhalb von 33°C der dominierende Term ist

Die latente Verdampfungswärme von Wasser (etwa 2,500 kJ/kg) ist 2,488-mal größer als die spezifische Wärmekapazität der Luft (1.005 kJ/(kg·K) pro Grad). Das bedeutet, dass die Differenz des Feuchtegehalts Δω, die nötig ist, damit Q_l gleich Q_s wird, nur ΔT / 2,488 kg/kg beträgt — ein unglaublich kleiner Feuchteunterschied. Bei 35°C außen und 22°C innen (ΔT = 13°C) ist Q_l gleich Q_s, wenn Δω = 0.0052 kg/kg. Reale europäische Sommerbedingungen erzeugen regelmäßig ein Δω von 0.010 bis 0.020 kg/kg, was bedeutet, dass die latente Last an feuchten Sommertagen typischerweise das Zwei- bis Vierfache der sensiblen Last beträgt. Ein Klimagerät, das bei der sensiblen Kühlung hervorragend ist, dessen Kondensatwanne aber die Kondensatrate aus hoher Infiltration nicht bewältigen kann, wird eine Leistungsminderung zeigen oder abschalten, wenn der Verdampfer vereist.

Bei welcher Infiltrationsrate hört ein Monoblock-Gerät auf, effektiv zu kühlen?

Der Netto-Kühlnutzen eines Monoblock-Geräts — die an den Raum abgegebene Kühlung abzüglich der von ihm erzeugten Infiltrationslast — nähert sich null, wenn die Infiltrationswärmelast der Nennleistung des Geräts entspricht. Für ein 2,500-W-Gerät bei 38°C und 65 Prozent relativer Luftfeuchte tritt der Übergangspunkt bei etwa 118 m³/h Infiltration ein. Das erscheint zwar hoch, ist aber in einem kleinen, sehr undichten Raum (unter 15 m²) mit vollständig geöffnetem Lüftungsschlitz und einem undichten Türspalt erreichbar — Bedingungen, die im älteren europäischen Gebäudebestand nicht ungewöhnlich sind.

Das praktisch relevantere Problem ist die teilweise Leistungsminderung. Ein Gerät, das aufgrund der Infiltrationslast nur 50 bis 60 Prozent seiner Nennleistung liefert, wird augenscheinlich funktionieren — der Temperaturfühler zeigt Taktung an —, doch die Raumtemperatur steigt an heißen Nachmittagen eher, als dass sie sinkt, weil die Netto-Kühlung nicht ausreicht, um den gesamten Wärmeeintrag aus Umgebung und Sonneneinstrahlung zu überwinden, der durch die Gebäudesubstanz eindringt.

• Dichten Sie zuerst den Spalt an der Türschwelle ab — dies verringert die Infiltration typischerweise um 30 bis 50 Prozent und reduziert sowohl die sensible als auch die latente Eintragslast unmittelbar.
• Schließen Sie Lüftungsschlitze, während das Klimagerät läuft. Öffnen Sie sie nachts wieder, wenn die Außentemperaturen unter den Innenraum-Sollwert fallen.
• Rechnen Sie bei einer Außenluftfeuchte über 60 Prozent damit, dass die latente Komponente der Infiltrationswärmelast der dominierende Term ist — die Auslegung von Kondensatwanne und Kondensatpumpe des Geräts muss dies berücksichtigen.
• In Räumen unter 12 m² können selbst moderate Infiltrationsraten (30–40 m³/h) bei sommerlichen Spitzenbedingungen 20 Prozent der Leistung eines kleinen Geräts überschreiten.
• Messen Sie nach dem Abdichten die Rate des Raumtemperaturabfalls erneut: eine Verbesserung um 20 bis 30 Prozent zeigt eine erfolgreiche Reduzierung der Infiltration an.

Nutzerberichte auf r/airconditioning beschreiben häufig das Phänomen eines Raums, der über Nacht ausreichend abkühlt, dessen Temperatur aber im Laufe des Nachmittags stetig steigt, obwohl das Klimagerät ununterbrochen läuft — im Einklang mit einem Gerät, dessen Netto-Kühlung (Nennleistung abzüglich Infiltrationslast) unter moderaten Bedingungen geringfügig positiv ist, aber negativ wird, sobald Außentemperatur und Luftfeuchte gleichzeitig ihren Höchststand erreichen.

Wie unterscheidet sich die Infiltrationslast zwischen den verschiedenen Typen portabler Geräte?

Die Gleichung der Infiltrationswärmelast gilt nur für Geräte, die Raumluft abführen. Ein Doppelschlauch-Monoblock zieht seine Verflüssigerluft durch einen dedizierten Ansaugkanal statt aus dem Raum, wodurch der Netto-Unterdruck verringert (aber nicht beseitigt) und die Infiltration unter denselben Bedingungen auf 5 bis 15 Prozent der Kühlleistung reduziert wird. Ein mobiles Split-Gerät führt überhaupt keine Raumluft ab, sodass die Infiltrationslast-Terme Q_s und Q_l beide gleich null sind; die Gleichungen werden irrelevant, und die volle Nennleistung steht für die Raumkühlung zur Verfügung.

Dieser strukturelle Unterschied erklärt, warum Leistungsvergleiche zwischen Einschlauch- und mobilen Split-Geräten anhand der auf dem Typenschild angegebenen BTU-Werte irreführend sind. Ein mobiles Split-Gerät mit 9,000 BTU und ein Einschlauchgerät mit 9,000 BTU sind bei Außentemperaturen über 30°C funktional unterschiedliche Produkte: Das Split-Gerät liefert rund 8,500 BTU an Netto-Raumkühlung, während das Einschlauchgerät je nach Raumabdichtung 5,500 bis 7,000 BTU liefern kann. Die Gleichung quantifiziert diesen Abstand präzise, statt ihn als vagen Eindruck einer Minderleistung stehen zu lassen.

Mobile Split-Geräte, die das Eindringen des thermischen Zugs bei Monoblock-Klimageräten vollständig beseitigen, sind während europäischer Hitzewellen die gefragtesten Geräte — und folglich die ersten, die vergriffen sind. Für Käufer, die die Infiltrationsgleichung verstehen, ist es wichtig, dem Nachschub zuvorzukommen: Es ist der Unterschied zwischen dem Kauf des Geräts, das das Problem löst, und einem weiteren Sommer, in dem man die Folgen eines Geräts bewältigt, das es nicht löst.