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Physikalische Grundlagen

Die uns umgebene trockene Luft besteht aus einem Gemisch verschiedener idealer Gase:

Stickstoff:

78,10 Vol.-%

Sauerstoff:

20,93 Vol.-%

Kohlendioxid:

0,03 Vol.-%

Edelgase:

0,93 Vol.-%

Wasserstoff:

0,01 Vol.-%

Darüber hinaus enthält die Umgebungsluft immer eine variable Menge an Wasserdampf und verschiedene Verunreinigungen in Form von Staub und gasförmigen Verbindungen.

Der Gesamtdruck des Luftgemisches (einschließlich des Wasserdampfes) setzt sich aus der Summe der Partialdrücke der einzelnen Gase zusammen (Gesetz von Dalton).

Jede Flüssigkeit steht unter ihrem Gasdruck. Deshalb wird auch unterhalb des Siedepunktes immer eine gewisse Menge Wasser verdampfen und als gasförmiger Bestandteil in der Luft enthalten sein. Die in der Luft enthaltene Menge am Wasserdampf wird auch als absolute Feuchte x bezeichnet und in g/kg oder g/m3 trockene Luft angegeben.

Die von der Luft aufnehmbare Wassermenge ist hauptsächlich von der Temperatur abhängig. Ist der maximale Wert erreicht, dann bezeichnet man die Luft als gesättigt. Der exponentielle Zusammenhang zwischen Temperatur und maximalem Wasserinhalt (x = f(T)) wird durch die Sättigungslinie beschrieben (siehe auch hx-Diagramm). Darüber hinaus hängt die in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge auch vom Luftdruck und somit von der Höhenlage des Standortes ab.

Die Temperatur der mit Wasserdampf gesättigten Luft wird als Taupunkttemperatur bezeichnet. Kühlt man Luft auf ihre Taupunkttemperatur oder darunter ab, so muss zwangsläufig Wasser in Form von Tauwasser (an kalten Flächen) oder fein in der Luft verteilt als Nebel (bei Luftmischung) austreten. In Gebäuden ist es deshalb besonders wichtig, eine ständige Taupunktunterschreitung an bestimmten gefährdeten Stellen (konstruktiv bedingte Wärmebrücken) zu vermeiden, um Bauschäden durch Schimmelpilzbildung mit allen gesundheitlichen Folgen zu verhindern. Bei der Kondensation von Wasserdampf wird die selbe Wärmemenge wieder frei, die vorher zur Verdampfung aufgewendet wurde (Verdampfungswärme).

Der Anteil der maximal möglichen Wasserdampfmenge, die die Luft bei einer gegebenen Temperatur enthält, wird als relative Feuchte (in % rF) angegeben. Sie ist dem Partialdruck des Wasserdampfes proportional. Bei einer relativen Feuchte von 50 % bedeutet das, dass die Luft nur die Hälfte des maximal möglichen Wassergehalts enthält. Im Sättigungsfall beträgt die relative Feuchte 100 %.

Der Wärmeinhalt des Luft-Wasserdampfgemisches, der auch Enthalpie genannt wird, ergibt sich aus den drei Teilbeträgen:

Sensible Wärme der Luft:

HL = mL • cpL • ΔT

Sensible Wärme des Wasserdampfes:

HD = x • cpD • ΔT

Latente Wärme des Wasserdampfes:

HW = x • r

Bezieht man den Wärmeinhalt auf 1 kg trockene Luft und 0 °C, so erhält man für die spezifische Enthalpie h [kJ/kg trockene Luft]:

h = cpL • t + x • (cpD • t + r)

Hierin bedeuten

mL:

Masse der Luft [kg]

x:

Masse des Wasserdampfes [kg]

cpL:

spezifische Wärme von Luft [kJ/(kg•K)]

cpD:

 spezifische Wärme von Wasserdampf [kJ/(kg•K)]

ΔT:

Temperaturdifferenz [K]

t:

Lufttemperatur [°C]

r:

Verdampfungswärme des Wassers [kJ/kg]

In der Größe der Enthalpie machen sich alle Zustandsänderungen der Luft (Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten, Luftmischung und Taupunktsveränderungen) bemerkbar. Sie ist deshalb eine wichtige Definitionsgröße bei der Bemessung und im Betrieb von HLK-Anlagen.

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