Mobile Klimaanlage: Funktionsweise

Das Abkühlen von Raumluft kann über fest installierte oder mobile Klimaanlagen durchgeführt werden. Dabei sind die kleinen Klimageräte auf Grund ihrer einfachen Installation und geringen Anschaffungskosten besonders im privaten Bereich sehr beliebt.

Die Abkühlung mit einer mobilen Klimaanlage erfolgt über ein Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf. Ein Kompressor verdichtet das Gas, das sich dabei erwärmt. Diese Hitze wird nach außen abgeführt und anschließend das Kühlmittel durch Expansion stark abkühlt. Im letzten Schritt wird diese Kälte an die Raumluft abgegeben.

Das Verständnis für den Aufbau und die genaue Funktionsweise ist notwendig, um beim Kauf das geeignete Gerät zu wählen und beim Aufbau nicht überrascht zu werden.

So können das Ausleeren des Kondenswassers und die Installation von Abluftschläuchen unterschätzt oder gar übersehen werden.

Mobiles Klimagerät: Kühlschrankfunktion

Der Aufbau einer mobilen Klimaanlage folgt dem Kompressorprinzp mit einem Kühlmittel.

Die Funktionsweise ist identisch mit der Technik in einem Kühlschrank. Jedoch wird bei einem Kühlschrank die erzeugte Wärme in den Raum abgegeben und die produzierte Kälte im Schrank belassen.

Bei einem Klimagerät verlässt die entnommene Wärme das Gebäude und die Kühle bleibt innerhalb des Raums.

Im Innern eines solchen Klimageräts exitieren immer 2 Luftkreisläufe und 1 Kühlmittelkreislauf. Das Kühlmittel bewegt sich dabei in einem geschlossenen System und ist für die Wärmeaufnahme und -abgabe verantwortlich.

Das gasförmige Kühlmittel wird mit Hilfe eines Kompressors verdichtet und dabei flüssig. Beim Zusammendrücken des Gases erwärmt sich dieses stark. Es wird anschließend in einen Wärmetauscher geleitet.

Dieser besteht aus hohlen Metallrippen, die gut Wärme leiten. In ihnen befindet sich das heiße Kühlmittel, das den Wärmetauscher nun stark aufheizt.

Die Raumluft wird durch einen Ventilator angesaugt und durch diesen Wärmetauscher hindurch geführt. Die normal warme Luft erhitzt sich dabei. Das Kühlmittel wird kälter (beziehungsweise weniger heiß).

Der Wärmeverlust ist der entscheidende Schritt, da hierbei Energie abgegeben wird.

Die warme Luft wird anschließend über einen Schlauch aus dem Gebäude abgeführt. Bei kleinen Geräten erfolgt dies meist über geöffnete Fenster.

Das nun weniger heiße, aber immer noch unter Druck stehende flüssige Kühlmittel kann sich mit Hilfe eines Expansionsventils ausdehnen. Dabei wird es wieder gasförmig und kühlt stark ab. Die erreichte Temperatur liegt nun viel niedriger als zu Beginn des Zyklus.

Ursächlich für die Differenz ist die Abgabe der Wärme / Energie im heißen Zustand.

Das sehr kalte Kühlmittel wird durch den zweiten Wärmetauscher geleitet. Auch hier wird mit Hilfe eines Ventilators die Raumluft angesaugt und an den Kühlrippen vorbeigeführt. Dabei kühlt sich die Luft stark ab und wird wieder in den Raum geblasen.

Die Raumtemperatur sinkt.

Mobile Klimaanlage: Vorteile und Nachteile

Mobile Klimageräte erscheinen zunächst als ideale Lösung für eine unkomplizierte Abkühlung der Raumtemperatur, jedoch wird bei genauerer Betrachtung schnell klar, dass neben weiteren Vorteilen auch einige Nachteile eine Rolle spielen.

Diese sollte man vor einem Kauf zwingend bedenken, um bei der Installation und dem Betrieb nicht negativ überrascht zu werden.

Das Wirkprinzip solcher Klimageräte erzeugt neben der Abkühlung der Raumluft auch weitere Effekte, die sich auf das Wohlbefinden auswirken können.

So führt eine Ableitung von warmer Luft und eine Zufuhr von kalter Luft auch immer zu einer Reduktion der Luftfeuchtigkeit, da die abgegebene warme Luft mehr Wasser beinhaltet, als die kühle Luft. Dies ist zwar zunächst positiv, da schwüle Luft unangenehm ist, jedoch bewirkt eine zu starke Entfeuchtung die Austrocknung der Schleimhäute.

Während die geringen Anschaffungskosten und die vergleichsweise leichte Installation für die Monoblock-Geräte sprechen, sind eine geringe Effizienz und damit einhergehende hohe Stromkosten ein deulicher Nachteil.

Außerdem sind die Mobilen Klimageräte weniger mobil als man denken könnte, da sie stets in Fensternähe aufgestellt und mit einem Abluftschlau versehen werden müssen. Ein luftdichter Aufbau des Schlauchs ist dabei die Grundlage für eine akzeptable Effektivität und weniger extreme Energiekosten.

Oft unberücksichtig beim Kauf ist die Tatsache, dass durch die abgeblasene erhitzte Raumluft ein Unterdruck erzeugt wird. Dadurch wird Luft aus anderen Räumen angezogen und strömt durch jegliche Öffnungen in den klimatisierten Raum. Dies können undichte und offene Türen, Schlüssellöcher und auch offene Fenster sein.

Im Gegensatz zu so genannten Split-Geräten (mit einem Kompressor außerhalb der Kühlräume) haben Mobile Klimaanlage eine höhere Lärmexposition. Zwar sind moderne Klimageräte vergleichsweise leise, jedoch ist immer ein Geräusch (durch die Motoren, den Kompressor, den Luftstrom) wahrnehmbar.

Eine unangenehme Überraschung kann auch das Auftreten von Kondenswasser sein, das einen wartungsfreien Betrieb verhindert.

Mobile Klimageräte: Kondenswasser

Die Menge an Wasser die sich in der Luft befindet wird in Gramm pro Kubikmeter angegeben und beschreibt so die absolute Feuchte.

Dabei besitzt die Luft immer ein Maximum, dass sie an Wasser aufnehmen kann. Dieser Wert ist von der Temperatur abhängig. Das Verhältnis von tatsächlicher zu möglicher Wassermenge wird in Prozent angegeben und ist die relative Feuchtigkeit.

Kann die Luft 10 g Wasser pro 1 m³ Luft aufnehmen und enthält tatsächlich nur 5 g, beträgt die Feuchtigkeit 50 %. Würde man die Temperatur weiter absenken, sinkt auch der Maximalwert und erreicht irgendwann ebenfalls 5 g. Die Luft wäre gesättigt, die relative Feuchtigkeit 100%.

Bei diesem Wert und auch bei weiterer Abesenkung der Lufttemperatur wird nicht aufnehmbares Wasser abgegeben und kondensiert.

Es entstehen Wassertropfen. Diese bilden sich insbesondere an exponierten und unterkühlten Stellen.

Bei einem Mobilen Klimagerät ist der kalte Wärmetauscher betroffen, da hier die Raumluft stark abgekühlt wird und so ihren Taupunkt erreicht. Damit ist die Aufnahmefähigkeit nur noch so groß, wie die aktuelle Wassermenge.

Im Gegensatz zum Bautrockner (bei ähnlicher Funktionsweise) ist die Entstehung von Kondenswasser bei der Klimaanlage nur ein Nebeneffekt. Dieser muss jedoch bei der Konstruktion berücksichtigt werden, da sonst unkontrolliert Wasser im Gerät entstehen würde.

Dabei gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten.

Das Wasser in einem Klimagerät wird entweder aufgefangen oder konstruktiv verdampft.

Bei der einfacheren und leichter zu konstruierenden Option werden mit Hilfe eines Auffangbehälters die Tropfen aufgefangen. Diese sammeln sich immer weiter an und müssen regelmäßig entleert werden.

Bei Erreichen des maximalen Füllstands schaltet sich die Mobile Klimaanlage ab.

Dies sorgt dafür, dass der Betrieb eines solchen Monoblocks nicht wartungsfrei ist. Die Anlage läuft nur dann im Dauerbetrieb, wenn der Behälter nicht voll ist. Eine Kühlung über Nacht oder in Abwesenheit könnte stoppen, ohne dass dies beabsichtigt ist oder bemerkt wird.

Höherpreisige Mobile Klimaanlagen lösen das Wasserproblem konstruktiv.

Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten.

Grundsätzlich wird aber das Kondenswasser in einen warmen Bereich geführt und erhitzt sich dort so weit, dass es wieder in den gasförmigen Zustand übergeht (also verdunstet).

Dies kann auch erreicht werden, indem frühzeitig warme Luft auf das Kondenswasser trifft.

Im Idealfall ensteht so kein spürbares Kondenswasser. Der Prozess ist jedoch von mehreren Faktoren (wie Raumtemperatur, Relative Feuchtigkeit, Kühlleistung) abhängig und nicht 100 % festlegbar.

Kondenswasser kann immer mal entstehen und deswegen ist ein Auffangbehälter stets vorhanden.

Funktioniert der Prozess jedoch reibungslos, wird sich kein Wasser bilden und das manuelle Entleeren entfällt. Damit kann die Klimaanage ungestört betrieben werden.

Kühlmittel

Beim Funktionsprinzip der Mobilen Klimaanlagen ist der Einsatz eines Kühlmittels notwendig. Diese bestehen aus einem Gemisch verschiedener Stoffe, die zusammen besonders günstige Eigenschaften zur Wärmeaufnahme und -abgabe besitzen.

Ein niedriger Siedepunkt sorgt zum Beispiel dafür, dass das Kühlmittel bei Druckverlust (und damit Abkühlung) schon früh in den gasförmigen Zustand wechselt.

Dies sorgt für eine gute Energieentnahme und unterstützt die Abkühlung.

Die Zusammensetzung variiert bei den einzelnen Modellen und wird in der Regel mit der Bezeichnung R + Nummer genau beschrieben. Hinter dieser Bezeichnung steht ein definierter Mix von unterschiedlichen Stoffen.

Diese chemischen Elemente bewegen sich innerhalb des geschlossenen Systems und treten nicht aus diesem aus. Ein ständiges Nachfüllen ist somit nicht notwendig.

Ein niedriger Kühlmittelstand würde zur Abnahme der Effektivität und schließlich zum Abschalten des Geräts führen.

Beschädigungen und Leckagen sind die häufigsten Ursachen für fehlende Kühlmittel. Außerdem kann sich ein schleichender und langsamer Verlust über einen längeren Nutzungszeitraum durch Mini-Undichtigkeiten im Gerät summieren.

Kältemittel besitzen einen ökologischen Fußabdruck, da sie zunächst produziert und irgendwann entsorgt werden müssen. Dabei wird häufig das Global Warming Potential (GWP) als Referenz genutzt. Dieser Faktor beschreibt, wie viel stärker das Mittel zur Erwärmung beiträgt als CO2.

Typische Kühlmittel und ihre Eigenschaften:

Kühlmittel	GWP	Eigenschaften
R410A	2088	Effektiver Kältegewinn, fluorhaltig, erhöhtes Treibhauspotenzial
R134A	1430	Fluorhaltig, mittleres Treibhauspotenzial
R32	677	Bestandteil von R410A, mittleres Treibhauspotenzial
R290	3	Propan, kaum Treibhauspotenzial, brennbar
R22	1760	FCKW, inzwischen verboten

Beim Kauf sollte darauf geachtet werden, dass ökologisch vertretbare Kühlmittel verwendet werden.

Der Austausch beziehungsweise Ersatz von Kältemitteln ist nur eingeschränkt möglich, da diese unterschiedliche Drücke benötigen und andere Verdampfungstemperaturen besitzen.

Wie kühlt eine mobile Klimaanlage am besten?

Der Einsatz eines Mobilen Klimageräts scheint unkompliziert. Jedoch sollten bei der Installation und dem Betrieb verschiedene Aspekte berücksichtig werden, um eine maximale Kühlung zu erreichen.

1. Klimagerät mit hohem Wirkungsgrad einsetzen
2. Abluftschlauch möglichst kurz halten
3. Gute Abdichtung des Schlauchs nach außen
4. Nur einen Raum kühlen, Türen schließen
5. Zuluft steuern (nicht direkt von außen!)
6. Klimagerät im Schatten aufstellen

Mobile Klimageräte besitzen eine vergleichsweise niedrige Effektivität, da sie viel Wärme innerhalb des Raums erzeugen den sie kühlen sollen.

Der Kompressor, die Ventilatoren und das Netzteil werden mit Strom betrieben und geben ihre Betriebswärme an die Raumluft ab. Dieser Nachteil kann nur durch eine Split-Anlage (die warmen Bauteile befinden sich außerhalb des Raums) gelöst werden.

Eine Monoblock-Klimaanlage erwärmt die Raumluft stark, um sie im Anschluss nach außen abzuleiten. Dabei befindet sich die Hitze zunächst in dem Gehäuse und anschließend in einem Schlauch.

Sowohl das Gehäuse als auch der Schlauch sind nicht gut isoliert und erwärmen sich dabei stark. Dadurch geben sie Hitze in den Raum ab, bevor sie nach außen geleitet werden kann.

Die Abgabe der heißen Luft erfolgt über einen Schlauch, der meist durch ein offenes Fenster geführt wird. Dieser Spalt sorgt dafür, dass warme Außenluft wieder eindringen kann.

Zwar kann dies durch eine spezielle Abdichtung vermindert werden, jedoch wird keine vollständige Isolierung erreicht.

In diesem Bereich kann besonders leicht eine Rezirkulation der Heißluft entstehen, da eine Öffnung besteht und Monoblock-Geräte mit Unterdruck arbeiten (und Luft von dort ansaugen, wo es eben geht).

Daher ist eine möglichst dichte Abschottung des Schlauchs wichtig.

Außerdem sollte darüber nachgedacht werden, woher die fehlende Luft kommen kann. Am besten nutzt man primär die Hausluft aus anderen Räumen, die dann wieder andere Räume und schließlich die Außenwelt anzapft.

Dabei sollten die Türen nicht offen gelassen werden, da so die mühsam gekühlte Luft in nicht relevante Bereiche zieht. Kleine Öffnungen und normale Türspalte reichen grundsätzlich aus. Bei aktiver Zuluftsteuerung sind knapp geöffnete Türen (max. 5 cm) ausreichend.

Wie funktioniert ein Klimagerät mit Abluftschlauch?

Mobile Klimaanlagen nutzen ein Kühlmittel, das zunächst erhitzt wird. Diese Wärme wird an die angesaugte Raumluft abgegeben und über einen Abluftschlauch aus dem Haus abgeleitet. Im Anschluss wird das Kühlmittel abgekühlt und senkt so die Temperatur der Raumluft.

Alle mobilen Klimaanlagen haben einen Abluftschlauch.

Das Herausleiten der erhitzten Luft über den Abluftschlauch ist wesentlicher Bestandteil der Funktionsweise. Ohne diese Energieabgabe nach außen wäre eine Abkühlung in dem Raum nicht möglich.

Der Schlauch wird dabei in der Regel durch ein geöffnetes Fenster geführt. Um keine warme Luft einfließen zu lassen ist es notwendig, dass eine gute Abdichtung des gekippten Fensters erreicht wird.

Hierfür sollten vorgefertigte Isolierungen genutzt werden, da diese eine maximale Abschottung und Effektivität des Klimageräts gewährleisten.

Eine Abdichtung mit Decken oder Laken ist nicht ausreichend, da die Klimaanlagen einen Unterdruck erzeugen und somit die warme Außenluft durch die Stoffe hindurchsaugen. Außerdem ist ein präziser und dichter Abschluss an den Kanten kaum möglich.

Wie funktioniert ein Klimagerät ohne Abluftschlauch?

Klimageräte ohne Abluftschlauch sind keine klassischen Klimaanlagen und arbeiten meist nach dem Verdunstungsprinzip. Dabei wird die warme Raumluft angesaugt und in dem Gerät an kaltem Wasser oder Eis vorbeigeführt. Dabei kühlt sie sich ab und wird wieder in den Raum geführt.

Bei diesen so genannen Aircoolern / Luftkühlern erfolgt die Energieabgabe an das Wasser beziehungsweise Eis. Hierdurch sind diese Geräte nicht wartungsfrei und müssen regelmäßig nachgefüllt werden.

Das Wasser oder Eis muss von außen dem Gerät hinzugefügt werden.

Das Prinzip der Verdunstungskälte kann nur für eine sehr milde Abkühlung sorgen, da die Menge der Energie die entzogen wird sehr eingeschränkt ist. Meist wird nur eine Reduktion der Raumtemperatur von 2 – 3 °C erreicht.

Um die Wirksamkeit zu erhöhen werden Ventilatoren eingesetzt, um mehr warme Luft an dem Eis vorbeizuführen. Würde die Luft zu lange über der kühlen Oberfläche verweilen würde die Temperaturdifferenz sinken und weniger Kühlung auftreten.

Außerdem sorgt der Luftstrom für eine gefühlte Abkühlung bei den Bewohnern.

Dieser windchill-Effekt entsteht, wenn die dünne Luftschicht über der Haut weggepustet wird. Luftmoleküle, die mit der warmen Hautoberfläche in Kontakt kommen erwärmen sich. Beim Wegpusten strömt neue weniger warme Luft nach und erzeugt ein kühleres Gefühl.

Sollte die Haut schwitzen sorgt ein Luftstrom ebenfalls für einen Kühleffekt, da das Wasser schneller verdunsten kann und somit mehr Energie (Wärme) entzieht.

(Genauso wie in dem Aircooler der Luftstrom die Abkühlung fördert)

Wie schnell kühlt eine Mobile Klimaanlage?

Die Geschwindigkeit der Abkühlung durch eine Klimaanlage hängt von der Energiedifferenz die überwunden werden muss, dem Energieverlust in dieser Zeit und der Leistung des Klimageräts ab. Dabei ist eine anfängliche Kühlung von 1 °C für 30m² in 10 Minuten realistisch

Um eine Abkühlung zu bestimmen müsste die exakte Energiebilanz mit allen Einflussfaktoren berechnet werden.

Diese sind jedoch nur unter Laborbedingungen bestimmbar, da hier der Energiezufluss von außen und die Energieabgabe reguliert und gemessen werden.

Dadurch wird offensichtlich, dass es kaum möglich ist eine exakte Live-Berechnung durchzuführen. Es kann maximal mit groben Richt- und Erfahrungswerten gearbeitet werden.

Energiedifferenz

Der Einsatz eines Klimageräts erfolgt, um eine angenehme Raumtemperatur zu erreichen. Desto höher die tatsächliche Raumtemperatur über der Zieltemperatur liegt, desto mehr Energie muss entzogen werden und desto länger dauert der Prozess.

Die Energiedifferenz kann relativ präzise bestimmt werden, da die Parameter der Raumgröße und Raumtemperatur bekannt sind.

In einem Raum von 20m² und einer Deckenhöhe von 2,50 m benötigt man zur Abkühlung von 35°C auf 25°C insgesamt 170 Wh. Bei einem typischen Wirkungsgrad von 40 – 50 % bei Monoblockgeräten sind also 340 Wh erforderlich. Aus einer typischen Leistungsabgabe von 1 kW ergibt sich eine Kühldauer von 20 Minuten.

Diese theoretische Betrachtung ist in der Realität jedoch nie zutreffend, da es weitere Faktoren gibt, die eine große Rolle spielen:

Energieverlust

Wesentlicher Faktor bei der Kühlung des Raums ist der Energieverlust. Dieser bestimmt den Wirkungsgrad und damit die Dauer der Abkühlung.

Hier wirken besonders viele Faktoren hinein. Insbesondere der Wärmeaustausch mit der Umwelt, innerhalb des Hauses, sowie die Wärmeaufnahme durch andere Faktoren (Menschen, Tiere, Geräte) sind entscheidende Aspekte.

Auch der Wirkungsgrad des Klimageräts stellt einen Energieverlust dar, der die Kühldauer verlängert.

Während man viele Faktoren nicht beeinflussen kann, sind andere durchaus steuerbar.

So sollte man darauf achten, dass die Isolierung des Abluftschlauchs dicht ist, die Zuluft für das Gerät angepasst wurde (Zuluft aus dem Keller fördern) und der allgemeine Wärmezufluss reduziert wird (Raum geschlossen, keine offenen Fenster).

Leistung des Klimageräts

Die Abkühlung wird natürlich auch durch die Kühlleistung der Anlage bestimmt. Eine hohe Leistungsaufnahme ermöglicht eine starke Abkühlung.

Neben höheren Anschaffungskosten ist aber auch der Lärmpegel bei großen Geräten potenziell höher. Dies liegt an den größeren Komponenten und dem stärkeren Luftstrom, der für die Leistung erforderlich ist.

Es sollte daher stets abgewogen werden, welche Größe wirklich erforderlich ist. Dabei sind die Gerätespezifikationen der Hersteller ausschlagebend und dienen als Orientierung.

Unterdruck vermeiden

Das Funktiosprinzip der Mobilen Klimaanlagen beinhaltet die Abgabe von erwärmter Raumluft über einen Abluftschlauch nach außen. Die herausströmende Luft fehlt in dem Raum und erzeugt so einen Unterdruck, wodurch Ersatzluft angezogen wird. Der Unterdruck ist dabei nicht schädlich, kann jedoch unangenehm empfunden werden.

Ein niedrigerer Umgebungsdruck wirkt sich nur indirekt auf das Wohlbefinden aus.

Ein Sauerstoffmangel oder druckempfindliche Störungen treten nicht auf.

Der Unterdruck erzeugt jedoch eine Zuluft, die aus verfügbaren Räumen nachströmt – „es zieht“.

Das Unterbinden des Unterdrucks ist mit einem Ein-Schlauch-System nicht möglich. Es gibt jedoch auch Klimageräte, die einen zweiten Schlauch integriert haben. Dieser wird ebenfalls durch das Fenster geführt und ist für die Zuluft zuständig.

Dabei wird exakt so viel Luft in den Raum geführt, wie parallel nach außen geleitet wird. Es entsteht kein Unterdruck.

Der Nachteil solcher Geräte ist der höhere Preis. Außerdem wird die Luft direkt aus dem Außenbereich angezogen, was bei hohen Temperaturen ein Nachteil ist.

Wird stattdessen die Zuluft durch das Haus geführt (zum Beispiel über den Keller), ist dies für den Wirkungsgrad besser.

Sollten die Temperaturen nachts stark sinken ist natürlich wiederum die Zufuhr von außen ein Vorteil – dann kann gegebenenfalls aber auch einfach das Fenster aufgemacht werden.