Heizung, Lüftung und Klimaanlage

Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK ) regulieren Temperatur , Luftfeuchtigkeit und Raumluftqualität in Fahrzeugen und Gebäuden . Sie sind darauf ausgelegt, thermischen Komfort zu gewährleisten und Schadstoffe in der Raumluft durch Heizung, Kühlung, Belüftung, Filterung und Feuchtigkeitsregulierung zu kontrollieren . Zu den Planungsaspekten von HLK-Anlagen gehören Energieeffizienz, Raumluftqualität, Wartung und Umweltverträglichkeit, insbesondere bei nachhaltigen Bauprojekten. Bei der Gebäudeplanung können Ingenieure der Bereiche Mechanik, Elektrotechnik und Sanitärtechnik HLK-Systeme mit anderen Gebäudesystemen integrieren und Energiemodelle zur Bewertung von Leistung und Betriebskosten einsetzen.

Die drei Hauptfunktionen von Heizung, Lüftung und Klimatisierung sind eng miteinander verknüpft. HLK-Systeme (Heizung, Lüftung, Klimaanlage) sorgen für Belüftung und halten die Druckverhältnisse zwischen Räumen aufrecht. Die Art und Weise der Luftzufuhr und -abfuhr aus Räumen wird als Raumluftverteilung bezeichnet . ^{[ 1 ]}

In modernen Gebäuden sind die Planung, Installation und Steuerung dieser Funktionen in ein oder mehrere HLK-Systeme integriert. Bei sehr kleinen Gebäuden ermitteln Bauunternehmen üblicherweise die benötigte Kapazität und den Systemtyp und planen das System anschließend, indem sie das geeignete Kältemittel und die verschiedenen benötigten Komponenten auswählen. Bei größeren Gebäuden analysieren, planen und spezifizieren Gebäudetechniker, Maschinenbauingenieure oder Gebäudetechnikingenieure die HLK-Systeme. Spezialisierte Maschinenbauunternehmen und -lieferanten fertigen, installieren und nehmen die Systeme dann in Betrieb. Baugenehmigungen und die Abnahme der Installationen gemäß den geltenden Vorschriften sind in der Regel für Gebäude jeder Größe erforderlich. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Obwohl die Heizungs- , Lüftungs- und Klimaanlage (HLK) in einzelnen Gebäuden oder anderen geschlossenen Räumen (wie dem unterirdischen Hauptquartier von NORAD ) installiert wird, handelt es sich bei den Anlagen in manchen Fällen um eine Erweiterung eines größeren Fernwärme- (FH) oder Fernkältenetzes (FK) oder eines kombinierten Fernwärme-Fernkältenetzes (FKW). In solchen Fällen vereinfachen sich Betrieb und Wartung, und die Messung des Energieverbrauchs ist erforderlich, um die verbrauchte und gegebenenfalls in das Gesamtsystem zurückgespeiste Energie abzurechnen. Beispielsweise kann ein Gebäude zu einem bestimmten Zeitpunkt Kaltwasser zur Klimatisierung nutzen, und das zurückgespeiste Warmwasser kann in einem anderen Gebäude zum Heizen oder für den gesamten Heizbereich des FKW-Netzes verwendet werden (wahrscheinlich mit zusätzlicher Energiezufuhr zur Temperaturerhöhung). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Die Einbindung eines größeren Netzwerks in die HLK-Anlage ermöglicht Skaleneffekte, die für einzelne Gebäude oft nicht realisierbar sind, die Nutzung erneuerbarer Energiequellen wie Solarwärme, ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Winterkälte, ^{[ 10 ] [ 11 ]} das Kühlpotenzial von Seen oder Meerwasser an manchen Orten zur freien Kühlung sowie die Ermöglichung der saisonalen thermischen Energiespeicherung .

Die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) basiert auf Erfindungen und Entdeckungen von Nikolay Lvov , Michael Faraday , Rolla C. Carpenter , Willis Carrier , Edwin Ruud , Reuben Trane , James Joule , William Rankine , Sadi Carnot , Alice Parker und vielen anderen. ^{[ 12 ]}

Mehrere Erfindungen in diesem Zeitraum gingen der Entwicklung der ersten Komfortklimaanlage voraus, die 1902 von Alfred Wolff (Cooper, 2003) für die New Yorker Börse entworfen wurde . Willis Carrier rüstete im selben Jahr die Druckerei Sacketts-Wilhems mit einer Prozessklimaanlage aus. Das Coyne College bot 1899 als erste Schule eine Ausbildung im Bereich Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik (HLK) an . ^{[ 13 ]} Die erste Klimaanlage für ein Wohnhaus wurde 1914 installiert, und in den 1950er Jahren war die Nutzung von Klimaanlagen in Wohnhäusern weit verbreitet. ^{[ 14 ]}

Heizen ist der Prozess der Übertragung von Wärmeenergie in einen geschlossenen Raum, um dessen Temperatur für den Komfort der Bewohner zu erhöhen oder aufrechtzuerhalten. In Zentralheizungsanlagen liefert eine zentrale Wärmequelle wie ein Heizkessel , ein Ofen oder eine Wärmepumpe Wärmeenergie an einem zentralen Ort. Luft, Wasser oder Dampf transportieren diese Energie dann in die zu beheizenden Räume, wo sie durch Konvektion , Strahlung oder beides abgegeben wird. ^{[ 15 ]} Kleine Heizgeräte können ebenfalls zum Beheizen einzelner Räume verwendet werden. ^{[ 16 ]}

Es gibt Heizgeräte für verschiedene Brennstoffarten, darunter feste Brennstoffe , Flüssigkeiten und Gase . Eine weitere Wärmequelle ist Elektrizität , die üblicherweise Heizbänder aus hochohmigem Draht erhitzt (siehe Nichrom ). Dieses Prinzip wird auch für Sockelheizungen und tragbare Heizgeräte genutzt . Elektrische Heizgeräte dienen häufig als Zusatz- oder Reserveheizung für Wärmepumpensysteme. ^{[ 17 ]}

Die Wärmepumpe erfreute sich in den 1950er Jahren in Japan und den USA zunehmender Beliebtheit. ^{[ 18 ]} Wärmepumpen können Wärme aus verschiedenen Quellen gewinnen , beispielsweise aus der Umgebungsluft, der Abluft eines Gebäudes oder dem Erdreich. Sie transportieren Wärme von außen nach innen. Anfänglich wurden Wärmepumpen-Klimaanlagen nur in gemäßigten Klimazonen eingesetzt, doch dank verbesserter Leistung bei niedrigen Temperaturen und geringerer Wärmelast durch energieeffizientere Häuser gewinnen sie auch in kälteren Regionen an Bedeutung. Sie können zudem umgekehrt zur Kühlung von Innenräumen eingesetzt werden. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Bei Warmwasser oder Dampf wird die Wärme über Rohrleitungen in die Räume transportiert. Die meisten modernen Warmwasserheizkessel verfügen über eine Umwälzpumpe, die das Warmwasser durch das Verteilsystem befördert (im Gegensatz zu älteren Systemen mit Schwerkraftzufuhr ). Die Wärme kann über Heizkörper , Warmwasserregister (Hydro-Luft) oder andere Wärmetauscher an die Umgebungsluft abgegeben werden . Die Heizkörper können an Wänden montiert oder im Fußboden verlegt sein, um Fußbodenheizung zu erzeugen. ^{[ 21 ]}

Die Verwendung von Wasser als Wärmeträgermedium wird als Hydronik bezeichnet . Das erwärmte Wasser kann auch einen Hilfswärmetauscher speisen, um Warmwasser zum Baden und Waschen bereitzustellen. ^{[ 22 ] [ 2 ]}

Warmluftsysteme verteilen die erwärmte Luft über Zu- und Abluftkanäle aus Metall oder Glasfaser. Viele Systeme nutzen dieselben Kanäle auch zur Verteilung der durch einen Verdampfer gekühlten Luft für die Klimaanlage. Die Zuluft wird üblicherweise durch Luftfilter gefiltert, um Staub- und Pollenpartikel zu entfernen. ^{[ 23 ]}

Die Verwendung von Öfen, Raumheizgeräten und Heizkesseln zur Beheizung von Innenräumen kann zu unvollständiger Verbrennung und der Freisetzung von Kohlenmonoxid , Stickoxiden , Formaldehyd , flüchtigen organischen Verbindungen und anderen Verbrennungsnebenprodukten führen. Unvollständige Verbrennung tritt auf, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist; als Brennstoffe dienen Verunreinigungen, und als Produkte entstehen schädliche Nebenprodukte wie Kohlenmonoxid, ein geschmackloses und geruchloses Gas mit schwerwiegenden gesundheitsschädlichen Auswirkungen . ^{[ 24 ]}

Lüftung ist der Prozess des Luftaustauschs in einem Raum, um die Temperatur zu regulieren oder Feuchtigkeit, Gerüche, Rauch, Wärme, Staub, Bakterien oder Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen und Sauerstoff zuzuführen. Je nach Gebäudekonstruktion und Anforderungen an die Luftqualität können verschiedene Methoden eingesetzt werden, beispielsweise natürliche Lüftung durch Fenster oder mechanische Lüftungsanlagen . Lüftung bezeichnet oft die gezielte Zufuhr von Außenluft in Innenräume, um eine akzeptable Luftqualität in Gebäuden zu gewährleisten. ^{[ 25 ]}

Die Effektivität der Belüftung hängt sowohl von der Innenraum- als auch von der Außenluftqualität sowie von Faktoren wie gesundheitlichen Auswirkungen und Energiebedarf ab. ^{[ 26 ]} Wenn die Außenluftverschmutzung die Innenraumluftqualität beeinträchtigen würde, können zusätzliche Behandlungsmaßnahmen, wie z. B. Luftfiltration , erforderlich sein. ^{[ 27 ]}

Methods for ventilating a building may be divided into mechanical/forced and natural types.^[28]

Mechanical, or forced, ventilation is provided by an air handler (AHU) and used to control indoor air quality. Excess humidity, odors, and contaminants can often be controlled via dilution or replacement with outside air. However, in humid climates more energy is required to remove excess moisture from ventilation air.^[14]

Kitchens and bathrooms typically have mechanical exhausts to control odors and sometimes humidity. Factors in the design of such systems include the flow rate (which is a function of the fan speed and exhaust vent size) and noise level. Direct drive fans are available for many applications and can reduce maintenance needs.^[29]

In summer, ceiling fans and table/floor fans circulate air within a room for the purpose of reducing the perceived temperature by increasing evaporation of perspiration on the skin of the occupants. Because hot air rises, ceiling fans may be used to keep a room warmer in the winter by circulating the warm stratified air from the ceiling to the floor.^[9]

Natural ventilation is the ventilation of a building with outside air without using fans or other mechanical systems. It can be via operable windows, louvers, or trickle vents when spaces are small and the architecture permits. ASHRAE defined Natural ventilation as the flow of air through open windows, doors, grilles, and other planned building envelopepenetrations, and as being driven by natural and/or artificially produced pressure differentials.^[25]

Natural ventilation strategies also include cross ventilation, which relies on wind pressure differences on opposite sides of a building. By strategically placing openings, such as windows or vents, on opposing walls, air is channeled through the space to enhance cooling and ventilation. Cross ventilation is most effective when there are clear, unobstructed paths for airflow within the building.^[30]

Bei komplexeren Systemen steigt warme Luft auf und strömt durch hohe Gebäudeöffnungen nach außen ( Kamineffekt ), wodurch kühle Außenluft durch niedrige Gebäudeöffnungen angesaugt wird. ^{[ 31 ]} Natürliche Lüftungssysteme verbrauchen in der Regel sehr wenig Energie, reagieren aber empfindlich auf Umwelteinflüsse. In warmen oder feuchten Klimazonen ist es unter Umständen nicht möglich, allein durch natürliche Lüftung ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten. Klimaanlagen werden daher entweder als Backup oder zur Ergänzung eingesetzt. Luftseitige Economizer nutzen ebenfalls Außenluft zur Klimatisierung von Räumen, verwenden dazu aber Ventilatoren, Kanäle, Klappen und Steuerungssysteme, um bei Bedarf kühle Außenluft zuzuführen und zu verteilen.

Ein Bestandteil der natürlichen Belüftung ist die Luftwechselrate (Luftwechsel pro Stunde ): die stündliche Belüftungsrate geteilt durch das Raumvolumen. Beispielsweise bedeutet ein Luftwechsel von sechs pro Stunde, dass alle zehn Minuten eine dem Raumvolumen entsprechende Menge frischer Luft zugeführt wird. Für ein angenehmes Raumklima sind typischerweise mindestens vier Luftwechsel pro Stunde erforderlich, wobei in Lagerhallen mitunter nur zwei Luftwechsel vorkommen. Eine zu hohe Luftwechselrate kann unangenehm sein, vergleichbar mit einem Windkanal , in dem Tausende von Luftwechseln pro Stunde stattfinden. Die höchsten Luftwechselraten werden in stark frequentierten Räumen wie Bars, Nachtclubs und Großküchen mit etwa 30 bis 50 Luftwechseln pro Stunde erreicht. ^{[ 32 ]}

Der Raumdruck kann im Vergleich zum Außendruck positiv oder negativ sein. Positiver Druck entsteht, wenn mehr Luft zugeführt als abgeführt wird, und wird häufig eingesetzt, um das Eindringen von Schadstoffen von außen zu reduzieren. ^{[ 33 ]}

Natürliche Belüftung ^{[ 34 ]} trägt zur Verringerung der Ausbreitung von durch die Luft übertragbaren Krankheiten wie Tuberkulose , Erkältung , Grippe , Meningitis oder COVID-19 bei . Das Öffnen von Türen und Fenstern maximiert die natürliche Belüftung und senkt so das Risiko einer Ansteckung über die Luft erheblich. Natürliche Belüftung ist wartungsarm und kostengünstig. ^{[ 35 ]} Die Belüftung wird in Luftwechseln pro Stunde (ACH) gemessen. Die CDC empfiehlt seit 2023 für alle Räume einen Mindestwert von 5 ACH. ^{[ 36 ]} Für Krankenhauszimmer mit ansteckenden Krankheiten empfiehlt die CDC einen Mindestwert von 12 ACH. ^{[ 37 ]} Zu den Herausforderungen bei der Gebäudelüftung zählen mangelndes öffentliches Bewusstsein ^{[ 38 ] [ 39 ]} , ineffektive staatliche Aufsicht, unzureichende, auf Komfortniveaus basierende Bauvorschriften, mangelhafter Systembetrieb, unzureichende Wartung und mangelnde Transparenz. ^{[ 40 ]}

UVC- oder Ultraviolett-Keimtötungsbestrahlung ist eine Funktion moderner Klimaanlagen, die mithilfe von LED-UV-Licht, das über den Verdampfer abgegeben wird, luftgetragene Viren , Bakterien und Pilze reduziert. Die Luft wird durch den Bestrahlungsbereich des Sterilisationsmoduls geleitet, wodurch Viren inaktiviert werden. ^{[ 41 ]}

Eine Klimaanlage, ob System oder Einzelgerät, sorgt für Kühlung und/oder Feuchtigkeitsregulierung in einem Gebäude oder Teilen davon. Klimatisierte Gebäude verfügen häufig über abgedichtete Fenster, da offene Fenster die Funktion des Systems, das konstante Raumluftbedingungen gewährleisten soll, beeinträchtigen würden. Frischluft wird in der Regel über eine Lüftungsöffnung in eine Mischkammer geleitet und dort mit der Raumluft vermischt. Anschließend gelangt das Luftgemisch in einen Wärmetauscher (innen oder außen), wo es abgekühlt und dann in den Raum geleitet wird, um einen Überdruck zu erzeugen. Der Frischluftanteil in der Rückluft lässt sich üblicherweise durch die Öffnung dieser Lüftungsöffnung regulieren. Typischerweise beträgt die Frischluftzufuhr etwa 10 % der gesamten Zuluftmenge.

Klimatisierung und Kühlung basieren auf der Abfuhr von Wärme. Diese kann durch Strahlung , Konvektion oder Wärmeleitung erfolgen . Das Wärmeträgermedium ist ein Kältemittelsystem; beispielsweise Wasser, Luft, Eis oder Chemikalien . Ein Kältemittel wird entweder in einer Wärmepumpe eingesetzt, in der ein Kompressor den thermodynamischen Kältekreislauf antreibt , oder in einem Freikühlsystem, das Pumpen zur Zirkulation eines kalten Kältemittels (typischerweise Wasser oder ein Glykolgemisch) nutzt.

Der Kältekreislauf nutzt vier wesentliche Elemente zur Kühlung: Kompressor, Kondensator, Dosiereinrichtung und Verdampfer.

• Am Einlass eines Kompressors befindet sich das Kältemittel im System in einem gasförmigen Zustand mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur. Der Kompressor pumpt das Kältemittelgas auf hohen Druck und hohe Temperatur.
• Von dort gelangt es in einen Wärmetauscher (manchmal auch Kondensationsspirale oder Kondensator genannt), wo es Wärme an die Umgebung abgibt, abkühlt und in seine flüssige Phase kondensiert.
• Ein Expansionsventil (auch Dosierventil genannt ) regelt den Durchfluss des Kältemittels auf die richtige Geschwindigkeit.
• Das flüssige Kältemittel wird zu einem weiteren Wärmetauscher zurückgeführt, wo es verdampft. Daher wird dieser Wärmetauscher oft auch als Verdampfer oder Verdampfer bezeichnet. Beim Verdampfen entzieht das Kältemittel der Raumluft Wärme, kehrt zum Kompressor zurück und der Kreislauf beginnt von Neuem. Dabei wird Wärme aus dem Innenraum aufgenommen und nach außen abgegeben, wodurch das Gebäude gekühlt wird.

In Regionen mit wechselnden Klimazonen kann das System ein Umkehrventil enthalten , das im Winter vom Heizen zum Kühlen im Sommer umschaltet. Durch Umkehrung des Kältemittelstroms wird der Kältekreislauf der Wärmepumpe von Kühlen auf Heizen oder umgekehrt umgeschaltet. Dadurch kann ein Gebäude mit ein und demselben Gerät und mit derselben Hardware sowohl beheizt als auch gekühlt werden.

Freikühlsysteme können sehr hocheffizient sein und werden mitunter mit saisonalen Wärmespeichern kombiniert, um die Winterkälte für die Klimatisierung im Sommer zu nutzen. Gängige Speichermedien sind tiefe Grundwasserleiter oder natürliche Gesteinsmassen im Untergrund, die über ein Netzwerk von kleinen, mit Wärmetauschern ausgestatteten Bohrlöchern erschlossen werden. Einige Systeme mit geringer Speicherkapazität sind Hybridsysteme: Sie nutzen die Freikühlung zu Beginn der Kühlsaison und setzen später eine Wärmepumpe ein, um das aus dem Speicher kommende Kühlwasser zu kühlen. Die Wärmepumpe wird hinzugefügt, da der Speicher im Kühlbetrieb (im Gegensatz zum Ladebetrieb) als Wärmesenke fungiert und die Temperatur im Laufe der Kühlsaison allmählich ansteigt.

Einige Systeme verfügen über einen „Sparmodus“, der auch als „Freikühlungsmodus“ bezeichnet wird. Im Sparmodus öffnet das Steuerungssystem die Außenluftklappe (ganz oder teilweise) und schließt die Rückluftklappe (ganz oder teilweise). Dadurch wird dem System frische Außenluft zugeführt. Ist die Außenluft kühler als die benötigte Kühlluft, kann der Bedarf gedeckt werden, ohne dass die mechanische Kühlung (typischerweise Kaltwasser oder eine Direktverdampfungsanlage) zum Einsatz kommt. Dies spart Energie. Das Steuerungssystem kann die Temperatur der Außenluft mit der der Rückluft vergleichen oder, wie es häufig in Regionen mit hoher Luftfeuchtigkeit geschieht, deren Enthalpie . In beiden Fällen muss die Außenluft eine geringere Energie als die Rückluft aufweisen, damit das System in den Sparmodus wechselt.

Zentrale Klimaanlagen (auch Kompaktanlagen genannt) mit kombiniertem Außengerät (Verdampfer/Außengerät) werden häufig in nordamerikanischen Wohnhäusern, Büros und öffentlichen Gebäuden installiert. Die Nachrüstung (Installation in Gebäuden, die ursprünglich nicht dafür ausgelegt waren) gestaltet sich jedoch aufgrund der benötigten sperrigen Luftkanäle schwierig. ^{[ 42 ]} Außerhalb Nordamerikas kommen Kompaktanlagen nur in wenigen Anwendungsbereichen mit großen Innenräumen wie Stadien, Theatern oder Messehallen zum Einsatz.

Eine Alternative zu Kompaktanlagen ist der Einsatz separater Innen- und Außengeräte in Split-Systemen . Split-Systeme sind weltweit, außer in Nordamerika, weit verbreitet und werden bevorzugt eingesetzt. In Nordamerika findet man Split-Systeme hauptsächlich in Wohnhäusern, sie gewinnen aber auch in kleineren Gewerbegebäuden an Beliebtheit. Split-Systeme kommen zum Einsatz, wenn die Installation von Luftkanälen nicht möglich ist oder die Klimatisierungseffizienz im Vordergrund steht. ^{[ 43 ]} Zu den Vorteilen von kanallosen Klimaanlagen zählen die einfache Installation, der Verzicht auf Luftkanäle und die präzisere Zonensteuerung. ^{[ 44 ]} Bei der Raumklimatisierung können die Verluste durch Luftkanäle bis zu 30 % des Energieverbrauchs ausmachen. ^{[ 45 ]} Der Einsatz von Mini-Splits kann zu Energieeinsparungen bei der Raumklimatisierung führen, da keine Verluste durch Luftkanäle entstehen.

Bei Split-Systemen ist der Verdampfer über Kältemittelleitungen mit einem externen Verflüssiger zwischen Innen- und Außengerät verbunden, anstatt die Luft direkt vom Außengerät über Luftkanäle zu leiten. Innengeräte mit verstellbaren Lüftungsöffnungen werden an Wänden, Decken oder in der Decke montiert. Andere Innengeräte werden in der Deckenkonstruktion installiert, sodass kurze Luftkanäle die Luft vom Innengerät zu den Lüftungsöffnungen oder Diffusoren in den Räumen transportieren.

Split-Klimaanlagen sind effizienter und benötigen in der Regel weniger Platz als Kompaktklimaanlagen. Kompaktklimaanlagen weisen hingegen tendenziell einen etwas geringeren Geräuschpegel in Innenräumen auf als Split-Klimaanlagen, da sich der Lüftermotor im Außenbereich befindet.

Die Entfeuchtung (Lufttrocknung) in einer Klimaanlage erfolgt durch den Verdampfer. Da der Verdampfer bei einer Temperatur unterhalb des Taupunkts arbeitet , kondensiert die Luftfeuchtigkeit an den Verdampferrohren. Diese Feuchtigkeit sammelt sich am Boden des Verdampfers in einer Auffangwanne und wird über Rohrleitungen zu einem zentralen Abfluss oder ins Freie abgeleitet.

Ein Luftentfeuchter ist ein klimaanlagenähnliches Gerät, das die Luftfeuchtigkeit in einem Raum oder Gebäude reguliert. Er wird häufig in Kellern eingesetzt, die aufgrund ihrer niedrigeren Temperatur (und der damit verbundenen Neigung zu feuchten Böden und Wänden) eine höhere relative Luftfeuchtigkeit aufweisen . In Lebensmittelgeschäften sind große, offene Kühlvitrinen sehr effektiv bei der Entfeuchtung der Raumluft. Umgekehrt erhöht ein Luftbefeuchter die Luftfeuchtigkeit in einem Gebäude.

Den HLK-Komponenten, die die Zuluft entfeuchten, gebührt besondere Aufmerksamkeit, da die Außenluft den größten Teil der jährlichen Feuchtigkeitsbelastung für nahezu alle Gebäude ausmacht. ^{[ 46 ]}

Ein Luftbefeuchter ist ein Haushaltsgerät , das die Luftfeuchtigkeit in einem Raum oder einem geschlossenen Bereich erhöht . Dies geschieht durch die Abgabe von Wassertropfen oder Dampf in die Umgebungsluft, wodurch die Luftfeuchtigkeit steigt .

Im Haushalt werden häufig Raumluftbefeuchter eingesetzt, um einzelne Räume zu befeuchten, während Haus- oder Heizungsbefeuchter, die an die Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage (HLK-Anlage) angeschlossen sind, das gesamte Haus mit Feuchtigkeit versorgen. Medizinische Beatmungsgeräte verfügen oft über Luftbefeuchter, um den Patientenkomfort zu erhöhen. Große Luftbefeuchter kommen in gewerblichen, institutionellen oder industriellen Bereichen zum Einsatz, häufig als Teil einer größeren HLK-Anlage.

Nahezu jede moderne Klimaanlage, selbst kleine Fenstergeräte, ist mit einem internen Luftfilter oder einem elektrostatischen Abscheider ausgestattet. Die Filter bestehen aus leichtem, netzartigem Material oder aus robusteren, plissierten Matten aus Borosilikatglasfasern. Filter werden in der Regel je nach Bedarf ausgetauscht oder gereinigt. Beispielsweise müssen die Filter in Gebäuden mit hoher Staubbelastung oder in Haushalten mit Haustieren häufiger gewechselt werden als in Innenräumen ohne diese Belastungen. Werden die Filter nicht rechtzeitig gewechselt, kann dies zu einer geringeren Wärmeleistung, Energieverschwendung, einer kürzeren Lebensdauer des Geräts und höheren Energiekosten führen. Ein geringer Luftstrom kann zu vereisten Verdampferschlangen führen, wodurch der Luftstrom vollständig unterbrochen werden kann. Darüber hinaus können stark verschmutzte oder verstopfte Filter während des Heizvorgangs zu Überhitzung führen, was das System beschädigen oder sogar einen Brand verursachen kann.

Da eine Klimaanlage Wärme zwischen dem Verdampfer und dem Außengerät transportiert, müssen beide sauber gehalten werden. Das bedeutet, dass neben dem regelmäßigen Austausch des Luftfilters am Verdampfer auch der Kondensator regelmäßig gereinigt werden muss. Wird der Kondensator nicht sauber gehalten, kann dies den Kompressor beschädigen, da der Kondensator sowohl die vom Verdampfer aufgenommene Wärme aus dem Innenraum als auch die vom Elektromotor des Kompressors erzeugte Wärme abführt. ^{[ 47 ]}

HLK-Anlagen spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden, da der Gebäudesektor einen der größten Anteile am globalen Energieverbrauch ausmacht. ^{[ 48 ]} Seit den 1980er Jahren konzentrieren sich HLK-Anlagenhersteller auf die Steigerung der Systemeffizienz. Anfänglich wurden diese Bemühungen durch steigende Energiekosten angetrieben, doch in den letzten Jahren sind ökologische Nachhaltigkeit und strengere Effizienzvorschriften zu den Hauptmotiven geworden. Darüber hinaus kann eine verbesserte HLK-Systemeffizienz die Raumluftqualität verbessern, was zu mehr Gesundheit, Komfort und Produktivität der Gebäudenutzer führen kann. ^{[ 49 ]} In den USA hat die EPA im Laufe der Jahre strengere Auflagen erlassen. Es gibt verschiedene Methoden zur Effizienzsteigerung von HLK-Anlagen.

Früher war die Warmwasserbereitung effizienter zum Beheizen von Gebäuden und in den Vereinigten Staaten Standard. Heute können Warmluftheizungen auch als Klimaanlage dienen und sind beliebter.

Die Energieeffizienz von Zentralheizungsanlagen lässt sich durch Zonenheizung verbessern. Dies ermöglicht eine präzisere Wärmeverteilung, ähnlich wie bei dezentralen Heizsystemen. Die einzelnen Zonen werden über mehrere Thermostate gesteuert. In Warmwasserheizungen regeln die Thermostate die Zonenventile , in Warmluftheizungen die Zonenklappen in den Lüftungsöffnungen, die den Luftstrom gezielt unterbrechen.

Eine weitere Methode zur Steuerung der Gebäudeheizung ist die Prognose , bei der der Bedarf an Heizenergie berechnet wird, die dem Gebäude in jeder Zeiteinheit zugeführt werden sollte.

Erdwärmepumpen, auch Geothermie genannt, ähneln herkömmlichen Wärmepumpen, nutzen aber anstelle der Wärmeübertragung von oder zur Außenluft die konstante Temperatur des Erdreichs zum Heizen und Kühlen. In vielen Regionen herrschen extreme saisonale Temperaturschwankungen, die normalerweise leistungsstarke Heiz- und Kühlanlagen erfordern würden. Beispielsweise würde ein konventionelles Wärmepumpensystem, das ein Gebäude bei −57 °C (−70 °F) in Montana heizen oder ein Gebäude bei der höchsten jemals in den USA gemessenen Temperatur von 57 °C (134 °F) im Death Valley , Kalifornien, im Jahr 1913 kühlen soll, aufgrund des extremen Temperaturunterschieds zwischen Innen- und Außenluft eine enorme Energiemenge benötigen. Einen Meter unter der Erdoberfläche herrscht jedoch eine relativ konstante Temperatur. Durch die Nutzung dieser großen Quelle relativ moderater Erdtemperatur kann der Bedarf an Heiz- oder Kühlsystemen oft deutlich reduziert werden. Obwohl die Bodentemperaturen je nach Breitengrad variieren, liegen sie in 1,8 Metern Tiefe im Allgemeinen nur zwischen 7 und 24 °C.

Photovoltaik-Solaranlagen können die Betriebskosten von Klimaanlagen potenziell senken. Herkömmliche Klimaanlagen arbeiten mit Wechselstrom, daher muss der Gleichstrom aus Solaranlagen umgewandelt werden, um mit diesen Geräten kompatibel zu sein. Neue, drehzahlvariable Gleichstrommotoren ermöglichen einen einfacheren Betrieb mit Solarstrom, da diese Umwandlung entfällt und die Motoren unempfindlich gegenüber Spannungsschwankungen sind, die durch die variierende Solarstromversorgung (z. B. aufgrund von Bewölkung) entstehen.

Energierückgewinnungssysteme nutzen mitunter Wärmerückgewinnungs-Lüftungsanlagen oder Energierückgewinnungs-Lüftungssysteme , die Wärmetauscher oder Enthalpieräder verwenden, um fühlbare oder latente Wärme aus der Abluft zurückzugewinnen . Dies geschieht durch Energieübertragung von der verbrauchten Raumluft auf die einströmende Frischluft von außen.

Die Leistung von Dampfkompressionskältemaschinen ist thermodynamisch begrenzt . ^{[ 50 ]} Diese Klimaanlagen und Wärmepumpen transportieren Wärme, anstatt sie von einer Form in eine andere umzuwandeln. Daher beschreiben thermische Wirkungsgrade die Leistung dieser Geräte nicht adäquat. Der Leistungsbeiwert (COP) misst zwar die Leistung, diese dimensionslose Kennzahl hat sich jedoch nicht durchgesetzt. Stattdessen wird traditionell das Energieeffizienzverhältnis ( EER ) verwendet, um die Leistung vieler HLK-Systeme zu charakterisieren. Das EER ist das Energieeffizienzverhältnis basierend auf einer Außentemperatur von 35 °C (95 °F). Um die Leistung von Klimaanlagen über eine typische Kühlsaison genauer zu beschreiben, wird eine modifizierte Version des EER verwendet, das saisonale Energieeffizienzverhältnis ( SEER ) oder in Europa ESEER . SEER-Werte basieren auf saisonalen Temperaturdurchschnitten anstelle einer konstanten Außentemperatur von 35 °C (95 °F). Der aktuelle branchenübliche Mindest-SEER-Wert beträgt 14. Ingenieure haben auf einige Bereiche hingewiesen, in denen die Effizienz der vorhandenen Hardware verbessert werden könnte. Beispielsweise werden die Lüfterflügel, die zur Luftbewegung verwendet werden, üblicherweise aus Blech gestanzt – ein wirtschaftliches Herstellungsverfahren –, sind aber dadurch aerodynamisch nicht effizient. Ein gut gestalteter Flügel könnte den für die Luftbewegung benötigten Stromverbrauch um ein Drittel reduzieren. ^{[ 51 ]}

Bedarfsgesteuerte Küchenlüftung (DCKV) ist ein gebäudetechnisches Verfahren zur Regelung der Abluft- und Zuluftmenge in gewerblichen Küchen in Abhängigkeit von der tatsächlichen Kochlast. Herkömmliche gewerbliche Küchenlüftungssysteme arbeiten unabhängig von der Kochaktivität mit 100 % Lüfterdrehzahl. Die DCKV-Technologie ändert dies und ermöglicht so erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch der Lüfter und der klimatisierten Luft. Durch den Einsatz intelligenter Sensortechnik können sowohl Abluft- als auch Zuluftventilatoren so gesteuert werden, dass die Gesetze der Motorenergieeffizienz optimal genutzt werden, der Energiebedarf für die Zuluftheizung und -kühlung reduziert wird, die Sicherheit erhöht und der Geräuschpegel in der Küche gesenkt wird. ^{[ 52 ]}

Luftreinigung und -filtration entfernen Partikel, Schadstoffe, Dämpfe und Gase aus der Luft. Die gefilterte und gereinigte Luft wird anschließend in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet.

Die Reinluftlieferrate (CADR) gibt an, wie viel saubere Luft ein Luftreiniger einem Raum oder Bereich zuführt. Bei der Bestimmung der CADR wird der Luftdurchsatz im Raum berücksichtigt. Beispielsweise hat ein Luftreiniger mit einem Volumenstrom von 30 Kubikmetern (1.000 ft³ ⁾ pro Minute und einem Wirkungsgrad von 50 % eine CADR von 15 Kubikmetern (500 ft³ ⁾ pro Minute. Die Filterleistung bestimmt den Anteil der aus der Umluft entfernten Partikel, einschließlich Allergenen, Bakterien und Feinstaub. Dieser Anteil hängt von der Partikel- oder Fasergröße, der Packungsdichte und -tiefe des Filters sowie dem Luftdurchsatz ab. ^{[ 53 ]}

Die HLK-Branche umfasst die Geräteherstellung, Systemplanung, Installation, den Betrieb, die Wartung, den Vertrieb, die Aus- und Weiterbildung sowie die Forschung. Traditionell wurde die HLK-Branche von den Herstellern der HLK-Anlagen reguliert. Mittlerweile wurden jedoch Regulierungs- und Normungsorganisationen wie HARDI (Heating, Air-conditioning and Refrigeration Distributors International), ASHRAE , SMACNA , ACCA (Air Conditioning Contractors of America), der Uniform Mechanical Code , der International Mechanical Code und AMCA gegründet, um die Branche zu unterstützen. UL ist eine branchenübergreifende Prüfstelle und nicht spezifisch für die HLK-Branche.

ISO 16813:2006 ist eine der ISO- Normen für die Gebäudeumwelt. ^{[ 54 ]} Sie legt die allgemeinen Grundsätze der Gebäudeumweltplanung fest. Dabei berücksichtigt sie sowohl die Notwendigkeit, ein gesundes Raumklima für die Nutzer zu schaffen, als auch den Schutz der Umwelt für zukünftige Generationen und die Förderung der Zusammenarbeit der verschiedenen an der Gebäudeumweltplanung beteiligten Akteure im Sinne der Nachhaltigkeit. ISO 16813 ist sowohl für Neubauten als auch für die Sanierung bestehender Gebäude anwendbar. ^{[ 55 ]}

Der Standard für umweltgerechtes Bauen zielt darauf ab: ^{[ 55 ]}

• Die Rahmenbedingungen hinsichtlich der Nachhaltigkeit müssen von Beginn des Planungsprozesses an berücksichtigt werden, wobei der Lebenszyklus von Gebäuden und Anlagen sowie die Besitz- und Betriebskosten von Beginn des Planungsprozesses an einbezogen werden müssen;
• Bewerten Sie den vorgeschlagenen Entwurf anhand rationaler Kriterien für Raumluftqualität, thermischen Komfort, akustischen Komfort, visuellen Komfort, Energieeffizienz und die Steuerung der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage in jeder Phase des Entwurfsprozesses;
• Entscheidungen und Bewertungen des Designs sollten während des gesamten Designprozesses wiederholt werden.

In den Vereinigten Staaten wird die bundesweite Zulassung im Allgemeinen von EPA-zertifizierten Fachkräften für die Installation und Wartung von HLK-Anlagen (Heizung, Lüftung, Klimaanlage) durchgeführt.

In vielen US-Bundesstaaten ist für den Betrieb von Kesseln eine Lizenz erforderlich. Einige dieser Bundesstaaten sind im Folgenden aufgeführt:

• Arkansas ^{[ 57 ]}
• Georgien ^{[ 58 ]}
• Michigan ^{[ 59 ]}
• Minnesota ^{[ 60 ]}
• Montana ^{[ 61 ]}
• New Jersey ^{[ 21 ]}
• Norddakota ^{[ 62 ]}
• Ohio ^{[ 63 ]}
• Oklahoma ^{[ 64 ]}
• Oregon ^{[ 65 ]}

Viele HLK-Ingenieure sind Mitglieder der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ( ASHRAE ). ASHRAE veröffentlicht anerkannte Normen für die HLK-Anlagenplanung, die alle vier Jahre aktualisiert werden. ^{[ 66 ]} Eine weitere bekannte Organisation ist AHRI , die regelmäßig über neue Kältetechnologien informiert und entsprechende Normen und Richtlinien veröffentlicht.

Amerikanische Designstandards sind im Uniform Mechanical Code (UMC) bzw. im International Mechanical Code (IMC) gesetzlich festgelegt. In einigen Bundesstaaten, Landkreisen oder Städten können diese Codes durch verschiedene Gesetzgebungsverfahren übernommen und geändert werden. Die Aktualisierung und Veröffentlichung dieser Codes erfolgt durch die International Association of Plumbing and Mechanical Officials ( IAPMO ) bzw. den International Code Council ( ICC ) in einem dreijährigen Entwicklungszyklus. In der Regel sind die örtlichen Bauämter für die Durchsetzung dieser Standards auf privaten und bestimmten öffentlichen Grundstücken zuständig.

Ein HLK-Techniker ist ein Handwerker , der sich auf Heizung, Lüftung, Klimatisierung und Kältetechnik spezialisiert hat. In den USA können HLK-Techniker eine Ausbildung an anerkannten Bildungseinrichtungen absolvieren, wo die meisten einen Associate Degree erwerben . Die Ausbildung umfasst theoretischen Unterricht und praktische Übungen und kann von einem Praktikum gefolgt werden, in dem der Absolvent für einen bestimmten Zeitraum mit einem erfahrenen HLK-Techniker zusammenarbeitet. ^{[ 29 ]} Ausgebildete HLK-Techniker können sich zudem in Bereichen wie Klimaanlagen, Wärmepumpen, Gasheizungen und gewerblicher Kältetechnik zertifizieren lassen.

Das Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE) ist ein Berufsverband, der die wesentlichen Gebäudetechniksysteme abdeckt. Dazu gehören die Bereiche Elektrotechnik, Heizung , Lüftung , Klimatechnik, Kältetechnik und Sanitärtechnik . Für die Ausbildung zum Gebäudetechniker sind in der Regel Qualifikationen in Mathematik und Naturwissenschaften erforderlich, wie beispielsweise GCSEs (AC) in England oder Standard Grades (1-3) in Schottland. Arbeitgeber setzen häufig einen Hochschulabschluss in einem Ingenieurfach voraus, beispielsweise in Gebäudetechnik, Elektrotechnik oder Maschinenbau. Um Vollmitglied des CIBSE und damit auch beim Engineering Council UK als Chartered Engineer registriert zu werden , benötigen Ingenieure zusätzlich einen Bachelor-Abschluss (Honours Degree) und einen Master-Abschluss in einem relevanten Ingenieurfach. Das CIBSE veröffentlicht mehrere Leitfäden zur HLK-Planung (Heizung, Lüftung, Klimatisierung) für den britischen Markt sowie für Irland, Australien, Neuseeland und Hongkong. Diese Leitfäden enthalten verschiedene empfohlene Planungskriterien und -normen, von denen einige in den britischen Bauvorschriften zitiert werden und somit für größere Gebäudetechnikprojekte gesetzlich vorgeschrieben sind. Die wichtigsten Leitfäden sind:

• Leitfaden A: Umweltgestaltung
• Leitfaden B: Heizung, Lüftung, Klimaanlage und Kältetechnik
• Leitfaden C: Referenzdaten
• Leitfaden D: Transportsysteme in Gebäuden
• Leitfaden E: Brandschutztechnik
• Leitfaden F: Energieeffizienz in Gebäuden
• Leitfaden G: Öffentliche Gesundheitstechnik
• Leitfaden H: Gebäudeleittechnik
• Leitfaden J: Wetter-, Sonnen- und Beleuchtungsstärkedaten
• Leitfaden K: Elektrizität in Gebäuden
• Leitfaden L: Nachhaltigkeit
• Leitfaden M: Instandhaltungstechnik und -management

Im Baugewerbe ist es Aufgabe des Gebäudetechnikers, die Installation und Instandhaltung der grundlegenden Versorgungsleitungen wie Gas, Strom , Wasser, Heizung und Beleuchtung zu planen , zu überwachen und zu überwachen . Die Gebäudetechnik ist Teil eines Sektors mit über 51.000 Unternehmen und trägt 2–3 % zum BIP bei .

Verantwortlich sind die Air Conditioning and Mechanical Contractors Association of Australia (AMCA), das Australian Institute of Refrigeration, Air Conditioning and Heating (AIRAH), die Australian Refrigeration Mechanical Association und CIBSE.

Die Temperaturregelung in asiatischen Gebäuden verfolgt andere Prioritäten als europäische Methoden. So konzentriert sich die asiatische Heizung traditionell darauf, die Temperatur von Objekten wie dem Fußboden oder Möbeln wie Kotatsu -Tischen zu halten und Personen direkt zu wärmen, im Gegensatz zum westlichen Fokus in der Moderne auf der Gestaltung von Luftsystemen.

Die Philippine Society of Ventilating, Air Conditioning and Refrigerating Engineers (PSVARE) und die Philippine Society of Mechanical Engineers (PSME) regeln die Vorschriften und Normen für HVAC / MVAC (MVAC bedeutet „mechanische Lüftung und Klimatisierung“) auf den Philippinen.

Die Indian Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ISHRAE) wurde gegründet, um die HLK-Branche in Indien zu fördern. ISHRAE ist ein angeschlossener Verband von ASHRAE. ISHRAE wurde 1981 in Neu-Delhi ^{[ 67 ]} gegründet , und 1989 wurde eine Niederlassung in Bangalore eröffnet. Zwischen 1989 und 1993 entstanden ISHRAE-Niederlassungen in allen größeren Städten Indiens.

• Amerikanische Gesellschaft der Heizungs-, Kälte- und Klimatechniker