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Verfahren und Regelsystem zur Regelung der relativen Feuchte in Innenräumen
Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Gattungsbegriff der Ansprüche 1 und 5 auf cin
Verfahren und ein Regelsystem zum Regeln der raIativen Feuchte in Innenräumen zu
dem Zweck, an der Oberfläche darin befindlicher Körper ein Überschreiten oder Unterschreiten
vorgegebener Werte der reativen Feuchte, insbesondere Feuchtigkeitsniederschlag
beim Erreichen von 100 % relativer Feuchte auf der Oberfläche der Körper zu vermsiden.
Die Fähigkeit der Luft, Wasser in Form von (nicht sichtbarem) "Wasserdampf" zu lösen,
ist sehr temperaturabhängig. In einem Kubikmneter Luft können zum Beispiel bei 20
°C maximal 17 g Wasserdampf gelöst sein, bei 40 °C 51 g, bei 0 °C nur knapp 5 g.
Die "absolute Feuchte" wird in g/m³ angegeben. Die genannten Zahlen sind Süttigungswerte,
cntspreehen also jeweils 100 % 8§relativer Luftfeuchte bei den zugeordneten Lufttemperaturen.
Bei gleichbleibender absoluter Feuchte ändert sich die relativo Feuchte rF um durchschnittlich
5 % rF/K, und zwar mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei einer Raumluft mit bereits hoher
relativer Luftfeuchte genügt also schon eine Abkühlung von wenigen Kelvin, um 100
% rF und damit den "Taupunkt" zu erreichen. Wird die Taupunkttemperatur unterschritten,
so fällt der nicht mohr lösbare Anteil des Wasserdampfes durch Kondensation in Form
von zunächst kleinen Tröpfchen aus. Der sichtbare "Dampf" ist also im physikalischen
Sinn "Nebel", bei. Kondensation auf kühleren Oberflächen durch Taupunktunterschreitung
spricht man auch vom "Betauen".
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Diese Kondensation auf der Oberflache von Körpern ist in bestimmten
Fällen von Nachteil. In Lagerräumen oder technischen Anlagen z.B.
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Kann Feuchtigkeitsniederschlag auf den Lagergütern oder Anlageteilen
Korrosionsschäden oder andersgeartete Wertmimnderungen oder Funktionsstörungen verursachen.
Auf isolierenden Bauteilen elektrischer Anlagen bildet eich bei Feuchtigkeitsniederschlag
in Verbindung mit feinsten Staubteilchen unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung
eine mehr oder weniger leitfähige "Fremdschicht", die die Spannungsfestigkeit der
Anlage cntsprechend herabsetzt. Wenn nicht bereits bei nonnaler Betriebsspannung,
so doch beim Auftreten innerer oder äußerer Über-Spannungen, unter Umständen schon
bei der durch einpoligen Erdschluß
auftretenden stationären Spannungsverlagerung
gegen Erdpotential kann es dadurch zum Fremdschichtüberschlag und zum Lichtbogenkurzschluß
kommen, dessen Auswirkungen u.U. die gesamte Innenanlage zeitweise außer Betrieb
setzen. Die mit der relativen Feuchte verbundenen Probleme sollen nun anhand derartiger
Innenraum-Anlagen erläutert werden, ohne daß die Erfindung darauf berschränkt ist.
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Nach den vorausgehenden Ausführungen ist mit Feuchtigkeitsniederschlag
besonders dann zu rechnen, wenn nach kühler Witterung ein plötzlicher Umschlag auf
feucht-warms Witterung folgt, wobei die allmählich in die Innenanlage einziehende
feucht-warme Luft bei "Taupunktunterschreitung" an der Oberfläche der noch kühleren
Anlagenteile einen Teil ihres gelösten Wasserdampfes als Feuchtigkeitsniederschlag
abgibt.
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Taupunktunterschreitung kann grundsätzlich von jedem Temperaturniveau
aus bei Abkühlung eintreten, also nicht nur im Winter, sondern in jeder Jahreszeit,
wenn auf kühle Witterung ein Umschlag auf schwüle Witterung fogt.
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Im Hinblick auf den in VDE 0670 angegebenen Temperaturbereich von
-5 °C bis +40 °C, innerhalb dessen Schaltgeräte für Innenanlagen voll funktionsfähig
bleiben müssen, besteht also in dieser Hinsicht keine Veranlassung,Innenraum-Schaltanlagen
mit thermostatgeregelter Heizung den ganzen Winter über auf +5 °C oder +10 °C zu
halten.
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Sind in Innenraum-Schaltanlagen die Netzschutz-Relais in Relaisschränken
oder in gesonderten Relaisräumen untergebracht (für die eine untere Temperaturgrenze
von +5 °C empfehlen ist), so darf in der Hochspannungs-Anlage die Temperatur bis
-5 °C sinken. Geht man von einer unteren Temperaturgrenze im Winter von 0 °C aus,
so wären +10 °C bei gleichbleibend halter Witterung im Winter demnach 10 K höher
als erforderlich, was unnötigen Heizungsaufwand bedeutet. Im Frühjahr, bei über
20 °C ansteigenden Außentemperaturen, wäre die konstante Innentemperatur von 10
°C dagegen 10 K zu niedrig. Trotz vorausgegangener Heizung über den ganzen Winter
wäre also bei feucht-warmen Frühjahrswetter die Gefahr möglicher Feuchtigkeitsniederschläge
nicht gebannt. Thermostatgeregelte Heizung, für Wohn-und Arbeitsräume üblich, stellt
also für Innenraum-Schaltanlagen insofern keine -gute Lösung dar, da mit unnötig
hohen Heizungskosten die Betriebssicherheit der Anlage nicht durchweg gewährleistet
ist.
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Mit einem Bruchteil der Heizungskosten läßt nicht höhere Sicherheit
gegen Feuchtigkeitsniederschlag über das ganze Jahr erreichen. Dies ist der Fall,
wenn in bekannter Weise statt der Regelung auf Konstanttemperatur die Heizung mittels
eines auf Temperaturdifferenz entsprechenden Reglers nur dann und nur so lange eingeschaltet
wird, wie die Temperatur der Außenluft etwa 4 K über die Temperatur der Anlagenteile
im Innenraum bzw. eines repräsentativen "thermischen Abbilden derselben (z.B. eines
nicht an Hochspannung liegenden Stützisolators) angenteiegen ist. Bei feucht-warmer
Außenluft würde dann die Heizung zui recht eingeschaltet, bei trocken-warmer Außenluft
wäre die Heizung allerdings u.U. auch dann noch überflüssig. Stellt man den auf
Temperaturdifferenz ansprechenden Regler so ein, daß er bereits bei einer nach bestehenden
Differenz von 2 K die Heizung wieder ausschaltet, so ergeben nicht im Vergleich
zur thermostatgeregelten Heizung jedenfalls wesentlich niedrigere Heizungskosten,
insbesondere aber aus@@ichende Sicherheit gegen Feuchtigkeitsniederschlag, und zwar
nicht nun bei Witterungsumschlag im Winter, sondern durchgehend das ganze Jahr.
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Eine exaktbare Lösung wäre der Vergleich der Taupunkttemperatur der
Raumluft, d.h. der Temperatur, bei der die Luft 100 % @F erreicht, mit der Oberflächentemperatur
der Anlageteile bzw. eines "thermischen Abbildes" @selben. L@@steres ist mit einem
Temperaturfühler auszustatten, während die Taupunkttemperatur der Raumluft mit Hilfe
eines Lithium-Chlorid-Taupunktfühlers ermittelt wird. Beide Meßwerite werden in
einem Temperaturdifferenzregler verglichen, der die Heizung einschaltet, wenn die
Oberflächentemperatur z.B. nur noch 2 K über der Taupunkttemperatur liegt, und bei
4 K wieder ausschaltet. Diese Lösung ist allerdings wagen des Lithiumchlorid-Taupunktfühlers
aufwendiger als die vorausgehend beschriebene. Außerdem sollten LiCl-Fühler im Abstand
von 2 bis 3 Montage regeneriert oder ihr Einsatz ausgewachselt werden. Das ist auch
erforderlich und vom Betriebspersonal zu beachten, wenn die Versorgungsspannung
(Wechselspannung) einige Zeit abgeschaltet war. Aus diesen Gründen dürften Regelsätze
dieser Art für den Einsatz in nicht ständig besetzten Anlagen der Elektrizitätsvorsorgungsunternehmen
(FVU) weniger geeignet sein.
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Andere Meßeinrichtung zur Bestimmung des Taupunktes und der relativen
Luftfeuchte sind bekannt.
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Von verschiedenen Meßeinrichtungen für diese Meßgrößen seien hier
nur kurz erwähnt das Taupunktpsychometer, bei dem die Taupunkttemperatur erfaßt
wird, wenn eine spiegelblanke Oberfläche bei künstlicher Abkühlung anfängt zu betauen,
und das Aspirationspsychrometer nnch Assman, mit d9m die relative Luftfeuchte aurn
dor Differenz dar Tei'mometeranzo igen eines Trocken- und eines Feuchtthermometers
mit hilfe von Kurvenscharon indirekt ermittelt wird.
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Beide Verfahren und Geräte eignen sich fifr laboratoriumsmäßigen Einsatz
und zur Eichung anderer Geräte (z.B. Haarhygrometer und liygrographen), dagegen
kaum für betriebsmäßigen Einsatz.
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Hydrometer mit Haarharfe oder Spezialkunststoffband ändern ihre Länge
abhängige von der relativen Luftfeuchte. Ohne zeitweise Eichkontrolle ist keine
hohe Genauigkeit zu erwarten. Wird die relative Feuchte als elel-trische Meßgröße
benötigt (z.B. zum Vergleich mit der Temperatur als elektrische Meßgröße), dann
muß die (sehr kleine) Längeänderung durch einen entsprechenden Meßwertgeber umgesetzt
werden.
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Mittels diescr Meßeinrichtungen, die an sich nur zur Erfassung der
relativen Feuchte der Raumluft geeignet sind, oine Regelung der relativen Feuchte
im Innenraum durchzuführen, führt nicht zur Lösung des Probleme, denn dio relative
Feuchte der Ratimluft allein sagt-noch nichts aus über die relative Luftfeuchte
unmittelbar auf der Oberfläche der Anlagenteile (und deren Betauung), da die beiden
Feuchtewerte nur bei genauer Temperaturgleichheit übereinstimmen. Bei Temperaturdifferenz
ergibt sich - wie oben erwähnt - eine Abweidiung von etwa 5 % rF/K.
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Es ist daher bislang eine weitere Größe,wie die Oberflächentemperatur
der Anlagenteile (bzw. eines "thermischen Abbildes" dersell>en) notwendig gewessen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Regelsystem
zur Regelung der relativen Feuchte in Innenräumen anzugeben, das mit nur einer Meßgröße
für die Feuchtigkeitsaussage Auf der Oberfläche der Anlagenteile oder Lagergüter
oder eines repräsentativ als "thermisciies Abbild11 dienenden Körpers auskommt.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß
die relative luftfeuchte direkt auf der Oberfläche mindestens eines im Innenraum
befindlichen Körpers erfaßt wird und bei Überschreiten eines Ansprechwertes die
relative Luftfeuchte des Innenraumes herabgesetzt wird,
bis die
relative Luftfeuchte auf der Körperoberfläche dem Ansprechwort angeglichen ist.
Soll in anderen Fällen ein gewisser Mindestwert der Oberflächenfeuchte eingehalten
werden, so ist beim Unterschreiten eines Ansprechwertes die relative Luftfeuchte
des Innenraumes heraufzugetzen, bis die relative Luftfeuchte auf der Oberfläche
dem Ansprechwert angeglichen ist.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Regelsystem gelöst, bei dem ein
Oberfläch@@@ uchtefühler in Form einer feuchtenabhängigen Dünnschicht-Kapazität,
z.B. bestelend aus einem an sich bekannten feuchtabhängigen Dünnschict-Dielektrikem
mit aufgedampften Edelmetallelektroden vorgesehen ist, welche mit gutem thermischen
Kontakt, z.B. mittels Spezialkleber, auf der Körperoberfläche angebracht ist, so
daß die Oberflächentemperatur und Oberflächenfeuchte auf dieser Dünnschicht-Kapazität
den entsprechenden Werten der übrigen, von der Dünnschicht-Kapazität nicht bedeckten
Körperoberfläche gleichgesetzt werden können, und daß ein an Regler vorgezehen ist,/
dem ein Sollwert für die relative Oberflächenfeuchte als Ansprechwert eingestellt
ist, welcher meßseitig mit dem Oberflächenfeuchtefühler und ausgehgsseitig mit einer
Einrichtung zum Heraufsetzen bzw. Herabsetzen dor Temperatur, oder zum Herabsetzen
bzw.
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Heraufsetzen der absoluten Luftfeuchte verbunden ist.
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Alle zuvor beschriebenen Verfahren und Regeleinrichtungen sind im
Hinblick auf den Zweck, Feuchtigkeitsniederschlag auf Anlagenteilen von Innenanlagen,
Lagergütern usw. oder Körpern als "thermisches Abbild" zu vermeiden, als indirekte
Verfahren zu bezeichnen. Bei der Erfindung wird direkt erfaßt, was eigentlicht letzten
Endes interessiert, nämlich die relative Luftfeuchte direkt auf der Oberfläche der
Anlagenteile oder Lagergüter, oder eines "thermischen Abbildes" derselben. Als Meßgröße
ist dabei allein deren Oberflächenfeuchte notwendig. Es können dabei auch relative
Feuchten <100% gemessen werden.
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An einen Fühler zur Erfassung der relativen Luftfeuchtc direkt auf
der Oberfläche der Körper, z.B. eines Isolatores, sind verschiedene Anforderungen
zu stellen: a) kleine Wärmekapazität b) kleiner Wärmodurchgangswiderstand c) kleines
Volumen im Vergleich zu dem Körper, auf dem er angebracht ist, und verhältnismäßig
große thermische Kontaktfläche, d.h. es ist auf der Körperoberfläche ein plättchenförmiger
Fühler anzubringen, dessen Oberflächentemperatur und Oberflächenfeuchte den
entsprechenden
Werten der übrigen, vom Fühlerplättchen nicht bedeckten Körperoberfläche gleichgesetzt
werden können.
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Ein Feuchtefüler, der sich für den vorliegenden Zweck vorzugsweise
eignet, ist in anderem Zusammenhang durch die DT-AS 2365826 der Firma Vaisala, Helsinki,
bekauat gewerden.
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Es handelt sich hierbei um ein kleinen Fühlerplättchen, das sich mit
einem Spezialkleber mit gutem Wärmekontakt auf der Oberfläche der Körper, z.B. eines
"thermischen Abbildes" in Form eines nicht mit der Betriebsspannung der Anlage beaufschlagten
Isolators,anbringen läßt.
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Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
wird die Erfindung näher beschrieben, und zwar im Zusammenhang mit einer elektrischen
Innenanlage.
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Für den Meßteil dient als "thermisches Abbild" für die isolierenden
Bauteile in der Anlage ein üblicher 20 kV-Sießherzstützer 1, auf dessen Oberfläche
zwischen dem ersten und zweiten Ring das Oberflächenfeuchtefühler.
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plättchen 2 aufgeklebt ist.
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Dieser Sensor 2 setzt die relative Luftfeuchte direkt in eine elektrisch
meßare Größe um. Es handlet sich um einen Dünnschicht-Polymer-Kondensa-5 mm x tor
mit den Abmassungen von etwa/ 5 mm x 0,5 mm und einer Kapazität um 50 pF. Auf einem
dünnen Glasplättehen ist eine µ-dicke Schicht eines als Dielektrikum dienenden polymeren
Kunststoffen aufgetragen. auf dem, kammförmig ineinandergreifend, Edelmetall-Elektroden
aufgedampft sind. Der # - Wort des Kunststoffes dürfte bei otwa 4, der #-Wert der
aus der Luftfeuchte hineindiffundierenden Wassermoleküle bei etwa 80 liegen. Mit
zunehmender relativer Luftfeuchte steigt die Anzahl der im Dielektrikum enthaltenen
Wasserdampfmoleküle, damit der resultierende #-Wort und damit wiederne die Kapazität.
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Oberhalb des Stüzerkopfes 1a, über kurze Zuleitungen 3 verbunden,
befindet sich -thermisch isoliert gegenüber dem Stützer zur Vermeidung thermischer
Rückwirkung - die Oszillatorelektronik 4, deren Ausgangsspannung, angegeben in mV,
dem Prozentwert der relativen Luftfeuchte entspricht. Für die Temperaturbegrenzungnach
unten auf 0°C (anstelle der nach VDE zulässigen -5°C) dient ein pillenförmiger NTC-Halbleiterwiderstand
5 mit engtoleriertem, großem Temperaturkoeffizient. Zur Verbindung mit dem Rogelteil
6 sind sechs Klemmen volgesehen, zwei 7 für die Versorgung mit
stabilisierter
Gleichspannung, zwei 8 für die der relativen Luftfeuchte proportionale Ausgangsspannung
und zwei 9 für den NTC-Widerstand zur Kontrolle der Raumtemperatur.
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Durchgoführte Versuchu haben gezeigt, daß die Anzeige des Feuchte-M;'ßwertgebers
durch salzhaltige Kieselgurschicht nicht beeinflußt wird. Es kann daher angenommen
werden, daß auch die in Innenraumanlagen vorkommenden salzhaltigen Staubablagerungen
die Anzeige des Meßwertgebers nicht beeinflussen. bei einem Einsatz in Innenraum-Anlagen
ist auf die Empfindlichkeit des Meßwertgebers gegenüber mechanischen Berührungen
zu achten. Die Kopfausrüstung des Stützers ist deshalb mit einer Sch'itzhaube, die
einen Ringspalt offenläßt, überdeckt.
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Über eine abgeschirmte sechsadrige Meßleitung 10 ist der Meßteil mit
dem Regelteil 6 verbunden.
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Die Funktion des Oberflächen-Feuchtewächter-Regelsatzes ist wie folgt:
Überschreitet bei Witterungsumschlag von kühler auf feucht-warme Witterung die relative
Luftfeuchte auf der Oberfläche des noch kühlen thermischen Abbildes (Stützisolators)
den im Regelteil eingestellten Ansprechwert 80 % rF, dann schaltet der Regler die
an den Wänden der Innenanlage installierten Heizlüfter ein. Die zu installierende
Heilzleistung richtet sich nach Grösse und Bauart des Raumes und nach den örtlichen
klimatischen Bedingungen. Sie sollte so groß gewählt werden, daß auch bei plötzlichem
Umschlag von kaltor auf feucht-warme Witterung die allmählich in den Innenraum einziehende
feucht--warme Luft nicht mehr mit Anlagenteilen in Berührung kommt, deren Oberflächentemperatur
noch nicht über die Tau -punkttemperatur angehoben ist. In unseren Breiten kann
als spezielle Heileistung, bezogen auf die Raumgröße, etwa 20 W/m³ angenommen werden.
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Die trocken-warme Luft der Heizlüfter erwärmt die Anlagenteile und
deren thermisches Abbild. Mit steigender Oberflächentemperatur nimmt die relative
Luftfeuchte nb. Wach verhältnismäßig kurzer Aufheizung schaltet der Regler die Ijeizljifter
wieder aus. Ist die Temperatur der Isolierkörper noch nicht ausreichend nachgeführt,
so daß deren Oberflächentemperatur danach wieder etwas abfällt und dabei die Oberflächenfeuchte
nochmals 80 % rF erreicht, dann wiederholt sich das Spicl.
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Unabhängig von der Oberflächenfeuchte schaltet der Regler die Heizung
nach dann ein, wenn am Temperaturfühler die untere Temperaturgrenze 0°C unterschritten
wird.
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Die Funktionskontrolle im Regelteil erkennt Meßwerte <10 mV oder
>9D mV (dic Feuchtewerten <10 % rF bzw. >90 % rF entsprechen) als Funktionsstörung
des Systems, da diese Werte nicht vorkommen, wenn Feuchtefühler, Oszillator, Meßleitung
und schließlich auch das Heizungssystem - das ja ein Aitsteigcn der Oberflächenfeuchte
bis zu 93 % rF verhindern soll - in Ordnung sind. l3ei Störung leucHtet die rote
1'D-Anzeige, das Störmelde-Relais fällt nach 1,5 s ab und gibt Störungsfernmeldung.
Da auch ein Ausfall der Versorgungsspannung oder des Regler-Netzteiles ferngemeldet
wird, ist im Hinblick auf Spannungsrückgang bei Netzstörungen und bei KU-Schaltungen
die Störmeldeunterdrückung von 1,5 s zweckmäßig. "Betriebsbereitschaft" wird durch
gräue, "Heizung EIN" durch gelbe LED-Anzeige am Regelteil kenntlich gemacht.
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Der Meßteil ist im Hochspannungsraum so zu installieren, dnß er als
repräsentatives thermisches Abbild der Anlagenteile möglichst die ungünstigsten
Verhältnisse tiedergibt. Er soll also beispielsweise nicht unmittelbar von der Warmluft
der Heizlüften oder von zeitweiliger Sonneneinstrahlung durch ein Fenster beeinflußt
werden. Den Regelteil wird man am einfachsten in der Niederspannungsverteilung der
Anlage unterbringen.
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In Sonderfällen (z.B. in Bunkerstationen, in Pumpwerken der Wasservorsorgung
mit großen Rohrleitungen usw.), wo im Sommer kühle Betonwände oder sostige große
Massen nur mit größerem Heizungsaufwand erwärmt worden könnten, kann es verteilhafter
sein, din Raumluft zu troclcnon, indem man sie an der kalten Oberfläche des Verdampfers
eines Kühlaggregates vor-beileitet, um ihr dort durch Kondensation einen Teil ihres
Wasserdampfgehaltes zu entziehen. Auch mit diesem, hinsichtlich Investitionskosten,
Platzbedarf und Wartung etwas aufwendigeren Verfahren läßt sich Feuchtigkeitsniederschlag
vermeiden. Als Regelkriterium gilt hier ebenfalls nicht die relative Luftfeuchte
im Raum, sondern die an der Oberfläche dor zu schützenden Anlagenteile sich einstellende.Übereinstimmung
der luftfeuchte ergäbe sich - wie bereits erwähnt - nur bei genau gleicher Temperatur.
Für die Ein-Aus-Regelung des Kühlaggregates eignet sich demnach auch bei diesem
Verfahren der Oberflächen-Feuchtewächter. Auch in elektrischen Innenanlagen ist
dio Methode der Lufttrocknung anstelle dor heizung möglich. Hinsichtlich der zu
wählenden Gerätoleistung gelten
@inngemäß die vorstehend. für die
Wahl der Heizleistung angestellten Überlegungen.
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Isolationsminderung elektrischer Anlagenteilz ist nicht die einzing
mögliche Auswirkung von Feuchtgkeitsniederschlägen in abgeschlossenen Innenräumen,
die nicht wie Wohn- oder Arbeitsräume beheizt und belüftet sind. Auch andere Anlagenteile,
Geräte, Lagergüter u.N. können nachteilig beeinflußt werden, z.B. durch Korrosionsschäden
an Maschinen und Geräten, Abblättern von Farbanstrichen und Putz, Aufquellen von
Holz, modviger Geruch und Ansiedlung von Ungeziefer. Auch solche durch Feuchtigkeitsniederschläge
entstehenden Schäden können u.U. ein Vielfaches der Aufwendungen für mögliche Gogenwaßnahmen
betragen.
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Die Regelung kann so durchgeführt werden, daß die Beeinflussung der
Inneuraumfeuchte nur dann durchgeführt wird, wenn ein oberer oder unterer Grenzwert
der Oberflächenfeuchte überschritten bzw. unterschritten wird (Grenzwertregelung).
Natürlich kann der Regler auch so arbeiten, deß auf einen bestimmten Wert der Oberflächenfeuchte
eingeregelt wird.