DE4203800C2 - Vorrichtung zur Regulierung der relativen Luftfeuchtigkeit in geschlossenen Räumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, mit der in umschlossenen Lufträumen, wie z. B. in relativ dichten Museumsvitrinen, definierte Werte der relativen Luftfeuchtigkeit erzielt und konstant gehalten werden können.

Es ist bekannt, daß die relative Luftfeuchtigkeit (RF) auf eine Vielzahl von Prozessen und Phänomenen einen großen Einfluß ausübt. So steht z. B. das Oxydieren von Metallen oder das Wachstum von Schimmelpilzen in direktem Zusammenhang zur RF.

Andere Materialien wie z. B. Holz sind außerdem sensibel gegenüber Schwankungen der RF, d. h. sie reagieren auf schwankende RF durch kontinuierliches Schrumpfen. Mitunter können durch unkontrollierte Luftfeuchtigkeitswerte daher erhebliche Schäden entstehen.

Die in vielen Fällen beste Möglichkeit, solche Schäden gering zu halten oder zu begrenzen, besteht darin, die das Objekt umgebende RF künstlich zu verändern.

Bisher standen zur Regelung der Luftfeuchtigkeit im wesentlichen drei Methoden zur Auswahl:

1. Elektrische Be- und Entfeuchtung. Sie hat den Nachteil, Strom zu benötigen und durch die komplizierte Technik störanfällig zu sein. In den Entfeuchtungselementen wird die Luft über ein Kühlaggregat geführt, wobei sich Wasser niederschlägt, das anschließend abgeführt wird. Die Kühlaggregate arbeiten meist nach dem Prinzip des Kompressors, was Geräusche und leichte Erschütterungen mit sich bringt. Bei niedrigen Temperaturen laufen die Kühlaggregate Gefahr, zu vereisen.

Die elektrischen Geräte haben zwar den Vorteil, stufenlos auf einen gewünschten Wert einstellbar zu sein, doch sind die Meßfühler bauartbedingt nie sehr genau. Mit der Zeit, und vor allem bei niedriger RF, können sich leicht ernstzunehmende Abweichungen ergeben.

2. Feuchtigkeitsregulierung durch wasseradsorbierende Stoffe, sog. "Klimapuffer" (Silikagel . . .).

Der Klimapuffer wird z. B. durch langen Aufenthalt bei definierter RF, beispielsweise in einer elektrisch klimatisierten Kammer, in einen Zustand gebracht, wo er bei dieser definierten RF mit der Luft im Gleichgewicht ist. D. h., bei dieser definierten RF nimmt der Klimapuffer weder Wasser auf noch gibt er Wasser ab. Man sagt dann, der Klimapuffer sei auf diesen definierten RF-Wert "konditioniert".

Wird eine ausreichende Menge eines solchermaßen konditionierten Klimapuffers in einen umschlossenen Luftraum, z. B. eine Vitrine, gebracht, so ist er in der Lage, die RF in der Vitrine seinem Konditionierungswert anzugleichen. Mit anderen Worten, war die RF in der Vitrine höher als der Konditionierungswert, wird der Klimapuffer der Vitrinenluft Wasser entziehen, war er niedriger, wird der Klimapuffer Wasser abgeben. Je nachdem, wie hermetisch der Luftraum abgeschlossen ist, kann der Klimapuffer die RF des Luftraums über kürzere oder längere Zeit unabhängig von Temperaturschwankungen konstant halten.

So sinnvoll dieses Verfahren für manche Zwecke auch ist, für die Langzeit-Klimatisierung von nicht vollständig hermetisch abgeschlossenen Lufträumen zeigt es sehr schnell seine Grenzen.

Glasvitrinen dürfen beispielsweise nie vollständig hermetisch sein, da sie sonst durch die Schwankungen des atmosphärischen Luftdrucks zerdrückt würden. Findet aber ein Austausch zwischen Luftraum und Außenluft statt, weicht die RF in der Vitrine recht schnell vom Konditionierungswert ab. (Bei 1 kg einer zu diesem Verwendungszweck typischen Sorte von Silikagel, konditioniert bei 50% RF, weicht die RF in der Vitrine nach Aufnahme von nur 20 g Wasser bereits um 10% RF ab und befindet sich dann bei 60% RF. Quelle: M. Berducou: "La conservation en archologie", Paris 1990, S. 434).

Klimapuffer sind demnach nicht in der Lage, in einem nicht ganz hermetisch abgeschlossenen Luftraum die RF über eine längere Zeit auf einem definierten Wert konstant zu halten.

3. Klimatisierung durch gesättigte Salzlösungen. Dieses Verfahren ist beschrieben in DIN 50 008: "Konstantklimate über wäßrigen Lösungen":

»Im Luftraum über wäßrigen Lösungen bildet sich ein Umgebungsklima, dessen Luftfeuchte vom Wasserdampfdruck der Lösung abhängig ist. Hierbei ist in einem Klimaraum bei gleicher Temperatur der wäßrigen Lösung und der Luft nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes der Teildruck des Wasserdampfs in der Luft gleich dem Wasserdampfdruck über der Lösung. Dieser Teildruck ist niedriger als der Wasserdampfdruck über reinem Wasser. Mit den hier (in DIN 50 008) ausgewählten Lösungen können bei geeigneter Konstruktion des Klimaraums in einem eingeschränkten Anwendungsbereich einzelne Konstantklimate erzeugt werden . . .«

Einschneidende Einschränkungen dieser Methode sind ebenfalls in DIN 50 008 genannt:

• a) Mit dem Verfahren sind ohne Ventilation nur sehr kleine Räume (bis 10 dm³) klimatisierbar:
  »Der Anwendungsbereich wird beschränkt durch die nicht steuerbare begrenzte Wasseraufnahme und -abgabe der wäßrigen Lösung. Damit ist das Erreichen des erwarteten Gleichgewichtszustandes abhängig von den Größenverhältnissen des Klimaraums, seiner Dampfdichtigkeit und der darin vorhandenen Temperaturabweichungen, ebenso von der Luftumwälzung wie von der Wasseraufnahme und -abgabe der eingesetzten Objekte . . .«
• b) Größere Räume müssen ventiliert werden:
  »Klimaräume mit einem Inhalt größer als 10 dm³ sind so zu ventilieren, daß eine Luftumwälzung ohne wesentliche Temperaturerhöhung und Aerosolbildung bei Luftgeschwindigkeiten unterhalb v = 0,1 m/s möglich ist . . .«
• c) Die Luft im Klimaraum muß weniger als 0,5°C verschieden sein von der Temperatur der Salzlösung:
  »Auch bei einer Temperaturunabhängigkeit der relativen Luftfeuchte einer wäßrigen Lösung ist bei räumlichen und zeitlichen Unterschieden der Lufttemperatur von z. B. 1°C gegenüber der Lösung eine zusätzliche Abweichung der relativen Luftfeuchte von U = 3-5% vorhanden . . .«
• d) Manche Salze haben die Eigenschaft, Kriechsalze auszubilden, die entlang der Behälterwand emporkriechen können:
  »Die Objekte sind über der wäßrigen Lösung derart anzuordnen, daß sie nicht die Lösung berühren oder von Kriechsalzen erreicht werden können . . .«

Die Hindernisse und Gefahren bei dieser Methode sind also so gravierend, daß diese z. B. zur Klimatisierung von Vitrinen praktisch keine Anwendung fand. Es ist einerseits kaum möglich zu gewährleisten, daß der Temperaturunterschied zwischen Vitrinenluft und Salzlösung kleiner als 0,5°C bleibt. Andererseits ist es sehr schwierig, eine Ventilation bei so geringen Luftgeschwindigkeiten zu erreichen - die möglichst auch noch wenig Platz beansprucht und nicht sichtbar ist. Ein Fehler beim Ventilationssystem, der Aerosolbildung zur Folge hätte, könnte für eingesetzte Objekte fatale Folgen haben, wenn Salznebel sich auf den Objekten niederschlagen. Ähnliches gilt, wenn Kriechsalze allmählich die Vitrine durchwandern.

Aus der DE-PS 9 48 398 ist eine Vorrichtung zum Konstanthalten des Feuchtigkeitsgehalts der Luft in Klimaschränken bekannt, bei der ein Schwammkörper mit einer Salzlösung getränkt ist, wobei der Schwammkörper in einem Behälter auf einem Siebrost untergebracht ist und der Raum unterhalb des Siebrostes so weit mit der Salzlösung gefüllt ist, daß diese den Schwammkörper benetzt. Auch hier ergeben sich die unter 3. beschriebenen Nachteile.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Klimatisierungsvorrichtung vorzuschlagen, die es ermöglicht, auch Lufträume <1 m³ stromlos, geräuschlos und störungsunanfällig auf definierte RF-Werte zu bringen und über lange Zeit wartungsfrei weitgehend konstant zu halten. Temperaturschwankungen dürfen sich auf die RF nur geringfügig auswirken.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Behälter, in dem sich eine wie z. B. in DIN 50 008 beschriebene gesättigte Lösung eines hygroskopischen Salzes befindet, durch einen gasdurchlässigen Aufsatz abgedeckt wird, welcher stark wasseradsorbierendes Material (Klimapuffer) enthält.

Die Funktionsweise ist wie folgt:
Das wasseradsorbierende Material wird durch das oberhalb einer gesättigten Salzlösung herrschende Konstantklima auf dessen definierten RF-Wert konditioniert, d. h. der Dampfdruck des Klimapuffers gleicht sich dem Dampfdruck der gesättigten Salzlösung an. Es ist nun vor allem der Klimapuffer, der in Wechselwirkung mit der im zu klimatisierenden Raum befindlichen Luft tritt.

Da die Oberfläche des Klimapuffers im Mikrobereich sehr viel größer ist als die der Salzlösung, kann der Klimapuffer sehr viel schneller im zu klimatisierenden Raum auftretende RF- Schwankungen ausgleichen, als wenn ausschließlich eine Salzlösung verwendet würde. Solange die Wasserdampfaufnahme oder -abgabe des zu klimatisierenden Raums (infolge von Undichtigkeiten) gegenüber der Wasserdampf-Austauschkapazität der Salzlösung gering bleibt, ist somit eine Klimatisierung auch von größeren Lufträumen (auch <1 m³) auf den definierten RF- Wert der Salzlösung ohne Ventilation möglich.

Die Erfindung ist daher den oben beschriebenen Klimatisierungssystemen in vielen Punkten überlegen:

Die Erfindung arbeitet stromlos, geräuschlos und vibrationsfrei. Ein Versagen aufgrund eines Stromausfalls ist ausgeschlossen, ein Vereisen ist oberhalb 0°C unmöglich. Sie arbeitet autonom nach physikalischen Prinzipien und ist daher nicht abhängig von der Funktionstüchtigkeit von Meßfühlern. Durch die große Oberfläche des Klimapuffers ist sie in der Lage, auf rasche RF-Änderungen (z. B. infolge Temperaturschwankungen) schnell zu reagieren. Langzeitschwankungen (z. B. infolge von Undichtigkeiten des zu klimatisierenden Luftraums), werden jedoch durch die langsam agierende Salzlösung ständig wieder ausgeglichen. Der Klimapuffer wird sozusagen durch die Salzlösung ständig neu konditioniert. Selbst nach kurzzeitiger Öffnung des zu klimatisierenden Raums stellt sich das gewünschte Klima immer wieder ein.

Da die Wasseraufnahme- bzw. -abgabefähigkeit einer gesättigten Salzlösung vergleichsweise groß ist, kann die RF, abhängig natürlich vom Grad der Undichtigkeit des zu klimatisierenden Raums, lange konstant gehalten werden.

Eine Anordnung des Klimapuffers oberhalb der Salzlösung bewirkt, daß kurzzeitige Änderungen des Konstantklimas oberhalb der Salzlösung (durch <1°C Temperaturunterschied zwischen Salzlösung und Luft) ebenfalls durch den Klimapuffer abgeschwächt werden und sich somit nur geringfügig auf den zu klimatisierenden Raum auswirken können. Die Abdeckung durch den Klimapuffer bewirkt außerdem, daß die Salzlösung gegen eventuelle starke Luftströme (z. B. durch unachtsame Bewegungen beim Beschicken des zu klimatisierenden Raums) abgeschirmt ist. Es können also nach dem Abdecken der Salzlösung keine Salznebel mehr aufgewirbelt werden.

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Maßnahmen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Um das Emporkriechen von Kriechsalzen zu verhindern, ist es zweckmäßig, die Wandung des Salzlösungsbehälters hydrophob zu gestalten. Hydrophile Behälter können durch Beschichten mit hydrophoben Materialien wie Vaseline hydrophobisiert werden.

Sind die Temperaturschwankungen im Luftraum besonders hoch, oder werden besondere Ansprüche an die Konstanz der RF gestellt, läßt sich der Wasseraustausch zwischen Klimapuffer und zu klimatisierendem Luftraum durch zusätzliche Ventilation noch beschleunigen. Da die Salzlösung abgedeckt ist, besteht keine Gefahr, daß Salznebel aufgewirbelt werden. Soll eine Unabhängigkeit vom Stromnetz gewährleistet bleiben, läßt sich ein solcher Ventilator ggf. auch durch ein photovoltaisches Element betreiben, denn oft werden rasche Temperaturänderungen im Luftraum auf Lichteinstrahlung zurückzuführen sein.

Soll ein Überschwappen der Salzlösung beim Hantieren mit dem Salzlösungsbehälter verhindert werden, kann zwischen der Oberfläche der Salzlösung und dem Klimapuffer eine wasserdichte, wasserdampfdurchlässige Membran angebracht werden. Diese Membran kann wasserdicht mit der Behälterwandung verbunden werden.

Man erkennt, daß die Erfindung sicherstellt, daß auch größere Lufträume, sofern sie nur geringe Undichtigkeiten aufweisen, über lange Zeit auf konstanter Luftfeuchtigkeit gehalten werden können. Die Erfindung vereinigt viele der Vorteile der bisher gebräuchlichen stromlosen Klimatisierungssysteme und beseitigt gleichzeitig deren Einschränkungen und Nachteile weitestgehend.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in mittigem Vertikalschnitt:

A: Klimapuffer
B: Aufsatzrahmen
C: Wanne
D: Spiegel der gesättigten Salzlösung
E: ungelöstes Salz
F: Salzlösung

Der Aufsatzrahmen B besteht aus Edelstahl und ist bestückt mit sechs Lagen Klimapuffer-Platten aus in Polyäthylen gebundenem hochaktivem Klimapuffermaterial als Klimapuffer A. Die unterste Lage ist eine durchgehende Platte, die anderen Lagen bestehen aus schmalen Streifen, die kreuzweise übereinandergelegt sind.

Die Wanne C ist aus wasserdichter Keramik gefertigt. Die Innenwände sind zur Hydrophobisierung mit mikrokristallinem Wachs beschichtet und mit Vaseline bestrichen.

Im Inneren der Wanne befindet sich eine gesättigte Salzlösung F mit einem Bodensatz von ungelöstem Salz E. Der Bodensatz ist vollständig vom Wasserspiegel D überdeckt.

Anwendungsbeispiel:

Werden drei Wannen C (Maße: Länge 40 cm, Breite 40 cm, Höhe 10 cm) mit insgesamt 18 kg MgCl₂ Hexahydrat und 2 kg Wasser gleichmäßig gefüllt, mit den entsprechenden Abdeckrahmen B versehen und in eine weitgehend gasdichte Glasvitrine von 1,3 m³ Luftraum gebracht, ergibt sich folgende Rechnung:

Bei 18 kg MgCl₂ (Hexahydrat) und 2 kg Wasser überdeckt die Flüssigkeit den ungelösten Bodensatz bei Raumbedingungen vollständig.

3 kg MgCl₂ können ca. 1 kg Wasser aufnehmen. 6 kg MgCl₂ sind also bereits durch die 2 kg zugegebenen Wassers gebunden. Die restlichen 12 kg sind also in der Lage, der Vitrinenluft insgesamt ca. 4 kg Wasser zu entziehen.

MgCl₂ erzeugt bei 20°C eine RF von 34%.

Wie lange kann die RF in der Vitrine bei ca. 34% konstant gehalten werden?

Angenommen, die Vitrine sei in einer Umgebung mit mittlerer Jahresdurchschnittstemperatur von 20°C und mittlerer Jahres- RF von 55% aufgestellt.

1 m³ Luft bei 20°C und Normaldruck kann ca. 17,5 g Wasser lösen.
1 m³ Luft bei 20°C und 55% RF enthält also ca. 10 g Wasser.
1 m³ Luft bei 20°C und 34% RF enthält also ca. 6 g Wasser.
Um 1 m³ Luft bei 20°C von 55% RF auf 34% RF zu bringen, muß der Luft also ca. 4 g Wasser entzogen werden. Sollen 1,3 m³ Luft bei 20°C von 55% RF auf 34% RF gebracht werden, sind dies also 4 g × 1,3 = 5,2 g.

Wie groß sind die Undichtigkeiten der Vitrine? Gary Thompson geht in seinem Buch "The Museum Environment" (Butterworth Verlag, Londen) davon aus, daß in einer gewöhnlichen in einem Museum verwendeten Klimavitrine sich die Luft pro Tag ein Mal komplett austauscht. In diesem Fall ergäbe sich, daß das Klima 4000 g: 5,2 g/Tag = ca. 760 Tage, also über zwei Jahre lang, konstant gehalten würde. Nach zwei Jahren müßte das Salz erneuert werden. Das ist ein Wartungsabstand, der als äußerst praktikabel angesehen werden kann. Die entnommene Salzlösung kann durch simples Eindampfen regeneriert und ein späteren Verwendung zugeführt werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Regulierung der relativen Luftfeuchtigkeit in geschlossenen Räumen mit einem Behälter, in dem sich eine gesättigte Salzlösung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (C) mit einer Wasserdampf-adsorbierendes Material (z. B. Silikagel) enthaltenden Abdeckung (A) versehen ist, welche mit Abstand zur Oberfläche der Salzlösung angeordnet ist, derart, daß das Wasserdampf-adsorbierende Material durch den Dampfdruck der gesättigten Salzlösung auf einen definierten Feuchtewert konditioniert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (C) mit einer hydrophoben Beschichtung versehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Salzlösung (F) abgewandte Seite der Abdeckung (A) vom Luftstrom eines Ventilators bestrichen wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Salzlösung (F) und der Abdeckung (A) eine Membran aus wasserdichtem, wasserdampfdurchlässigem Material angebracht ist.