Wie funktioniert eine Klimaanlage?

Ist es sehr heiß, muss Kühlung her. Ein Ventilator und ein kaltes Tuch im Nacken können helfen, um über die Runden zu kommen. Mehr Komfort bietet eine Klimaanlage. Sie funktioniert – physikalisch betrachtet – ganz ähnlich wie ein Kühlschrank. Beide Geräte transportieren Wärmeenergie von einem Ort mit niedrigerer Temperatur zu einem Ort mit höherer Temperatur. Von sich aus wandert Wärme aber immer nur in Richtung tieferer Temperatur. Darum bedarf es eines Tricks. Der funktioniert mit einem Kältemittel, das durch einen geschlossenen Kreislauf aus Röhren gepumpt wird und sich dabei abwechselnd im flüssigen oder gasförmigen Zustand befindet.

Bei der Klimaanlage verhält es sich folgendermaßen: In das Gebäude strömt flüssiges Kältemittel. Auf dem Weg hinein wird der Druck in der Röhre mithilfe eines Drosselventils verringert, wodurch sich das Kältemittel ausdehnen kann. Das senkt die Temperatur der Substanz bis unter die Lufttemperatur im Gebäudeinneren. Dort findet dann – an einem geschlängelten Rohr und unterstützt durch ein Gebläse – ein Wärmeaustausch mit der Luft statt. Auf diese Weise kühlt sich die Innenluft des Gebäudes ab, während sich das Kältemittel in der Röhre allmählich erwärmt. Schließlich verdunstet es.

Das nun gasförmige Kältemittel verlässt das Gebäudeinnere und gelangt in einen Kompressor. Hier wird das Gas stark verdichtet. Infolgedessen stoßen die Moleküle darin häufiger zusammen, wodurch sich das Kältemittel zusätzlich aufheizt. Die Temperatur des Gases steigt deutlich über die Temperatur der Außenluft. Außerhalb des Gebäudes gibt das Kältemittel die aufgenommene Wärme dann an die umgebende Luft ab. Dadurch kühlt sich das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. Im nächsten Schritt leitet die Anlage die Flüssigkeit ins Gebäude zurück und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Funktionsweise einer Klimaanlage

Sowohl Klimaanlage als auch Kühlschrank werden in der Physik als Kraftwärmemaschinen bezeichnet. Denn sie transportieren Wärme mithilfe von mechanischer Energie – einem Kompressor, einer Pumpe und Ventilatoren – von einem kalten in ein wärmeres Reservoir. Dieses Prinzip funktioniert allerdings nur, wenn der Innenraum jeweils geschlossen bleibt. Bei offenen Fenstern funktioniert eine Klimaanlage nur schlecht, weil einströmende warme Luft die Kühlwirkung zunichtemacht.

Viele Klimaanlagen können aber nicht nur die Temperatur senken, sondern auch die Luftfeuchte im Innenraum. Denn wenn sich die Temperatur im Gebäudeinneren abkühlt, steigt die Luftfeuchte langsam an. Der Grund: Kühle Luft kann weniger Wasserdampf speichern als warme. Der in Klimaanlagen zusätzlich eingebaute Mechanismus ist denkbar einfach. An der kühlen Oberfläche der Röhren, durch die das Kältemittel strömt, kondensiert Wasserdampf aus der Luft zu Wassertröpfchen. Dieses Kondenswasser wird gesammelt und nach außen geleitet.

Als Kältemittel für Klimaanlagen und Kühlschränke kamen im Lauf der Zeit verschiedene Substanzen zum Einsatz. Bestimmte chlorierte Kohlenwasserstoffe hat man inzwischen verboten, weil sie die Ozonschicht angreifen. Die Ersatzstoffe haben aber ebenfalls ihre Tücken. Kohlendioxid zum Beispiel ist ein Treibhausgas. Der Ersatzstoff Propan schädigt zwar weder die Ozonschicht noch erwärmt er das Klima, ist aber brennbar. Die Suche nach einem Kältemittel, das effizient, kostengünstig und umweltfreundlich ist, geht daher weiter.