Ein Schnellzug bleibt auf einer Brücke stehen. Zu allem Überfluss fällt die Klimaanlage aus. Im Zug wird es daraufhin unerträglich warm. Einzelne Personen brauchen sogar medizinische Hilfe ...

Eigentlich will man nur jemanden besuchen oder ein fremdes Land bereisen, und dann hat man den Salat: Der Zug steht, und durch die Fenster fällt Sonnenstrahlung ins Zuginnere. Sie heizt alle Oberflächen auf. Das merkt man unmittelbar, wenn man einen Fensterplatz auf der Sonnenseite hat. Die durch die Fenster eingetretene Strahlung wird im Zug in Wärme umgewandelt und kann ihn nicht auf demselben Weg wieder verlassen.

Der Zug ist ein fahrender solarthermischer Kollektor, oder genauer gesagt: ein fahrendes Treibhaus. Die Energiemenge pro Zeit, die durch ein Fenster in einen Raum fällt, ist Teil der Kühllast des Raums. Ihre Berechnung bei Gebäuden ist Thema wichtiger Richtlinien wie die VDI 2078. Man benötigt sie, um Klimaanlagen richtig dimensionieren zu können.

Wer eine Balkonsolaranlage sein Eigen nennt, weiß, wie wenig Fläche schon für erkleckliche Leistungen ausreicht. Ein Fotovoltaik-Panel mit der Fläche eines ICE-Fensters kann durchaus 200 Watt elektrische Leistung erzeugen. Tatsächlich kommen auf der Erdoberfläche unter (für die Energieerzeugung) günstigen Bedingungen geschätzt rund 1.000 Watt Sonnenenergie je Quadratmeter an.

Diese Energie kann durch geeignete Elemente, zum Beispiel solarthermische Kollektoren oder Fotovoltaik-Module, wie Balkonkraftwerke, teilweise in Wärme respektive elektrische Energie umgewandelt werden. Der Wärmeeintrag durch Sonneneinstrahlung durch die Fenster kann sogar so groß sein, dass er im Winter die Heizung entlastet. Im Sommer stört die Wärme. Sie muss abtransportiert werden, damit es nicht zu warm wird.

Ja. Eine sitzende Person gibt ganz grob gut 100 Watt Wärmeleistung ab. Bei fast 100 Personen je Waggon kommt so eine erhebliche Kühllast zustande. Zusätzlich zur Sonneneinstrahlung. Zudem arbeiten viele Reisende während der Zugfahrt am Notebook. Ein aktuelles Notebook nimmt beispielsweise 70 Watt elektrische Leistung auf, die ebenfalls als Abwärme in den Raum entweicht.

Und: Personen geben auch Wasserdampf ab (siehe „Welche Wirkung hat ein Ventilator?“). Ist die Luft feucht und warm, empfinden wir dies als unangenehme Schwüle. Nun, all diese Lasten müssen im Sommer ständig aus dem Waggoninnern abtransportiert werden. Sonst wird es eben sehr schnell sehr warm.

Ähnlich wie die Wärmepumpen, die im Moment in aller Munde sind, nur umgekehrt: Während Wärmepumpen den Innenraum heizen, indem sie Außenluft abkühlen und die aufgenommene Wärme ins Gebäude transportieren, erwärmen Klimaanlagen die Außenluft und kühlen das Waggon- oder Gebäudeinnere ab. Beide Anlagenarten erzeugen keine Wärme oder Kälte, sondern transportieren („pumpen“) Wärme von einem Ort zum anderen. Die Innenraumluft des Waggons wird dazu an einem Wärmeübertrager entlanggeführt, in dem ein Kühlmittel fließt. Das Kühlmittel ist kälter als die Luft und nimmt daher die Wärme von der Luft auf. Die Luft wird also kühler, das Kühlmittel wärmer und verdampft.

Das Kühlmittel wird einem steten Kreisprozess aus wiederholter Verdampfung unter Wärmeaufnahme (innen) und Kondensation unter Wärmeabgabe (außen) unterworfen, mittels dessen es die aufgenommene Wärme aus dem Waggon „pumpt“. Damit die Wärme außen an die Luft abgegeben werden kann, muss die Anlage das Kühlmittel durch Verdichtung wärmer machen als die Außenluft. Es hilft, wenn – bei einem Gebäude durch Wind, beim Zug durch Fahrtwind – ständig Außenluft an der Anlage vorbeiströmt. Je wärmer es draußen ist, desto schwieriger wird es, die Wärme nach außen zu transportieren. „Schwieriger“ bedeutet: Es muss mehr Energie aufgewendet werden. Es bedeutet auch, dass irgendwo eine Grenze erreicht ist, ab der die Anlage nicht mehr funktionieren kann, siehe dazu unten.

Häufige Ursache für das Versagen von raumlufttechnischen Anlagen (umgangssprachlich: Klimaanlagen) ist fehlende Instandhaltung. Die Hersteller konzipieren ihre Systeme für den sogenannten bestimmungsgemäßen Betrieb und gewährleisten eine festgelegte Zuverlässigkeit der Systeme – unter den als normal angenommenen Bedingungen. Ferner gehen sie davon aus, dass die Anlagen in bestimmten, vorgegebenen Intervallen instandgehalten werden. Das heißt, sie werden inspiziert und bestimmte Teile und Medien werden erneuert.

Hier spielt die Instandhaltungstrategie des Betreibers eine wichtige Rolle: Bei vorausschauender Instandhaltung tauscht er auch intakte Teile aus, wenn Erfahrungen vorliegen, die absehbar einen Ausfall erwarten lassen. Bei reaktiver Instandhaltung wartet er, bis etwas kaputtgeht. Und je nach Komplexität der Anlage fallen sehr unterschiedliche und teils auch sehr umfangreiche Instandhaltungsaufgaben an.

Jede Anlage wird nur in dem bestimmten Temperaturbereich optimal (und überhaupt) funktionieren, für den sie ausgelegt ist; dazu wurde bereits einiges gesagt. In unseren Breiten wird die Anlage anders ausgelegt werden als beispielsweise in Saudi-Arabien. Durch den Klimawandel treten jedoch auch bei uns immer höhere Extremtemperaturen auf. Die „Pumphöhe“ der Wärmepumpe ist endlich. Wird es gar zu heiß, kann eine Klimaanlage ihren Job nicht mehr leisten. Basis der Auslegung von Klimaanlagen sind Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes sowie Vorgaben des Käufers einer Klimaanlage darüber, welche Innenraumtemperaturen er als tolerabel ansieht sowie darüber, wie oft im Jahr diese Temperaturen überschritten werden dürfen.

Extreme Hitze (und, wie oben erklärt, fehlender Fahrtwind) kann dazu führen, dass der Auslegungsbereich der Anlagen verlassen wird. Im besten Fall reicht dann die Kühlleistung schlicht nicht aus, um die gewünschten Temperaturen im Waggon zu erreichen. Es wird dann einfach ein bisschen wärmer. Im schlechtesten Fall quittiert die Anlage den Dienst, weil sie entweder von einem Schutzsystem zur Vermeidung von Überlast abgeschaltet wird oder weil sie kaputt geht. Moderne Klimaanlagen enthalten auch viel Elektronik. Die arbeitet auch nicht bei beliebig hohen Temperaturen.

Auch der Mensch hat eine „Schutzabschaltung“. Wir bestehen zu großen Teilen aus Proteinen. Was mit Protein, umgangssprachlich auch Eiweiß genannt, passiert, wenn es über 41 Grad Celsius erhitzt wird, kann man sich beim Zubereiten eines Spiegeleis ansehen: Das Eiweiß denaturiert. Dr. Eckart von Hirschhausen hat es unlängst in einer Talkshow auf den Punkt gebracht, als er sagte, dass bei zu großer Hitze „das Gehirn im Arsch“ ist.

Damit das nicht passiert, sorgen verschiedene Mechanismen im Körper dafür, dass wir möglichst wenig Abwärme erzeugen, wenn es zu warm wird: Wir fühlen und träge und müde und haben wenig Anreiz, uns zu bewegen oder anstrengende Gedanken zu verfolgen. Das Gehirn macht rund zwei Prozent der Körpermasse des Menschen aus. Es verbraucht aber rund 20 Prozent der Energie. Schaltet man große Teile des Gehirns ein paar Gänge runter, lässt sich viel Energie einsparen. Wenn die wärmeinduzierte Trägheit nicht reicht, kann es also sozusagen zu einer Zwangsabschaltung kommen.