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AutorDr.-Ing. Eckehard FiedlerFa. MW-Zander,52072 Aachen
Berechnung und Simulation von Quell-Luftstrmungen
Quell-Lftungssysteme besitzen energetische und physiologische
Vorteile gegenber
der klassischen Mischlftung. Sie knnen Ihre positiven
Eigenschaften aber nur errei-
chen, wenn gewisse Randbedingungen eingehalten werden. Dieser
Artikel fasst die
Erfahrungen verschiedener experimenteller und numerischer
Untersuchungen von
Quell-Luftstrmungen zusammen.
Das Prinzip der Quell-Lftung (auch Schichtenstrmung genannt)
basiert auf der impulsarmen Zuluftzufuhr und den natrlichen
Auf-triebsstrmungen im Raum, die an vorhandenen Wrmequellen
(Per-sonen, Beleuchtung, elektrische Gerte) entstehen. Das
Quell-Luft-Prinzip bentigt die im Raum vorhandenen Wrmequellen und
dient im Normalfall zur Lftung und Khlung des Raumes. Eine
Beheizung nach dem Quell-Luft-Prinzip ist nicht mglich.Im Bild 1
ist das Prinzip der Quell-Luftstrmung dargestellt. Die ge-genber
der Raumluft khlere Zuluft tritt mit niedriger Geschwin-digkeit
(typisch u0 < 0,2 m/s) impulsarm und mit geringer Turbulenz aus
einem groflchigen Quell-Luftdurchlass aus und gleitet in einer
bodennahen Schicht in den Raum. Je nach Luftdurchlasshhe und
Temperaturdifferenz Zuluft Raumluft strmt die Zuluft mehr oder
weniger stark nach unten. Die Luftstrmung kann dabei in der
Ge-schwindigkeit zunehmen und im Bodenbereich, in ca. 0,5 bis 1,5 m
Entfernung vom Quell-Luftdurchlass, eine maximale Strmungsge-
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schwindigkeit umax, nah erreichen, die ber der
Austrittsgeschwindigkeit u0 liegen kann. Im weiteren Verlauf nimmt
die Strmungsgeschwin-digkeit ab, so dass auerhalb des Nahbereichs
thermisch behagliche Zustnde vorliegen. Die Gre des Nahbereichs ist
im Allgemeinen abhngig von der Art des Luftdurchlasses, dem
Luftvolumenstrom so-wie der Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und
Raumluft. Die Zuluft verteilt sich im Raum also hauptschlich in
einer bodennahen Schicht, die sich durch den Kontakt mit der
Bodenoberflche bereits um 1 bis 2 K erwrmt. Oberhalb dieser
strmenden Schicht bildet sich ein Frischluftsee, in dem sehr
geringe Luftgeschwindigkeiten herrschen. Schadstoffe werden im Raum
in der Regel in der Nhe von Wrme- quellen freigesetzt (z. B. Rauch,
Krpergeruch) Mit der warmen Auf-triebsstrmung ber den Wrmequellen
werden diese Verunreini-gungen in den Deckenbereich transportiert
und dort mit der Abluft weitgehend abgefhrt. Nur ein geringer Teil
gelangt mit der Rck-strmung wieder nach unten in den Raum. In der
unteren reinen Frischluftzone sind deshalb kaum Verunreinigungen
vorhanden. Aus der Frischluftzone wird der grte Teil der Atemluft
fr die Personen geschpft, so dass diesen eine gute Luftqualitt zur
Verf-gung steht.Neben der Schichtung von eventuellen
Verunreinigungen im Raum tritt bei der Quell-Lftung eine deutliche
vertikale Temperaturschich-tung auf. Innerhalb der
Auftriebsstrmung, direkt ber den Wrme-quellen (Personen, EDV-Gerte
usw.), treten hhere Lufttemperaturen auf. Auerhalb dieser
Auftriebsstrmung nimmt die Lufttemperatur zur Decke hin allmhlich
und fast berall gleichmig zu. Sie erreicht im Deckenbereich, in der
Abluft, ihren hchsten Wert.
Tabelle 1: Werte aus der VDI 2262Luftfhrung Belastungsgrade
s wSchichtstrmungLuftdurchlsseam Boden3 bis 4 m ber dem
Boden
0, - 0,3ca. 0,5
0,45 - 0,6ca. 0,7
Mischstrmung(je nach Art der Luftzufuhrund der Raumhhe
1,0(0,8)
1,0(0,9)
Bild 1: Prinzip der Quell-Lftung
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Einsatzgrenzen und allgemeine RegelnBei der Auslegung von
Quell-Luftsystemen haben sich folgende allge-meine Regeln bewhrt
[1]: Temperaturdifferenz Raum Zuluft 3 K, Senkrechter
Temperaturgradient 2 K/m, Der Aufenthaltsbereich muss auerhalb des
Nahbereichs liegen, in dem die Behaglichkeitsanforderungen nicht
eingehalten werden,
Die Quell-Lftung ist nicht zum Heizen zu benutzen.Bei normaler
Auslegung fr Brorume (spez. Volumenstrom bis 20 m3/(hm2), Raumhhe
bis 3 m) sind Khlleistungen bis ca. 40 W/m2
mglich. Bei Anwendungen mit sehr hohen spezifischen
Volumen-strmen (> 40 m3/hm2) sind in hohen Rumen (> 5 m Hhe)
auch Khlleistungen bis etwa 100 W/m2 realisierbar.
AuslasshheFr die Auslegung von Wandquellauslssen mit Raum Zuluft
= 3 K gilt: Bei sehr niedrigen Luftauslssen bis 150mm Hhe
(Sockelquellaus-lsse) kommt es nicht zu einer Beschleunigung der
Zuluft im Nah-bereich. Die Ausblasgeschwindigkeit darf maximal u0=
0,185 m/s betragen.
Bei Bauhhen von 150 bis 500 mm berlagert sich die
Ausblasge-schwindigkeit mit der Beschleunigung im Nahbereich. Bei
Einhal-tung der Behaglichkeitskriterien sind mglich
bei 150 mm Auslasshhe: VZuluft = 100 m3/(hm),
bei 500 mm Auslasshhe: VZuluft = 200 m3/(hm)
Steigt die Auslasshhe weiter an, dann wird das Zugluftrisiko nur
noch durch die Beschleunigung der Zuluft im Nahbereich bestimmt, so
dass sich eine konstante Luftmenge von V500 200 m
3/(hm) un-abhngig von der Auslasshhe ergeben.
Diese Werte gelten fr durchgehende Reihen von Auslssen. Bei
ein-zeln stehenden oder runden Auslssen sind die Werte abhngig von
der Auslassform.
Quell-Luft und KhldeckenGrundstzlich zeigen Untersuchungen im
Raumstrmungslabor, dass eine Kombination aus Khldecken und
Quell-Luftsystemen hinsicht-
lich der Behaglichkeit mglich ist. Durch die Deckenkhlung stellt
sich keine klare Temperaturschichtung ein, so dass auch die
Luftge-schwindigkeiten und Temperaturgradienten im Raum klein
sind.Temperaturmessungen (Bild 4) belegen aber, dass die
energetischen Vorteile des Quell-Lftungssystems verloren gehen. Die
Wrmebelas-tungsgrade im Raum liegen z.T. ber dem Wert 1. Bei
ungnstiger An-ordnung der Abluft im Deckenbereich wird die Abluft
durch die Khl-decke abgekhlt wird, so dass ein Teil der Nutzklte
nicht im Raum wirksam werden kann.Sofern eine Entfeuchtung der
Zuluft durch Taupunktsunterschreitung notwendig ist, wirkt sich,
wie oben erwhnt, die notwendige Nacher-wrmung zustzlich negativ
aus, so dass mit Ausnahme von Sonder-fllen, von der Kombination
abgeraten werden muss.
Erfahrungen mit der Simulation von Quell-LftungIn vielen
Sonderfllen reichen die allgemeinen technischen Regeln nicht aus,
um die Funktion der Quell-Lftung zu beurteilen. Solche Sonderflle
sind: Anordnungen von Einzelauslssen oder Sonderbauformen,
Aufenthaltszonen im Nahbereich, Ungewhnliche Anordnung von
Wrmequellen oder extreme Wr-melasten,
Kombinationen mit anderen Heiz/Khlsystemen (z. B.
Khldecken).Hier helfen numerische Simulationen, mit denen die
Luftstrmung vorausberechnet werden knnen. Mit den heute blichen
Finite-Volu-men-Programmen lassen sich Quellstrmungen gut
berechnen. Den-noch kommt es bei der Modellierung immer wieder zu
erheblichen Fehlern.
StrahlungseinflussHufig unterschtzt wird der Strahlungseinfluss
auf Quell-Luftstr-mungen. Berechnet man die Wrmebergnge fr
Strahlung und Konvektion, ergibt sich folgendes Bild:
Strahlungswrmebergangskoeffizient zwischen zwei Flchen mit
Emissionsgrad = 0,9:
Bild 2: Wrmebergangskoeffizienten bei T-Bezug = 20 C Bild 3:
Entfeuchtung der Zuluft im Sommer
.
.
.
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as = konvektiver Wrmebergangskoeffizient fr kalte Decke oder
war-men Boden:
aK = fK (Luft Decke) 0,31mit fK= 2,0 (fK= 0,5 fr warme Decke/
kalten Boden)
In Bild 2 wurden die Werte fr eine Bezugstemperatur von 20 C
be-rechnet. Man erkennt, dass der Strahlungswrmebergang
insbe-sondere bei kleinen Temperaturdifferenzen einen berwiegenden
Einfluss besitzt. Dies gilt auf dann noch, wenn der konvektive
Anteil durch eine erzwungene Strmung (z. B. Luftauslass) erhht
wird.Bei der Quellstrmung wirkt sich dieser Umstand wie folgt aus:
Durch den Kontakt der Abluft mit der Decke erwrmt sich diese und
beginnt, Wrme an den kalten Boden abzustrahlen. Es stellt sich ein
Gleichge-wichtszustand ein, bei dem der Boden wrmer ist als die
Zuluft, die De-cke dagegen klter als die Abluft. Hierdurch wird der
ursprnglichen Quellstrmung eine zweite Komponente berlagert, die fr
einen ge-wissen Temperaturausgleich sorgt. Insbesondere die
Temperatur der Bodenschicht wird durch den Wrmebergang angehoben,
so dass sie sich bereits um bis zu 2 K ber der Einblastemperatur
erwrmt.Als allgemeine Formel fr die Erwrmung der Zuluft gilt:
Boden Zuluft =
Es bedeuten:V = der Zuluftvolumenstrom in [m3/h]A = die
Bodenflche in [m2]
Fr die Simulation ist zu bercksichtigen, dass die Bodenerwrmung
ein zeitlich-dynamischer Prozess ist, dessen Geschwindigkeit
abhn-gig vom Bodenaufbau ist. Im Tagesverlauf knnen sich die
Strmungs-verhltnisse daher gravierend ndern. Auerdem knnen sich
Decke (unter dem Dach) und Boden durch direkte Sonneneinstrahlung
zu-stzlich erwrmen. Eine thermisch-dynamische Gebudesimulation, die
solche dynamischen Prozesse berechnen kann, hilft fr die Quell-Luft
nur begrenzt weiter. Denn die Mehrheit dieser Programme geht von
einheitlichen Raumtemperaturen aus und kann den Einfluss der
Temperaturschichtung durch Quell-Lftung nicht berechnen.
TurbulenzQuellstrmungen bewegen sich in der Bodenschicht mit
einer ge-ringen Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,2 m/s. Fr die
Entwicklung der Quellschicht ist es von Bedeutung, ob die Luft am
Boden laminar oder turbulent strmt. Bei turbulenten Strmungen ist
der Wrmeaus-tausch und der Austausch innerhalb der strmenden
Schicht deutlich grer als bei laminaren Schichten. Zur Beurteilung
wird die Re-Zahl berechnet. Fr eine Quellstrmung mit u = 0,1 m/s
ergibt sich nach 1 m Lauflnge ein Wert von
Re = = = 6530
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Bild 4: Raumtemperaturprofil bei der Kombination von Quell-Luft
und Khldecken
Bild 5: Simulation eines Teilmodells
u Lv
0,1 m/s 1 m15,31 10 - 6 m2/s
2 -
5,67 10-8 ((273 K + Decke)4 (273 K + Boden)4 )
(Decke Boden).
27.026.025.024.023.022.021.020.0
Abluft Zuluft
0,15 1hmVA
.
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In der Literatur findet man fr Experimente mit lngs angestrmten
Platten kritische Re-Zahlen von 3,5 105. Fr die Berechnung befindet
man sich damit in einem sehr kritischen Bereich, da die
Bodenstr-mung laminar oder turbulent sein kann. Es muss geprft
werden, ob das verwendete numerische Modell bei den vorliegenden
Re-Zahlen berhaupt fr die Berechnung geeignet ist. Im Zweifelsfall
ist der Ver-gleich mit Messdaten unumgnglich. Als wichtigste
Kenngre ist hier der Anstieg der Lufttemperatur in der Quellschicht
abhngig von der Bodentemperatur zu prfen.
Bewertungsmastbe fr SimulationsergebnisseBei der Berechnung mit
numerischen Modellen ist es notwendig, Ergebnisse anhand von
experimentellen Daten zu prfen. Einfache zuverlssige
Bewertungsparameter sind hierfr eine wichtige Vor-aussetzung. Drei
der wichtigsten Parameter fr die Beurteilung von Quellstrmungen
werden im Folgenden vorgestellt.
Draft-RiskDie entscheidenden Behaglichkeitsparameter der
Quell-Lftung lassen sich durch den Kennwert DR (Draft-Risk) aus DIN
EN ISO 7730 [4] beschreiben. Dieser bewertet das Zugluftrisiko
(Siehe auch DIN 13779). Durch Zugluft kommt es zu einer
ungleichfrmigen Abkhlung der Hautoberflche, die insbesondere dann
als unangenehm empfunden wird, wenn sie auch noch zeitlich schwankt
(Turbulenzen) und wenn die Luft sehr kalt ist. Da die Hautoberflche
mit Temperaturen um 33 C meist wrmer ist als die Umgebung, wirkt
sich hier nicht nur die Lufttemperatur sondern auch der Wrmebergang
aus. Der Draft-Risk (DR) berechnet sich nach folgender
Gleichung:
DR = (34 - ta) (v - 0,05) 0.62 (0,37 v Tu + 3,14)
Es bedeuten:DR = Beeintrchtigung durch Zugluft, d.h. der
Prozentsatz von Men- schen, die Aufgrund von Zugluft unzufrieden
sind. ta = lokale Temperatur in [C]v = lokale mittlere
Luftgeschwindigkeit in [m/s]Tu = lokaler Turbulenzgrad in [%]
Bei der numerischen Strmungssimulation nach dem K--Modell
re-prsentiert der Parameter KE die kinetische Turbulenzenergie.
Diese ist definiert als KE = (Tu v)2. Der Turbulenzgrad lsst sich
daher leicht aus den vorhandenen Ergebnissen ableiten. Im
vorliegenden Fall er-gibt sich die Berechnung dann zu
DR = (34 - ta) (v - 0,05) 0,62 (37 v (KE) 0,5 + 3,14)
Durch die rtliche Berechnung des Parameters DR lsst sich der
Nah-bereich von Quell-Luftauslssen genauer beschreiben.
Wrme- und StoffbelastungsgradWrme- und Stoffbelastungsgrad
erlauben eine einfache Bewertung der Luftschichtung in belfteten
Rumen. Belastungsgrade geben an, wie stark sich eine Belastung in
einem bestimmten Raumbereich auswirkt. Es handelt sich also um eine
ortsabhngige Gre. Hufig werden Belastungsgrade angegeben fr eine
Bezugshhe 1,5 m, so dass damit die Atemluftqualitt fr am Boden
stehende Personen bewertet wird. Eine lokale Konzentration oder
Temperaturerhhung wird dazu bezogen auf einen Raummittelwert (in
Anlehnung an die VDI-2262 [2]).
Wrmebelastungsgrad W =
Stoffbelastungsgrad s = = Obwohl beide Gleichungen
unterschiedlich aussehen, beschreiben sie den gleichen Sachverhalt:
Der Stoffbelastungsgrad bezieht die lokale Schadstoffkonzentration
auf mittlere Schadstoffkonzentration, die sich durch die
Gesamtfreisetzungsrate und den Zuluftvolumen-strom ergibt. Der
Wrmebelastungsgrad bezieht die lokale Tempera-turerhhung auf die
Gesamttemperaturerhhung Abluft Zuluft, die sich aus dem
Zuluftvolumenstrom und der Raum-Wrmelast ergibt. Fr ein ideales
Mischlftungs-System, das Wrme und Schadstoffe gleichmig im Raum
verteilt, sind beide Belastungsgrade = 1. Bei Quell- und
Schicht-Lftungssystemen, die die Schadstoffe so aus dem Raum
abfhren, dass sie sich nicht voll im Aufenthaltsbereich aus-wirken
knnen, liegen die Belastungsgrade unter 1. Kommt es durch
mangelhafte Lftung zu lokalen Konzentrationserhhungen, dann sind
auch Belastungsgrade ber 1 mglich.Bei einem Quell-Lftungssystem
steigen die Belastungsgrade vom Fuboden aus an und erreichen erst
direkt unter der Decke den Wert von 1. In der Aufenthaltszone
liegen die Stoffbelastungsgrade je nach Raumhhe bei 0,2 bis 0,5,
die Wrmebelastungsgrade bei 0,45 bis 0,7. Aufgrund des
Strahlungseinflusses liegen die Belastungsgrade fr Wrme stets
deutlich ber denen fr Schadstoffe. Belastungsgrade eignen sich zur
vergleichenden Bewertung von Ergebnissen. Die VDI 2262 [3] liefert
die Werte in der Tabelle 1. Energiebedarf von Quell-Luftsystemen
Ein niedriger Wrmebelastungsgrad darf keinesfalls mit einem
gerin-geren Energiebedarf verwechselt werden, denn dieser ist von
einer Reihe von Faktoren abhngig. Grundstzlich gilt, dass die
Zuluft bei Quell-Luftsystemen wrmer eingeblasen werden kann als bei
konventionellen Mischluftsystemen. Zulufttemperaturen von 20 bis 22
C sind notwendig, damit es nicht zu Behaglichkeitseinschrnkungen
kommt. Bei Mischluftsystemen liegen die Zulufttemperaturen dagegen
je nach System bei 14 bis 18 C, was theoretisch einen hheren
Energieaufwand fr die Kh-lung bedeutet.
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Bild 6: Temperaturschichtung im Teilmodell Bild 7:
Luftgeschwindigkeiten im Teilmodell
lokal ZuluftAbluft Zuluft
CS, lokalCS
CS, lokalms/VAbluft
27.026.025.024.023.022.021.020.0
0.300.200.100.00
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Der Energieverbrauch der Zuluftkhlung wird auch bestimmt durch
die notwendige Zuluftmenge. Bei einer gegebenen Raumwrmelast ist
diese abhngig von der Temperaturdifferenz Zuluft-Abluft. Aus
Be-haglichkeitsgrnden ist diese bei Quell-Luftsystemen in der Regel
auf 6 bis 8 K begrenzt, whrend bei Mischluftsystemen bis zu 12 K
mg-lich sind (siehe Kasten Anmerkung unten). In der Regel sind
daher die Zuluftmengen bei Mischlftungssystemen kleiner, so dass
beide Systeme energetisch fast gleichwertig sind.Wird in
klimatisierten Rumen eine maximale Feuchte um 50 % ge-fordert, dann
gert die Quell-Lftung energetisch ins Hintertreffen. Bild 3 zeigt
die Zustandsnderung im h-x-Diagramm. Zur Entfeuch-tung ist eine
Abkhlung der Auenluft auf ca. 16 C notwendig. Damit ist die Luft
geeignet als Zuluft fr ein Mischlftungssystem. Fr ein
Quell-Luftsystem muss die Luft auf ca. 21 C nacherwrmt werden, was
einen zustzlichen Energie- oder Anlagenaufwand bedeutet. Im
vorliegenden Fall wre also ein Quell-Luftsystem im Hochsommer
en-ergetisch deutlich ungnstiger.Grundstzlich sollte die Regel
gelten, dass Misch- und Quell-Luftsys-teme in einem Raum nicht
gemischt werden drfen. Bei der Quell-Lftung ist das gesamte
Temperaturniveau nach oben verschoben, so dass andere
Zuluftbedingungen bentigt werden. Sollen in einem Gebude beide
Systeme verwendet werden, so sind hierfr getrennte Zuluftanlagen
notwendig.
BeispieleDie Bilder 5 bis 8 zeigen Simulationsergebnisse eines
Theatersaales. Hier wurde zunchst ein Teilmodell aufgebaut, das nur
40 Sitze in einem Saalbereich darstellt. Mit diesem Modell wurde
das Mikroklima untersucht, um eine Aussage ber die zu erwartende
Schichtung zu bekommen. Bild 6 zeigt die Temperaturschichtung, Bild
7 die Luftge-schwindigkeiten an den Personen. Man erkennt hier,
dass die Warm-luftaufstiege sich bis in eine Hhe von ca. 3 m noch
als individuelle Strmungsphnomene auswirken. Eine hnliche Aussage
htte auch durch ein Labormodell eines Teilbereiches gefunden werden
knnen.Auf der Basis des Teilmodells wurden Volumenwrmelasten
aufge-
baut, die die Quellschicht bis in eine Hhe von 3 m nachbilden.
Diese wurden in ein Halbmodell des Saales eingebracht. Bild 8 zeigt
die Aus-wertung des Draft-Risk als Iso-Flche (gelb). Obwohl in
Teilbereichen des Saales Luftgeschwindigkeiten ber 0,2 m/s
auftreten sind diese dort unkritisch, wo sie mit geringen
Turbulenzgraden oder hohen Temperaturen gekoppelt sind. Lediglich
im gelb dargestellten Galerie-bereich gibt es eine Zone, in der
Kaltluft mit erhhter Geschwindig-keit strmt. Hier ist mit ber 15 %
Unzufriedenen Personen zu rech-nen. Als Ergebnis dieser
Untersuchung konnte das Lftungssystem in kritischen Bereichen
angepasst werden, so dass die Konzentration von Kaltluftflssen in
der Galerie vermieden werden kann.In Bild 9 ist der Zuluftfluss der
Lftung eines Museums in einem his-torischen Gebude dargestellt. Die
Quellschicht wurde durch eine Iso-Flche bei einer Temperatur von +1
K ber der Zulufttemperatur dargestellt. Die Erwrmung der
Bodenschicht lag hier niedriger als bei Vergleichsmessungen, da die
Fubodentemperatur mit 21,5 C unter einem Wert lag, wie er z. B. fr
Brorume typisch ist. Hier wur-de die Gebudedynamik mit
bercksichtigt. Aufgrund der massiven Decken erwrmt sich die
Bodenplatte nur langsam, was auch einen khlenden Effekt auf die
Quellschicht hat.Beide Beispiele zeigen, dass es bei der Simulation
von Quellstrmun-gen sehr auf Details ankommt. So ist es bei der
Simulation von Per-sonen und Wrmequellen in der Regel notwendig,
diese durch Ein-zelobjekte abzubilden. Eine Abbildung durch
Volumenwrmequellen kann zu einer erheblichen Verflschung der
Ergebnisse fhren. Die Einbeziehung von Messdaten in die Simulation
ist daher immer der zuverlssigste Weg der Berechnung.
Literatur
[1] Quelluft Allgemeine Auslegung, Technische Auslegungsschrift
Fa. Krantz
[2] VDI 2262 Blatt 3, 1994 Luftbeschaffenheit am Arbeitsplatz,
Beuth-Verlag [3] Energieeffiziente Lftungsanlagen in Betrieben, Mai
2002, Informationszentrum Energie, BaW [4] Din EN ISO 7730, 1995
Ermittelung des PMV-und PPD-Wertes, Beuth-Verlag
6 www.tab.de 10 006
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Bild 8: Auswertung des Draft-Risk, Bereiche > 15 %
Unzufriedene
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Bild 9: Simulation eines historischen Saales mit groflchigen
Quell-Luftaus-lssen, Visualisierung einer Grenzflche mit 1 K ber
Einblastemperatur
201612840
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
Velo [m/s]
Anmerkung: Zur maximalen TemperaturdifferenzDie maximale
Temperaturdifferenz hngt stark von der Raumhhe und der Verteilung
der Wrmelasten ab. Bei hohen Rumen sind auch fr Quell-Luft Werte
von 8 bis 10 K mglich, allerdings werden hier auch Mischluftsysteme
mit bis zu 14 K Untertemperatur eingesetzt.
Schaltflche1:
