Installationen der Lüftung

Transcrição

Chair of Building Systems
Prof. Hansjürg Leibundgut
Installationen der Lüftung
Vorlesung
Prof. Dr. Hansjürg Leibundgut
/ ITA
Institute of Technology in Architecture
Faculty of Architecture / ETH Zürich
Aufgaben der Lüftung
· Raumluftreinigung: Beschränkung der Konzentration
bestimmter Gase und Stoffe (Staub, Rauch, etc.) in
der Raumluft unterhalb eines als lästig
empfundenen Toleranzwertes, d.h. Ausfilterung einer
bestimmten Menge dieser Stoffe aus der Raumluft
und Ersatz durch möglichst unbelastete Luft.
Raumluftreinigung
Druckhaltung
Ersatzluftlieferung
Sicherheit
· Ersatzluftlieferung: Zufuhr der erforderlichen
Ersatzluftmenge, um die abgeführte Luftmenge
auszugleichen.
· Druckkonstanthaltung: Bestimmte Gebäudeteile
(Reinräume, Küche, WCs, etc.) sollen Über- oder
Unterdruck gegenüber angrenzenden Räume
aufweisen.
· Sicherheit: Prozess- oder nutzungsbedingte
Lokalitäten mit Schadstoffemissionen müssen
gezielt entlüftet werden.
Chair of Building Systems / Prof. Hansjürg Leibundgut
Institute of Technology in Architecture / Faculty of Architecture / ETH Zurich
Vorlesung: Installationen der Lüftung / 2 von 52
Abtransport der Schadstoffe
· Ideal ist, wenn die Schadstoffe an der Quelle erfasst
und abgeführt werden.Dies ist z.B. der Fall bei
Abgasabsaugungen von Autos.
· Im Innenraum kann man sich einem Gedankenmodell
bedienen, welches das Prinzip der sofortigen
Schadstoffabsaugung anwendet - siehe Mensch mit
Absaugeinrichtung. In der Praxis wird dies nicht
möglich sein. Daher sind Lösungen gefragt, die nicht
nur eine, sondern mehrere, u. U. unterschiedliche
Schadstoffquellen erfassen.
Schadstoffaustragung aus dem Raum
· Im Alltag kennen wir die Dunstabzugshaube, die
über einem Kochherd installiert wird. Mittels eines
in der Haube integrierten Ventilators wird der Dunst
zusammen mit der Umgebungsluft abgesaugt.
· Bei speziellen industriellen Prozessen (Löten,
Drucken) in der Forschung mit giftigen Gasen
(Chemiekapellen) werden Abzugseinrichtungen
betrieben, die möglichst nahe an der Quelle
absaugen.
· Ähnlich der Dunstabzugshaube in der Küche ist es
vorstellbar, über Arbeitsplätzen oder
Aufenthaltszonen angepasste Absaugeeinrichtungen
zu positionieren.
Abluft-orientierte, Schadstoffgesteuerte Lüftung
· Die Entwicklung geeigneter, kostengünstiger
Schadstoffsensoren ermöglicht es, die Schadstoffe
nahe ihrer Quelle und nur bei relativ hoher
Konzentration abzusaugen. Dazu ist ein relativ enges
Netz an Absaugpunkten im Deckenbereich (optimal
im Raster der Beleuchtung) mit automatisch sich
öffnenden Abluftklappen erforderlich. Die
Luftqualität wird durch das gezielte Absaugen der
Schadstoffe und nicht durch das «Zuwerfen frischer
Zuluft» erreicht.
· Bei dem Einbringen der Ersatzluft (Zuluft) ist
lediglich zu beachten, dass der «Abluftdom» nicht
gestört wird.
Fortführen der Abluft: Fortluftausblasung
· Die Abluft trägt die wegzuführende Fracht (Schadstoffe). Diese Frachten müssen so an die Aussenluft
abgegeben werden, dass Dritte nicht gestört werden (durch Gerüche, Lärm, etc.). In Gegenden mit Heizbedarf
ist die Abluft Träger von Wärme, die der Zuluft zugeführt würde. Im Jahr 2013 ist die Wärmerückgewinnung aus
der Abluft Stand der Technik aufgrund der Verknappung der fossilen Energieträger und der CO2 - Emissionen
der traditionellen Heizungen.
· Falls die emissionsfreie Erwärmung der Zuluft mittels neuer Energiequellen einfacher ist als die
Wärmerückgewinnung aus der Abluft, ergeben sich grosse Vereinfachungen bei den Lüftungsinstallationen.
(Siehe dazu Lüftungsinstallationen ohne WRG)
Prinzipien von Lüftungssystemen
· Die gezielte Luftabsaugung ist nur möglich, wenn
die Absaugung sehr nahe an den Zonen mit
konzentrierten Schadstoffen platziert werden kann.
· Im Gegensatz dazu kann man Zuluft als Strahl in
stehende Luft “einspritzen” (z.B. mit Weitwurfdüsen).
Abluft: keine Wirkung auf Distanz
· Da bis vor kurzem die kostengünstige präzise
Abluftabsaugung nicht realisierbar war, entwickelte
sich im 20. Jh. die Lüftungstechnik in Richtung einer
differenzierten Zulufttechnik.
Zuluft mit Impuls: grosse Wurfweite möglich
Zuluftorientierte Lüftungssysteme
· Die “traditionelle” Lüftungstechnik wendet die
bekannten Gesetze der Fluiddynamik an, um
möglichst unvermischte Frischluft dem Verbraucher
zuzuführen. Dabei muss beachtet werden, dass die
Luftgeschwindigkeiten (Turbulenzgrad) in der Nähe
von Personen klein bleiben.
· Je tiefer die Temperatur der Zuluft unterhalb der
durchschnittlichen Lufttemperatur im Raum ist,
desto kleiner ist die Behaglichkeit.
Coanda-Effekt
Quell-Lüftung
Weitwurfdüsen
Hochdruck-Induktionslüftung
· Der Abluftabsaugung wird wenig Beachtung
geschenkt.
Misch-Lüftung mit Induktion
Minimale, personenbezogene Aussenluftwechselrate (pAR)
· Wenn der Aussenluftbedarf von Räumen nicht direkt
auf der Basis von Problemstoffbelastungen
bestimmt werden kann, kann er in Form einer
personenbezogenen Aussenluftwechselrate [m3/hP]
überschlägig festgelegt werden.
· Die pAR wurde in den 80er Jahren des 20.
Jahrhunderts experimentell bestimmt. Die CO2Werte lagen 1990 bei rund 340 ppm (heute 400 ppm).
Für die Qualität der Raumluft wurde ein Zielwert von
< 1000 ppm CO2 angesetzt. Die pAR in der Literatur
hängt nicht von der Art der Lüftung ab.
Raumnutzung
pAR
[m 3 / h P]
Einzelbüro
40
Grossraumbüro
60
Schulung / Gaststätte
30
Konferenz, Verkehr
20
Raucherzuschlag
20
Fitnessraum
80 - 120
Empfohlene, nutzungsbedingte, flächenbezogene Aussenluftwechselrate (fAR)
· Die flächenbezogenen Aussenluftwechselraten (fAR)
werden errechnet aus den pAR dividiert durch die
Belegungsdichte (m2/P), fAR-Angaben sind immer
Richtwerte.
· Die Angaben zur fAR leiten sich aus drei Annahmen
ab:
· durchschnittliche Belegungsdichte
· Grenzwert der CO2-Konzentration(normalerweise
1000 ppm)
· Absaugung der Abluft mit durchschnittlichen CO2Konzentrationen
· Bei speziellen Nutzungen mit Wärme und/oder
Schadstoffabgabe des Produktionsprozesses
müssen die flächenbezogenen
Aussenluftwechselraten sorgfältig bestimmt werden
· Richtwerte sind problematisch.
Belegungsdichte
Nutzungen
Einzel/Gruppenbüro
Grossraumbüro
Sitzungszimmer
Schalterhalle
Verkauf
Kühlprodukte
Warenhaus
Schulzimmer
Übungsraum
Hörsaal
Bettenzimmer
Hotelzimmer
Kantine
Restaurant
Küche zu Kantine
Küche zu Restaurant
Werkstatt
WC
Parkhaus Büro
Parkhaus öffentlich
Serverraum ULK
[m 2 /P]
14
10
3
12
5
5
3
3
8
1
15
10
1.2
1.2
10
10
20
2.5
35
40
30
fAR
[m 3 /m 2 h]
2.6
3.6
8.3
2.1
5.0
5.0
8.3
8.3
3.1
25.0
2.4
3.6
30.0
30.0
7.0
8.0
0.3
4.8
0.1
0.1
2.7
Lüftungseffizienz
· Unter dem Begriff der Lüftungseffizienz wird ein
Wert errechnet, der angibt,mit wieviel Aussenluft
eine gute Luftqualität im Raum erreicht werden
kann.
· Zu beachten ist, dass eine Lüftung zum Ziel hat, die
vom Menschen eingeatmete Luft möglichst
”frisch” (d.h. wenig CO2, Gerüche, Ozon, etc.) zu
halten. Die Qualität der Aussenluft ist dabei von
hoher Bedeutung.
· Wenn in Zukunft die CO2-Konzentration der
Atmosphäre höher ist als heute, muss dies
Auswirkungen haben auf die notwendige
Aussenluftrate
(Plattner et al. 2007)
· Entscheidend für die Qualität einer Lüftungsanlage
ist in erster Linie die Schadstofffracht (gCO2/m3
Abluft), die aus dem Raum pro m3 Abluft abgeführt
werden kann.
fAR
· Bei einer Erhöhung der CO2-Konzentration der
Aussenluft und einem Hygienewert der eingeatmeten
Luft < 800 ppm ist es entscheidend, dass die Abluft
eine möglichst hohe CO2-Fracht trägt.
4,5
5
4
· Die Zuluft soll möglichst «frisch» zur Nase des
Menschen gelangen.
350
400
450
500
ppm Zuluft resp. Aussenluft
Beispiel Einzelbüro:
fAR normal = 4 m3/m2h, Annahme: eingeatmete Raumluft < 800 ppm
Schadstoffumwandlung
Neben der Methode der Lufterneuerung zwecks Begrenzung der Schadstoffkonzentrationen stehen auch
andere Methoden für spezielle Anwendungen zur Verfügung.
· CO2-Bindung
· in U-Booten wurde Ätzkali K2CO3 in Dosenform gebraucht
· neue Tauchsysteme rezyklieren die Ausatmungsluft
· Adsorption an aminbeschichteten Cellulosefasern
· Oxidation/Ionisation von Geruchsstoffen etc.
· Aktivkohlegranulate in Umluftbetriebabzugshauben
· insbesondere bei Raucherzonen werden entsprechende Systeme eingebaut,
um die zentralen Zu- und Abluftsysteme nicht infolge des erhöhten Luftwechsels aufrüsten zu müssen
· Odorierung
· ist hier im Sinne einer Zugabe von Duftstoffen gemeint
· im technischen Sinne bedeutet Odorierung die Beimischung von Riechstoffen zu Betriebsgasen zwecks
Sicherheitswarnung.
Schadstoffe
Massnahmen
Chemikalien
(Formaldehyd, PCB, etc.)
Lufterneuerung
anthropogene Schad- und Geruchsstoffe,
Schimmelbildung infolge dichter Fenster
Odorierung
natürliche Oxidationsprodukte
Oxidation von Geruchsstoffen
Rauminterne CO2 und H2O-Adsorption/Desorption
· CO2- und H2O-Dampf-Moleküle können in spezielle Materialien adsorbiert oder absorbiert werden. Mit
speziellen Aminen beschichtete Cellulosefasern (Adsorber) binden CO2 und Wasserdampf bis zu einem
bestimmten Sättigungsgrad. Die eingelagerten Gase werden vom Adsorbenten wieder freigesetzt, wenn dieser
auf 60-80°C erhitzt wird und wenn der Gesamtluftdruck (damit auch der Partialdruck für CO2 und
Wasserdampf) reduziert wird. Die beiden Gase CO2 und H2O kommen im Desorptionsgas in weit höheren
Konzentrationen vor (über 10%) als sie im Adsorptionsgas vorhanden waren. Mit einer intermittierend
betriebenen Adsorptions-/Desorptionsanlage kann die im Raum produzierte CO2- und H2O-Fracht abgeführt
werden, ohne dass Aussenluft als Verdünnungsmedium verwendet wird.
· Solche Adsorptions/Desorptionssysteme können kombiniert werden z.B. mit Aktivkohle oder mit
Ionisationsgeräten.
· Die Entwicklung solcher „Umluftreiniger“ kann zu neuen Lüftungssystemen mit massiv reduzierten
personenbezogenen Aussenluftraten führen. Dies ist vor allem in tropischen Gegenden von ausschlaggebender
Bedeutung, weil dort mit der Aussenluft sehr viel unerwünschter Wasserdampf ins Gebäude gelangt.
CO2 und H2O-Adsorption/Desorption
Quelle:
www.climeworks.com
Schadstoffvermischung durch Turbulenzen m Raum
· Lüftungsanlagen sind raumintensiv und teuer sowie störend im Betrieb. Wenn es das Ziel ist, die Qualität
der eingeatmeten Luft mit möglichst kleinem Aufwand zu gewährleisten, dann muss u.a. dafür gesorgt werden,
dass im Raum eine kleine Turbulenz herrscht, die die rasche Durchmischung der Schadstoffe in den ganzen
Raum begünstigt.
· Von besonderer Bedeutung sind dabei elektrische Geräte mit hoher Leistung. Hohe Oberflächentemperaturen
von Rechnern, Bildschirmen, Druckern etc. bewirken einen Aufluftstrom, der die Raumluft in Bewegung bringt.
Die positiven Effekte der CO2-gesteuerten Abluftabsaugung werden dadurch partiell gemindert.
Zu-/ Abluftführung
· Obwohl das Problem des „Lüftens“ eigentlich ein
Problem des Entfernens einer relativ kleinen Menge
von Schadstoffen aus der Raumluft ist (ca. 15 l
gasförmige Schadstoffe pro Stunde und Person aus
einem Luftvolumen von 20‘000 bis 30‘000 Liter), legt
die Systematik der Lüftung grossen Wert auf die
Unterscheidung der Art der Zulufteinbringung,
welche das Raumluftströmungsbild prägt.
· Bei der Zuordnung von Zu- und Abluftführung gibt es
fünf Möglichkeiten:
·
·
·
·
·
Fassade / Fassade natürlich
Fassade / Fassade mechanisch
Fassade / lateral
Raum / Raum
Luv-Lee-Fassade (natürlich/mechanisch)
Fassade/Fassade natürlich
Fassade/Fassade mechanisch
Fassade lateral
Raum/Raum
Luv-Fassade --> Lee-Fassade
Zu-/ Abluftführung, Fassade / Fassade
· Der Luftaustausch findet statt über
· geöffnete Fenster
· dezentrale Lüftungsgeräte
H
· Die Fortluft strömt durch die gleiche Fassade aus wie
die Aussenluft einströmt
· Im Falle einer Fensterlüftung ist eine
Raumdurchspülung gewährleistet, wenn die
Raumtiefe T kleiner ist als das 2,5-fache der
Raumhöhe H, d.h. bei einseitiger Lüftung : T ≤ 2,5 · H
· Bei dezentralen Zu-/Abluftgeräten in der Fassade
wird die Wärmerückgewinnung dezentral
vorgenommen.
· Zu beachten ist in diesem Fall die Luftführung im
Raum und die Technologie im Gerät.
T
Zu-/ Abluftführung, Fassade / lateral
· Bei dieser Anordnung wird die Abluft lateral
abgesaugt und zu einem Abluftgerät im
Gebäudeinneren geführt.
· Die Wärmerückgewinnung bei dieser Art der
Abluftabsaugung kann mit Hilfe einer AbluftWärmepumpe erreicht werden. Dabei gibt die Abluft
ihre Wärme an eine Wärmepumpe ab, die z.B. einen
Heizwasserspeicher aufheizt, der seinerseits den im
dezentralen Lüftungsgerät installierten
Wärmetauscher mit Heizwasser versorgt.
Zu-/Abluftführung, Raum/Raum
· Quelllüftung, Merkmale:
Quelllüftung
· Luftaustritt in den Raum über große Öffnungen im
Bodenbereich (Gitter)
· Infolge niedriger Geschwindigkeiten (ca. 0,2 m/s)
keine Zugerscheinung und keine Geräusche
· Zulufttemperatur gleich oder max. 3 K unter der
Raumlufttemperatur
· Frischluft schichtet sich somit im Bodenbereich
des Raumes ein
· Der Heizkörper «Mensch» lässt Frischluft
aufsteigen und bringt eine Raumdurchströmung in
Schwung
· Die Abluftabsaugung kann unterschiedlich
erfolgen
Anwendungsbeispiele: Werkstatt, Klassenraum, Foyer
· Verdrängungslüftung, Merkmale:
· Luftein- und ausbringung erfolgt grossflächig
· Luftströmung ist kolbenartig und turbulenzarm
· Keime und/oder Staubpartikel werden wirksam
abgeführt
· Anwendung in Reinräumen (Halbleitertechnik,
Raumfahrtechnik, Lebensmitteltechnik,
Pharmaindustrie) und aseptischen Räumen
(OP-Raum, Steril-Bereich, etc.)
Anwendungsbeispiele: Sterilbereiche, OP-Raum, Chiplabor
· Mischlüftung, Merkmale:
· Die Zuluft wird in der Regel aus dem
Deckenbereich in die Aufenthaltszone geblasen.
· Die Zuluft hat eine hohe Geschwindigkeit (bis zu 10
m/s) und eine grosse Temperaturdifferenz
gegenüber der Raumluft (bis zu 8 K).
· Aufgrund von Temperatur und Luftmenge kann die
Mischlüftung hohe Kühllasten bewirken.
Anwendungsbeispiele: Empfang, Einkaufshalle, Sporthalle
Zu-/Abluftführung, Luv-Lee-Fassadenlüftung
· Dieses neue Lüftungskonzept arbeitet mit den
Druckdifferenzen an den einzelnen Fassaden. Der
Raumdruck im Gebäude liegt zwischen Luv-und LeeDruck. Er ist einstellbar durch Klappen in den Zu-und
Fortluftgeräten und durch die Zuluftventilatoren in
den Zuluftgeräten.
· Die Abwärmerückgewinnung ist nur mit
unverhältnismässig hohem Aufwand möglich.
Luv
Lee
Zuluft-Auslässe
· Die Lüftungsindustrie bietet eine riesige Zahl von
Zuluft-Auslässen an, die je nach Lüftungsprinzip die
Zuluft an den richtigen Ort führen sollen.
· Ist ein hoher Impuls des Zuluftstrahls erwünscht (zur
Induktion eines Sekundärluftstroms, zur Erreichung
grosser Wurfweiten, etc.), ist eine hohe
Geschwindigkeit am Austritt des Auslasses
erforderlich. Dazu ist ein hoher Vordruck vor dem
Auslass notwendig.
Weitwurfdüsen
runder Deckenauslass
linearer Deckenauslass
Bodenauslässe
· Beim Heizen und Kühlen von Räumen mit Luft ist die
auf die Nutzfläche bezogene Heiz- bzw. Kühlleistung
ein wichtiges Kriterium.
.
.
Q = VL · ρL · cpL · (θABL - θZL)
· Temperaturdifferenzen ausserhalb des Bereiches
2 K < Δθ < 8 K sollten für Dauerbetrieb vermieden
werden.
.
Qc
.
dem Raum zu- bzw. abgeführter Wärmestrom [J/s]
VL
dem Raum zu- bzw. abgeführter Luftstrom
ρL
Luftdichte 1,23 [kg/(m3)]
cpL
spezifische Wärmekapazität [J/(kg·K)]
θABL
Ablufttemperatur [K]
θZL
Zulufttemperatur [K]
nutzungsflächenbezogene
Heiz-/Kühlleistung [W/m2]
Heizen / Kühlen mittels Luft
16
14
= 7K
12
10
= 5K
8
6
= 3K
4
[m3/s]
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
nutzungsbezogene Raumluftwechselrate
[m3/m2h]
Wärmerückgewinnung aus Abluft
.
· Q = VL · ρL · cpL · (θABL - θZL)
Qc
.
.
dem Raum zu- bzw. abgeführter Wärmestrom [J/s]
VL
dem Raum zu- bzw. abgeführter Luftstrom [m3/s]
ρL
Luftdichte 1,23 [kg/(m3)]
cpL
spezifische Wärmekapazität [J/(kg·K)]
θABL
Ablufttemperatur [K]
θZL
Zulufttemperatur [K]
· Abluft von 22°C kann ihre Wärme direkt im
Gegenstromprinzip oder indirekt über einen
Zwischenkreislauf an die kalte Aussenluft abgeben.
Der apparative Aufwand ist beträchtlich.
spez. Wärmerückgewinnungslesitung
[W/m2]
.
50
45
40
= 17K
35
ABL
30
25
= 10K
20
FOL
15
10
ABL
= 22°C
5
FOL
= 5°C
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
nutzflächenbezogene
3
2
Aussenluftwechselrate [m /m h]
Wärmerückgewinnung aus Abluft: Plattenwärmetauscher
· Zuluft und Abluft sind durch Platten aus gut
leitendem Material getrennt.Die Luftströme werden
zwischen den Platten mit geringem Abstand
hindurchgeführt, wobei die Wärme durch die Platten
übertragen wird. Feuchtigkeit und Schadstoffe
werden zwischen den Luftkanälen nicht
ausgetauscht.
Aussenluft
Fortluft
Abluft
Zuluft
· Verschiedene Bauarten von Plattenwärmetauschern
mit unterschiedlichen Rückwärmezahlen ΦAL sind
auf dem Markt.
ΦAL = 45% - 75%
ΦAL = (θZL - θAL)/(θABL - θAL)
Wärmerückgewinnung aus Abluft: Rotationswärmetauscher
· Der Rotationswärmetauscher ist ein langsam
rotierender Speicher aus wabenförmigen Kammern.
Die Kammern des Wärmespeichers durchwandern
abwechselnd den Zuluft- und Abluftkanal. Der aus
Aluminium, Keramik oder Kunststoff bestehende
Speicher nimmt im wärmeren Kanal Wärme auf und
gibt sie im kälteren Kanal wieder ab.
Rotationswärmetauscher werden wahlweise mit
Feuchtigkeitsübertragung angeboten. Hierbei
besteht die Gefahr, das Gerüche mit übertragen
werden.
· Rotationswärmetauscher weisen grosse
Abmessungen auf (950 - 5500 mm ∅).
· Rückwärmzahl:
ΦAL = 65% - 80%
Fortluft
Aussenluft
Abluft
Zuluft
Wärmerückgewinnung aus Abluft: Kreislaufverbundenes System
· Beim Kreislaufverbundwärmetauscher wird die
Wärme zwischen zwei Luftkanälen durch einen
Wasserkreislauf übertragen. Ein Vorteil ist, dass die
Kanäle nicht beieinander liegen müssen.
Fortluft
· Rückwärmzahl:
Abluft
ΦAL = 45% - 75%
Aussenluft
Zuluft
Wärmerückgewinnung aus Abluft: Fortluftkühlung mit Wärmepumpe
· Am Wasserkreislauf des kreislaufverbundenen
Systems kann eine Wärmepumpe angeschlossen
werden, welche die Fortluft unterkühlt
(Temperatursenkung). Die Wärmepumpe leistet einen
Beitrag zur Raumheizung.
Fortluft
Wärmeverbraucher
Abluft
· Wird die Fortluft unter die Aussenlufttemperatur
gekühlt (interessant bei Aussentemperaturen > ca.
6°C), so ergibt sich aus dem System eine
Kombination einer Wärmerückgewinnung mit
Aussenluftwärmepumpe.
Wärmepumpe
Aussenluft
Zuluft
Luftförderung in Rohren und Kanälen
· Sobald eine bestimmte Menge an Luft mit einer
Qualität 1 durch einen Raum mit der
Raumluftqualität 2 geführt werden soll, ist ein
Transportkanal erforderlich. Ohne die Begrenzung
des Kanals würden sich die Zustände 1 und 2 sehr
rasch angleichen infolge der unterschiedlichen
Partialdrücke (Gesetz von Dalton).
· Der Transport eines gasförmigen oder flüssigen
Mediums durch einen Kanal mit dem Querschnitt A
erfordert eine Kraft mit der z.B. die Kraft der
Rohrreibung überwunden werden muss. Die Kraft
ermöglicht die Aufrechterhaltung eines
Volumenstroms mit der Geschwindigkeit w [m/s] in
einem Kanal mit dem Querschnitt A [m2].
· Gemäss dem Satz von Bernoulli verhalten sich der
Druckabfall und die Geschwindigkeit im Kanal nicht
proportional sondern in der 2. Potenz zueinander.
p + ρ/2 · w2 = konstant
v
w
p2
p1
(p1-p2) = ξ ·ρ/2 ·w 2
w=V/A
.
A
V
Volumenstrom [m3/s]
p
Druckabfall [Pa]
ρ
Dichte [kg/(m3)]
ξ
Widerstandsbeiwert [ ]
Druckverluste im Luftkanalnetz
Δp = ξ·ρ/2
·w2
.
w2 = V2 / A2
ξ = λ · L / dh
(für gerade Leitungen)
.
Δp = λ · L / dh ·ρ · V2 /(2 · Α2)
.
= λ · L · 8 · ρ · V2/(π2 · dh 5)
.2
Δp ∼ V prop. zum Quadrat des Volumenstroms
Δp ∼ (1/dh5) reziprok prop. zum hydraulischen Durchmesser in 5. Potenz
Der Teil (λ · L / dh) entspricht dem
Widerstandsbeiwert ξ (Xi). Bei Umlenkungen,
Formstücken etc. ist für diesen der sog. Zeta-Wert (ζ
oder z) aus Tabellen oder Diagrammen zu entnehmen.
Δp
.
Druckdifferenz [Pa]
V
Volumenstrom [m3/s]
ρ
Dichte der Luft [kg/m3]
λ
Reibungszahl [ ]
dh
hydraulischer Durchmesser [m] *
L
Kanallänge [m]
A
Leitungsquerschnittsfläche [m2]
w
Geschwindigkeit [m/s]
*für kreisförmige Querschnitte gilt dh=d, sonst dh = 4·A/U
Berechnung des Druckverlustes im Luftkanalnetz
· In der Regel werden mehrere Lüftungszonen mit
parallelen Teilkanalnetzen an einen Ventilator
angeschlossen. Jedes Teilkanalnetz besteht aus
seriell und z. T. parallel geschalteten Kanalelementen
unterschiedlicher Länge und Form. Die Luftmenge
ändert sich entlang der Kanalstrecke.
· Mit Hilfe eines Rohrnetzberechnungsprogrammes
ermittelt der Lüftungsingenieur den
Gesamtdruckverlust bei der Auslegungsluftmenge.
· Als Basisgleichung eines Kanalelementes dient die
Formel: Δp = ξ · ρ · w2 / 2
.
.
w = V/(3600•A) (falls V in [m3/h])
· Die Teildruckverluste werden nach den Regeln der
seriellen und parallelen Schaltungen aufaddiert.
Δp
.
Druckverlust [Pa]
V
Volumenstrom [m3/s]
ρ
Dichte der Luft [kg/m3]
A
Leitungsquerschnittsfläche [m2]
w
Geschwindigkeit [m/s]
3600
7200
3600
580
580
620
620
580
580
620
620
580
580
620
620
3600
1200
2400
1200
1200
Gleichzeitigkeit im Luftkanalnetz
· Die Luftmenge im Raum muss der maximalen
Nutzung des Raumes angepasst sein.
2700
· Mit dem Gleichzeitigkeitsfaktor berücksichtigt man,
dass i.d.R. nicht alle Räume gleichzeitig die
maximale Nutzung aufweisen. (Ein Mensch ist
entweder am Arbeitsplatz oder im Sitzungszimmer,
jedoch nie an beiden Orten gleichzeitig.)
Gleichzeitigkeitsfaktoren < 1 führen zu kleineren
Installationen oder zu kleineren Druckverlusten bei
gleich grosser Installation.
5400
2700
580
580
620
620
580
580
620
620
580
580
620
620
2700
1000
1800
1000
1000
Dimensionierung von Luftkanälen
· Die präzise Dimensionierung des Kanalnetzes ist
schwierig und aufwändig. Zu berücksichtigen sind
die zu fördernden Luftmengen, die
Kanalquerschnitte, die im Gebäude toleriert werden,
die Schallentwicklung des Ventilators (in
Abhängigkeit der Querschnitte, d.h. der
Geschwindigkeit), die Regulierbarkeit, etc
· In einer frühen Projektphase genügt es meist, die
wesentlichen Querschnitte an kritischen Stellen zu
berechnen. Dabei rechnet man mit
Strömungsgeschwindigkeiten, die aus der Erfahrung
zu tolerierbaren Systemen führen.
Richtwerte Luftgeschwindigkeiten
in Kanälen:
- bis 1 000 m3 /h 3 m/s
- bis 2 000 m3 /h 4 m/s
- bis 4 000 m3 /h 5 m/s
- bis 10 000 m3 /h 6 m/s
- > 10 000 m3 /h 7 m/s
Quelle: Clima-Suisse
· In einem sehr frühen Stadium des Entwurfs müssen
an kritischen Stellen Grobdimensionierungen
vorgenommen werden, um die architektonischen
Auswirkungen einer Leitungsführung zu überprüfen.
A
Grobdimensionierung von Luftkanälen
· Kritisch in diesem Beispiel ist der Durchmesser des
Etagenanschlusses. Der Durchmesser bestimmt die
lichte Höhe des Korridors
∅d
ABL 4 m3 / m2h
Beispiel Abluftkanal
∅d
· Beispiel Abluftkanal:
1. Berechnung der belüfteten
Fläche
2. Festlegung der spez.
Abluftrate
A = 155 m2
VfAR = 4 m3/m2 h
VfAR = 4 • 155
3. Berechnung der Abluftmenge
= 620 m3/h
der Zone
4. Bestimmung der max.
Luftgeschwindigkeit im Kanal
vor dem ersten Absaugpunk
w = 3 m/s
5. Berechnung des
Kanalquerschnitts
A = VABL /(3600 • w)
= 0.057 m2
6. Berechnung des äquivalenten d = 2 • √(A/π)
Rohrdurchmessers
= 0.269 m
Schnitt A
Ventilatoren
· Die Luft in einem Kanal wird nur dann gefördert,
wenn an irgendeinem Ort eine Kraft erzeugt wird, die
den Reibungskräften entgegenwirkt. In
Lüftungsanlagen ist der Ventilator die Maschine, die
aus der eingebrachten Kraft einen Überdruck (bei
Zuluftsträngen) oder einen Unterdruck (bei
Abluftsträngen) im Kanalquerschnitt vor oder nach
dem Ventilator erzeugt in Bezug auf den Raum, der
be- oder entlüftet werden soll. Diese erzeugte
Druckdifferenz ist gleich gross wie die
Druckdifferenz, die sich im Kanalnetz ergibt, wenn
die Luft mit der gewünschten Geschwindigkeit
strömt.
· Ventilatoren sind zwar einfache und sehr robuste und
wartungsarme Maschinen, verbrauchen aber relativ
viel Antriebsenergie und erzeugen Schallwellen, die
sich im Kanalnetz ausbreiten. Deshalb ist die
Auslegung eines Lüftungssystems nicht trivial und
die Qualität von grosser Bedeutung.
Grobdimensionierung von Ventilatoren
.
Pel= ΔpGesamt • V/η : Leistung
1
· Resultat aus der Kanalnetzberechnung (Beispiel):
.
∆pΝeτz= 750 Pa bei V = 7200 m3/h
· Der Druckverlust des Lüftungsgerätes ∆pGerät
(Filter, Wärmetauscher, Wettergitter, Schalldämpfer,
etc.) und der maximale Gegendruck ∆pA werden dazu
addiert:
∆pGesamt = ∆pNetz + ∆pGerät + ∆pΑ
· Der Lüftungsingenieur wählt den geeigneten
Ventilator im optimalen Betriebspunkt und bestimmt
dessen elektrische Leistungsaufnahme (Pel).
Δp
.
Druckdifferenz [Pa]
V
Volumenstrom [m3/s]
Pel
Elektrische Leistung [W]
η
Ventilatorwirkungsgrad [ ]
3
Volumenstrom [m3/h]
[Pa]
2
Abrissgebiet
Druckverlust
· Ventilatoren werden in Herstellerangaben mit den
sog. Ventilatorenkennlinien beschrieben.
Druckverlust [Pa]
1
2
n1
n2
3
n3
Pel [kW]
Historische Entwicklung der mechanischen Lüftung
· In den 1920-30er Jahren waren in Europa erstmals
Gebäude mit grossen zentralen Zuluftventilatoren
ausgerüstet, die Luft durch ein Kanalsystem in die
Räume einbliesen. Die Abluft strömte über mit
Handzügen betätigte Abluftöffnungen oben im
Gebäude aus.
· Ab 1940 wurden zusätzliche Abluftkanalsysteme mit
grossen Abluftventilatoren auf dem Dach gebaut.
· In den USA wurden ab 1940 die Hochhäuser mit
Lüftungsanlagen geheizt und gekühlt. Da die
Fassaden schlecht gedämmt waren, musste das
umgewälzte Luftvolumen deutlich grösser sein, als
das für die Hygiene notwendige Volumen. Man führte
das Umluftsystem ein. Die Lüftungs- bzw.
Klimazentrale wurde Stand der Technik. In
Hochhäusern wurden z.T. alle 15 Geschosse eine
doppelgeschossige Klimaetage eingebaut. Die
Ventilatoren waren so stark, dass sie aus dem LEE
ansaugen und/oder ins LUV ausblasen konnten.
Klimageschoss
· Ab 1960 wurden v.a. in der Schweiz (Firma Luwa,
Sulzer) KLIKO-Anlagen realisiert. Vor der
Fensterbrüstung wurden Klimakonvektoren
montiert, die sowohl an eine HochdruckZuluftanlage wie auch an das Heiz/Kühlsystem mit
Wasser angeschlossen waren. Die Zuluft wurde mit
relativ grossem Überdruck (von über 200 Pa) durch
einen Düsenstock gepresst und auf hohe
Geschwindigkeit beschleunigt. Durch den Strahl
wurde ein Unterdruckgebiet erzeugt, welches
Raumluft ansaugte. Die Mischluft wurde durch die
Wärmetauscher in den Klikogeräten geführt. Dadurch
wurde ein Umluftbetrieb im Raum induziert. Die
grossen und druckstarken Ventilatoren waren zentral
angeordnet und mit grossen Schalldämpfern
ausgerüstet. Der Druck betrug bis 2000 Pa.
· Ab 1975 wurden nach und nach alle Umluftanlagen
ersetzt oder saniert. Es wurden Wärmetauscher
zwischen Zu- und Abluft eingebaut. Die Energiefrage
machte die Wärmerückgewinnung zum Muss.
KLIKO-Anlage
· Ab 1990 explodierte die Nachfrage nach kleinen
Axiallüftern zur Kühlung von Computern. Zur
Anwendung kamen Gleichstrommotoren mit guten
Wirkungsgrad bei kleinen Leistungen. Ab 2000
wurden Kleinventilatoren mit magnetgelagerten
Achsen angeboten. Die Lebensdauer dieser Lüfter
stieg auf über 100 000 Stunden (30 Jahre
Betriebszeit).
· Ab 2005 erschienen erste dezentrale Zuluftgeräte,
die die Aussenluft durch Öffnungen in die Fassade
ansaugten. Sie wurden kombiniert mit zentralen
Abluftanlagen (Haus Amstein + Walthert, IUCN
Gland, etc.) mit Wärmerückgewinnung. Andere
Konzepte führen die Abluft pro Raum an ein
dezentrales Lüftungsgerät zurück um die Wärme der
Abluft an die Aussenluft zu übertragen.
· Zusammengefasst kann man sagen, dass die
Entwicklung der Lüftungsinstallationen anfangs
geprägt war durch den Stand der Technik beim Bau
von Ventilatoren, später durch die Anforderung an die
Wärmerückgewinnung aus der Abluft. Erst ab 2013
sind neue Konzepte möglich.
LowEx-Lüftungssysteme ohne WRG aus der Abluft
· Das Ziel der lowEx-Lüftung ist es, die Luftqualität
und die thermische Behaglichkeit im Raum mit
möglichst kleinem Aufwand an hochwertiger Energie
(Exergie) zu gewährleisten, die Schallentwicklung
tief zu halten, und den Raumanspruch in den
Nutzgeschossen und den speziellen Technikräumen
zu minimieren.
· Low Ex bedeutet, dass wenig hochwertige Energie
zur Erfüllung einer Aufgabe eingesetzt wird. Es
bedeutet nicht à priori, dass wenig Gesamtenergie
verbraucht wird. Der Exergieanteil der Abluft hängt
ab von der Zulufttemperatur (der
Referenztemperatur T2 gemäss 2. Hauptsatz der
Thermodynamik) und vom energetischen
Wirkungsgrad des Wärmetauschers. Der
Exergieanteil ist hoch bei Temperaturen unter 0°C.
Diese Bedingungen kommen aber während max. 800
Stunden im Jahr vor.
· Das neu entwickelte System Sol2ergie (Energie solaire avec stockage au sol) zeichnet sich dadurch aus, dass
das Heizungssystem des Gebäudes an eine Wärmequelle gekoppelt ist, die jederzeit und mit ausreichender
Leistung Wärme mit einer Temperatur höher als 15°C zur Verfügung steht. Diese Wärme konkurriert die Wärme
in der Abluft.
· Die Wärme aus dem Erdspeicher wird mit dem Wärmeträgermedium Wasser zur Wärmepumpe geführt. Der
Volumenstrom ist dank der grossen Dichte und der hohen Wärmespeicherkapazität von Wasser klein im
Verhältnis zu Luft. Die Installationen für die Erdwärmesonden und die Wärmepumpe sind ohnehin realisiert für
die Kompensationswärme der Transmissionsverluste und des Warmwassers.
· Das Heizsystem kann einfach und günstig erweitert werden, um auch die Wärmeverluste zu decken, die mit der
Abfuhr ohne WRG verbunden sind.
· Zur Erwärmung von 30m3 Zuluft pro Person und
Stunde von -10°C auf 20°C sind 250 W Wärmeleistung
notwendig. Bei einem COP von 10 der Wärmepumpe
müssen somit 225 W Leistung aus dem Erdreich
bezogen werden. Dazu sind 4,5 Meter Erdsonde
notwendig.
· Die Grenzkosten dieser Zusatzinstallation im
Gebäude sind deutlich tiefer als die Kosten für die
Installationen, die für die Installationen der
Wärmerückgewinnung notwendig sind.
· Zum Betrieb der Wärmepumpe müssen 25 Watt/
Person Strom zur Verfügung stehen. Um diesen
Leistungsbezug während 10 Stunden pro Tag zu
decken müssen an geeigneten sonnigen oder
windreichen Standorten Installationen mit einer
Leistung von 50-75 Wattpeak installiert sein. Bei
spezifischen Kosten von ca. 3 CHF/Watt sind die ZESI
relativ klein. (ZESI: Zero Emission Supply
Investments)
V Zuluft
= 30 m3/h
= 8,3 · 10 -3 m3/s
ΔT
= 30 K
ρLuft
= 1kg/m3
cp
= 0,25 kJ/s
Q Zuluft
= 1 kJ/kgK
COPWP
= 10
Q Erdreich
= 225 W
P*Sonde
= 50 W/m
LSonde
= 4,5 m
· Die Entwicklung des Systems Sol2ergie ist die Voraussetzung dafür, dass das Lüftungssystem ohne
Wärmerückgewinnung aus der Abluft betrieben werden kann.
· Die zweite technische Voraussetzung zur völligen Neukonzipierung von Lüftungssystemen sind sehr
zuverlässige Kleinventilatoren und andere elektronische Antriebe. Dies ist ab 2010 der Fall. Dank diesen neuen
Gegebenheiten kann man erstmals ein sehr einfaches und qualitativ hochwertiges Lüftungs-/Klimasystem
realisieren.
Luv - Lee - Lüftung
· Ein Gebäude im Wind bewirkt auf der
windzugewandten Fassade (Luv-Fassade) die
Ausbildung einer Überdruckzone. Das dichte
Gebäude wird umströmt. Werden auf beiden
Fassaden die Fenster geöffnet entsteht eine
Querlüftung durch das Haus.
· Bei Temperaturen unterhalb 15°C, oberhalb 25°C, bei
Regen, bei Windgeschwindigkeiten ab 1 m/s, etc. ist
die Querlüftung über Fenster und auch die einseitige
Fensterlüftung ungeeignet.
· Die neue Luv -Lee - Lüftung arbeite mit der
Druckdifferenz am Gebäude mit kontrollierter
Querlüftung.
· Die Öffnungen in der Fassade können sowohl Zu- wie
auch Abluftöffnungen sein. Und sie sind verstellbar
(auf/zu). Je nach Windrichtung sind sie intern mittels
einer sehr einfachen Umschaltung entweder an das
vermaschte Zuluftkanal- oder das vermaschte
Abluftkanalsystem gekoppelt. Zwischen der
Umschalteinrichtung und dem Zuluftkanalsystem ist
eine aktive Airbox installiert, die die Aussenluft
filtert, erwärmt oder kühlt und wenn nötig fördert
(Druckerhöhung max. 20 pa). Die beiden vermaschten
Luftkanalsysteme sind der Decke einbetoniert
zwischen oberer und unterer Armierung.
Kanalnetz Abluft
Kanalnetz Zuluft
Luv
Lee
Kanalnetz unter Windeinwirkung
· Unterhalb einer Windgeschwindigkeit von 1 - 1,5 m/s (20-25 Pascal Differenzdruck Luv - Lee) reichen die
natürlichen Druckunterschiede nicht aus, um die Luft durch die beiden Kanalsysteme mit ihren Widerständen
zu fördern. Die in den Zuluftairboxen installierten Kleinventilatoren übernehmen diese Aufgabe. Die Abluft
wird durch den so erzeugten Überdruck im Gebäude durch das Abluftkanalsystem ausgepresst.
· Ab Windgeschwindigkeit 2 m/s reicht der natürliche Differenzdruck aus. Die Ventilatoren werden dann
stromlos betrieben und drehen mit. Ab 3-4 m/s werden einzelne Zuluftöffnungen und/oder Abluftöffnungen
geschlossen.
· Die Fenster ober- bzw. unterhalb der Öffnungen können jederzeit und individuell geöffnet werden. Das
kontrollierte System wird dadurch nicht unzulässig gestört.
· Das neue Luv - Lee - Lüftungskonzept ist geeignet für Räume mit einer Personendichte bis zu 0,3-0,4 P/m2. Bei
höheren Dichten wird der erforderliche Strömungsquerschnitt zu gross, um in der Decke integriert werden zu
können.
© Prof. H.-J. Leibundgut
Professur für Gebäudetechnik
September 2012

Installationen der Lüftung

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