Swegon Klimasysteme mit Luftkühlung 2002 - Rev. 2005-02-10
www.swegon.comVerdrängungslüftung
Allgemeines
Die Abbildung 42 zeigt ein Verdrängungssystem. Die Ventilationsluft wird in Bodennähe mit Untertemperatur zugeführt und in Deckenhöhe abgesaugt. Die Ventilationsluft verteilt sich am Boden und beginnt nach oben zu steigen, wenn sie mit warmen Körpern, die aufwärtssteigende Konvektions-ströme erzeugen, in Berührung kommt.
Die warme Punktquelle in der Abbildung erzeugt eine Verunreinigung, wie z. B. erwärmte Luft, die leichter als die umgebende Luft ist. Die Verunreinigung steigt an die Decke, und in das entstandene Luftgebilde wird mehr Luft hineingesaugt.
Wenn der Volumenstrom der Luft in der Zusammenballung von Verunreinigungen beim Erreichen der Decke größer als die Ventilationsluftmenge ist, ist es nicht möglich, die gesamte verunreinigte Luftmenge direkt mit der Ventilationsluft abzusaugen. Ein Teil der Verunreinigung wird deshalb wieder nach unten in den Raum zirkuliert. Wir erhalten eine Front mit verunreinigter Luft, die beginnt, sich nach unten in den Raum zu bewegen.
Die Front bleibt auf dem Niveau stehen, wo der Volumenstrom der Luft in der aufwärtssteigenden Zusammenballung von Verunreinigungen gleich der Ventilationsluftmenge ist.
Es bilden sich deshalb im Raum zwei Zonen, eine obere Zone mit verunreinigter Luft und eine untere Zone mit „sauberer” Luft. In Räumen, wo keine sitzende Arbeit ausgeführt wird und ein hohes Aktivitätsniveau vorherrscht, ist es erstrebenswert, die saubere Zone soweit oben wie nur möglich zu platzieren, am besten oberhalb der Atmungszone.
Die erforderlichen Luftmengen werden mit Ausgangspunkt von den gültigen Normen und Bestimmungen über die hygienischen Grenzwerte festgelegt.
Abbildung 42.Verdrängungslüftung. Die Luft wird mit Untertemperatur in Bodennähe zugeführt und in Deckenhöhe abgesaugt. Die Zuluft (qv) verteilt sich am Boden und steigt nach oben, wenn sie mit warmen Körpern in Berührung kommt.
qv = Ventilationsluftmenge, l/s
qx = Konvektionsluftmenge im Gebilde von Verunreinigungen auf dem Niveau x, l/s.
A = Verunreinigte Zone
B = Bewegliche Front mit verunreinigter Luft
C = Saubere Zone
Projektierung
Bei Lüftung nach dem Verdrängungsprinzip wird die Luft mit einer sehr niedrigen Geschwindigkeit zugeführt. Dies bedeutet, dass das Strahlprofil im Raum von den Unterschieden in der Dichte der Luft gesteuert wird. Es kann behauptet werden, dass das Strahlprofil thermisch gesteuert wird. Hier gelten andere Regeln als normalerweise beim Mischströmungsprinzip.
Es ist deshalb wichtig, im Zusammenhang mit der Projektierungsarbeit genau die vorhandenen Voraussetzungen zu analysieren. Zwischen folgenden Teilmomenten ist zu unterscheiden:
1. | Prozessanalyse | 2. | Berechnung |
| | | |
| - Art der Tätigkeit/Raumtyp | | - Luftmenge |
| - Aktivitätsgrad | | - Energiebilanzberechnung |
| - Konvektionsströme | | - Konvektionsluftmenge |
| - Raumabmessungen | | - Resultierender Schallpegel |
| - Raumlayout | | - Nahzone |
Abbildung 43.Verdrängungslüftung.
Prozessanalyse
Art der Tätigkeit / Raumtyp
Die Anwendung von Quellauslässen in Räumen, in denen Verunreinigungen produziert werden, ist davon abhängig, dass die Auslässe eine sehr geringe gleichzeitige Induktionswirkung auf die Raumluft haben.
Aktivitätsgrad
In Räumen, wo große Rücksicht auf den Komfort genommen werden muss, ist es wichtig, die Komfortansprüche mit Ausgangspunkt vom vorherrschenden Aktivitätsgrad festzulegen.
Konvektionsströme
Die im Raum auftretenden Konvektionsströme bestimmen zusammen mit der Zuluft das Strahlprofil im Raum. Sowohl die Zuluftmenge als auch die Zuluftauslässe erhalten daher einen sehr großen Einfluss auf das Endergebnis. Wenn die Auslegung mit Ausgangspunkt von der Erzeugung und einer maximalen Konzentration von Verunreinigungen in der Aufenthaltszone erfolgen soll, muß die Luftmenge nach gültigen Normen in bezug auf die hygienischen Grenzwerte ausgelegt werden. Siehe auch Abschnitt „Berechnungen”.
Raumabmessungen
Die Raumhöhe beeinflusst in hohem Grad die erhaltene Effektivität von Luftwechsel und Lüftung.
Eine hohe Decke bietet mehr Platz für die Lagerung von verunreinigter Luft, während eine niedrige Decke diese Möglichkeiten begrenzt.
Raumlayout / Allgemeines
Aufgrund der großen Bedeutung der Lage und Größe der Wärmequellen für das Endergebnis, ist es wichtig, zu wissen, wo diese platziert sind.
Eine genaue Analyse für z. B. die Platzierung von Werkstattmaschinen ist deshalb eine notwendige Voraussetzung für die Projektierungsarbeit.
In Komfortanlagen ist es notwendig zu wissen, wie der Raum möbliert wird, um auf bestmögliche Art und Weise die Platzierung des Zuluftauslasses bestimmen zu können. Die Prinzipien hierfür gehen aus nachstehenden Abbildungen hervor.
Raumlayout / Großraumbüro
Man soll versuchen, Plätze zu finden, wo die Personen nicht den ganzen Tag über sitzen. Oft gibt es besondere „Gänge”, in deren Nähe die Auslässe plaziert werden können.
Flache oder halbrunde Auslässe an Säulen oder vielleicht runde Auslässe in Form von „falschen” Säulen.
Andere Stellen, die für die Anordnung der Auslässe in einem Großraumbüro geeignet sein können, sind z. B. in der Nähe des Vorrats oder beim Kopiergerät.
Abbildung 44.Die Anordnung von Auslässen in einem
Großraumbüro.
1 = Die Konzentration von Auslässen weit vom Arbeitsplatz entfernt
2 = Bücherregale
3 = Kopiergerät
4 = Alt. Zuluftauslässe in Form einer falschen Säulenreihe
Raumlayout / Einraumbüro
Das normale Einraumbüro besitzt oft eine größere Tiefe als Breite. Es ist daher zu versuchen, den Auslass in oder an der Wand zum Korridor zu platzieren. Dadurch ist der Abstand vom Auslass zur am Schreibtisch sitzenden Person ausreichend groß.
Kommentare zu Abbildung 45.
A.
Oft kann der Auslass im Balkenzwischenraum in unmittelbarer Türnähe angeordnet werden. An der Wand, in Türnähe stehen oft keine Möbel aufgrund des Wandschalters für die Beleuchtung.
B.
Die Anordnung von Auslässen hinter der eigentlichen Tür ist eine weniger geeignete Lösung. Die Nahzone wird beeinflusst, und an der Wand, wo in diesem Fall der Besucher sitzt, treten die erhöhten Luftgeschwindigkeiten auf.
C.
Wenn die Auslässe an der Fassade angeordnet werden, sollten sie, abhängig vom Standort des Schreibtisches, zur einen Seite verschoben werden.
Der zufällige Besucher, der in die Nahzone kommt, ist nicht genauso empfindlich für Zug wie derjenige, der den ganzen Tag im Büro sitzt.
Abbildung 45. Auslassplatzierung im Einraumbüro.
Flexible Strahlprofile, Nahzonen
In den meisten Fällen ist es ein unbestrittener Vorteil, wenn das Strahlprofil der Auslässe verändert werden kann, um zu verhindern, dass die Sitzplätze vor die Nahzone der Auslässe kommen.
Die Auslässe von Swegon sind mit dem VariZonSystem ausgerüstet. Jeder Luftauslass besitzt eine Anzahl runder, drehbarer Luftgleichrichter, die hinter dem perforierten Frontblech sitzen. Durch das Drehen dieser Luftgleichrichter wird das Strahlprofil beeinflusst.
Dies ist ein unbestrittener Vorteil, wenn man in Betracht zieht, dass das Aussehen des projektierten Raumes vielleicht im Laufe der Zeit geändert wird.
Eine Faustregel ist, dass die auf dem Katalogblatt dargestellte Ausbreitung der Nahzone über die Bodenfläche (m2) außer der Standardeinstellung wie folgt geändert werden kann:
- Rechtsgerichtete Nahzone
- Linksgerichtete Nahzone
- Lange und schmale Nahzone
Gemeinsam für diese Alternativen ist, dass die Ausbreitungs-fläche die gleiche wie für die Standardeinstellungen sein soll.
Abbildung 46.Beispiel für alternative Einstellungen.
Abbildung 47.Auslässe, bei denen die Form der Nahzone an die Möblierung des Raumes angepasst wurde.
Abbildung 48. Auslässe, bei denen keine Umverteilung des Strömungsbildes vorgenommen wurde.
Berechnungen
Luftmenge
Für Industrieanlagen, wo die Lüftungsanlage für eine gewisse maximale Konzentration von Verunreinigungen in der Aufenthaltszone auszulegen ist, ist es wichtig, dass die Zuluftmengen mit Ausgangspunkt von der Menge der abgegebenen Verunreinigungen m (mg/s) im Raum und der zugelassenen Konzentration der Verunreinigungen bestimmt werden czu (mg/m3).
Der Luftmenge q wird wie folgt erhalten:
Die Konzentration, czu , gem. dieser Gleichung muss immer geringer als der hygienische Grenzwert gem. den gültigen Vorschriften sein. Da die aktuelle Verunreinigung auch in der Zuluft vorhanden sein kann, wird die Zuluftmenge q wie folgt berechnet:
wo ct = Konzentration von Verunreinigungen in der Zuluft in mg/m3.
In Komfortanlagen beträgt die niedrigste Luftmenge in der Regel 0,35 l/s pro m2 Bodenfläche. Für Einraumbüros sollte die Außenluftmenge jedoch 12 à 15 l/s pro Person nicht unterschreiten.
Energiebilanzberechnung
Eine Berechnung von internen und externen Wärmelasten, mit Rücksicht auf die Wärmeakkumulation im Gebäude muß einer Berechnung der erforderlichen Kühlbelastung zugrunde liegen. Dies führt zusammen mit den Komfortansprüchen zur richtigen Systemwahl und Zuluftmenge.
Die Berechnung der Möglichkeit der Verdrängungsanlage, Kühlleistungen zuzuführen, geht aus dieser Projektierungsanleitung hervor.
Konvektionsstrom
Es ist nicht notwendig, den Konvektionsstrom für verschiedene Wärmequellen in Industrieanlagen zu berechnen, wenn die Luftmengen gem. den obigen Anweisungen bestimmt werden. Auch in Komfortanlagen wird bei der Wahl der Zuluftmengen nicht die Größe der Konvektionsströme beachtet.
Resultierender Schallpegel
Die Zuluftauslässe erzeugen gewöhnlich sehr wenig Geräusche. Die Eigenschalldämpfung ist oft auch niedrig, weswegen immer eine genaue Schallberechnung für das Kanalystem durchzuführen ist. Die Korrektur für die aktuelle Raumabsorption wird gem. dem Abschnitt „Akustik” durchgeführt.
Nahzone
Es sollte betont werden, dass es bei der Auslegung notwendig ist, die Größe der Nahzone zu berücksichtigen. Weiterhin sollte nicht damit gerechnet werden, dass sich ein Angestellter innerhalb der Nahzone aufzuhalten hat. Dies ist besonders in Räumen mit einer hohen Personendichte zu berücksichtigen. Deshalb in erster Linie Auslässe nach Form der Nahzone und in zweiter Linie nach der Geräuscherzeugung der Auslässe wählen.
Abbildung 49.Berechnungen.
- Min. Menge gem. den
Normen und Verordnungen | - Resultierende Schallpegel
- Nahzonen |
- Energiebilanzberechnung | |
Der Zusammenhang zwischen Luftmengen, Temperaturgradienten und Wärmelasten bei Verdrängungslüftung.
Eine Methode zur Begrenzung der vertikalen Temperaturgradienten bei unterschiedlichen Wärmelasten wird nachstehend gezeigt.
Die Methode wird in Mitteilung Nr. 16, Installationstechnik, KöniglichTechnische Hochschule, Stockholm, März 1991, beschrieben:
Bezeichnungen | | |
tlg | = | Lufttemperatur in Bodenhöhe |
tt | = | Zulufttemperatur |
tf | = | Ablufttemperatur |
s | = | Vertikaler Temperaturgradient, °C/m |
h | = | Raumhöhe, m |
Dtt,1 | = | Unterschied zwischen Temperatur auf dem Niveau von 1,1 m und der Zulufttemperatur |
Der Temperaturgradient muss begrenzt werden und darf nicht die Grenzwerte überschreiten, die unter der Überschrift „Anforderungen an das Raumklima” angegeben werden. Die erforderliche niedrigste Ventilationsluftmenge für einen gewissen maximalen Temperaturgradient ist aus Abbildung 51 ersichtlich. Mit Hilfe von Abbildung 52 kann der Temperaturunterschied zwischen Niveau 1,1 m im Raum und der Zulufttemperatur bestimmt werden. Eine Kontrolle der Zulufttempertur am Boden (tlg) erfolgt mit Hilfe von Abbildung 50. Diese Kontrolle ist wichtig, weil Komfortprobleme vermieden werden müssen. Die Zulufttemperatur, tlg, darf 20 °C nicht unterschreiten. Ein praktischer Rat ist auch, dass die Zulufttemperatur nicht niedriger als 18 °C sein darf.
Abbildung 50.Dimensionsloser Temperaturunterschied bei verschiedenen Luftmengen in der Bodenzone.
A = akg = 5 W/(m2,K) | (Wärmeübergangszahl aufgrund
von Konvektion an der Bodenfläche) |
B = akg = 3 W(m2,K) | |
Abbildung 51.Erforderlicher Ventilationsstrom als Funktion der Kühlleistung bei verschiedenen Produkten von Gradient und Raumhöhe.
A = Luftmenge (l/s,m2)
B = Kühlleistung (W/m2)
Abbildung 52.Temperaturunterschied zwischen der Luft in Bodenhöhe und der Zuluft als Funktion der Kühlleistung bei verschiedenen Produkten von Gradient und Raumhöhe.
A = Kühlleistung (W/m2)
Die Methode wird mit Hilfe von folgendem Beispiel beschrieben.
Ein Büroraum mit einer Deckenhöhe von 2,7 m hat einen Kühlbedarf von 25 W/m2.
Der vertikale Temperaturgradient wird auf 1,7 °C/m begrenzt.
Die erforderliche Luftmenge 1,1 m über Bodenhöhe sowie am Boden berechnen.
Lösung:
s x h = 1,7 x 2,7 = 4,6 °C
Abbildung 51 gibt q/A = 2,8 l/s,m2
Abbildung 52 gibt Dt1,1 - 1,1 x s = 3,6
d.h. Dt1,1 = 3,6 + 1,1 x 1,7 = 5,5 °C
Die Zulufttemperatur auf tt = 18 °C festlegen,
was t1,1 = 18 + 5,5 = 23,5 °C gibt.
Abbildung 50 gibt
(q/A = 2,8 l/s,m2 oder10 m3/h,m2)
Da:
wird tlg = 0,4 x 7,5 + 18 = 21 °C erhalten
D.h. erforderliche Luftmenge = 2,8 l/s,m2
Lufttemperatur auf dem Niveau von 1,1 m = 23,5 °C
Lufttemperatur am Boden = 21,0 °C