GfA - Arbeitsgebiet Luftqualitaet

Erläuterungen zu Fortluft und Abgasen

Darstellung des gemittelten Strömungsfeldes im Nahbereich eines kubischen Gebäudes in turbulentem Wind, Hosker 1984.

Die physikalische Modellierung der Ausbreitungsvorgänge im Nahbereich komplexer Bebauungen in einem Grenzschichtwindkanal (klicken Sie auf eine der Abbildungen rechts, um mehr Informationen über den Grenzschichtwindkanal zu erhalten) ist zu empfehlen, wenn die vorliegende Situation nicht durch geltende Normen oder Richtlinien abgedeckt wird oder eine, aus gestalterischen Gründen favorisierte Lösung zunächst im Widerspruch zu den angewendeten Normen und Richtlinien steht. Im Rahmen einer Ausbreitungsuntersuchung für Fortlüfte oder Abgase lassen sich die Konzentrationen an verschiedenen Varianten einer Baumaßnahme für eine Reihe von Meßpunkten, Windrichtungen und Quellkonfigurationen (z.B. Kamine und Abluftöffnungen) vermessen.

Das Experiment bietet eine Reihe von Möglichkeiten:

Genauigkeit - der Versuch erlaubt eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bei der Bestimmung der Immissionskonzentrationen,

Anschaulichkeit - Modelle im Maflstab 1:100 bis 1:1000 erlauben eine gute Betrachtbarkeit der Strömungs- und Ausbreitungsvorgänge,

Einfachheit - das physikalische Modell ist im Gegensatz zu numerischen Modellen ohne Kalibrierung einsetzbar, Daten aus Experimenten werden häufig als Referenzdaten zur Kalibrierung numerischer Modelle herangezogen,

Sicherheit - durch Referenzexperimente wird die Qualität der Ergebnisse immer wieder überprüft.

In der Regel werden die Ergebnisse mit einer Referenzwindgeschwindigkeit und der Quellstärke normiert. Die Normierung erlaubt die Übertragung in die Realität und die Verknüpfung mit der Windstatistik. Auf diese Weise lassen sich aus den gemessenen Konzentrationen statistisch relevante, mit zulässigen Grenzwerten vergleichbare Immissionswerte bestimmen.

Vergleich der Konzentrationsbeiwerte von zwei Varianten.

Ein Windkanalexperiment und eine Anwendung des numerischen Rechenmodells lassen sich im Einzelfall kombinieren: die Verwendung des Windkanals bietet z.B. genaue Konzentrationsfelder bei punktgenauer räumlicher Auflösung in der unmittelbaren Umgebung der Emissionsquelle, die im Windkanal erarbeiteten Daten sind nötig zur Kalibrierung des Rechenmodells, die Konzentrationsfelder in weiterer Entfernung werden mit dem kalibrierten Rechenmodell bestimmt und die auf beide Arten gewonnenen Daten werden schließlich mit der Windstatistik zu aussagekräftigen Prognosen verknüpft. Der Vorteil der Verbindung von Rechenprogramm und Laborexperiment ist eine Reduzierung der Anzahl, der im Windkanal zu untersuchenden Varianten und die Verbesserung der Genauigkeit der numerischen Immissionsprognose. Weiter können mit dem dann kalibrierten bzw. verifizierten Rechenmodell auch Gebiete betrachtet werden, die sich außerhalb des, im Windkanal modellierbaren Bereiches befinden.

Luftströmungen um Gebäude sind in der Regel äußerst komplex und werden durch das Bauwerk selbst, aber auch durch die Bebauung in der Umgebung bestimmt. Werden luftfremde Stoffe in dieses Strömungsfeld emittiert, resultiert eine Verteilung der Immissionskonzentrationen, welche sich aus der rechnerisch nur schwer vorhersagbaren Ausbreitung der Emissionen ergibt. Dies gilt besonders bei gebäudenahen Quellen, wie

Störfallfreisetzungen in Industrieanlagen,
Fortluftaustritten aus Gebäuden im Einflußbereich der Nachbarbebauung oder
Kfz-Emissionen in Straßenschluchten und Kreuzungsbereichen mit unterschiedlichsten Randbebauungen, Gebäudelücken etc..

Verwirbelung von Abgasen hinter einem Gebäude, Emission aus Linienquelle in der Straße, Wind von links, Theurer, 1998.

Modell einer Großstadtbebauung, eingebaut in der Meßstrecke des Grenzschichtwindkanals der ETH Zürich.

In das Modell einer Großstadt (Maßstab 1:300) integrierte Linienquellen (System Dr. Theurer) zur Simulation der Ausbreitung verkehrsbedingter Emissionen.

Zur experimentellen Simulation der Ausbreitung von Küchen-, Tiefgaragen- oder Klimaanlagenfortluft wird ein Tracerverfahren angewendet. Als Tracergas wird dabei ein in der Zusammensetzung der Luft entweder gar nicht oder nur kaum enthaltenes Gas verwendet.

Die nötige Kaminhöhe wird im Experiment individuell auf die Umgebungssituation abgestimmt (Abb. n. Wilson).

Der Fortluftstrom über maßstäblich nachgebildete Kamine wird mit einer genau definierten Quellstärke und Konzentration des Tracergases erzeugt. An möglichen Außenluftansaugstellen für Lüftungsanlagen, im Nahbereich öffenbarer Fenster oder in Eingangsbereichen werden Luftproben entnommen. Diese Proben werden einem auf das Tracergas sensibilisierten Gasanalysator zugef[cedilla]hrt und der Tracergasgehalt bestimmt. In Abhängigkeit der beim Versuch eingestellten Windgeschwindigkeit wird anschließend die Verdünnung der Abgaskonzentrationen ermittelt und in Form dimensionsloser Konzentrationswerte (K-Werte) dargestellt.
Die Freisetzung des Tracergases erfolgt für die zu untersuchenden Fortluftpositionen in jeweils getrennten Versuchen bei verschiedenen Windrichtungen. Die hierbei ermittelten dimensionslosen Verdünnungskoeffizienten (K-Werte) können rechnerisch überlagert werden.

Der Austrittsimpuls der Fortluft ist neben der Quellhöhe ein wesentlicher Faktor für die erzielbare Verdünnung im Nahbereich des Gebäudes. Dieser Austrittsimpuls wird durch die Austrittsgeschwindigkeit und die Dichte der Fortluft bestimmt. Für die zu untersuchenden Fortlüfte oder Abgase werden typische Richtwerte der Austrittsgeschwindigkeit vorgegeben. Bei zunehmender Windgeschwindigkeit erhöht sich der Impuls der Anströmung, wodurch unter Umständen eine Ablenkung und Rückführung der Fortluftfahne bewirkt werden kann.

Die korrekte Modellierung einer Fortluftfahne ist dann gegeben, wenn die Quotienten von Fortluftimpuls und Anström-(Wind-)impuls im Modell und in der Großausführung gleich sind. Dies bewirkt, daß die Fahnenüberhöhungen im Modell und im Original einander entsprechen.

Prestigeträchtige Gebäude, wie hier das neue Bundeskanzleramt in Berlin, stellen besondere Anforderungen an die Gestaltung der Abgas- und Fortluftkamine (die Abbildungen zeigen den Modellversuch im Windkanal).

Der Emissionsvolumenstrom des Tracergases ergibt sich aus der Forderung der einzuhaltenden Impulsstromdichteverhältnisse. Zur Probennahme wird eine dünne Messingrohrsonde an den zu untersuchenden Auflenluftansaugstellen als `Schnüffler' positioniert oder die Probenluft über, am Modell angebrachte Bohrungen abgesaugt. Als Bezugsgeschwindigkeit wird in der Regel die Windgeschwindigkeit in Dachhöhe des untersuchten Gebäudes gewählt.

Für die Übertragung der gemessenen Konzentrationswerte auf Naturbedingungen wird die Konzentration in der Regel in dimensionsloser Form dargestellt.

Durch die Normierung des K-Wertes ist der Einfluß von w/u nicht erfaßbar. Die Übertragung des K-Wertes ist daher nur für das zugrundeliegende Geschwindigkeitsverhältnis zulässig. Zur Erfassung der worst-case Situation werden üblicherweise verschiedene, typische Windgeschwingkeitsverhältnisse untersucht und dafür die dimensionslosen Konzentrationswerte wie folgt angegeben:

mit


C_I Immisionskonzentration,

C_E Emisionskonzentration,

u_bez Windgeschwindigkeit in Bezugshöhe,

H_bez Bezugshöhe z.B. Gebäudehöhe,

Q Kaminvolumenstrom.

Die, auf die Emissionskonzentration C_E bezogene Immissionskonzentration C_I an einer Meßstelle läßt als ein windgeschwindigkeitsabhängiger Verdünnungsfaktor betrachten.

Der im Original bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit zu erwartende Verdünnungsfaktor läßt sich aus den gemessenen K-Werten dann berechnen nach:

Der Verdünnungsfaktor kann zur Bestimmung einer 'worst case' Situation in Abhängigkeit der Windrichtungen, Windgeschwindigkeiten und Kaminhöhen für die einzelnen Quellpositionen an möglichen Außenluftansaugpositionen herangezogen werden.

Auf diese Weise lassen sich aus den gegebenen Emissionsdaten eines Abgas- oder Abluftkamins die zu erwartenden Maximalwerte für die betrachteten Aufpunkte ermitteln. Diese Werte sind geeignet, mit Prüf- oder Grenzwerten aus Richtlinien oder Gesetzen verglichen zu werden.

Ansicht der maßstäblich nachgebildeten Kamine für Küchen- und Tiefgaragenfortluft auf dem Dach eines Verwaltungsgebäudes. Der Austrittsquerschnitt ist maßstabsgetreu nachgebildet, die Höhe der Fortluftmündungen ist im Modell variabel ausgebildet, womit eine Optimierung vorgenommen wird.