GfA - Natuerliche Lueftung

Erläuterungen zur Lüftung

Atrien, Hallenräume oder geschlossene Sportstadien werden häufig so konzipiert, daß zu einemgroßen Teil der Betriebszeit auf mechanische Belüftung verzichtet werden kann. Bei der Planung besteht das Bedürfnis nach einer sicheren Voraussage der Wirksamkeit der natürlichen Durchlüftung. Da diese durch ein komplexes Wechselspiel von Thermik und Wind bestimmt wird, bereitet die Vorhersage der lokal erzielbaren Luftaustauschraten in den Innenräumen oft Schwierigkeiten. Der Transport von verbrauchter Luft oder von Schadgasen innerhalb eines Gebäudes und über die Grenze der Gebäudehülle hinweg läßt sich grundsätzlich über eine Bilanz der Luftmassen- und Energieströme durch Räume und Öffnungen berechnen. In Computerprogrammen wird das reale Gebäude durch ein Netzwerk simuliert, als dessen Knoten alle offenen oder zu öffnenden Fenster- und Türöffnungen zu betrachten sind. Auch Doppelfassaden lassen sich ohne weiteres in das Rechenmodell integrieren um deren Einfluss auf das Raumklima vorhersagen zu können. Diese Elemente werden jeweils durch eine bauteilspezifische Durchlässigkeitsfunktion, d.h. der Abhängigkeit des Massenstromes von der anliegenden Druckdifferenz, charakterisiert. Ist die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenraum am Ort des Fensters und der außen am Fenster herrschende Winddruck bekannt, so liefert die Lösung des entstehenden Gleichungssystems einerseits für jedes durchströmte Element den durchtretenden Luftvolumenstrom als auch den sich im Inneren des betrachteten Luftraumes einstellenden Innendruck und einen Mittelwert des frischluftbezogenen Luftwechsels. Während die, durch Sonneneinstrahlung und interne Lasten eingetragene Wärme durch die Anwendung moderner thermischer Raumsimulationsverfahren mit Hilfe des Computers in Abhängigkeit von Gebäudestandort, Tages- und Jahreszeit sowie Bauart und angewandter Fassadentechnik hinreichend genau bereit gestellt werden kann, lassen sich windinduzierte Drücke an Baukörpern mit komplexer Geometrie derzeit nicht mit vertretbarem Aufwand rechnerisch ermitteln. Ursache hierfür ist die Komplexität der gebäudenahen Windströmungsverhältnisse. Neben der Gebäudegeometrie selbst spielt die Art der Umgebungsbebauung und die Lage bzw. Ausgesetztheit des Gebäudes eine große Rolle. Wichtige Randbedingungen stellen die, vom regionalen Standort abhängigen, statistischen Häufigkeitsverteilungen von Windgeschwindigkeit und -richtung dar.

Die spezifischen windklimatologischen Daten an dem Standort des Gebäudes bilden eine wesentliche Grundlage für die weiteren Simulationsrechnungen und die Interpretation der Ergebnisse aus den Experimenten. In den drei Diagrammen rechts sind für einen willkürlich herausgegriffenen Standort unterschiedliche Richtungshäufigkeiten für verschiedene Geschwindigkeitsbereiche dargestellt, oben die niederigen Windgeschwindigkeiten unter 2 m/s, in der Mitte die durchschnittlichen Windge- schwindigkeiten zwischen 2 m/s und 5 m/s und unten die stärkeren Winde über 5 m/s. Deutlich sichtbar ist, daß an dem betrachteten Standort schwacher Wind fast gleich häufig aus allen Richtungen kommt, während sich mit zunehmender Windstärke eine deutliche Vorherrschaft einer bestimmten Windrichtung zeigt. Die weiteren Abb. unten zeigen die Richtungsabhängigkeit der Jahresmittelwerte (obere Reihe links), den Jahresgang der Monatsmittelwerte (obere Reihe rechts), die Häufigkeiten verschiedener Geschwindigkeitsklassen (untere Reihe links) und die Wahrscheinlichkeiten, mit der bestimmte Schwellenwerte der Stundenmittelwerte überschritten werden (untere Reihe rechts).

Im Grenzschichtwindkanal (klicken Sie auf eine der Abbildungen rechts, um mehr Informationen über den Grenzschichtwindkanal zu erhalten) läßt sich das durch Wind induzierte, gebäudenahe Strömungsfeld an Hand maßstäblicher Modellversuche mit hinreichend hoher Genauigkeit nachbilden. Die Experimente erlauben die exakte Messung der windrichtungs- und windgeschwindigkeitsabhängigen Drücke an der Oberfläche des maßstäblichen Gebäudemodelles, welche sich mit guter Genauigkeit auf das Originalgebäude übertragen lassen. Die Daten erlauben die Berechnung des, am Originalgebäude zu erwartenden, windbedingten Luftaustausches unter der Annahme, daß es sich um ein stationäres Druckfeld handelt. Auf Grund der Böigkeit des bodennahen Windes können sich allerdings Differenzen zwischen dem berechneten Wert und dem real erzielten Luftwechsel ergeben. Diese Unterschiede lassen sich u. a. dadurch erklären, daß ein verschwindender zeitlicher Mittelwert einer Druckdifferenz zwischen zwei Fensteröffnungen auch als die Folge von ständig wechselnden Drücken mit entgegengesetzten Vorzeichen gesehen werden kann. Aus diesen ergibt sich dann unter Umständen ein wesentlicher Beitrag zum Luftaustausch. Bei vielen Anwendungsfällen ist es für den weiteren Planungsablauf erwünscht, sich ein Bild von den windinduzierten Innenströmungen bei verschiedenen Windrichtungen zu machen. Darüber hinaus ist eine quantitative Bestätigung der, aus den Druckverhältnissen berechneten, windbedingten Luftaustauschraten durch eine Tracergasmessung in jedem Falle zu empfehlen. Rechnerisch für einen natürlich durchlüfteten Luftraum ermittelte Angaben über die Effizienz der Lüftung sind in der Regel lediglich integrale Werte und nicht für alle Bereiche des Raumes zutreffend. Verschiedentlich bilden sich Zonen aus, in denen, durch Windströmungen angetrieben, die Luft garnicht oder nur sehr eingeschränkt ausgetauscht wird.

Die Abbildungen rechts illustrieren besipielhaft das weitere Vorgehen bei der Entwicklung einer Strategie zur natürlichen Lüftung eines großen Hallenraumes. Die Innenströmungsverhältnisse innerhalb der Halle werden bei maßstäblich nachgebildeten Öffnungsquerschnitten aller Fenster, Türen und Gänge untersucht. Im vorliegenden Fall wird mit einem verkleinerten Modell im Maßstab 1:200 gearbeitet. Es handelt sich dabei um ein Fußballstadion mit schließbarem Dach, welches möglichst weitgehend auf natürliche Weise durch die Nutzung der Thermik und des Windes durchlüftet werden soll. Durch das störungsfreie Einbringen von Nebel werden im Experiment die Strömungsverhältnisse im Inneren sichtbar gemacht. Durch die Lichtstreuung der Teilchen läßt sich in dem turbulenten, dreidimensionalen Strömungsfeld der Weg einzelner Nebelballen durch die Öffnungen und innerhalb der Halle aufzeigen. Bei der Interpretation der Ergebnisse sind in erster Linie die pulsierenden Strömungsverhältnisse im Bereich von Öffnungen sowie vorherrschende Strömungsrichtungen zu beachten. Ferner lassen sich Bereiche identifizieren, die entweder unzureichend belüftet werden oder an denen ein sehr hoher Luftaustausch und damit unter Umständen Zuggefahr herrscht. An Hand einer qualitativen Bewertung werden zunächst als Vorbereitung und zur Kontrolle der weiterführenden, quantitativen Verfahren die zu erwartenden windbedingten Luftaustauschraten in Teilbereichen der Lufträume an Hand der Videoaufnahmen abgeschätzt. Bei der, dann im nächsten Schritt durchgeführten und wesentlich genaueren Verweilzeitmessung wird der Innenraum des Modellluftraumes mit Tracergas (hier Propan) geimpft und (nach gründlicher Vermischung) die Gasquelle abgeschaltet. Der mit Hilfe eines schnellen FID (Flammenionisationsdetektor) gemessene, zeitlich abklingende Verlauf der Tracergaskonzentration im Innenraum wird aufgezeichnet. Das Abklingverhalten kann durch ein Exponentialgesetz beschrieben werden, aus dessen Koeffizienten sich die zu erwartenden Luftaustauschraten errechnen lassen.