21.9.2023, Vorbemerkung der Redaktion: Der Beitrag wurde aktuell vom Autor auf Gültigkeit geprüft. Lediglich an zwei Stellen waren Anpassungen erforderlich, da die anzuwendenden Normen geändert wurden. Das ist im Folgenden Text entsprechend gekennzeichnet.
Im Rahmen von vielen weltweit durchgeführten Forschungsprojekten wurde nachgewiesen, dass durch eine Erhöhung des Außenluftvolumenstroms und die dadurch erzielte effektivere Abführung von Schad- und Geruchsstoffen aus der Raumluft die empfundene Raumluftqualität signifikant ansteigt. So hat zum Beispiel Prof. Olli Seppänen, einer der weltweit führenden LüKK-Experten, nachgewiesen, dass durch eine Optimierung des Außenluftvolumenstroms auf einen Wert von etwa 20 bis 30 l/s pro Person (= 72 bis 108 m³/h pro Person) die Leistungsfähigkeit von in Büros tätigen Personen um rund 3 bis 4 % Prozent gesteigert werden kann (Abbildung 1).
Abbildung 1: Durch eine Steigerung der Außenluftrate von 5 l/s pro Person (18 m³/h pro Person) auf 30 l/s pro Person (= 108 m³/h pro Person) steigt die Leistungsfähigkeit um etwa 3,5 % an. Gleichzeitig sinkt die Unzufriedenheitsrate im Hinblick auf die empfundene Luftqualität von etwa 25 auf 5 %. (Quelle: Seppänen, 2006)
Aktuelle technische Regeln, wie zum Beispiel die DIN EN 15251 „Eingangsparameter für das Raumklima“ [NEU: DIN EN 16798 Teil 1 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden: Eingangsparameter für das Innenraumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden bezüglich Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“ (2019)], die DIN EN 13779 „Lüftung von Nichtwohngebäuden“ [NEU: DIN EN 16798 Teil 3 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuen: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Leistungsanforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme“ (2022)] und die VDI 3804 „Raumlufttechnik – Bürogebäude“, empfehlen für eine gute bis sehr gute Raumluftqualität personenbezogene Außenluftströme von etwa 50 m³/h (Klasse II) bis 72 m³/h (Klasse I).
Bei der Erstellung eines raumlufttechnischen Konzepts sind viele Faktoren zu beachten. Dazu gehören bautechnische Rahmenbedingungen wie Architektur und Konstruktion der Gebäudehülle, Standort und Gebäudeausrichtung, Raumvolumina und Raumtiefen sowie die Raumaufteilung. Weiterhin spielen die Belegungsdichte der Räume und deren Nutzung, die abzuführenden thermischen und stofflichen Lasten sowie die Einrichtung der Räume eine wichtige Rolle. Und nicht zuletzt wird die raumlufttechnische Auslegung davon beeinflusst, ob es sich um einen Neubau oder eine Gebäudesanierung handelt. Letztere bietet bei einem nachträglichen Einbau einer Lüftungsanlage nicht den gleichen planerischen Freiraum wie ein Neubau.
Zuluft aus der abgehängten Decke
Abbildung 2 und b: Ein System zur Mischlüftung mit Dralldurchlässen (links) sowie ein Funktionsbild des Durchlasses mit der Zuluftströmung als Detail
Im Raum erfolgt die Montage der lufttechnischen Komponenten häufig zusammen mit anderen Produkten der technischen Gebäudeausrüstung in einer abgehängten Decke. Bei einer ausreichenden Geschosshöhe hat sich diese Einbausituation bewährt, da sie eine hohe Flexibilität bietet. Einschränkungen bei der Einrichtung, der Gestaltung oder der Nutzung des Raums sind üblicherweise nicht gegeben. Außerdem können alle technischen Komponenten, bis auf die Fronten der Luftdurchlässe, durch die abgehängte Decke verdeckt werden.
In Kombination mit einem VVS-System (Variabler Volumenstrom) erzeugen hochinduktive Deckenluftdurchlässe im Raum eine Mischlüftung, die besonders für große und wechselnde Personenlasten gut geeignet ist. Charakteristisch für die Mischlüftung ist die gleichmäßige Temperaturverteilung und Luftqualität im Raum bei einem gleichzeitigen schnellen Temperatur- und Geschwindigkeitsabbau der Zuluftstrahlen (Abbildung 2).
Die sich einstellende Raumströmung ist abhängig von der Bauart des Luftdurchlasses. Hier wird zwischen Luftdurchlässen unterschieden, die im Raum eine tangentiale (Walzenströmung) und oder eine diffuse (hochinduktive) Luftströmung erzeugen.
Die Walzenströmung (tangentiale Raumluftströmung)
Abbildung 3: Darstellung der Luftströmung (Coanda-Effekt) im Raum bei Schlitzdurchlässen
Tangentiale Luftführungssysteme ergeben sich beim Einsatz von Schlitzdurchlässen. Sie erzeugen Luftstrahlen, die sich mit einem starken Impuls an die Raumumschließungsflächen anlegen. Visualisiert man die sich einstellende Luftströmung im Raum beispielsweise mit Rauch, ist die Bildung einer sogenannten Raumluftwalze erkennbar (Abbildung 3).
Diese Raumluftwalze wirkt im Heizbetrieb der natürlichen Auftriebsströmung der warmen Luft entgegen, wodurch es zu einer größeren Eindringtiefe der warmen Zuluft in die Aufenthaltszone kommt. Dieser im Heizbetrieb positive Effekt muss aber bei der Auslegung im Kühlbetrieb besonders beachtet werden, um das Entstehen kritischer Zugerscheinungen zu vermeiden. Strömt gekühlte Zuluft mit großem Impuls in den Raum ein, besteht die Gefahr, dass sich die im Grenzbereich des Zuluftstrahls befindliche Raumluft zu stark abkühlt und dadurch eine Beschleunigung der Luftströmung zu den Aufenthaltsbereichen hin erfolgt.
Diese Eigenschaft tangentialer Luftsysteme erklärt, warum bei Lamellen- und Schlitzdurchlässen die Untertemperatur der Zuluft auf maximal 8 bis 10 K (Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Raumluft) begrenzt wird.
Eine bei Architekten und Nutzern beliebte Eigenschaft von Schlitzdurchlässen ist deren unauffälliges Erscheinungsbild. Die schmale Frontschiene mit einem oder mehreren linearen Luftdurchlässen lässt sich unauffällig in eine abgehängte Decke integrieren. Der bündige Einbau eines Schlitzdurchlasses in die abgehängte Decke ist für tangentiale Luftführungssysteme zwingend erforderlich, damit die Zuluft sich mittels Coanda-Effekt an die Raumumschließungsflächen anlegen kann. Dementsprechend würde eine freihängende Montage die Ausbildung der Raumluftwalze verhindern und somit die Funktion von tangentialen Systemen deutlich einschränken.
Abbildung 4: Ein Schlitzdurchlass mit verstellbaren Walzen zur Zuluftausströmung
Schlitzdurchlässe gibt es als Ausführungen mit verstellbaren Luftwalzen und Luftlenkblechen. Bei beiden Bauformen ist eine manuelle Verstellung der Luftdurchlässe möglich, sodass dadurch die Zuluft horizontal, schräg oder vertikal in den Raum strömt. Während die Luftlenkbleche über den gesamten Schlitzdurchlass oder verhältnismäßig große Längen verstellt werden können, werden die verstellbaren Luftwalzen individuell eingestellt. So können neben der einseitigen Zuluftführung (Zuluftströmung nur in eine Richtung) auch wechselseitige Strömungsprofile erzeugt werden. Die vielfältigen Einstellmöglichkeiten ermöglichen eine optimale Anpassung der Luftdurchlässe an die projekts- und nutzungspezifischen Randbedingungen (Abbildung 4).
Abbildung 5a und 5b: Anpassung der Luftausströmung bei Lamellendurchlässen durch rückseitige Abdeckbleche
Auch die Zuluftströmung von Lamellenluftdurchlässe kann manuell angepasst werden. Durch das Abdecken einzelner Ausströmrichtungen mit Abdeckblechen können bauliche Gegebenheiten berücksichtigt werden. (Abbildung 5)
Bei einem Zuluftvolumenstrom von angenommen 72 m³/h pro Person, der etwa 6 m³/h pro m² Raumfläche entspricht, ergeben sich bei Walzenlüftungssystemen Kühlleistungen von rund
q = v •ρ • cp • ΔT
q = 6 m³/h : 3.600 s/h • 1,2 kg/m³ • 1.006 J/kgK • (8 bis 10 K)
q = 16 bis 20 W/m²
Mischlüftung (diffuse Luftführungssysteme)
Abbildung 6: Luftströmung im Raum bei Drall- und Radialdurchlässen
Wird ein rascher Luftaustausch benötigt oder müssen höhere thermische Lasten abgeführt werden, bieten Drall- und Radialdurchlässe eine gute Alternative. Diese Luftdurchlässe erzeugen in der Aufenthaltszone eine instationäre, dreidimensionale und diffuse Luftströmung. Da nun die Zuluft über viele einzelne hochinduktive Freistrahlen in den Raum einströmt, wird ein schneller Abbau von Temperaturdifferenzen und Geschwindigkeiten erreicht, sodass gemäß der VDI 3804 „Raumlufttechnik – Bürogebäude“ ein bis zu 35-facher Luftwechsel oder eine thermische Lastabfuhr bis 100 W/m² behaglich erfolgen können.
In Kombination mit einem VVS-System kann der maximale Luftvolumenstrom abhängig von der Bauart des Durchlasses im Teillastbetrieb auf 25 bis 40 % der Nennluftmenge verringert werden, ohne dass es zu Einbußen bei der thermischen Behaglichkeit kommt. Die für den Volumenstrombereich geltende Flexibilität gilt auch für den Einbau. Neben vielfältigen Designvarianten für den Frontdurchlass können diffuse Luftdurchlässe deckenbündig oder freihängend montiert werden.
Drall-, Schlitz- und Lamellenluftdurchlässe und die dadurch hervorgerufenen Raumluftströmungen können bei nahezu jedem Einsatzfall verwendet werden, zum Beispiel in Bürogebäuden, Einkaufszentren, Restaurants, Hotels, Versammlungsstätten und vielen weiteren Gebäudetypen.
Im Vergleich zu Schlitzdurchlässen kann bei Dralldurchlässen aufgrund der hohen Induktion die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Raumluft auf etwa 12 K angehoben werden. Dadurch ergeben sich im Vergleich zur Walzenlüftung um etwa 10 bis 20 % höhere Kühlleistungen bis etwa 24 W pro m² (bei Zuluft 6 m³/h je m²). Eine Übersicht zu wichtigen Eigenschaften der verschiedenen Systeme zeigt Abbildung 7.
Abbildung 7: Einsatz verschiedener Luftdurchlässe nach der Art der Luftführung
Luftdurchlässe für große Raumhöhen
Ist der Einsatz von Deckenluftdurchlässen für große Raumhöhen (Hallen > 4 m) geplant, ist eine Verstellung vorzusehen. Dabei wird in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz Raumluft-Zuluft die Ausströmrichtung verändert. Ist die Zuluft kälter als die Raumluft, strömt die Zuluft waagerecht oder leicht schräg nach unten aus dem Auslass mit geringem Impuls in den Raum. Wenn die Zulufttemperatur über der Raumtemperatur liegt (Heizfall), wird die Zuluftströmung auf „senkrecht nach unten“ eingestellt, um der Auftriebsströmung entgegenzuwirken. Die Verstellung der Zuluftströmungsrichtung aus dem Auslass erfolgt automatisch in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz über einen Stellmotor.
Abbildung 8a und 8b: Luftführung bei Dralldurchlässen mit Stellmotor oder selbsttätig im Heiz- oder Kühlfall (Alle Abb. Trox)
Autor
Matthias Plugge, Produktmanagement Raumlufttechnik, Trox GmbH, Neukirchen-Vluyn.
/schlagworte/raumlufttechnik/
Artikelnummer: cci53853
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