Betrachtungsweise
Ein Ziel der Lüftungstechnik ist die Abfuhr von Schadstoffen aus dem Raum. Wie effizient die eingesetzte Lüftung dies umsetzt, kann mittels der Effizienzkennzahlen der Lüftungseffektivitäten beziffert werden. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Betrachtungsweisen:- Ist die Schadstoffquelle bekannt? So ist das Ziel der Lüftung, die Verunreinigung lokal und auf möglichst direktem Weg aus dem Raum abzuführen, ohne eine Ausbreitung im Raum zu vermeiden. Der Fokus liegt auf der Schadstoffbeseitigung, dem Abtrag der Kontamination aus dem Raum.
- Ist die Schadstoffquelle nicht bekannt ist es allgemein sinnvoll, die Luft möglichst schnell auszutauschen. Das Alter der Luft und die Güte der Lufterneuerung sind hier relevant.
Übersicht der Effizienzgrößen
Der Begriff Lüftungseffektivitäten fasst die Bewertungsgrößen zusammen. Diese sind in Abbildung 1 dargestellt.
Global oder Lokal?
Neben der Betrachtung des Raums als Ganzen ist es sinnvoll, Konzentrationen und Luftalter lokal im interessierenden Raumbereich zu betrachten.
Bei idealer Mischlüftung wird die Zuluft vollständig und homogen mit der Raumluft vermischt. Abbildung 2 (oben) zeigt, dass die Konzentration ist im gesamten Raum gleich hoch, auch in der Abluft. Diese homogene Verteilung gilt auch für das Alter der Luft.
In der Realität ist die Luft im Raum nicht vollständig und gleichmäßig durchmischt. Bei realer Mischlüftung bilden sich Kurzschlüsse und Totgebiete aus. Die Konzentrationsverteilung ist von der Positionierung der Partikelquellen relativ zur Raumluftströmung abhängig. Dies zeigt exemplarisch Abbildung 2 (unten links und rechts). Befindet sich eine Person in einem Totgebiet, konzentriert sich die Luft dort auf. Befindet sie sich nahe der Abluft, ggf. in einem Kurzschlussgebiet, wird die Kontamination direkt abgeführt.
Daher ist neben der globalen Betrachtung der Effizienz des Luftaustausches und des Kontaminationsautrags auch die lokale Betrachtung im Aufenthaltsbereich wichtig.
Beurteilung nach der Lufterneuerung
Ist nicht bekannt, wo sich die Schadstoffquellen im Raum befinden, ist die Betrachtung des Alters der Luft und eine möglichst schnelle Lufterneuerung sinnvoll. Als Effizienzkenngröße dient der Luftaustauschwirkungsgrad: Er vergleicht die schnellst mögliche Zeit für den Luftaustausch mit der realen Zeit des Luftaustauschs. Bei einer globalen Betrachtung des gesamten Raumes gilt Gleichung (1).
\varepsilon^a=\frac{\tau_n}{2\cdot \overline{\tau}} (1)
Der schnellstmögliche Luftaustausch entspricht der nominalen Raumzeitkonstante \tau_n in Gleichung (2), als Verhältnis aus dem Raumvolumen V und dem Zuluftvolumenstrom \dot{q}_v. Sie ist das Alter der Luft in der Abluft und der Kehrwert der Luftwechselzahl n.
n=\frac{V}{\dot{q}_v} (2)
Der schnellstmögliche Luftaustausch wird bei einer idealen Verdrängungsströmung erreicht. Das mittlere Alter der Luft im Raum wird bei der idealen Verdrängungsströmung auf halbem Weg erreicht und entspricht somit der halben Raumzeitkonstante. Der Luftaustauschwirkungsgrad beträgt 100 %. Im Vergleich dazu zeigt Tabelle 1 Luftaustauschwirkungsgrade bei anderen Strömungsformen.
Tabelle 1: Luftaustauschwirkungsgrade bei unterschiedlichen Strömungsformen
| Strömungsform | Luftaustauschwirkungsgrad \varepsilon^a | Mittleres Alter der Luft \overline{\tau} |
|---|---|---|
| Ideale Verdrängungsströmung | 100 % | \overline{\tau}=\tau_n / 2 |
| Quelllüftung | 50 % <\varepsilon^a < 100 % | \tau_n / 2 < \overline{\tau} < \tau_n |
| Ideale Mischlüftung | 50 % | \overline{\tau}=\tau_n |
| Kurzschlüsse und Totgebiete | <50 % | \overline{\tau}>\tau_n |
Wird nicht der Raum als Ganzes, sondern ein Ort im Raum ausgewertet, verwendet man den lokalen Luftaustauschwirkungsgrad \varepsilon^a_p als Verhältnis aus der nominalen Raumzeitkonstante \tau_n und dem Alter der Luft an einem Ort im Raum \tau_p.
\varepsilon^a_p=\frac{\tau_n}{\tau_p} (3)
Beurteilung nach der Schadstoffbeseitigung
Häufig ist die Verunreinigungsquelle im Raum bekannt, beispielsweise sind Personen Quellen von Kohlenstoffdioxid (CO2). Um nun nicht nur einen absoluten Konzentrationswert zu erhalten, sondern die Güte der Lüftung und der Raumluftströmung zu bewerten, setzt man die mittlere Konzentration im Raum \overline{c} mit jener in der Abluft c_e nach Gleichung (4) ins Verhältnis,jeweils bezogen auf die Zuluftkonzentration c_s. Dies ergibt den globalen Luftaustauschwirkungsgrad \varepsilon^c. Der Kehrwert ist der Raumbelastungsgrad \mu.
\varepsilon^c=\frac{c_{e}-c_{s}}{\overline{c}-c_{s}} (4)
Bei lokaler Betrachtung der lokalen Lüftungswirksamkeit \varepsilon^c_p wird die Abluftkonzentration c_e mit der lokalen Konzentration an einem Punkt im Raum c_p nach Gleichung (5) verglichen.
\varepsilon^c_p=\frac{c_{e}}{c_{p}} (5)
Tabelle 2 zeigt Lüftungswirksamkeiten bei unterschiedlichen Strömungsformen. Bei idealer Mischlüftung ist die Konzentration im Raum überall gleich und entspricht auch dem Alter in der Abluft. Die Lüftungswirksamkeit ist 100 %. In der Realität ist die Raumluftströmung nicht ideal durchmischt, die Position der Partikelquelle relativ zur Raumluftströmung beeinflusst die Konzentration im Raum. Befindet sich die Partikelquelle nahe der Abluft, ist die Lüftungswirksamkeit >100 %; befindet sie sich in einem Totgebiet, wird dieses aufkonzentriert. Die Lüftungswirksamkeit ist < 100 %.
Tabelle 2: Lüftungswirksamkeiten bei unterschiedlichen Strömungsformen
| Strömungsform | Lüftungswirksamkeit \varepsilon^c | Raumkonzentration \overline{c} |
|---|---|---|
| Ideale Mischlüftung | 100 % | \overline{c}=c_e |
| Kontaminationsquelle nahe der Abluft | >100 % | \overline{c}< c_e |
| Kontaminationsquelle in einem Totgebiet | < 100 % | \overline{c}>c_e |
Literatur
[1] E. Mundt. Ventilation effectiveness, Vol. 2 of REHVA guidebook. Federation of European Heating and Air-conditioning Associations, Brüssel, 2004.
