Willkommen. welcome. bienvenu. Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien. Die Normung

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1 Willkommen bienvenu welcome Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dr-Ing Christoph Kaup Dipl-Ing Christian Backes Die Normung Mitarbeit in folgenden Ausschüssen: DIN EN Zentrale raumlufttechnische Geräte (Backes/Kaup) DIN EN 1886 Zentrale raumlufttechnische Geräte (Backes/Kaup) DIN EN Lüftung von Nichtwohngebäuden (Kaup) DIN 1946 Teil 4 RLT in Krankenhäusern (Backes) VDI 6022 Hygiene-Anforderungen RLT-Anlagen (Backes/Kaup) VDI 3803 RLT-Anlagen (Backes/Kaup) VDI 2071 Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen (Backes/Kaup) EnEV 2009 Energieeinsparverordnung (Kaup) RLT 01 bis 04 Richtlinien des Herstellerverbandes Dr-Ing Christoph Kaup 2 CO 2 Emissionen in Deutschland CO 2 Einsparpotential in Mio Tonnen 900 Mio t CO Mio t CO 2 (25,8 %) 140 = 668 Mio t CO Heizung 9,1 % Indiustrie 15,6 % Quelle: Umweltbundesamt CO 2 Emissionen in Mio Tonnen Heizung Industrie Elektr Verkehr Dr-Ing Christoph Kaup 3 1

2 Gliederung Innovative Raumlufttechnik INLUFT Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Raumlufttechnik Definition und Übersicht Raumlufttechnik / Prozesslufttechnik Wohn- und Nichtwohngebäude Zentrale und dezentrale Systeme Energiebilanz von Gebäuden Transmissionswärmebedarf Lüftungswärmebedarf (Kaup) (Kaup) Dr-Ing Christoph Kaup 4 Gliederung Thermodynamische Grundlagen (Backes) Mollier-hx-Diagramm Luftaufbereitungsfunktionen und Komponenten Grundlagen der Wärmeübertragung Auslegung von Wärmeübertragern Effizienz der Energierückgewinnung Grundlagen der Energierückgewinnung rekuperative Rückgewinnungssysteme regenerative Rückgewinnungssysteme Wärmepumpensysteme (Kaup) (Kaup) Dr-Ing Christoph Kaup 5 Gliederung Effiziente Luftförderung Auslegung lufttechnischer Anlagen (V, P) Ventilatoren und elektrische Antriebe Regelsysteme (Backes) Mehrfachfunktionale Systeme (Kaup) sekundäre Funktionen der Wärmerückgewinnung indirekte Verdunstungskühlung sorptionsgestützte Kühlung Wirtschaftlichkeitsberechnung (Backes) energetische Bewertung monetäre Bewertung (Amortisation und Kapitalwerte) Dr-Ing Christoph Kaup 6 2

3 Gliederung Theoretische und praktische Übungen mit Anwendungsbezug (Backes / Kaup) Vertiefung der theoretischen Inhalte durch Berechnungsübungen (Backes / Kaup) Vertiefung der Inhalte durch Projektierung von lufttechnischen Systemen (Backes / Kaup) Vertiefung der Inhalte durch ein messtechnisches Praktikum (Labor) (Backes / Kaup) wwwhowathermde > News > Download aktuell > Vorlesung INLUFT Dr-Ing Christoph Kaup 7 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dr-Ing Christoph Kaup Dipl-Ing Christian Backes 3

4 Willkommen bienvenu welcome Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dr-Ing Christoph Kaup Dipl-Ing Christian Backes Raumlufttechnik Raum Luft - Technik Raum Dr-Ing Christoph Kaup D 2 Definition Lufttechnik Definition und Übersicht Raumlufttechnik Lüftung und Klimatisierung von Gebäuden Personen stehen im Vordergrund (Komfort) Freie Lüftung Maschinelle Lüftung Prozesslufttechnik Luft zur Durchführung eines technischen Prozesses (z B Trocknung) innerhalb von Apparaten Prozesse stehen im Vordergrund (Funktion) Gleiche Physik wie RLT Andere Rahmenbedingungen (z B Temperaturen) Dr-Ing Christoph Kaup D 3 1

5 Raumlufttechnik AUL FOL ZUL ABL Raum Dr-Ing Christoph Kaup D 4 Wohn- / Nichtwohngebäude Wohn- und Nichtwohngebäude Normativ unterscheidet man zwischen Wohngebäuden und Nichtwohngebäuden Bei den Letztgenannten handelt es sich um solche Bauwerke, die keine Wohnungen beinhalten Hierzu gehören zb Büro- und Verwaltungsgebäude, Läden und Kaufhäuser, Kliniken und Krankenhäuser, Schulen und Gewerbebauten und sonstige Nichtwohngebäude Nichtwohngebäude sind Gebäude, die überwiegend für Nichtwohnzwecke bestimmt sind Hochbauten sind überwiegend Nichtwohngebäude Dr-Ing Christoph Kaup D 5 Wohn- / Nichtwohngebäude Wohn- und Nichtwohngebäude Unter "sonstige Nichtwohngebäude" werden Universitäts- und Hochschulgebäude, Gebäude von Sportanlagen, Theater, Kirchen und Versammlungsstätten verstanden Wird mindestens die Hälfte der Gesamtnutzfläche für Wohnzwecke genutzt, so gilt das Gebäude als Wohngebäude Bauten, die nicht von Wänden umschlossen sind, und freistehende selbständige Konstruktionen gelten nicht als Gebäude und entsprechend auch nicht als Nichtwohngebäude Dr-Ing Christoph Kaup 6 D 2

6 Wohn- / Nichtwohngebäude Wohn- und Nichtwohngebäude Im Rahmen der Enquete-Studie wurde der Gebäudebestand Deutschlands bis Dezember 1991 beschrieben Kriterien der Erfassung waren u a die Verteilung der Gesamtnutzfläche (NF) bezogen auf Nutzungsklassen und Baualtersklassen Mit 51 % haben Wohngebäude und Nichtwohngebäude (49 %) einen annähernd gleich großen Anteil an der Nutzfläche (NF) im Gebäudebestand Dr-Ing Christoph Kaup S 7 Wohn- und Nichtwohngebäude Industrie 10% Landwirt 7% sonst NWG 11% EFH 22% Lager 12% Hotels 1% Anstalten 4% Büro 4% HH 1% MFH 22% RH 6% Wohngebäude 50,5 % Nicht-WG 49,5 % Stand 1991 BRD Dr-Ing Christoph Kaup 8 Wohn- / Nichtwohngebäude Wohn- und Nichtwohngebäude Gesamtbestand an Nutzfläche in Deutschland 5286 Mio m 2 Gesamtwärmebedarf (50 W/m 2 ) MW Nichtwohngebäude MW Dr-Ing Christoph Kaup S 9 3

7 Raumlufttechnische Anlagen ca installierte Raumlufttechnische Anlagen Luftmenge ca 660 Mio m 3 /h kw elektrische Antriebsleistung kw Lüftungswärmebedarf *Dipl-Ing E Beck, Prof Dr Hausladen, Marktanalyse RLT-Anlagen, Universität Kassel 10 Raumlufttechnische Anlagen Gesamtenergiebedarf der RLT-Anlagen Antriebsenergie Lüftungswärme Mio kwh/a Mio kwh/a ca 1770 Mio /a* ca 1690 Mio /a* Entspricht dem Strombedarf von 14,4 Mio Privathaushalten *Dipl-Ing E Beck, Prof Dr Hausladen, Marktanalyse RLT-Anlagen, Universität Kassel 11 Raumlufttechnik Aufgaben der Raumlufttechnik Versorgung mit Außenluft Abführen von Lasten Wärmelasten Stofflasten Luftaufbereitung Erwärmung Kühlung Befeuchtung Entfeuchtung Filterung Dr-Ing Christoph Kaup D 12 4

8 RLT-Anlage Dr-Ing Christoph Kaup D 13 Das RLT-Gerät Dr-Ing Christoph Kaup D 14 Das RLT-Gerät Dr-Ing Christoph Kaup D 15 5

9 Das RLT-Gerät Dr-Ing Christoph Kaup D 16 Zentrale / Dezentrale Systeme Zentrale und dezentrale Systeme Zentrale Systeme leitungsgebundene Systeme (Kanalgebunden) Dezentrale Systeme den Versorgungseinheiten direkt zugeordnet Kombinierte Systeme Außenluftaufbereitung zentral Raumaufbereitung dezentral (meist thermisch) Dr-Ing Christoph Kaup D 17 Zentrale / Dezentrale Systeme Zentrale Systeme leitungsgebundene Systeme (Kanalgeführt) AUL FOL ZUL ABL Raum 1 Raum 2 Raum 3 Raum 4 Dr-Ing Christoph Kaup 18 D 6

10 Zentrale / Dezentrale Systeme Dezentrale Systeme den Versorgungseinheiten direkt zugeordnet Raum ABL RLT ZUL AUL FOL Dr-Ing Christoph Kaup 19 D Systemdefinition Zentrale, dezentrale und kombinierte Systeme Zentrale Systeme Zentrale Raumlufttechnische Anlage mit zentraler Außenluftaufbereitung und einer kanalbasierten Luftverteilung im Gebäude Dezentrale Systeme Dezentrale Einheiten im Raum mit einem Außenluftanschluss (Fassadenorientiert) Dr-Ing Christoph Kaup D 20 Zentrale / Dezentrale Systeme Kombinierte Systeme AUL FOL ZUL RLT ZUL Raum 1 UML ABL Dr-Ing Christoph Kaup 21 D 7

11 Systemdefinition Zentrale, dezentrale und kombinierte Systeme Kombinierte Systeme Zentrale Raumlufttechnische Anlage mit zentraler Außenluftaufbereitung und einer kanalbasierten Luftverteilung kombiniert mit raumbasierten dezentralen thermischen Nachbehandlungseinheiten (ohne Außenluftanschluss) Dr-Ing Christoph Kaup D 22 Systemkriterien 1 Lufttransport Zentral Dezentral Kombination Verteilsystem verzweigt vernachlässigbar verzweigt Flächenbedarf des Verteilsystems hoch vernachlässigbar hoch Flächenbedarf der hoch gering sehr hoch Anlagen Technikzentrale Nutzfläche Beides Dachzentrale Eingriff in die vernachlässigbar hoch gering bzw Fassade vernachlässigbar Lufteinbringung variabel / gut eingeschränkt / gut (variabel) großflächig schwierig; partiell (Fassadenorientiert) Wetterschutz von geringe z T beträchtliche geringe Ansaug und Ausblas Probleme Probleme Probleme Schallschutz leicht realisierbar aufwändig lösbar aufwändiger Dr-Ing Christoph Kaup 23 D Systemkriterien 2 Luftkonditionierung Zentral Dezentral Kombination Klimatisierungs- Vollklimatisierung nur thermische Vollklimatisierung komfort möglich Luftbehandlung möglich Alternative z B sorptions- nicht möglich möglich Verfahren gestützte Klimatisierung, Direktbefeuerung, etc Luftfiltration uneingeschränkt nur eingeschränkt uneingeschränkt Lufterwärmung uneingeschränkt uneingeschränkt uneingeschränkt Luftkühlung uneingeschränkt eingeschränkt uneingeschränkt möglich; keine hohe Kühlleistung Luftbefeuchtung uneingeschränkt kaum möglich uneingeschränkt Luftentfeuchtung uneingeschränkt eingeschränkt uneingeschränkt möglich Dr-Ing Christoph Kaup 24 D 8

12 Systemkriterien 2 Luftkonditionierung Zentral Dezentral Kombination Wärmerück- uneingeschränkt wirtschaftlich uneingeschränkt gewinnung kaum möglich Luftqualität hoch (zentrale sehr verschieden hoch (zentrale Außenluft (abh vom Außenluft) optimiert) Ansaugort) Lüftungseffektivität hoch geringe Effektivität hoch (Kurzschlüsse!) Effektivität der Raum- hoch geringe Effektivität hoch durchströmung Schadstoffübertragung vernachlässigbar über Fassade vernachlässigbar zwischen den Räumen möglich (Kurzschlüsse!) Nutzung der Gebäude- Nur Wände & Boden evtl möglich speichermassen zur Boden möglich eingeschränkt Klimatisierung möglich Dr-Ing Christoph Kaup 25 D Systemkriterien 3 Energetische Kriterien Zentral Dezentral Kombination Druckverlust des hoch vernachlässigbar mittel Verteilsystems Wirkungsgrad der hoch gering mittel Ventilatoren Energieaufwand gering (optimale hoch (Ansaugung gering Kühlen Ansaugung & in der Gebäude- Nutzung WRG) grenzschicht) Energieaufwand gering hoch gering Heizen (wirtschaftliche Nutzung der WRG) Dr-Ing Christoph Kaup 26 D Systemkriterien 4 Nutzung Zentral Dezentral Kombination Einstellbare homogen heterogen homogen Bedingungen /heterogen /heterogen Zu- und Abschaltung gesamter Bereich individuell Gesamt und individuell Abrechnung / nur pauschal leicht möglich Pauschal und Verbraucher- möglich individuell zuordnung Baulicher Aufwand hoch geringer / hoher sehr hoch (Technikzentrale Aufwand & Verteilung) Fassadengestaltung Erweiterungs- schwierig leicht möglich leichter möglich möglichkeiten / Modulbauweise Nutzung des Systems möglich nicht möglich möglich zur Entrauchung Dr-Ing Christoph Kaup 27 D 9

13 Systemkriterien 5 Wartung und Betrieb Zentral Dezentral Kombination Wartung und geringer sehr hoher sehr hoher Instandhaltung Aufwand Aufwand Aufwand Zeit unkritisch Zugänglichkeit leicht möglich bedingt möglich (zentral) Funktionskontrolle leicht möglich hoher Aufwand möglich Kondensatabfuhr leicht aufwendig leicht realisierbar lösbar realisierbar Aufwand für höher gering höher Brandschutz (Brandabschnitte) Anlagensicherheit große räumlich große Flächenwirkung begrenzt Flächenwirkung Dr-Ing Christoph Kaup 28 D Systemkriterien 6 Regelungsaufwand Zentral Dezentral Kombination Funktion gering gering gering Aufwand für gering hoch mittel Energiemanagement Akzeptanz der Nutzer geringer höher höher Verhalten im Brandfall Rauchsensor schwer Rauchsensor Zuluft; Anlage realisierbar Abschaltung schaltet ab Sollwertvorgabe lokal nur pro Zone Temperatur Temperatur / Betriebszeit / Betriebszeit Dr-Ing Christoph Kaup 29 D Systemkriterien 7 Medienversorgung Zentral Dezentral Kombination Pumpenwarmwasser konzentriert verzweigt konzentriert oder verzweigt Pumpenkaltwasser konzentriert verzweigt konzentriert oder verzweigt Kondensatableitung konzentriert verzweigt konzentriert Elektrischer Strom konzentriert verzweigt verzweigt Verteilverluste gering hoch gering Autarke Wärmeerzeugung leicht möglich nicht möglich möglich Dr-Ing Christoph Kaup 30 D 10

14 Systemkriterien 8 Hygiene Zentral Dezentral Kombination Hygienischer Betrieb leicht realisierbar sehr schwer je nach Betrieb realisierbar Filtertechnik hochwertig geringe Qualität hochwertig (mehrstufig) Filterstandzeit hoch gering hoch (große Fläche) Luftqualität hoch / gering / Kurz- hoch / Ansaugung schlusseffekte Ansaugung Verschmutzung gering / hoch- möglich geringer der Systeme wertige Filterung Durchfeuchtung konstruktiv leicht nicht möglich konstruktiv der Außenluftfilter auszuschließen auszuschließen Hygienevorschriften Stand der Technik bedingt möglich Stand der Technik Kontrollaufwand gering sehr hoch mittel Dr-Ing Christoph Kaup 31 D Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dr-Ing Christoph Kaup Dipl-Ing Christian Backes 11

15 Willkommen bienvenu welcome Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dr-Ing Christoph Kaup Dipl-Ing Christian Backes Transmissionswärme Transmissionswärme Q Raum Dr-Ing Christoph Kaup B 2 Transmissionswärme Transmissionswärme Q Q = k A ϑ Raum ϑ I ϑ A Dr-Ing Christoph Kaup B 3 1

16 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Q = k A ϑ ϑ I α I λ α A 1 / k = 1 / α I + d / λ + 1 / α A k Wärmedurchgangskoeffizient [W / m² / K] ϑ A A Wärmeübertragungsfläche [m²] α Wärmeübergangskoeffizient [W / m² / K] λ Wärmeleitfähigkeit [W / m / K] Dr-Ing Christoph Kaup B 4 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang α = q / (ϑ I ϑ W ) = Nu λ / l Nu = f ( Pr, Re, Gr, Ra ) Nußelt-Zahl Pr Re Gr (Ra Prandl-Zahl Reynold-Zahl Grashof-Zahl Rayleigh-Zahl) Dr-Ing Christoph Kaup B 5 Transmissionswärme Konvektion Pr = ρ ν c p / λ Re = ρ w l / η = w l / ν (tempabh Stoffgröße) (Strömungskennzahl) ρ Dichte des Medium [kg / m³] ν kinematische Viskosität [m² / s] c p spezifische Wärmekapazität [KJ / kg / K] w Strömungsgeschwindigkeit [m / s] l charakteristische WÜ Länge [m] Dr-Ing Christoph Kaup B 6 2

17 Transmissionswärme Freie Konvektion Gr = g l 3 β (ϑ w - ϑ f )/ ν 2 β = 1 / T f (Auftrieb zur Viskosität) Ra = Gr Pr g ϑ W ϑ f T f l Erdbeschleunigung [m / s²] Wandtemperatur [ C] Fluidtemperatur [ C] absolute Fluidtemperatur [K] = L B / 2 / (L + B) (Platte) Dr-Ing Christoph Kaup B 7 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Oberseite einer Platte Nu = 0766 [ Ra f 2 (Pr) ] 02 Für laminare Strömung Ra f 2 (Pr) < Nu = 015 [ Ra f 2 (Pr) ] 1/3 Für turbulente Strömung Ra f 2 (Pr) > f 2 (Pr) = [ 1 + (0322 / Pr) 11/20 ] -20/11 Dr-Ing Christoph Kaup B 8 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Unterseite einer Platte Nu = 06 [ Ra f 1 (Pr) ] 02 Für laminare Strömung 10³ < Ra f 1 (Pr) < f 1 (Pr) = [ 1 + (0492 / Pr) 9/16 ] -16/9 Dr-Ing Christoph Kaup B 9 3

18 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Vertikale Platte Nu = ( [ Ra f 1 (Pr) ] 1/6 ) < Ra < f 1 (Pr) = [ 1 + (0492 / Pr) 9/16 ] -16/9 Dr-Ing Christoph Kaup B 10 Transmissionswärme Berechnungsbeispiel Q = k A ϑ L = 30 m B = 10 m H = 4 m Raum 22 C 0 C Q Dr-Ing Christoph Kaup B 11 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand Nu = ( [ Ra f 1 (Pr) ] 1/6 ) < Ra < Pr = ρ ν c p / λ Pr = 1,2 kg/m³ 13, m²/s 1,004 KJ/kg/K / 0,02454 W/m/K Pr = 0,658 f 1 (Pr) = [ 1 + (0492 / Pr) 9/16 ] -16/9 f 1 (Pr) = [ 1 + (0492 / 0,658) 9/16 ] -16/9 = 0,3354 Dr-Ing Christoph Kaup B 12 4

19 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand Gr = g l 3 β (ϑ w - ϑ f )/ ν 2 β = 1 / T f β = 1 / 295,15 = 0, /K l = L B / 2 / (L + B) = 10 4 / 2 / (10 + 4) = 1,4286 m Gr = 9,81 m/s² 1,4286³ m³ 0, /K (22-15) K / (13, m²/s)² Gr = Dr-Ing Christoph Kaup B 13 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand Ra = Gr Pr Ra = ,658 = 2, Nu = ( [ Ra f 1 (Pr) ] 1/6 ) < Ra < Nu = ( [ 2, ,3354 ] 1/6 ) 2 Nu = 161,2 Dr-Ing Christoph Kaup B 14 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand Nu = 161,2 α = Nu λ / l α = 161,2 0,02454 W/m/K / 1,4286 m α = 2,77 W/m²/K Dr-Ing Christoph Kaup B 15 5

20 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand 2 Gr = g l 3 β (ϑ w - ϑ f )/ ν 2 β = 1 / T f β = 1 / 295,15 = 0, /K l = L B / 2 / (L + B) = 30 4 / 2 / (30 + 4) = 1,7647 m Gr = 9,81 m/s² 1,7647³ m³ 0, /K (22-15) K / (13, m²/s)² Gr = Dr-Ing Christoph Kaup B 16 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand 2 Ra = Gr Pr Ra = ,658 = 4, Nu = ( [ Ra f 1 (Pr) ] 1/6 ) < Ra < Nu = ( [ 4, ,3354 ] 1/6 ) 2 Nu = 195,5 Dr-Ing Christoph Kaup B 17 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Wand 2 Nu = 196,5 α = Nu λ / l α = 196,5 0,02454 W/m/K / 1, 7647 m α = 2,73 W/m²/K Dr-Ing Christoph Kaup B 18 6

21 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Decke Nu = 06 [ Ra f 1 (Pr) ] 02 Für laminare Strömung 10³ < Ra f 1 (Pr) < Pr = ρ ν c p / λ Pr = 1,2 kg/m³ 13, m²/s 1,004 KJ/kg/K / 0,02454 W/m/K Pr = 0,658 f 1 (Pr) = [ 1 + (0492 / Pr) 9/16 ] -16/9 f 1 (Pr) = [ 1 + (0492 / 0,658) 9/16 ] -16/9 = 0,3354 Dr-Ing Christoph Kaup B 19 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Decke Gr = g l 3 β (ϑ w - ϑ f )/ ν 2 β = 1 / T f β = 1 / 295,15 = 0, /K l = L B / 2 / (L + B) = / 2 / ( ) = 3,75 m Gr = 9,81 m/s² 3,75³ m³ 0, /K (22-15) K / (13, m²/s)² Gr = 6, Dr-Ing Christoph Kaup B 20 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Decke Ra = Gr Pr Ra = ,658 = 4, Nu = 06 [ Ra f 1 (Pr) ] < Ra < Nu = 06 [ 4, ,3354 ] 02 Nu = 65,1 Dr-Ing Christoph Kaup B 21 7

22 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Decke Nu = 65,1 α = Nu λ / l α = 65,1 0,02454 W/m/K / 3,75 m α = 0,43 W/m²/K Dr-Ing Christoph Kaup B 22 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Fußboden mit ϑ F = 35 C Nu = 015 [ Ra f 2 (Pr) ] 1/3 Für turbulente Strömung Ra f 2 (Pr) > Pr = ρ ν c p / λ Pr = 1,2 kg/m³ 13, m²/s 1,004 KJ/kg/K / 0,02454 W/m/K Pr = 0,658 f 2 (Pr) = [ 1 + (0322 / Pr) 11/20 ] -20/11 f 2 (Pr) = [ 1 + (0322 / 0,658) 11/20 ] -20/11 = 0,3916 Dr-Ing Christoph Kaup B 23 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Fußboden mit ϑ F = 35 C Gr = g l 3 β (ϑ w - ϑ f )/ ν 2 β = 1 / T f β = 1 / 295,15 = 0, /K l = L B / 2 / (L + B) = / 2 / ( ) = 3,75 m Dr-Ing Christoph Kaup Gr = 9,81 m/s² 3,75³ m³ 0, /K (35-22) K / (13, m²/s)² Gr = 1, B 24 8

23 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Fußboden mit ϑ F = 35 C Ra = Gr Pr Ra = ,658 = 8, Nu = 015 [ Ra f 1 (Pr) ] 1/3 Ra f 2 (Pr) > Nu = 015 [ 8, ,3916 ] 1/3 Nu = 480 Dr-Ing Christoph Kaup B 25 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Fußboden mit ϑ F = 35 C Nu = 480 α = Nu λ / l α = 480 0,02454 W/m/K / 3,75 m α = 3,14 W/m²/K Dr-Ing Christoph Kaup B 26 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Q = k A ϑ 1 / k = 1 / α I + d / λ + 1 / α A k = 1 / (1 / α I + d / λ + 1 / α A ) k = 1 / (1 / 2,77 W/m²/K + 0,2 m / 0,4 W/m/K + 1 / 2,77 W/m²/K) k = 0,82 W/m²/K Q = 0,82 W/m²/K ( 10 4 ) m² (22 0) K = 720 W Dr-Ing Christoph Kaup B 27 9

24 Wärmeübertragung Erzwungene Strömung Platte Nu lam = 0664 Re Pr 1/3 laminare Grenzschicht Re < und 06 < Pr < 2000 Nu turb = 0037 Re 08 Pr / [ Re -01 (Pr 2/3-1)] turbulente Grenzschicht < Re < 10 7 und 06 < Pr < 2000 Nu = (Nu lam2 + Nu turb2 ) Dr-Ing Christoph Kaup B 28 Transmissionswärme Erzwungene Strömung Wand w = 5 m/s Re = w l / ν = 5 m/s 1,4286 m / (13, m²/s) Re = Nu = 0037 Re 08 Pr / [ Re -01 (Pr 2/3-1) ] turbulente Grenzschicht < Re < 10 7 und 06 < Pr < 2000 Nu = , ,658 / [ , (0,658 2/3-1) ] Nu = 1103,7 Dr-Ing Christoph Kaup B 29 Transmissionswärme Erzwungene Strömung Wand w = 5 m/s Nu = 1103,7 α = Nu λ / l α = 1103,7 0,02454 W/m/K / 1,4286 m α = 18,96 W/m²/K Dr-Ing Christoph Kaup B 30 10

25 Transmissionswärme Konvektiver Wärmeübergang Q = k A ϑ 1 / k = 1 / α I + d / λ + 1 / α A k = 1 / (1 / α I + d / λ + 1 / α A ) k = 1 / (1 / 2,77 W/m²/K + 0,2 m / 0,4 W/m/K + 1 / 18,96 W/m²/K) k = 1,09 W/m²/K Q = 1,09 W/m²/K ( 10 4 ) m² (22 0) K = 963 W Dr-Ing Christoph Kaup B 31 Lüftungswärme 0 C AUL FOL Q ZUL ABL 29 C Raum Dr-Ing Christoph Kaup B 32 Lüftungswärme Lüftungswärmebedarf Q = m c p ϑ m = V ρ m Massenstrom Luft [kg/s] V Volumenstrom [m³/s] ρ Dichte des Medium [kg/m³] c p spezifische Wärmekapazität [kj/kg/k] Δϑ Temperaturdifferenz Zuluft zum Raum [K] Dr-Ing Christoph Kaup B 33 11

26 Volumenstrombestimmung Lüftungsbedarf Versorgung mit Außenluft Abführen von Lasten Wärmelasten (Heiz- und Kühllast) Stofflasten Abhängig von z B Personenbelegung (auch CO 2 ) Abhängig von der Außenluftqualität Abhängig von der geforderten Zuluft- / Raumluftqualität Abhängig von Schadstoffen (Konzentrationen) Dr-Ing Christoph Kaup B 34 EN Auslegungsbedingungen Die wichtigsten Auslegungsbedingungen in Bezug auf das thermische Raumklima betreffen die Bekleidung und die Aktivität der sich im Raum aufhaltenden Personen Thermische Behaglichkeit bei bestimmter Bekleidung und bestimmter Aktivität wird deshalb hauptsächlich von der operativen Temperatur und der Luftgeschwindigkeit beeinflusst Weitere Einflüsse, wie der vertikale Lufttemperaturgradient, warme und kalte Fußböden sowie Strahlungsasymmetrie sind zu beachten Die Auslegungsbedingungen für Bekleidung und Aktivitäten in Bürogebäuden oder an ähnlichen Arbeitsplätzen für sitzende Tätigkeiten sind in EN enthalten Dr-Ing Christoph Kaup B 35 EN Lufttemperatur und operative Temperatur ANMERKUNG 1 In den meisten Fällen kann die mittlere Raumlufttemperatur als Auslegungstemperatur verwendet werden; aber insbesondere dann, wenn die Temperaturen großer Raumoberflächen sich wesentlich von den Lufttemperaturen unterscheiden, sollte die operative Temperatur verwendet werden Bei den meisten Anwendungen innerhalb des Anwendungsbereiches dieser Norm sind die Luftgeschwindigkeiten gering (< 0,2 m s 1 ), und es bestehen ebenfalls nur geringe Unterschiede zwischen der Lufttemperatur und der mittleren Strahlungstemperatur im Raum (< 4 C) Tabelle A2 EN (Winter 15 bis 21 C / Sommer 24 bis 27 C) Dr-Ing Christoph Kaup B 36 12

27 EN Tabelle A2 Beispiele für empfohlene Auslegungswerte der Innenraumtemperatur von Gebäuden und RLT-Anlagen Operative Temperatur C Gebäude- bzw Kategorie Mindestwert Höchstwert Raumtyp Heizperiode Kühlperiode (Winter), (Sommer), ~ 1,0 clo ~ 0,5 clo Wohngebäude: I 21,0 25,5 Wohnräume II 20,0 26,0 Sitzend ~1,2 met III 18,0 27,0 Wohngebäude: I 18,0 Stehend, II 16,0 gehend ~1,6 met III 14,0 Dr-Ing Christoph Kaup B 37 EN Tabelle A2 Beispiele für empfohlene Auslegungswerte der Innenraumtemperatur von Gebäuden und RLT-Anlagen Operative Temperatur C Gebäude- bzw Kategorie Mindestwert Höchstwert Raumtyp Heizperiode Kühlperiode (Winter), (Sommer), ~ 1,0 clo ~ 0,5 clo Büro: I 21,0 25,5 Sitzend ~1,2 met II 20,0 26,0 III 19,0 27,0 Kaufhaus I 17,5 24,0 Stehend, II 16,0 25,0 gehend ~1,6 met III 15,0 26,0 Dr-Ing Christoph Kaup B 38 EN Daher ist in dieser Norm die operative Temperatur für einen bestimmten Ort im Raum wie folgt definiert: ϑ o = (ϑ a + ϑ r ) / 2 ϑ o ϑ a ϑ r die operative Temperatur am betrachteten Ort im Raum; die Raumlufttemperatur; die mittlere Strahlungstemperatur aller Oberflächen (Wände, Fußboden, Decke, Fenster, Heizkörper usw) bezogen auf den betrachteten Ort im Raum ANMERKUNG 2 Weitere Angaben zur operativen Temperatur sind in EN ISO 7726 und EN ISO 7730 enthalten Die Auslegungswerte für die operative Temperatur in Bürogebäuden sind in EN angegeben Wenn nicht anders vereinbart, muss die festgelegte operative Temperatur für einen Bereich in der Mitte des Raumes bei einer Höhe von 0,6 m über dem Boden gelten Dr-Ing Christoph Kaup B 39 13

28 EN Weitere bekannte Emissionen Die Verdünnung einer bekannten Emission ergibt sich wie folgt aus dem erforderlichen Luftvolumenstrom für die Emissionsrate und der zulässigen Konzentrationen im Raum: q v = q m, E / (c IDA c SUP ) q v q m,e c IDA c SUP der Zuluftvolumenstrom, in m 3 s 1 der Massenstrom der Emission im Raum, in mg s 1 die zulässige Konzentration im Raum, in mg m 3 die Konzentration in der Zuluft, in mg m 3 Bei unterschiedlichen Verunreinigungen ist es erforderlich, alle bedeutsamen Verunreinigungen zu überprüfen, um die kritischste Verunreinigung ermitteln zu können In der Regel ist die Reduktion der Emissionen an deren Quelle einer Verdünnung vorzuziehen Dr-Ing Christoph Kaup B 40 EN Raumluftfeuchte Falls keine anderen Angaben vorliegen, ist bei der Auslegung davon auszugehen, dass außer der Personenbelegung, der Zuluft sowie der Luft aus Infiltration keine weiteren Feuchtigkeitsquellen vorhanden sind Bei der Auslegung sind folgende Auslegungskriterien unter Beachtung der Energiefragen, klimatischen Bedingungen im Winter/Sommer, Kondensationsrisiken und Möglichkeiten zur Regelung der Raumluftfeuchte zu berücksichtigen: Dr-Ing Christoph Kaup B 41 EN absolute Feuchte, Wintermindestwert und/oder Sommerhöchstwert (zum Beispiel können 6 g/kg als Wintermindestwert festgelegt werden, was 22 C / 40 % entspricht, und als Sommerhöchstwert können 12 g/kg festgelegt werden, was 26 C / 60 % entspricht); relative Feuchte, Festlegung von Mindest- und/oder Höchstwerten; Gefahr Schäden durch Kondensation und Feuchte in Tragwerken und Anlagen (Berücksichtigung von Oberflächentemperaturen und/oder Druckbedingungen); Regelung der Raumluftfeuchte Dr-Ing Christoph Kaup B 42 14

29 EN Tabelle 3 Klassifizierung der Abluft (ETA) und der Fortluft (EHA) Kategorie und Beschreibung Abluft mit geringem Verunreinigungsgrad [ETA 1 / EHA 1] Luft aus Räumen, deren Hauptemissionsquellen Baustoffe und das Bauwerk sind; ebenso Luft aus Aufenthaltsräumen, deren Hauptemissionsquellen der menschliche Stoffwechsel, Baustoffe und das Bauwerk sind Räume, in denen Rauchen gestattet ist, sind nicht eingeschlossen Abluft mit mäßigem Verunreinigungsgrad [ETA 2 / EHA 2] Luft aus Aufenthaltsräumen mit den gleichen Verunreinigungsquellen wie bei Kategorie 1 und/oder durch menschliche Aktivitäten, jedoch mit mehr Verunreinigungen als bei Kategorie 1 Räume der Kategorie ETA 1, in denen Rauchen gestattet ist Dr-Ing Christoph Kaup B 43 EN Tabelle 3 Klassifizierung der Abluft (ETA) und der Fortluft (EHA) Kategorie und Beschreibung Abluft mit hohem Verunreinigungsgrad [ETA 3 / EHA 3] Luft aus Räumen, in denen emittierende Feuchte, Arbeitsverfahren, Chemikalien usw die Luftqualität wesentlich beeinträchtigen Abluft mit sehr hohem Verunreinigungsgrad [ETA 4 / EHA 4] Luft, die Gerüche und Verunreinigungen enthält, deren Konzentrationen höher liegen, als für die Raumluft in Aufenthaltsbereichen erlaubt ist Dr-Ing Christoph Kaup B 44 EN Tabelle 4 Klassifizierung der Außenluft (ODA) Kategorie und Beschreibung ODA 1 Saubere Luft, die nur zeitweise staubbelastet sein darf (z B Pollen) ODA 2 Außenluft mit hoher Konzentration an Staub oder Feinstaub und/oder gasförmigen Verunreinigungen ODA 3 Außenluft mit sehr hoher Konzentration an gasförmigen Verunreinigungen und/oder Staub oder Feinstaub Dr-Ing Christoph Kaup B 45 15

30 EN Die Anwendung einer derartigen Klassifizierung hängt von der Definition der Kriterien ab Als Ausgangspunkt wird die folgende Herangehensweise vorgeschlagen ODA 1 gilt, wenn die WHO-Richtlinien (1999) und alle nationalen Normen oder -vorschriften zur Qualität der Außenluft eingehalten werden ODA 2 gilt, wenn die Verunreinigungskonzentrationen die WHO- Richtlinien oder nationale Normen oder -vorschriften zur Qualität der Außenluft um einen Faktor bis zu 1,5 überschreiten ODA 3 gilt, wenn die Verunreinigungskonzentrationen die WHO- Richtlinien oder nationale Normen oder -vorschriften zur Qualität der Außenluft um einen Faktor von mehr als 1,5 überschreiten Dr-Ing Christoph Kaup B 46 EN Da nicht für alle Verunreinigungen Anforderungen festgelegt sind und die vorhandenen Vorschriften von Land zu Land unterschiedlich sind, ist eine differenzierte Beurteilung durch den Planer erforderlich Die mögliche Wirkung nicht nur einzelner Verunreinigungen sondern auch von Verunreinigungsgemischen sollte berücksichtigt werden Übliche gasförmige Verunreinigungen, die bei der Bewertung der Außenluft für die Auslegung von Lüftungs- und Raumkühlsystemen berücksichtigt werden müssen, sind Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Stickstoffoxide und flüchtige organische Verbindungen (VOC) Die Wirkung derartiger Verunreinigungen der äußeren Umgebung in Innenräumen hängt von deren Reaktionsfähigkeit ab Kohlenmonoxid ist zum Beispiel relativ stabil und wird in geringem Maße von innen liegenden Flächen adsorbiert Dr-Ing Christoph Kaup B 47 EN Tabelle A3 Hauptluftverunreinigungen, Beispiel Verunreinigung Mittelungs- Richtwert Quelle zeitraum Schwefeldioxid SO 2 24 h 125 μg/m 3 WHO 1999 Schwefeldioxid SO 2 1 Jahr 50 μg/m 3 WHO 1999 Ozon O 3 8 h 120 μg/m 3 WHO 1999 Stickstoffdioxid NO 2 1 Jahr 40 μg/m 3 WHO 1999 Stickstoffdioxid NO 2 1 h 200 μg/m 3 WHO 1999 Schwebstoffe PM10 24 h 50 μg/m 3 99/30/EG max 35 Tage überschritten Schwebstoffe PM10 1 Jahr 40 μg/m 3 99/30/EG Dr-Ing Christoph Kaup B 48 16

31 EN Dr-Ing Christoph Kaup B 49 EN Tabelle 5 Allgemeine Klassifizierung der Raumluftqualität (IDA) Kategorie und Beschreibung IDA 1 Hohe Raumluftqualität IDA 2 Mittlere Raumluftqualität IDA 3 Mäßige Raumluftqualität IDA 4 Niedrige Raumluftqualität Einteilung der Klassen nach EN Dr-Ing Christoph Kaup B 50 EN Tabelle B1 Grundlegende erforderliche Lüftungsraten für die Abschwächung von Emissionen (biologische Ausdünstungen) von Personen Kategorie Erwarteter Prozentsatz Luftstrom je Person Unzufriedener l / s / pers I II 20 7 III 30 / IV > 30 < 4 Dr-Ing Christoph Kaup B 51 17

32 EN Beispiel für die Definition von schadstoffarmen Gebäuden (Anhang C) Das Gebäude ist schadstoffarm, wenn die Mehrheit der verwendeten Baustoffe schadstoffarm ist Schadstoffarme Baustoffe sind üblicherweise natürliche Materialien, wie Stein oder Glas, die als emissionssicher gelten, sowie Materialien, die folgende Anforderungen erfüllen: Emission der gesamten flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC) liegt unterhalb von 0,2 mg/m 2 h; Emission von Formaldehyd liegt unterhalb von 0,05 mg/m 2 /h; Emission von Ammoniak liegt unterhalb von 0,03 mg/m 2 /h; Emission von krebserregenden Verbindungen (IARC) liegt unterhalb von 0,005 mg/m 2 /h; Material ist geruchlos (Unzufriedenheit in Bezug auf den Geruch liegt unterhalb von 15 %) Dr-Ing Christoph Kaup B 52 EN Beispiel für die Definition sehr schadstoffarmen Gebäuden Das Gebäude ist sehr schadstoffarm, wenn alle verwendeten Baustoffe sehr schadstoffarm sind und in dem Gebäude nie geraucht wurde und auch nicht zulässig ist Sehr schadstoffarme Baustoffe sind üblicherweise natürliche Materialien, wie Stein, Glas oder Metall, die als emissionssicher gelten, sowie Materialien, die folgende Anforderungen erfüllen: Emission der gesamten flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC) liegt unterhalb von 0,1 mg/m 2 /h; Emission von Formaldehyd liegt unterhalb von 0,02 mg/m 2 /h; Emission von Ammoniak liegt unterhalb von 0,01 mg/m 2 /h; Emission von krebserregenden Verbindungen (IARC) liegt unterhalb von 0,002 mg/m 2 /h; Material ist geruchlos (Unzufriedenheit in Bezug auf den Geruch liegt unterhalb von 10 %) Dr-Ing Christoph Kaup B 53 EN Tabelle 6 Mögliche Arten der Regelung der Raumluftqualität (IDA-C) Kategorie und Beschreibung IDA C1 / Die Anlage läuft konstant IDA C2 / Manuelle Regelung (Steuerung) Die Anlage unterliegt einer manuellen Schaltung IDA C3 / Zeitabhängige Regelung (Steuerung) Die Anlage wird nach einem vorgegebenen Zeitplan betrieben IDA C4 / Belegungsabhängige Regelung (Steuerung) Die Anlage wird abhängig von der Anwesenheit von Personen betrieben (Lichtschalter, Infrarotsensoren usw) Dr-Ing Christoph Kaup B 54 18

33 EN Tabelle 6 Mögliche Arten der Regelung der Raumluftqualität (IDA-C) Kategorie und Beschreibung IDA C5 / Bedarfsabhängige Regelung (Anzahl der Personen) Die Anlage wird abhängig von der Anzahl der im Raum anwesenden Personen betrieben IDA C6 / Bedarfsabhängige Regelung (Gassensoren) Die Anlage wird durch Sensoren geregelt, die Raumluftparameter oder angepasste Kriterien messen (z B CO 2 -, Mischgas- oder VOC-Sensoren) Die angewendeten Parameter müssen an die Art der im Raum ausgeübten Tätigkeit angepasst sein Dr-Ing Christoph Kaup B 55 EN Tabelle 7 Grundarten von Anlagen entsprechend den Möglichkeiten zur Regelung des Umgebungsklimas in einem Raum Beschreibung Regelung durch die Lüftungsanlage allein Regelung durch die Lüftungsanlage in Verbindung mit anderen Einrichtungen (z B Heizvorrichtungen, Kühldecken, Radiatoren) Name der Anlagenart Nur Luftanlagen Kombinierte Systeme Dr-Ing Christoph Kaup B 56 EN Tabelle A9 Volumenströme der Außen- oder Überströmluft je Bodenflächeneinheit (Nettofläche) für Räume, die nicht für den Aufenthalt von Personen bestimmt sind Volumenstrom der Außen- oder Überströmluft je Kategorie Einheit Bodenflächeneinheit Üblicher Bereich Standardwert IDA 1 [l / s/ m²] x x IDA 2 [l / s/ m²] > 0,7 0,83 IDA 3 [l / s/ m²] 0,35 0,7 0,55 IDA 4 [l / s/ m²] < 0,35 0,28 x) Für IDA 1 ist dieses Verfahren nicht ausreichend Diese Werte beruhen auf einer Betriebszeit von 50 % und einer Raumhöhe von bis zu 3 m Bei kürzeren Betriebszeiten und höheren Räumen sollten die Luftvolumenströme höher sein Dr-Ing Christoph Kaup B 57 19

34 EN A152 Außenluftvolumenströme nach CO 2 -Gehalt oder je Person Der CO 2 -Gehalt kann zur Auslegung eines bedarfsgeregelten Systems verwendet werden Übliche Bereiche und Standardwerte sind in Tabelle A10 angegeben Tabelle A10 CO 2 -Gehalt in Räumen CO 2 -Gehalt über dem Gehalt in der Außenluft, in ppm Kategorie Üblicher Bereich Standardwert IDA IDA IDA IDA 4 > Dr-Ing Christoph Kaup B 58 EN Tabelle A11 zeigt die empfohlenen Mindestwerte für die Außenluftvolumenströme je Person an Der Auslegungsluftvolumenstrom berücksichtigt auch Emissionen aus anderen Quellen wie Baustoffen oder Möbeln Tabelle A11 Außenluftvolumenströme je Person Kategorie Einheit Nichtraucherbereich Raucherbereich Üblicher B Standardwert Üblicher B Standardwert IDA 1 [l / s / Person] > > IDA 2 [l / s / Person] , IDA 3 [l / s / Person] IDA 4 [l / s / Person] < 6 5 < Dr-Ing Christoph Kaup B 59 EN A174 Geräte Als Grundlage für die Auslegung der RLT-Anlage sind sämtliche Geräte mit maßgeblichen Emissionen im belüfteten Raum zu definieren In Bürogebäuden beträgt die Wärmelast durch Geräte üblicherweise 25 W Person -1 bis 200 W Person -1, gemittelt über die Nutzungsdauer Ein Standardwert für Bürogebäude ist 100 W Person -1 über 8 h am Tag A172 Personen Die Wärmeerzeugung durch Personen besteht aus einem sensiblen Teil (Strahlung zuzüglich Konvektion) und einem latenten Teil (Dampfemission) Für den Temperaturanstieg ist nur der sensible Teil von Bedeutung Tabelle A13 enthält Werte für die Wärmeerzeugung von sich im Raum aufhaltenden Personen, die auf einer Lufttemperatur von 24 C beruhen Bei höheren Temperaturen bleibt die Gesamtwärmeerzeugung gleich, die sensiblen Wärmewerte nehmen jedoch ab (ϑ a = 26 C: etwa 20 %) Dr-Ing Christoph Kaup B 60 20

35 EN Tabelle A13 Wärmeerzeugung durch Personen bei unterschiedlichen Aktivitäten (Lufttemperatur 24 C) Gesamtwärme Sensible Wärme Aktivität met a W Person -1 b W Person -1 Zurückgelehnt 0, Entspannt sitzend 1, Sitzende Tätigkeit (Büro, Schule) 1, Stehend, leichte Tätigkeit (Einkaufen, Leichtindustrie) 1, Stehend, mittelschwere Tätigkeit (Verkäufer, Arbeit an Maschinen) 2, Gehend, 5 km h -1 3, a 1 met = 58 W m -2 b Gerundete Werte für einen menschlichen Körper mit einer Oberfläche von 1,8 m 2 Person -1 Dr-Ing Christoph Kaup B 61 Luftvolumenstrom Beispiel IDA 2 Nichtraucherbereich 12,5 l / s / Person Annahme: 50 Personen V AUL = 50 12,5 l/s = 625 l/s = 2250 m³/h [Tab A11] V Fläche = 30 m 10 m 0,83 l/s/m² = 249 l/s = 896 m³/h [Tab A9] Dr-Ing Christoph Kaup B 62 Luftvolumenstrom Thermische Last (Innere Lasten Beleuchtung und Geräte) Beispiel Maschinen mit Q = 4500 W Q = m c p ϑ m = Q / c p / ϑ m = 4,5 kj/s / 1,004 kj/kg/k / 7 K = 0,641 kg/s V = 0,641 kg/s 1,2 kg/m³ = 0,769 m³/s = 2767 m³/h Dr-Ing Christoph Kaup B 63 21

36 Luftvolumenstrom Thermische Last (Innere Lasten durch Personen) Beispiel 50 Personen a 125 W (Büro) Q = m c p ϑ m = Q / c p / ϑ Q = 6250 W m = 6,25 kj/s / 1,004 kj/kg/k / 7 K = 0,889 kg/s V = 0,889 kg/s 1,2 kg/m³ = 1,067 m³/s = 3841 m³/h Dr-Ing Christoph Kaup B 64 Luftvolumenstrom Beispiel Transmissionswärme (äußere Last) A = = 620 m² Q = k A ϑ Q = 0,82 W/m²K 620 m² (22 0)K = W m = 11,2 kj/s / 1,004 kj/kg/k / 7 K = 1,592 kg/s V = 1,592 kg/s 1,2 kg/m³ = 1,910 m³/s = 6875 m³/h Dr-Ing Christoph Kaup B 65 Luftvolumenstrom Beispiel kombinierte Lasten (Innere und äußere Lasten) Q = W 4500 W 6250 W = 435 W m = 0,44 kj/s / 1,004 kj/kg/k / 3 K = 0,144 kg/s V = 0,144 kg/s 1,2 kg/m³ = 0,173 m³/s = 624 m³/h V Min = 2250 m³/h AUL Volumenstrom wird unterschritten! Dr-Ing Christoph Kaup B 66 22

37 EN Lüftungseffektivität ε V = (c ETA c SUP ) / (c IDA c SUP ) ε V c ETA c SUP c IDA Lüftungseffektivität Verunreinigungskonzentration Abluft [mg/m³] Verunreinigungskonzentration Zuluft [mg/m³] Verunreinigungskonzentration Raumluft [mg/m³] Dr-Ing Christoph Kaup B 67 EN In Tabelle E1 werden einige übliche Bereiche für die Lüftungseffektivität vorgestellt Da die Lüftungseffektivität in realen Anlagen von vielen Parametern abhängt, wird eine Berechnung von Fall zu Fall empfohlen Weitere Hinweise können der Literatur entnommen werden Das REHVA Guidebook Nr 2 enthält grundlegende Informationen und weitere Hinweise Dr-Ing Christoph Kaup B 68 EN Tabelle E1 Übliche Werte für die Lüftungseffektivität Kaltluftstrahlen Δϑ < 0 K Warmluftstrahlen Luftverteilung Effektive Lüftungs- Δϑ (Zuluft) Niedrige Hohe Geschwindigkeit effektivität Decke Decke Horizontaler Mischstrahl > 1,5 m/s 0,9 1,1 < 10 C 0,8 1 Nicht empfohlen < 0,5 m/s 0,7 0,9 > 15 C 0,4 0,8 Nicht oder 20 C empfohlen Vertikaler Alle Verteiler < 10 C 0,6 0,8 0,8 1 a Mischstrahl 0,9 1,1 > 15 C 0,4 0,8 Nicht Verdrängungslüftung 1,0 2,0 0,2 0,7 empfohlen a Die Anwendung dieses Wertes setzt voraus, dass die verwendeten Verteiler eine kraftbetriebene Geometrie oder Wirbelung aufweisen Bei Verwendung von Verteilern mit fester Geometrie ist der Wert auf eine Verwendung im Heizbetrieb (nicht bei Kühlung) beschränkt; bei der Wahl ist sorgfältig vorzugehen und Δϑ zu berücksichtigen Dr-Ing Christoph Kaup B 69 23

38 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dr-Ing Christoph Kaup Dipl-Ing Christian Backes 24

39 Willkommen bienvenu welcome Innovative Raumlufttechnik Energierückgewinnung und Energieeffizienztechnologien in der Lüftungstechnik Dipl-Ing Christian Backes Dr-Ing Christoph Kaup Thermodynamische Grundlagen Luft Trockene Luft Gemisch von Gasen: Stickstoff N 2 ~ 78 % Sauerstoff O 2 ~ 21 % Edelgase ~ 1 % Feuchte Luft trockene Luft + Wasserdampf H 2 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Wasserdampfdruck p D Vakuum t Druck des reinen Wasserdampfes auf seine Gefäßwandungen Höchster Dampf-Druck, der sich bei einer bestimmten Temperatur einstellen kann p D = f (T) (vgl Dampftafel) H 3 1

40 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Wasserdampfdruck p D pd' log pd' Der Dampfdruck steigt exponentiell mit der Temperatur an T 1/T Empirische Berechung p D = 10 (9, ,895 / T) [mbar] H 4 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Wasserdampfdruck p D Vakuum t Bei der größtmöglichen Dampfmenge (Sättigung) ist der Wasserdampfdruck gleich dem Siededruck der entsprechenden Temperatur Temperatur [ C] Dampfdruck p D [bar] 0, , , , ,01330 H 5 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Wasserdampfdruck p D Vakuum t Ideale Gasgleichung: p V = m R T m D = p D V/(R D T) Übung Wie groß ist die max mögliche Dampfmenge m D bei V = 30 m³ und einer Raumtemperatur von 20 C? Gas Wasser Gaskonstante R [J / kg / K] 461,40 H 6 2

41 Feuchte Luft Konzentrationsmaße m D = p D V/(R D T) = / (461,4 293,16) N m³ kg K = m² J Nm K = 0,518 kg ρ = m / V = p / R t = 0,518 / = 17,3 g D /m³ H 7 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Dichte der trockenen Luft ρ trl p V = m R T ρ = m / V = p / (R T) [kg/m³] Gas tr Luft Gaskonstante R [J / kg / K] 287,10 Dichte der trockenen Luft (Meereshöhe, 0 C) ρ trl = / (287,1 273,15) = 1,292 kg/m³ Dichte der trockenen Luft (Meereshöhe, 20 C) ρ trl = / (287,1 293,15) = 1,204 kg/m³ H 8 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Dichte der feuchten Luft ρ fl ρ = m / V = p / (R T) [kg/m³] Übung (Meereshöhe, 20 C) ρ D = / (461,4 293,15) = 0,749 kg/m³ m D = 17, kg D /m³ (aus Übung) V D = m D / ρ D = 17, / 0,749 = 0,0231 m³ (aus Übung) V trl = 1-0,0231 = 0,9769 m³ ρ fl =m trl + m D = 0,9769 1, ,0231 0,749 = 1,194 kg/m³ H 9 3

42 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Partialdruck Wasserdampf p D Luft t wenn neben dem Wasserdampf auch noch Luft vorhanden ist p ges = p trockene Luft + p D (p D von 0 bis p D, je nach relativer Feuchte) Übung Wie ist das Verhältnis des Partialdrucks des Wasserdampfes p D zum Luftdruck bei t = 20 C? H 10 Feuchte Luft Konzentrationsmaße relative Luftfeuchte φ φ = p D / p D Partialdruck Wasserdampf = Sättigungsdruck (Dampfdruck) 0 φ 1 trockene Luft Feuchte, gesättigte Luft Beschreibt das prozentuale Verhältnis zwischen dem tatsächlichen und dem maximal möglichen Wassergehalt der Luft (Sättigung) H 11 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Partialdruck Wasserdampf p D Luft t wenn neben dem Wasserdampf auch noch Luft vorhanden ist p ges = p trockene Luft + p D (p D von 0 bis p D, je nach relativer Feuchte) p ges = p trockene Luft + p D φ p D H 12 4

43 Feuchte Luft Konzentrationsmaße absoluter Feuchtegehalt x m feuchte Luft (fl) = m trockene Luft (trl) + m D [/ m] trockene Luft (Bezugsmasse, da sie unverändert bleibt) m fl / m trl = 1 + m D / m trl x = m D / m trl m fl = m trl (1 + x) Kennzeichnet den absoluten Feuchtegehalt der Luft H 13 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Zusammenhang zwischen x und φ x = m D / m trl p D V R trl T = = R trl p D R D T p trl V R D p trl = R trl p D φ p D ' R D p trl p ges - φ p D 287,10 φ p D ' 461,40 p ges - φ p D x = 0,622 φ p D ' p ges - φ p D H 14 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Enthalpie der feuchten Luft h Q = m c t = m h [kg/s KJ / (kg K) K = kj / s = kw)] Q feuchte Luft (fl) = Q trockene Luft (trl) + Q D Bezug = 0 C H 2 O verdampft bei 0 C = t 1 Dampf ist von t 1 auf t 2 erhitzt Q fl(1-2) = m trl c ptrl (t 2 -t 1 )+r D m D +m D c pd (t 2 -t 1 ) [/ m trl ] (H 2 -H 1 ) fl m D = c ptrl (t 2 -t 1 )+ [r D + c pd (t 2 -t 1 )] m trl m trl H 15 5

44 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Enthalpie der feuchten Luft h (H 2 -H 1 ) fl m D = c ptrl (t 2 -t 1 )+ [ r D + c pd (t 2 -t 1 ) ] m trl m trl Bezug = 1 kg trockene Luft (h 2 -h 1 ) fl = c ptrl (t 2 -t 1 )+ x [ r D + c pd (t 2 -t 1 ) ] Bezug = Tripelpunkt der Wassers mit t 1 und h 1 = 0 h 2fL = c ptrl t 2 + x (r D(0 C) + c pd t 2 ) h fl = c ptrl t 2 + x (r D(0 C) + c pd t 2 ) H 16 Feuchte Luft Konzentrationsmaße Enthalpie der feuchten Luft h h fl = c ptrl t+ x (r D(0 C) + c pd t 2 ) mit: c pluft = 1006 kj/kg/k c pdampf = 1,86 kj/kg/k r D(0 C) = 2502 kj/kg h fl = 1,006 t+ x (1,86 t ) H 17 Feuchte Luft h-x Diagramm Relative Feuchte h ungesättigte Luft φ = 1 x = 0,622 φ p D ' p ges - φ p D h = 1,006 t + x (1,86 t ) Nebelgebiet x H 18 6

45 Feuchte Luft h-x Diagramm Temperatur : h t x = 0,622 Steigung der Isothermen: φ p D ' p ges - φ p D h = 1,006 t + x (1,86 t ) x = 0 h = 1,006 t x 0 h = 1,006 t + x (1,86 t ) (dh / dx) t = konst = 1,86 t = c pd t + r D = h D x H 19 Feuchte Luft h-x Diagramm absolute Feuchte, Enthalpie: h x = 0,622 φ p D ' p ges - φ p D h = 1,006 t + x (1,86 t ) Der Anwendungsbereich der gesättigten Luft ist sehr klein: Drehung um Winkel α =r D = 2502 kj/kg x H 20 Feuchte Luft h-x Diagramm nach Richard Mollier (1923) h x = 0,622 φ p D ' p ges - φ p D h = 1,006 t + x (1,86 t ) α t Steigung der Isothermen (Drehung um α = r D ): x 0 h = 1,006 t + x (1,86 t ) (dh/dx) t = konst = 1,86 t (~waagerecht) x H 21 7

46 Feuchte Luft h-x Diagramm nach Mollier h x = 0,622 φ p D ' p ges - φ p D h = 1,006 t + x (1,86 t ) α h Steigung der Isenthalpen (Drehung um α = r D ): x H 22 h-x Diagramm t [ C] ρ [kg/m³] φ [%] h [kj/kg trockene Luft ] x [g Wasser /kg trockene Luft ] p ges [hpa] H 23 h-x Diagramm Randmaßstab h/ x 1 beschreibt die Richtung einer Zustandsänderung im h-x Diagramm Beispiel: h/ x = 0 h = konstant Isenthalpe Zustandsänderung von 1 2 H 24 8

47 h-x Diagramm Taupunkt beschreibt den Zustand gesättigter Luft (φ = 100%) 1 2 φ p D ' x = 0,622 p ges - φ p D Beispiel: Luft 1 t = 20 C / φ = 50 % kühlt auf Taupunkttemperatur ab x=0 h / x= x 1 = 7,25 g/kg t 2 = 9,3 C 8 H 25 h-x Diagramm Taupunkt 1 beschreibt den Zustand gesättigter Luft (φ = 100 %) 2 Übung: m³/h Luft kühlen von t = 32 C / φ = 40 % (Normsommer; b o = 1013 mbar) auf Taupunkttemperatur ab Berechnung der erforderlichen Kühlleistung Q K? H 26 h-x Diagramm Lösung: 1) p D (32 C) = 10 (9, ,895 / T) = 48,01 mbar 2) x (32 C) = 0,622 (0,4 48,01 / (1013-0,4 48,01) = 12,02 g/kg 3) x / 0,622 = p D ( p D ) p D Taup = 1013 / (0,622 / x + 1) = 19,17 mbar 4) p D = 10 (9, ,895 / T) log (19,17) = 9,333 - (2334,895 / T) t 2 = 16,89 C 5) ρ 1 ~ p / (R T 1 ) = / (287,2 305,15) = 1,156 kg/m³ 6) h 1 = 1, / 1000 (1, ) = 62,9 kj/kg 7) h 2 = 1,006 16, / 1000 (1,86 16, ) = 47,4 kj/kg 8) Q K = m h = / ,156 (62,9-47,4) = 49,8 kw H 27 9

48 Luftaufbereitung 2 Erwärmung bei x = konstant Erhitzer Beispiel: Erwärmung von t 1 = -12 C / 100 % (Normwinter Hermeskeil) auf t 2 = 35 C Q 1/2 = (h 2 -h 1 ) m trl Q 1/2 = (t 2 -t 1 ) m trl c ptrl 1 H 28 Luftaufbereitung 1 Kühlung bei x = konstant trockener Kühler 2 Beispiel: Kühlung von t 1 = 30 C / x = 10 g/kg auf t 2 =17 C Q 1/2 = (h 2 -h 1 ) m trl Q 1/2 = (t 2 -t 1 ) m trl c ptrl H 29 Luftaufbereitung Luftstrom 1 m 1 x 1 h 1 t 1 Luftstrom 2 m 2 x 2 h 2 t 2 Mischluftstrom M m M x M h M t M Mischung zweier Luftströme Mischkammer (mischt 2 Teilluftstöme (1 & 2) zu einem gemeinsamen Luftstrom M) Erhaltungssatz für Energie: m 1 h 1 + m 2 h 2 = m M h M Erhaltungssatz für Wasser: m 1 x 1 + m 2 x 2 = m M x M H 30 10

49 Luftaufbereitung l 2 m 2 Mischung zweier Luftströme Mischkammer m 1 l 1 M Hebelgesetz der Mischkammer: m 1 l 1 l 2 m 2 m 1 l 1 = m 2 l 2 H 31 Luftaufbereitung Mischung zweier Luftströme Mischkammer Übung: - Luftmassenstrom (1) = 5000 kg/h t 1 = 20 C / 30 % - Luftmassenstrom (2) = 2500 kg/h t 2 = 30 C / 60 % gesucht: h M, x M, t M H 32 Luftaufbereitung Lösung: 1) p D (20 C) = 10 (9, ,895 / T) = 23,34 mbar 2) x (20 C) = 0,622 (0,3 23,34 / (1013-0,3 23,34) = 4,33 g/kg 3) h (20 C) = 1, ,33 / 1000 (1, ) = 31,15 kj/kg 4) x (30 C) = 15,99 g/kg 5) h (30 C) = 71,06 kj/kg 6) x M = (5000 4, ,99) / 7500 = 8,22 g/kg 7) h M = ( , ,06) / 7500 = 44,45 kj/ kg 8) h M = 1,006 t M + x M (1,86 t M ) t M = (h M -x M 2502) / (1,006 + x M 1,86) = 23,38 C H 33 11

50 Luftaufbereitung M m 2 Mischung zweier Luftströme Mischkammer AHH Programm m 1 H 34 Luftaufbereitung Befeuchtung Wasser wird Luft im molekularem Zustand beigemischt: Verdunsten (durch zerstäuben von Wasser) Düsen (Luftwäscher) Rotation (Scheibenzerstäuber) Verdunsten (eines Wasserfilms bzw einer benetzten Oberfläche) Riesel- (Verdunstungs-) Befeuchter System Hydroplus Verdampfen (Erzeugen von Wasserdampf) Dampfnetz / Dampfkessel Ambulante Dampferzeuger H 35 Luftaufbereitung Befeuchtung mit Dampf mit Wasser H 36 12

51 Luftaufbereitung Dampfbefeuchtung Luftstrom 1 Luftstrom 2 Wasserbilanz: m 1 (trl) x 1 h 1 t 1 Dampflanze m 1 (trl) x 2 h 2 t 2 m 1 x 1 + m D = m 1 x 2 / m 1 x 2 -x 1 = m D / m 1 Energiebilanz: m D x D = h D t D 8 m 1 h 1 + m D h D = m 1 h 2 [ / m 1 ] h 2 -h 1 = m D / m 1 h D Randmaßstab: h / x = m D / m1 h D m D / m 1 h / x = h D = c pd t D + r D H 37 Feuchte Luft Dampfbefeuchtung Die Richtung der Zustandsänderung h / x ist identisch mit der Enthalpie des zugeführten Dampfes Die Steigung der Isothermen mit 1,86 t L und die Steigung der Richtungsgeraden der Dampfbefeuchtung mit 1,86 t D unterscheiden sich lediglich geringfügig durch 1,86 (t D -t L ) H 38 Luftaufbereitung Dampfbefeuchtung h / x = h D = c pd t D + r D 1 2 Beispiel: (Dampf 100 C) h D = 1, Beispiel: Luft 1 t = 20 C / φ = 20 % wird befeuchtet auf x 2 = 10 g/kg Steigung h / x = 2688 kj/kg (Isotherme = 2539 kj/kg) quasi isotherm H 39 13

52 Luftaufbereitung Luftstrom 1 m 1 (trl) x 1 h 1 t 1 p D1 t K Wasser m V x V = h w t K 8 h W Luftstrom 2 m 1 (trl) x 2 h 2 t 2 Befeuchten mit Wasser Wasserbilanz: m 1 x 1 + m V = m 1 x 2 Gesetz nach Dalton: m V = ß A (p D K1 -p D1 ) x~p D m V = ß A (x K1 -x 1 ) x 2 -x 1 = ß A (x K1 -x 1 ) / m 1 H 40 Luftaufbereitung Luftstrom 1 m 1 (trl) x 1 t K m 1 x 2 (trl) h 1 t 1 Wasser h W h 2 t 2 p D1 m V x V = h w t K 8 Luftstrom 2 Befeuchten mit Wasser Energiebilanz: m 1 h 1 + m V h W = m 1 h 2 [ / m 1 ] h 2 -h 1 = m V / m 1 h W h = ß A (x K1 -x 1 ) / m 1 h W Randmaßstab: h / x = h W =c W t K1 H 41 Feuchte Luft Befeuchten mit Wasser Die Richtung der Zustandsänderung h / x ist identisch mit der spezifischen Enthalpie des zugeführten Wassers Die Steigung der Isenthalpen mit 2502 kj/kg und die Steigung der Richtungsgeraden der Befeuchtung mit Wasser mit c W t K unterscheiden sich lediglich geringfügig durch c W t K H 42 14

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