Lüftungstechnische Maßnahmen

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1 Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG Lüftungstechnische Maßnahmen Geeignete Luftführungssysteme sowie maßgebliche Einflussfaktoren bei der Bemessung der Außenluftvolumenströme Forschung und Entwicklung Peter Thiel Hamburg, den Seite 1

2 Agenda Indikatoren für die Raumluftqualität Berechnungsgrundlagen nach DIN EN VERFAHREN 1: Verfahren auf der Grundlage der wahrgenommenen Luftqualität VERFAHREN 2: Verfahren unter Anwendung von Grenzwerten der Gaskonzentration Beispiele VERFAHREN 1 und VERFAHREN 2 Fazit Seite 2

3 Indikatoren für die Raumluftqualität Seite 3

4 Raumluftqualität Die Raumluftqualität wird durch stoffliche Lasten (Verunreinigungen) negativ beeinflusst. Außenluft Biospäre Motorfahrzeuge Industrie und Gewerbe Mensch Stoffwechsel (Bioeffluenzen) nutzungsbedingte Lasten Gebäude Einrichtung (Teppiche, Möbel, Anstriche, etc.) Baumaterialien (Dämmstoffe, Spanplatten, etc.) Pollen, Mikroorganismen (Pilzsporen, Bakterien) Stickoxide, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Partikel, Ozon Kohlenwasserstoffe, Schwefeldioxid, Stickoxide, Partikel Kohlendioxid, Gerüche, Wasserdampf Tabakrauch, Partikel, Reinigungsmittel Aldehyde, Lösungsmittel, organische Verbindungen Lösungsmittel, organische Verbindungen, Aldehyde, Asbest Seite 4

5 Pettenkofer-Zahl Max von Pettenkofer ( ) Deutscher Hygieniker und Chemiker Quelle: Wikipedia Pettenkofer betrachtete den Menschen als die wesentliche Verunreinigungsquelle im Raum. Er führte den CO 2 -Gehalt der Raumluft als Indikator für die Verunreinigung durch Personen ein. Pettenkofer-Zahl: CO 2 Konzentration: 1000 ppm = 0,1 Vol-% Seite 5

6 Indikatoren für die Luftqualität Beispiele für andere typische nutzungsbedingte Leitindikatoren Büro- / Verwaltungsgebäude Schulen Tiefgaragen Krankenhäuser Holzverarbeitung Schwimmbäder Kohlendioxid Kohlendioxid Kohlenmonoxid Narkosegase Formaldehyd Chlor Seite 6

7 Indikatoren für die Luftqualität Konzentrationen sind unbedenklich bis noch unbedenklich CO 2 guter Indikator für Luftqualität (sofern auf eine schadstoffarme Inneneinrichtung geachtet wird!) Quelle: Luftqualität und Lüftung in Schulen, Dr.-Ing. Heinz-Dieter Neumann, Unfallkasse NRW, Gefahrstoffe-Reinhaltung der Luft, 71 (2011), Nr. 11/12 TVOC = total volatile organic compounds Stufe Konzentration [mg TVOC /m³] Hygienische Bewertung 1 0,3 mg/m³ unbedenklich 2 > 0,3-1 mg/m³ noch unbedenklich, sofern keine Richtwertüberschreitungen vorliegen 3 > 1-3 mg/m³ auffällig 4 > 3-10 mg/m³ bedenklich 5 > 10 mg/m³ inakzeptabel Quelle: UBA; Internet, Seite 7

8 CO 2 -Konzentrationen und -Wirkungen Einige Zahlenwerte CO 2 -Konzentration in ppm Erläuterung / Wirkung auf den Menschen Konzentration schadstoffarmer Außenluft (Land) Konzentration schadstoffreicher Außenluft (Stadt). Pettenkofer-Zahl Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) nach TRGS Erhöhte Atemfrequenz Kopfschmerz, Schwindel Konzentration ausgeatmeter Atemluft von Menschen bei längerer Exposition Tod Empfehlung des Umweltbundesamtes CO 2 -Konzentration in ppm Hygienische Bewertung und Empfehlung hygienisch unbedenklich keine weiteren Maßnahmen hygienisch auffällig Lüftungsmaßnahmen erhöhen Lüftungsverhalten überprüfen und verbessern hygienisch inakzeptabel Belüftbarkeit des Raumes prüfen ggf. weitergehende Maßnahmen prüfen Hinweis: Bei den angegebenen CO 2 -Konzentrationsleitwerten handelt es sich um Momentanwerte! Quelle: UBA; Seite 8

9 Einfluss auf die Leistungsfähigkeit Seite 9

10 Berechnungsgrundlagen nach DIN EN Seite 10

11 Neue Zuordnung der relevanten Normen Neue Zuordnung (Norm-Entwürfe) DIN EN : TR DIN EN : TR Bestehende Norm DIN EN 15251: DIN EN 13779: Inhalt (Norm-Entwürfe) Eingangsparameter für das Innenraumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden bezüglich Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik Anforderungen an die Leistung von Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsystemen Wichtige Änderungen Außenluftvolumenangaben aus der DIN EN entfallen! Berechnung der Außenluftvolumenströme erfolgt zukünftig nur noch nach den aus der DIN EN bekannten Verfahren! Seite 11

12 Anforderungen Die Anforderungen für das Raumklima bzw. die Raumluftqualität werden durch die Festlegung auf eine der vier Kategorien definiert. DIN EN DIN EN Seite 12

13 Berechnungsverfahren nach DIN EN Allgemeines Die Auslegungsparameter für die Raumluftqualität sind unter Anwendung eines oder mehrerer der folgenden Verfahren zu bestimmen. VERFAHREN 1 Verfahren auf der Grundlage der wahrgenommenen Luftqualität Die Auslegungs-Lüftungsrate resultiert aus der Summe von zwei Komponenten (Stofflasten): (a) Verunreinigung durch Nutzer und (b) Verunreinigung durch das Gebäude und dessen Anlagen. Seite 13

14 Erforderlicher Gesamt-Außenluftvolumenstrom Der erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom wird anhand folgender Formel berechnet: DIN EN in l/s mit: Anzahl der Personen im Raum in Pers personenbezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s Pers) Grundfläche des Raumes in m² gebäudebezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s m²) DIN EN Aus gesundheitlichen Gründen beträgt der Mindest-Luftvolumenstrom 4 l/(s Pers) (15 m³(h Pers)) Seite 14

15 Berechnungsverfahren nach DIN EN VERFAHREN 2 Verfahren unter Anwendung von Grenzwerten der Gaskonzentration Die Auslegungs-Lüftungsraten werden berechnet anhand einer Gleichung des Massegleichgewichts im Beharrungszustand für die Verunreinigungskonzentration im Raum unter Berücksichtigung der Verunreinigungskonzentration in der Außenluft.,!" # $ mit: % &' CO 2 -Innenluftkonzentration in ppm % () CO 2 -Zuluftluftkonzentration in ppm * +,() Zuluftluftvolumenstrom in m³/s, - emittierter Schadstoff-Volumenstrom (Betriebszustand) in ml/s. + Lüftungseffektivität in - Seite 15

16 Anforderungen - CO 2 -Konzentration Die Raumluftqualität wird über den Indikator CO 2 -Konzentration definiert. Dabei werden keine Absolutwerte, sondern Konzentrationsdifferenzen zur Außenluft angegeben. Je nach Kategorie gelten folgende Werte: DIN EN DIN EN Beispiel: CO 2 -Konzentration der Außenluft: Anforderung der Kategorie II: Empfohlene CO 2 -Konzentration der Raumluft: DIN EN % /)' % &' !" % /)' % &'. 445 DIN EN % /)' % &' (7%)!" % /)' % &' Seite 16

17 Berechnungsverfahren nach DIN EN VERFAHREN 2 Verfahren unter Anwendung von Grenzwerten der Gaskonzentration Die Auslegungs-Lüftungsraten werden berechnet anhand einer Gleichung des Massegleichgewichts im Beharrungszustand für die Verunreinigungskonzentration im Raum unter Berücksichtigung der Verunreinigungskonzentration in der Außenluft.,!" # $ mit: % &' CO 2 -Innenluftkonzentration in ppm % () CO 2 -Zuluftluftkonzentration in ppm * +,() Zuluftluftvolumenstrom in m³/s, - emittierter CO 2 -Volumenstrom der Personen (Betriebszustand) in ml/s. + Lüftungseffektivität in - Seite 17

18 Kohlendioxidausstoß des Menschen Die CO 2 -Abgabe eines Menschen ist direkt mit seinem Energieumsatz gekoppelt. In der ISO 8996 wird folgende Berechnungsgleichung für den Kohlendioxidausstoß des Menschen B,CC D,EE in l CO2 /h mit: * +,FGH,I Kohlendioxidvolumenstrom in l/h bei STPD-Konditionen (0 C, 101,3 kpa, trockenes Gas) RQ respiratorischer Quotient in - M Gesamtenergieaufwand der Person in W/m² A Du Körperoberfläche der Person nach DuBois in m² Der respiratorische Quotient RQ ist das Verhältnis des Sauerstoffverbrauchs zur Kohlendioxidproduktion. Er ist eine charakteristische Größe für den verbrannten Nährstoff. (ISO 8996: RQ = 0,85) Seite 18

19 Stationäre Bilanzgleichung für die Schadstoffkonzentration CO 2 -Emission der Personen,;<=,,;<=,=, # CO 2 -Belastung des Arbeitsplatzes Es gilt:,;<=,jk L M Daraus folgt der Stoffbelastungsgrad:,;<=,JK,;<=,,!" # Annahmen L M,;< =,JK!" # #,, Seite 19

20 Effektivität des Luftführungssystems Der Stoffbelastungsgrad L M bzw. die Lüftungseffektivität $ ist eine charakteristische Kenngröße für unterschiedliche Luftführungssysteme. Sie gibt Auskunft über die Effektivität der stofflichen Lastabfuhr aus dem relevanten Aufenthaltsbereich. Sie ist wie folgt definiert: L M $!" O O!",, mit: % &' Schadstoffkonzentration der Raumluft in ppm % () Schadstoffkonzentration der Zuluft in ppm % /N Schadstoffkonzentration der Abluft in ppm,, Seite 20

21 Stationäre Betrachtung Die Berechnungsgleichung für eine stationäre CO 2 -Konzentrationsberechnung in ppm lautet dann wie folgt:,,;< =,JK!" # L M!" #!" # $ in ppm mit: % &' CO 2 -Innenluftkonzentration in ppm % () CO 2 -Zuluftluftkonzentration in ppm * +,/) Zuluftluftvolumenstrom in m³/s * +,PQH,/RS CO 2 -Belastung des Arbeitsplatzes in ml/s T U Stoffbelastungsgrad in -, - emittierter CO 2 -Volumenstrom der Personen (Betriebszustand) in ml/s. + Lüftungseffektivität in - Seite 21

22 Effektivität des Luftführungssystems Raumluftströmung Turbulenzarme Verdrängungsströmung Schichtenströmung Turbulente Mischströmung Örtliche Mischströmung Zulufteinbringung (Beispiele) großflächig: Filterdecke örtlich begrenzt: Schichtluftdurchlässe (Boden) diffus: Draller, Schlitze diffus: Bodendraller Lüftungsboden linear: Schlitze, Gitter linear: Pultdurchlässe Zuluftgeschwindigkeit gering (0,20 0,45 m/s) gering (0,15 0,45 m/s) mittel - hoch (1,5 5 m/s) diffus: mittel - hoch (1,0 4 m/s) linear: mittel (1,0 1,5 m/s) spez. Luftvolumen-ströme max. Zuluftuntertemperaturen sehr hoch ( m³/(h m²)) Komfortbereich: mittel (6 25 m³/(h m²)) Industriebereich: hoch ( m³/(h m²)) gering (2 4 K) gering (2 5 K zur Zuluftschicht) Komfortbereich: diffus: mittel (6 25 m³/(h m²)) linear: gering - mittel (6 20 m³/(h m²)) diffus: groß (2 10 (12) K) linear: mittel (2 6 (8) K) Komfortbereich: mittel - hoch (6 35 m³/(h m²)) Industriebereich: diffus: hoch ( m³/(h m²)) diffus, linear: mittel (2 6 K zum Aufenthaltsbereich) Stoffbelastungsgrad L M sehr gut: < 0,2 sehr gut: 0,2 0,7 mäßig: 0,9-1,1 gut: 0,7-1,0 Lüftungseffektivität $ sehr gut: > 5 sehr gut: 5,0 1,4 mäßig: 1,1-0,9 gut: 1,4-1,0 Seite 22

23 Beispiele VERFAHREN 1 Seite 23

24 Erforderlicher Gesamt-Außenluftvolumenstrom Quelle: Dr. Stahl, Trox-Symposium 2016 Seite 24

25 Beispiel Einzelbüro DIN EN (Tabelle B2) 5² WJX.,CY X 5 = C Y X WJX. =D 5³ WJX. Seite 25

26 Beispiel Einzelbüro Erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom : in l/s WJX. C Y X WJX. 5=,C Y X 5² \Y X D 5³ mit: Anzahl der Personen im Raum in Pers personenbezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s Pers) Grundfläche des Raumes in m² gebäudebezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s m²) Seite 26

27 Beispiel Einzelbüro Konzentrationsverlauf bei Dauerlüftung (T U 1] =D 5³ D 5³ Belegung: 10 m²/pers. Wärmeabgabe: 115 W/Pers. Aktivitätsgrad: 1,2 met Außenluftkonzentration: 500 ppm Seite 27

28 Beispiel Kaufhaus DIN EN (Tabelle B2) C 5² WJX.,DY X 5 =,D Y X WJX. 9E 5³ WJX. Seite 28

29 Beispiel Kaufhaus Erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom : WJX.,D in l/s Y X C WJX. 5=,\ Y X 5² =,9Y X C9 5³ mit: Anzahl der Personen im Raum in Pers personenbezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s Pers) Grundfläche des Raumes in m² gebäudebezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s m²) Seite 29

30 Beispiel Kaufhaus Konzentrationsverlauf bei Dauerlüftung (T U 1] 9E 5³ C9 5³ Belegung: 7 m²/pers. Wärmeabgabe: 155 W/Pers. Aktivitätsgrad: 1,6 met Außenluftkonzentration: 500 ppm Seite 30

31 Beispiel VERFAHREN 2 Seite 31

32 Beispiel Hörsaal Vorgaben: 100 Personen 750 m² (Raumhöhe: 5 m) Luftführungssystem Stoffbelastungsgrad L M Erf. Außenluftvolumenstrom, VERFAHREN 1 -? VERFAHREN 2 - Mischlüftung - Örtliche Mischlüftung Seite 32

33 Beispiel Hörsaal,CD 5² WJX.,DY X 5 = C,^ Y X WJX. =E 5³ WJX. Seite 33

34 Beispiel Hörsaal Erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom : WJX. C,^ Y X in l/s WJX. CD 5=,C Y X WJX..9DY X \.C9\ 5³ mit: Anzahl der Personen im Raum in Pers personenbezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s Pers) Grundfläche des Raumes in m² gebäudebezogener spezifischer Außenluftvolumenstrom in l/(s m²) Seite 34

35 Vergleich der VERFAHREN 1 und 2 Seite 35

36 Beispiel Hörsaal Vorgaben: 100 Personen 750 m² (Raumhöhe: 5 m) CO 2 -Zuluftluftkonzentration: % () Ziel-Konzentration der Raumluft im Aufenthaltsbereich: % &' emittierter CO 2 -Volumenstrom von 100 Personen:, _`abh c (pro Person: * +,PQH,N 22 `ab H - derc ) Luftführungssystem Stoffbelastungsgrad L M Erf. Außenluftvolumenstrom, VERFAHREN m³/h VERFAHREN 2 - Mischlüftung - Örtliche Mischlüftung???? Seite 36

37 Turbulente Mischlüftung L M f, (s. Tabelle auf Folie 22) Seite 37

38 Örtliche Mischlüftung L M f,e (s. Tabelle auf Folie 22) Seite 38

39 Beispiel Hörsaal Vorgaben: 100 Personen 750 m² (Raumhöhe: 5 m) CO 2 -Zuluftluftkonzentration: % () Ziel-Konzentration der Raumluft im Aufenthaltsbereich: % &' emittierter CO 2 -Volumenstrom von 100 Personen:, _`abh c (pro Person: * +,PQH,N 22 `ab H - derc ) Luftführungssystem Stoffbelastungsgrad L M Erf. Außenluftvolumenstrom, VERFAHREN m³/h VERFAHREN 2 - Mischlüftung - Örtliche Mischlüftung 1, m³/h (-8 %) 0, m³/h (-26 %) Seite 39

40 Beispiel Hörsaal Konzentrationsverlauf bei Dauerlüftung Örtliche Mischlüftung WJghJW = 9.D= 5³ WJghJW \.C9\ 5³ Belegung: Wärmeabgabe: Aktivitätsgrad: Außenluftkonzentration: 7,5 m²/pers. 136 W/Pers. 1,4 met 500 ppm Seite 40

41 Fazit Bei der Berechnung der erforderlichen Außenluftvolumenströme sind folgende Faktoren zu berücksichtigen: Belegungsdichte Tätigkeit der Personen Aktivitätsgrad Schadstoffklasse des Gebäudes Wahl des Luftführungssystems Lüftungseffektivität Das VERFAHREN 1 führt in aller Regel zu CO 2 -Konzentrationen unter!" 445. Das VERFAHREN 2 kann bei Einhaltung der empfohlenen CO 2 -Konzentration der Raumluft von!" 445 (DIN EN 15251, Kategorie II) je nach Luftführungssystem zu deutlich verringerten Außenluftvolumenströmen führen. Eine Anhebung der empfohlenen CO 2 -Konzentration durch die DIN EN auf!" (Kategorie II) würde bei diesem Verfahren zu nochmals reduzierten Außenluftvolumenströmen führen. Dieser Sachverhalt ist im Hinblick auf die Hygiene und Raumluftqualität kritisch zu hinterfragen. Eine genauere Kenntnis der maßgeblichen Schadstoffemissionen und des Stoffbelastungsgrades L M sind beim VERFAHREN 2 unabdingbar, um eine normgerechte Dimensionierung sicherzustellen. Seite 41

42 Kontakt Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG Tilsiter Straße Hamburg Peter Thiel Telefon Copyright Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG, 2016 Inhalt und Struktur der Präsentation sind urheberrechtlich geschützt. Die Vervielfältigung sämtlicher Inhalte und Strukturelemente, insbesondere Texte, Textteile, Bildmaterial, Logos, Grafiken und Designelemente, soweit sie schutzfähig im Sinne des deutschen Urheberrechts sind, zu anderem als zum privaten oder sonstigen eigenen Gebrauch sowie deren Verbreitung und Veröffentlichung bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung der Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG. Seite 42