Warum freie Lüftung fast immer an ihre Funktionsgrenze stößt Die Anforderung an die Klimatechnik einer Produktionshalle besteht in der Versorgung mit Zuluft und der Abfuhr von Wärme- und/oder Schadstofflasten. Die Luftströme können grundsätzlich auf zwei Arten gefördert werden: Mechanisch durch RLT-Geräte, oder ohne maschinellen Einsatz durch freie (natürliche) Lüftung unter Ausnutzung von Druckunterschieden. Diese werden im Innern der Halle durch Wärmefreisetzungen aus Produktionsprozessen (Unterdruck) und von außen durch Winddruck bewirkt. Es strömt die Zuluft durch Öffnungen im unteren Wandbereich der Hallen ein und nach Aufnahme von (im Allgemeinen) Wärmelasten, durch Abluftöffnungen im Dach, üblicherweise RWA (Rauch und Wärmeabzug), wieder aus (s. Abbildung 1). Abbildung 1 Freie Lüftung durch Auftriebs- und Wind- Kräfte in einer Halle mit Wärmequellen Abbildung 2 Fensterlüftung, Strömungsverlälufe der Zu- und Abluft, schematisch Bei freier Lüftung von Räumen, wie zum Beispiel Büroräumen, spricht man von Fensterlüftung. Auf Grund der geringen Raumhöhe gegenüber Hallen, wird für die Zu- und Abluftströme ein und dieselbe Öffnung (Fenster) verwendet. Dabei stellen sich Strömungsverläufe ein, wie sie in Abbildung 2 dargestellt sind. Diese Lösung ist gelegentlich auch in Hallen mit geringen Höhen anzutreffen. 1
Der Verzicht auf RLT-Geräte bevorzugt die freie Lüftung durch geringe Investitionskosten, fast keine Betriebskosten und damit einhergehend der Einsparung der Energie, die zum Betrieb von RLT-Anlagen erforderlich ist. Das sind gewichtige Vorteile, die die Frage aufwerfen, inwieweit freie Lüftung mechanische ersetzen kann. Freie Lüftung und Wärmelasten Den Antrieb der freien Lüftung liefert der Temperaturunterschied zwischen der Halleninnenund Außentemperatur. Je größer er wird, umso stärker und (weitgehend) stabiler bilden sich Thermikströme über den Wärmquellen der Halle aus und sorgen damit zuverlässig für die Lastabfuhr. Große Temperaturunterschiede treten bei hohen Innenlasten und/oder tiefen Außentemperaturen auf. Damit eignen sich insbesondere Hallen mit hohen Wärmefreisetzungen für den Einsatz der freien Lüftung. So können sich in Hitzebetrieben der Stahl- und Glasindustrie sowie Kesselhäusern bei Flächenlasten über 800 W/m² stabile Thermikströme derart ausbilden, dass Einflüsse durch Wetterschwankungen (hohe Temperatur, starker Wind) vernachlässigbar werden und freie Lüftung damit die Anforderung einer gesicherten Wärmeabfuhr erfüllt. Betrachtet man Hallen mit geringeren Wärmefreisetzungen, wie man sie bei zerspanender Bearbeitung mit etwa 150 W/m² antrifft, so bilden sich Halleninnentemperaturen, die in Sommer und vor allen Dingen bei Extremwetterlagen in der Größenordnung der Außentemperatur liegen. Damit kann der Temperaturunterschied zwischen innen und außen so gering werden, dass kein nennenswerter Antrieb mehr für die freie Lüftung vorhanden ist und das genau dann, wenn sie am nötigsten gebraucht würde. Sieht man also von Hitzebetrieben ab, kann freie Lüftung ihre Funktion bei höheren Außentemperaturen nicht erfüllen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über gängige flächenbezogene Wärmefreisetzungen nach Art der Fertigung. Bei allen Anwendungen unter 800 W/m² ist freie Lüftung nur eingeschränkt möglich. Fertigungsart Wärmelast W/m² Montage 50 Mechanische Fertigung 150 Fertigung Kunststoffteile 250 Hitzebetriebe *) > 800 * ) Glasindustrie, Stahl- u. Walzwerke, Kesselhäuser Tabelle 1, Anhaltswerte zu flächenbezogenen Wärmefreisetzungen nach Fertigungsart Niedrige Außentemperaturen führen immer zu einer deutlichen Temperaturdifferenz zur Halleninnentemperatur womit die Funktion der freien Lüftung in diesem Temperaturbereich grundsätzlich gegeben ist. Diese Möglichkeit ist aber nur begrenzt nutzbar. Die in die Halle mit Außentemperatur eintretende Zuluft induziert sich in die Hallenluft unter Temperaturerhöhung. Die sich dabei einstellende Mischtemperatur muss dann die Behaglichkeits- oder zumindest Erträglichkeitskriterien im Arbeitsbereich erfüllen. Das lässt sich nicht mit beliebig tiefer Außentemperatur erreichen, sondern ist begrenzt durch den Temperaturbereich ab dem eine Heizung erforderlich wird. 2
Es zeigt sich, dass freie Lüftung im Jahresgang, abgesehen von den Hitzebetrieben, nur in einem begrenzten Außentemperaturbereich eingesetzt werden kann. Der ist abhängig von den Wärmelasten der Halle, kann aber grob zwischen 5 C bis etwa 25 C angegeben werden. Darunter und darüber sind zusätzliche lüftungstechnische Maßnahmen erforderlich. Um das sich bietende Potential der freien Lüftung im genannten Temperaturbereich voll ausschöpfen zu können, sind die Zu- und Abluftöffnungen stellmotorisch über ein Regelsystem den sich verändernden Bedingungen über den Tagesgang anzupassen. Wind beeinflusst die Wirkung der freien Lüftung im Allgemeinen positiv, muss aber in der Auswirkung, gerade bei größeren Stärken begrenzbar sein. Mit regelbaren Zu- und Abluftöffnungen lässt sich die Störung durch Windeinfluss ausgleichen. Freie Lüftung und Schadstoffe Freie Lüftung wird im Allgemeinen zur Abfuhr von Wärmelasten angewendet. Die Möglichkeit der Abfuhr von Schadstofflasten ist mit diesem Lüftungssystem begrenzt. Grundsätzlich ist auf Grund der wetterabhängigen Schwankungen die zuverlässige Einhaltung von Arbeitsplatzgrenzwerten (AGW) nicht möglich. Das bedeutet, Schadstoffe die mit freier Lüftung abgeführt werden sollen, dürfen keine AGW-Werte haben, nicht gesundheitsschädlich sein und nur in sehr geringer, nicht beeinträchtigender Konzentration vorkommen. Freie Lüftung und Außenluftfilter Zu beachten ist, dass sich bei freier Lüftung auf Grund der geringen Druckdifferenz des Auftriebs keine größeren Druckverluste von Zuluftfiltern überwinden lassen. Somit wird die Außenluft im Allgemeinen ungefiltert als Zuluft in die Halle eingebracht. Es ist daher immer zu prüfen, ob das für die jeweiligen Produktionsprozesse hinnehmbar ist. Auslegung freier Lüftung Die Auslegungsmethoden zur freien Lüftung unterscheiden sich deutlich von denen der mechanischen Lüftung. Maßgebend sind die Druckunterschiede, die innen durch Wärmelasten und außen durch Winddrücke bewirkt werden. Für beide Einflussgrößen gibt es Berechnungsverfahren, die bei Überlagerung über die entsprechenden Druckbilanzen zusammengeführt werden können. Der grundsätzliche Lösungsansatz besteht in der Gleichsetzung der Summe der dynamischen Druckverluste von Zu- und Abluftöffnungen mit der Druckdifferenz des Auftriebs. Im Fall der Produktionshallen empfiehlt es sich den Raumbelastungsgrad in die Rechnung mit einzubeziehen. Damit wird nur der im Arbeitsbereich wirksame Anteil der gesamten Wärmelast berücksichtigt und führt so zu einem kleineren erforderlichen Zuluftstrom. Wie zuvor dargelegt, sollte eine freie Lüftung zur Nutzung ihrer (physikalischen) Möglichkeiten mit einer MSR ausgestattet sein. In diesem Fall kann man sich die Berechnung des Windeinflusses sparen und lässt ihn durch die MSR ausgleichen. Eine sehr ausführliche Darstellung der Auslegung einer freien Lüftung findet man in der VDI 2262 Blatt 3 /1/. Sie berücksichtigt sowohl den Raumbelastungsgrad, als auch den Windeinfluss. Eine einfachere Methode wird vom Fachverband Tageslicht und Rauchschutz e.v. mit der Richtlinie 10 angegeben. Sie berücksichtigt nicht den Raumbelastungsgrad und führt daher zu höheren Zuluftströmen und in der Folge zu größeren Zu- und Abluftöffnungen. Eine Berechnung des Windeinflusses fehlt. 3
Auslegung mechanischer Lüftung Die Berechnung der mechanischen Lüftung von Hallen beschränkt sich in der Praxis auf Misch- und Schichtlüftung. Zur Bestimmung der erforderlichen Zuluftströme nach den abzuführenden Wärme- und/oder Schadstofflasten stehen die Lastrechenverfahren zur Verfügung. Lastrechnungen sind zwar im Prinzip luftführungsneutrale Darstellungen, liefern aber in der Praxis nur für Mischlüftung nutzbare Ergebnisse. Das liegt daran, dass die durch Lastrechnung ermittelten Zuluftströme nicht notwendigerweise die sind, die zur Nachführung der Thermikströme einer Schichtlüftung erforderlich sind. Sparsame Hallenklimasysteme Unsere effizienten Hallenklimasysteme sorgen für beste Luftqualität und ideale Temperaturen in Grossräumen und Hallen. Zur Übersicht der Hallenklimasysteme 4
Freie Lüftung und Funktionsgrenzen Es zeigt sich, dass freie Lüftung uneingeschränkt nur für Hitzebetriebe in Frage kommt, sofern keine Schadstoffe vorliegen. Nur hier sind die Bedingungen derart, dass sich Thermikströme so stabil ausbilden können, um gegen Einflüsse von Wetterschwankungen unempfindlich zu sein. Die Lüftungsfunktion ist damit über den Jahresgang sicher gestellt. Für alle anderen Anwendungen mit geringeren Wärmefreisetzungen sind im Jahresgang der Außentemperatur nach unten und oben Grenzen durch Kriterien der Behaglichkeit oder Erträglichkeit gesetzt. Anforderungen, vorgegebene Innentemperaturen und vor allem Schadstoffkonzentrationen einzuhalten, lassen sich nur mit mechanischer Lüftung lösen. Möglich sind auch Hybrid- Systeme, bei denen die freie Lüftung in ihrem Einsatzbereich energiesparend die Lüftungsaufgabe übernimmt und mechanische Lüftung dann eingreift, wenn freie Lüftung an ihre Funktionsgrenze gelangt. Ob die dabei erzielbare Energieeinsparung die Mehrinvestition lohnt, kann nur über eine TCO-Betrachtung (Total Cost of Ownership) entschieden werden. Weiterführende Informationen Diese Zusammenhänge sind sehr interessant und komplex. Wir werden Sie daher in Kürze mit weiteren Blog-Beiträgen zu diesen Kernfragen der Lüftung von Produktionshallen informieren. Author: Tobias Brugger 5