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 16.09.2016 Seite 1
Agenda Indikatoren für die Raumluftqualität Berechnungsgrundlagen nach E DIN EN 16798 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
Indikatoren für die Raumluftqualität Seite 3
Raumluftqualität Die Raumluftqualität wird durch stoffliche Lasten (Verunreinigungen) negativ beeinflusst. Seite 4
Pettenkofer-Zahl Max von Pettenkofer (1818-1901) Deutscher Hygieniker und Chemiker 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
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
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, http://www.umweltbundesamt.de/gesundheit/innenraumhygiene/richtwerte-irluft.htm Seite 7
CO 2 -Konzentrationen und -Wirkungen Einige Zahlenwerte CO 2 -Konzentration in ppm Erläuterung / Wirkung auf den Menschen 350 400 Konzentration schadstoffarmer Außenluft (Land) 450 500 Konzentration schadstoffreicher Außenluft (Stadt). Pettenkofer-Zahl 5.000 Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) nach TRGS 900 10.000 Erhöhte Atemfrequenz 30.000 Kopfschmerz, Schwindel 50.000 Konzentration ausgeatmeter Atemluft von Menschen 60.000 bei längerer Exposition Tod Empfehlung des Umweltbundesamtes CO 2 -Konzentration in ppm.. 2.000 2.000 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; http://www.umweltbundesamt.de/themen/gesundheit/kommissionenarbeitsgruppen/ausschuss-fuer-innenraumrichtwerte-vormals-ad-hoc Seite 8
Einfluss auf die Leistungsfähigkeit Seite 9
Berechnungsgrundlagen nach E DIN EN 16798 Seite 10
Übersicht zur E DIN EN 16798 Quelle: Dr. Stahl, Trox-Symposium 2016 Seite 11
Übersicht zur E DIN EN 16798 Quelle: Dr. Stahl, Trox-Symposium 2016 Seite 12
Übersicht zur E DIN EN 16798: 2015-01 Quelle: Dr. Stahl, Trox-Symposium 2016 Seite 13
Anforderungen Die Anforderungen für das Raumklima bzw. die Raumluftqualität werden durch die Festlegung auf eine der vier Kategorien definiert. DIN EN 15251 E DIN EN 16798-1 Seite 14
Berechnungsverfahren nach DIN EN 16798-1 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 15
Erforderlicher Gesamt-Außenluftvolumenstrom Der erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom wird anhand folgender Formel berechnet: 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) Aus gesundheitlichen Gründen beträgt der Mindest-Luftvolumenstrom 4 l/(s Pers) (15 m³(h Pers)) Seite 16
Berechnungsverfahren nach DIN EN 16798-1 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 17
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 sind folgende Werte angegeben: DIN EN 15251 E DIN EN 16798-1 Beispiel: CO 2 -Konzentration der Außenluft: Anforderung der Kategorie II: Empfohlene CO 2 -Konzentration der Raumluft: DIN EN 15251 % /)' 500112 % &' 500112 % &' % /)' % &'. 445 E DIN EN 16798-1 % /)' 500112 % &' 800112 (7%) % &' % /)' % &'.9 445 Seite 18
Effektivität des Luftführungssystems Der Lüftungseffektivität $ bzw. der Stoffbelastungsgrad : ; ist eine charakteristische Kenngröße für unterschiedliche Luftführungssysteme. Sie gibt Auskunft über die Effektivität der stofflichen Lastabfuhr aus dem jeweiligen Raum. Sie ist wir folgt definiert: $ : ;!" = =!",, mit: % &' Schadstoffkonzentration der Raumluft in ppm % () Schadstoffkonzentration der Zuluft in ppm % /< Schadstoffkonzentration der Abluft in ppm,,,,,, Seite 19
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 spez. Luftvolumen-ströme max. Zuluftuntertemperaturen gering (0,20 0,45 m/s) sehr hoch (700 1600 m³/(h m²)) gering (0,15 0,45 m/s) Komfortbereich: mittel (6 25 m³/(h m²)) Industriebereich: hoch (20 200 m³/(h m²)) gering (2 4 K) gering (2 5 K zur Zuluftschicht) mittel - hoch (1,5 5 m/s) 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) diffus: mittel - hoch (1,0 4 m/s) linear: mittel (1,0 1,5 m/s) Komfortbereich: mittel - hoch (6 35 m³/(h m²)) Industriebereich: diffus: hoch (20 200 m³/(h m²)) diffus, linear: mittel (2 6 K zum Aufenthaltsbereich) Stoffbelastungsgrad sehr gut: < 0,2 sehr gut: 0,2 0,7 mäßig: 0,9-1,1 gut: 0,7-1,0 Seite 20
Berechnungsverfahren nach DIN EN 16798-1 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 21
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 angegeben:,>?@,a!b C DE,@9!B F,GG H,II in l CO2 /h mit: * +,JKL,M 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. (RQ = 0,85; ISO 8996) Seite 22
Bilanzgleichung für die Schadstoffkonzentration CO 2 -Emission der Personen,>?@,,>?@,, # CO 2 -Belastung des Arbeitsplatzes Durch Einsetzen : ;,>? @,NO!" # #,>?@,NO,!" #,>?@,NO : ; $ Annahmen,, Seite 23
Stationäre Betrachtung Die Berechnungsgleichung für eine stationäre CO 2 -Konzentrationsberechnung in ppm lautet dann wie folgt:,,>? @,NO!" # : ;!" # in ppm mit: % &' CO 2 -Innenluftkonzentration in ppm % () CO 2 -Zuluftluftkonzentration in ppm * +,/) Zuluftluftvolumenstrom in m³/s * +,PQL,/RS CO 2 -Belastung des Arbeitsplatzes in ml/s, - emittierter CO 2 -Volumenstrom der Personen (Betriebszustand) in ml/s Seite 24
Berechnungsgleichung Die Berechnungsgleichung für einen beliebigen zeitlichen CO 2 -Konzentrationsverlauf,!" innerhalb eines Intervalls (# ) in ppm lautet wie folgt:!" : ;,!" # # : ; T =, =!, da lim T =, =! 0 Z \ mit: % &' U CO 2 -Innenluftkonzentration am Ende des betrachteten Zeitintervalls in ppm % &' U V CO 2 -Innenluftkonzentration zu Beginn des betrachteten Zeitintervalls in ppm % () CO 2 -Zuluftkonzentration in ppm * +,() Zuluftvolumenstrom in m³/s, - emittierter CO 2 -Volumenstrom der Personen (Betriebszustand) in ml/s W & Raumvolumen in m³ U V Zeitpunkt zu Beginn des betrachteten Zeitintervalls in s U Zeitpunkt am Ende des betrachteten Zeitintervalls in s Seite 25
Beispiele VERFAHREN 1 Seite 26
Erforderlicher Gesamt-Außenluftvolumenstrom Quelle: Dr. Stahl, Trox-Symposium 2016 Seite 27
Beispiel Einzelbüro DIN EN 15251 (Tabelle B2) 5² TN^.,G_ ^ 5 @ G _ ^ TN^. @H 5³ TN^. Seite 28
Beispiel Einzelbüro Erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom : in l/s TN^. G _ ^ TN^. 5@,G _ ^ 5² b_ ^ H 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
Beispiel Einzelbüro Konzentrationsverlauf bei Dauerlüftung (c d 1e @H 5³ H 5³ Belegung: 10 m²/pers. Wärmeabgabe: 115 W/Pers. Aktivitätsgrad: 1,2 met Außenluftkonzentration: 500 ppm Seite 30
Beispiel Kaufhaus DIN EN 15251 (Tabelle B2) G 5² TN^.,H_ ^ 5 @,H _ ^ TN^. 9I 5³ TN^. Seite 31
Beispiel Kaufhaus Erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom : TN^.,H in l/s _ ^ G TN^. 5@,b _ ^ 5² @,9_ ^ G9 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 32
Beispiel Kaufhaus Konzentrationsverlauf bei Dauerlüftung (c d 1e 9I 5³ G9 5³ Belegung: 7 m²/pers. Wärmeabgabe: 155 W/Pers. Aktivitätsgrad: 1,6 met Außenluftkonzentration: 500 ppm Seite 33
Beispiel VERFAHREN 2 Seite 34
Beispiel Hörsaal Vorgaben: 100 Personen 750 m² (Raumhöhe: 5 m) CO 2 -Zuluftluftkonzentration: % () 500112 Ziel-Konzentration der Raumluft im Aufenthaltsbereich: % &' 1.000112 emittierter CO 2 -Volumenstrom von 100 Personen:, - 611 fg hil j (pro Person: * +,PQL,< 22 g hi L - klrj ) Luftführungssystem Stoffbelastungsgrad : ; Erf. Außenluftvolumenstrom, VERFAHREN 1-4.734 m³/h Mischlüftung Örtliche Mischlüftung?? Seite 35
Beispiel Hörsaal,GH 5² TN^.,H_ ^ 5 @ G,m _ ^ TN^. @I 5³ TN^. Seite 36
Beispiel Hörsaal Erforderliche Gesamt-Außenluftvolumenstrom : TN^. G,m _ ^ in l/s TN^. GH 5@,G _ ^ TN^..9H_ ^ b.g9b 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 37
Turbulente Mischlüftung Quelle: Trox Technik Seite 38
Örtliche Mischlüftung Quelle: Trox Technik Seite 39
Beispiel Hörsaal Vorgaben: 100 Personen 750 m² (Raumhöhe: 5 m) CO 2 -Zuluftluftkonzentration: % () 500112 Ziel-Konzentration der Raumluft im Aufenthaltsbereich: % &' 1.000112 emittierter CO 2 -Volumenstrom von 100 Personen:, - 611 fg hil j (pro Person: * +,PQL,< 22 g hi L - klrj ) Luftführungssystem Stoffbelastungsgrad : ; Erf. Außenluftvolumenstrom, VERFAHREN 1-4.734 m³/h Mischlüftung Örtliche Mischlüftung 1,0 0,8 4.400 m³/h (-8 %) 3.520 m³/h (-26 %) Seite 40
Beispiel Hörsaal Konzentrationsverlauf bei Dauerlüftung Örtliche Mischlüftung,>?@ 9.H@ 5³ DnA oa b.g9b 5³ Belegung: Wärmeabgabe: Aktivitätsgrad: Außenluftkonzentration: 7,5 m²/pers. 136 W/Pers. 1,4 met 500 ppm Seite 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 bzw. Stoffbelastungsgrad Das VERFAHREN 1 führt in aller Regel immer zu CO 2 -Konzentrationen zwischen!" I#m 445. Das VERFAHREN 2 führt zu verringerten Außenluftvolumenströmen. Eine genauere Kenntnis der maßgeblichen Schadstoffemissionen und des Stoffbelastungsgrades : ; sind aber unabdingbar. Seite 42
Kontakt Rud. Otto Meyer Technik Ltd. & Co. KG Tilsiter Straße 32 22047 Hamburg Peter Thiel Telefon +49 40 6949-2204 PeThiel@rom-techik.de www.rom-technik.de 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 43