Die Berechnung des Zuluftstroms mit Hilfe der Lastrechnung – Was Sie wissen sollten.

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Eine Hallenlüftung verteilt Zuluft und führt Wärme und Schadstoffe ab. Dazu kann die Luft unterschiedlich geführt werden. Deshalb ist ein Auslegungsverfahren gefragt, das die Möglichkeit bietet, aus der Vielzahl möglicher Luftführungen diejenige auszuwählen, die die spezifischen Anforderungen am besten erfüllt.

Instationäre und stationäre Betrachtung der Lastrechnung

Mit Lastrechenverfahren lassen sich die Zu- und Abluftströme gemäß den abzuführenden Wärme- und Schadstofflasten und gemäß den Belastungsgrößen ermitteln. Der Einbezug der Belastungsgrade ermöglicht es, die für die spezifische Halle wirksamste Luftführung zu auswählen. Wärme- und Stofffreisetzungen können sowohl instationär als auch stationär betrachtet werden.

Die instationäre Betrachtung führt zu Differentialgleichungen. Sie ist in der Praxis von begrenztem Nutzen, da bei laufender Produktion meist stationäre Bedingungen vorliegen. Unter Annahme stationärer Verhältnisse vereinfachen sich die Berechnungen erheblich. Die Gesetzmäßigkeiten lassen sich dann aus Bilanzgleichungen für Wärme- und Stoffströme herleiten. Dazu eignen sich insbesondere die Beziehungen für die Wärme- und Stoffbelastungsgrade, die ihrerseits aus Bilanzbetrachtungen hervorgehen.

Die Berechnungen werden für Wärme- und Stofflasten getrennt durchgeführt. Der höhere Wert des Zu- oder Abluftstroms wird der Auslegung zugrunde gelegt. Die Erfassungsluftströme müssen vorab als Ergebnis der lufttechnischen Auslegung verfügbar sein. Dabei werden nur die Erfassungen berücksichtigt, die ihre Luft dem Arbeitsbereich entnehmen. Daraus resultieren Bestimmungsgleichungen für die Zu- und/oder Abluftströme abhängig von den Belastungsgraden. Diese können je nach gewählter Luftführung entweder analytisch bestimmt oder der VDI 2262 Blatt 3 entnommen werden.

Wärmelastrechnung im Vergleich

Die Lastrechnungen gehen von einem gegenüber den anderen Berechnungsverfahren verschiedenen Lösungsansatz aus. Damit ist zu erwarten, dass sich auch die Ergebnisse unterscheiden, wobei zu prüfen ist, wie diese Unterschiede zu bewerten sind. In Produktionshallen beschränken sich die zur Auswahl stehenden Luftführungen auf die beiden Prinzipien Mischen und Schichten. Die Gleichungen der Wärmelastrechnung enthalten den Wärmebelastungsgrad. Setzt man für ihn den Wert der Mischlüftung ein, also definitionsgemäß den Wert 1, so geht die Wärmelastrechnung über in die Berechnungsgleichung der Mischlüftung. Damit werden die Ergebnisse identisch.

Mit dem Wärmebelastungsgrad der Luftführung in Schichten erhält man den Zu- oder Abluftstrom einer Schichtlüftung. Das Ergebnis ist jedoch nicht gleichwertig mit dem, das aus dem Weg über die Bestimmung der Thermikströme resultiert. Wesentlicher Vorgang beim Schichten ist die Nachspeisung der Thermikströme und die sich dabei einstellende, vorgegebene Schichthöhe. Das berücksichtigt die Lastrechnung nicht. Ihr Zuluftstrom wird im Allgemeinen nicht mit dem übereinstimmen, der zum Ersatz der Thermikströme für eine bestimmte Schichthöhe erforderlich ist. Ist der Zuluftstrom geringer, kommt es zu den unerwünschten Rückströmungen in den Arbeitsbereich. Ist er größer, wird die Funktion zwar gewährleistet, aber mit unnötig hohem Luftstrom. Klarheit kann nur eine Überprüfung schaffen. Das bedeutet, dass eine Berechnung der Schichtlüftung über die Größe der Thermikströme erforderlich wird. Die für die Wärmeabfuhr maßgebende Berechnung der Schichtlüftung führt also immer über die Bestimmung der Thermikströme und nicht über die Lastrechnung.

Konvektiver Anteil des Wärmestroms

Mit Lüftungstechnik kann nur der konvektive Anteil der Wärmelasten abgeführt werden. Die zu verwendenden Werte der Wärmelasten enthalten allerdings sowohl den konvektiven als auch den Strahlungsanteil. Deshalb müssen die entsprechenden Anteile ermittelt werden. Die Berechnung des Strahlungsanteils ist analytisch grundsätzlich möglich, aber für ein Hand­rechenverfahren eher ungeeignet.  Alternativ lassen sich die konvektiven und die Strahlungsanteile analog zur operativen Raumtemperatur tR nach DIN EN 7730 abschätzen. Für sie werden in Abhängigkeit der Lufttemperatur tL, der Strahlungstemperatur der (sichtbaren) Hüllflächen tU und der Luftgeschwindigkeit wL im Arbeitsbereich folgende Beziehungen angegeben:

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Entsprechend den Koeffizienten der Lufttemperatur tL können die konvektiven Anteile, je nach Luftgeschwindigkeit im Arbeitsbereich, mit 50% beziehungsweise 60% angenommen werden. Der Wert hängt auch von der Oberflächentemperatur der Wärmequellen ab. Er kann etwa in Bearbeitungszentren mit geringen Temperaturdifferenzen von etwa 3 K zwischen Oberfläche und Umgebung leicht über 60% und bei höheren Oberflächentemperaturen auch etwas unter 50% liegen.

Im Vergleich dazu bieten die Berechnungsverfahren zur Auslegung einer Schichtlüftung über die Thermikströme einen Vorteil: Die konvektiv abführbaren Anteile der Wärmelasten sind Bestandteil der Berechnungen und führen zu einem optimalen, geringstmöglichen Zuluftstrom.

Anhaltswerte helfen nur kurzfristig weiter

Die Wärmelasten sollten berechnet oder gemessen werden. Das ist oft schwierig und aufwendig. Der Weg über Anhaltswerte aus den elektrischen Anschlussleistungen spart Zeit, führt aber zu Ungenauigkeit. Die Anhaltswerte stammen von Anwendungen, deren Bedingungen im Allgemeinen nicht bekannt sind

in die Halle

freigesetzt

konvektiv

wirksam

damit konvektiv

abführbar

in der Autoindustrie

40 %

50 %

20 %

im Maschinenbau

25 %

keine

Angabe

25 %

Tabelle 1, Anhaltswerte für Wärmelasten aus Anschlusswerten nach Regelwerken

So gibt es in der VDI 3802 und VDI 2262 Angaben zur mechanischen Fertigung in der Autoindustrie, aber ohne Hinweis, ob der Wert eine direkte Späneabfuhr und/oder externe Kühlschmierstoffkühlung enthält. In denselben Quellen wird darauf hingewiesen, dass die Werte mit diesen Maßnahmen um 30% und 70% geringer ausfallen können. Zuluftströme, die so ermittelt werden, können dann um mehr als 100% abweichen.

Nach wie vor gebräuchlich ist auch ein Wert aus der bereits zurückgezogenen Richtlinie DIN VDE 0100-300 für nicht näher bezeichnete Anwendungen im Maschinenbau und ohne Angabe zum konvektiven Anteil. Das kann zerspanende Fertigung, Spritzgussmaschinen oder Pressen betreffen. Die hohen Anschlussleistungen von Pressen werden beispielsweise nur kurz genutzt, sodass nur wenig Wärme freigesetzt wird. Ein pauschaler Wert über alle diese Anwendungen liefert folglich nur ungenaue Ergebnisse.

Die Verwendung von Anhaltswerten führt zu starker Streuung der Größe der Zuluftströme und eignet sich daher nicht für eine verlässliche Auslegung. Anhaltswerte können allenfalls zu Beginn eines Projekts für eine grobe Abschätzung herangezogen werden.

Mindestgröße des Abluftstroms

Setzt man gedanklich den Abluftstrom auf null, so wird der Zuluftstrom nur von den Erfassungseinrichtungen abgeführt. Das führt dazu, dass die Thermikströme vollständig in den Arbeitsbereich zurückgeführt werden. Doch das ist dringend zu vermeiden. Deshalb muss der Abluftstrom so dimensioniert und müssen die Abluftöffnungen so an der höchsten Stelle der Halle angeordnet werden, dass der obere Hallenbereich trotz Erfassungseinrichtungen noch gut durchströmt wird. Dabei gilt grundsätzlich: Abluft darf nicht vollständig aus Erfassungsluft bestehen. Für Schichtlüftung besteht für den Abluftstrom die Bedingung 

Stofflastrechnung im Vergleich

Analog zu Wärmelastrechnungen enthalten die Gleichungen der Stofflastrechnung den Stoffbelastungsgrad. Setzt man für ihn den Wert der Mischlüftung ein, also definitionsgemäß wieder den Wert 1, so geht die Stofflastrechnung über in die Berechnungsgleichungen für den Schadstoffmassenstrom im Raum, beziehungsweise in der Abluft. Diese Gleichungen gelten unter der Annahme einer jeweils gleichmäßigen Verteilung des Schadstoffs in den entsprechenden Strömungsbereich der Halle, was aber mit einem Stoffbelastungsgrad von 1 gewährleistet ist.

Bei der Wahl eines Stoffbelastungsgrads der Luftführung in Schichten erhält man die Zuluftmenge einer Schichtlüftung. Aber auch hier gilt, wie im Fall der Wärmelasten, dass der so ermittelte Zuluftstrom nicht zwingend der ist, der für die Nachführung der Thermikströme erforderlich ist. Um das zu klären, muss eine Schichtlüftung über die Größe der Thermikströme ausgelegt werden. Im Algorithmus bleibt aber die Schadstoffbelastung unberücksichtigt. Es besteht lediglich die Anforderung, Schadstoff- und Wärmelast gekoppelt freizusetzen, sodass die Thermikströme die Stoffe abführen. Denkbar also, dass sich zur Nachspeisung der Thermikströme bei vorgegebener Schichthöhe ein geringerer Zuluftstrom ergibt als bei der Lastrechnung. In diesem Fall ist der höhere Wert aus der Lastrechnung maßgebend, da dessen errechnete Größe des Zuluftstroms sicherstellt, dass die Schadstoffkonzentration im Arbeitsbereich nicht überschritten wird.

Es zeigt sich, dass mit Lastrechnungen über die Belastungsgrade der Zuluftstrom für unterschiedliche Luftführungsarten bestimmt werden kann. Im Fall der Wärmelastabfuhr ist für die Luftführung in Schichten die Berechnung über die Thermikströme maßgebend. Bei Schadstoffabfuhr muss der über die Thermikströme errechnete Zuluftstrom mindestens so groß gewählt werden wie der aus der Lastrechnung.

Autor
Tobias Brugger
 
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