Misch- und Schichtlüftung in Produktionshallen – Was Sie wissen sollten.

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Der energieeffiziente Betrieb einer Hallenlüftung wird nach gängiger Ansicht durch die Verordnungen der EnEV und der ErP-Richtlinie sichergestellt. Sie geben hohe Anforderungen an die Effizienz der RLT-Geräte vor. Tatsächlich setzt die eigentliche Energieersparnis viel früher ein, nämlich mit der Wahl der für die jeweilige Anforderung an die Lüftung einer Halle geeignetsten Berechnungsmethode. Die Methoden unterscheiden sich und können bei nicht angepasster Anwendung zu erheblichen Schwankungen der erforderlichen Zuluftströme führen. Das verdeutlicht, welch hoher Stellenwert der Wahl der für die Anwendung angepassten Berechnungsmethode zukommt.

In hoch belasteten Produktionshallen können zuträgliche Wärmebelastungen und vorgegebene Schadstoffgrenzen dauerhaft nur durch an die Verfahren angepasste lufttechnische Maßnahmen eingehalten werden. Die Aufgabe einer Hallenlüftung besteht dann darin, den Zuluftstrom durch eine kontrollierte und damit berechenbare Raumluftströmung in der Halle so zu verteilen, dass dadurch freigesetzte Wärme und Schadstoffe optimal erfasst und mit der Abluft abgeführt werden können. Für die Raumluftströmung stehen drei Prinzipien zur Verfügung, nämlich:

-       Verdrängen

-       Mischen

-       Schichten

Nachfolgend werden die einzelnen Raumluftströmungen auf ihre Einsatzmöglichkeit in Produktionshallen betrachtet:

1. Verdrängungsströmung

Bei der Verdrängungsströmung wird die Halle mit Zuluft kolbenförmig von einer Umschließungsfläche (Wand, Boden oder Decke) zur gegenüberliegenden Fläche rückströmungsfrei durchströmt. Zur Vermeidung von Störungen durch Querströmung müssen für diese Strömungsart Luftgeschwindigkeiten zwischen 0,2 und 0,5 m/s gewählt werden. Das führt zu flächenbezogenen Zuluftströmen von 720 bis 1800 m³/(h∙m²), also Werte, die erheblich über dem liegen, was üblicherweise in Produktionshallen anzutreffen ist. Somit bleibt diese Luftführung auf Sonderfälle wie z.B. Flugzeuglackieranlagen beschränkt.

Das Prinzip der Verdrängungströmung_Hoval

Abbildung 1: Das Prinzip der Verdrängungströmung

2. Mischlüftung

Bei Mischlüftung wird warme, schadstoffbelastete Raumluft mit kühler, weniger belasteter Zuluft so gemischt, dass im Arbeitsbereich vorgegebene geringe Wärme- und Schadstoffbelastungen erreicht werden. Unter Annahme vollständiger Durchmischung, erhält man im gesamten Hallenvolumen gleiche thermische und stoffliche Bedingungen. Mischlüftungen lassen sich auf verschiedene Weise darstellen: Durch nach unten gerichtete Einzelluftstrahlen von der Hallendecke (s. Abb. 2), oder durch Tangentiallüftung mit horizontaler Luftzufuhr unter der Decke oder oberhalb des Arbeitsbereichs.

Das Prinzip der Mischlüftung_Hoval

Abbildung 2: Das Prinzip der Mischlüftung

3. Schichtlüftung

Das Prinzip der Schichtlüftung beruht auf der Nutzung der Thermikströme an den Lastquellen im Arbeitsbereich zur Lastabfuhr in den oberen, ungenutzten Hallenbereich hinein (s. Abb. 3). Dabei bildet sich durch eine impulsarme Zuführung von kühlerer Zuluft an die Lastquellen im Arbeitsbereich eine Zuluftschicht aus, deren Höhe von der Stärke der sich aufbauenden Thermikströme und von der Größe des zugeführten Zuluftstroms abhängt. Solche Schichtlüftungen lassen sich mit drei Luftführungsarten umsetzen:

-       bereichsweise Verdrängungsströmung

-       bereichsweise Mischlüftung

-       Schichtströmung

Diese weisen die folgenden Eigenschaften auf:

3.1. Bereichsweise Verdrängungsströmung

Zu dieser Luftführung werden großflächige Zuluftdurchlässe, im Allgemeinen an einzelnen Arbeitsplätzen eingesetzt, um einen begrenzten Schutzbereich schadstofffrei zu halten. Bei großflächigem Einsatz ginge diese Strömungsform wieder in eine Verdrängungslüftung über, mit den bereits beschriebenen Einschränkungen.

Das Prinzip der bereichsweisen Verdrängungsströmung_Hoval

Abbildung 3: Das Prinzip der bereichsweisen Verdrängungsströmung

3.2. Bereichsweise Mischlüftung

Bei dieser Luftführung wird die kühlere Zuluft aus Bodendurchlässen in die Halle einge­bracht. Da die Zuluftströmung der Thermikströmung weitgehend gleichgerichtet ist, ist die Störung gering. Diese Art der Luftführung erfordert entweder Doppelböden oder Luftleitungen im oder auf dem Boden, also Bedingungen, die in Produktionshallen kaum verwirklicht werden können. In der Praxis entfällt daher diese an sich sehr leistungsfähige Luftführung für Produktionshallen.

Das Prinzip der bereichsweisen Mischlüftung_Hoval

Abbildung 4: Das Prinzip der bereichsweisen Mischlüftung

3.3. Schichtströmung

Bei der Schichtströmung wird die Thermik in der Halle durch die Zuluftströmung am wenigsten gestört. Die Zuluft wird über großflächige Luftdurchlässe idealerweise so zugeführt, dass Luftgeschwindigkeiten von 0,5 m/s an der Durchlassoberfläche und 0,2 m/s im Arbeitsbereich nicht überschritten werden. Auch hier treten drei Varianten auf:

-       Zuluftzufuhr oberhalb des Arbeitsbereichs:

Der kühle Zuluftstrom beschleunigt sich aufgrund der höheren Dichte auf dem Weg zum Boden und breitet sich dort aus, führt aber nur zu geringfügigen Störungen der Thermikströmung an den Wärmequellen. Diese Wirkung kann umso kleiner gehalten werden, je geringer die Fallhöhe der Zuluft wird.

Zuluftzufuhr oberhalb des Arbeitsbereichs_Hoval

Abbildung 5: Zuluftzufuhr oberhalb des Arbeitsbereichs

-       Zuluftzufuhr bodennah im Arbeitsbereich:

Die geringste Störung wird bei einer Anordnung der Luftdurchlässe im Arbeitsbereich direkt auf dem Boden erzielt, wobei aber immer noch über die Höhe des Luftdurchlasses eine Beschleunigung der kühleren Zuluft auftritt.

Zuluftzufuhr bodennah im Arbeitsbereich_Hoval

Abbildung 6: Zuluftzufuhr bodennah im Arbeitsbereich

-       Zuluftzufuhr bodennah im Arbeitsbereich mit Impulsstabilisierung:

Diese Fallströmung kann verringert werden, indem die Abwärtsbewegung durch kleine, impulsreiche, horizontal gerichtete Zuluftstrahlen aus dem Luftdurchlass gemindert wird, so dass die Thermikströmung kaum noch gestört wird. Diesen Vorgang bezeichnet man als Impulsstabilisierung:

Zuluftzufuhr mit Impulsstabilisierung_Hoval

Abbildung 7: Zuluftzufuhr mit Impulsstabilisierung

4. Welche Luftführungen bleiben für die Praxis?

Diese Betrachtungen zeigen, dass die Anforderungen an die Lüftung einer Produktionshalle in der Praxis nur durch zwei Arten der Luftführungen erfüllt werden: die Mischlüftung und die Schichtlüftung.

Aber welche Variante der Hallenlüftung in Abhängigkeit von den Vorgängen in der Halle ist die jeweils bessere Lösung?

5. Anwendungsgrenze der Mischlüftung

Bei der Mischlüftung wird raumfüllend in der gesamten Halle ein Luftzustand hergestellt, der eigentlich nur im Arbeitsbereich erforderlich ist. Daraus lässt sich schließen, dass hohe Lasten dieses Luftführungsprinzip schnell an seine Einsatzgrenzen bringen werden. Aus der Grundgleichung zur Abfuhr einer Wärmelast  aus einer Halle, folgt die Proportion , die zeigt, dass im gleichen Maß, mit steigender Wärmelast der erforderliche Zuluftstrom zunimmt. Das führt bei sehr hohen Wärmelasten zu so großen Volumenströmen, dass in der Halle unzumutbar hohe Luftgeschwindigkeiten auftreten. Die umgekehrte Proportionalität zur Temperaturdifferenz wirkt zwar mindernd, hilft aber nur begrenzt, da in der Praxis üblicherweise nur Werte von 10 K bis 15 K verwirklicht werden können.

Damit zeigt sich, dass das Prinzip der Mischlüftung eher für kleinere Wärmelasten geeignet ist. Höhere Belastungen führen zu größeren Thermikströmen, so dass zu erwarten ist, dass sich für größere Wärmelasten besser die Schichtlüftung anbietet.

6. Konzept der Schichtlüftung

Zum besseren Verständnis ihrer Funktion betrachtet man eine Wärmequelle in einer geschlossenen Halle. Sie bewirkt einen nach oben gerichteten Thermikstrom, in den sich Umgebungsluft induziert und mit nach oben geführt wird. Aus Kontinuitätsgründen wird ein gleich großer Luftstrom vom oberen in den unteren Hallenbereich zurückgeführt, wo er sich dann erneut in den Thermikstrom induziert. In der Praxis ist diese Rückströmung belasteter Luft in den Arbeitsbereich unerwünscht. Eine Verbesserung der Verhältnisse lässt sich durch eine mechanische Lüftung erreichen, indem man im oberen Hallenbereich einen Teil der belasteten Luft aus der Halle abführt und im gleichen Maße kühlere Zuluft im unteren Bereich nachführt. Die Rückströmung wird dann sicher vollständig vermieden, wenn der aus der Halle fortgeführte Abluftstrom so groß wird wie der Thermikstrom, der durch einen gleich großen Zuluftstrom nachgeführt wird. Daraus folgt: Die Bestimmung des erforderlichen Zuluftstroms für Schichtlüftung erfolgt mittelbar über die Berechnung der Größe der Thermikströme.

Konzept der Schichtlüftung_Hoval

Abbildung 8: Konzept der Schichtlüftung

7. Wärmelasten bei Misch- und Schichtlüftung

Die mit einer Mischlüftung abzuführende Wärmelast stellt einen Summenwert aus den Lasten der Produktionsanlagen, der Sonneneinstrahlung, der Beleuchtung, der Personen, sowie der Transmission und den aufgenommenen oder abgegebenen Wärmeströmen von Bauteilen dar. Diese Werte müssen berechnet oder gemessen werden, was gelegentlich, besonders im Fall der Produktionsanlagen, schwierig und aufwendig sein kann. Für die lüftungstechnische Bemessung kommt aber nur der (zusätzlich zu ermittelnde) konvektiv abführbare Anteil der Wärmelasten in Betracht.

Bei Schichtlüftung hängen die Größen der Thermikströme über Produktionsanlagen wesentlich von den Wärmemengen ab, die von ihren Flächen durch freie Konvektion an die Hallenluft abgegeben werden. Dabei handelt es sich um Flächen und Körper, aus denen man sich Produktionsmaschinen vereinfachend zusammengesetzt vorstellen kann: also um vertikale und horizontale Flächen sowie Zylinder (Bearbeitungszentren, Spritzgussmaschinen). Der abgegebene Wärmestrom geht im Fall der horizontalen Flächen und der horizontalen Zylinder direkt in die Berechnung ein. Bei vertikalen Flächen erscheint sie nicht explizit und muss daher auch nicht berechnet werden. Gleiches gilt für vertikale Zylinder, die mit guter Näherung durch die Gleichung für vertikale Flächen behandelt werden können. In die Berechnung der abgegebenen Wärme von horizontalen Flächen und Zylindern gemäß, gehen die jeweiligen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten ein, für die in der Literatur und den Regelwerken Berechnungsmethoden angegeben sind. Damit sind die konvektiv abführbaren Wärmelasten bestimmbar.

Diese Berechnung bietet gegenüber der Mischlüftung einen wesentlichen Vorteil. Es werden direkt die konvektiv abführbaren Anteile der Wärmelast als Bestandteil des Verfahrens ermittelt. Sie müssen also nicht aus der Gesamtlast errechnet oder abgeschätzt werden.

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Autor
Tobias Brugger
 
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