Schichtlüftung oder Mischlüftung? Das ultimative Handbuch für Planer

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Die Auslegung raumlufttechnischer Anlagen für Produktionshallen mit großen Wärmelasten gehört schon immer zu den anspruchsvollen Teilen einer Planung. Finden Sie die beste Lösung für die Auslegung Ihrer raumlufttechnischen Anlage

Es beginnt mit der Schwierigkeit, die tatsächlich wirksamen Lasten zu ermitteln. Der Weg über die Anschlussleistungen führt häufig nicht nur zu unrealistisch hohen Werten, sondern erweist sich auch – je nach Anwendungsfall – als zweifelhaft. So können bei mechanischer Bearbeitung beispielsweise bis zu 86 % der elektrischen Anschlussleistung über den Kühlschmierstoff und den Späneaustrag abgeführt werden, und bedürfen daher keiner direkten lufttechnischen Behandlung.

Mischlüftung

Die konventionelle Berechnungsmethode setzt als Luftführung die raumfüllende Mischlüftung ein (Bild 1). Die erforderliche Zuluftmenge wird bei vorgegebener Gesamtwärmelast über die Beziehung

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bestimmt, wobei sich der erforderliche Zuluftstrom als V ~ Q ergibt. Werden Schadstoffe freigesetzt, so ist in einem weiteren Rechengang der erforderliche Zuluftstrom zur Einhaltung vorgegebener MAK-, ARW- oder TRK-Konzentrationen zu ermitteln. Maßgebend für die Auslegung ist dann der Zuluftstrom, der den höchsten Wert aus beiden Rechengängen aufweist. In der Praxis überwiegen die Fälle, bei denen die Wärmelast die dimensionierende Größe darstellt. 

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Bild 1: Mischlüftung mit dezentralen Dachlüftungsgeräten

Es ist leicht einzusehen, dass die direkte Proportionalität zwischen V und Q bei hohen Wärmeinnenlasten schnell zu sehr großen Zuluftmengen führt, die die Möglichkeiten der Luftkühlung rasch an das Ende ihrer physikalischen Realisierbarkeit bringen können. Die erforderliche Zuluftmenge lässt sich dann nur noch schwer unter Einhaltung der Luftgeschwindigkeiten, gemäß der einschlägigen Regelwerke DIN 1946, ASR 5 sowie ZU 11 140, in der Halle verteilen. Es ist dann zu prüfen, ob entweder ein geändertes Luftführungskonzept, wie nachfolgend beschrieben, oder zusätzliche, nicht lufttechnische Maßnahmen zielführend sind.

Schichtlüftung

Ein leistungsfähiges und über weite Bereiche sehr effizientes Luftführungskonzept zur Beseitigung von Wärme- und Stofflasten aus dem Arbeitsbereich stellt die Schichtlüftung unter Nutzung der Thermikluftströme dar. Es wird in der VDI-Richtlinie 3802.

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Bild 2: Schichtlüftung mit dezentralen Dachgeräten

Der Grundgedanke dieses Luftführungskonzeptes geht von der Ausbildung zweier Strömungsbereiche mit unterschiedlicher Qualität in einer Fertigungshalle aus. Die untere Schicht mit dem Arbeitsbereich verfügt über nahezu Zuluftqualität und wird idealerweise auf eine Höhe von ca. 2,5 m eingestellt. An den warmen Maschinen aufsteigende Thermikluftströme führen die freigesetzten Wärme- und Stofflasten in den oberen Hallenbereich und bilden dort die zweite, belastete Schicht. Die stabile Ausbildung der unteren Luftschicht, im Folgenden Zuluftschicht genannt, wird dadurch erreicht, dass im Arbeitsbereich gerade so viel kühlere Zuluft eingebracht wird, wie an Thermik in den oberen Hallenbereich aufsteigt. Um eine Rezirkulation der belasteten Luft zu verhindern, muss ein entsprechender Luftstrom als Ab- und, sofern vorhanden, Erfassungsluft aus der Halle herausgeführt werden. Durch geeignete Bemessung dieser Luftströme lässt sich die Höhe der Zuluftschicht gezielt einstellen (Bild 2; Bild 3).

Funktionsschema Schichtlüftung
Bild 3: Funktionsschema Schichtlüftung

Berechnung

Die Ermittlung der Thermikluftströme gemäß VDI 3802 erfolgt mit halbempirischen Gleichungen, die ihre Grundlage in den Grenzschicht- und Turbulenzhypothesen Prandtls sowie der Reichardtschen Freistrahltheorie haben. Sie gehen teilweise auf Untersuchungen zurück, die ihre Anfänge in den 30er Jahren hatten. Der Thermikvolumenstrom über einer Maschine und damit auch die Größe des nachzuführenden Zuluftvolumenstroms hängt stark von deren Geometrie und der Oberflächentemperatur ab. Die Berechnungen werden für die horizontalen und vertikalen Flächen getrennt durchgeführt.

Für die horizontalen Maschinenflächen gelten in Abhängigkeit von der freigesetzten Wärme Q und der Höhe z über den Flächen (Bild 4) die beiden Proportionalitäten

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Die Ermittlung des Anteils der vertikalen Flächen kann bei den üblichen Maschinenabmessungen ausschließlich für den turbulenten Strömungsbereich mit

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durchgeführt werden, wobei Gr die Grasshof-Zahl und b die Breite der vertikalen Flächen ist. Es wird angenommen, dass der Thermikanteil der vertikalen Flächen vollständig in den der horizontalen Flächen induziert wird. Erfahrungsgemäß liefern die horizontalen Flächen den dimensionierenden Beitrag.

Ein Vorteil dieses Luftführungskonzeptes gegenüber der konventionellen Methode offenbart sich am Vergleich zwischen den Gleichungen. Bei der Schichtlüftung ist der erforderliche Zuluftvolumenstrom der 3. Wurzel aus der freigesetzten Wärme proportional, d.h. deutlich kleiner als bei der direkten Proportionalität unter. Man kann also bei Anwendung dieses Luftführungskonzepts zu kleineren Anlagengrößen gelangen.

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Bild 4: Thermikstrom über einer Wärmequelle

Anwendungskriterien

Der erfolgreiche Einsatz der Schichtlüftung erfordert die Beachtung bestimmter Anwendungsgrenzen, die hier im Folgenden näher betrachtet werden.

1. Erforderliche Hallenhöhe
Der Grundgedanke dieser Luftführung setzt einen Raum über der Schichtströmung des Arbeitsbereichs voraus, in den die belasteten Thermikströme zunächst gelangen können. Das bedeutet anders ausgedrückt, die Funktion des Konzepts erfordert eine Halle von geeigneter Höhe. Aber was ist dabei die geeignete Höhe? Man muss sich vergegenwärtigen, dass die obere Schicht einen Bereich der Mischströmung darstellt. Setzt man gedanklich die Hallenhöhe gleich der Höhe der Zuluftschicht, so erhält man in diesem Bereich eine Mischströmung. Damit verlieren die Gesetzmäßigkeiten unter ihre Gültigkeit und man hat wieder Fall. Die Höhe muss also derart sein, dass der Impuls des Thermikstroms bei Rezirkulation soweit abgebaut ist, dass keine Mischung mit der unteren Schicht eintritt. Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich diese Forderung erfüllen lässt, wenn die Hallenhöhe als

H = 3 · Schichthöhe des Arbeitsbereichs

angesetzt wird. Das bedeutet bei einem Bereich der Zuluftschicht von wenigstens 2,0 in bis zu empfohlenen 2,5 m gemäß VDI 3802 eine erforderliche Hallenhöhe von 6,0 m bis 7,5 m als Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Konzepts. Die halbempirischen Gleichungen eignen sich nicht für Grenzbetrachtungen zur Ermittlung einer Mindesthallenhöhe, da sie nicht den eigentlichen physikalischen Zusammenhang wiedergeben. Das wird von den Navier-Stokes'schen Gleichungen geleistet, die aber für diese Anwendung keine geschlossene Lösung haben. Der vorgenannte Richtwert ist daher eine hilfreiche Orientierung bei der Auslegung einer Anlage.

2. Sehr große Thermikluftströme
Thermikluftströme werden, wie bereits erwähnt, wesentlich durch die Übertemperatur horizontaler Maschinenoberflächen hervorgerufen. Beim Vorliegen sehr hoher Werte muss geprüft werden,

  • ob durch geeignete Wahl der Schichthöhe ein Teil der horizontalen Flächen oberhalb und damit außerhalb der Zuluftschicht liegen kann,
  • ob durch Anbringen umlaufender Kragen, bis zur vorgesehenen Schichthöhe um die fraglichen Flächen, deren Beitrag aus der Luftmengenbilanz herausgenommen werden kann (Bild 5),
Kragen zur Verringerung von

Bild 5: Kragen zur Verringerung von Thermikluftströmen

  • ob die erforderliche Anzahl der Zuluftdurchlässe im Hallenbereich so angeordnet werden kann, dass örtlich genau die Zuluftmenge eingebracht wird, die dem dort entstehenden Thermikvolumenstrom der Maschinen entspricht. Bei sehr großen erforderlichen Zuluftmengen kann es nämlich unmöglich werden, örtlich die notwendige Anzahl unterzubringen. 

Sollten die vorgenannten Maßnahmen nicht greifen, so muss man unter Umständen zugestehen, dass sich die fragliche Aufgabenstellung mit Lüftung allein nicht lösen lässt.

3. Sehr kleine Thermikluftströme
Beim Vorliegen immer kleiner werdender Thermikluftströme sind zwei Fälle zu beachten,

  • Die Zuluftschicht sinkt unter den empfohlenen Bereich von 2,0 bis 2,5 m Höhe ab. Man erhält den Übergang von der Schichtströmung zur Quell-Lüftung. Das bedeutet, die Personen im Aufenthaltsbereich atmen aus der höher belasteten oberen Schicht, und es fehlt die Wirksamkeit der sauberen Zuluftschicht als Voraussetzung für den Einsatz dieses Luftführungskonzepts. Eine Erhöhung  des Zuluftstroms über den Ersatz des Thermikstroms hinaus führt zwar zu einer Anhebung der Zuluftschichthöhe, aber nicht zu stabilen stationären Verhältnissen. Durch Temperaturausgleich bleibt die überschüssige Zuluftmenge nicht dauerhaft wirksam.
  • Die Flächenausdehnung der Zone, die gedanklich zur Berechnung um die betrachtete Produktionsanlage gebildet wird, ist im Verhältnis zu den Abmessungen der Anlage erheblich größer. Die rechnerisch ermittelte Zuluftschicht wird an den Rändern von der Thermikströmung der Anlage nichts mehr bemerken und in Wechselwirkungen, d.h., Temperaturausgleich mit der Umgebung eintreten. Das führt in der Folge dazu, dass keine stabile Zuluftschicht möglich ist und sich wieder eine Quell-Lüftung einstellt. Eine angepasstere Lösung lässt sich dann unter Umständen nur mit einer anderen Luftführung finden, wie beispielsweise der Mischlüftung.

An dieser Stelle sei ein kurzer Hinweis zu den beiden Luftführungsprinzipien Schichtströmung und Quell-Lüftung erlaubt. Sie haben zwar ähnliche Funktionsweisen, gehen aber auf verschiedene Definitionen zurück. Leider werden die Begriffe oft nicht sauber auseinander gehalten. Die wesentlichen Unterschiede bestehen in der Schichthöhe, die bei der Quell-Lüftung zwischen 0,3 m und 1,0 m liegt und bei der Schichtströmung 2,0 m bis 2,5 m beträgt, sowie der Differenz der Zuluftuntertemperatur zur Raumtemperatur, die bei der Quell-Lüftung 3 K nicht überschreiten soll. Weiterhin sind Impuls und Induktion der Zulufteinbringung bei der Quell-Lüftung deutlich höher. Es handelt sich also um zwei verschiedene Lüftungskonzepte und nicht um zwei Begriffe für dieselbe Erscheinungsform.

4. Beachtung der Instabilität der Thermikluftströme
Thermikluftströme gelten strömungstechnisch als instabil, d.h., sie sind leicht durch Querströmungen störbar. Wie Untersuchungen gezeigt haben, genügen dazu bei schwacher Thermik bereits Querströmungen mit Geschwindigkeiten kleiner 0,1 m/s. Zu deren Vermeidung muss ein besonderes Augenmerk auf folgende Punkte gerichtet werden:
  • Die Luftmengenbilanz einzelner Zonen einer Halle muss ausgeglichen sein. Gleiches gilt für benachbarte Hallenschiffe, die durch Öffnungen miteinander verbunden sind. Große Hallentore müssen mit Torschleier versehen sein, um Querströmungen durch Kaltlufteinfall zu vermeiden.
  • Die Einflussmöglichkeiten der Umschließungsflächen einer Halle müssen rechnerisch abgeschätzt werden. Dieser Rechengang wird ohnehin bei der Überprüfung be- und entlastender Strömungsvorgänge einer Halle erforderlich und beinhaltet im Einzelnen die Beachtung des Einflusses der

a) Wände: Verfügen diese über eine geringere Temperatur als die Raumtemperatur, so tritt Kaltluftabfall auf. Diese Erkenntnis ist nicht neu. Man begegnet dieser Erscheinung schon lange durch Anbringen statischer Heizflächen an schlecht isolierten Wänden, wie z.B. großen Fensterflächen. Die hierbei auftretenden Kaltluftströme können beachtliche Größen annehmen. So liefert eine 40 m lange und 7 m hohe Wand bei einer Untertemperatur von 10 K zur Raumtemperatur einen Kaltluftstrom von rund 4300 m³/h. Ohne die oben erwähnte Maßnahme kann dadurch leicht eine Störung der Thermik verursacht werden.

b) Decke, insbesondere Sheddächer: Bei Anwendungen, bei denen der Transmissionswärmeverlust des Hallendachs größer als die Maschinenabwärme wird, ist der Einsatz der Schichtströmung wegen des entstehenden Kaltluftabfalls nicht empfehlenswert. Insbesondere ist das Verhalten von Sheddächern bei tiefen Außentemperaturen zu überprüfen, um sicher zu stellen, dass das gewählte Luftführungskonzept auch ganzjährig seine Funktion beibehält. Um eine Vorstellung von der Größe der dabei auftretenden Kaltluftströme zu bekommen, betrachten wir eine typische, steile Sheddachzeile mit einer Länge von 20 m, einer Höhe von 2 m und einer Untertemperatur von 10 K zur Raumtemperatur. Sie erzeugt unter diesen Bedingungen einen Kaltluftstrom von etwas über 500 m³/h. Geht man bei einer durchschnittlichen Hallenlänge von 40 m von acht Shedzeilen aus, so erhält man einen Kaltluftstrom von 4000 m³/h, der durch den umgekehrten Richtungssinn insbesondere schwache Thermikströme nachhaltig stört. Je nach Stärke des Stroms kann dabei die Anwendbarkeit der Schichtströmung in Frage gestellt sein.

  • Der Antriebsmotor der Schichtströmung ist die Temperaturdifferenz der Maschinenoberflächen zur Raumluft. Diese Funktion ist grundsätzlich bei jeder Differenz gegeben und sei sie noch so klein. Die Neigung zur Instabilität der Thermikströme nimmt jedoch mit immer kleiner werdenden Temperaturunterschieden zu. Eine Grenze der Anwendbarkeit der Schichtströmung unter diesen Bedingungen ist natürlich auch abhängig von den jeweiligen Randbedingungen und kann nicht allgemein angegeben werden. Auch hier, wie bei einigen der vorgenannten Punkte, ist das Geschick und Fingerspitzengefühl des Projektanten gefordert, zu entscheiden, wann die eine oder andere Luftführung zielführender eingesetzt werden sollte.
5. Gegenseitige Abhängigkeit mehrer Zonen einer Halle
Zur Berechnung der Schichtströmung unterteilt man eine Halle je nach Art und Belegung der Produktionsanlagen in mehrere Zonen. Ziel ist dabei, die jeweils erforderliche Zuluftmenge und damit die Anzahl der notwendigen Luftdurchlässe für diesen Bereich zu ermitteln. Die Randbedingungen der Zuluftschicht an den Trennflächen angrenzender Zonen müssen aus Kontinuitätsgründen gleich sein. Daraus folgt,
  • dass alle Zonen einer Halle auf dieselbe Schichthöhe ausgelegt warden müssen. Unterschiedliche Schichthöhen würden sich ausgleichen und resultierten in einer anderen als der berechneten Höhe.
  • dass nur Zonen gleicher Luftführung nebeneinander angeordnet warden können. Schichtlüftungszonen und Mischlüftungszonen können also nicht nebeneinander bestehen, sofern nicht besondere Maßnahmen getroffen werden.

Die Anforderungen an die Lüftung einer Fertigungshalle kann derart sein, dass die optimale Lösung in der Anwendung nicht nur eines Luftführungsprinzips besteht. Wie lassen sich nun unterschiedliche Luftführungen ohne gegenseitige Beeinflussung in nebeneinander liegenden Zonen realisieren? Gute Erfahrungen hat man in der Praxis mit Trennen der Zonen durch Abhängen mit Plastikvorhängen gemacht. Diese werden von der Decke bis in die Zuluftschicht angeordnet. Man erhält in den angrenzenden Zonen zwar nicht ganz die definitionsgemäßen Verhältnisse der jeweiligen Luftführungsprinzipien, was aber das Gesamtergebnis nicht trübt. Diese Maßnahme lässt sich nicht immer anwenden. Insbesondere sind Anforderungen der innerbetrieblichen Logistik zu berücksichtigen, ebenso wie auf eine ausgeglichene Luftmengenbilanz zwischen diesen beiden Zonen zu achten ist.

6. "Anforderungen" an die Schadstoffe

Bei der Anwendung der Schichtlüftung geht man davon aus, dass die Schadstoffe mit den Thermikluftströmen der Maschinen in den oberen Hallenbereich befördert werden. Der einwandfreie Ablauf dieses Vorgangs ist aber an bestimmte Eigenschaften und Voraussetzungen geknüpft, die die Schadstoffe haben und erfüllen müssen. Dazu gehört,

  • dass die Dichte der Schadstoffe kleiner oder höchstens gleich der Dichte der Luft ist. Wesentlich höhere Werte führen sowohl bei dem Thermikstrom, wie bei der oberen, belasteten Schicht zu stärkeren Ausspülungen in die Zuluftschicht.
  • dass die Schadstoffe an der Maschine ohne Impuls freigesetzt werden, damit sie nicht außerhalb des Bereichs des Thermikstroms gelangen.
  • zu beachten, dass sich keine Schadstoffquellen außerhalb des Bereichs der Thermikströme befinden. 

Die Einhaltung der vorgenannten Bedingungen stellt sicher, dass keine ungewollte Aufkonzentrierung der Zuluftschicht mit Schadstoffen stattfindet. Dieser Vorgang muss unbedingt vermieden werden, da die Geschwindigkeit der Zuluft prinzipgemäß so klein ist, dass praktisch keine Induktion auftritt und damit keine Mischung möglich wird. Ist die Einhaltung dieser Punkte nicht möglich, so muss auch hier der Einsatz eines alternativen Luftführungsprinzips in Betracht gezogen werden.

Zusätzlich müssen die im Abschnitt "Beachtung der Instabilität der Thermikluftströme" genannten Bedingungen eingehalten werden. Dabei ist insbesondere zu beachten,

  • dass die Austrittsgeschwindigkeit der Zuluft gemäß VDI 3802 die geforderten 0,5 m/s am Luftdurchlass nicht überschreitet, um Querströmungen zu vermeiden. Lässt sich das mit Luftdurchlässen, die in der Zuluftschicht angeordnet sind, nicht einhalten, so kann man sich damit behelfen, sie oberhalb in etwa 3 m Höhe zu setzen. Höhere Austrittsgeschwindigkeiten werden hier zunächst abgebaut, anschließend sinkt der Zuluftstrom auf Grund seiner Untertemperatur in die Zuluftschicht des Arbeitsbereichs. Aber auch hier gilt: Kein Vorteil ohne Nachteil; denn einerseits durchströmt die Zuluft einen Teil der belasteten oberen Schicht, andererseits darf ihre Untertemperatur nicht zu groß sein, damit sich der Zuluftstrom nicht zu stark beschleunigt und dadurch als Querströmung die Thermik stört.
  • dass der Thermikstrom genügend Impuls nach oben aufweist, damit die Schadstoffe auch zuverlässig in den oberen Hallenbereich gefördert warden können. Grundsätzlich gilt, was man auch schon aus der Anschauung vermutet, dass mit höher werdender Maschinenoberflächentemperatur die Instabilität der Thermikströme abnimmt und dadurch ebenso die Ausspülungen an Schadstoffen.

Fazit

Dem Projektanten steht mit dem Rechenalgorithmus zur Schichtlüftung aus der VDI 3802 ein sehr leistungsfähiges Werkzeug zur Planung einer Hallen-Be- und Entlüftung zur Verfügung. Es kann aber nicht blind bei jeder Anwendung eingesetzt werden. Die elementarste Voraussetzung ist das Vorhandensein von Bedingungen, die zur Ausbildung zweier Luftschichten mit unterschiedlicher Dichte führen. Das kann durch den Gegensatz kalt – warm, aber auch durch trocken – feucht herbeigeführt werden. Verfahren, bei denen Schadstoffe ohne Wärmeanfall freigesetzt werden, lassen sich damit beispielsweise nicht behandeln.

Die eingesetzte Zuluftschichthöhe sollte nicht wesentlich von den empfohlenen Werten abweichen. Wie man anhand der Beziehung leicht nachvollziehen kann, führt eine Verdoppelung der Höhe zu einer Verdreifachung des Zuluftstroms, d.h., extreme Schichthöhen sind damit nicht sinnvoll anwendbar. Es handelt sich also bei diesem Luftführungsprinzip um eine leistungsfähige Erweiterung bestehender Methoden, bei dem man bei der Anwendung ein besonderes Augenmerk auf die Voraussetzungen und Grenzen richten muss.


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Autor
Dipl. Ing. Jürgen Dorenburg
 
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