Gebäudetechnik/Lüftung
BAUEN+ 2/2022
Gebäudetechnik/Lüftung
Abbau von Aerosolen in einem Wohnhaus mit Frischluftheizung
Untersuchungen zur Effizienz komplexer Lüftungssysteme
Die Beheizung und gleichzeitige Belüftung von Wohngebäuden zeichnen Frischluftheizungen mit Warmluftquellen und Wärmerückgewinnung aus der Abluft aus. Der kontinuierliche Luftaustausch wird zusätzlich hohen hygienischen Anforderungen gerecht. Das zeigen Untersuchungen zum Abbau von Bioaerosolen in diesen Heiz- und Lüftungssystemen mit dem im Institut für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelten Fluid-Mechanik-Programm GASFLOW.
Eine Frischluftheizung mit Warmluftquellen und Wärmerückgewinnung aus der Abluft ermöglicht die Beheizung und gleichzeitig die Belüftung von Wohngebäuden durch einen kontinuierlichen Luftaustausch, der hohe hygienische Anforderungen erfüllt.
Im Fluid-Mechanik-Programm GASFLOW des Karlsruher Instituts für Technologie KIT [1] wurde ein dreidimensionales Modell eines allseitig abgeschlossenen Fertighauses (Luftvolumen 600 m3) mit Fenstern, Innenwänden und Türöffnungen erstellt [2]. Das Modell ist kartesisch und umfasst 17.000 Rechenzellen und 40.000 Wände und wird von außen mit kaltem Wind gekühlt (Abb. 1).
Für zwei Rechenfälle A und B mit zwei Raten von Warmluftquellen mit stündlichem und halbstündlichem Luftaustausch (600 bzw. 1.200 m3/h) und zwei Senken im Haus (Druckrandbedingung) wird die transient erforderliche Quelltemperatur zur Beibehaltung einer über Erd- und Dachgeschoss volumengemittelten Temperatur von 25 °C ab Beginn der Außenkühlung berechnet (Abb. 2).
Die Rechnung bezieht die Verteilung und den Abbau von Bioaerosolen ein, die an zwei Punkten im Wohn- und Esszimmer freigesetzt werden (Abb. 3).
Die Aerosolfreisetzung beginnt elf Stunden nach Beginn der Außenkühlung bei ausgebildeten thermischen Bedingungen. Wegen der vom Programm her begrenzten Anzahl an Simulationspartikeln (für diese Simulationen wurden jeweils 2 x 100.000 verwendet) wird die Aerosolfreisetzung beendet, wenn die Abbaurate der Aerosole an den Senken ein Gleichgewicht mit deren Quellrate erreicht hat. Dieser Gleichgewichtszustand wird mit dem stündlichen Luftaustausch im Fall A später als im Fall B mit dem halbstündlichen Austausch erreicht.
Jede Quelle emittiert 195 Aerosole pro Sekunde und simuliert die mittlere Aerosolrate bei ständigem Sprechen (Abb. 4). Der angenommene mittlere Durchmesser der Bioaerosole beträgt 5 μm.
Die Simulationen verwenden das k-ε-Turbulenzmodell und beschreiben die Partikelausbreitung in der turbulenten Strömung zwischen Quellen und Senken unter Verwendung der örtlichen Turbulenzparameter (turbulente kinetische Energie und Dissipation). Die Simulationen erstrecken sich über eine Problemzeit von 60.000 Sekunden und beschreiben den Auf- und Abbau der Aerosolwolken mit Aerosolquellzeiten von 15.000 Sekunden im Fall A und 5.000 Sekunden im Fall B.
Bei den Rechnungen repräsentiert jedes Simulationspartikel 29 Aerosole, die um die jeweils berechnete Partikelposition diffundieren und sich mit einem Wolkenmodell ausbreiten. Mittlere Aerosoldichten aller diffundierten Aerosole werden für jeden Punkt im Haus berechnet. Aerosoldepositionen an den Wänden werden nicht simuliert.
Das GASFLOW-Aerosolmodell wurde für diese Simulationen mit der aktuellen Version des Programms anhand verschiedener Testprobleme mit analytischen Lösungen von Zhanjie Xu [4] neu verifiziert [5].
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Link
- Pilz, Achim: Innovative Lüftung eines Mehrfamilienwohnhauses (Bauen+ 6/2020)
