Thermischer Pull-Effekt
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Definition
Der thermische Zug, auch bekannt alsKamineffekt, ist ein physikalisches Phänomen, das in Gebäuden auftritt, wenn diewarme Luft im Inneren, die weniger dicht als die kalte Außenluft ist, nach oben steigt.
Diese natürliche Luftbewegung erzeugt eine Aufwärtsströmung in geschlossenen Räumen, wodurch ein Luftstrom entsteht, der für die natürliche Belüftung von Gebäuden genutzt werden kann.
Der thermische Zug beruht auf dem Prinzip des Auftriebs, bei dem der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenluft einen Druckunterschied erzeugt.
Dieser Druckunterschied führt dazu, dass warme Luft an höheren Stellen des Gebäudes entweicht, während kalte Luft durch die tiefer gelegenen Öffnungen eindringt.
DieEffizienz des Wärmezugs hängt von mehreren Faktoren ab, wie der Höhe des Gebäudes, dem Temperaturunterschied zwischen innen und außen und der Konfiguration der Ein- und Austrittsöffnungen.
Dieses Phänomen ist besonders in Hochhäusern relevant, wo es zu erheblichen Herausforderungen in Bezug auf den Wärmekomfort, den Energieverbrauch und sogar die Sicherheit führen kann. Das Verständnis und die Beherrschung des Wärmezugs ist daher entscheidend für die Optimierung der Energieeffizienz von Gebäuden, die Reduzierung von Energieverlusten und die Gewährleistung eines komfortablen und gesunden Innenraumklimas.
Thermischer Pull-Effekt in Hochhäusern
Kamineffekt
Der thermische Zugeffekt ist eine große Herausforderung für Wolkenkratzer, kann aber auch bei zweistöckigen Gebäuden ein nicht zu vernachlässigender Faktor sein.
Die Struktur wirkt wie ein riesiger Schornstein, der die warme Luft effizient nach oben leitet, bis sie schließlich die Struktur vollständig verlässt.
In der Regel werden diese Phänomene durch offene Treppenhäuser begünstigt, die alle Ebenen eines Gebäudes verteilen.
Der Kamineffekt tritt auf, wenn die Außentemperatur wesentlich niedriger ist als die Innentemperatur.
Kalte Luft ist dichter als warme Luft, wenn also kalte Luft von unten in die Struktur eindringt, verdrängt sie die warme Luft weiter oben.
Dies erzeugt einen Luftstrom, der mehr kalte Luft ansaugt und die Zugluft verstärkt. Je höher die Struktur ist, desto stärker ist dieser Luftstrom. Aus diesem Grund wurden Karusselltüren kurz nach den ersten Wolkenkratzern entwickelt.
Die Saugkraft auf Bodenhöhe war im Winter so stark, dass die Menschen Schwierigkeiten hatten, die Türen zu öffnen!
Dieses Phänomen findet man auch heute noch bei Aufzügen, die manchmal die unteren Bereiche des Gebäudes mit den Dachbereichen verbinden, um den Trichter zu belüften.
Bei Wind (siehe Zugwirkung in Kombination mit Wind) wird der Zug jedoch so stark, dass die Aufzugstüren blockiert werden können oder ein lautes Pfeifen in den Schleusen der unteren Ebenen auftritt.
Das offensichtliche Problem ist, dass die aufbereitete Innenluft verloren geht und somit Energie verschwendet wird.
Ein weiterer Faktor ist jedoch, dass sich dieses Problem mit der Zeit verschlimmern kann.
Wenn der Luftstrom besonders stark ist, übt dies Druck auf die feinen, parasitären Lufteinlässe aus, die Dichtungen reißen und führen zu neuen Schwachstellen. Bei anhaltendem Druck können sich diese Lücken vergrößern und ausdehnen, was den Luftstrom verstärkt und den Energieverlust beschleunigt.
Der Kamineffekt funktioniert, weil die warme Luft irgendwohin gehen muss, wenn sie die höchste Ebene des Gebäudes erreicht.
In vielen Fällen entweicht sie auf den Dachboden durch gerissene Decken, undichte Leitungen, Einbauleuchten oder einfach durch eine zu hohe Luftdurchlässigkeit des Dachbodens.
Sobald die warme Luft die letzte Ebene erreicht hat, entweicht die Luft durch jede kleine Schwachstelle, die sie finden kann, nach draußen.
Neutraler Druckplan
Die neutrale Druckebene ist eine imaginäre horizontale Ebene, in der der interne Druck gleich dem externen Luftdruck ist.
In dieser Höhe ist der Druckunterschied zwischen innen und außen gleich Null, die Luft strömt nicht in das Gebäude hinein oder aus ihm heraus.
Der neutrale Druckpunkt hängt von den HLK-Systemen des Gebäudes ab, die je nach ihrem Verteilungsgebiet im Gebäude Druck oder Unterdruck erzeugen.
Damit der Wärmezug in einem Gebäude richtig funktioniert, muss die Position der neutralen Druckebene im Voraus untersucht werden, um die Position der Luftein- und -auslässe in der Planungsphase festzulegen.
Die Lufteinlässe sollten unterhalb der neutralen Druckebene und die Luftauslässe oberhalb der neutralen Druckebene positioniert werden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
Oberhalb der neutralen Druckebene ist es umgekehrt, der Innendruck ist höher als der Außendruck und die Luft strömt aus dem Gebäude.
Schätzung des Wärmezugs in einem Gebäude
Definitionen und Formeln
Die Auftriebslüftung nutzt die Prinzipien der unterschiedlichen Luftdichten, um einen effizienten Luftaustausch in einem geschlossenen Raum zu gewährleisten.
Diese Methode kann auf verschiedene Arten umgesetzt werden, einschließlich der kombinierten Nutzung von Kühltürmen und Schornsteinen.
Kühltürme, die nach dem Prinzip derVerdunstung von Wasser zur Kühlung der Luft arbeiten, sorgen fürfrische Luft am unteren Ende des Raumes.
Wenn diese Frischluft von den Bewohnern oder anderen internen Quellen erwärmt wird, verringert sich ihre Dichte und sie wird leichter, was ihr Aufsteigen begünstigt.
Durch die Verwendung eines Kamins wird diese warme und verbrauchte Luft nach außen geleitet, wodurch ein Luftstrom entsteht, der es der frischen Luft ermöglicht, weiterhin durch die unteren Öffnungen einzutreten und sie zu ersetzen.
Der Unterschied in der Luftdichte hängt von Faktoren wie der Temperatur und derLuftfeuchtigkeit ab.
Im Winter, wenn der Temperaturunterschied zwischen innen und außen am größten ist, ist die Kaminlüftung besonders effektiv.
Im Sommer kann diese Methode jedoch nicht effizient sein, da sie erfordert, dass die Innenräume wärmer sind als die Außenräume, was in den heißen Monaten normalerweise unerwünscht ist.
Die Auftriebslüftung, die die Unterschiede in der Luftdichte aufgrund von Temperatur und Feuchtigkeit ausnutzt, kann daher eine effektive Methode sein, um eine natürliche und komfortable Belüftung von Innenräumen zu gewährleisten, aber sie muss an die klimatischen Bedingungen angepasst werden, um voll wirksam zu sein.
Ein Ausdruck für den Luftstrom, der durch den Kamineffekt belüftet wird, kann gegeben werden durch :
Mit:
- Q: Luftmenge, die durch thermischen Zug belüftet wird
- C_d: der Entlastungskoeffizient
- S: der Querschnitt der Luft im Schornstein (in m²)
- g: dieBeschleunigung der Schwerkraft
- h: die Höhe des Schornsteins (in m)
- T_i: die Innentemperatur (in K)
- T_e: die Außentemperatur (in K)
Es ist gut zu erkennen, dass der Volumenstrom positiv ist, wenn T_i > T_e: warme und verbrauchte Luft verlässt das Gebäude.
Im Sommer, wenn T_i < T_e, wird der Luftstrom negativ und warme Luft strömt in das Gebäude, was nicht der gewünschte Effekt ist.
Der thermische Zug ist daher nicht geeignet, wenn es im Freien sehr heiß ist, z.B. in Wohn- oder Bürogebäuden.
Es gibt auch den Fall, dass T_i und T_e in der gleichen Größenordnung liegen (Zwischensaison): In diesem Fall ist der Luftstrom fast Null und es gibt keine Belüftung mehr.
Aus diesem Grund ist der thermische Zug bei herkömmlichen Gebäuden nicht für alle Jahreszeiten geeignet.
Wir werden jedoch Situationen vorstellen, in denen die Belüftung durch thermischen Zug immer funktioniert.
Größenordnungen
Wenn wir ein Wohngebäude im Winter mit einem 15 m hohen Schornstein betrachten, beträgt die Innentemperatur (T_i) im Durchschnitt 20°C und die Außentemperatur (T_e) 0°C.
Der Entlastungskoeffizient wird mit etwa 0,65 angenommen und die Fläche (S) des Schornsteins beträgt 0,1 m².
In der numerischen Anwendung ist die Größenordnung des Luftstroms, der durch den thermischen Zug belüftet wird, Q = 0,34 m³/s, was ungefähr 1200 m³/h entspricht. Mit einem solchen Kamin können Sie einen Raum von 100 m² gut belüften (Luftstrom 5 Vol/h). [Ces valeurs ne sont valables que dans la situation évoquée précédemment].
Entlastungskoeffizient
Der Abzugskoeffizient ist ein Parameter, der verwendet wird, um die Leistung eines Schornsteins oder einer Leitung im Zusammenhang mit dem Wärmezug zu beschreiben.
Er gibt den Anteil des theoretischen Luftmassenstroms an, der aufgrund des Wärmezugseffekts tatsächlich durch den Kanal gesaugt wird.
Der Entlastungskoeffizient hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Geometrie des Schornsteins, die Rauheit seiner Wände, die Lufttemperatur im Schornstein, der Temperaturunterschied zwischen dem Inneren und Äußeren des Schornsteins sowie andere Umgebungsvariablen.
Zur Berechnung des Entlastungsfaktors können empirische Modelle, die auf Erfahrungen und Beobachtungen beruhen, oder numerische Simulationen unter Berücksichtigung der verschiedenen Einflussgrößen verwendet werden.
Diese Modelle oder Simulationen ermöglichen es, den Entladungskoeffizienten für eine bestimmte Schornsteinkonfiguration unter bestimmten Bedingungen zu bestimmen.
Im Allgemeinen wird der Entlastungskoeffizient als ein Wert zwischen 0 und 1 ausgedrückt, wobei 1 für einen optimalen Zug steht, d.h. dass die gesamte theoretisch verfügbare Luft tatsächlich durch den Schornstein gesaugt wird.
Ein Wert kleiner als 1 deutet auf Verluste oder Ineffizienzen im Zugprozess hin.
CFD-Simulation
Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) bietet einen unbestreitbaren Vorteil bei der Bestimmung der Entlastungskoeffizienten für den Wärmezug.
Sie ermöglicht eine genaue Schätzung und ist zugänglicher als die traditionellen experimentellen Methoden.
Mit CFD ist es möglich, das Verhalten der Luftströme in einem Wärmeabzugssystemvirtuell zu analysieren und so ein tieferes Verständnis der Konvektions- und Turbulenzphänomene zu erlangen.
Darüber hinaus ermöglicht dieser Ansatz eine große Flexibilität bei der Änderung undOptimierung des Projekts, da er in einem frühen Stadium des Entwurfs einsetzt und so die Kosten und Einschränkungen vermeidet, die mit Änderungen in der Realisierungsphase verbunden sind.
Die CFD-Simulation berücksichtigt direkt die Auswirkungen von Druckverlusten.
Mit Hilfe der theoretischen verlustfreien Formel (C_d=1) kann der Entlastungskoeffizient des untersuchten Systems ermittelt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die CFD-Simulation ein wichtiges Werkzeug für die effiziente und optimierte Gestaltung von Wärmeabzugssystemen darstellt.
Thermisches Ziehen in der Industrie
Die Herausforderungen
In industriellen Umgebungen ist das Phänomen des Wärmeabzugs von entscheidender Bedeutung.
Die abzuführende Wärme wird häufig von Anlagen wie Öfen oder Maschinen erzeugt und zeichnet sich durch sehr hohe Temperaturen aus.
Diese thermischen Bedingungen erfordern ein effektives Management, da sie zu einem Wärmestau innerhalb der Industrieanlagen führen können.
Außerdem ist die Temperatur der abzuführenden Luft selbst im Sommer oft wesentlich höher als die der Außenluft, so dass der Wärmeabzug auch bei großer Hitze funktioniert.
Diese Temperaturunterschiede verschärfen die Herausforderungen bei der Temperaturkontrolle und der Belüftung und erfordern spezielle Lösungen, um optimale Arbeitsbedingungen und einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
CFD-Simulation
Die beiden Bilder unten zeigen eine numerische Simulation für die Belüftung einer Industrieanlage, fürdie eine Dimensionierung der statischen Belüfter durchgeführt werden musste.
Die Dimensionierung von natürlichen Lüftungsflügeln wird stark vom Konzept des neutralen Drucks beeinflusst.
Dieser bezeichnet ein entscheidendes Niveau, bei dem der Innendruck in einem Raum dem äußeren Luftdruck entspricht und eine fiktive horizontale Ebene bildet.
Auf diesem Niveau sind Lufteintrittsöffnungen wenig effektiv, während der Innendruck den Außendruck übersteigt, was die Positionierung von Luftauslässen in diesem Bereich wichtig macht.
Im Gegensatz dazu werden Lufteintrittsöffnungen immer unterhalb der neutralen Ebene platziert, da sie an dieser Stelle einen Unterdruck erzeugen.
Bei der Planung eines natürlichen Belüftungssystems ist es wichtig, die Höhe der neutralen Ebene genau zu bestimmen und die verfügbare Druckdifferenz zwischen den Ein- und Auslassöffnungen unter Berücksichtigung der Strömungsverluste sinnvoll zu verteilen. Die Position der neutralen Ebene ist je nach Jahreszeit unterschiedlich, wie die folgende Abbildung zeigt.
Wenn die Außentemperatur sehr viel niedriger als die Innentemperatur ist (Winter), liegt die neutrale Druckebene höher in der Höhe.
Im Sommer, wenn die Temperaturunterschiede geringer sind, aber die Innentemperatur immer noch höher ist, liegt die neutrale Druckebene weiter unten in der Höhe.
Aus diesem Grund müssen die Lufteinlässe unterhalb der minimalen Position der neutralen Druckebene und die Luftauslässe oberhalb der maximalen Position der neutralen Druckebene liegen, damit der Wärmezug zu jeder Jahreszeit funktioniert.
Bilanz
Eolios ist daher in der Lage, Lösungen für die Dimensionierung von Schornsteinen und Öffnungen sowie numerische Simulationen des Wärmezugs zu liefern.
Seine Fachkenntnisse und sein Know-how ermöglichen es, genaue und zuverlässige Dienstleistungen und Modellierungswerkzeuge anzubieten, um den Bedürfnissen der Industrie gerecht zu werden, die sich um Energieeffizienz und Sicherheit ihrer Anlagen bemüht.
