Der thermische Stack-Effekt, oder Kamineffekt

Was ist der thermische Stack-Effekt?

Der thermische Stack-Effekt, auch als Kamineffekt bekannt, ist ein physikalisches Phänomen, das in Gebäuden auftritt, wenn die warme Luft im Inneren, da sie weniger dicht als die kalte Außenluft ist, dazu neigt aufzusteigen.

Diese natürliche Luftbewegung erzeugt eine aufsteigende Strömung in geschlossenen Räumen und schafft einen Luftstrom, der für die natürliche Belüftung von Gebäuden genutzt werden kann. Der thermische Stack-Effekt beruht auf den Prinzipien des Auftriebs, bei dem die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenluft eine Druckdifferenz erzeugt. Diese Druckdifferenz treibt die warme Luft dazu, durch die hohen Punkte des Gebäudes zu entweichen, während die kalte Luft durch die tiefer gelegenen Öffnungen eindringt.

Die Wirksamkeit des thermischen Stack-Effekts hängt von mehreren Faktoren ab, etwa der Höhe des Gebäudes, der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen sowie der Anordnung der Luftein- und -auslässe. Dieses Phänomen ist besonders in Hochhäusern relevant, wo es erhebliche Herausforderungen hinsichtlich des thermischen Komforts, des Energieverbrauchs und sogar der Sicherheit mit sich bringen kann. Den thermischen Stack-Effekt zu verstehen und zu beherrschen ist daher wesentlich, um die Energieeffizienz der Gebäude zu optimieren, Energieverluste zu verringern und eine behagliche und gesunde Innenraumumgebung zu gewährleisten.

Thermischer Stack-Effekt in Hochhäusern

Der Kamineffekt

Der thermische Stack-Effekt ist eine große Herausforderung für Wolkenkratzer, kann aber auch bei Gebäuden ab zwei Stockwerken ein nicht zu vernachlässigender Faktor sein. Das Bauwerk wirkt wie ein riesiger Schornstein und leitet die warme Luft wirksam nach oben, bis sie das Bauwerk schließlich vollständig verlässt. In der Regel werden diese Phänomene durch offene Treppenhäuser begünstigt, die alle Ebenen eines Gebäudes erschließen.

Der Kamineffekt tritt auf, wenn die Außentemperatur deutlich niedriger als die Innentemperatur ist. Kalte Luft ist dichter als warme Luft : Wenn sie unten in das Bauwerk eindringt, verdrängt sie die warme Luft weiter oben. Dies erzeugt einen Luftstrom, der mehr kalte Luft ansaugt und die Luftströmungen verstärkt. Je höher das Bauwerk, desto stärker dieser Luftstrom. Deshalb wurden die Drehtüren kurz nach den ersten Wolkenkratzern entwickelt : Die Sogkraft auf Bodenhöhe war im Winter so stark, dass die Menschen Mühe hatten, die Türen zu öffnen ! Dieses Phänomen findet man auch heute noch bei den Aufzügen, die mitunter die unteren Gebäudeteile mit den Dachbereichen zur Belüftung des Schachts verbinden. Bei Wind wird der Auftrieb jedoch so stark, dass die Aufzugstüren blockieren können oder dass in den Schleusen der unteren Ebenen starke Pfeifgeräusche auftreten.

Das offensichtliche Problem ist, dass die aufbereitete Innenluft verloren geht und somit Energie verschwendet. Ein weiterer Faktor ist jedoch, dass sich dieses Problem mit der Zeit verschärfen kann. Ist der Luftstrom besonders stark, übt er Druck auf die parasitären Lufteintritte aus : Die Dichtungen reißen und führen zu neuen Schwachstellen. Bei anhaltendem Druck können sich diese Spalten erweitern und ausdehnen, was den Luftstrom verstärkt und den Energieverlust beschleunigt.

Der Kamineffekt funktioniert, weil die warme Luft irgendwohin muss, wenn sie die oberste Ebene des Gebäudes erreicht. In vielen Fällen entweicht sie in den Dachboden durch rissige Decken, Undichtigkeiten an den Leitungsnetzen, Einbauleuchten oder schlicht durch eine zu hohe Luftdurchlässigkeit des Dachbodenbelags. Sobald die warme Luft die oberste Ebene erreicht hat, entweicht sie über die kleinste Schwachstelle, die sie finden kann, nach außen.

Die neutrale Druckebene

Die neutrale Druckebene ist eine gedachte horizontale Ebene, in der der Innendruck gleich dem äußeren Atmosphärendruck ist. In dieser Höhe ist die Druckdifferenz zwischen innen und außen null : Es tritt weder Luft in das Gebäude ein noch aus. Die neutrale Druckebene hängt von den HLK-Systemen des Gebäudes ab, die je nach Verteilzone Über- oder Unterdruck erzeugen. Für das gute Funktionieren des thermischen Stack-Effekts muss die Lage der neutralen Druckebene im Voraus untersucht werden, um die Position der Luftein- und -auslässe bereits beim Entwurf zu bestimmen. Die Lufteinlässe müssen unter der neutralen Druckebene und die Auslässe darüber angeordnet werden, wie das folgende Schema zeigt.

Tatsächlich ist unter der neutralen Druckebene der Innendruck niedriger als der Außendruck : Die Luft tritt in das Gebäude ein. Über der neutralen Druckebene ist es umgekehrt : Der Innendruck ist höher als der Außendruck, und die Luft tritt aus dem Gebäude aus.

Abschätzung des thermischen Stack-Effekts in einem Gebäude

Definitionen und Formeln

Die auftriebsgetriebene Belüftung nutzt die Prinzipien der Luftdichteunterschiede, um einen wirksamen Luftaustausch in einem geschlossenen Raum zu gewährleisten. Diese Methode kann auf verschiedene Weise umgesetzt werden, insbesondere durch den kombinierten Einsatz von Kühltürmen und Schornsteinen.

Die Kühltürme, die nach dem Prinzip der Wasserverdunstung zur Luftkühlung arbeiten, liefern frische Luft im unteren Bereich des Raums. Wenn diese frische Luft durch die Nutzer oder andere interne Quellen erwärmt wird, nimmt ihre Dichte ab und sie wird leichter, was ihren Aufstieg begünstigt. Mittels eines Schornsteins wird diese warme und verbrauchte Luft nach außen abgeführt und erzeugt einen Luftstrom, der es der frischen Luft ermöglicht, weiterhin durch die unteren Öffnungen einzutreten, um sie zu ersetzen.

Der Luftdichteunterschied hängt von Faktoren wie Temperatur und Feuchte ab. Im Winter, wenn die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen am größten ist, ist die Belüftung durch den Kamineffekt besonders wirksam. Im Sommer kann diese Methode jedoch nicht wirksam funktionieren, da sie erfordert, dass das Innere wärmer als das Äußere ist — was in den warmen Monaten in der Regel unerwünscht ist.

Die auftriebsgetriebene Belüftung kann also, indem sie die durch Temperatur und Feuchte bedingten Luftdichteunterschiede nutzt, eine wirksame Methode sein, um eine natürliche und behagliche Belüftung der Innenräume zu gewährleisten, sie erfordert jedoch eine Anpassung an die klimatischen Bedingungen, um voll wirksam zu sein.

Ein Ausdruck für den durch den Kamineffekt belüfteten Volumenstrom kann wie folgt angegeben werden :

Man stellt fest, dass der Volumenstrom positiv ist, wenn T_i > T_e : Die warme und verbrauchte Luft tritt aus dem Gebäude aus. Im Sommer, wenn T_i < T_e, wird der Volumenstrom negativ : Die warme Luft tritt in das Gebäude ein, was nicht der gewünschte Effekt ist. Der thermische Stack-Effekt ist daher bei starker Außenhitze für Gebäude vom Typ Wohn- oder Bürogebäude nicht geeignet. Man kann auch den Fall anmerken, in dem T_i und T_e in der gleichen Größenordnung liegen (Übergangszeit) : Der Volumenstrom ist dann nahezu null und es findet keine Belüftung mehr statt. Deshalb ist der thermische Stack-Effekt für herkömmliche Gebäude nicht für alle Jahreszeiten geeignet.

Größenordnungen

Nimmt man den Fall eines Wohngebäudes im Winter mit einem Schornstein von 15 m Höhe, so beträgt die Innentemperatur (T_i) im Mittel 20 °C und die Außentemperatur (T_e) 0 °C. Der Abflusskoeffizient wird etwa gleich 0,65 angesetzt und die Fläche (S) des Schornsteins beträgt 0,1 m². Bei der numerischen Anwendung beträgt die Größenordnung des durch den thermischen Stack-Effekt belüfteten Volumenstroms : Q = 0,34 m³/s, also etwa 1200 m³/h. Ein Schornstein dieser Art ermöglicht es, einen Raum von 100 m² korrekt zu belüften (Volumenstrom von 5 Vol/h). Diese Werte gelten nur in der zuvor genannten Situation.

Der Abflusskoeffizient

Der Abflusskoeffizient ist ein Parameter, der die Leistung eines Schornsteins oder eines Kanals im Kontext des thermischen Stack-Effekts beschreibt. Er stellt den Anteil des theoretischen Luftmassenstroms dar, der aufgrund des thermischen Stack-Effekts tatsächlich durch den Kanal angesaugt wird.

Der Abflusskoeffizient hängt von mehreren Faktoren ab : der Geometrie des Schornsteins, der Rauheit seiner Wände, der Lufttemperatur im Inneren des Kanals, der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen sowie weiteren Umgebungsvariablen.

Zur Berechnung kann man empirische Modelle nutzen, die auf Experimenten und Beobachtungen beruhen, oder numerische Simulationen, die die verschiedenen einflussreichen Variablen berücksichtigen. Diese Modelle oder Simulationen ermöglichen es, den Abflusskoeffizienten für eine bestimmte Schornsteinkonfiguration unter gegebenen Bedingungen zu bestimmen.

Im Allgemeinen wird der Abflusskoeffizient als Wert zwischen 0 und 1 ausgedrückt, wobei 1 einen optimalen Auftrieb darstellt (die gesamte theoretisch verfügbare Luft wird tatsächlich angesaugt). Ein Wert unter 1 weist auf Verluste oder Ineffizienzen im Auftriebsprozess hin.

Der Beitrag der CFD-Simulation

Die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) bietet einen unbestreitbaren Vorteil bei der Bestimmung der Abflusskoeffizienten des thermischen Stack-Effekts. Sie ermöglicht eine präzise und zugänglichere Abschätzung als die traditionellen experimentellen Methoden. Dank der CFD ist es möglich, das Verhalten der Luftströme in einem System des thermischen Stack-Effekts virtuell zu analysieren und bietet ein vertieftes Verständnis der Phänomene von Konvektion und Turbulenz.

Darüber hinaus bietet dieser Ansatz eine große Flexibilität bei der Änderung und Optimierung des Projekts, da er in einem frühen Stadium des Entwurfs ansetzt — und so die Kosten und Zwänge von Änderungen in der Ausführungsphase vermeidet. Die CFD-Simulation berücksichtigt direkt die Druckverlusteffekte : Dank der theoretischen verlustfreien Formel (C_d = 1) kann man auf den Abflusskoeffizienten des untersuchten Systems zurückschließen.

Insgesamt stellt die CFD-Simulation ein wesentliches Werkzeug für einen effizienten und optimierten Entwurf der Systeme des thermischen Stack-Effekts dar.

Der thermische Stack-Effekt in der Industrie

Die Herausforderungen

Im industriellen Umfeld kommt dem Phänomen des thermischen Stack-Effekts eine entscheidende Bedeutung zu. Die abzuführende Wärme, die oft von Anlagen wie Öfen oder Maschinen erzeugt wird, zeichnet sich durch sehr hohe Temperaturen aus. Diese thermischen Bedingungen erfordern ein wirksames Management, da sie zu einer Wärmeansammlung im Inneren der industriellen Anlagen führen können.

Außerdem ist die Temperatur der abzuführenden Luft häufig deutlich höher als die der Außenluft, selbst im Sommer : Der thermische Stack-Effekt funktioniert dann sogar während Hitzeperioden. Dieser thermische Unterschied verschärft die Herausforderungen bei der Temperatur- und Lüftungskontrolle und erfordert spezifische Lösungen, um optimale Arbeitsbedingungen aufrechtzuerhalten und die Sicherheit der industriellen Abläufe zu gewährleisten.

CFD-Simulation

Auf den beiden Bildern unten wird eine numerische Simulation gezeigt, die für die Belüftung eines Industriebetriebs durchgeführt wurde, für den eine Auslegung statischer Lüftungsaufsätze vorgenommen werden musste.

Die Auslegung der Öffnungsflügel für die natürliche Belüftung wird stark vom Konzept der neutralen Druckebene beeinflusst. Diese bezeichnet ein entscheidendes Niveau, in dem der Innendruck eines Raums dem äußeren Atmosphärendruck entspricht und eine gedachte horizontale Ebene bildet. Auf diesem Niveau sind die Lufteintrittsöffnungen wenig wirksam ; darüber übersteigt der Innendruck den äußeren, was die Positionierung der Luftaustrittsöffnungen an dieser Stelle wesentlich macht. Die Lufteintrittsöffnungen werden dagegen stets unterhalb der neutralen Ebene angeordnet, da sie eine Unterdruckzone erzeugen. Beim Entwurf ist es entscheidend, die Höhe der neutralen Ebene präzise zu bestimmen und die verfügbare Druckdifferenz klug zwischen den Eintritts- und Austrittsöffnungen aufzuteilen, unter Berücksichtigung der Volumenstromverluste. Je nach Jahreszeit ist die Lage der neutralen Ebene nicht dieselbe, wie das folgende Schema belegt.

Wenn die Außentemperatur sehr viel niedriger als die Innentemperatur ist (Winter), liegt die neutrale Druckebene in größerer Höhe. Im Sommer hingegen, wenn die Temperaturunterschiede geringer sind — aber immer mit einer höheren Innentemperatur — liegt die neutrale Druckebene tiefer. Deshalb müssen, damit der thermische Stack-Effekt in jeder Jahreszeit funktioniert, die Lufteinlässe unterhalb der niedrigsten Lage der neutralen Druckebene und die Luftauslässe oberhalb ihrer höchsten Lage angeordnet werden.

Fazit

EOLIOS ist somit in der Lage, Lösungen im Bereich der Auslegung von Schornsteinen sowie von Öffnungsflügeln und numerischen Simulationen zum thermischen Stack-Effekt anzubieten. Seine Expertise und sein Know-how ermöglichen es, präzise und zuverlässige Dienstleistungen und Modellierungswerkzeuge anzubieten, um den Bedürfnissen von Industrien gerecht zu werden, denen die Energieeffizienz und die Sicherheit ihrer Anlagen am Herzen liegen.