Belüften und kühlen ohne Energie
Vor der Klimatisierung atmeten die Gebäude allein : Windtürme, hohe Glasdächer, durchgehende Öffnungen. Die natürliche Belüftung nutzt kostenlose Kräfte — die Wärme und den Wind —, um die Luft zu erneuern und die Überhitzungen abzuführen, ohne die geringste Energie zu verbrauchen.
Aber ihre scheinbare Einfachheit verbirgt eine echte ingenieurtechnische Anforderung : Eine schlecht ausgelegte Vorrichtung belüftet nicht oder wendet sich gegen den Komfort. Die ganze Herausforderung besteht darin, den Volumenstrom zu gewährleisten, unter allen Bedingungen von Jahreszeit und Wind.
Was ist die natürliche Belüftung ?
Die natürliche Belüftung ist die Erneuerung der Luft eines Raumes ohne Rückgriff auf einen Ventilator, allein unter der Wirkung natürlicher Druckunterschiede : jener, die durch den Temperaturunterschied (thermischer Auftrieb) und durch die Windwirkung auf die Hülle erzeugt werden.
Sie kann durchgehend sein (Ein- und Auslässe an gegenüberliegenden Fassaden), durch Auftrieb (untere Einlässe, obere Auslässe) oder gemischt. Ihre Effizienz hängt vollständig von der Position und Größe der Öffnungen und der Höhe zwischen Ein- und Auslässen ab.
Zwei Antriebe : die Wärme und der Wind
Die natürliche Belüftung beruht auf zwei Phänomenen, die sich je nach Konfiguration verstärken oder entgegenwirken können :
Der thermische Auftrieb
- Die warme, leichtere Luft steigt und entweicht im oberen Bereich.
- Frische Luft tritt im unteren Bereich ein, um sie zu ersetzen.
- Im Sommer und in großen Volumen vorherrschender Antrieb.
Der Windeffekt
- Überdruck luvseitig, Unterdruck leeseitig und am Dach.
- Dieser Unterschied « drückt » die Luft durch das Gebäude.
- Starker, aber je nach Wetter variabler Antrieb.
Der thermische Auftrieb, oder Kamineffekt
Wenn die Innenluft wärmer als die Außenluft ist, sinkt ihre Dichte : Sie wird leichter und steigt auf. Über eine gegebene Höhe erzeugt dieser Unterschied eine treibende Druckdifferenz :
Es ist dieses Prinzip, das man in den Windtürmen, den Glasdächern und den Industriehallen wiederfindet : Eine große lichte Höhe verwandelt einen geringen Temperaturunterschied in einen erheblichen Luftvolumenstrom.
Eigenes Dossier : der thermische Stack-EffektDer Windeffekt auf die Hülle
Der Wind, der auf das Gebäude trifft, erzeugt ein Druckfeld : Überdruck auf der exponierten Fassade, Unterdruck auf den seitlichen Fassaden, dem Dach und der leeseitigen Fläche. Indem man Lufteinlässe in der Überdruckzone und Auslässe in der Unterdruckzone platziert, verwandelt man dieses Feld in einen Belüftungsantrieb.
Der Windeffekt ist stärker als der Auftrieb, aber auch variabler : Richtung und Geschwindigkeit ändern sich ständig. Eine gute Vorrichtung bleibt unabhängig von der Windrichtung wirksam — was voraussetzt, alle Richtungen zu untersuchen.
Die beiden Antriebe können sich entgegenwirken
Bei starkem Wind kann der Windeffekt die erwartete Richtung umkehren des thermischen Auftriebs und Gegenströmungen erzeugen. Genau das ist der Vorteil der Simulation : zu überprüfen, dass der Volumenstrom in allen Kombinationen von Jahreszeit und Wind korrekt bleibt, und nicht nur im Idealfall.
Die Öffnungen auslegen
Der natürliche Luftvolumenstrom hängt von der freien Fläche der Öffnungen, ihrer Positionierung und der Höhe zwischen Ein- und Auslässen ab. Die Auslegung zielt auf einen Kompromiss :
Genügend Öffnung
- Den hygienischen Volumenstrom und die Abführung der Überhitzungen gewährleisten.
- Ausgeglichene Ein- und Auslassflächen.
Nicht zu viel Öffnung
- Zugluft und Wärmeverluste im Winter vermeiden.
- Lärm, Regen und Sicherheit beherrschen.
Die regulatorischen Diagramme geben eine erste Größenordnung, ignorieren aber die reale Geometrie und die internen Hindernisse. Für ein großes Volumen oder eine komplexe Form entscheidet nur die Simulation.
Die CFD zur Gewährleistung des natürlichen Volumenstroms
Die CFD-Simulation bildet das Gebäude, seine Höhe, seine Öffnungen und seine Umgebung nach und berechnet dann den realen Luftvolumenstrom und die Temperaturen an jedem Punkt — für jede Jahreszeit und jede Windrichtung. So überprüft man den Sommerkomfort, positioniert die Öffnungen und testet Varianten vor dem Bau.
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