Strömungsmessungen am dezentralen Zugluftgerät

Die Klimakammer der Hochschule Luzern war Schauplatz von Strömungsmessungen zur Weiterentwicklung des von PKi erdachten und umgesetzten dezentralen Lüftungssystems: Mit viel Intelligenz und Hardware wurden die Grundlagen dafür gelegt, Materialien effizient und sinnvoll für optimale Gebäudeluft einzusetzen.

Für den Neubau des Gymnasiums in Herrsching am Ammersee kommt ein innovatives dezentrales Lüftungssystem zum Einsatz. Bei diesem erfolgt die thermische Konditionierung der Klassenräume mit eigens hierfür entwickelten Geräten ausschließlich über dezentrale Zuluft während des Betriebs bzw. über Umluft außerhalb des Betriebs. Auf diese Weise kann auf eine konventionelle zentrale Lüftung sowie auf zusätzliche Heizkörper verzichtet werden. Damit lassen sich das Installationsvolumen der Gebäudetechnik und insgesamt Baumasse reduzieren.

Die Abluft wird dabei je Lerncluster zentral abgesaugt und über eine Wärmerückgewinnung mit Kreislaufverbundsystem geführt. Die Nacherhitzung erfolgt über eine Geothermie-Wärmepumpe, die im Sommer zum Kühlen eingesetzt wird, wobei das Erdreich durch die Abwärme des Gebäudes regeneriert wird.

PKi hat dieses eigenentwickelte System bereits erfolgreich in zwei Schulbauprojekten geplant und umgesetzt. Das Gymnasium in Herrsching ist nach der Grundschule in Kelsterbach das zweite Projekt, das unter anderem für die Weiterentwicklung des Zuluftgeräts durch die DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt) als Forschungsprojekt gefördert wird. Dies entspricht ganz der PKi-Philosophie, intelligent und mit regenerativen Energien die Technik-Hardware zu reduzieren, die dafür mehrere Funktionen übernimmt.

Für das Gymnasium Herrsching wurde das Zuluftgerät mit der Schweizer Firma SET Engineering (ehemals BS2 AG) weiterentwickelt. Neu ist ein integrierter Auslass für Quellluft, um die Lüftungseffizienz zu erhöhen und die Luftqualität in Sitzhöhe der Schüler deutlich zu verbessern. Die unterschiedlichen Betriebsmodi (Quellluft im Heizbetrieb, Aufheizphase, Kühlbetrieb) stellten das Projektteam vor eine besondere Herausforderung.

Zu diesem Zweck wurden umfangreiche Strömungsmessungen in der Klimakammer der Hochschule Luzern durchgeführt. Hierbei wurden die Oberflächentemperaturen sowie die Raumtemperatur für unterschiedliche klimatische Bedingungen eingestellt: Im Winter sind beispielsweise Fensterflächen kälter als andere Oberflächen im Raum. Zusätzlich wurden Dummys aufgestellt, die die Wärmeabgabe der Personen nachbilden.

Auf unterschiedlichen Höhen wurden dann im Raum mehrere Messpunkte installiert, die die Raumlufttemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und das Zugluftrisiko festhielten. Zusätzlich wurden mehrere Tracergas-Messungen durchgeführt, um die Luftströmung im Raum sichtbar zu machen.

Teilweise wurden hier mittels Laserstrahlen die Strömungsbilder in den relevanten Raumebenen hervorgehoben. Von PKi war Tobias Edelmann vor Ort, der bereits in den vergangenen Projekten mit dem Zuluftgerät beteiligt war und hier Projektleiter sowie Projektplaner der Lüftungsanlagen ist.

Durch die Messungen konnten einerseits die erwartete Luftqualität und Behaglichkeit im Raum verifiziert werden, andererseits konnten durch gezielte Untersuchungen einzelner Betriebsfälle grundlegende Erkenntnisse für die Regelungstechnik dieses innovativen Systems gesammelt werden.

Das Gymnasium in Herrsching befindet sich derzeit kurz vor Abschluss der Ausführungsplanung. Bei einem Baubeginn im Sommer 2022 soll es im Herbst 2024 in Betrieb gehen. PKi verantwortet in diesem Projekt die Planung HLS und MSR.

Versuchsaufbau Tracergas-Messung: Mehrere Messbäume nehmen Werte für Lufttemperatur und Strömungsgeschwindigkeit auf. Erkennbar sind das horizontale Ausströmen der Luft in den Raum auf Höhe der Dummys, welche die Wärmeabgabe durch Personen nachstellen, und der daraus resultierende thermische Auftrieb. In der schwarzen Kugel wird die Globe-Temperatur (Raumtemperatur) gemessen. Das Lochblech links vor dem Quellluftauslass stellt eine bauseitige Verblendung, z. B. durch ein durch den Architekten gestaltetes Schreinermöbel, nach.

In der vertikalen Diagonale kommt es zu einem Abfallen wieder abgekühlter Frischluft von der Raumecke in Richtung Raummitte, wenn die Fensterflächen im Winter eine geringere Innenoberflächentemperatur aufweisen als die Raumtemperatur bzw. die sich einstellende Lufttemperatur.

Anhand der Messpunkte werden lokale Werte für Lufttemperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Zugluftrisiko mathematisch für die gesamte Raumgeometrie ermittelt bzw. zwischen den Messpunkten interpoliert. Erkennbar im linken Bild die lokale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit infolge des Kaltluftabfalls und im rechten Bild die Temperaturschichtung im Raum; der Quellluftauslass befindet sich jeweils auf der linken Seite.

Bildnachweise:
© PKi