Bestimmung des Volumenstroms

für Lüftungsanlagen nach der Luftwechselzahl

Nachdem in Ausgabe 23/98 die Volumenstrombestimmung nach der Außenluftrate behandelt wurde, soll in diesem Artikel auf die Volumenstrombestimmung durch Annahme einer Luftwechselzahl hingewiesen werden.

Die Bestimmung des Außenluftvolumenstroms anhand von Luftwechselzahlen wie sie auszugsweise in Tab. 1 zusammengestellt werden, ist grundsätzlich eine denkbar schlechte bzw. oft unbefriedigende Lösung. Folgende drei Gründe sollen die Problematik verdeutlichen:

1. Zwischen den im Raum entstehenden Schadstoffen und der außenluftbezogenen Luftwechselzahl besteht keine direkte Beziehung.

Beispiel: Für einen bestimmten Fabrikationsbetrieb wird nach Tab. 1 ein Luftwechsel angenommen. Nachträglich verdoppelt man die Maschinenanzahl, so daß die Schadstoffe sich um 100% erhöhen können.

2. Die Annahme einer Luftwechselzahl hängt nicht nur vom Grad der Luftverschlechterung, sondern auch von den Raumabmessungen (Höhe, Tiefe) und von der Art der Luftführung ab.

Beispiel 1: In einem Raum mit 500 m² Grundfläche, 3,5 m hoch, gehen stündlich 4,5 m³ Schadstoffe an die Raumluft über. Nach Tab. 1 wählt man z.B. einen 5fachen Luftwechsel. Wäre der Raum 5,5 m hoch und würde man etwa denselben Außenluftvolumenstrom zugrunde legen, so wäre der Luftwechsel nur 3,2fach.
Beispiel 2: Die unterschiedlichen Luftführungsarten, wie z.B. Misch- oder Verdrängungsströmung machen deutlich, daß die optimale raumfüllende Strömung und somit gleichmäßige Luftqualität mit ganz unterschiedlichen Luftwechselzahlen erreicht werden.

3. Eine aus Tab. 1 entnommene Luftwechselzahl wird in der Regel nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur festgelegt. Da diese Temperaturannahme etwas willkürlich ist, ist dies auch der Außenluftvolumenstrom bei tieferen Außentemperaturen.

Beispiel: In einem Raum mit einem Inhalt von 1000 m³ soll bis J_a = +5°C ein 5facher Luftwechsel garantiert werden => Außenluftvolumenstrom 5000 m³/h. Danach wird das Heizregister bestimmt. Da auch bei tieferen Außentemperaturen diese Registerleistung festliegt, muß entweder dieser Außenluftstrom (= Zuluftvolumen) reduziert oder mit Mischluft gefahren werden.

Folgerungen und Hinweise für die Planung

1. Die Luftwechselzahl ist nicht mit der "Luftumwälzzahl LU" zu verwechseln. Letztere sollte eigentlich nur für Umluftanlagen, also für Luftheizungs- und Luftkühlanlagen ohne Außenluftzufuhr, verwendet werden.

Wenn z.B. der berechnete Volumenstrom (Ventilatorförderstrom) trotz richtiger Heizlastberechnung und sorgfältiger Wahl der Übertemperatur J_zu - J_i keine ausreichend gleichmäßige Erwärmung erreicht wird, kann dies auch an einer viel zu geringen Luftumwälzung liegen.

2. Unter der auf die Außenluft bezogene Luftwechselzahl LW versteht man den auf das Raumvolumen bezogenen Austausch des Außenluftvolumenstroms, d.h., diese Zahl gibt an, wieviel mal das Raumvolumen je Stunde mit Außenluft ausgetauscht ("erneuert") wird:

In der Praxis spricht man jedoch auch bei Mischluft- oder sogar bei Umluftbetrieb von einer "Luftwechselzahl". Wird jedoch bei der Planung eine Mischluftanlage konzipiert oder betreibt man eine Außenluftanlage bei tiefen Außentemperaturen als Mischluftanlage (AUL-Klappe schließt, Umluftklappe öffnet entsprechend), dann müßte man entweder den auf die Außenluft bezogenen Luftwechsel angeben oder besser bei der LW-Angabe (bezogen auf die Zuluft) gleichzeitig auch den prozentualen Außenluftanteil nennen. Erst dadurch ist ein Qualitätsvergleich hinsichtlich Lüftungsfunktion möglich.

Unabhängig vom Außenluftanteil kann man daher die Luftwechselzahl und somit Luftumwälzzahl wie folgt definieren:

Tabelle 1: Erfahrungswerte für außenluftbezogene Luftwechselzahlen

Art des Raumes	Luftwechselzahl
Aborte: in Wohnungen Bürogebäuden Fabriken Schulen öffentliche Gebäude	4 . . . 5 5 . . . 8 8 . . . 10 5 . . . 8 10 . . . 15
Akkumulatorenräume	4 . . . 6
Arbeitsräume	3 . . . 7
Ausstellungshallen	1,5 . . . 3
Backräume	6 . . . 15
Baderäume	4 . . . 6
Beizereien	5 . . . 15
Bibliotheken	3 . . . 5
Brauseräume	10 . . . 30
Bügelräume	8 . . . 15
Büroräume	3 . . . 6
EDV-Räume	10 . . . 40
Entnebelungsanlagen	10 . . . 20
Fabrikhallen groß klein	1,5 . . . 3 2 . . . 4
Färbereien, je nach Absaugeeinrichtungen Farbspritzräume, je nach Absauge einrichtungen	5 . . . 15 20 . . . 50
Flure	1 . . . 4
Garagen	4 . . . 5
Garderoben	3 . . . 6
Gasträume	5 . . . 10
Gewächshäuser	3 . . . 5
Gießereien	8 . . . 15
Härtereien	60 . . . 100
Hörsäle	8 . . . 10
Hotelzimmer	3 . . . 5
Kantinen	6 . . . 10
Kaufhäuser	4 . . . 6
Kino: Raucherlaubnis Rauchverbot	5 . . . 8 4 . . . 6
Kirchen	1,5 . . . 4
Klassenräume	3 . . . 6
Krankenhaus (Bettenstation)	2 . . . 5
Küchen: Kleinküchen (Wohnungen) Mittel- und Großküchen Kalte Küchen	8 . . . 20 10 . . . 25 4 . . . 8
Laboratorien	6 . . . 15
Lackierereien (je nach örtl. Absaugung)	15 . . . 40
Läden	4 . . . 8
Lichtpausereien	10 . . . 15
Markthallen	1,5 . . . 3
Maschinenräume	10 . . . 40
Meß- und Prüfräume	8 . . . 10
Montagehallen	5 . . . 7
Operationsräume	15 . . . 20
Schulen (Säle)	3 . . . 7
Schwimmhallen	3 . . . 4
Sitzungszimmer	6 . . . 8
Speiseräume	6 . . . 8
Telefonzentralen	5 . . . 10
Tresore	3 . . . 6
Trocknungsanlagen: Lacktrocknung groß Lacktrocknung mittel Lacktrocknung klein Wäschetrocknung Ziegeltrocknung	20 . . . 30 30 . . . 80 bis . . . 350 20 . . . 40 10 . . . 30
Turnhallen	4 . . . 6
Überdruckräume zur Verhinderung des Eindringens von Staub des Eindringens von Gerüchen	4 . . . 8 1 . . . 3
Umkleideräume (Schwimmbad)	6 . . . 8
Verkaufsräume	4 . . . 8
Versammlungsräume (allg.)	5 . . . 10
Wäschereien	10 . . . 15
Warenhäuser	4 . . . 6
Wartezimmer	4 . . . 7
Werkstätten ohne besondere Luftverschlechterung Werkstätten mit besonderer Luftverschlechterung	3 . . . 6 6 . . . 12
Wohnungen	(0,5 . . . > 4)

3. Bei der Luftwechselzahl handelt es sich um einen unsicheren Erfahrungswert, der eigentlich nur zur Kontrolle der aus Luftraten oder Bilanzen ermittelten Volumenströme dienen sollte. Ohne die Randbedingungen zu beachten bzw. zu nennen, darf die Annahme einer Luftwechselzahl nicht zur Bestimmung des Außenluftvolumenstroms herangezogen werden.

4. Da jedoch in der Praxis die Verunreinigungslast zahlenmäßig oft nicht erfaßbar ist (z.B. Toiletten, Fabrikationsräume, Entnebelungsanlagen), bleibt nichts anderes übrig, als den Förderstrom nach solchen Luftwechselzahlen zu schätzen. Dies gilt auch bei der freien Lüftung, wie z.B. bei der Fensterlüftung. So wird z.B. nach DIN 4701 für die Berechnung der Lüftungsheizlast ein Mindestluftwechsel von 0,5 h^-1 gefordert wird. Dieser kann jedoch bei den heutigen dichten Fenstern nur durch deren Öffnung erreicht werden, was letztlich zu einer "Zufallslüftung" und zu unnötigen Energiekosten führen kann. Den Luftwechsel hier je nach Fensterstellung zu schätzen (Tabelle 2) ist sehr schwierig, da sich durch die Einflußgrößen wie Fugendichtheit, Fugenlänge, Fenstergröße, Anzahl der Fenster und Türen, Rolladenkonstruktion, Windgeschwindigkeit, Lage des Raumes und Gebäudes, Bebauung der Nachbarschaft u.a. starke Schwankungen ergeben.

Tabelle 2: Luftwechselzahlen bei der Fensterlüftung (Anhaltswerte)

Fenster und Fenstertüren zu	0,1/h bis 0,5/h
Fenster gekippt, Rolladen unten	0,3/h bis 1,8/h
Fenster gekippt, ohne Rolladen	0,7/h bis 5,0/h
Fenster halb geschlossen	4/h bis 10/h
Fenster ganz geöffnet	7/h bis 15/h
gegenüberliegende Fenster/Türen	25/h bis 40/h

5. Wird der Außenluftvolumenstrom z.B. durch Festlegung einer Außenluftrate oder mit Hilfe des MAK-Wertes bestimmt, so sollte trotzdem die Luftwechselzahl berechnet bzw. kontrolliert werden. Sie gibt nämlich vielfach einen Maßstab für den Schwierigkeitsgrad der Luftführung im Raum an, denn eine zu hohe Luftwechselzahl führt zu Zugerscheinungen und eine zu geringe gewährleistet keine gründliche Durchspülung des Raumes.

Unabhängig davon, ob mit Außen-, Misch- oder Umluft gefahren wird ist demnach der auf den Rauminhalt bezogene Zuluftvolumenstrom ein wichtiges Qualitätskriterium für die Luftverteilung und somit Luftumwälzung, Raumdurchspülung, Bewegungsintensität.

Als oberer Grenzwert kann ein 10- bis 12facher Luftwechsel angesetzt werden. Bei Verwendung von speziellen Zuluftdurchlässen kann man jedoch ohne Zugerscheinungen bis zu 20fach und höher gehen (z.B. bei Drallauslässen). Immer wieder zeigt sich, daß bei Raumtemperaturen von 18 . . . 20°C und bei Luftwechselzahlen über 7 oft Zugerscheinungen auftreten können (insbesondere bei Lüftungsgittern).

Als unterer Grenzwert kann ein 2- bis 3facher Luftwechsel angesetzt werden. Ist jedoch der Außenluftvolumenstrom nur ein Teil der Zuluft, kann die nur auf die Außenluft bezogene Luftwechselzahl auch geringer sein.

Wie der obere Grenzwert nach oben, so kann auch der untere Grenzwert nach unten "verschoben" werden, wenn spezielle Luftauslässe mit hoher Induktion gewählt werden und die Zuluft direkt in den Aufenthaltsraum geführt wird.

Jede Projektplanung ist letztlich durch unterschiedliche Raumnutzung, Raumbeschaffenheit, Stoff- und Wärmeströme sowie Anlagenart (Kanalführung, Luftdurchlässe, Regelung usw.) ein Unikat. Diese Komplexität verlangt schließlich auch bei der Wahl der Luftwechselzahl eine gewisse Erfahrung.

6. Je größer der Rauminhalt und somit auch der Luftraum je Person, desto kleiner ist bei einem bestimmten geforderten Außenluftstrom die Luftwechselzahl und um so einwandfreier läßt sich eine Lüftung durchführen.

Der Luftraum sagt zwar nichts über den zuzuführenden Volumenstrom aus, hat jedoch entscheidenden Einfluß auf die Konzentration der Schadstoffe sowie auf die Geschwindigkeit der Konzentrationszunahme. Während bei einem kleinen Raum die zulässige Konzentration sehr schnell erreicht ist, ist es möglich, daß bei sehr großen Räumen und geringer Luftverunreinigung diese zulässige Grenze gar nicht erreicht wird.

Für einfachere Lüftungsanlagen sollten in Versammlungsräumen je Person mind. 6 m³, in Industriebetrieben etwa 15 m³ Raumvolumen zur Verfügung stehen. Luftraum in Arbeitsräumen vgl. § 25 der Arbeitsstättenverordnung.

7. Hinsichtlich der großen Streuungen in der Tab. 1 ist zweckmäßig so zu verfahren, daß man die kleineren Werte nicht nur bei einer verhältnismäßig geringen Luftverschlechterung einsetzt, sondern daß dies auch dann ratsam erscheint, wenn die Raumhöhe gering ist (sonst Gefahr von Zugerscheinungen), wenn die Induktion der Zuluftdurchlässe hoch ist (Mischung soll über der Aufenthaltszone erfolgen), wenn eine gute Luftführung gewählt wurde (sehr zahlreiche Zuluftdurchlässe bzw. hohe Geräteanzahl) oder die Aufenthaltszone direkt durch den Luftstrahl erreicht wird.

8. Bei konsequenter Durchführung der SI-Einheiten könnte man den Volumenstrom je Sekunde angeben, was bei der Annahme der Luftwechsel in 1/h zu Problemen führt.

Beispiel:

Diese Zahlenangabe ist jedoch äußerst unpraktisch. Man müßte vielleicht zweckmäßiger den Kehrwert nehmen 1/0,00347 = 288 s, d.h., um den 400 m³ großen Raum einmal mit Luft auszutauschen, sind 288 Sekunden notwendig. Je länger die Zeit, desto geringer ist demnach der Luftwechsel; z.B. bei 500 s wäre er 3600/500 = 7,2fach (anstatt 3600/288 = 12,5fach). Auch dieser Ansatz wird sich in der Praxis nicht durchsetzen.

9. Das nachfolgende Beispiel soll dieses Thema abschließen:

In einer Gaststätte mit 90 Sitzplätzen, einer 200 m² großen Grundfläche und einer lichten Höhe von 4 m soll eine Lüftungsanlage geplant werden. Die in der DIN angegebene Außenluftrate und der dort zusätzlich angegebenen 20 m³/h je Person sollen zugrunde gelegt werden.

a) Bestimmen Sie den erforderlichen Außenluftvolumenstrom!

b) Wie groß sind das je Person verfügbare Raumvolumen und die Luftwechselzahl?

Lösung:

a) = Personenzahl · Luftrate = 90 · (30 + 20) = 4500 m³/h

b) V_R = 200 · 4 = 800 m³

= 800/90 = 8,9 m³/Person

LW = / V_R = 4500/800 = 5,6 h^-1

Wird bei extrem tiefen Außentemperaturen die Außenluftrate auf 50% reduziert, so bezieht sich der 5,6fache Luftwechsel auf die Mischluft (50% Umluft, 50% Außenluft). Der nur auf die Außenluft bezogene Luftwechsel beträgt dann 2,8 h^-1.

C.I.

L i t e r a t u r : Claus Ihle; Lüftung und Luftheizung; 6. neubearbeitete Auflage 1997

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