Persönliche Lüftung im Vergleich zu konventionellen Systemen

Da sich Personen an ihren Arbeitsplätzen über lange Zeiträume hinweg an denselben Orten aufhalten, wird nur ein Teil der Aufenthaltszonen im Büro tatsächlich intensiv genutzt. Eine Möglichkeit zur Energieeinsparung bei gleichzeitiger Sicherung des thermischen Komforts und der Luftqualität kann die ausschließliche Belüftung des direkten Umfelds der Arbeitsplätze darstellen. Im Rahmen der hier vorgestellten numerischen Untersuchungen wird diesbezüglich ein System zur „Persönlichen Lüftung“ den gesamten Raum versorgenden Lüftungssystemen Quell- und Mischlüftung gegenübergestellt.

Eine effektive Luftführung und die daraus resultierende Ausbildung der Raumluftströmung sind maßgeblich für die Luftqualität in Räumen. Eine vielversprechende, in der Praxis allerdings noch nicht sehr häufig eingesetzte Möglichkeit zur gleichzeitig effektiven und energetisch günstigen Luftzufuhr ist die Persönliche Lüftung. Zur Bewertung dieses Konzeptes erfolgt ein Systemvergleich mit konventionellen Lüftungssystemen. Um detaillierte Aussagen über den Luftaustauschwirkungsgrad und die Lüftungswirksamkeit für die drei Lüftungssysteme Mischlüftung, Quelllüftung und Persönliche Lüftung zu erarbeiten, wurden zunächst für einen speziellen Büroraum gekoppelte Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulationen sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlbetrieb durchgeführt.
Zusätzlich zum gesamten Raum wurde ein Bilanzgebiet definiert, das ausschließlich das direkte Umfeld einer Person einschließt und damit den tatsächlichen praktischen Anforderungen an die Beurteilung der lokalen Luftqualität besser entspricht. Die Definitionen für genutzte Bewertungskriterien werden an dieses Bilanzgebiet angepasst.

Die Untersuchungskonfiguration im Detail
Für die Untersuchungen wurde eine typische Büroraumsituation mit zwei Mitarbeitern nachgebildet [1]. Der Raum ist 8 m lang, 3,92 m breit und 2,84 m hoch. Er befindet sich in einem Gebäude mit gleichartigen Räumen. Lediglich die Glasfront grenzt an die äußere Umgebung (rote Flächen in Bild 1). Die andere Längsseite ist als tragende, in Beton (mit Putz) gefertigte Innenwand ausgeführt. Sie grenzt an einen Flur, der im Winter mit 18,0 °C und im Sommer mit 24,5 °C temperiert ist.
Beim hier genutzten Programmpaket [2] handelt es sich um ein im Zeitbereich gekoppeltes System aus Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation zur Modellierung und Untersuchung thermischer und hygienischer Verhältnisse in Räumen und Gebäuden.
In den Simulationen wird eine 14-tägige Einschwingphase innerhalb der Gebäude- und Anlagensimulation modelliert. Daran anschließend erfolgt eine 24-stündige gekoppelte Phase unter Einbeziehung der Strömungssimulation. Hierbei wird sichergestellt, dass während der Büronutzungszeiten sowohl die Sollwerte der Raumtemperatur als auch alle Kriterien der thermischen Behaglichkeit gemäß DIN EN ISO 7730 [3] eingehalten sind.
Als Lüftungssysteme werden ein Mischlüftungssystem (Zuluftvolumenstrom 90 m³/h), ein Quellluftsystem
(90 m³/h) und ein System zur Persönlichen Lüftung (70 m³/h) untersucht. Die verschiedenen Durchlässe dienen dabei lediglich der Belüftung des Raumes, nicht der Temperierung. Im Falle der Mischlüftung befindet sich die Zuluftöffnung in der Mitte der Decke. Die Zuluft wird über einen Dralldurchlass in den Raum eingebracht. Bei der Quelllüftung erfolgt die Luft­zufuhr über einen Wanddurchlass. Die Zuluftöffnung befindet sich im Bodenbe­reich an der hinteren der beiden Längsseiten des Modellraumes. Der Durchlass ist 1,2 m breit und 0,3 m hoch. Die Persönliche Lüftung wird über zwei ­Durchlässe realisiert. Sie befinden sich direkt oberhalb der ­Monitore. Die Position der Abluft­öffnung befindet sich stets in der rechten Ecke des Modellraumes im Deckenbereich. Das Büro mit der Anordnung der Arbeitsplätze, die Zu- und Abluftpositionen und die Positionen der Sensoren S1 bis S3 sind ebenfalls in Bild 1 dargestellt.
In Bild 2 sind am linken Arbeitsplatz die Bilanzgebiete der Feuchte- und der CO₂-Quellen gezeigt. Die Wasserabgabe der Nutzer über die Körperoberfläche (40 g/h pro Person) wird in der Simulation über eine zylindrische Volumenquelle mit einem Radius r = 0,4 m und einer Höhe h = 1,05 m abgebildet. Die Wasser- und CO₂-Abgabe durch Atmung (18 g/h Wasser, 20 g/h CO2) erfolgt ebenfalls als zylinderförmige Volumenquelle (r = 0,1 m; h = 0,3 m).
Die Grenze des direkten Umfeldes der Personen ist so definiert, dass von den Personen keine Luft außerhalb des Umfeldes eingeatmet wird. In den folgenden Untersuchungen wird als Bilanzgebiet eine Kugel mit einem Radius von r = 0,5 m definiert. Der Mittelpunkt der Kugel befindet sich an der Nasenspitze der Person (Bild 2, r.).
Die Wand- und Fensteraufbauten des Büroraumes entsprechen einer mittelschweren Bauweise gemäß EnEV09. Zur Raumkonditionierung wird eine Flächenheizung/-kühlung über die in Bild 1 vorn sichtbare lange Seitenwand realisiert. Zielgröße ist im Heizfall eine operative Temperatur von 22 °C und im Kühlfall eine operative Temperatur von 24,5 °C während der Büronutzung zwischen 8 und 18 Uhr. Die klimatischen Bedingungen entsprechen im Kühlfall einer heißen sommerlichen Periode. Im Heizfall wird von konstanten Außentemperaturen von -5 °C und bedecktem Himmel ausgegangen.

Ergebnisse der Simulation im Heizfall
Neben den direkt im Zuge der Simulation berechneten Feldgrößen, wie Lufttemperatur, CO₂-Gehalt und Luftalter sind zusätzliche daraus abgeleitete Bewertungskriterien, wie der Luftaustauschwirkungsgrad und die Lüftungswirksamkeit für einen Vergleich der Lüftungssysteme untereinander verfügbar. Zusätzlich lassen sich aus den Verhältnissen von volumengemittelten Werten des Luftalters und der CO₂-Konzentration im Umfeld der Personen und im gesamten Raum Bewertungsmaßstäbe für die Qualität der Frischluftversorgung der Personen definieren. Der instationäre Luftaustauschwirkungsgrad bezogen auf den Raum ist das Verhältnis des aktuellen volumengemittelten Luftalters einer idealisierten Referenzströmung zum aktuellen volumengemittelten Luftalter der realen Strömung. Ein Wert von 1 entspricht einer idealen Verdrängungsströmung, ein Wert von 0,5 der idealen Durchmischung und Werte kleiner 0,5 weisen auf eine Kurzschlussströmung hin.
Die raumbezogene Lüftungswirksamkeit ist das Verhältnis der Quotienten von Abluftkonzentration sowie volumengemittelter Konzentration des Raumes eines entsprechenden Schadstoffes. Hier gilt, je größer der Wert, umso effektiver ist der Abtransport der Schadstoffe. Die Lüftungswirksamkeit bezogen auf das direkte Umfeld der Personen stellt den entsprechenden Quotienten bezogen auf das Umfeld der Personen dar. Als Schadstoff wird die CO₂-Konzentration genutzt. Weiterführende Informationen bezüglich der jeweiligen Definitionen sind in [4] zu finden.
In Bild 3 sind Iso–Flächen der CO₂–Konzentration für die drei Lüftungssysteme bei Wandheizung um 12 Uhr simulierter Zeit dargestellt. Anhand der Bilder lassen sich typische Strömungsmuster der einzelnen Lüftungssysteme erkennen. Bei Persönlicher Lüftung werden gezielt die Köpfe der Personen mit Frischluft versorgt (grüne Hüllkurve). Im Falle der Quelllüftung ist ein vom Luftauslass nach rechts gerichteter Frischluftsee zu erkennen. Die Ablenkung ist eine direkte Folge der durch die kalte Fassade induzierten Raumluftwalze. Zudem zeigen die Hüllkurven über den Köpfen eine deutliche Auftriebsströmung. Im Falle der Mischlüftung fällt systembedingt die CO₂-Verteilung gleichmäßiger aus. Jedoch gibt es auch hier eine klar erkennbare Auftriebsströmung über den Personen.

Eine gute Möglichkeit, die Strömungssituation eines Raumes zu analysieren, bietet der lokale Luftaustauschindex. Dieser stellt eine mithilfe des mittleren Luftalters im jeweiligen Austritt normierte Kenngröße der tatsächlichen Altersverteilung der Raumluft dar [4]. Werte unter 1 weisen auf Zonen geringen Luft­austauschs
hin, Werte über 1 hingegen kennzeichnen Bereiche effektiven Luft­austauschs. In Bild 4 sind Schnittflächen dieser Feldgröße für alle drei Lüftungsvarianten dargestellt.
Die Werte bestätigen die bereits getroffenen Aussagen. Bei Misch- und Persönlicher Lüftung dominieren weite Bereiche mit Werten des Luftaustauschindex deutlich über 1. Im Falle der Quelllüftung entsteht durch die Raumluftwalze im hinteren Bereich eine ausgeprägte Zone mit schlechtem Luftaustausch. In Bild 5 sind die beschriebenen integralen Kriterien zur Bewertung der Luftqualität um 12 Uhr zusammengefasst. Die Werte im direkten Umfeld sind dabei jeweils von beiden Personen gemittelte Werte.
Bezogen auf den Raum zeigt sich, dass sowohl die Mischlüftung als auch die Persönliche Lüftung eine gute Lüftungswirksamkeit nahe 1 aufweisen. Bezüglich des direkten Umfeldes der Personen ist der Wert im Falle der Mischlüftung jedoch deutlich schlechter. Ursache dafür ist die bei Persönlicher Lüftung systembedingte, geringere lokale CO₂–Konzentration. Dies bestätigt sich auch bei Betrachtung des Verhältnisses der volumengemittelten CO₂–Konzentrationen von Umfeld und Raum. In diesem Fall ist der Wert für die persönliche Lüftung am geringsten, was auf eine sehr effektive Lüftungswirksamkeit schließen lässt.
Die Kriterien im Falle der Quelllüftung weisen auf einen deutlich schlechteren Abtransport der Schadstoffe und somit auf ein diesbezüglich eher ungünstiges Strömungsmuster hin. Primäre Ursache hierfür ist die bereits beschriebene Raumluftwalze, die eine homogene Verteilung der Frischluft verhindert. Das ist jedoch letztlich die Folge aus der Interaktion von Luftein- und -auslass und nicht des Quellluftkonzeptes im Allgemeinen.
Die Werte des Luftaustauschwirkungsgrades und des Verhältnisses des volumengemittelten Luftalters in Umfeld und Raum bestätigen die getroffenen Aussagen. Der Luftaustausch bei Misch- und Persönlicher Lüftung ist mit 0,62 bzw. 0,63 deutlich besser als der Vergleichsfall der idealen Durchmischung. Zudem ist die Luft im Umfeld der Personen bei Persönlicher Lüftung frischer als bei Mischlüftung. Der Luftaustausch der Quellluftvariante ist durch die entstehende Raumluftwalze als ungünstig einzuschätzen.

Ergebnisse der Simulation im Kühlfall
In Bild 6 ist für den Kühlfall eine deutliche Vergleichmäßigung der Strömungsverhältnisse der einzelnen Lüftungsvarianten erkennbar. Im Falle der Quelllüftung kommt es jetzt zu einem ausgeprägten, homogenen Frischluftsee. Darüber hinaus ist anhand dieser Größe der Vorteil der Persönlichen Lüftung erkennbar. Der Aufenthaltsbereich, speziell im Umfeld der Personen, wird systembedingt deutlich effektiver mit Frischluft versorgt (blauer Bereich).
Die ermittelten Bewertungskriterien für 12 Uhr sind in Bild 7 zusammengefasst. Die raumbezogene Lüftungswirksamkeit zeigt im Kühlfall für alle drei Konfigurationen ähnliche Werte. Wird nur das direkte Umfeld der Personen berück­sichtigt, erreicht die Persönliche Lüftung nochmals einen Wert unter 1. In
beiden anderen Fällen ist die lokale Lüftungswirksamkeit deutlich schlechter. Ähnlich verhält es sich auch mit den Verhältnissen der CO₂–Konzentrationen. Die Persönliche Lüftung ist aus Sicht des Schadstoffabtransports aus dem direkten Umfeld der Personen am effektivsten.
Die Werte des Luftaustauschwirkungsgrades zeigen für die Quelllüftung eine deutliche Verbesserung der Luftführung. Im Falle der Mischlüftung sinkt der Wert ab, ist aber mit 0,55 immer noch günstiger, als der Vergleichsfall der idealen Durchmischung.
Die Persönliche Lüftung ist im Kühlfall genauso effektiv, wie im Heizfall. Zudem ist auch hier die Luft im direkten Umfeld der Personen frischer als bei beiden anderen Lüftungssystemen. Aus Sicht der Luftqualität entspricht dies der effektivsten Lüftungsvariante.

Fazit und Zusammenfassung
Die Untersuchungen dreier Lüftungsvarianten aus Sicht der Luftqualität und der Effektivität des Luftaustauschs zeigen für einen speziellen Büroraum, dass bei gleichzeitiger Betrachtung von Heiz- und Kühlfall, die Nutzung einer Persönlichen Lüftung deutliche Vorteile gegenüber den Varianten Misch- und Quelllüftung aufweist. Die Lüftungswirksamkeit und der Luftaustauschwirkungsgrad, bezogen auf den gesamten Raum, zeigen für die Persönliche Lüftung insgesamt sehr günstige Werte. Bei Betrachtung des direkten Umfeldes der Personen ist der Vorzug der Persönlichen Lüftung sogar noch ausgeprägter.
Die hier feststellbaren Unterschiede zwischen den Varianten zeigen auch, dass eine Erweiterung der Bewertungskriterien hin zur Betrachtungsweise des Umfeldes der Personen eine sehr gute Möglichkeit darstellt, lokale Lüftungssysteme fair zu bewerten.

Literatur
[1] Wang, Z., Numerische Berechnung der Luftqualität und Lüftungseffektivität im direkten Umfeld von Personen zum Vergleich verschiedener Konzepte maschineller Lüftung, Diplomarbeit, TU-Dresden, 2015
[2] Gritzki, R., Rösler, M., Richter, W.:  Vorhersage und Analyse natürlicher Lüftungsvorgänge. Bauphysik 29 (2007), 21-26, 2007
[3] DIN EN ISO 7730 2006-05: Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der thermischen Behaglichkeit
[4] Gritzki, R. 2001., Bestimmung der Effektivität nutzerbedingter Fensterlüftung mithilfe numerischer Simulationsverfahren, Dissertation, Der Andere Verlag, Osnabrück, BRD, 2001

Autoren: Ralf Gritzki, Claudia Kandzia, Markus Rösler, Clemens Felsmann, Institut für Energietechnik, TU Dresden, 01062 Dresden

Bilder: Ralf Gritzki