Energie, Komfort und Gesundheit in Gebäuden

Allgemeines

Der Prüfstand wurde im Rahmen eines Projektes geplant und aufgebaut. Die Abbildung 1 und die Abbildung 2 zeigen den schematischen Aufbau des Prüfstandes. Der Versuchsraum befindet sich in der klimatisierten Versuchshalle des Hermann-Rietschel-Instituts. Die Grundfläche des Versuchsraumes beträgt 5,2 m x 4,4 m und hat eine Höhe von 2,9 m. Die Glasscheibe auf der Vorderseite des Versuchsraumes bietet die Möglichkeit die Experimente zu beobachten und messtechnisch zu visualisieren.

Abluft

Fünf Abluftposition ermöglichen unterschiedliche Abluftszenarien. Jede Abluftposition besteht aus drei Lüftungsventildurchlässen, welche jeweils den gleichen Abstand (ca. 1,2 m) voneinander haben. In der linken Raumhälfte an der Decke ist der erste Abluftdurchlass ea1. Gegenüber davon befindet sich auf der rechten Deckenhälfte ea2. In der rechten Raumhälfte in einer Höhe von 0,1 m vom Boden, befindet sich der Abluftdurchlass ea3. Die Abluftposition ea4 und ea5 befinden sich an der linken Wand auf einer Höhe von 0,1 m und 2,6 m vom Boden. Jede Abluftposition besitzt einen voll verschließbaren Volumenstromregler und erlaubt bei der zeitgleichen Nutzung mehrerer Durchlässe einen Abgleich der Volumenströme bzw. ein erzwungenes Volumenstromverhältnis.Somit können verschiedene Testfälle untersucht werden. Die Abluft wird über einen Ventilator auf der Oberseite des Versuchsraums herausgesaugt. Der Gesamtvolumenstrom wird mit einer Durchflussmessung per Messblende vor dem Ventilator bestimmt und mittels PI-Regler eingestellt. Dafür wurde im Rahmen eines Studierenden Projekts ein umfängliches Regelungsprogramm mittels Python entwickelt (Katerbau 2021).

Zuluft

Die Zuluft wird aus der Versuchshalle (der Umgebungsluft des Versuchsraumes) mithilfe einer mobilen Klimaanlage (Balasus 2007) angesaugt und konditioniert. Es können Luftwechselraten zwischen 1 und 10 h-1 über die mechanische Belüftung des Raumes umgesetzt werden. Die Zuluft kann auf Temperaturen zwischen 16 bis 30°C konditioniert werden.

a) Mischlüftung:

Die Zulufteinbringung erfolgt entweder durch den zentralen Drallluftdurchlass Swirl 1 oder durch zwei parallele Drallluftdurchlässe Swirl 2a und -2b, welche direkt unter der Decke mittig und parallel zu den Längsseiten installiert sind. Außerdem kann die Zuluft durch die Schlitzdurchlässe, die in einer Höhe von 0,5 m bzw. 2,8 m vom Boden an der linken Wand angebracht sind, bereitgestellt werden.

b) Quelllüftung:

Durch ein anderes Luftführungssystem kann die Zuluft durch die Abluftdurchlässe ea3 und ea4 (wahlweise auch nur eine Seite) eingebracht werden. An der mobilen Klimaanlage muss hierfür das Luftführungssystem umgesteckt werden. Es ist nicht möglich ohne das Umstecken Misch- und Quelllüftung hintereinander zu testen. Im Fall der Quelllüftung können ea3 und ea4 nicht parallel als Abluftpositionen genutzt werden.

Kalibrierung des Abluftsystems

Mittels einer Volumenstrommesshaube und omnidirektionalen Anemometern können die Abluftdurchlässe der einzelnen Abluftstränge untereinander abgeglichen werden. Durch Änderung der Tellerventile sind die einzelnen Volumenströme regulierbar. Die relative Verteilung des Gesamtvolumenstroms bei voll geöffneten Abluftsträngen zeigt die dargestellte Abbildung. Die Verteilung bleibt über verschiedene Volumenströme (389 und 664 m3/h) nahezu unverändert. Sie korreliert im Wesentlichen mit dem Druckverlust über den jeweiligen Strang. Der kürzeste Abluftstrang (ea1) fördert den größten Volumenstromanteil und der längste Abluftstrang (ea3) den kleinsten Anteil. Die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzgrad in Abhängigkeit des Gesamtvolumenstroms bei voll geöffneten Abluftdurchlässen wird in Abbildung 4 dargestellt. Die Daten wurden mit Messsonden in einem Abstand von 0,12 m vor jedem einzelnen Abluftdurchlass ermittelt. Die Undichtigkeit des Systems beträgt 1 – 10 %.

 

Mögliche Messungen

a) Spurengasmesstechnik:

Im Allgemeinen werden Gase als Spurengase bezeichnet, wenn sie in einem Gasgemisch nur in einer geringen Menge zu finden sind. Für die technische Anwendung der Spurengasmessungen oder auch Tracergasmessung ergeben sich noch weitere Anforderungen an die Gaseigenschaften. Ein Tracergas sollte reaktionsarm, umweltfreundlich, ungiftig, günstig und zuverlässig messbar sein. Für Messungen können die Gase N2O, SF6 und CO2 verwendet werden.

Das Spurengas wird über einen Schlauch in die Zuluft oder an einem definierten Quellort im Raum eingebracht. Ein Gasanalysator wird zur Messung der Gaskonzentration benutzt. Über einen Messstellenumschalter könne bis zu 10 Messstellen nacheinander gemessen werden.

b) Particle Streak Tracking (PST):

Die Raumluftströmung kann durch ein PST-System erfolgen. Das System ist ein schnelles Messverfahren für zweidimensionale Geschwindigkeitsmessungen von Raumluftströmungen in einer Ebene und basiert auf den Untersuchungen von Müller et al. (Müller 2000; Müller und Renz. 1998, 2000). Die Abbildung zeigt eine Fotoaufnahme der aufgebauten Messtechnik.

Der grüne Lichtschnitt kann aus frei beweglichen Optiken auf eine individuelle Länge in einem Rundbogen zusammengesteckt werden. Ein weißer Lichtschnitt ist aus Einzelmodulen bis zu einer Länge von ca. 1,80 m zusammensteckbar. Beide Lichtschnitte können nach vorgegebenem Muster (kurz-pause-lang) geschaltet werden. Durch einen Blasengenerator können kleine, mit einem Helium-Luft-Gemisch gefüllte Bläschen erzeugt und in den Raum eingebracht werden (Rank 2005). Diese Bläschen folgen dem Luftstrom, da ihre Dichte nahezu der von Raumluft entspricht. Nach Aufnahme der sich bewegenden Blasenspuren mit einer hochauflösenden Digitalkamera werden die Bilder mit der Bildverarbeitungssoftware ImageJ analysiert. Die Spurenpaare der doppelt belichteten Tracerpartikel auf einem aufgenommenen Bild werden vom Programm unter Berücksichtigung der vorgegebenen Eignungskriterien identifiziert. Unter Kenntnis des Spurabstands und der Pulszeit können die Geschwindigkeiten bestimmt werden. Für den Dralldiffusor muss nur eine Kameraposition verwendet werden, um den relevanten Bereich (siehe dargestellte Abbildung) aufzunehmen. Für den Schlitzdurchlass müssen drei verschiedene Kamerapositionen zusammengeführt werden, um den Raumquerschnitt vollständig abzubilden (siehe Abbildung). Andere Positionierungen von Lichtschnitt und Kamera sind selbstverständlich möglich.

Literaturverzeichnis

  • Balasus, Claudia (2007): Entwicklung und Betrieb einer mobilen Teilklimaanlage, Messung und Auswertung von Temperaturphasenverläufen. Terchnische Universität Berlin.
  • Katerbau, Tabea (2021): Bericht Labor Gebäudetechnik 2: Steuerung des Abluftprüfstands für das Forschungsprojekt OpEx. Technische Universität Berlin, Hermann-Reitschel-Institut.
  • Müller, D.; Renz., U. (1998): A Low Cost Particle Streak Tracking System (PST) and a New Approach to Three Dimensional Airflow Velocity Measurements. In: RoomVent 1998.
  • Müller, D.; Renz., U. (2000): A Particle Streak Tracking System (PST) to Measure Flow Fields in Ventilated Rooms. In: RoomVent 2020.
  • Müller, Dirk (2000): Optische Erfassung und numerische Berechnung von 2- und 3-Dimensionalen Geschwindigkeitsfeldern mit niedrigen turbulenten Reynoldszahlen.
  • Rank, R. (2005): Untersuchung verschiedener Blasenflüssigkeiten zur Verwendng mit einem Helium-Blasengenerator zur Sichtbarmachung von Raumluftströmungen. Technische Universität Berlin, Hermann-Reitschel-Institut.