Bei der CFD Schuck Ingenieurgesellschaft mbH werden Strömungssimulationen für verschiedene Fragestellungen eingesetzt, von der kontrollierten Belüftung von Versammlungsräumen nach den gängigen Normen über Absaugungen gesundheitsgefährdender Gase in Industrieanlagen oder der Temperierung von Lagerräumen bis hin zur Reinraumtechnik, beispielsweise für Operationssäle.
Strömungssimulation eines Kinosaals
In Versammlungsräumen sind viele Kriterien für die Raumluft zu beachten. Ein ausreichender Luftaustausch ist nicht nur auf das Raumvolumen bezogen, sondern auch abhängig von der Personanzahl und je nach Örtlichkeit zu gewährleisten. Dabei sind Zugluft und große Temperaturunterschiede zu vermeiden. Das alles soll sowohl bei trübem Wetter als auch bei strahlendem Sonnenschein, bei niedrigen und bei hohen Außentemperaturen, bei Flaute und bei Starkwind erreicht werden.
Die Norm EN ISO 7730 definiert hierfür die sogenannten Behaglichkeitskriterien. Um bereits vor Beginn der Bauphase lokal, d. h. zum Beispiel für alle geplanten Sitzplätze, sicherzustellen, dass all diese Kriterien eingehalten werden können, ist die Strömungssimulation mit CFD das Mittel der Wahl. CFD Schuck beschreibt an einem exemplarischen Kinosaal die Möglichkeiten, die sich hier zur Bewertung und Optimierung des Lüftungskonzeptes bieten und was dafür in der Modellierung alles berücksichtigt werden muss.
Turbulenzgrad und Strömungsgeschwindigkeit
EN ISO 7730 definiert für verschiedene Lufttemperaturen Kurven in Abhängigkeit von Turbulenzgrad und Strömungsgeschwindigkeit, bei denen sich ein bestimmter Teil der Personen im Raum unwohl fühlt. So empfinden z. B. bei 22 °C Umgebungstemperatur und einem Turbulenzgrad von 60 Prozent immerhin 10 Prozent der Personen im Raum Zugluft mit einer Geschwindigkeit von mehr als 0,1 m/s als unangenehm. Die Strömungsgeschwindigkeiten können in Schnitten visualisiert werden, Stromlinienbilder verdeutlichen die Raumströmung. Die Körperumströmung kann direkt dargestellt werden. Es ist zu erkennen, dass die Strömungsgeschwindigkeiten im Fußraum zu hoch sind, um noch als angenehm empfunden zu werden.
Einfluss von Temperaturunterschieden
Ebenfalls als unangenehm empfunden werden zu große vertikale Temperaturunterschiede, z. B. empfinden 10 Prozent der Personen Temperaturunterschiede von mehr als 4 °C zwischen Kopf und Fuß als unangenehm. Um diese Temperaturunterschiede zu beurteilen, muss der Wärmeeintrag in den Raum durch die Lüftung als auch durch die Personen selbst berücksichtigt werden. Gegebenenfalls kommen zusätzliche Energieeinträge durch Heizelemente oder durch Wärmestrahlung an Fensterfronten hinzu, bzw. ein Wärmeeintrag oder -verlust durch Konvektion und Wärmeleitung über die Fenster.
Raumluftaustausch: Verweilzeit auswerten
Neben den reinen Wohlfühlfaktoren ist eine ausreichende Belüftung sicherzustellen. Der regelmäßige Raumluftaustausch wird über das Raumluftvolumen und den Durchsatz der Belüftungsanlage abgeschätzt. Diese Abschätzung allein garantiert aber keinen ausreichenden Austausch für alle Stellen im Raum. Dieser lässt sich durch eine Auswertung der Verweilzeit der Luft in den einzelnen Bereichen besser bewerten. Im unteren Bild ist zu erkennen, dass im Bereich der vordersten Reihe rechts der Luftaustausch am schlechtesten ist. Ähnliche Auswertungen sind auch für die Luftfeuchteverteilung möglich.
Je nach Gebäudeart ist auch eine ausreichende Entrauchung im Brandfall sicherzustellen. Teilweise wird das an maßstäblich verkleinerten Gebäudemodellen durch Rauchversuche erreicht. Durch die Skalierung lassen sich jedoch viele Einflussfaktoren (z. B. Geometriedetails, Klimaanlagen etc.) nicht genau genug abbilden. Zudem sind solche Modelle mit den zugehörigen Versuchen sehr aufwendig.
Mit CFD-Simulationen können hingegen dreidimensionale Daten aller relevanten Größen wie Rauchkonzentration, Temperatur und Geschwindigkeit berechnet werden. Die meisten relevanten Details lassen sich einfach abbilden und Messstellen müssen nicht im Voraus definiert werden. Welchen Einfluss Veränderungen haben, kann meist kostengünstig über Variationsrechnungen ermittelt werden.
Umfangreichere Strömungssimulation für Reinräume
In Reinräumen kommen zusätzliche Anforderungen hinzu. Beispielsweise werden in Operationssälen sogenannte TAV-Decken eingesetzt. Diese sollen eine turbulenzarme Verdrängungsströmung nach DIN 1946-4 im Bereich des OP-Tisches, der Operateure und des Instrumententisches garantieren, um vor Partikeln und Keimen zu schützen und die Anforderungen an die Behaglichkeit nicht zu vernachlässigen.
In der Praxis wird die reine vertikale TAV-Strömung jedoch von zahlreichen Faktoren beeinflusst, so den erforderlichen Stativdurchführungen für Lampen etc., Temperaturunterschieden im Raum – verursacht durch die anwesenden Personen und Beleuchtung oder andere Wärmequellen und die Anordnung der Ablufteinsätze, deren Möglichkeiten sich aus dem konkreten Raum ergeben.
Die Simulation macht die Raumströmung sichtbar, ohne sie wie z. B. bei der Sichtbarmachung mit Rauch zu beeinflussen. Bereits vor der Installation kann so mittels CFD-Simulation die beste Anordnung der Ablufteinsätze ermittelt werden, die sonst im Nachhinein kaum mehr zu verändern ist, oder Stative lassen sich strömungsgünstiger ausführen. Kontaminationsszenarien wie eine Keimausbreitung am OP-Tisch lassen sich virtuell untersuchen und bewerten. Luftzug durch sich öffnende Türen ist eine von vielen weiteren Fragestellungen und kann ebenfalls von vornherein berücksichtigt werden.
Dipl.-Ing. Christine Rockel,
Projektingenieur bei der CFD Schuck Ingenieurgesellschaft mbH, München
Dipl.-Ing. Ludwig Berger,
Niederlassungsleiter Heidenheim, CFD Schuck Ingenieurgesellschaft mbH, Heidenheim
