Hallenklima und Torluftschleier

Bezugswert möglicher Einsparungen ist in der Regel die Situation bei geöffnetem Tor ohne Luftschleier. Hier sind die Verluste in der Tat erheblich. Grund ist die Physik, die besonders ungünstige Randbedingungen setzt. Die Luftbewegung in einer freien Öffnung entsteht durch Druckdifferenzen (Satz von Bernoulli):

∆p =      · u² ⇔ u = √     · ∆p⇥(1)

Durch die Wurzelfunktion werden bereits bei sehr kleinen Druckdifferenzen nennenswerte Luftgeschwindigkeiten erreicht (Bild 1). Schon kleinste Drücke unter 1 Pa führen daher zu großen Luftverlusten.

Druckdifferenzen an Toren entstehen durch Windeinfluss und durch Thermik. Wind kann an der Gebäudehülle Druckdifferenzen über 100 Pa hervorrufen, der Einfluss ist schwankend und abhängig von der Gebäudehöhe, der Gebäudeform, der Lage der Öffnungen und der Windrichtung. Für nähere Details sei hier auf die einschlägige Literatur verwiesen [1].

Als Thermik bezeichnet man den Druckunterschied, der durch die Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen und die damit verbundene Dichtedifferenz der Luft entsteht. Thermik ruft kleinere, konstante Druckdifferenzen an Gebäudeöffnungen hervor. Als gute Näherung kann man ansetzen, dass bei einer Temperaturdifferenz von 25 K eine Druckdifferenz von 1 Pa je m Höhe entsteht. Über die Torhöhe bildet sich ein linearer Druckverlauf, der zu einem parabelförmigen Geschwindigkeitsprofil führt (Bild 2). Für die Berechnung nimmt man an, dass Luft mit maximaler Geschwindigkeit auf 1/3 der Torfläche ein und auf 1/3 der Fläche austritt und 1/3 des Tores neutral ist.

Bei einer Temperaturdifferenz von 25 K und einer Tür mit 2 m Höhe entsteht eine Druckdifferenz von ±1,0 Pa über die Höhe, was einer Luftgeschwindigkeit von 1,3 m/s entspricht. Der ausgetauschte Volumenstrom beträgt bei einer Türfläche von A₀ = 2 m² also:

V = 1,3 m/s* A₀/3 = 3.120 m³/h⇥(2)

Bei einer Temperaturdifferenz von 25 K entspricht dies einem Wärmeverlust von 26 kW an einer normalen Außentür! Bei einem Industrietor von B * H = 4 m * 5 m steigt der Volumenverlust bereits auf ca. 50 000 m³/h, der Wärmeverlust beträgt 408 kW, ein Wert, der in der Tat beachtlich ist! Aber wie steht es nun um die Verluste, die bei aktivem Luftschleier auftreten? Wie wirkt überhaupt der Luftschleier?

Zunächst basiert die Wirkung von Luftschleiern auf dem Im­puls­satz. Impuls ist eine gerichtete Größe, und es bedarf einer Kraft, einen Impulsstrom umzulenken. Der Impulsstrom beträgt

I = m ∙ u = ρ ∙ A_Düse ∙ u²⇥(3)

Bezieht man die Querkraft bei ebenen Luftstrahlen auf die Strahloberfläche, dann lässt sich aus der Kraft eine Druckdifferenz berechnen:

F = ∆I = ∆p · A_Tor⇥(4)

Die Druckdifferenz ∆p wird bei einer durchströmten Toröffnung als Gegenkraft wirksam, die den Durchfluss vermindert. Geht man davon aus, dass der Luftstrahl in einer Öffnung mit Breite B gerade um 90 ° umgelenkt wird, dann lässt sich auch der Strahlradius R berechnen:

∆p · A = ∆p · R · B = ρ ∙ A_Düse · u_Düse² = ρ ∙ s ∙ B∙ u_Düse²⇥(5)

R =                     ⇔ c_Düse = √⇥(6)

Hier ist R der Strahlradius, ρ die Luftdichte, s die Schlitzweite und ∆p die Druckdifferenz über die Öffnung. Je breiter der Strahl und je höher die Geschwindigkeit, desto größer wird der Krümmungsradius bei konstanter Druckdifferenz.

Um beim obigen Beispiel des Tores von B * H = 4 m * 5 m einen Strahlradius von 5 m bei einer Druckdifferenz von 2,5 Pa zu erreichen, wird also eine Düsengeschwindigkeit abhängig von der Düsenbreite benötigt:

1) s = 100 mm -> c_Düse = 10,2 m/s, _Düse 15 000 m³/h

2) s = 400 mm -> c_Düse = 5,1 m/s, _Düse 30 000 m³/h

Schon bei der relativ kleinen Druckdifferenz von nur 2,5 Pa werden also erhebliche Luftgeschwindigkeiten im Strahl benötigt.

Knackpunkt Mischungs­verluste

Wo sich Luft bewegt, kommt es unweigerlich zur Mischung der Medien. Dies gilt insbesondere für Luftstrahlen, die in ein ruhendes Medium eintreten, den so genannten „Freistrahlen“. Freistrahlen sind immer turbulent, denn anders als bei der Rohrströmung erfolgt der Umschlag von laminar zu turbulent schon bei einer Re-Zahl von 20 (!) bezogen auf den Strahldurchmesser.

Freistrahlen gehören zu den stabilsten strömungstechnischen Erscheinungen; sie folgen strengen Regeln, die nur wenig von äußeren Bedingungen beeinflusst werden. Die grundlegenden Gesetze der Freistrahlen wurden u.a. von Bruno Regenscheidt untersucht [2]. Die wichtigsten Strahlgesetze sind in Bild 4 und Tabelle 1 zusammengefasst. Interessant ist dabei vor allem, dass sich die Mischzahl m unabhängig von der Düsenform und Geschwindigkeit nur in relativ engen Grenzen zwischen m = 0,14 und m = 0,17 bewegt. Thomas Sefker wies in seiner Doktorarbeit [3] nach, dass die Strahlentwicklung von Freistrahlen nur minimal von der Düsengeometrie abhängt. Auch unter extremen Laborbedingungen turbulenzarm erzeugte Strahlen zeigen im weiteren Strahlverlauf keine besonderen Eigenschaften, insbesondere kaum abweichende Mischzahlen. Aus Basis dieser Ergebnisse müssen viele Werbeaussagen kritisch gesehen werden.

Im Luftstrahl kommt es zur nahezu homogenen Mischung von Innen- und Außenluft. Ist das Gebäude weitgehend dicht, dann besteht der Freistrahl am Ende seines Weges annähernd zur Hälfte aus Raumluft und zur Hälfte aus Außenluft. Da der eingemischte Anteil wieder zurück in den Raum strömt, kommt es durch den Strahl selbst zu einem beständigen Eintrag von Außenluft, dem so genannten Mischungsverlust. Bei innen angesaugter Strahlluft und dichtem Gebäude beträgt dieser:

V_Verlust =          (√         – 1)⇥(7)

H ist hier die Öffnungshöhe, s die Schlitzweite. Berechnet man den Mischungsverlust im obigen Beispiel, dann ergibt sich V_Verlust,1 ≈ 11 600 m³/h, V_Verlust,2 ≈ 7800 m³/h. Durch die niedrigere Luftgeschwindigkeit der Düse sind die Mischungsverluste trotz des höheren Düsenvolumen­stromes deutlich geringer. Bezogen auf den Luftverlust bei geöffnetem Tor von 50 000 m³/h (s.o.) ergibt sich also für den Fall 1 eine Einsparung von 77 %, im Fall 2 von 84 %. Wären also Her­steller­angaben in diesem Bericht glaubwürdig?

Der obige Fall geht von einer Druckbelastung von ca. 2,5 Pa am Tor aus, was lediglich die Thermik berücksichtigt. Soll auch noch einem gewissen Winddruck standgehalten werden, dann müssten die Luftgeschwindigkeiten in beiden Fällen angehoben werden. Die Mischungsverluste steigen nun proportional zur Luftgeschwindigkeit, die Wirkungsgrade sinken.

Das Problem der Mischungsverluste wird bei nicht wenigen Herstellern ausgeblendet. Werden Luftschleier ganzjährig konstant gefahren, dann besteht die Gefahr, dass die Energieverluste durch den Einsatz von Luftschleiern nicht gemindert werden, sondern ansteigen. Eine effektive, nachweisbare Senkung der Energieverbräuche lässt sich vor allem dann realisieren, wenn die Ausblasgeschwindigkeit entsprechend der Wind- und Temperaturverhältnisse so geregelt wird, dass stets die mini­mal notwendige Luftbewegung vorherrscht. Darüber hinaus erzeugen Luftschleieranlagen mit breiten Strahlen generell niedrigere Mischungsverluste als Anlagen mit schmalen Schlitzdüsen. Der Grund ist, wie oben gezeigt, dass der gleiche Impulsstrom bei schmalen Düsen nur mit höherer Geschwindigkeit und damit höheren Mischungs-Verlusten zu erreichen ist.

Im vorliegenden Artikel wurde primär das Thema der unvermeidlichen Mischungsverluste dargestellt. Die Auslegung von Luftschleiern kann im Einzelfall von weiteren Überlegungen beeinflusst werden. Insbesondere bei Industrietoren kann die Aufgabe des Luftschleiers lediglich darin bestehen, eindringende Kaltluft mit der Raumluft zu vermischen oder durch Beheizung des Luftschleiers die negativen Folgen für das Innenraumklima abzumildern. Da hier das Ziel nicht in einer Abschirmung des Tores besteht, sind z.T. deutlich geringere Anforderungen an die Strahlqualität zu stellen.

Ein häufiger Grund für erhöhte Verluste ist in Bild 5 dargestellt. Durch die fehlende seitliche Begrenzung des Luftschleiers führt die Auslenkung des Strahls dazu, dass seitlich des Luftschleiers zusätzliche Öffnungen freigegeben werden. Auch unter Berücksichtigung von Mischungseffekten bleibt daher die Vorhersage tatsächlicher Energieverluste komplex. Hier ist letztlich der praktische Nachweis theoretischen Überlegungen und Berechnungen vorzuziehen.

In jedem Fall kritisch sind Aussagen zu sehen, die auf Basis von besonderen Düsenkonstruktionen versprechen, die Fiktion der „unsichtbaren Tür“ wahr werden zu lassen. Die Physik ist in diesem Punkt – wie seit vielen Jahren bekannt – unbestechlich. In jedem Fall sind mechanische Türen hinsichtlich der Verluste einem Luftschleier überlegen. Die beste Methode der Optimierung besteht daher in kurzen Öffnungszeiten und möglichst kleinen Öffnungshöhen.

Literaturverzeichnis