Entwicklung eines Lüftungskonzepts für Einfamilienhäuser mit Hilfe von Strömungssimulationen : Dimensionierung der notwendigen Öffnungen für natürliche Auftriebsströmungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeptionierung und numerischen Evaluierungeines hybriden Lüftungskonzepts für den Einsatz in Einfamilienhäusern. Die Funktionsweise beruht maßgebend auf dem Prinzip der natürlichen Lüftung und ermöglicht so einen effizienten Luftwechsel mit geringer mechanischer Unterstützung.Das ausgearbeitete Konzept definiert ein Lüftungssystem bestehend aus individuell ansteuerbaren Lüftungselementen. Diese Elemente sind jeweils im Laibungsbereich von Fenstern und Türenan der Außenfassade sowie im Inneren des Gebäudes angeordnet. Eine elektronische Ansteuerung der einzelnen Lüftungselemente ermöglicht einen variablen Luftaustausch für das Gebäude. Ziel ist es durch diese Automatisierung eine kontinuierliche Verbesserung der Innenraumluft zu erreichen und den Luftwechsel bestmöglich an den tatsächlichen Frischluftbedarf anzunähern. Unnötige Lüftungswärmeverluste werden so vermieden. Ein Beurteilungskriterium ist hierbei der erreichte Luftwechsel. Als weiteres Beurteilungskriterium für die Evaluierung des Konzeptes dient der thermische Komfort, definiert vor allem durch die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeiten und die Turbulenzen der auftretenden Luftbewegungen.Eine Validierung der verwendeten Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulationssoftware hat vorab gezeigt, dass das verwendete Programm Solidworks Flow Simulation 2020, mit zunehmender Detailgenauigkeit der Inputparameter, Werte von real ermittelten Luftströmungen mit Abweichungen von wenigen Prozenten erreicht. Die Software ist somit für die Erstellung der benötigten Strömungssimulationen geeignet.Als Testobjekt für die Funktionalität des Lüftungskonzepts dient ein reales Einfamilienhaus, dass virtuell mit Lüftungselementen ausgestattet ist. Die Lüftungselemente kommen dort als vereinfachte Elemente vor, die aus einem detaillierten Überströmelement abgeleitet sind. Die Ergebnisse liefern den Volumenstrom für eine Temperaturdifferenz von 10 K, 20 K und 25 K zwischen Innen- und Außentemperatur bei einem Betrachtungszeitraum von jeweils einer halben Stunde. Nicht berücksichtigt sind hierbei Leckagen im Gebäude, der Einfluss von Wind auf den Luftwechsel sowie die Performance unter sommerlichen Außentemperaturen.Die Ergebnisse der detaillierten Gebäudesimulation mit der Integration von Wärme- und CO2-Quellen zeigen für das vereinfachte Lüftungselement 60 x 60 mm und geschlossene Innentüren einen Abluftvolumenstrom der Bandbreite von 113,1 m3/h (10 K) bis 190,2 m3/h (25 K) mittels natürlichem Luftwechsel. Durch geöffnete Innentüren erhöht sich der Volumenstrom um ca.35 % - 153,9 m3/h (10 K) bis 256,8 m3/h (25 K). Für das gesamte Gebäude ergibt sich daraus ein Luftwechsel von 0,25 1/h bis 0,57 1/h.Die Integration von CO2 Quellen in den Simulationen hat einen minimalen Luftwechsel von1,95 1/h für das Wohnzimmer und die Küche mit dem Lüftungselement von 60 x 60 mm erreicht.Im betrachteten Zeitraum von einer halben Stunde ergibt sich eine Reduktion der CO2 Konzentrationum 15% in den unmittelbar betroffenen Räumen. Mit zunehmender Zeitdauer steigt dieser Wert an. So beträgt die Reduktion nach drei Stunden bereits 64 %. Ohne Luftaustauschwürde die CO2 Konzentration einen Wert von über 2.000 ppm erreichen. Der ermittelte Wert für das hybride Lüftungskonzept liegt bei 717 ppm. Der vom hybriden Lüftungskonzept erreichte kontinuierliche Luftaustausch zeigt hierbei sein Potenzial.

This thesis deals with the conceptual design and numerical evaluation of a hybrid ventilation concept for the use in single family houses. The mode of operation is mainly based on the principle of natural ventilation and thus enables an efficient air exchange with low mechanical support.The developed concept defines a ventilation system consisting of individually controllable ventilation elements. These elements are arranged in the reveal area of windows and doors on the outer facade and inside the building. An electronic control of the individual ventilation elements enables a variable air exchange for the building. The aim of this automation is to achieve a continuous improvement of the indoor air and to bring the air exchange as close as possible to the actual fresh air requirement. Unnecessary ventilation heat losses are thus avoided. A further criterion for the evaluation of the concept is the thermal comfort, defined mainly by the temperature,the flow speeds and the turbulence of the air movements.A validation of the used Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation software has shown in advance that the program Solidworks Flow Simulation 2020, with increasing detail accuracy ofthe input parameters, achieves values of real determined air flows with deviations of a few percent.The software is therefore suitable for the creation of the required flow simulations.The test object for the functionality of the ventilation concept is a real single-family house virtually equipped with ventilation elements. The ventilation elements appear there as simplified elements derived from a detailed overflow element. The results provide the volume flow for a temperature difference of 10 K, 20 K and 25 K between inside and outside temperature for an observation period of half an hour each.The results of the detailed building simulation with the integration of heat sources and CO2sources show for the simplified ventilation element 60 x 60 mm and closed interior doors a supplyair volume flow of the range from 113,1 m3/h (10 K) to 190,2 m3/h (25 K) by means of natural air exchange. Through open inner doors the volume flow increases by approx. 35 % - 153,9 m3/h(10 K) to 256,8 m3/h (25 K). This results in an air exchange rate of 0,25 1/h to 0,57 1/h for the entire building.The integration of CO2 sources in the simulations achieved a minimum air exchange rate of1,95 1/h for the living room and the kitchen with the ventilation element of 60 x 60 mm. In the considered time period of half an hour a reduction of the directly affected rooms of 15 % results.This value increases with increasing duration. After three hours the reduction is already 64 %.Without air exchange, the CO2 concentration would reach a value of over 2.000 ppm. The determined value for the hybrid ventilation concept is 717 ppm. The hybrid ventilation concepts continuous air exchange shows its potential here.