Luftgeführte Systeme: Funktionsweise und Dimensionierung der Anlagen

Luftgeführte Systeme sind eine der fortschrittlichsten und am weitesten verbreiteten Lösungen zur Regelung der Luftqualität in Gebäuden, sowohl im Wohn- als auch im Gewerbe-, Industrie- und Gesundheitsbereich. Die Notwendigkeit, eine gesunde, komfortable und energieeffiziente Umgebung zu gewährleisten, hat die Entwicklung von Belüftungssystemen vorangetrieben, die nicht nur einen kontinuierlichen Luftaustausch sicherstellen, sondern auch eine effektive Behandlung der Luft in Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen und den spezifischen Anforderungen der Räume bieten.

Was sind luftgeführte Systeme?

Luftgeführte Systeme sind komplexe Systeme, die für die Behandlung und Verteilung von Luft in geschlossenen Räumen bestimmt sind. Ihre Hauptfunktion besteht darin, eine angemessene Luftqualität und einen angemessenen Komfort in der Umgebung zu gewährleisten, indem sie auf verschiedene Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Schadstoffkonzentration und gleichmäßige Verteilung der Luft selbst einwirken. Diese Systeme unterscheiden sich von hybriden Systemen, die zusätzliche Technologien wie Heiz- oder Kühlpaneele oder hydronische Systeme integrieren, um gleichzeitig die Luft und die Umgebung zu behandeln. Luftgeführte Systeme konzentrieren sich hauptsächlich auf die Behandlung der einströmenden und ausströmenden Luft und verwenden Techniken der kontrollierten mechanischen Belüftung (KMB), um die Luft optimal zu steuern. Solche Systeme werden im Wohn-, Gewerbe-, Industrie- und öffentlichen Bereich eingesetzt und gewährleisten einen konstanten Luftaustausch sowie die Regelung von Temperatur und Feuchtigkeit, um ideale Umweltbedingungen zu jeder Jahreszeit aufrechtzuerhalten.

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Warum sind luftgeführte Systeme nützlich?

Das grundlegende Prinzip hinter luftgeführten Systemen besteht darin, einen angemessenen Luftaustausch sicherzustellen. In geschlossenen Räumen kann die Luftqualität schnell aufgrund verschiedener Faktoren wie der Produktion von Kohlendioxid (CO_₂), der Ansammlung von Feuchtigkeit, der Anwesenheit von Feinstaub, Allergenen und chemischen Schadstoffen beeinträchtigt werden. Die kontrollierte mechanische Belüftung (KMB) ist die Hauptmethode, um diesen Phänomenen entgegenzuwirken, da sie es ermöglicht, kontinuierlich und geregelt frische Luft von außen einzuführen, während gleichzeitig die verbrauchte Luft abgeführt wird. In diesem Kontext spielen luftgeführte Systeme eine grundlegende Rolle bei der Sicherstellung der Gesundheit der Umgebung, indem sie den Fluss von Außen- und Innenluft ausbalancieren, optimale Sauerstoffwerte aufrechterhalten und die Konzentration von Schadstoffen reduzieren.

In einem luftgeführten System wird die Außenluft zunächst von einer Luftbehandlungsanlage (LBA) behandelt, die sie reinigt und an die Bedürfnisse der Umgebung anpasst. Diese Behandlung kann Filtrationsvorgänge umfassen, um Staub, Pollen, Bakterien, Viren und andere Schadstoffe zu entfernen, sowie Heiz- oder Kühlvorgänge zur Regulierung der Temperatur, sodass die in die Räume eingebrachte Luft komfortabel ist. In einigen Fällen kann auch eine Befeuchtung oder Entfeuchtung erforderlich sein, um den Feuchtigkeitsgehalt zu kontrollieren und zu vermeiden, dass die Umgebung zu trocken oder zu feucht wird, was das Wachstum von Schimmel begünstigen oder Unbehagen verursachen könnte. In sehr großen Räumen oder in energieeffizienten Gebäuden werden Wärmerückgewinnungstechnologien eingesetzt, um die Energieeffizienz zu optimieren. Diese Technologien ermöglichen es, die Energie der ausströmenden Luft zu nutzen, um die einströmende Luft vorzuwärmen oder vorzukühlen, wodurch der Energieverbrauch für Heizung und Kühlung gesenkt wird.

Das Herzstück eines luftgeführten Systems ist daher das Luftbehandlungssystem, das die Qualität der zugeführten Luft gewährleistet, aber auch den Luftstrom, der gleichmäßig verteilt werden muss, ohne dass es zu Stauzonen kommt. Die mechanische Belüftung muss so geplant werden, dass eine homogene Verteilung der Luft innerhalb der Räume gewährleistet ist, um zu warme oder kalte Zonen oder Bereiche mit schlechter Zirkulation zu vermeiden. Darüber hinaus muss der dynamische Druck innerhalb der Verteilungskanäle gut ausbalanciert sein, um Probleme mit Über- oder Unterdruck zu vermeiden, die die Effizienz des Systems beeinträchtigen könnten.

Wie ist ein luftgeführtes System aufgebaut?

Ein luftgeführtes System besteht aus verschiedenen Elementen, von denen jedes eine spezifische Funktion erfüllt. Die Hauptkomponente eines luftgeführten Belüftungssystems ist die Luftbehandlungsanlage (LBA). Diese Einheit ist dafür verantwortlich, die einströmende Luft, die von außen kommt, zu behandeln, bevor sie über Kanäle und Auslässe in die Räume verteilt wird. Die Hauptvorgänge, die von der LBA durchgeführt werden, umfassen die Filtration der Luft zur Entfernung von Verunreinigungen und festen Partikeln aus der Außenluft, das Heizen oder Kühlen der Luft, um sie an die gewünschte Temperatur anzupassen, sowie die Befeuchtung oder Entfeuchtung, um die relative Luftfeuchtigkeit zu regulieren und so Unbehagen sowie das Wachstum von Bakterien und Pilzen zu vermeiden.

Die behandelte Luft wird dann über ein Netzwerk von Kanälen in die Räume verteilt. Diese Kanäle sind so konzipiert, dass sie den Druckverlust, also den Widerstand beim Durchgang der Luft, minimieren, und sie müssen ausreichend dimensioniert sein, um einen homogenen und gleichmäßigen Luftstrom zu gewährleisten. Die Materialien der Kanäle variieren, aber die gebräuchlichsten sind verzinkter Stahl und widerstandsfähige Kunststoffmaterialien. Innerhalb dieser Kanäle kann die Luft über Auslässe und Gitter verteilt werden. Die Verteilungsauslässe können an der Decke, an der Wand oder am Boden montiert werden, je nach den spezifischen Anforderungen des Projekts. Die Abluftgitter hingegen dienen dazu, die verbrauchte Luft aus dem Raum zu entfernen und ein Gleichgewicht zwischen der einströmenden und der ausströmenden Luft zu schaffen, ohne den Innendruck zu beeinträchtigen.

In einem luftgeführten System ist das Gleichgewicht zwischen zugeführter und abgeführter Luft entscheidend für die ordnungsgemäße Funktion. Zu diesem Zweck ist das Abluftsystem ebenso wichtig wie das Verteilungssystem. Überschüssige oder kontaminierte Luft wird von Abluftventilatoren abgeführt, die entweder direkt in den Räumen oder in zentralen Kanälen installiert werden können, je nach Konfiguration des Systems. Diese Systeme sind so konzipiert, dass sie einen konstanten Luftstrom gewährleisten und verhindern, dass stagnierende Luft die Qualität der Umgebung beeinträchtigt.

Darüber hinaus sind moderne luftgeführte Systeme oft mit ausgeklügelten Steuerungs- und Automatisierungssystemen ausgestattet, die es ermöglichen, in Echtzeit Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, Luftqualität und Luftstromgeschwindigkeit zu überwachen und zu regulieren. CO_₂-Sensoren, Feinstaub und VOC (flüchtige organische Verbindungen) ermöglichen es, den Energieverbrauch zu optimieren und die Umweltparameter innerhalb der idealen Grenzen zu halten. Die Steuerzentralen wiederum verwalten das gesamte System, indem sie autonom die Ventilatoren, die Heizung, die Kühlung und die Entfeuchtung basierend auf den erfassten Umweltbedingungen regulieren.

Luftgeführtes System: die Funktionsweise

Die Funktionsweise entwickelt sich durch eine Reihe von Phasen, die vom Entnehmen der Außenluft über deren Behandlung, Verteilung und schließlich Ausstoß reichen, um die Luftqualität im Gebäude konstant zu halten. Lassen Sie uns daher die verschiedenen Phasen der Funktionsweise eines luftgeführten Systems im Detail betrachten.

Entnahme der Außenluft

Der erste Schritt in einem luftgeführten System ist die Entnahme der Außenluft. Dieser Prozess erfolgt über eine externe Öffnung, die je nach Projekt an einer Wand oder auf dem Dach des Gebäudes positioniert sein kann. Die von außen kommende Luft kann eine Vielzahl von Substanzen enthalten, wie Staub, Luftschadstoffe, Pollen und andere Verunreinigungen. Deshalb ist es notwendig, sie zu behandeln, bevor sie in die Innenräume eingebracht wird.

Die Außenluft wird durch Ansaugkanäle entnommen, die sie zur Luftbehandlungsanlage (LBA) leiten, wo die nachfolgenden Behandlungen stattfinden. Die Menge der entnommenen Luft wird basierend auf der Anzahl der Personen, die den Raum belegen, der Größe des Raumes und den Anforderungen an die Luftqualität berechnet.

Filtration der Luft

Sobald die Luft entnommen wurde, besteht der nächste Schritt in der Filtration. Die Außenluft enthält Staubpartikel, Smog, Pollen und Mikroorganismen, die die Qualität der Innenumgebung beeinträchtigen können. Die Filter in der LBA sind so konzipiert, dass sie diese Partikel auffangen und die Luft reinigen, bevor sie in die Räume eingebracht wird. Die Filter bestehen in der Regel aus Materialien wie synthetischen Fasern, Aktivkohle (um Gerüche und flüchtige organische Verbindungen zu entfernen) oder HEPA-Filtern (High Efficiency Particulate Air), die auch sehr feine Partikel auffangen.

Die Qualität der Filtration hängt von der Art des verwendeten Filters und deren Effizienz ab, die durch die Filterklasse gemessen wird. Beispielsweise werden Filter der Klassen F7 oder F9 (im europäischen Bereich) verwendet, um feine Partikel zurückzuhalten, während HEPA-Filter auch Bakterien und Viren entfernen können.

Thermische Behandlung der Luft

Nach der Filtration kann die Luft einer thermischen Behandlung unterzogen werden, d.h. Heizung oder Kühlung, je nach klimatischen und saisonalen Bedürfnissen. Diese Phase ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die in die Innenräume eingebrachte Luft immer komfortabel ist und eine stabile Temperatur aufrechterhält.

• Heizung: Wenn die Außenluft kalt ist, wird die Luft vor der Einbringung ins Gebäude erwärmt. Dies erfolgt durch Heizbatterien innerhalb der LBA, die mit verschiedenen Energiearten betrieben werden können, wie Gas, Elektrizität oder zentrale Heizsysteme. Die Luft wird dann auf die eingestellte Temperatur gebracht, die von den Anforderungen des Gebäudes abhängt (z.B. zwischen 18°C und 22°C für einen Wohnraum);
• Kühlung: Wenn die Außenluft warm ist und das Gebäude eine Kühlung benötigt, wird die Luft durch einen Wärmetauscher oder eine Kühlbatterie behandelt, die die Temperatur der Luft durch Kühlung senkt. In einigen fortschrittlichen Systemen kann die Kühlung der Luft durch ein Verdunstungskühlsystem erreicht werden, bei dem die Luft durch ein feuchtes Medium geleitet wird, das Wärme absorbiert und kühlere Luft abgibt.

Befeuchtung oder Entfeuchtung

Eine weitere kritische Phase für das Wohlbefinden der Bewohner ist die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit. Die relative Luftfeuchtigkeit in den Räumen muss innerhalb idealer Grenzen gehalten werden, um Probleme im Zusammenhang mit einem Übermaß oder einem Mangel an Feuchtigkeit zu vermeiden.

• Befeuchtung: In Räumen, in denen die Luft zu trocken ist (zum Beispiel im Winter oder in Räumen mit Zentralheizung), kann die Luft durch Geräte befeuchtet werden, die Wasserdampf in die Luft sprühen. In einigen luftgeführten Systemen gibt es adiabatische Befeuchter, die die Luftfeuchtigkeit einfach durch einen Verdampfungsprozess erhöhen;
• Entfeuchtung: In Räumen mit übermäßiger Feuchtigkeit (typischerweise im Sommer oder in geschlossenen Räumen wie Küchen und Bädern) kann die Luft entfeuchtet werden. Dieser Prozess erfolgt durch Geräte wie Entfeuchtungsbatterien oder Wärmetauscher, die die Luft abkühlen, um die Kondensation in einem Auffangbehälter zu leiten.

Verteilung der behandelten Luft

Nachdem die Luft gefiltert, thermisch behandelt und, falls erforderlich, befeuchtet oder entfeuchtet wurde, wird sie durch ein Kanalsystem in die Räume eingebracht. Diese Kanäle, die aus Materialien wie verzinktem Stahl oder Kunststoff hergestellt werden können, transportieren die behandelte Luft in die verschiedenen Zonen des Gebäudes.

Die Verteilung der Luft erfolgt über Diffusoren, die Geräte sind, die je nach Planung an der Decke, Wand oder Fußboden angebracht sind. Die Diffusoren sind so konzipiert, dass sie eine gleichmäßige Verteilung der Luft gewährleisten und die Bildung von stagnierenden Zonen oder unangenehmen Zugluft verhindern. Je nach Art der Anlage und den spezifischen Anforderungen können die Diffusoren verstellbar sein, sodass die Benutzer den Luftstrom in die gewünschten Richtungen lenken können.

Abzug der verbrauchten Luft

Parallel zum Eintritt der frischen Luft ist ein System zum Abzug der verbrauchten Luft erforderlich, das die erschöpfte Luft entfernt und durch neue Luft ersetzt. Die verbrauchte Luft ist die, die einen Teil des Sauerstoffs verloren hat und Schadstoffe wie Kohlendioxid (CO₂), Dämpfe, Gerüche, Staub und Feuchtigkeit angesammelt hat. Der Abzug erfolgt in der Regel über Abluftventilatoren, die an strategischen Punkten wie Bädern, Küchen oder Gemeinschaftsbereichen platziert werden können. Diese Ventilatoren saugen die überschüssige Luft an und leiten sie über ein Auspuffkanalsystem nach außen.

Automatische Kontrolle und Regelung

Moderne luftgeführte Systeme sind mit ausgeklügelten Steuerungs- und Automatisierungssystemen ausgestattet, die ständig die Luftqualität, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und andere Umweltparameter überwachen. Durch den Einsatz von Sensoren (z. B. CO₂-Sensoren, PM10, VOC und Feuchtigkeit) ist das System in der Lage, den Fluss der behandelten Luft automatisch zu regeln, indem es die Luft je nach den erfassten Bedingungen heizt, kühlt, befeuchtet oder entfeuchtet. Die Steuerzentralen können so programmiert werden, dass sie die Ventilatoren ein- oder ausschalten, den Luftstrom regulieren oder die Einstellungen der thermischen Behandlung je nach Bedarf ändern.

Typen von luftgeführten Systemen

Es gibt verschiedene Typen von luftgeführten Systemen, die jeweils spezifische Merkmale aufweisen:

• natürliche Belüftungssysteme: Diese Systeme nutzen die Unterschiede im atmosphärischen Druck sowie die Innen- und Außentemperatur, um den Luftstrom zu erleichtern. Sie können kontrollierte Öffnungen (wie Fenster und Diffusoren) und Kanäle umfassen, die darauf ausgelegt sind, die Effizienz des Luftstroms zu maximieren. Ihre Wirksamkeit kann jedoch erheblich von den äußeren klimatischen Bedingungen abhängen;
• kontrollierte mechanische Belüftungssysteme (VMC): Diese Systeme sind mit Ventilatoren ausgestattet, die so eingestellt werden können, dass sie einen konstanten Luftstrom aufrechterhalten. Sie können unterteilt werden in: Einfache VMC: Saugt Luft von außen an und führt sie in die Innenräume ein, ohne Wärme zurückzugewinnen. Diese Systeme sind einfacher zu installieren, aber energetisch weniger effizient;
• doppelte VMC: Beinhaltet einen Wärmetauscher, der die Rückgewinnung von Wärme aus der abgeführten Luft ermöglicht und die Energieeffizienz verbessert. Diese Art von System ist besonders vorteilhaft in kalten Klimazonen, da es den Energiebedarf für die Heizung reduziert.

Luftgeführte Systeme und Primärluft

Luftgeführte Systeme unterscheiden sich in:

• luftgeführte Systeme: Der lufttechnische Kreislauf heizt oder kühlt die Räume;
• Primärluftsysteme: Der lufttechnische Kreislauf hat die Funktion der Belüftung und der Vorheizung oder Vorkühlung.

Während das luftgeführte System ein vollständiges System für die Verwaltung der Belüftung und des Komforts im Innenbereich darstellt, ist die Primärluft ein spezifisches Element, das frische Luft von außen in das System liefert. Beide sind entscheidend für die Gewährleistung einer gesunden und komfortablen Umgebung, arbeiten jedoch auf unterschiedlichen Ebenen im Kontext der mechanischen Belüftung.

Ein System mit Primärluft ist eine Art von Belüftungssystem, das Außenluft als Basisfluid für die Behandlung der Umgebung verwendet, jedoch mit einem Ansatz, der die Luft mit anderen Systemen kombiniert, um den thermischen Komfort zu gewährleisten. In der Konfiguration des Systems mit Primärluft wird die Luft in den Raum eingebracht und teilweise zur Deckung des thermischen Bedarfs verwendet, ist jedoch nicht das einzige Mittel zur Heizung oder Kühlung. In der Regel wird in diesem System die Primärluft (Außenluft) hauptsächlich zur Belüftung und zum Luftaustausch verwendet, während die eigentliche thermische Behandlung (Heizung und Kühlung) durch andere Systeme wie Strahlungsplatten, Konvektoren oder Heiz- und Kühlbatterien erfolgt.

Ein typisches Beispiel für Primärluft ist die behandelte Zuluft aus einem Belüftungssystem, die durch ein Klimaanlagensystem beheizt oder gekühlt werden kann, jedoch nicht die einzige Quelle für den thermischen Komfort darstellt. In diesem Fall arbeitet das Belüftungssystem synergistisch mit anderen Systemen, die zur Regelung der Raumtemperatur beitragen, wie beispielsweise einem Strahlungskühlsystem oder einer thermischen Austauschbatterie.

Die Hauptunterschiede

Die Hauptunterschiede zwischen den beiden Systemen lassen sich in verschiedenen Aspekten feststellen, darunter:

Funktionsprinzip

• luftgeführtes System: Die Luft ist das einzige behandelte Fluid, das verteilt wird, um den thermischen Komfort und die Luftqualität zu gewährleisten, wobei Heizung, Kühlung und Entfeuchtung direkt durch die Behandlung der Luft selbst erfolgen;
• System mit Primärluft: Die Außenluft wird hauptsächlich zur Lufterneuerung und Belüftung verwendet, während die thermische Behandlung durch andere Systeme wie Kühl- und Heizbatterien, Strahlungsplatten oder Konvektoren erfolgt.

Thermische Behandlung

• luftgeführtes System: Die Heizung oder Kühlung erfolgt direkt in der Luftbehandlungsanlage (UTA), ohne dass ein anderes Klimatisierungssystem erforderlich ist;
• System mit Primärluft: Die Primärluft wird zur Lufterneuerung behandelt, ist jedoch nicht allein für die thermische Behandlung verantwortlich, die durch ein separates System erfolgt.

Hilfssysteme

• luftgeführtes System: Benötigt keine Hilfssysteme zur Klimatisierung, da die Luft direkt behandelt und verteilt wird;
• System mit Primärluft: Verwendet andere Geräte (wie Heizgeräte, Heizkörper, Strahlungsplatten) zur thermischen Behandlung, während die Primärluft lediglich die Lufterneuerung gewährleistet.

Anwendungen

• luftgeführtes System: Geeignet für Gebäude, in denen eine ständige Kontrolle der Luftqualität und Temperatur erforderlich ist, wie Wohnhäuser, Büros, Schulen und Krankenhäuser;
• System mit Primärluft: Wird häufig in gewerblichen oder industriellen Gebäuden eingesetzt, in denen die Primärluft hauptsächlich zur Belüftung dient, während andere thermische Systeme für die Heizung oder Kühlung zuständig sind.

Dimensionierung des luftgeführten Systems

Die Dimensionierung eines luftgeführten Systems ist ein komplexer technischer Prozess, der eine genaue Bewertung verschiedener Faktoren erfordert, um ein korrektes Gleichgewicht zwischen dem Bedarf an Belüftung, der Luftbehandlung (Heizung, Kühlung, Befeuchtung und Entfeuchtung) und der Energieeffizienz zu gewährleisten. Dies umfasst die Planung aller Hauptkomponenten der Anlage: die Luftbehandlungsanlage (UTA), das Luftverteilungssystem, die Ventilatoren und die Abzugssysteme sowie das Energiemanagement.

Berechnung des Luftbedarfs

Der erste grundlegende Schritt bei der Dimensionierung eines luftgeführten Systems ist die Berechnung des Luftbedarfs für jeden Raum. Dieser Wert hängt von verschiedenen Variablen ab, wie der Anzahl der anwesenden Personen, den durchgeführten Aktivitäten, den Raumgrößen und der erforderlichen Luftqualität.

Berechnung des Luftstroms für die Luftbehandlungsanlage (UTA)

Der in der vorherigen Phase berechnete Luftstrom bestimmt die minimalen Kapazitäten der UTA. Es ist notwendig, das Volumen der zu behandelnden Luft für das gesamte Gebäude oder für einzelne Räume zu berechnen. Dieser Wert hängt vom Luftstrom pro Person und der Anzahl der Personen oder der Größe der Räume ab. Wenn ein Büro von 100 m² einen erforderlichen Luftstrom von 10 m³/h pro Person hat und 20 Personen beherbergt, beträgt der gesamte erforderliche Luftstrom für den Raum:

Gesamtstrom=10 m³/h pro Person × 20 Personen=200 m³/h

Dieser Wert muss berücksichtigt werden, um die UTA korrekt zu dimensionieren.

Dimensionierung der Kanäle und des Luftverteilungssystems

Die Planung des Kanalsystems und der Diffusoren ist ein wichtiger Schritt, um eine gleichmäßige Verteilung der Luft in allen Räumen zu gewährleisten. Um das Netzwerk korrekt zu dimensionieren, müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden: Luftgeschwindigkeit, Durchmesser der Kanäle, Luftverteilung.

Auswahl und Dimensionierung der Ventilatoren

Die Ventilatoren sind entscheidend, um den erforderlichen Luftstrom durch das System zu gewährleisten. Die Auswahl der Ventilatoren hängt vom erforderlichen Volumenstrom, den Druckverlusten im System und dem statischen Druck ab. Die Luftbehandlungsanlage muss insbesondere mit Ventilatoren ausgestattet sein, die in der Lage sind, den gewünschten Luftstrom aufrechtzuerhalten, ohne die Energieeffizienz zu beeinträchtigen. Der Druckverlust in den Rohrleitungen und Filtern muss geschätzt und in die Berechnungen einbezogen werden, um die erforderliche Leistung für die Ventilatoren zu bestimmen. Der statische Druck muss ausreichend sein, um die Druckverluste des Systems (Kanäle, Filter, Gitter usw.) zu überwinden.

Berechnung der thermischen Leistung für Heizung und Kühlung

Es ist notwendig, die thermische Leistung zu berechnen, die erforderlich ist, um die zugeführte Luft zu heizen oder zu kühlen, was von der Temperaturdifferenz zwischen der Außen- und Innenluft abhängt. Diese Berechnung ist entscheidend, um die Heiz- oder Kühlbatterien in der UTA korrekt zu dimensionieren. Die erforderliche thermische Leistung kann mit der Formel berechnet werden:

P = V × C × ΔT

wobei:

• P die Leistung (in kW) ist;
• V der Volumenstrom (in m³/s) ist;
• C die spezifische Wärmekapazität der Luft (ungefähr 0,33 kJ/m³ °C) ist;
• ΔT die Temperaturdifferenz (in °C) ist.