Experimentelle Untersuchung der Strömungsstrukturen in einer Mischlüftung

Aachen / E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2013, 2014) [Doktorarbeit]

Seite(n): XV, 94 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Die thermische Behaglichkeit ist ein wichtiges Kriterium bei der Auslegung von Gebäuden. Sie ist abhängig von der lokalen Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung in einem Raum. Die in einem Raum entstehenden Strömungsstrukturen sind bis heute nur unzureichend erforscht. In einem neuen Modellraum, dem Aachener Modellraum, werden daher experimentelle Untersuchungen durchgeführt, die Aufschluss über Strukturbildungsprozesse innerhalb einer Raumluftströmung geben. Der Aachener Modellraum ist 3~m hoch, 4~m breit und 5~m lang. Über die gesamte Länge des Modellraumes sind vier Wärmequellen eingebracht. Jede dieser Wärmequellen ist 0,6~m hoch, 0,4~m breit und 5~m lang. Der Einsatz von Labornetzgeräten erlaubt das Variieren der internen Lasten im Modellraum zwischen 0~kW und 6~kW. Alle Innenwandflächen des Modellraumes sind mit Aluminiumfolie beklebt. Aluminium hat einen niedrigen Emissionsgrad, so dass der Strahlungseinfluss bei den experimentellen Untersuchungen vernachlässigt werden kann. Die Zuluft wird im Deckenbereich auf beiden Seiten des Modellraumes über die gesamte Länge eingebracht. Jeder der Zuluftdurchlässe ist 20~mm hoch und 1~m breit. Die Zuluft wird entweder beidseitig oder über nur eine Seite eingebracht. Die Abluft wird sowohl beidseitig und einseitig über die gesamte Länge oder nur im hinteren Teil des Modellraumes abgeführt. Die Geschwindigkeiten der Raumluftströmung werden mit zwölf omnidirektionalen Geschwindigkeitssonden gemessen. Die Sensoren messen den Betrag der Geschwindigkeit. Die Lufttemperaturen werden mit zwölf Widerstandsthermometern erfasst. Die Sensoren sind jeweils in einem Abstand von 0,33~m an einem horizontalen Aluminiumprofil befestigt. Dieses Aluminiumprofil wird mittels einer Traversiervorrichtung im Modellraum positioniert. Bei isothermen Randbedingungen und bei Mischkonvektion mit dominierender erzwungener Konvektion bilden sich stabile Strömungsstrukuren der Raumluft aus. Wird die Zuluft beidseitig in den Modellraum eingebracht, bilden sich zwei stabile Raumluftwalzen. Wird die Zuluft einseitig bereit gestellt, ergibt sich eine große Raumluftwalze. In beiden Fällen ist die Strömungsstruktur nahezu zweidimensional über die gesamte Länge des Modellraumes. Dominiert weder die freie noch die erzwungene Konvektion, entsteht sowohl für die beidseitige als auch für die einseitige Zulufteinbringung eine instabile Strömungsstruktur. Im oberen Teil des Modellraumes ist die Struktur der Raumluftströmung durch den Einfluss der erzwungenen Konvektion geprägt. Im unteren Bereich überwiegt der Einfluss der Wärmequellen. Das gesamte Strömungsbild ist dreidimensional. Die in Strömungssimulationen zur Anwendung kommenden Turbulenzmodelle basieren auf der Annahme voll turbulenter Strömungen. Dabei kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass innerhalb einer Raumluftströmung Bereiche existieren, die nicht unabhängig von der Reynolds-Zahl am Zuluftdurchlass sind. Experimentelle Untersuchungen geben Aufschluss über diese Bereiche niedrigster Geschwindigkeit. Die Geschwindigkeit, die mindestens notwendig ist, um überall im Raum eine Unabhängigkeit von der Zuluftgeschwinigkeit garantieren zu können, wird von der Durchlassfläche und dem Zuluftimpulsstrom bestimmt. In den hier betrachteten Durchlassgeometrien kann ein Zusammenhang zwischen diesen Größen hergestellt werden. Der Einfluss der Randbedingungen auf die Ausbildung der Strömungsstrukturen im Modellraum wird in umfangreichen experimentellen Untersuchungen genauer betrachtet. Niedrige Geschwindigkeiten und hohe thermische Lasten verursachen ein instabiles Strömungsbild. Wird die Zuluftgeschwindigkeit erhöht, stabilisiert sich die Strömungsstruktur und ist nahezu zweidimensional über die gesamte Länge des Modellraumes. Ein Umschlagpunkt zwischen instabiler und stabiler Strömung kann bei verschiedenen thermischen Lasten und Zuluftgeschwindigkeiten bei der selben Archimedes-Zahl gefunden werden, wenn die Zuluft und die thermischen Lasten über die gesamte Länge des Modellraumes bereit gestellt werden. Bei isothermen Randbedingungen oder aber bei Mischkonvektion mit überwiegend erzwungener Konvektion ergibt sich eine nahezu zweidimensionale Strömungsstruktur über die gesamte Modellraumlänge. Bei diesen Randbedingungen hat die Position der Abluftöffnung keinen Einfluss auf die Struktur der Raumluftströmung. Mit Erhöhung der internen Lasten erlangt die Strömungsstruktur einen dreidimensionalen Charakter und ist instabil. In diesem Fall ist der Einfluss der Position der Abluftöffnung ausreichend um eine Strukturänderung der Raumluftströmung zu verursachen.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Kandzia, Claudia

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-49811
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-144713