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4.2 Luftströmungen durch Fugen und Öffnungen

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Die Beschreibung des Luftaustausches in und um ein Gebäude [4.16] und die damit verbundenen Wärme-, Feuchte- und Schadstofftransporte stellen ein komplexes, instationäres, nicht lineares Mehrzonenproblem dar. Es sind die treibenden Kräfte (Winddruck, Temperaturdifferenzen usw.), die Strömungsdurchlässe (z. B. Fugendurchlasskoeffizient) sowie das Baustoff- (u. a. Speichereffekte) und das Benutzerverhalten (variable Öffnungen, Ausdünstungen usw.) zeitlich und örtlich zu berücksichtigen.

In einfacheren Fällen genügt es, den Zu- bzw. den Abluftstrom als gebäude- oder raumbezogene Grösse anzugeben. Der Luftstrom qv der in einen Raum (Gebäude) eindringt bzw. den Raum (Gebäude) verlässt, dividiert durch das Netto-Raum- (Gebäude-)Volumen VR wird in der Umgangssprache als «Luftwechsel» (Einheit: h–1). Der Kehrwert des raumbezogenen Luftstroms wird als «Nennzeitkonstante» des Raumes bezeichnet.

(4.1)

na gibt also an, wie oft im Mittel pro Stunde unter Annahme idealer Verdrängungslüftung (Kolbenströmung) die Raumluft ausgetauscht wird.

Bei Systemen mit Umluftbeimischung ist es wichtig, dass klar zwischen Aussenluftstrom und totalem Luftstrom unterschieden wird.

Druckdifferenzen zwischen Innen- und Aussenklima erzeugen über Undichtigkeitsstellen in der Gebäudehülle einen Luftstrom. Die Druckdifferenz Δp kann einerseits durch Winddruck und/oder thermischen Auftrieb hervorgerufen werden. Dabei fliesst Luft unkontrolliert durch die Undichtigkeiten der Gebäudehülle aufgrund innerer und äusserer Klimabedingungen → natürlicher Luftwechsel.

Andererseits bieten raumlufttechnische Anlagen die Möglichkeit, die Druckdifferenz Δp und somit auch den durch das Gebäude ziehenden Luftstrom kontrolliert zu beeinflussen → erzwungener Luftwechsel.

Bei einer gegebenen Druckdifferenz hängt die Art der Strömung von der Grösse und der Form der einzelnen Öffnung ab. Für relativ grosse Durchlässe wie z. B. Lüftungsschlitze oder grosse Fugen bei schlecht dichtenden Fenstern ist die Strömung normalerweise turbulent, und der resultierende Volumenstrom ist proportional zu . Für sehr enge Ritzen und Spalten mit relativ langen Strömungswegen wie Risse im Mörtel oder Fugen bei gut eingepassten Fenstern wird die Strömung primär durch die Zähigkeit der Luft bestimmt, ist also im Wesentlichen laminar und proportional zu Δp.

Bei Bauteilfugen liegt meistens eine Kombination der beiden Strömungsregime vor, und die Strömungsrate kann durch einen Potenzansatz dargestellt werden (Fugenströmungsgesetz):

(4.2)

Bei Fenstern/Türen lässt sich der Luftvolumenstrom im bauphysikalisch relevanten Druckbereich mit Hilfe obigen Gesetzes und der Definition des sog. Fugendurchlasskoeffizienten aF wie folgt darstellen:

(4.3)

Der Exponent n der Druckdifferenz und der Fugendurchlasskoeffizient aF bzw. die Durchlässigkeit aF · l  lassen sich aus experimentell bestimmten Luftdurchlässigkeitskennlinien ableiten und variieren je nach Konstruktion des entsprechenden Bauteils.

Luftdurchlässigkeitskennlinien von Bauelementgruppen
Abbildung 4.2: Luftdurchlässigkeitskennlinien von Bauelementgruppen (Fenster und Türen) eines Treppenhauses, in Abhängigkeit des Abdichtungsgrades ausgewählter Bauteilfugen (aF · l in m3 · h–1 · Pa–n) [4.8]

Der Wert des Exponenten n liegt zwischen 1,0 (laminare Strömung durch Fuge) und 0,5 (turbulente Strömung durch Fuge). Für erste Abschätzungen wird normalerweise ein Mittelwert von n = 2/3 eingesetzt. In Kanälen und Kaminen gehorcht die Strömung dem sog. Kanalströmungsgesetz (turbulente Strömung):

(4.4)

Die Strömung bei Fenstern und Türen im geschlossenen Zustand wird durch die Durchlässigkeit D (= a F · l bzw. a A · A ) und den Exponenten n der Druckdifferenz beschrieben. Der geöffnete Zustand aber erfordert spezielle Aufmerksamkeit, da extrem grosse Öffnungen meistens die Lage der neutralen Zone beeinflussen (vgl. Abschnitt 4.3.2).

Die Durchströmung lässt sich nicht mehr durch einen einheitlich gerichteten Luftstrom darstellen; die Öffnung wird in einzelne horizontale Streifen unterteilt, wobei die so entstehenden Strömungspfade alle separat zu behandeln sind.

Unterschiedliche Temperaturen oder vertikale Temperatur- bzw. Dichtegradienten in den angrenzenden Zonen führen zu einer Zweiwegströmung, die derjenigen durch den allenfalls noch vorhandenen Zonendruckunterschied überlagert wird. Die Strömungsverteilung über die Höhe der Öffnung hängt dabei primär von den Wärmestrommustern in den beidseitigen Zonen ab (vgl. Abb. 4.3).

Aufteilung der Luftströmung durch eine grosse Öffnung in mehrere, geschichtete Strömungspfade; Druck- und Strömungsregime durch eine grosse Öffnung bei « homogenen » Verhältnissen
Abbildung 4.3: Aufteilung der Luftströmung durch eine grosse Öffnung in mehrere, geschichtete Strömungspfade; Druck- und Strömungsregime durch eine grosse Öffnung bei « homogenen » Verhältnissen (reine Konvektion, Zweiwegströmung mit neutraler Zone (NZ) ungefähr in der Mitte der Öffnung)

4.2.1 Zusammenwirken mehrerer Fenster/Türen

Analog den Durchlass- und Übergangswiderständen beim stationären Wärme- und Feuchtetransport durch Baukonstruktionen lassen sich auch die «Widerstände » bzw. die Durchlässigkeiten von Fenster- und Türfugen bei einfachen Gebäudestrukturen zu Ersatzdurchlässigkeiten zusammenfassen (vgl. Abb. 4.4):

Elektrisches Ersatzschaltbild für zusammengesetzte Fugenströmung
Abbildung 4.4: Elektrisches Ersatzschaltbild für zusammengesetzte Fugenströmung (Querströmung in einem Stockwerk)

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