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Einzige Fachzeitschrift für Industrie-, Gewerbe-, Klimakälte und Wärmepumpen

Während für die Berechnung des Druckverlusts innerhalb von Rohrleitungen fest definierte Formeln zur Verfügung stehen, ist Vergleichbares für die Umgebungsluft eines im Aussenbereich aufgestellten Wärmeübertragers nicht verfügbar.

Die per Auslegung definierte Leistung eines Wärmeübertragers ist aber von einem bestimmten Luftvolumenstrom durch das Gerät und einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen Luft und Medium (t1) abhängig. Daher spielt der gewählte Aufstellort mit seinen lokalen Strömungsverhältnissen eine zentrale Rolle.
Der Wirkungsgrad eines aussen aufgestellten Wärmeübertragers hängt vom störungsfreien Luftein- und -austritt ohne Luftkurzschlüsse am Gerät (Rezirkulation) ab. Nur bei einem optimalen Temperatur- und Mengenverhältnis der zugeführten kühlen Aussenluft sowie dem ungehinderten Luftaustritt und Abtransport der warmen Fortluft kann das Gerät die Leistung erbringen, für die es konstruktiv ausgelegt ist. Grundsätzlich unterscheidet man zwei Einflussgrössen, welche die Leistung eines Wärmeübertragers negativ beeinflussen. Dies sind «zusätzliche luftseitige Druckverluste» und die «Rezirkulation».

«Zusätzlicher luftseitiger Druckverlust» als Ursache für eine thermische Leistungsminderung

Der «zusätzliche luftseitige Druckverlust» ergibt sich aus mehreren Einflussgrössen. Zum einen spielt die Konstruktion des Wärmeübertragers eine wichtige Rolle. Die entscheidende Grösse dabei ist die freie Anströmfläche, also die gedachte Oberfläche des Raums, der sich zum Beispiel unterhalb des abgebildeten Wärmeübertragerblocks befindet (siehe blaue Fläche in Abbildung 1).
Zum anderen haben bauliche Gegebenheiten einen grossen Einfluss auf die Strömungsverhältnisse am Aufstellort. In der Praxis finden sich häufig ungünstige Aufstellsituationen für aussen aufgestellte Verflüssiger oder Rückkühler. Insbesondere bei innerstädtischen Sanierungsvorhaben ist das Platzangebot auf Dächern sehr beschränkt. Sei es, weil Kältetechnik hinter Sichtschutzwänden «versteckt» werden soll(te) oder weil bei ohnehin sehr geringem Platzangebot beispielsweise Rohrleitungen und andere Aufbauten den freien Luftaustausch durch die Wärmeübertrager behindern. Diese Hindernisse verhindern in erster Linie, dass die frische Luft frei zu den Geräten strömen kann (Abbildung 2). Als dritter Einflussfaktor ist der Wind zu nennen, der bei entsprechend exponierten Lagen oder in Küstennähe einen grösseren «zusätzlichen luftseitigen Druckverlust» erzeugen kann, den der Ventilator überwinden muss.

«Rezirkulation» als Ursache für eine thermische Leistungsminderung

Rezirkulation wird ebenfalls durch bauliche Gegebenheiten, Windeinfluss und eine zu geringe Anströmfläche verursacht, aber die
Auswirkungen sind andere. Die Rezirkulation – also das Ansaugen bereits erwärmter Luft – verursacht eine höhere Lufteintrittstemperatur am Wärmeübertragerblock. Dies sorgt dafür, dass die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Luft sinkt und somit die Leistung des Geräts abfällt. Stehen Geräte im Windschatten von Gebäuden, können sich lokale Strömungswirbel ausbilden, welche die Abfuhr der erwärmten Fortluft des Geräts verhindern, da die Luft «rezirkuliert». Im Endeffekt sinkt damit die treibende Temperaturdifferenz t1 und der Wärmeübertrager kann die geforderte Leistung nicht erbringen.
In diesem, in der Praxis gar nicht seltenen, Fall wird die Rezirkulation in erster Linie durch den Aufstellort im Windschatten hervorgerufen, wo sich die Effekte von Gebäudegeometrie und Wind gegenseitig verstärken (Abbildung 3).

Versuchsreihen zur Quantifizierung der Störeinflüsse

Um die negativen Effekte verschiedener Aufstellsituationen auf den «zusätzlichen luftseitigen Druckverlust» und die Rezirkulation quantifizieren zu können, wurden im Güntner eigenen Entwicklungslabor verschiedene Anordnungen getestet. Zum einen wurde untersucht, wie sich die Verringerung des Anströmverhältnisses auf die Leistung auswirkt und zum anderen, welchen Einfluss der Wind auf den «zusätzlichen luftseitigen Druckverlust» hat. (Abbildung 4)
Mit abnehmender Anströmfläche sinkt der Luftvolumenstrom durch den Wärmeübertrager. Ein Anströmverhältnis – der Quotient aus Anströmfläche und Blockfläche – von 70 Prozent stellt dabei eine kritische Grenze dar, die nicht unterschritten werden sollte. Bei einem Anströmverhältnis über 70 Prozent ist dagegen nicht mit wesentlichen Luftmengenreduzierungen zu rechnen.
Der Einfluss der zweiten «Störgrösse» Wind auf den «zusätzlichen Druckverlust» wurde in einer Windkanalsituation nachgestellt. Treten beispielsweise Windgeschwindigkeiten von 10 m/s (2 ft/min) auf, muss je nach Ventilator-Charakteristik mit einer Reduzierung des Luftvolumenstroms zwischen 10 und 15 Prozent gerechnet werden (Abbildung 5).
 

«In der Regel können einzelne Störfaktoren nicht voneinander isoliert betrachtet werden, da sie sich in ihrer Wirkung verstärken. Bei Geräteauslegung und -aufstellung sollten sie aber möglichst individuell berücksichtigt und, wenn möglich, vermieden werden»
Michael Klöppner

Einfluss der Ausrichtung auf den Druckverlust

Darüber hinaus wurde untersucht, ob die Geräteausrichtung Einfluss auf den «zusätzlichen Druckverlust» hat. Dazu wurde der Luftstrom jeweils längs und quer zu den Lamellen geführt. Stehen die Lamellen quer zur Windrichtung, ist der Einfluss des Windes geringer, als wenn sie längs zur Windrichtung stehen. Grössere Anströmverhältnisse zeigten sich dabei deutlich windunempfindlicher. Daraus ergibt sich für die Aufstellung von Wärmeübertragern in windexponierten Lagen, dass die Geräte zweckmässigerweise mit den Lamellen quer zur Hauptwindrichtung aufgestellt werden.

 

Vorausschauende Planung

Güntner hat auf der Basis seiner empirischen Messungen in Feld- und Laboruntersuchungen geeignete Tools entwickelt, um die Auswirkungen von örtlichen Gegebenheiten zu berücksichtigen und zu minimieren. Der Güntner Product Configurator liefert verlässliche Planungsgrundlagen, um ein angemessen grosses und damit leistungsstärkeres Gerät auszuwählen. Bei nicht veränderbaren, ungünstigen Aufstellbedingungen können entsprechende Leistungsabschläge für «zusätzliche luftseitige Druckverluste» und «Rezirkulation» berechnet werden. Sollte also zum Beispiel eine Aufstellung in einer windreichen Lage unumgänglich sein, wird bei der Auslegung im Güntner Product Configurator ein «zusätzlicher luftseitiger Druckverlust» von etwa 15 bis 20 Prozent berücksichtigt.
Sehr komplexe Fragestellungen kann Güntner ausserdem ausserhalb des Güntner Product Configurator mit Hilfe von Strömungssimulationsmodellen beschreiben und auf diese Weise eine optimale Lösung generieren. Hierzu gibt es bereits eine Güntner Fachveröffentlichung (Thema: Anwendung numerischer Strömungssimulation (CFD) für die Optimierung von Wärmeübertragern) von Dr. Andreas Zürner. (Siehe friscaldo 04–17)