Institut für Energietechnik (IET)
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Covid-19

Raumlüftung, UV-Dekontamination und Wärmemanagement

Am IET Institut für Energietechnik arbeiten Fachexperten für Simulationstechnik, Messtechnik, Gebäudetechnik und weiteren Fachbereichen an aktuellen Herausforderungen. Das Impulsprogramm "Innovationskraft Schweiz" fördert innovative Produktentwicklungen. Am IET stehen ganzheitliche und fachübergreifende Forschungsfragen im Fokus.

Mit dem Corona-Sommer 2020 sind Raumlüftungen plötzlich en vogue. Massenmedien berichteten über die effiziente Filterleistung der Lüftung in Flugzeugen und Hotels. In Konzertsälen und Theater wurden Nebelversuche durchgeführt um zu beurteilen, ob sich eine kritische Konzentration an Aerosolen bilden könnte oder wo die ausgeatmete Luft mutmasslich durchströmt. Solche Experimente und Feldversuche sind wichtig durchzuführen, jedoch geht das Sichtbarmachen der Luftströmungen mit grossem Aufwand einher. Hierbei aber wird nur ein Teilaspekt beleuchtet: mit dem Winter kommen auch Fragen zum Wärmemanagement in Gebäuden hinzu. Denn bei ständig geöffneten Fenstern kann man wörtlich auch Geld hinausströmen lassen.

Das menschliche Wohlbefinden in einem Raum hängt von vielen Faktoren ab. Individuelle Empfindungen treffen auf physikalisch präzise messbare Grössen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Strömungsgeschwindigkeit. Ist es angenehm warm? Zieht es? Herrscht dicke Luft? Jeder Mensch empfindet anders. Eine individuell angemessene Beurteilung des Raumklimas zu finden, scheint fast unmöglich.

Hand in Hand

Die moderne wissenschaftliche Erkenntnis basiert auf drei Säulen: klassische Experimente, theoretische Zusammenhänge, und virtuelle Experimente (Computersimulationen). Auf leistungsstarken Computern durchgeführte Strömungssimulationen werden oftmals nur mit der Automobil- und Flugzeugbranche oder dem Rennsport in Verbindung gebracht. Sie sind jedoch ein bewährtes Mittel, welche auf die spezifischen Umstände angepasst werden können. Sie dienen vielerorts auch als günstige Ergänzung und Alternative. Am IET Institut für Energietechnik werden Simulationen in Teamarbeit von Fachexperten für Gebäudetechnik, Messtechnik, und Simulationstechnik verwendet, um gemeinsam aktuelle Herausforderungen der Wirtschaft und Gesellschaft zu meistern.

Simulationen zum Raumklima sind etablierter, als es der aktuelle Hype suggerieren könnte. Bereits 2014 führten wir gemeinsam mit Barcol-Air als Industriepartner Vergleiche zwischen Simulationen und Experimenten zu Klimadecken durch. Barcol-Air betreibt ein aufwändig ausgerüstetes Messlabor mit einer Vielzahl an Sensoren und Heizquellen ("Norm-Menschen"), welches verschiedene Aspekte eines Büroarbeitsraums nachbilden soll. Eine messtechnische Schwierigkeit liegt in der Natur der Sache: das Messlabor muss zuerst mit dem umliegenden

Gebäude "eingeschwungen" werden, um den typischen Temperaturzyklus eines normalen Arbeitstages nachbilden zu können. Dieses Einschwingen kann einige Tage dauern und führt zu hohen Kosten bis die eigentliche Messreihe endlich starten kann.

Was ist im Video dargestellt? Die Luft steigt über den Heizquellen ("Norm-Menschen") auf und bei der kalten Fensterscheibe sinkt sie ab. Die Farbe der Deckenelemente zeigt warme bzw. kalte Bereiche an: im kalten Bereich kühlt sich die Luft ab und sinkt zu Boden. Insgesamt entstehen komplexe Strukturen der Luftströmung, die mittels Pfeilen sichtbar gemacht sind. Im zweiten Teil des Videos sehen Sie eine zweite, identische Anordnung, jedoch ohne temperierte Deckenelemente. Im Vergleich der beiden Räume sieht man deutlich, dass die Luftströmung schneller ist. Dies kann unter Umständen als Zugluft empfunden werden. Fazit: die temperierten Deckenelemente können die Luftströmung gezielt beeinflussen und zu einem angenehmeren Aufenthalt beitragen.

Virtuell wird Realität

Deshalb wurde die Ausgangslage am Computer identisch nachgebildet. Einige Prozesse und Materialien waren unbekannt und wurden mit vereinfachten Modellen nachgebildet. Der Vergleich zwischen Experiment und Simulation zeigte gute Übereinstimmungen. Insgesamt überzeugten die Simulationen so sehr, dass sie an der Messe Swissbau Basel gemeinsam mit einem mobilen Messstand präsentiert wurden. Die Besucher konnten die Simulationen mit 3D-Brillen betrachten und Details direkt mit den Nebelwolken am Messstand vergleichen. Für Barcol-Air stand aber ein anderer Aspekt im Vordergrund: die Computersimulationen ermöglichten es, innert wenigen Tagen verschiedene Anordnungen im Musterzimmer zu beurteilen und ihre Produkte entsprechend zu gestalten.

Energie- und Desinfektionskosten reduzieren mit UV-Strahlen?

Beim klassischen Fensterlüften wird – in vereinfachter Sichtweise – warme Abluft durch kalte Frischluft ersetzt. Diese muss wiederum aufgewärmt werden, was zu höheren Heiz- und Betriebskosten führt. Eine Raumlüftung mit eingebautem Wärmetauscher ermöglicht die zusätzlichen Kosten zu reduzieren. Wir haben den Effekt des Luftaustauschs in Trams und Bussen der VBZ unter realen Bedingungen gemessen und in eine ganzheitliche Betrachtungsweise mit Berücksichtigung der Gesamtkosten einfliessen lassen.

Wir arbeiten auch an der Dekontamination von Trinkwasser mittels Ultraviolett (UV) LEDs. Diese aufkommende Technologie lässt sich ebenso zur Sterilisierung von Oberflächen, Lebensmitteln und insbesondere Luft einsetzen. Daraus ergeben sich spannende Forschungsfragen: wie effizient kann Frisch- als auch Raumluft mit UV-Licht desinfiziert werden? Wie teuer ist die UV-Technologie in diesem Anwendungsfeld? Könnte man damit die Arbeitshygiene effizient erhöhen?

Förderung innovativer Produkte

Innosuisse ist die Schweizerische Agentur für Innovationsförderung. Sie ermöglicht KMU den einfachen Zugang zu Wissen und Ressourcen der Forschungsinstitutionen unter Berücksichtigung zum Schutz des geistigen Eigentums. Die Angebote der Innosuisse umfassen kleine Innovations-Checks als auch die Förderung von mehrjährigen Entwicklungszyklen neuartiger Produkte. Der Bundesrat bewilligte mit dem Impulsprogramm “Innovationskraft Schweiz” zusätzliche 63 Mio. CHF zur Projektförderung. Haben Sie eine innovative Idee, die ihre Produktpalette ergänzen würde? Wir beraten Sie gerne!

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Alex Weber
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alex.weber(at)ost.ch