Wie verändern sich klimatische Bedingungen mit der Höhe? Eine Analyse von Temperatur, Wind und Druck für Hochhäuser

Die klimatischen Bedingungen in städtischen Gebieten, insbesondere in hohen Gebäuden, unterliegen starken Variationen, die mit der Höhe des Gebäudes korrelieren. Um diese Änderungen genau zu verstehen, müssen verschiedene meteorologische Daten betrachtet werden, die sowohl für den Entwurf als auch für die Nutzung von Hochhäusern von großer Bedeutung sind. Dies betrifft vor allem die Außentemperatur, den Luftdruck, die Luftdichte und die Windgeschwindigkeit, die alle mit der Gebäudehöhe variieren.

Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, wie sich der Luftdruck mit der Höhe verändert. Der atmosphärische Druck nimmt mit zunehmender Höhe ab, was ebenfalls Auswirkungen auf die Luftdichte und die Windgeschwindigkeit hat. Dies wird durch die folgenden Formeln ausgedrückt:

Dabei bezeichnet $P$ den Luftdruck in der Höhe $Z$ (in Fuß). Dies hat nicht nur Auswirkungen auf die strukturelle Integrität von Hochhäusern, sondern auch auf die Luftdichte, die in höheren Stockwerken abnimmt. Die Dichte der Luft hat wiederum Einfluss auf die Leistung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen.

Die Windgeschwindigkeit in großen Höhen ist ebenfalls von großer Bedeutung, da die Geschwindigkeit des Windes mit zunehmender Höhe zunimmt. In einer typischen städtischen Umgebung wird der Wind in der Regel in einer Höhe von 10 m gemessen. Für eine genaue Analyse muss die Windgeschwindigkeit daher an die Höhe des Gebäudes angepasst werden. Dies erfolgt durch die Anwendung eines Korrekturfaktors, der von den Bodenbedingungen abhängt. Die Formel zur Berechnung der Windgeschwindigkeit in Gebäudehöhen lautet:

In dieser Formel bezeichnet $V_z$ die Windgeschwindigkeit auf Gebäudehöhe, $V_m$ die Windgeschwindigkeit in freiem Feld, und $z$ ist die Gebäudehöhe. $k$ und $a$ sind Konstanten, die je nach Geländeart variieren und in einer entsprechenden Tabelle dargestellt sind.

Dieser Druck hat Auswirkungen auf die Gestaltung der Gebäudehülle, insbesondere auf die Fensterflächen und Fassaden, da unterschiedliche Windströmungen an verschiedenen Stellen des Gebäudes unterschiedliche Druckverhältnisse erzeugen. An den windzugewandten Seiten des Gebäudes entsteht ein positiver Druck, während an den Rückseiten und den Ecken negative Druckzonen entstehen. Diese Unterschiede in den Windkräften müssen bei der strukturellen Planung berücksichtigt werden, um Schäden durch Windlasten zu vermeiden.

Ein weiterer entscheidender Faktor ist die Temperaturveränderung während der verschiedenen Jahreszeiten, die bei der Bestimmung von Heiz- und Kühlbedarf eine Rolle spielt. Besonders in großen Städten mit extremen Temperaturen in Sommer und Winter müssen diese saisonalen Schwankungen eingeplant werden. Für die Berechnung von Heiz- und Kühldaten wurden für verschiedene Klimazonen spezifische Temperaturbereiche ermittelt. In diesem Beispiel wurden für den Winter die 99,6%-Range für Temperaturen von etwa -11,4°C und für den Sommer die 0,4%-Range mit 32°C gewählt.

Zusätzlich zu den meteorologischen Aspekten müssen auch die dynamischen Effekte des Windes, wie Turbulenzen und die Veränderung des Winddrucks mit der Höhe, beachtet werden. Diese Phänomene haben nicht nur Einfluss auf die strukturelle Integrität des Gebäudes, sondern auch auf die Gestaltung von Fassaden und Fensterflächen. Hierzu wird oft eine Kombination aus numerischen Strömungssimulationen und experimentellen Windkanaltests eingesetzt, um die genauesten Ergebnisse zu erzielen.

Wichtig zu verstehen ist, dass die Veränderung der klimatischen Bedingungen mit der Gebäudehöhe nicht nur technische Herausforderungen bei der Planung von Hochhäusern mit sich bringt, sondern auch die Nutzung des Gebäudes beeinflusst. Klimaanlagen und Heizsysteme müssen so ausgelegt sein, dass sie den unterschiedlichen Bedingungen in den oberen Stockwerken gerecht werden. Dabei kommt es darauf an, eine präzise Analyse der klimatischen Daten durchzuführen, um die Energieeffizienz des Gebäudes zu maximieren.

Wie funktionieren passive und aktive Strahlungssysteme in Klimaanlagen?

Passive Strahlungssysteme zeichnen sich durch die Wärmeübertragung aus, die durch natürliche Konvektion von Raumluft über eine hydronische Spule erfolgt. Diese natürliche Konvektion entsteht durch Auftriebskräfte. Wenn die kühlere Oberfläche des Wärmeüberträgers mit der wärmeren Raumluft in Kontakt kommt, kühlt die Luft ab, ihre Dichte steigt, und die schwerere Luft sinkt nach unten in den Raum. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Wärme aus dem Raum kontinuierlich abgeführt wird, ohne dass mechanische Lüftung erforderlich ist.

Aktive Strahlungssysteme, im Gegensatz zu den passiven, sind Geräte zur Luftverteilung, die konditionierte Luft in den Raum einführen, um die Temperatur und latente Last zu steuern. Primärluft wird durch eine Reihe von Düsen zugeführt, die eine Induktion der Raumluft durch die in der Einheit montierte Kühlwasser-Spule erzeugen. Diese Spule konditioniert die Luft, bevor sie wieder in den Raum abgegeben wird. Je nach Düsenkonfiguration und -größe induzieren aktive Strahlungssysteme typischerweise zwei bis fünf Teile Raumluft pro Teil Primärluft. Diese zusätzliche Luftströmung ergänzt die Kühlung des Raumes, die durch die Kühlspule bereitgestellt wird.

Ein aktives Strahlungssystem ermöglicht eine signifikante Reduzierung der Primärluftmengen im Vergleich zu herkömmlichen Lüftungssystemen. Dies führt zu einer geringeren benötigten Energie für den Transport von Kühl- und Heizmedien, da Wasser eine höhere spezifische Wärme und Dichte besitzt. Daher erfordert das System weniger Platz für die mechanischen Dienstleistungen, da kleinere Lüftungskanäle und Luftbehandlungsgeräte eingesetzt werden. Diese Reduktion des Platzbedarfs ermöglicht eine Verringerung der Etagenhöhe in mehrstöckigen Gebäuden. Zudem bietet das System durch niedrigere sekundäre Kühlwassertemperaturen erweiterte Möglichkeiten für die Nutzung von Freikühlung, was durch die Integration von geothermischen Systemen oder Trockenkühlern realisiert werden kann.

Der Wartungsaufwand für aktive Strahlungssysteme ist minimal. In der Regel reicht es, die Kühlspulen regelmäßig zu reinigen, wobei diese Intervalle in der Praxis zwischen drei und fünf Jahren liegen können. Da die meisten Strahlungssysteme keine beweglichen Teile enthalten, sind sie äußerst zuverlässig und kostengünstig im Betrieb.

Ein wichtiger Aspekt der aktiven Strahlungssysteme ist die Temperaturkontrolle des Wassers, das zugeführt wird. Um Kondensation an der Spule und den Leitungen zu vermeiden, müssen die Wassertemperaturen stets über dem Taupunkt des Raums gehalten werden. Bei passiven Strahlungssystemen sollte das Kühlwasser um etwa 1°C (34°F) über dem Taupunkt des Raums bleiben, um eine unerwünschte Kondensation zu verhindern. Sollte die Luftfeuchtigkeit im Raum nicht ausreichend kontrolliert werden können, sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, wie etwa die Erhöhung der Wassertemperatur oder der Einsatz von Kondensationsschutztechnologien.

Die Gewährleistung des thermischen Komforts der Raumbelegung hat beim Entwurf von aktiven Strahlungssystemen höchste Priorität. Die Normen legen klare Grenzwerte für lokale Lufttemperaturen und Luftgeschwindigkeiten fest, um ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten. Ein konstanter Luftstrom und eine präzise Temperaturregelung verhindern eine unangenehme Klimawirkung auf die Bewohner. Die Strahlungssysteme sind so konzipiert, dass sie eine Mischung aus primärer und sekundärer Luft in den Raum bringen, was zu einer höheren Effizienz und einem besseren thermischen Komfort beiträgt.

Die Wahl eines aktiven Strahlungssystems hängt jedoch auch von der richtigen Auslegung und der Gewährleistung, dass alle Kühl- und Heizparameter entsprechend der spezifischen Raumanforderungen angepasst werden. Dies erfordert ein detailliertes Verständnis der thermischen Lasten, der Luftfeuchtigkeitssteuerung und der Lüftungsanforderungen, um ein nachhaltiges und komfortables Raumklima zu garantieren.