Aufwindkamine werden häufig eingesetzt, von dieser Bauart gibt es jedoch noch keinen Prototyp.
Ein Solar- oder Wärmekamin ist eine Form der passiven Belüftung, die auf ein Gebäude angewendet werden kann. Er nutzt die Prinzipien der Wärmeübertragung und der Strömungsmechanik, um ein Gebäude auf natürliche Weise zu belüften, ohne dass eine externe Stromquelle erforderlich ist. Dies macht den Solarkamin sowohl in den Industrie- als auch in den Entwicklungsländern zu einer vielversprechenden Alternative zur Druckluft.
Die Luftqualität in Innenräumen ist ein Gesundheitsproblem, das die Entwicklungsländer plagt. In vielen Regionen kann die Umgebungstemperatur eines Haushalts eine angenehme Wohntemperatur weit übersteigen. In anderen Regionen bereiten Familien ihr Essen und Wasser in Innenräumen zu und der Wohnraum ist voller Rauch. [1] Die Installation eines Solarkamins in einem geeigneten Klima kann dazu beitragen, die Luftqualität in Innenräumen eines Hauses zu verbessern und in der Folge die Gesundheit und die Lebensbedingungen der Bewohner zu verbessern.
Contents
Grundsätze
Ein Solarkamin macht sich die Tatsache zunutze, dass sich mit der Lufttemperatur auch die Luftdichte ändert. Der Kamin wird tagsüber durch die Sonneneinstrahlung aufgeheizt. Dies wiederum erwärmt die Luft im Kamin, wodurch ein Temperaturunterschied zwischen der Luft im Kamin und der Luft in der Wohnung entsteht. Da die Luftdichte mit der Temperatur schwankt, entsteht ein Dichteunterschied zwischen der Luft in der Wohnung und der Luft im Solarkamin. Der Dichteunterschied erzeugt einen Druckunterschied und treibt die Luft in der Wohnung in den Solarkamin und die Luft im Solarkamin nach außen. Dieser Prozess tauscht die Luft in der Wohnung aus und sorgt für Luftaustausch und eine Brise für die Bewohner. Dies verbessert die Luftqualität und den Komfort im Innenbereich.
Druckunterschied
Der durch einen Dichteunterschied verursachte Druckunterschied kann mit der folgenden Gleichung 1 modelliert werden. [2] Bitte beachten Sie, dass sich „innen“ auf das Innere der Wohnung bezieht und „außen“ auf das Innere des Schornsteins in der angegebenen Höhe.
(1)
DP=G⋅(ρichNSichDt−ρOSieTSichDt)⋅H{\displaystyle dp=g\cdot (\rho_{innen}-\rho_{außen})\cdot h}
Wo
- DP{\ Anzeigestil dp}
= Druckunterschied zwischen Kaminluft und Innenluft (Pa)
- G{\displaystyle g}
= Gravitationskonstante (N/kg)
- ρichNSichDt{\displaystyle \rho_{innen}}
= Dichte der Innenluft (kg/m^3)
- ρOSieTSichDt{\displaystyle \rho_{außen}}
= Dichte der Außenluft (kg/m^3)
- H{\displaystyle h}
= Höhe des Schornsteins (m)
Luftgeschwindigkeit
Um die Auswirkung des Solarkamins auf die Belüftung zu bestimmen, müssen wir die Geschwindigkeit ermitteln. Die Gleichung für die Geschwindigkeit aufgrund des Dichteunterschieds ist unten dargestellt.
(2)
V=2⋅G⋅(ρichNSichDt−ρOSieTSichDt)⋅H((F⋅m⋅ρOSietSichDt/DH)+∑k⋅ρOSieTSichDt){\displaystyle V={\sqrt {{2\cdot g\cdot (\rho _{innen}-\rho _{außen})\cdot h} \over (({{f\cdot l\cdot \rho _{außen}}/{d_{h}}})+\sum {k\cdot \rho _{außen}})}}}
Wo
- V{\displaystyle V}
= Luftgeschwindigkeit (m/s)
- F{\displaystyle f}
= Reibungskoeffizient (keine Einheiten)
- m{\displaystyle l}
= Länge des betrachteten Schornsteins (m)
- DH{\displaystyle d_{h}}
= hydraulischer Durchmesser des Schornsteins (m)
- k{\ Anzeigestil k}
= geringe Verluste (keine Einheiten)
Luftvolumenstrom
Sobald die Geschwindigkeit bestimmt ist, kann der Volumenstrom der Luft mithilfe der folgenden Gleichung 3 berechnet werden.
(3)
Q=V⋅(π⋅DH2/4){\displaystyle q=V\cdot (\pi \cdot d_{h}^{2}/4)}
Wo
- q = Volumenstrom (m^3/s)
Finite-Elemente-Analyse
Eine Finite-Elemente-Analyse wurde mit der Software THERM 6.2 durchgeführt. [3] THERM ist eine Software, die hauptsächlich als Modellierungsprogramm für Verglasungssysteme in Gebäuden verwendet wird. THERM ist das Benchmarking-Programm des NFRC (National Fenestration Rating Council) zur Modellierung der Energie- und Solareigenschaften von Fensterbaugruppen und wurde vom Lawrence Berkeley National Laboratory entwickelt. Die Software wird von vielen führenden Verglasungsherstellern verwendet, um die Leistung ihrer Verglasungssysteme zu testen. Die Software ist Freeware und kann daher von jedem verwendet werden, ohne eine Lizenz erwerben zu müssen.
Mit Kenntnissen der Software ist es möglich, die Funktionen von therm zu verwenden, um das thermische Profil eines Systems abzuschätzen, indem entsprechende Randbedingungen zugewiesen und Materialeigenschaften definiert werden. Ein Modell des im Abschnitt „Konstruktion“ beschriebenen Solarkamins wurde mithilfe von THERM erstellt. Die Außentemperatur wurde mit 33 Grad Celsius angenommen, die Innentemperatur mit 24 Grad Celsius und die Bodentemperatur mit 25 Grad Celsius. Als Holz wurde Douglasie angenommen. Die Ergebnisse der Analyse sowie das thermische Profil des Kamins sind unten dargestellt. Die Erkenntnisse aus dem therm-Programm werden im Abschnitt „Leistungsergebnisse“ und die im Abschnitt „Grundlagen“ beschriebene Theorie verwendet, um die Geschwindigkeit und den Volumenstrom der Luft abzuschätzen, die das Haus verlässt.
Ergebnisse zur Leistung von Solarkaminen
Mithilfe des Modells wurde die Temperatur im Inneren des Solarkamins in einer Höhe von 3 Metern auf 32 Grad Celsius bestimmt. Obwohl der endgültige Legendenwert 31,1 Grad Celsius beträgt, kann die THERM-Software die Temperatur an jedem Punkt der Analyse anzeigen, und der zurückgegebene Wert an der 3-Meter-Position war 32 Grad Celsius. Unter Verwendung eines geringen Verlustfaktors von 0,5 aufgrund der Ecke im Fluss und eines Reibungskoeffizienten von 0,2 wurde die Luftgeschwindigkeit auf 2 Meter pro Sekunde bestimmt. Als Ergebnis wurde der Volumenstrom der Luft, die die Wohnung in das Innere des Solarkamins verlässt, auf 0,25 Kubikmeter pro Sekunde bestimmt. Bei dieser Rate wurde der Luftaustausch pro Stunde auf 889 Kubikmeter pro Stunde berechnet. Der Solarkamin wäre zur heißesten Tageszeit am effizientesten und würde aufgrund des geringeren Temperaturunterschieds zwischen der Temperatur in der Wohnung und der Temperatur im Solarkamin bis zu den kühleren Tagesstunden allmählich an Effizienz verlieren.
Konstruktion
Die Konstruktion des Solarkamins wurde unter Berücksichtigung einfacher Bauprinzipien entworfen. [4] Die maximale Höhe des Solarkamins wurde unter Verwendung der maximalen unbelasteten Höhe einer 2 x 4 Ständerwand von 3,6 m bestimmt, wie in der Ontario Building Code 2006 [5] in Division B Teil 9, Tabelle 9.23.10.1 beschrieben.
Die größeren Bolzen wurden in einem Abstand von 16 Zoll in der Mitte angebracht, wie auch in Tabelle 9.23.10.1 beschrieben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Struktur unter Berücksichtigung der Sicherheit ihrer Benutzer entworfen wurde. Der Solarkamin ist eine einfache Bolzenwandkonstruktion mit einer Extrusion an seiner Basis, die den Solarkamin mit der Wohnung verbindet, die er versorgt. Da das Hauptziel des Projekts darin bestand, die Finite-Elemente-Analyse durchzuführen und die Machbarkeit des Solarkamins auf theoretischer Basis zu bewerten, wurden grobe Google-Skizzenzeichnungen auf Grundlage der kanadischen Baugrundsätze angefertigt, um die Umsetzung des Konzepts zu visualisieren. Es müssen noch weitere Arbeiten durchgeführt werden, um das Konzeptdesign so anzupassen, dass es in verschiedenen Teilen der Welt umgesetzt werden kann, wo dieselben Baumaterialien und -methoden möglicherweise nicht geeignet oder verfügbar sind.
Der Solarkamin würde hauptsächlich aus 2 x 4 Zoll großen Balken bestehen. Die Abschnitte wurden der Einfachheit halber einer gewöhnlichen Ständerwand nachempfunden. Die Abschnitte können alle zusammengenagelt werden, sodass keine Spezialausrüstung erforderlich wäre. Der Rahmen muss wie gezeigt entweder mit einer Verschalung oder Sperrholz abgedeckt werden, um das Innere des Gebäudes von der Außenseite abzuschirmen und damit der Solarkamin funktioniert. Die Außenverkleidung sollte der bestehenden Verkleidung des Gebäudes entsprechen und als Teil der Gebäudehülle integriert werden, um sicherzustellen, dass das Gebäude seinem ursprünglichen Standard entsprechend vor den Elementen geschützt ist.
Um das Eindringen von Wasser zu verhindern, sollten auf der Oberseite des Schornsteins Schalungen und passende Dachmaterialien angebracht werden. Je nach Standort kann es auch sinnvoll sein, Moskitonetze um den Schornsteinzug anzubringen. Sämtliches Holz, das mit Holz in Berührung kommt, sollte druckimprägniert werden, oder es sollten Maßnahmen ergriffen werden, um der Feuchtigkeitsansammlung im Holz entgegenzuwirken und so Fäulnis zu verhindern. Nachfolgend finden Sie eine Beschreibung zum Bau des Konzept-Solarkamins.
Konstruieren Sie wie gezeigt, indem Sie zunächst zwei 2 x 4 x 12 Fuß große Holzstücke an eine 2 x 4 x 16 Zoll große Bodenplatte nageln. Nageln Sie die 2 x 4 x 16 Zoll große obere Platte an die Oberseite der 2 x 4 x 12 Fuß großen Platte. Zur Stabilisierung schlagen Sie ein 2 x 4 x 13 Zoll großes Holzstück etwa in der Mitte des Rahmens ein und nageln es fest. Konstruieren Sie insgesamt 4 Stück.
Legen Sie eines der vier in Schritt 1 zusammengebauten Bauteile flach auf den Boden. Legen Sie ein weiteres Bauteil aus Schritt 1 im 90-Grad-Winkel bündig mit der Seite auf das Bauteil auf dem Boden. Nageln Sie es fest. Legen Sie das dritte Bauteil im 90-Grad-Winkel bündig mit der Seite und der Unterseite auf die andere Seite des Bauteils auf dem Boden. Nageln Sie es fest.
Nehmen Sie das letzte Bauteil aus Schritt 1 und legen Sie es flach auf den Boden. Drehen Sie das in Schritt 2 hergestellte Bauteil um und legen Sie es auf das letzte Bauteil aus Schritt 1. Stellen Sie sicher, dass die Seiten und die Unterseite bündig sind. Nageln Sie es fest. Um Platz zu sparen, sehen Sie sich bitte die Bilder ab Schritt 6 an.
Nageln Sie vier Stücke von 2" x 4" x 3,5" an die Oberseite der in Schritt 3 erstellten Baugruppe.
Konstruieren Sie einen kleinen Ständerwandabschnitt aus zwei 2" x 4" x 12" und zwei 2" x 4" x 10" großen Stücken. Konstruieren Sie zwei.
Befestigen Sie einen der in Schritt 4 fertiggestellten Abschnitte an der Unterseite des in Schritt 3 fertiggestellten Ständerwandabschnitts. Nageln Sie zwei 2 x 4 x 10 Zoll große Holzstücke auf beiden Seiten des kleinen Abschnitts bündig an die Seite der Ständerwand. Befestigen Sie die zweite Ständerwand aus Schritt 4 über den beiden Stücken.
Bedecken Sie die Außenseite der Ständerwand mit einer Verschalung und passen Sie diese an die Außenverkleidung und Dachkonstruktion des Wohngebäudes an.
Abschluss
Anhand des Finite-Elemente-Analysemodells und der im Abschnitt „Grundlagen“ beschriebenen Gleichungen wurde der gesamte Volumenstrom der die Wohnung verlassenden Luft pro Sekunde auf 0,25 Kubikmeter pro Sekunde ermittelt. Dies stellt eine Verbesserung des Luftaustauschs in der Wohnung dar. Durch den Einbau des Aufwindkamins würde die Luftqualität in der Wohnung steigen und so die Lebensbedingungen ihrer Bewohner verbessern. Die Leistung des Aufwindkamins kann durch die Verwendung von Materialien wie Glas, die die Gewinne durch Sonneneinstrahlung erhöhen, gesteigert werden. Dies würde die Effektivität der Anlage steigern, aber auch ihre Konstruktion komplexer und kostspieliger machen. Um eine geeignete Technologie umzusetzen, müssen die Kosten so gering wie möglich gehalten werden. Weitere Forschungen zu den Baumethoden einer bestimmten Region würden den Entwurf eines spezifischen Prototyps ermöglichen, der die Baupraktiken der Gegend berücksichtigt.
Siehe auch
Verweise
- ↑ Luftverschmutzung in Innenräumen in Entwicklungsländern: eine große Herausforderung für Umwelt und öffentliche Gesundheit, Nigel Bruce, Rogelio Perez-Padilla und Rachel Albalak. http://www.who.int/docstore/bulletin/pdf/2000/issue9/bul0711.pdf
- ↑ Luftstrom und -geschwindigkeiten aufgrund von natürlichem Luftzug, Engineering Toolbox, http://www.engineeringtoolbox.com/natural-draught-ventilation-d_122.html .
- ↑ LBNL Windows- und Tageslichtsoftware, http://web.archive.org/web/20170722004256/https://windows.lbl.gov/software/therm/therm.html .
- ↑ So bauen Sie eine Ständerwand – Teil 1, http://www.renovation-headquarters.com/stud-wall-construction.htm .
- ↑ Baugesetzbuch 1992, geändert 2006, http://www.search.e-laws.gov.on.ca/en/isysquery/eafc8068-7a68-41bd-8617-747e34c5cfe4/5/frame/?search=browseSource&context= .