Strömungssimulationen zur Optimierung der Aufstellung von Luftreinigungsgeräten

Der theoretische Physiker Kai Wenz beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit Strömungsmechanik und ist seit dem Jahr 2020 für das Dortmunder Unternehmen IANUS Simulation GmbH tätig. Dort ist er unter anderem Teamleiter des Aerosol-Projekts „Strömungscheck“, welches sich mit der Aerosol-Ausbreitung in geschlossenen Räumen beschäftigt. Die Firma IANUS wurde 2006 gegründet und ist ein Experte auf dem Gebiet der 3D CFD-Strömungssimulationen. Die enge Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungseinrichtungen ermöglicht es IANUS, neueste Forschungsentwicklungen auf industrielle Maßstäbe zu heben und marktfähig zu machen.

Gastbeitrag von Kai Wenz
Im Zuge der Corona-Pandemie hat die Nachfrage nach Luftreinigungsgeräten stark zugenommen. In geschlossenen Räumen stellen sie eine sinnvolle Ergänzung zum regelmäßigen Stoßlüften dar, um die Virenkonzentration zu senken und das Infektionsrisiko zu minimieren. Damit die Geräte aber ihre volle Wirkung entfalten können, müssen sie optimal im Raum positioniert werden. Nur so ist gewährleistet, dass die Raumluft effizient umgewälzt wird und in kurzer Zeit ein möglichst großes Luftvolumen entkeimt werden kann.

Strömungen halten oftmals Überraschungen bereit

Luftreiniger werden üblicherweise nicht nach Zweckmäßigkeit, sondern nach einfachen Aspekten, wie der nächsten freien Steckdose oder einer möglichst unauffälligen Position, aufgestellt. Ein schlechter Standort kann beispielsweise zu Wirbelbildungen in der Luftströmung führen. Das hat zur Folge, dass die Luft in benachbarten Raumbereichen quasi „steht“. Virenbeladene Aerosol-Partikel können sich dort besonders lange aufhalten und zu einem hohen Infektionsrisiko führen. Und das, obwohl ein Luftreiniger verwendet wird: ein trügerisches Gefühl von Sicherheit.
Außerdem können leichte Veränderungen der Umgebung zu einem komplett anderen Strömungsbild führen. Aus diesem Grund können auch keine allgemeingültigen Regeln beim Aufstellen von Luftreinigern abgeleitet werden. Jeder Raum stellt ein Unikat dar und muss individuell betrachtet werden.
Wie kann nun der ideale Standort gefunden werden? Luftströmungen kann man schließlich nicht sehen. Oder etwa doch?

 

Mit CFD-Simulationen Luftströmungen sichtbar machen

CFD-Simulationen bieten eine gute Möglichkeit zur Visualisierung von Luftströmungen. Die englische Abkürzung CFD steht für „computational fluid dynamics“ und beschreibt die computergestützte Analyse von strömenden Fluiden wie Flüssigkeiten (z. B. Wasser) oder Gasen (z. B. Luft). Strömungsprozesse werden dabei durch komplizierte physikalische Modellgleichungen, wie den Navier-Stokes-Gleichungen, beschrieben. Um diese lösen zu können, müssen moderne mathematische und numerische Methoden mit ordentlich Rechenleistung kombiniert werden. Anschließend können die Strömungen visualisiert und im Detail analysiert werden. Der Aufwand ist zwar beachtlich, aber am Ende zahlt er sich mehr als aus. So lassen sich beispielsweise Maschinen schon vor Fertigung der allerersten Komponente digital optimieren. Das spart große Mengen an Material, Energie und Zeit. CFD-Simulationen sind bestens dazu geeignet, die Verteilung von Aerosolen in geschlossenen Räumen zu berechnen.

In drei Schritten zur optimalen Luftreiniger-Position

Wie helfen nun CFD-Simulationen bei der Positionierung von Luftreinigern? Der Ablauf besteht aus drei Schritten, die aufeinander aufbauen:

  1. Vermessung des Raums: Im ersten Schritt wird ein Grundriss oder eine bemaßte Skizze des Raums benötigt. Fotos sind hilfreich, damit Einrichtungsgegenständen wie Möbel oder Trennwände berücksichtigt werden können. Wichtig daneben ist auch die maximale Anzahl an Personen, die sich im Raum aufhalten sollen.
  2. Digitalisierung des Raums: Auf Basis der Vermessungsdaten wird ein detailliertes digitales Abbild des Raums erstellt, ein sog. CAD-Modell (CAD, vom engl. „computer-aided design“, zu Deutsch rechnerunterstütztes Konstruieren). Dabei werden alle Einrichtungsgegenstände berücksichtigt, die von strömungstechnischer Relevanz sind. Außerdem wird immer vom worst case Szenario ausgegangen, bei dem alle Fenster und Türen geschlossen sind und kein Luftaustausch mit der Umgebung stattfindet.
  3. Simulation und Analyse verschiedener Luftreiniger-Positionen: Der Luftreiniger wird an verschiedenen Positionen und mit unterschiedlichen Orientierungen im Raum aufgestellt. Dabei können sowohl Stand- als auch Wand- und Deckengeräte mit ihren entsprechenden Geometrie- und Leistungsdaten berücksichtigt werden. Mit den Simulationen kann auch die genaue Anzahl an benötigten Geräten für den Raum berechnet werden, gemäß der vorgeschriebenen Norm.

Der Ablauf von Aerosol-Simulationen.

Ein Simulationsbeispiel für einen Besprechungsraum

Zur Veranschaulichung der Aerosol-Simulationen dient ein einfacher Besprechungsraum mit ca. 120 m² Grundfläche und zwei parallel angeordneten Besprechungstischen mit Stühlen. Der verwendete Boden-Luftreiniger ist laut Herstellerangaben geeignet für die Raumgröße und wurde aus optischen Gründen zunächst unten links in einer unauffälligen Ecke platziert.
Die Simulation zeigt, dass sich in den beiden benachbarten Ecken zwei große Strömungswirbel ausbilden. Dadurch wird der Luftaustausch mit dem Raumbereich oben rechts deutlich erschwert. Von dort aus benötigen Aerosol-Partikel mehr als 20 Minuten, um den Luftreiniger zu erreichen. Insbesondere für den rechten Besprechungstisch besteht ein deutlich erhöhtes Infektionsrisiko.
Die optimale Position befindet sich leicht dezentral zwischen den beiden Tischen. Die Simulation zeigt eine gute Luftumwälzung für den gesamten Raum und damit ein minimales Infektionsrisiko für alle Besprechungsteilnehmer. Entsprechend ist bei guter Positionierung ein Luftreiniger für den Besprechungsraum ausreichend.

Bei der Verweilzeitanalyse wird untersucht, wie lange Aerosol-Partikel brauchen, um den Luftreiniger zu erreichen und damit entkeimt zu werden. Links: Bei der schlechten Position verhindern Strömungswirbel (linke obere und rechte untere Ecke) den Luftaustausch mit dem Raumbereich oben rechts – es besteht ein erhöhtes Infektionsrisiko. Rechts: Bei der guten Position wird komplette Raumluft in kurzer Zeit umgewälzt und das Infektionsrisiko wird minimiert. Die ermittelte Position in der Abbildung ist nicht auf andere Räume übertragbar. Sie muss individuell für jeden Raum neu berechnet werden.

Mit einer Partikelanimation kann die Aerosol-Verteilung auch zeitlich aufgelöst dargestellt werden.

Die Animationen zeigen die zeitaufgelöste Verteilung von Aerosol-Partikeln. Oben: Bei der schlechten Position durchlaufen die Aerosol-Partikel wiederholt die Strömungswirbel, sodass der rechte Tisch kaum entkeimt wird. Unten: Die Luftumwälzung umfasst den gesamten Raum und führt zu einer deutlichen Reduktion der Virenkonzentration.

Fazit und Ausblick

In Kombination mit regelmäßigem Stoßlüften sind Luftreiniger definitiv empfehlenswert und hilfreich – vorausgesetzt sie werden richtig positioniert. Mit CFD-Simulationen können viele verschiedene Standorte analysiert und der beste ausgewählt werden. Aber auch in Zukunft werden sich Aerosol-Simulationen weiterentwickeln. Geplant sind unter anderem das Andocken von modernen KI-Algorithmen, sowie die Realisierung von Echtzeit-Simulationen. Beispielsweise kann der Techniker so direkt vor Ort die optimale Position berechnen und im Anschluss den Luftreiniger passend aufstellen.
Insbesondere helfen uns Digitalisierung und Simulationen bei der wichtigsten Sache: Dem sicheren Zusammenkommen mit Familie, Freunden und Kollegen, auch in Pandemiezeiten.

 

Eine Marktübersicht mit HEPA-Filtern ausgestatteter Raumluftfilter, finden Sie hier: Marktübersicht Raumluftfilter

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