Erprobung des klimafreundlichen Tracergases HFO-1234yf zur Bestimmung der Luftwechelrate und der Lüftungseffektivität in belegten Räumen unter Covid-19 Randbedingungen
Erprobung des klimafreundlichen Tracergases HFO-1234yf zur Bestimmung der Luftwechelrate und der Lüftungseffektivität in belegten Räumen unter Covid-19 Randbedingungen
Tracergase kommen bereits in vielen Anwendungsbereichen zum Einsatz und so auch in der
Luftströmungsbestimmung. In der aktuellen Situation rund um die Coronaviruspandemie gewinnen
Möglichkeiten zur Bestimmung von Strömungsbildern in Räumen und der damit zusammenhängenden
Bestimmung der Lüftungseffektivität an Bedeutung. Da das weitverbreite Tracergas SF6 ein hohes
Treibhauspotential aufweist, wird nach Alternativen gesucht. Das Gas HFO-1234yf mit einem Global
Warming Potential (GWP) von <1 stellt eine dieser möglichen Alternativen dar.
Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich zwischen dem noch wenig erprobten Tracergas HFO-1234yf mit dem
bewährten SF6. Hierzu werden die bekannten Messverfahren der Konstant- und Pulsdosierungen eingesetzt
und deren Aussagekraft hinsichtlich der Verbreitung von Schadstoffen in der Luft und des momentan
allgegenwärtigen Coronavirus untersucht. Dabei werden in dieser Arbeit auch Aussagen zur
Lüftungseffektivität verschiedener Lüftungssysteme gemacht. Die Arbeit verfolgt somit zwei Ziele.
Messversuche wurden an drei unterschiedlichen Prüfobjekten unter verschiedenen Rahmenbedingungen
durchgeführt. Ein erster Versuch fand unter Laborbedingungen ohne Lüftungsanlage statt; die beiden
folgenden Versuche in unterschiedlichen Schulzimmern jeweils mit Lüftungsanlagen. Sämtliche Messungen
wurden mit den beiden Tracergasen SF6 und HFO-1234yf parallel durchgeführt und durch Rauchversuche
optisch verifiziert.
Die Messversuche haben ergeben, dass eine Vergleichbarkeit der beiden Tracergase HFO-1234yf und SF6
mit wenigen Einschränkungen gegeben ist. Abweichungen wurden hinsichtlich eines Absorptionsverhaltens
des HFO-1234yf bei der Gastrocknung eines Messgerätes festgestellt, welche auch bei Versuchen der HSLU
Luzern ausserhalb dieser Arbeit bereits bei beschichteten Rotationswärmetauschern beobachtet werden
konnten. Ausserhalb dieser Beobachtungen konnten keine Abweichungen im Verhalten der beiden Gase
festgestellt werden.
Hinsichtlich eines Infektionsrisikos im Raum konnten vordergründig die Erkenntnisse aus den
Messversuchen der Puls-Methode herbeigezogen werden. Diese haben ergeben, dass bei einer optimalen
Lufteinführung in den Raum das Verbreitungsrisiko von Schadstoffen und somit auch der Virus-Partikel
minimiert werden kann. Als Optimum zeigt sich dabei eine Lufteinführung in Bodennähe mit
anschliessendem Abtransport der Raumluft nach oben hin zu den Abluftöffnungen in Deckennähe. Die
Untersuchungen beschränken sich dabei auf jene Virenpartikel, welche sich wie Aerosole in der Raumluft
bewegen. Das Verhalten von Tröpfchen wurde nicht untersucht.
Nebst diesen zentralen Aussagen konnten durch die Messversuche weiter Erkenntnisse zu den
Lüftungssystemen und zum Messverfahren gemacht werden. So zeigt sich, dass ein nicht aktiv belüfteter
Raum durch unterschiedliche Temperierung der Oberflächen eine Raumluftwalze begünstigen kann, welche
eine rasche Homogenisierung der Raumluft nach sich zieht. Vergleichbar ist die Situation mit einem
Wohnzimmer mit schlechter Wärmedämmung. Weiter zeigten sich durch die Messversuche verschiedenste
Fehlfunktionen an den Lüftungsanlagen der untersuchten Räume. Diese reichen von Kurzschlussströmungen
aufgrund suboptimal angeordneter Luftauslässe bis hin zu regeltechnischen Fehlern. Hinsichtlich der
Messverfahren zeigt sich, dass das Multipoint-Sampling seine Vorteile bei einer ersten Standortbestimmung
des Raumes sowie bei den Konstantdosier-Verfahren ausspielen kann. Für eine effiziente Analyse der
Pulsmethode ist dieses Messverfahren jedoch zu träge. Die kurzen Pulse werden so nicht immer korrekt
erkannt, was die Messungen verfälscht. Hier zeigen sich Messverfahren nach dem Fourier-Transform-
Infrarotspektrometer- oder dem Nichtdispersiven Infrarotsensoren-Prinzip als geeigneter.
Abschliessend kann gesagt werden, dass Tracergasmessungen zwar aufgrund der Coronaviruspandemie an
Bedeutung gewinnen, die Aussagekraft dieser Messungen aber weit darüber hinausgeht.
Tracer gases are already used in many applications, one of which being ventilation measurements. In the
current situation surrounding the Coronavirus-pandemic, possibilities for determining flow patterns in rooms
and the associated determination of ventilation effectiveness are gaining in importance. Since the widely used
tracer gas SF6 has a high Global Warming Potential (GWP), alternatives are being sought after. The gas
HFO-1234yf with a Global Warming Potential of <1 represents one of these possible alternatives.
The aim of this thesis is to compare the still little tested tracer gas HFO-1234yf with the proven SF6. For this
purpose, the known measurement methods of constant and pulse dosing are used to determine their
significance regarding the spread of pollutants in the air and the currently ubiquitous Coronavirus.
Furthermore, statements are also made on the ventilation effectiveness of various ventilation systems. The
thesis thus pursues two objectives.
Measurement experiments were carried out on three different test objects under different conditions. The first
test was carried out under laboratory conditions without a ventilation system. The two subsequent tests were
carried out in different classrooms, each with a ventilation system. All measurements were carried out with
the two tracer gases SF6 and HFO-1234yf and verified visually by smoke tests.
The measurement tests showed that the two tracer gases HFO-1234yf and SF6 are comparable with only a
few restrictions. Deviations were found with respect to an absorptive behavior of HFO-1234yf during gas
drying of a measuring device. A similar finding was observed in tests of the HSLU Luzern outside of this
work with coated rotary heat exchangers. Outside of these observations, no deviations in the behavior of the
two gases could be detected.
With regard to the risk of infection in rooms, the findings from the measurement experiments of the pulse
method were used. These showed that the risk of spreading contaminants and thus also virus particles can be
minimized if the air is optimally introduced into the room. The optimum is shown to be an air intake near the
floor with subsequent removal of the room air upwards to the exhaust air openings near the ceiling. The
investigations are limited to those virus particles which move like aerosols in the air. The behavior of socalled
droplets was not investigated.
In addition to these central statements, the measurement tests provided further insights into the ventilation
systems and the measurement procedure. For example, it was shown that a room that is not actively
ventilated can favor thermal air circulation due to different temperatures of the surfaces, which results in a
rapid homogenization of the room air. The situation is comparable to a living room with poor thermal
insulation. Furthermore, the measurement experiments revealed a wide variety of malfunctions in the
ventilation systems of the rooms investigated. These range from short-circuit flows due to badly arranged air
outlets to control system errors. With regard to the measurement methods, it can be seen that multi-point
sampling can show its advantages in an initial determination of the phenomena of a room, as well as in the
constant dosing methods. However, this measurement method is too sluggish for an efficient analysis of the
pulse method. The short pulses are thus not always correctly detected, which falsifies the measurements. In
this case, measurement methods based on the Fourier-transform infrared spectroscopy or the nondispersive
infrared sensor principle are more suitable.
In conclusion, it can be said that although tracer gas measurements are gaining in importance due to the
corona pandemic, the informative value of these measurements go far beyond.