Ziel bei der Auslegung eines Schornsteins oder einer Fortluftöffnung ist, dass das freigesetzte Gas keine Immissionsorte (Frischluftansaugungen, Nachbargebäude, Fußgängerbereiche) oberhalb einer annehmbaren Konzentration erreicht.
Das Rezirkulationsgebiet hinter einem Gebäude
Hinter einem Baukörper bildet sich ein Nachlauf mit niedrigem Druck und Rückströmung. Jede Freisetzung, die in dieses Gebiet gerät, wird nach unten gezogen und auf Dach- oder Bodenhöhe gebracht.
Die kritische Frage lautet deshalb nicht, wie viele Meter der Schornstein hat, sondern ob die Freisetzung oberhalb dieses Gebiets bleibt. Die Höhe des Gebiets hängt von Breite und Höhe des Gebäudes ab; ein breiter, niedriger Baukörper hinterlässt einen größeren Nachlauf als ein schmaler, hoher.
Die Fahnenüberhöhung muss berücksichtigt werden
Eine heiße, schnelle Freisetzung steigt nach dem Austritt aus dem Schornstein durch Impuls und Auftrieb weiter auf. Das erhöht die effektive Schornsteinhöhe.
Es tritt aber auch das Gegenteil auf: Ist die Austrittsgeschwindigkeit niedrig, zieht der Wind über dem Schornstein die Fahne herunter (Schornsteinabwind). Das Verhältnis von Austrittsgeschwindigkeit zur örtlichen Windgeschwindigkeit ist deshalb ein Auslegungskriterium, das einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf.
Kurze Entfernung, schweres Problem
Für die Ausbreitung über große Entfernungen sind Gauß-Modelle ausreichend und schnell. Für die Ausbreitung auf kurzer Entfernung rund um Gebäude beherrscht die Geometrie das Geschehen: Wirbel, Eckenbeschleunigungen, Ablösegebiete auf dem Dach. Ein Gauß-Modell kann diese nicht sehen; eine Feldlösung ist erforderlich. Siehe die Notiz zu Wind und Fußgängerkomfort.
Hinweise zur Modellierung
Mehrere Windrichtungen. Der ungünstigste Fall ist meist nicht die Hauptwindrichtung, sondern diejenige, die den Immissionsort in den Nachlauf stellt.
Auftriebsbehaftete Freisetzung. Bei heißem Gas bestimmt der Dichteunterschied den Transport; ein isothermes Modell verfehlt die Fahnenüberhöhung vollständig. Siehe die Notiz zur natürlichen Konvektion.
Instationäre Konzentration. Das Abnahmekriterium ist meist eine Kurzzeitspitze der Konzentration, kein Mittelwert. Eine stationäre Mittelung zeigt die Momentanspitzen deutlich niedriger, als sie sind.
Referenzen
- Ferziger, J. H., Perić, M. & Street, R. L. (2020). Computational Methods for Fluid Dynamics, 4th ed. Springer. DOI: 10.1007/978-3-319-99693-6
- Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806