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Die Erfindung bezieht sich auf ein Modell, mit welchem die Bewegung von Luft in einem Raum unter verschiedenen Bedingungen simuliert werden kann.
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Die mithilfe des Modells gezeigten Phänomene lassen sich in das technische Gebiet der Lüftungstechnik einordnen. Es werden Strömungen, die in Zusammenhang mit der Belüftung von Räumen entstehen, dargestellt.
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Bekannter Stand der Technik: Das Modell basiert auf den physikalischen Grundlagen und Zusammenhängen der Strömungsmechanik, insbesondere der Fluiddynamik bzw. der ruhenden Fluide.
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Das richtige Lüften von Räumlichkeiten ist ein gesellschaftlich und wissenschaftlich bekanntes und erforschtes Thema. Der Begriff „richtig” bezieht sich in diesem Zusammenhang auf einen effektiven Luftaustausch bei geringem Wärmeverlust.
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Grundsätzlich kann zwischen drei verschiedenen Lüftungsarten unterschieden werden: Der Kipp-, Stoß- und Querlüftung. Bei der Kipplüftung findet der Luftaustausch nur an einer Stelle eines geschlossenen Raumes durch eine vergleichsweise kleine Fläche statt. Im Vergleich dazu wird bei der Stoßlüftung die Fläche, in der der Luftaustausch stattfindet, deutlich vergrößert. Bei der Querlüftung wird der volksmündlich bekannte Durchzug geschaffen. In einem geschlossenen Raum werden möglichst an zwei gegenüberliegenden Stellen Luftaustauschflächen geschaffen.
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Die beschriebene theoretische Grundlage ist bekannt und wird als gegeben vorausgesetzt. Die plausible und praxisgetreue Darstellung bzw. Veranschaulichung ist bisher jedoch noch nicht erfolgt.
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Insbesondere auch die Visualisierung verschiedener Lüftungsarten und die Entstehung der sogenannten Warmluftwalze ist modellbasiert bislang nicht umgesetzt worden.
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Der Erfindung zu Grunde liegende Probleme: Die Entscheidung für die Entwicklung und Umsetzung des Lüftungsmodells basiert darauf, dass die Erklärung des Strömungsverhaltens von Fluiden insbesondere in Form von Luftbewegungen, die durch verschiedene Lüftungsarten in Räumen entstehen, anschaulich und ohne spezielle Hilfsmittel schwer zu vermitteln ist. Insbesondere fehlt eine visuelle Umsetzung des Verhaltens von Luftbewegungen in Räumen (Warmluftwalze) und der Wirkung unterschiedlicher Lüftungsarten (Kipp-, Stoß- und Querlüftung) u. a. für spezielle Zielgruppen.
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Als spezielle Zielgruppen werden hier Kinder sowohl im Kindergartenalter (ca. 2–6 Jahre) als auch im Grundschulalter (ca. 6–10 Jahre) benannt.
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Problemlösung: Unter anderem für die oben benannten Zielgruppen wurde aus der dargelegten Problematik ein Modell entwickelt, welches aufgrund seines Aufbaus Strömungsverhalten bzw. die Auswirkungen verschiedener Lüftungsarten praxisgetreu visualisiert.
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Insbesondere die Wirkung der Lüftungsarten (Kipp-, Stoß- und Querlüftung) sowie die Entstehung der sogenannten Warmluftwalze können mit dem Lüftungsmodell simuliert werden.
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Aufbau des Modells: Bei der Erfindung handelt es sich um das Modell eines Raumes. Das Modell besitzt eine Bodenplatte mit zwei seitlichen Nuten. In diese Nuten wird das Gehäuse, bestehend aus zwei Seitenplatten (eine mit einer zu öffnenden Türe und eine mit einem kippbaren bzw. vollständig zu öffnendem Fenster, ausgestattet) sowie einer verbindenden Dachplatte, eingesetzt. Die zwei verbleibenden, offenen und sich gegenüberliegenden Seiten werden mithilfe von Plexiglas-Scheiben ebenfalls mit einem Nutsystem verschlossen. Das Plexiglas ermöglicht eine ungehinderte Sicht in das Innere des Modells. Mithilfe von Teelichtern und Rauchentwicklern wird das Modell einsatzbereit. (Für weitere Einzelheiten: siehe Zeichnung)
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Der exakte Aufbau des Modells wird nachfolgend anhand der Zeichnungen verdeutlicht.
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1: Draufsicht auf die Bodenplatte
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2: Draufsicht auf die Deckenplatte des Gehäuses;
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3 die Draufsicht auf die Vorder- und Rückseite des Gehäuses
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4 die Draufsicht auf das Seitenteil des Gehäuses, welches die Türe enthält
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5 die Draufsicht auf die Tür
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6 die Draufsicht auf das Seitenteil des Gehäuses, welches das Fenster enthält
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7 die Draufsicht auf das Fenster
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8 perspektivische Sicht auf das gesamte zusammengesetzte Modell
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Vorteile: Das Modell bietet aufgrund seines Aufbaus (besteht u. a. aus zwei Plexiglas-Scheiben) eine gute Sicht auf die Versuche.
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Durch die Regulierung des Fensters bzw. der Tür können unterschiedliche Lüftungsarten simuliert werden.
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Mithilfe des Rauchentwicklers können die Warmluftwalze sowie die Luftbewegungen je nach Lüftungsart visuell verdeutlicht werden.
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Das Modell ist handlich und mobil. Es kann gut in Schulen und Kindergärten sowie zu sonstigen Fortbildungszwecken eingesetzt werden.
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Das Lüftungsmodell verdeutlicht auf einfache und anschauliche Art die Zirkulation bzw. Bewegung der Luft unter verschiedenen Bedingungen.
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Schutzansprüche: Das Besondere und Schätzenswerte am Lüftungsmodell ist sein Aufbau (siehe Zeichnung) insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Einstellungsmöglichkeiten des Fensters und der Tür. Auch der seitliche Aufbau (Verkleidung durch Plexiglas) ermöglicht die genaue Beobachtung und Nachvollziehung des jeweiligen Versuches. Für weitere Einzelheiten siehe Anhang: Schutzansprüche.
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Gewerbliche Anwendbarkeit: Das entwickelte Lüftungsmodell ist reproduzierbar und könnte verkauft werden, um auch von anderen Firmen bzw. in anderen Zusammenhängen als Modell und Lehrmittel eingesetzt zu werden.
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Ein Anwendungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend entsprechend eines möglichen Anleitungsaufbaus erläutert:
Aufstellen des Modells: Das Raummodell wird aufgebaut, indem das Gehäuse in die Nuten der Grundplatte gestellt und zunächst eine der beiden Kunststoffscheiben vorsichtig von oben eingeschoben wird. Die Rauchentwickler in die Aluhalterungen einstecken.
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Zunächst die angezündeten Teelichter auf die gelb markierten Punkte auf der Modellgrundplatte setzen. Anschließend die Rauchentwickler anzünden und hinter die Teelichte stellen. Die beste Rauchentwicklung wird erzielt, wenn die Dochte 30 Sekunden brennen. Dann erst die Flammen vorsichtig auspusten. Jetzt liefert die Glut ausreichend Rauch und die Dochte brennen auch noch lange genug, um die verschiedenen Lüftungsweisen vorzuführen. Das Modell dann rasch mit der zweiten Kunststoffscheibe schließen, um die im Folgenden beschriebenen Effekte zu demonstrieren.
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Versuche:
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Wärmeverteilung im Raum (Konvektion – Warmluftwalze): Die drei brennenden Teelichte (auf den gelben Punkten platziert) simulieren einen Heizkörper, von dem warme Luft senkrecht nach oben steigt (Konvektion). Die warme Luft streicht im weiteren Verlauf an der Zimmerdecke entlang in den rückwärtigen Teil des Raumes und fällt an der Rückwand zum Fußboden ab. Durch den Sog der über dem Heizkörper aufsteigenden Luft, wird die warme Luft am Fußboden entlang wieder Richtung Fenster geführt. Auf diese Weise entsteht eine Warmluftwalze, die den Raum gleichmäßig erwärmt. Die Luftbewegungen werden mit Hilfe der Rauchentwicklung sichtbar gemacht.
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Kipplüftung: Nachdem sich die Warmluftwalze ausgebildet hat, wird das Fenster zunächst auf Kippstellung nach innen geöffnet. Folgende Beobachtungen können gemacht werden: Der über den Teelichtern aufsteigende Rauch verändert sich kaum. Wenig Rauch (d. h. warme Raumluft) entweicht aus der Öffnung des gekippten Fensters. Gleichzeitig kann die (kältere) Außenluft nur zu den seitlichen Öffnungen einströmen und dies führt im Bereich unterhalb der Fensterbrüstung zu lokalen Luftverwirbelungen. In der Raummitte und im rückwärtigen Bereich ist kein Lüftungseffekt sichtbar. Die Rauchschwaden behalten ihre langsame Bewegung bei; die über den Teelichtern aufsteigenden Rauchsäulen (= Warmluftsäulen) sind kaum gestört. Es ist festzuhalten, dass die Kipplüftung nur im unmittelbaren Fensterbereich zu einem gewünschten Luftaustausch führt. Da die frische Außenluft jedoch unmittelbar auf den Heizkörper trifft, wird sie rasch aufgeheizt, steigt auf und strömt wieder zum Fenster hinaus. Ein Kleinkreislauf entsteht, bei dem die Heizungswärme in hohem Maße durch das gekippte Fenster verloren geht.
Kipplüftung bedeutet kurz gefasst: Geringer Luftaustausch und hoher Wärmeverlust.
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Stoßlüftung: Das Fenster des Modells wird vollständig geöffnet. Warme Luft zieht rasch nach außen ab, kalte Luft dringt durch das weit geöffnete Fenster ein und breitet sich über dem Boden des Raumes zügig aus. Dabei wird der Rauch (= die warme Luft) am Fenster und in allen Bereichen des Raumes verwirbelt und schnell durchs Fenster abgeführt.
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Erläuterung: Bei der Stoßlüftung wird die Raumluft schnell und effektiv gegen frische Außenluft ausgetauscht. Zwar geht auch hier Wärme verloren, doch ist dafür der gewünschte Luftaustausch in kurzer Zeit erreicht.
Durch Stoßlüftung lässt sich ein effektiver Luftaustausch bei geringem Wärmeverlust erreichen.
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Lüftung mit Durchzug (Querlüftung): Indem Sie das Fenster und die Tür in der Raumwand öffnen, können Sie am Modell Durchzug-Lüftung simulieren. Mit der Durchzug- oder Querlüftung kann ein besonders effektiver Luftaustausch erreicht werden. Diese Lüftungsweise kann eine Alternative sein, wenn Fenster ausschließlich gekippt werden können.
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Hinweis: Bedingt durch Luftströmungen im Raum, kann unter Umständen mehr Rauch durch die Tür als durch das Fenster entweichen. Manchmal ist es daher besser, die Tür geschlossen zu halten und eine der Kunststoffscheiben etwa 1 cm anzuheben. Das Ergebnis wird dann deutlicher.
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Löschen des Rauchentwicklers: Löschen Sie den Rauchentwickler, indem Sie die quadratische Grundplatte der Halterung erfassen und den Rauchentwickler kopfüber in das Wasser im Löschbecher halten, bis die Glut erloschen ist.
