DE602004013349T2

DE602004013349T2 - Luftreinigungswand

Info

Publication number: DE602004013349T2
Application number: DE602004013349T
Authority: DE
Inventors: Rene Winand; Leila Dehbi
Original assignee: ArcelorMittal France SA
Current assignee: ArcelorMittal France SA
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: ATE392943T1; KR20060126453A; JP2007507259A; PT1667785E; BRPI0415144A; PL1667785T3; EP1667785B1; EP1520615A1; WO2005030372A1; DK1667785T3; SI1667785T1; CN100525888C; CN1867390A; ES2305811T3; MXPA06003735A; EP1667785A1; DE602004013349D1; CA2540291A1; EP1667785B8; US7582256B1

Description

Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Luftreinigung, das auf dem Prinzip der heterogenen Photokatalyse in Kontakt mit Titandioxid funktioniert und bevorzugt die Form eines Wandelements aufweist.
Die Erfindung betrifft außerdem das Verfahren zur Lufteinigung, das mittels des Geräts eingesetzt wird.
Technischer Hintergrund und Stand der Technik
Die heterogene Photokatalyse ist seit den 70er Jahren infolge von Untersuchungen zur photoinduzierten Aufspaltung von Wasser bekannt. Diese Technik besteht darin, einen Halbleiter, im Allgemeinen Titandioxid, mit natürlichem Sonnenlicht oder mit einer künstlichen UV-Beleuchtung (λ < 400 nm) zu bestrahlen. Dieses Material erfährt eine Anregung, die es einem Elektron e^– des Valenzbands ermöglicht, in das Leitungsband des Halbleiter gehoben zu werden (Reduktion). Das entsprechende Loch h⁺ (Oxidation) kann mit einer OH-Gruppe reagieren, die an der Oberfläche des Halbleiters adsorbiert wird, um stark oxidierende OH-Hydroxylradikale zu bilden. Diese sind in der Lage, mit organischen Molekülen, zum Beispiel Schadstoffen, zu reagieren, um diese unter Bildung von Wasser und Kohlendioxid zu mineralisieren. Die Photokatalyse ist eine Beschleunigung der Photoreaktion durch die Gegenwart des Katalysators. Sie ist heterogen, da die Photoreaktionen an der Schnittstelle zwischen zwei Medien stattfinden, die sich in verschiedenen Phasen auf der Oberfläche des Katalysators befinden.
Das Titandioxid TiO₂ kommt in verschiedenen kristallinen Formen vor: Rutil, Anatas, Brookit und einer großen Anzahl von Phasen, die durch Hochdruck erhalten werden. Nur die kristallinen Formen Rutil und Anatas weisen eine photokatalytische Aktivität auf. Anatas, die aktivste Form, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wurde, besitzt insbesondere eine längliche tetraedrische Struktur mit unregelmäßigen Sauerstoffoktaedern.
Titandioxid ist in großer Menge vorhanden, sei es in Farben, kosmetischen Produkten, Lebensmitteln usw. Seine Photoaktivität ermöglicht es somit, es für die Zerlegung von organischen Molekülen zu verwenden, die an seiner Oberfläche adsorbiert werden. Die heterogene Photokatalyse in Kontakt mit Titandioxid wurde daher vor allem für die Wasserreinigung, die Zerstörung von Schadstoffen, Pestiziden, Farbstoffen, Bakterien, die Entgiftung von landwirtschaftlichem und industriellem Spülwasser, die Lufteinigung (Desodorierung, Entfernung schädlicher Gase) und als Selbstreinigungsmittel von Gegenständen oder Gebäuden im Freien, die der Witterung ausgesetzt sind, verwendet.
Es wurde eine sehr große Anzahl an Geräten zur Luftreinigung und/oder Desodorierung vorgeschlagen, die einen photokatalytischen Filter auf der Basis von TiO₂ enthalten, von denen einige außerdem eine strukturelle oder architektonische Funktion besitzen. Zumeist sind die Probleme, die von diesen Erfindungen gelöst werden, folgende:

– Optimierung der Verwendung von UV-Strahlung, die zum Beispiel mit Hilfe der Optimierung von Geometrien und Anordnungen zwischen dem photokatalytischen Träger und den Lampen oder durch die Erhöhung der Effizienz einer UV-Lampe zur photokatalytischen Wirkung durch Einsatz von Reflektoren ausgeführt wird (vgl. z. B. JP 09 084866 , EP 993859 , JP 2000 334448 , JP 10 249166 , JP 2001 293336 , JP 2002 295874 , JP 2001 218820 );
– Erhöhung des Umfangs des Lichtspektrums, das für die katalytische Wirkung verwendbar ist, zum Beispiel Verwendung des sichtbaren Lichts in Anwendungen vom Typ photokatalytischer Beleuchtungskörper (vgl. z. B. JP 2002 083511 , JP 2002 035599 );
– Verbesserung der Wartung der Geräte infolge eines erleichterten Austauschs der Lampen;
– Erhöhung der Kompaktheit durch Verwendung von flachen Lampen oder Leuchtdioden (LED) anstelle von herkömmlichen UV-Lampen (vgl. z. B. JP 2000 051332 , JP 09 000941 ).

In den meisten Fällen ist das patentierte Gerät mit einem Ventilator ausgestattet, um die Luftzirkulation zu forcieren, wobei der Luftstrom gegebenenfalls turbulent gemacht wird.
Die Geräte auf dem Stand der Technik sind jedoch hinsichtlich der folgenden Anforderungen kaum oder nicht zufrieden stellend:

– Der Einbau des Luftreinigers als architektonisches Element erfordert einerseits mechanische Struktureigenschaften des Komplexes, die zufrieden stellend sind, und andererseits eine große Kompaktheit in der Tiefe, was angesichts der Notwendigkeit, die UV-Lampen mit einer korrekten Ausrichtung anzuordnen, schwer auszuführen ist;
– Maximierung der Oberfläche des photokatalytischen Filters, die von der UV-Beleuchtung erreicht wird;
– Optimierung der Luftzirkulation im Innern des Geräts;
– Kontrolle der Temperatur der äußeren Wände des Geräts.

Ein Material, das ein photokatalytisches Oxid verwendet, ist in EP-A-0 590 477 beschrieben.
Ziele der Erfindung
Die vorliegende Erfindung richtet sich darauf, eine Lösung bereitzustellen, die es ermöglicht, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Ziel der Erfindung ist es, einen Luftreiniger bereitzustellen, der in Bauelemente von Gebäuden in deren Wandelementen integriert ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es insbesondere, einen Luftreiniger bereitzustellen, der in offener Schleife arbeitet, um kontinuierlich Schadstoffe aus der Atmosphäre eines Wohnraums zu entfernen.
Charakteristische Hauptelemente der Erfindung
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur kontinuierlichen photokatalytischen Reinigung der Luft in einem Wohnraum, das bevorzugt die Form eines Wandelements aufweist, umfassend:

– eine äußere metallische Struktur, bevorzugt aus Stahl;
– eine Öffnung zum Einlass der zu behandelnden Luft, die im unteren Teil der Vorderseite der Wand liegt;
– ein inneres metallisches Geflecht auf dem mehrere UVA-Lampen, das heißt, die eine ultraviolette Strahlung in einem Bereich von 315 bis 400 nm emittieren, befestigt sind;
– einen Filter, der einen Träger umfasst, der mit einem Film bedeckt ist, der photokatalytisches Titandioxid (TiO₂) umfasst;
– eine Öffnung zum Auslass der gereinigten Luft, die im oberen Teil der Vorderseite der Wand liegt, wobei die Luftströmung in dem Gerät durch die natürliche oder künstliche Zirkulation, durch mindestens einen Ventilator gewährleistet wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät mindestens ein Gitter aus gestrecktem Metall umfasst, das mit einem Film bedeckt ist, der Titandioxid (TiO₂) umfasst, größtenteils als Anatasphase, um die Photokatalysatoroberfläche zu maximieren, die von dem UVA-Licht beleuchtet wird.

Die vorliegende Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass der Träger des photokatalytischen Filters aus Metall ist und daher im Gegensatz zu den Trägern aus Papier, die üblicherweise verwendet werden, eine unbegrenzte Lebensdauer besitzt.
Das Gerät der Erfindung zur Reinigung der Umgebungsluft dient vorzugsweise der Zerstörung von flüchtigen organischen Verbindungen, wie etwa Alkanen, Alkoholen, Aldehyden, Ketonen, Aromaten und Terpenen, durch Photokatalyse in Kontakt mit Titandioxid.
Diese Gerät dient allgemeiner der Verwendung im Bausektor in Form eines Struktur- oder Dekorationselements, wie zum Beispiel einer Wand, einer Trennwand, einer Bodenplatte, einer Decke oder einer Zwischendecke usw. Das Strukturelement, das eine äußere metallische Seite aufweist, ist vorteilhafterweise mit jeder Art von Oberflächenbeschichtung, wie etwa Gips, Farbe, Tapete usw. kompatibel.
Vorteilhafterweise wird die äußere metallische Struktur entweder aus einem Stahl, wie etwa einem blankgeglühten Edelstahl, ausgeführt, oder besitzt auch eine innere Oberfläche, die mit einer dünnen Schicht bedeckt ist, die einen Reflexionsfaktor größer als 90 für Wellenlängen kleiner als 400 nm aufweist.
Die Tatsache, einerseits die gesamte beleuchtete Oberfläche und andererseits die Leistung, die von der Oberflächeneinheit des Filters aufgenommen wird, zu maximieren, bietet den Vorteil, die notwendige Leistung und mithin die Erwärmung und die Betriebskosten wesentlich reduzieren zu können, und letztendlich den Wirkungsgrad zu optimieren.
Gemäß einer bevorzugten Modalität der Erfindung hat die Vorderseite der äußeren Struktur eine Breite von mindestens 1,5 Metern, bevorzugt 2 Metern, wobei die Öffnungen zum Einlassen und Auslassen von Luft die Form von Schlitzen mit gleicher Breite und mit einer Größe haben, die etwas kleiner ist als diejenige der Breite der Vorderseite, und mit einer Höhe größer als 3 cm, bevorzugt gleich 5 cm.
Bevorzugt liegen diese Öffnungen mindestens 10 cm, stärker bevorzugt 5 cm von den oberen bzw. unteren Enden der Vorderseite entfernt.
Da es ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, die Oberfläche des gestreckten Metalls, bevorzugt eines gestreckter Stahls, der mit einem Photokatalysator bedeckt ist, zu maximieren, ist die gesamte Oberfläche der Maschen dieses gestreckten Stahls (S_Stahl) mit dem Film aus TiO₂ bedeckt, mit Ausnahme der Oberfläche der Dicke der Maschen, das heißt:
worin DL_Masche, DC_Masche und av_Masche jeweils die lange Diagonale, die kurze Diagonale und der Steg der Masche sind.
Um diesen Vorteil noch weiter zu verstärken, wird die Masche ausgewählt, um das Verhältnis (S_Stahl) zwischen ihrer physikalischen Oberfläche (S_Stahl) und ihrer gesamten Oberfläche (S_Masche) zu minimieren:
wobei das Verhältnis bevorzugt gleich 1/3 ist.
Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird das Gitter durch Befestigungen senkrecht gehalten, die ausschließlich auf dem äußeren Rand des Gitters liegen, die UVA-Lampen sind in Dreiergruppen über die Breite der Verkleidung angeordnet, der Ventilator ist ein 90°-Tangentialtyp und liegt oben an der Verkleidung, wobei die Anzahl der Ventilatoren ausgewählt ist, um eine Erneuerung der Luft von mindestens 30 m³/Stunde/Person in dem Wohnraum zu erhalten.
Gemäß einer anderen ebenfalls bevorzugten Modalität der Erfindung kann das Gerät zur Luftreinigung die Form eines Zylinders mit kreisförmigem, rechteckigem oder quadratischem Querschnitt annehmen, der mindestens eine UVA-Leuchtstoffröhre entsprechend der Achse des Zylinders aufweist und von einem Gitter aus gestrecktem Metall umgeben ist, das mit photokatalytischem TiO₂ bedeckt ist, wobei die innere Oberfläche des Zylinders einen Reflexionsfaktor größer als 90% hat. Diese Ausführungsmodalität dient insbesondere der Luftreinigung oder Luftschadstoffbeseitigung in einem Kanal.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung der Dimensionierung eines Luftreinigungselements, wie oben ausführlich beschrieben, wobei dieses Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

a) Definition der äußeren Geometrie des Geräts;
b) Definition der Anzahl der Gitter aus gestrecktem Stahl und der Beleuchtungsvorrichtung;
c) Berechnung der Beleuchtung der Gitter; wenn die Lichtstärke nicht größer ist als die festgelegte Toleranzschwelle, zurück zu Schritt b);
d) Berechnung der Luftströmung und der Temperaturverteilung; wenn es eine Erwärmung der Verkleidungen aus Stahl gibt, zurück zu Schritt b);
e) Berechnung der Entwicklung der Schadstoffkonzentration; wenn der Gesamtwirkungsgrad der Reinigung nicht größer als die zuvor definierte Grenze ist, zurück zu Schritt b);
f) Erhalten des Elements zur Reinigung oder Schadstoffbeseitigung mit optimalen Dimensionen.

Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt schematisch eine dreidimensionale Ansicht der Luftreinigungswand gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 stellt schematisch eine Explosionsansicht der aktiven Wand gemäß der Erfindung dar.
3 stellt schematisch eine Masche dar, der Basiseinheit eines Elements aus gestrecktem Metall, auf der das Titandioxid abgelagert ist.
4 stellt schematisch die Strömungsveränderung in einem 90°-Tangentialventilator dar.
5.a stellt die ungeglättete Beleuchtungskarte dar, die für ein Gitter aus gestrecktem Metall berechnet wurde, das zu dem Luftreiniger gemäß der Erfindung gehört.
5.b zeigt Beispiele von ungeglätteten Lichtstärkeprofilen, die von dem Gitter aus gestrecktem Metall bei direkter und indirekter Beleuchtung aufgenommen wurden.
6 stellt die Lichtstärkenkarte dar, die in dem Reinigungsmodell verwendet wird, das mit der vorliegenden Erfindung verbunden ist.
7 zeigt den Optimierungsalgorithmus zur Dimensionierung der Luftreinigungswand gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt schematisch ein Beispiel des zweidimensionalen Modells der Luftreinigungswand, die aus einem Gitter und drei Lampen besteht.
9 stellt den Wirkungsgrad der Luftreinigungswand gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Anzahl der Gitter, der Anzahl der Lampenreihen und vom Typ der Luftzirkulation (natürlich oder künstlich) graphisch dar.
10 stellt Temperaturprofile auf den äußeren Sichtflächen der Luftreinigungswand in Abhängigkeit von der Anzahl der UVA-Lampen und vom betrachteten Strömungstyp dar.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
Die Luftreinigungswand 1, die auf den 1 und 2 dargestellt ist, funktioniert nach dem bekannten Prinzip der heterogenen Photokatalyse in Kontakt mit Titandioxid. Dieses Gerät umfasst eine aktive Wand 1, die in offener Schleife arbeitet, welche umfasst:

– einen Lufteinlass 11, der auf dem unteren Teil der Vorderseite 10 der Wand liegt, durch den das Gemisch aus Luft und gegebenenfalls Schadstoffen in das Innere des Geräts eindringt;
– im Inneren der Wand, ein oder mehrere Gitter 2 aus gestrecktem Stahl, auf denen das Titandioxid abgelagert ist, die von einer Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet werden, die aus UVA-Lampen 3 zur Aktivierung des Films aus TiO₂ besteht;
– eine Öffnung 12, die auf dem oberen Teil der Vorderseite 10 der Wand liegt, durch die die schadstofffreie Luft ausgestoßen wird. Der Luftstrom wird entweder durch Ventilatoren (Konvektion oder Zwangsumlauf), oder durch die Erhöhung der Temperatur induziert, die auf das Beleuchtungssystem zurückzuführen ist (natürliche Zirkulation).

Um das Gerät zur Luftreinigung gemäß der Erfindung auf optimale Weise zu dimensionieren wurden mathematische und numerische Modelle verwendet, um vor allem die thermische und turbulente Konvektionsströmung zu beschreiben, die die Zirkulation der Schadstoffe in die Wand induziert. Ein theoretisches Modell zur Reinigung, das zu diesem Zweck entwickelt und mit Hilfe von Versuchsergebnissen validiert wurde, wurde bei den Randbedingungen eingeführt, um die Effizienz des Reinigungsgeräts im Hinblick auf die Schadstoffbeseitigung zu evaluieren.
Eine umfassende Untersuchung zu Design und Dimensionierung der Wand muss daher die thermischen, akustischen, strukturellen Belastungen und die Reinigungsvorgänge berücksichtigen. Die durchgeführte Untersuchung konzentriert sich hauptsächlich auf den thermischen Aspekt und auf die Schadstoffbeseitigung.
Im Rahmen der Dimensionierung der Wand muss die Berechung der Strömung, der Temperaturverteilung und des Reinigungsprozesses in einen umfassenden Optimierungsalgorithmus ohne Entkopplung eingeführt werden. Der Grund für diese Kopplung ist aus der Definition der Dimensionierungskriterien klar ersichtlich.
Die Reinigungswand 1 wird in einem geschlossenen Raum angebracht, wie etwa Büros, Konferenzräume usw. Die Umgebungstemperatur in diesem Raum ist daher mit der Temperatur der Stahlwand verknüpft, und wirkt als Randbedingung. Außerdem erfordert der mögliche direkte Kontakt zwischen den Bewohnern des Raums und der Wand die Kontrolle der Oberflächentemperatur des Stahls. Folglich ist das erste Optimierungskriterium die Minimierung der Erwärmung der Wand.
Das zweite Optimierungskriterium ist der Wirkungsgrad des Reinigungsprozesses. Der Gesamtwirkungsgrad der Photokatalyse muss maximiert werden, um die Reinigungszeit des betrachteten Wohnraums zu verringern.
Diese zwei Kriterien lassen eine Optimierungsfunktion erkennen, die ein Extremum besitzt. Um nämlich das erste Kriterium zu erfüllen, muss die Erwärmung der Wand durch das Beleuchtungssystem verringert und äußerstenfalls gegen null gebracht werden. Für das zweite Kriterium ist es notwendig, einen ausreichenden Photonenstrom zu haben, damit die Gesamtausbeute des Reinigungsprozesses maximal ist, und folglich das Beleuchtungssystem verstärken. Das Optimum besteht darin, das Beleuchtungssystem zu bestimmen, das eine minimale Erwärmung hervorruft, und dabei einen maximalen Reinigungswirkungsgrad bewahrt.
Für diese Berechnungen wurden die äußeren Dimensionen der Wand 1 auf 2 m Höhe (H_Wand), 2 m Breite (L_Wand) und 10 cm Dicke (e_Wand) festgelegt, wobei die drei Parameter, anhand derer die Dimensionierung optimiert werden kann, Folgende sind: die Anzahl der Gitter 2 aus gestrecktem Metall, die Anzahl der UVA-Lampen 3, die in dem Beleuchtungssystem verwendet werden, und die Verwendung von Ventilator(en) 5, um die Strömung zu forcieren (vgl. zum Beispiel 5).
Wie in 2 dargestellt, umfasst die verwendete aktive Wand aus Stahl einen Komplex von Elementen, die jeweils eine bestimmte Funktion besitzen, die es ermöglicht, ein optimales System zur Luftreinigung durch Photokatalyse zu erhalten: die äußere Struktur aus Stahl, im Wesentlichen die Vorderseiten 10 und Rückseiten 15, die Gitter 2 aus gestrecktem Metall, auf denen ein Film aus TiO₂ abgelagert ist, das Beleuchtungssystem, das die UVA-Lampen 3 umfasst, die auf einem Metallgeflecht 4 befestigt sind. Der Komplex wird durch die Ventilatoren 5 und eine Elektrobox vervollständigt, die die gesamte Wand mit Energie versorgt (nicht dargestellt).
1. Die äußere Struktur
Die äußere Struktur der aktiven Wand 1 besteht aus Stahlplatten. Die Oberflächeneigenschaften dieser Platten spielen eine entscheidende Rolle bei der Beleuchtung des Titandioxids.
Um einen optimalen Wirkungsgrad der Photokatalyse in Kontakt mit dem Titandioxid zu erhalten, müssen alle Gitter aus gestrecktem Metall mit einem ultravioletten Licht angestrahlt werden, das von den verschiedenen Lampen stammt, aus denen das Beleuchtungssystem besteht. Zu diesem Zweck müssen die inneren Oberflächen der Sichtflächen aus Stahl der äußeren Struktur einen maximalen Reflexionsfaktor für Wellenlängen kleiner als die Referenzwellenlängen des Anatas-Titandioxids, nämlich 387 nm, haben. Es muss daher ein Stahl verwendet werden, dessen Reflexionsfaktor im Ultraviolettbereich hoch (größer als 90%) ist, zum Beispiel ein blankgeglühter Edelstahl.
Gemäß der eingesetzten bevorzugten Ausführungsform besitzt die Vorderseite 10 der äußeren Struktur zwei Öffnungen von 1,9 m Länge auf 5 cm Höhe. Die Öffnung 11, die im unteren Teil der Vorderseite 10 liegt, ermöglicht es der Luft, in die Wand einzudringen, um die heterogene Photokatalyse in Kontakt mit dem Titandioxid zu erfahren und sich daher zu reinigen.
Die Öffnung 12, die im oberen Teil der Vorderseite 10 liegt, ermöglicht es, die gereinigte Luft wieder in den Raum, dessen Behandlung gewünscht ist, zurückzuführen.
Die Dimensionen der Öffnungen werden in Abhängigkeit von mehreren Parametern bestimmt: der Menge an behandelter Luft, der Verweildauer der Luft in der Wand und der Geschwindigkeiten der Luft am Einlass und Auslass der Wand.
Um die durch die aktive Wand behandelte Luftmenge zu maximieren, muss die Oberfläche des Einlasses 11, der im unteren Teil der Vorderseite liegt, so groß wie möglich sein. Daher wurde eine Länge von 1,9 m gewählt, was die mechanischen Anforderungen hinsichtlich der Beständigkeit der Vorderseite und die Anforderungen hinsichtlich der zu behandelnden Luft erfüllt. Die Länge der Auslassöffnung 12 ist gleich der Länge der Einlassöffnung 11, denn um einen maximalen Reinigungswirkungsgrad zu erhalten, muss der Luftstrom in der Wand horizontal gleichmäßig sein, was mit gleichen Längen von Einlass und Auslass genau erreicht wird.
Um die Verweildauer der Luft in der aktiven Wand zu maximieren, ist es wesentlich, den Einlass und den Auslass in einem maximalen Abstand anzuordnen. Daher wurde die Einlassöffnung 5 cm vom unteren Ende der aktiven Wand und die Auslassöffnung 5 cm von deren oberen Ende entfernt angebracht.
Gemäß den IAQ-Normen liegen annehmbare mittlere Luftgeschwindigkeiten in Gebäuden in einer Größenordnung von 20 bis 30 cm/s. Außerdem liegt die Lufterneuerungsrate für eine Person in der Größenordnung von 30 m³/h. Um diese Bedingungen zu erfüllen ist die Höhe der Öffnungen 11, 12 auf 5 cm bestimmt.
2. Die Gitter aus gestrecktem Metall
Die Gitter aus gestrecktem Metall 2 bilden den Träger des für den Prozess der heterogenen Photokatalyse verwendeten Halbleiters. In der durchgeführten Untersuchung wurde Titandioxid, größtenteils in Anatasphase, vorgesehen.
Das gestreckte Metall wird als Matrix definiert, deren Basiselement die Masche 6 ist (vgl. 3).
Diese Masche 6 ist durch vier Parameter definiert: die lange Diagonale (DL_Masche), die kurze Diagonale (DC_Masche), die Breite des Stegs (av_Masche) und die Dicke (sp_Masche). Ausgehend von den ersten drei Parametern lässt sich die Metalloberfläche definieren, die in einer Masche (S_Stahl) enthalten ist:
Um die vier Parameter des gestreckten Metalls zu definieren, müssen wir mehrere Parameter berücksichtigen: Die gesamte Oberfläche des Films aus Titandioxid und die Beleuchtung dieser Oberfläche mit Hilfe des Beleuchtungssystems.
Um einen optimalen Reinigungswirkungsgrad zu erhalten, muss die gesamte Oberfläche des Films aus TiO₂ maximal sein. Wenn das TiO₂ auf dem gestreckten Metall abgelagert wird, ist die Oberfläche, die mit TiO₂ bedeckt ist, gleich der Metalloberfläche (S_Stahl). Diese beiden Oberflächen sind genau deckungsgleich, wenn kein Titandioxid auf der Dicke der Masche 6 abgelagert wird. Wenn wir unsere Annahme auf eine industrielle Ablagerungsmethode stützen, die vorgesehen werden wird, gehen wir davon aus, dass unsere Hypothese gültig ist. Für eine industrielle Anwendung wird die Ablagerung des Titanoxids auf einem Endlosstahlblech erfolgen bevor es gestreckt wird, wodurch die Abwesenheit von Titandioxid auf der Dicke der Masche impliziert wird.
Damit der Prozess der heterogenen Photokatalyse in Kontakt mit Titandioxid maximal ist, ist es außerdem erforderlich, dass jede Oberfläche des Halbleiters mit dem UVA-Licht beleuchtet ist, das aus dem Beleuchtungssystem stammt. Da die aktive Wand kann mehrere Gitter aus gestrecktem Metall umfassen kann, muss das Licht die beiden Seiten jedes Gitters erreichen können. Zu diesem Zweck muss das Verhältnis zwischen der physikalischen Oberfläche der Masche (S_Stahl) und der Oberfläche der Masche (S_Masche) minimal sein:
Um diese beiden Erfordernisse zu vereinen, haben wird uns für ein Verhältnis S_Stahl in der Größenordnung von 1/3 entschieden.
Aus dem Katalog für gestrecktes Metall der Firma MDB (Métal Déployé Beige S.A., Groupe Arcelor) haben wird drei annehmbare Metalle mit folgenden Bezugsnummern ausgewählt 62.25.43.30, A28.15.21.10, A28.15.25.15, was jeweils den folgenden Dimensionen entspricht (DL_Masche = 62 mm, DC_Masche = 25 mm, av_Masche = 4,3 mm, sp_Masche = 3 mm), (DL_Masche = 28 mm, DC_Masche = 15 mm, av_Masche = 2,5 mm, sp_Masche = 1 mm), (DL_Masche = 28 mm, DC_Masche = 15 mm, av_Masche = 2,5 mm, sp_Masche = 1,5 mm).
Das letzte Auswahlkriterium für die Art des gestreckten Metalls ist von seiner strukturellen Steifigkeit abhängig. Die Gitter aus gestrecktem Metall werden vertikal in der aktiven Wand angeordnet. Um zu vermeiden, dass die Wand mit inneren Verstärkungen überfüllt wird, muss das verwendete gestreckte Metall mit Befestigungen mit vertikal gehalten werden können, die ausschließlich auf dem äußeren Rand des Gitters liegen.
Dieses Kriterium ermöglicht es uns, unsere Wahl auf das gestreckte Metall 62.25.43.30 zu finalisieren da es eine ausreichende Dicke besitzt, um das Kriterium der Steifigkeit zu erfüllen.
3. Das Beleuchtungssystem
Das Beleuchtungssystem besteht aus einem Komplex von UVA-Lampen mit 25 W vom Typ CLEO 2 (Philips). Dieser Lampentyp liefert eine Leistung von 4,3 W in UVA, das heißt, für Wellenlängen im Bereich zwischen 320 und 400 nm. Sie liefern außerdem eine UVB-Strahlung, deren Verhältnis zu den UVA-Strahlen bei 1,2 liegt. Ihre Dimensionen sind: eine Länge von 516,9 mm und ein Durchmesser von 16 mm.
Die Lampen sind in Dreiergruppen über die Breite der Wand (L_Wand) angeordnet. Die Anzahl der Gruppen wird während der Berechnung der Dimensionierung der Wand bestimmt. Die Kriterien, die es ermöglichen, die Anzahl der Gruppen zu bestimmen, sind: Erhalten einer minimalen Erwärmung der Luft und der äußeren Struktur der Wand und Erhalten einer minimalen Beleuchtungsschwelle aller Oberflächen der Gitter aus gestrecktem Metall, auf denen das Titandioxid abgelagert ist.
4. Die Ventilatoren
Die Ventilatoren 5 gewährleisten die Zirkulation der Luft durch die aktive Wand. Der Luftdurchsatz, der von den Ventilatoren induziert wird, muss den Normen zur Lufterneuerung entsprechen. Die Normen empfehlen eine Lufterneuerung in einer Größenordnung von 30 m³/Stunde/Person für Wohnräume.
Die Anpassung des Luftdurchsatzes kann in Abhängigkeit vom der Art des zu reinigenden Raums vorgesehen werden.
Wir verwenden 90°-Tangentialventilatoren, das heißt, Ventilatoren, die es ermöglichen, die Strömungsrichtung um 90° zu verändern, der Marke Ziehl-Abegg und vom Typ QR 06-GKM70BP. Dieser Ventilatortyp ermöglicht es, große Durchsätze in der Größenordnung von 550 m³/h zu erreichen.
Der Durchsatz wird mit Hilfe eines Potentiometers angepasst, indem die elektrische Leistung reguliert wird, die dem Motor geliefert wird.
4 zeigt die Veränderung der Strömungsrichtung in einem 90°-Tangentialventilator.
Die Ventilatoren sind oben an der aktiven Wand angeordnet, um eine gleichmäßige Strömung in der gesamten Wand zu erhalten.
5. Die Elektrobox
Die Funktion der aktiven Wand erfordert eine Stromquelle, um das Beleuchtungssystem und die Ventilatoren zu versorgen. Um die Gegenwart eines elektrischen Steckers für jede Lampe und für jeden Ventilator zu vermeiden, wird eine in einer unteren Ecke eine Elektrobox installiert. Diese Elektrobox, die von einem einzigen Stromstecker versorgt wird, der von außen kommt, liefert die Energie, die für alle elektrischen Bauteile der Wand erforderlich sind.
6. Strömung und Randbedingungen
Für die Modellierung der Strömungen werden die inkompressiblen und stationären Navier-Stokes-Gleichungen verwendet. Die thermischen Wirkungen auf die Strömung werden in das Modell außerdem durch die Boussinesq-Approximation eingeführt. Die Reynoldssche Zahl, definiert durch den Luftdurchsatz in der Wand und die Einlassoberfläche, ist ausreichend groß, um die Verwendung eines Turbulenzmodells zu rechtfertigen.
Die geringen Strömungsgeschwindigkeiten, in der Größenordnung von 1 m/s, sowie die geringe Erwärmung der Wand bestätigen die Hypothesen, die für die Verwendung des inkompressiblen Ansatzes und der Boussinesq-Approximation erforderlich sind.
6.1 Dynamische Randbedingungen
Für das Gerät zur Luftreinigung müssen wir am Einlass einen Luftdurchsatz vorgeben.
An einem Lufteinlass müssen wir zwei dynamische Randbedingungen vorgeben. Wir führen den Luftdurchsatz Q_Luft, den wir bei der numerischen Untersuchung variieren lassen, und die Strömungsrichtung ein, die wir senkrecht zur Einlassoberfläche vorsehen.
Am Ausgang ist nur eine einzige Randbedingung erforderlich. Wir geben den Wert des Referenzdrucks vor.
6.2 Turbulente Randbedingungen
Am Einlass des Geräts zur Reinigung müssen wir eine Bedingung für die turbulente kinetische Energie (k) und die Dissipation der turbulenten kinetischen Energie (ε) einführen. Diese Bedingungen sind sehr schwer zu evaluieren, da sie von der Strömung stromaufwärts des Einlasses abhängen, einer Strömung, die in den numerischen Simulationen nicht modelliert ist.
Um die Randbedingungen zu definieren, schlussfolgern wir entsprechend dem Ziel der Untersuchung. In dieser Untersuchung, die die Dimensionierung der Reinigungswand betrifft, müssen wir den Wirkungsgrad des Geräts hinsichtlich der Luftreinigung evaluieren. Es lässt sich zeigen, dass die Durchmischung der Luft den Reinigungsprozess begünstigt, da sie eine optimale Heranführung des Schadstoffs zur Oberfläche des Halbleiters sicherstellt. Diese Durchmischung der Luft ist im Wesentlichen durch das Turbulenzniveau gekennzeichnet: je größer die Turbulenz ist, umso besser ist die Homogenisierung des Schadstoffs.
Um den schwierigsten Fall zu untersuchen, das heißt den Fall, bei dem die Durchmischung minimal ist, sehen wir vor, dass am Einlass des Geräts zur Reinigung die Strömung laminar ist. Die Turbulenz wird ausschließlich im Innern der Wand erzeugt. Die Randbedingungen, die an Einlass für die turbulente kinetische Energie und deren Dissipation vorzugeben sind, werden daher sehr einfach. Wir streichen die turbulente kinetische Energie sowie deren Dissipation.
6.3 Thermische Randbedingungen
Für die thermischen Randbedingungen definieren wir vier verschiedene Bedingungen: die Randbedingung am Einlass des Geräts zur Reinigung, die Randbedingung zu den Lampen, die Randbedingung zu den inneren Seiten der Wand und die Randbedingung zu den verschiedenen Seiten der Gitter aus gestrecktem Metall, das das Titandioxid enthält.
Der allgemeine Ausdruck einer thermischen Randbedingung führt den Konvektionsstrom, den Strahlungsstrom, den Leitungsstrom und den äußeren Strom ein. Dieser allgemeine Ausdruck vereinfacht sich in Abhängigkeit von der betrachteten Oberfläche.
A) Der Einlass des Geräts zur Reinigung.
Diese Randbedingung ist die einfachste. Sie wird ermöglichen, das mittlere Temperaturniveau in der Reinigungswand zu ermitteln. Zu diesem Zweck geben wir eine Temperatur von 20°C vor. TEinlass = 20°C (1.3)
B) Die Lampen.
Die Energiezufuhr wird durch ein System aus Lampen vom Typ CLEO mit 25 W sichergestellt, die eine Lichtleistung von 4,3 W sicherstellen. Die Randbedingung zu jeder Lampe schreibt sich:
worin der thermische Strom der Lampen durch den folgenden Ausdruck gegeben ist:
worin R_Lampe der Strahl der Lampe ist (8 mm) und L_Lampe die Länge der Lampe (517 mm) ist.
C) Die inneren Seiten der Wand.
Die thermische Randbedingung zur Wand ist sehr kompliziert, da wir den Konvektionsaustausch im Innern der Platte aus blankgeglühtem Edelstahl, den Konvektions- und Strahlungsaustausch außerhalb der Wand berücksichtigen müssen. Diese Art von Daten kann nicht exakt definiert werden.
Es können zwei Lösungen vorgesehen werden: mittlere Koeffizienten des äußeren Konvektions- und Strahlungsaustausches zu verwenden oder den ungünstigsten Fall für die Dimensionierung des Geräts zur Reinigung vorzusehen. Wir wählen die zweite Lösung. Wenn wir nämlich eine Reinigungswand mit einer minimalen Erwärmung unter den ungünstigsten Bedingungen erhalten können, sind wir sicher, alle Fälle einzuschließen.
Analysieren wir nun den ungünstigsten Fall. Wenn das Beleuchtungssystem, das aus UV-Lampen vom Typ CLEO besteht, in der Wand arbeitet, erwärmen sich die Gitter aus gestrecktem Metall sowie die Platten aus blankgeglühtem Edelstahl. Die Vorderseite der Wand ist in direktem Kontakt mit der Temperatur der Umgebungsluft in dem angrenzenden Raum. Es gibt daher eine thermische Übertragung von der Vorderseite in den angrenzenden Raum. Der angrenzende Raum tendiert daher dazu, die Temperatur der Vorderseite zu senken. Der ungünstigste Fall wäre vorzusehen, dass die Luft des angrenzenden Raums direkt den Wert der Temperatur der Vorderseite erreicht: diese Bedingung ist eine Adiabasiebedingung. Wir berücksichtigen nicht die Möglichkeit einer äußeren Beleuchtung der Vorderseite, die logischerweise die Temperatur erhöhen würde.
Wir verwenden daher die Adiabasiebedingung, das heißt die Summe der Leitungsströme in der Vorderseite und der externen Konfektionsströme und Strahlungsströme als Null vorzusehen.
Die Randbedingung schreibt sich daher:
worin q''_Licht der von den Lampen stammende Lichtstrom ist, der von der Oberfläche aufgenommen wird, und α_Edelstahl der Absorptionskoeffizient des blankgeglühten Edelstahls ist.
Der Absorptionskoeffizient des blankgeglühten Edelstahls liegt in der Größenordnung von 0,15 im Infrarotbereich und steigt auf einen Wert in der Größenordnung von 0,3 im Ultraviolettbereich.
D) Die Gitter aus gestrecktem Metall.
Der Berechnungsumfang umfasst die Gitter aus gestrecktem Metall vollständig. Wir verwenden daher einen gekoppelten Randbedingungstyp mit einer zusätzlichen Zufuhr, die auf die Energiezufuhr durch das Beleuchtungssystem zurückzuführen ist.
7. Schadstoffe und theoretisches Modell der Reinigung
Das Gerät zur Reinigung, die Reinigungswand, muss mit komplexen Gemischen funktionieren, die aus einem breiten Spektrum von Schadstoffen bestehen. Die Schadstoffe sind unter der globalen Bezeichnung der flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) zusammengefasst. Die Normen, die die Schadstoffraten in Gebäuden regeln, geben Grenzwerte für jeden einzelnen Schadstoff vor, aber auch für die Gesamtmenge an flüchtigen organischen Verbindungen (TVOC). Die zulässigen mittleren Konzentrationen liegen in der Größenordnung von 200 bis 500 µg/m³. Dieses Konzentrationsniveau entspricht Werten kleiner als ppm_Volumen für jeden Schadstoff.
Wir erfassen die Hauptschadstoffe in 6 Kategorien: Alkane, Alkohole, Aldehyde, Ketone, Aromaten und Terpene.

Die erste Schadstoffkategorie ist die der Alkane. Die Alkane sind Moleküle, die ausschließlich aus einer Kohlenstoffkette bestehen, auf die Wasserstoffatome gepfropft sind (Tabelle 1). Tabelle 1

Alkan	Formel	C_A (µg/m³)	MW_A (g/mol)	C_A (ppb_Volumen)
Hexan	C₆H₁₄	9,85	86,2	2,56
Heptan	C₇H₁₆	12	100,23	2,68
Octan	C₈H₁₈	10,1	114,26	1,98
Nonan	C₉H₂₀	8,5	128,29	1,48
Decan	C₁₀H₂₂	15,7	142,32	2,47
Undecan	C₁₁H₂₄	20,85	156,35	2,98
Dodecan	C₁₂H₂₆	12,05	170,38	1,58
Tridecan	C₁₃H₂₈	3,8	184,41	0,46
Tetradecan	C₁₄H₃₀	10,3	198,44	1,16

Die gesamte Alkankonzentration, die durch Aufsummierung der mittleren Konzentration jeder Verbindung erhalten wird, liegt bei 103 µg/m³.
In der allgemeinen Kategorie der Alkane gibt es Verbindungen, deren Kohlenstoffkette cyclisch ist. Dies sind die Cycloalkane (Tabelle 2). Tabelle 2

Cycloalkan Formel C_A (µg/m³) MW_A (g/mol) C_A (ppb_Volumen)

Cyclohexan C₆H₁₂ 5,6 84,16 1,49

Methylcyclohexan C₇H₁₄ 6,6 98,19 1,50

Methylcyclopentan C₆H₁₂ 1,6 84,16 0,42
Die Cycloalkane stellen einen geringen Anteil der Verbindungen dar, die zu dieser Alkankategorie gehören. Ihre Gesamtkonzentration liegt bei 14 µg/m³.

Die zweite Kategorie der flüchtigen organischen Verbindungen, die wir erfasst haben, ist die der Alkohole (Tabelle 3). Tabelle 3

Alkohol	Formel	C_A (µg/m³)	MW_A (g/mol)	C_A (ppb_Volumen)
1-Butanol	C₄H₁₀O	5,5	74,12	1,66
2-Butoxyethanol	C₆H₁₄O₂	56	118,17	10,62
1-Hexanol-2-Ethyl	C₆H₁₈O	4,1	130,23	0,7
Phenol	C₆H₆O	3,4	94,11	0,8

Die vier Hauptschadstoffe, die zu dieser Kategorie gehören, haben Einzelkonzentrationen, die in ihrer Gesamtheit 69 µg/m³ darstellen.

Die dritte Kategorie ist durch Aldehydverbindungen gekennzeichnet. Dies sind jene Verbindungen, deren Einzelkonzentrationen am höchsten sind, insbesondere Formaldehyd und Acetaldehyd (Tabelle 4). Tabelle 4

Aldehyd	Formel	C_A (µg/m³)	MW_A (g/mol)	C_A (ppb_Volumen)
Formaldehyd	CH₂O	77,22	30,03	57,63
Acetaldehyd	C₂H₄O	28,28	44,05	14,38
Propionaldehyd	C₃H6O	3,86	58,08	1,48
Crotonaldehyd	C₄H₆O	2,52	70,09	0,8
Butyraldehyd	C₄H₈O	2,84	72,11	0,88
Benzaldehyd	C₆H₇O	2,1	106,12	0,44

Die Konzentrationen jeder Verbindung dieser Kategorie sind so, dass ihre Gesamtkonzentration bei 116 µg/m³ liegt.
Die vierte Kategorie ist die der Ketone. Die drei in Tabelle 5 erfassten Verbindungen stellen eine Gesamtkonzentration von 30,8 µg/m³ dar. Tabelle 5

Keton Formel C_A (μg/m³) MW_A (g/mol) C_A (ppb_Volumen)

Aceton C₃H₆O 26 58,08 10,03

2-Butanon C₄H₈O 3,4 72,11 1,05

4-Methyl-2-pentanon C₆H₁₂O 1,4 100,16 0,3

Die Aromaten sind die Verbindungen, die zur fünften Kategorie gehören. Diese Kategorie besitzt ebenfalls eine Verbindung, deren Konzentration hoch ist, das Toluol (Tabelle 6). Tabelle 6

Aromat	Formel	C_A (μg/m³)	M_WA (g/mol)	C_A (ppb_Volumen)
Benzol	C₆H₆	4,43	78,12	1,27
Toluol	C₇H₈	62,32	92,15	15,15
o-Xylol	C₈H₁₀	3,93	106,17	0,82
Styrol	C₈H₈	0,92	104,15	0,19
Ethylbenzol	C₈H₁₀	5,99	106,17	1,26
2-Ethylbenzol	C₉H₁₂	2,3	120,19	0,42
3-Ethyltoluol	C₉H₁₂	3,7	120,19	0,69
4-Ethyltoluol	C₉H₁₂	1,9	120,19	0,35
1,2,4-Trimethylbenzol	C₉H₁₂	0,7	120,19	0,13

Die Gesamtkonzentration an aromatischen Verbindungen liegt bei 86 μg/m³.
Die letzte Kategorie beinhaltet Terpenverbindungen (Tabelle 7). Die Gesamtkonzentration liegt bei 76,8 µg/m³. Tabelle 7

Terpen Formel C_A (µg/m³) MW_A (g/mol) C_A (ppb_Volumen)

Pinen C₁₀H₁₆ 18,3 136,23 3,01

Limonen C₁₀H₁₆ 58,5 136,23 9,62
Die Gesamtkonzentration an flüchtigen organischen Verbindungen liegt bei 420 µg/m³.
Diese nicht erschöpfende Liste von Schadstoffen, zeigt, dass ihre mittlere Konzentration kleiner als ppb_Volumen ist. Bei der Analyse der Versuchsergebnisse zu den komplexen Gemischen mit niedrigen Konzentrationen haben wir beobachtet, dass jeder Schadstoff den Prozess der Reinigung durch Photokatalyse in Kontakt mit dem Titandioxid erfährt, als ob er sich allein in der Testbox befände. Wir verwenden diese Eigenschaft, um alle zuvor zitierten Verbindungen in einen Algorithmus zur Dimensionierung des Geräts zur Reinigung einzuführen. Unter Verwendung dieser Eigenschaft definieren wir einen Testschadstoff A, dessen Ausgangskonzentration die Gesamtkonzentration der VOC ist, das heißt, 420 µg/m³.
Wir konnten die Parameter in dem vorgenannten Modell zur Reinigung im Fall der Reinigung von Acetaldehyd exakt definieren. Diese Parameter, die Quantenausbeute und die Referenzkonzentration, hängen vom Photonenstrom ab, der von dem Titandioxid erhalten wird. Aus drei Werten für die Parameter, die jeweils für einen Photonenstrom von 1,66·10^–4, 7,26·10^–5 und 2,56·10^–5 Einstein/m²/s bestimmt wurden, definieren wir eine Interpolationsfunktion für die Quantenausbeute und die Referenzkonzentration. Diese Interpolationsfunktionen ermöglichen es, den Wert der Reinigungsparameter in Abhängigkeit vom Photonenstrom zu erhalten. Die Exaktheit der Werte wird sichergestellt, solange der einfallende Photonenstrom im Bereich zwischen 1.66 10^–4 und 2.56 10^–5 Einstein/m²/s liegt.
Die exakte Kenntnis der Reinigungsparameter für das Acetaldehyd machen diese Verbindung zum Testschadstoff, der es ermöglicht, alle zuvor in den Listen zitierten VOC-Verbindung einzuführen.
Wir dimensionieren daher das Gerät zur Reinigung gemäß der Erfindung unter Berücksichtigung einer Atmosphäre, die ausschließlich mit Acetaldehyd verschmutzt ist, dessen Konzentration bei 420 µg/m³ liegt, was 213 ppb_Volumen entspricht. Um einen Sicherheitsspielraum für die Dimensionierung sicherzustellen, nehmen wir an, dass die Acetaldehydkonzentration bei 1 ppm_Volumen liegt.
Bei der Analyse der Versuchsergebnisse, haben wir niemals das Auftreten von Zwischenprodukten beim Zerlegungsprozess des Acetaldehyds in Kontakt mit dem Titandioxid, das aufgesprüht wurde, festgestellt. Die einzige Zerlegungsreaktion, die wir vorgeben ist daher die Zerlegungsreaktion des Acetaldehyds durch die Hydroxylradikale.
Die Verwendung unserer theoretischen Modells zur Reinigung als Randbedingung bei der Gesamtberechnung der Dispersion des Acetaldehyds in der Reinigungswand erfordert die Bestimmung von Reinigungsparametern, die wir durch Interpolationsfunktionen auf Werte erhalten, die anderswo bestimmt wurden (nicht veröffentlicht), die Bestimmung der stöchiometrischen Koeffizienten, die wir mit Hilfe der Gleichung zur Zerlegung von Acetaldehyd erhalten und die Bestimmung des Photonenstroms, der von der Oberfläche aus Titandioxid aufgenommen wird.
7.1 Photonenstrom
Die Evaluierung des Photonenstroms ist ein wichtiger Schritt im Optimierungsalgorithmus. Für diese Berechnung verwenden wir eine Software zur Lichtberechnung, zum Beispiel die Software SPEOS (Optis, Frankreich). Diese Software bestimmt Beleuchtungskarten, Lichtstromkarten, indem sie die Ausbreitung der Lichtstrahlen gemäß den physikalischen Gesetzen berechnet. Diese Karten ermöglichen es, die Raumfunktion der Verteilung der Lichtstärke auf einer gegebenen Oberfläche (F_SPEOS) zu definieren:
worin:

– x, y die Raumkoordinaten sind, verknüpft mit der Oberfläche;
– Gesamtspektrum das gesamte Emissionsspektrum der verwendeten Lampen ist;
– I die Lichtstärke ist (W/m²/nm);
– λ die Wellenlänge der Strahlung (nm) ist.

Für unser theoretisches Modell zur Reinigung mussten wir den Photonenfluss bestimmen, das heißt, die Anzahl an Photonen, die die beleuchtete Oberfläche an einem Koordinatenpunkt (x, y) für eine Zeiteinheit erreicht.
Um diese Daten, die über die Beleuchtungskarten und die Photonenanzahl (N_hv) erhalten wurden, zu verbinden, stellen wir folgende Hypothese auf: die Lichtstärke I(λ, x, y) kann in drei Anteile getrennt werden, wobei die erste die Norm der Lichtstärke |I| ist, die zweite ausschließlich von der räumlichen Position des Punkts auf der betrachteten Oberfläche I_s(x, y) abhängt und die dritte die spektrale Abhängigkeit I_λ(λ) darstellt. Die beiden letztgenannten Größen sind standardisiert. Es gilt:
Mit Einführung dieser Definition der Lichtstärke (1.8), schreiben wir die Gleichung des Photonenstrom um, der am Punkt x, y der beleuchteten Oberfläche erhalten wird:
worin E(hv) = hv = h·c/λ.
Das Integral über die Wellenlängen, die von dem Halbleiter absorbiert werden können, kann evaluiert werden, wenn das Emissionsspektrum der Quelle (das im Allgemeinen von der Firma geliefert wird, die die Lampe herstellt) bekannt ist. Für die Lampen vom Typ CLEO der Firma Philips stellen wir fest, dass es eine Verringerung der Lichtstärke in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem Beleuchtungssystem und der beleuchteten Oberfläche gibt. Wenn die Spektren standardisiert sind, erhalten wir das Emissionsspektrum der Lampe, das vom Hersteller geliefert wird.
Wir definieren daher einen standardisierten Photonenstrom (F_hv,0), der ausschließlich aus Daten des Herstellers berechnet werden kann, und der über die gesamte beleuchtete Oberfläche konstant ist:
Wenn wir außerdem die Relation (1.8) in den Ausdruck (1.7) einführen, erhalten wir den Ausdruck der folgenden Funktion F_SPEOS
In diesem Ausdruck (1.11) erhalten wir erneut einen Term, der direkt aus den Daten des Herstellers der Lichtquelle berechnet werden kann:
Wenn wir die Ausdrücke (1.10, 1.11, 1.12) in die Berechnung der Photonenanzahl, die von der beleuchteten Oberfläche je Zeiteinheit (1.9) aufgenommen werden, einfügen, erhalten wir die Formel:
(worin F_hv,0/Ῑ_Quelle,0 = 2,48·10^–6).
Unter Verwendung dieser Formel (1.13), der Beleuchtungskarten, die von der Software SPEOS (F_SPEOS(x, y)) geliefert werden sowie den Spektraldaten der Lichtquelle, können wir den Photonenstrom berechnen, der von jedem Punkt der Oberfläche des Katalysators aufgenommen wird.
7.2 Beleuchtungskarten
Im vorausgehenden Abschnitt haben wir gezeigt, dass wir, ausgehend von einer Beleuchtungskarte, die mit der Software SPEOS erhalten wird, und den Spektralmerkmalen der Lichtquellen, alle Daten haben, die für unser Modell zur Reinigung notwendig sind.
Um die Beleuchtungskarten zu erhalten, führen wir in die Software SPEOS ein dreidimensionales Modell der Reinigungswand ein. Wie für die geometrischen Modelle, die bei den Strömungssimulationen verwendet wurden, bestimmen wir die wesentlichen Elemente, die wichtigen Elemente und die vernachlässigbaren Elemente. Gleichwohl unterscheiden sich die Elemente, die in jeder der drei Kategorien definiert werden von jenen, die im Rahmen der CFD-Berechnung (Computational Fluid Dynamic) definiert werden. Da die Ziele der Simulationen mit CFD und mit der SPEOS-Software verschieden sind, ist es normal, die Elemente der drei Kategorien unterschiedlich zu erfassen.
Zu den wesentlichen Elementen, das heißt den Elementen, deren geometrische Merkmale sowie deren räumlichen Positionen nicht von der Realität abweichen können, zählen wir die UVA-Lampen vom Typ CLEO 25 W und die Vorder- und Rückseiten der Reinigungswand.
Zu den wichtigen Elementen, das heißt, den Elementen, die in dem geometrischen Modell berücksichtigt werden müssen, die aber mit einer Geometrie und einer räumlichen Position beschrieben werden können, die von der Realität abweicht, zählen wir die Gitter zur Reinigung. Die Dicke des Gitters von 3 mm spielt bei der Berechnung der Beleuchtung keine entscheidende Rolle. Die Schatten, die die Dicke des Gitters hervorrufen kann, können vernachlässigt werden. Wir sehen daher vor, dass die Gitter flache zweidimensionale Oberflächen sind.
Zu den vernachlässigbaren Elementen, das heißt, den Elementen, deren Einfluss auf das Ziel Simulation vernachlässigbar ist, zählen wir die Ventilatoren, die oberen und unteren Seiten sowie die vertikalen Seiten der Wand, die Elektrobox, die die Versorgung der verschiedenen elektrischen Systeme enthält, usw. Wir vernachlässigen die Ventilatoren, die Elektrobox usw., da die Materialien, aus denen sie bestehen, einen sehr kleinen Reflexionskoeffizienten im UVA-Spektrum haben, was bedeutet, dass die Energiemenge, die zu den Oberflächen der Gitter, die mit Titandioxid bedeckt sind, umgeleitet wird, vernachlässigbar ist. Für die oberen, unteren und seitlichen Seiten der Wand sehen wir vor, dass deren Einfluss auf die Beleuchtung der Gitter, die im rechten Winkel zu ihnen stehen, ebenfalls vernachlässigbar ist.
Nachdem wir die Elemente unseres geometrischen Modells definiert haben, führen wir die Parameter ein, die für die Simulation erforderlich sind. Alle Oberflächen sind durch physikalische Eigenschaften gekennzeichnet, die sich auf den Bereich des Lichts beziehen: die Art der zu betrachtenden Lichtreflexion, Lambert'sche, Gauss'sche oder andere, abhängig vom Oberflächenzustand des Materials; die spektrale Abhängigkeit der Reflexivität; usw. Für die Lichtquellen führen wir deren Emissionsspektren sowie deren Leistungen ein.
Die Simulationen mit Hilfe der Software SPEOS müssen uns die Energiemenge liefern, die von jedem Punkt jedes Gitters aus gestrecktem Metall erhalten wird. Um diese Informationen zu erhalten, müssen wir eine Nachbearbeitung auf den Beleuchtungskarten ausführen. Die Beleuchtungskarten sind nämlich einfache flache zweidimensionale Oberflächen, die die Anzahl der Lichtstrahlen „zählen", die sie an einem Punkt durchqueren, um daraus die Energiemenge am betrachteten Punkt abzuleiten (5.a). Auf ähnliche Weise ermöglicht die SPEOS-Software, Lichtstärkeprofile zu zeichnen, die von dem direkt und indirekt beleuchteten Gitter (vgl. das Beispiel in 5.b) aufgenommen werden.
Die Nachbearbeitung besteht einfach darin, die Rohdaten der Beleuchtungskarte auf die reale Oberfläche des Gitters aus gestrecktem Metall zu projizieren. Dieser Vorgang wird einfach ausgeführt, indem die Rohdaten der Beleuchtungskarte mit einer Funktion Γ(x, y) multipliziert werden, die überall null ist, außer dort, wo sich das gestreckte Metall befindet, in welchem Fall sie gleich der Einheit ist. Wir erhalten die Lichtstärkekarten zur Einführung in unser Modell zu Reinigung (6).
Um diese Stärkekarten einzuführen, haben wird zwei Lösungen:

1) Einführen aller Daten in eine Datei, die im Rechencode verwendet wird;
2) Definieren einer mathematischen Funktion, die die räumliche Verteilung der Lichtstärke beschreibt.

Wir wählen die zweite Lösung, da sie es unter bestimmten Bedingungen ermöglicht, analytische Lösungen zu erhalten. Die mathematische Funktion besitzt die folgende Form:
worin:

– F_SPEOS die räumliche Funktion ist, die die Verteilung der Lichtstärke auf der betrachteten Oberfläche beschreibt;
– x, y die Raumkoordinaten des betrachteten Punkt auf der beleuchteten Oberfläche sind;
– g(k_x, k_y) die Fourier-Transformation der Funktion F_SPEOS ist;
– k_x, k_y jeweils die Anzahl der Wellen gemäß x, y (2π/λ_x, 2π/λ_y) sind;
–
der reale Teil des Integrals ist;
– Γ(x, y) die Projektionsfunktion der Rohdaten der Beleuchtungskarte auf die reale Oberfläche aus gestrecktem Metall ist.

Es handelt sich um ein Fourier-Integral. Es ist diese Funktion F_SPEOS(x, y), die wir in unserem Reinigungsmodell verwenden. Für eine beliebige Verteilung der Lichtstärke müssen wir die flachen Wellenamplituden g(k_x, k_y) für alle Wellenzahlen (0, ∞) integrieren. In unserer Untersuchung kann dieses Fourier-Integral zu einer Fourier-Reihe vereinfacht werden, da es die geometrischen Merkmale des untersuchten Systems ermöglichen, eine Periodizität zu definieren.
Als erste Approximation gehen wir davon aus, dass die Lichtstärke horizontal konstant ist, was die Abhängigkeit nach x in dem Fourier-Integral aufhebt. Außerdem ermöglicht es die Periodizität der Lampen nach y, das Integral durch eine Summe der Multiwellenlängen des Abstands zwischen zwei Lampen zu ersetzen.
worin A_j die Amplitude der Welle j darstellt, d_Lampe den Abstand zwischen zwei Lampenreihen darstellt.
Generell erstreckt sich diese Summe über eine unendliche Anzahl von Anteilen. In bestimmten Fällen sind nur die Anteile einer erster Modi signifikant, was es ermöglicht, die unendliche Summe auf eine Summe über eine endliche Anzahl von Modi zu verringern.
Um die Funktion F_SPEOS zu erhalten, machen wir daher eine Fourier-Analyse der Rohdaten der Beleuchtungsdaten die von den Simulationen mit der Software SPEOS geliefert werden. Diese Analyse gibt uns die einzigen Parameter, die in dem Ausdruck (1.15) nicht definiert sind, und zwar die Koeffizienten A der Fourier-Zerlegung.
7.3 Entwicklungsgleichung und Randbedingungen
Das Ziel des Geräts zur Reinigung ist es, das Luftvolumen eines betrachteten Raums kontinuierlich zu reinigen. Wir müssen daher den Wirkungsgrad des Geräts zur Reinigung in stationärem Betrieb untersuchen. Die Entwicklungsgleichungen der Acetaldehydkonzentration sind infolgedessen stationäre Entwicklungsgleichungen (Advektion-Diffusion-Gleichung):
worin
(m/s) die Feldgeschwindigkeit der Luft ist, C_A (kg/m³) die Konzentration des Schadstoffs A, DA der Koeffizient der Diffusion des Schadstoffs A, bestehend aus einem molekularen Anteil und einen turbulenten Anteil, wobei T(K) die Lufttemperatur, p^tot(atm) der Gesamtdruck und µ^t die turbulente Viskosität ist.
Auf den inneren Teilen des äußeren Rahmens der Reinigungswand wird die Streichung des Massenstroms als Randbedingung bewahrt. Auf den Gittern aus gestrecktem Metall führen wir unser Modell zur Reinigung bezüglich des Acetaldehyds ein. Die Einführung der Daten, die aus der Software SPEOS stammen, sowie die Interpolationsfunktionen der Parameter zur Reinigung ermöglichen es, den Ausdruck der zeitabhängigen Abnahme des Acetaldehyds zu schreiben.
Zur Untersuchung der Dimensionierung der Reinigungswand müssen wir eine Konzentration am Einlass der Wand vorgeben. Da wir den Wirkungsgrad des Geräts zur Reinigung in stationärem Betrieb berechnen wollen, geben wir eine konstante Konzentration gleich 1 ppm_Volumen vor. Am Ausgang geben wir keine Bedingung vor.
7.4 Definition des Wirkungsgrads des Geräts zur Reinigung
Zur Dimensionierung des Geräts zur Reinigung müssen wir ein Kriterium definieren, das es ermöglicht, die Reinigungsleistungen zu evaluieren. Zu diesem Zweck definieren wir den Schadstoffdurchsatz, der in das Gerät ein- oder aus dem Gerät austritt:
worin:

– Q_{A,Einlass-Auslass} der Schadstoffdurchsatz am Einlass oder am Auslass des Geräts zur Reinigung ist;
– C_A die Schadstoffkonzentration am Einlass oder am Auslass des Geräts zur Reinigung ist;
–
die Feldgeschwindigkeit am Einlass oder am Auslass des Geräts zur Reinigung ist;
–
die Normale an der betrachteten Oberfläche ist, die am Einlass des Geräts zur Reinigung nach innen und am Auslass nach außen weist.

Ausgehend von dem Schadstoffdurchsatz definieren wir den Wirkungsgrad der Reinigungswand für den Schadstoff A(η_A,Wand)
Diese Definition (1.18) ermöglicht es uns, eine Größe zu haben, die zwischen 0, wenn das System völlig ineffizient ist, und 1, wenn das System vollkommen effizient ist, variiert, was einem Gerät zur Reinigung entspricht, das keinen Schadstoff in den Raum abgibt, aus dem die Schadstoffe entfernt werden sollen.
7 fasst den Optimierungsalgorithmus der Reinigungswand zusammen.
7.5 Zweidimensionaler Ansatz
Die Geometrie der Reinigungswand ermöglicht es, das Problem mit einem zweidimensionalen Ansatz anstelle eines vollständigen dreidimensionalen Ansatzes anzugehen. Die Komponente der Geschwindigkeit gemäß der Achse
(1) ist bezogen auf die vertikalen horizontalen Geschwindigkeit genemäß der Achse
vernachlässigbar. Die Untersuchung der Reinigungswand wird gemäß einem Vertikalschnitt ausgeführt. Die dreidimensionalen Effekte sind auf der gesamten Breite der Wand vernachlässigbar, abgesehen von den beiden Enden, an denen sich der Einfluss der vertikalen seitlichen Wände spüren lässt. In einer ersten Untersuchung vernachlässigen wir diese 3D-Effekte, um eine zweidimensionale Strömung in der gesamten Wand vorzusehen.
Dieser zweidimensionale Ansatz ermöglicht es uns, einen Rechencode zu verwenden, der für den 2D-Fall entwickelt wurde.
In der Beschreibung der Wand haben wir die Größe der Maschen aus gestrecktem Metall, auf denen der Katalysator, TiO₂, abgelagert ist, definiert. Die Gitter aus gestrecktem Metall sind in der Ebene O
angeordnet, die die senkrecht auf dem vertikalen Schnitt stehende Ebene ist, der definiert wurde, um einen zweidimensionalen Ansatz der Strömung zu haben. Um das gestreckte Metall zu modellieren, müssen wir uns auf dessen Haupteinfluss beziehen. Das gestreckte Metall wird verwendet, um das Titandioxid abzulagern. Das Hauptmerkmal, das wir in dem Modell bewahren müssen, ist das Verhältnis (S_Stahl) zwischen der Oberfläche des gestrecktem Metalls und der gesamten Oberfläche des Gitters.
Wir modellieren das gestreckte Metall durch eine perforierte Mauer, wobei die Dimension der Zwischenräume so ist, dass das Oberflächenverhältnis bewahrt wird (8: 1 Gitter und 3 Lampen). Für eine aktive Wand, die aus π_Gittern Gittern aus gestrecktem Metall besteht, erhalten wir eine gesamte Oberfläche des Titandioxids gleich: STiO2 = 2 πGitter SStahl HWand LWand (1.19)
Der Faktor 2 drückt die Tatsache aus, dass das Titandioxid auf beiden Seiten eines Gitters abgelagert ist.
9 synthetisiert die Kurven des Wirkungsgrads der Reinigungswand in Abhängigkeit von der Anzahl der Reihen mit UVA-Lampen, je nach dem, ob man eine oder zwei Gitter verwendet und ob bei natürlicher oder künstlicher Ventilation. Der höchste Wirkungsgrad wird mit der größten Anzahl an Lampenreihen (4 Lampen), zwei Gittern und natürlicher Ventilation erhalten.

Die Verwendung eines UVA-Stroms als Aktivator des Films aus TiO₂ ruft eine Erhöhung der Temperatur im Innern der Reinigungswand hervor. Um die Temperaturerhöhungsprofile auf den äußeren Sichtflächen zu bestimmen, wurde eine CFD-Software verwendet, die es ermöglicht, die Strömungsfelder und die Temperaturen unter Berücksichtigung der Strahlungswärme-, Konvektions- und Leitungsströme zu berechnen. 10 gibt Beispiele für die Temperaturerhöhung ΔT = T – T0 in Abhängigkeit von der Höhe y der Wand gemäß der Anzahl der Lampen und gemäß einer natürlichen oder künstlichen Konvektion. Schüssel zu den Figuren

Französisch	Deutsch
Fig. 1
Air + polluants	Luft + Schadstoffe

Fig. 5b
Intensity (W/m²)	Lichtstärke (W/m²)
éclairage direct	direkte Beleuchtung
éclairage indirect	indirekte Beleuchtung

Fig. 7

Définition de la géométrie externe	Definition der äußeren Geometrie
Définition du nombre de grille en acier déployé et du système d'éclairage	Definition der Anzahl der Gitter aus gestrecktem Stahl und des Beleuchtungssystems
Calcul de l'éclairement des grilles	Berechnung der Beleuchtung der Gitter
non	nein
Intensité lumineuse supérieure au seuil de tolérance	Lichtstärke größer als Toleranzschwelle
oui	ja
Calcul de l'écoulement et de la distribution de température	Berechnung der Strömung und der Temperaturverteilung
Echauffement des parois en acier	Erwärmung der Wände aus Stahl
ok	ok
Calcul de l'évolution des polluants	Berechnung der Schadstoffentwicklung
Rendement global supérieur à la limite définie	gesamter Wirkungsgrad größer als definierte Grenze
PAROI OPTIMALE	OPTIMALE WAND

Fig. 8
sortie d'air	Luftauslass
sp_maille	sp_Masche
DC_maille	DC_Masche
S_acierDC_maille	S_StahlDC_Masche
entrée d'air	Lufteinlass

Fig. 9
Rendement (%)	Wirkungsgrad (%)
Nombre de rangée de lampes	Anzahl der Lampenreihen
1 grille (naturel)	1 Gitter (natürlich)
2 grilles (naturel)	2 Gitter (natürlich)
1 grille (forcé)	1 Gitter (künstlich)
2 grilles (forcé)	2 Gitter (künstlich)

Fig. 10
convection naturelle	natürliche Konvektion
3 lampes	3 Lampen
2 grilles	2 Gitter
convection naturelle	natürliche Konvektion
2 lampes	2 Lampen
2 grilles	2 Gitter
débit forcé (2 V/heure)	Durchsatz künstlich (2 V/Stunde)
2 lampes	2 Lampen
2 grilles	2 Gitter

Claims

Gerät zur kontinuierlichen photokatalytischen Reinigung der Luft in einem Wohnraum, das bevorzugt die Form eines Wandelements (1) aufweist, umfassend: – eine äußere metallische Struktur, bevorzugt aus Stahl; – eine Öffnung (11) zum Einlass der zu behandelnden Luft, die im unteren Teil der Vorderseite (10) der Wand liegt; – ein inneres metallisches Geflecht (4) auf dem mehrere UVA-Lampen (3) befestigt sind; – einen Filter (2), der einen Träger umfasst, der mit einem Film bedeckt ist, der photokatalytisches Titandioxid (TiO₂) umfasst; – eine Öffnung (12) zum Auslass der gereinigten Luft, die im oberen Teil der Vorderseite (10) der Verkleidung liegt, wobei die Luftströmung in dem Gerät durch die natürliche oder künstliche Zirkulation, durch mindestens einen Ventilator (5), gewährleistet wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät mindestens ein Gitter (2) aus gestrecktem Metall umfasst, das mit einem Film bedeckt ist, der Titandioxid (TiO₂) umfasst, größtenteils als Anatasphase, um die Photokatalysatoroberfläche zu maximieren, die von dem UVA-Licht beleuchtet wird.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere metallische Struktur aus einem Stahl realisiert wird, oder eine innere Oberfläche besitzt, die mit einer dünnen Schicht bedeckt ist, die einen Reflexionsfaktor größer als 90 für Wellenlängen kleiner als 400 nm aufweist.
Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere metallische Struktur aus blankgeglühtem Edelstahl ausgeführt wird.
Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderseite (10) der äußeren Struktur eine Breite von mindestens 1,5 Metern, bevorzugt 2 Metern, hat, und dadurch, dass die Öffnungen zum Einlassen und Auslassen von Luft (11, 12) die Form von Schlitzen mit gleicher Breite und mit einer Größe haben, die etwas kleiner ist als derjenige der Breite der Vorderseite (10), und mit einer Höhe größer als 3 cm, bevorzugt gleich 5 cm.
Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (11, 12) weniger als 10 cm, bevorzugt 5 cm, von den unteren bzw. oberen Enden der Vorderseite (10) entfernt liegen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gestreckte Metall ein gestreckter Stahl ist und dadurch, dass die gesamte Oberfläche der Maschen (6) dieses gestreckten Stahls (S_Stahl) mit dem Film aus TiO₂ bedeckt ist, mit Ausnahme der Oberfläche der Dicke der Maschen, das heißt:
worin DL_Masche, DC_Masche und av_Masche jeweils die lange Diagonale, die kurze Diagonale und der Steg der Masche sind.
Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Masche (6) ausgewählt ist, um das Verhältnis (S_Stahl) zwischen ihrer physikalischen Oberfläche (S_Stahl) und ihrer gesamten Oberfläche (S_Masche) zu minimieren:
wobei das Verhältnis bevorzugt gleich 1/3 ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitter (2) durch Befestigungen senkrecht gehalten wird, die ausschließlich auf dem äußeren Rand des Gitters liegen.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die UVA-Lampen (3) in Dreiergruppen über die Breite der Wand angeordnet sind.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilator (5) ein 90°-Tangentialtyp ist und oben an der Verkleidung liegt, wobei die Anzahl der Ventilatoren ausgewählt ist, um eine Erneuerung der Luft von mindestens 30 m³/Stunde/Person in dem Wohnraum zu erhalten.
Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es die Form eines Zylinders mit kreisförmigem, rechteckigem oder quadratischem Querschnitt hat, der mindestens eine UVA-Leuchtstoffröhre entsprechend der Achse des Zylinders aufweist und von einem Gitter aus gestrecktem Metall umgeben ist, das mit photokatalytischem TiO₂ bedeckt ist, wobei die innere Oberfläche des Zylinders einen Reflexionsfaktor größer als 90% hat.
Verwendung des Geräts zur Reinigung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Zerstörung von flüchtigen organischen Verbindungen, wie etwa Alkanen, Alkoholen, Aldehyden, Ketonen, Aromaten und Terpenen, durch Photokatalyse des Titandioxids.
Verwendung des Geräts zur Luftreinigung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 im Bausektor, in Form eines Struktur- oder Dekorationselements, wie etwa einer Wand, einer Trennwand, einer Bodenplatte, einer Decke oder einer Zwischendecke, wobei das Element eine äußere metallische Seite aufweist, die mit einer Deckschicht, wie etwa Gips, Farbe, Tapete, bedeckt ist.
Verwendung des Geräts zur Luftreinigung nach Anspruch 11 in Form eines Luftkanals.
Verfahren zur Optimierung der Dimensionierung eines Luftreinigungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Definition der äußeren Geometrie des Geräts; b) Definition der Anzahl der Gitter (2) aus gestrecktem Stahl und der Beleuchtungsvorrichtung (3); c) Berechnung der Beleuchtung der Gitter; wenn die Lichtstärke nicht größer ist als die festgelegte Toleranzschwelle, zurück zu Schritt b); d) Berechnung der Luftströmung und der Temperaturverteilung; wenn es eine Erwärmung der Verkleidungen aus Stahl (11, 15) gibt, zurück zu Schritt b); e) Berechnung der Entwicklung der Schadstoffkonzentration; wenn der Gesamtwirkungsgrad der Reinigung nicht größer als die zuvor definierten Grenze ist, zurück zu Schritt b); f) Erhalten des Elements zur Reinigung oder Schadstoffbeseitigung mit optimalen Dimensionen.