Behagliche Raumluftfeuchten

Das Fraunhofer IBP führt regelmäßig solche Messungen in Bürogebäuden durch und erfasst und differenziert dabei immer die raumklimatischen und emissionsbedingten Ursachen.

Luftfeuchte als Raumluftparameter

Ursachen für zu geringe Luftfeuchtigkeit finden sich zum einen in den realen Nutzungsprofilen, welche häufig von den in den anzuwendenden Normen und Empfehlungen kombiniert mit den planerisch angesetzten Raumbelegungen deutlich nach unten abweichen. Nach DIN EN 15251 wird die Gesamtlüftungsrate aus der Summe der den Raum nutzenden Personen multipliziert mit einem Faktor für die Lüftungsrate und der Nutzfläche multipliziert mit einem Faktor für das zu erwartende Maß an Emissionen bestimmt.

Die für Nichtwohngebäude anzuwendende DIN EN 13779 verwendet eine andere Berechnungsgrundlage, kommt jedoch im Ergebnis auf ähnliche Werte für den notwendigen Mindestluftwechsel: etwa 45 m³/h je Person für eine hohe Raumluftqualität. Der anzuwendende Flächenfaktor sieht ca. 10 m² Raumfläche je Person für einen Büroarbeitsplatz vor, sodass bei einer angenommen Raumhöhe von etwa 2,8 m eine Luftwechselrate von ca. 1,6/h resultiert. Aufgrund einer hohen Flächenverdichtung werden heute jedoch noch mehr Personen je Fläche eingeplant, so dass die in den real vermessenen Gebäuden ermittelten Luftwechselraten meist zwischen 2 und 2,5/h lagen. Bestimmt man auf dieser Grundlage im h-x-Diagramm die resultierenden relativen Luftfeuchten für den Raum unter Berücksichtigung üblicher Feuchtequellen, ist für kalte Wintertage festzustellen, dass die zu erwartenden relativen Luftfeuchten oft außerhalb des als behaglich bezeichneten Bereiches liegen. Somit müssten für ein hohes Maß an Behaglichkeit eigentlich aktive Luftbefeuchtungen bereits vorgesehen werden, was jedoch aus Kostengründen meist nicht geschieht.

Treten in der Folge dann Beschwerdebilder aufgrund Trockenheit auf, besteht von Nutzerseite zumeist der Wunsch zusätzliche Feuchtequellen möglichst dezentral bereit zu stellen, um eine aufwendige Nachrüstung in die Lüftungsanlage zu vermeiden. Viele der derzeit am Markt verfügbaren Systeme weisen jedoch einen relativ hohen Energieverbrauch, eine hohe Wartungsintensität und eine oft problematische Regelung der Feuchteabgabe auf. Aus diesem Grund hat sich das Fraunhofer IBP verstärkt mit dem Einsatz und der Verwendung spezieller High-Tech-Membranen zur Raumluftbefeuchtung beschäftigt, um möglichst viele der Fragestellungen positiv zu beeinflussen.

Untersuchungen mit Membranen

Die am Fraunhofer IBP aufgenommenen Untersuchungen finden ihren Ursprung in der Verwendung neuer und innovativer Membranmaterialien in ähnlichen Anwendungsbereichen, in denen ein unmittelbarer Kontakt zwischen Luft und Wasser vermieden werden soll, so dass eine Übertragung der Erkenntnisse auf den Baubereich und die Anwendung zur Raumklimatisierung sinnvoll erschien. Ziel ist es deshalb Membranlösungen zu identifizieren, welche eine hohe Befeuchtungsleistung je Übertragungsfläche, eine maximale Lufthygiene sowie eine gute Regelbarkeit aufweisen. Hierzu wurden zunächst orientierende Versuche auf der Grundlage von Ionomeren durchgeführt. Die Besonderheit dieser Materialien ist eine hohe Dampfdiffusionsoffenheit gepaart mit der Tatsache, dass trotzdem eine saubere Trennung von flüssigem Wasser und Luftstrom gewährleistet wird. Die Diffusion beruht auf Unterschieden im osmotischen Druck und findet auf Molekülbasis statt. Dies vermeidet eine Tropfenbildung und gewährleistet eine Art Selbstregelung, welche auf der Ausprägung der Dampfdruckunter­schiede beruht.

Diese Wirkungsweisen sollten in ersten Vorversuchen untersucht und bewertet werden. Hierzu wurde neben der Ermittlung von Standardkennwerten zur Dampfdiffusion ein erstes Funktionsmuster mit einer flächigen Membrananbringung hergestellt. Die Mes­sun­gen wurden in einer Emissionsprüfkammer (EPK) durchgeführt. Diese müssen besonders hohen Anforderungen gerecht werden, da in solchen Kammern normalerweise die Emissionsabgabe von Baumaterialien geprüft wird. Vor allem gewährleisten sie eine extrem hohe Dichtigkeit, was für die Untersuchungen von großer Bedeutung ist. Die EPK hat ein Volumen von 1 m³, in dem sich bestimmte Randbedingungen – i.d.R. Temperatur, Luftwechsel und Raumluftfeuchte – regulieren lassen. Die Innenwände bestehen aus elektropoliertem Edelstahl und puffern somit keinerlei Feuchte. Außerdem fungiert ein zusätzlicher Luftmantel zwischen dem inneren Prüfraumbehälter und dem äußeren Mantel als Wärme­dämmschicht. Ein Ventilator zur Luftumwälzung ist in die Kammerrückwand integriert. Die Leistung des Lüfters lässt sich zwischen 25 und 100 % variieren. Die eingebrachte Luft wurde auf 20 °C und 20 % relativer Feuchte konditioniert, bevor die Feuchte­abgabe über die Membran gestartet wurde.

Der Versuchskörper wurde auf der Primärseite mit vollständig entsalztem Wasser versorgt, um zur Stabilisierung der Temperatur einen geeigneten Umlaufkühler einsetzen zu können. Ziel der orien­tierenden Versuche war es, zum einen erste Kennwerte der Be­feuch­tungsleistung sowie Aussagen über eine mögliche Regel­bar­keit der Leistung zu erhalten.

Anhand der Steigung der Verlaufskurven der ersten Messungen in Bild 2 ist erkennbar, dass die Befeuchtungsleistung insgesamt recht hoch ist und in wenigen Minuten die Feuchte in der Kammer auf über 80 % relativer Feuchte ansteigt. Erstaunlich ist, dass bereits bei Temperaturgleichheit der beiden Medien Luft und Wasser eine signifikante Befeuchtung erfolgen kann. Das notwendige Maß an Energie zur Kompensation des Entzugs der latenten Wärme durch den Wasserdampfübertritt konnte in dieser Anordnung noch nicht exakt bestimmt werden, jedoch kann die Bereitstellung der notwendigen Energie auf jeden Fall wasserseitig und auf sehr niedrigem Temperaturniveau erfolgen.

Die Kurvenverläufe zeigen zudem die grundsätzliche Möglichkeit der Regelbarkeit über die Wassertemperatur: je höher die Wassertemperatur desto stärker die Befeuchtungsleis­tung. Theoretisch müsste der Befeuchtungsprozess im Bereich des Taupunktes zum Erliegen kommen. Auch dies ist Ziel weite­rer Untersuchungen.

Eine weitere im Grundsatz interessante Funktion zur Verwendung von Hightech-Membranen zur Raumbefeuchtung ist die Übertragung von Luft zu Luft. Dies entspricht einer Art „Feuchtetauscher“ zur Rückgewinnung von Feuchtigkeit aus der Abluft, welche im Winter im Zuluftstrom fehlende Feuchte ausgleichen könnte. Hierzu gibt es in Form von Sorptionsrädern bereits marktverfügbare Systemlösungen. Diese haben jedoch vermehrt Probleme mit dem Übertrag von unerwünschten Abluftbestandteilen, welche ebenfalls in den Sorptionsmaterialien gebunden werden und somit auf der Frischluftseite für unerwünschte Konzentrationsanstiege führen können. Die verwendete Membran sollte für kritische Luftbestandteile weitgehend undurchlässig sein, so dass hier eine Qualitätsverbesserung möglich scheint. Deshalb wurde auf der Grundlage der ermittelten Kenngrößen der Membran eine Simulationsberechnung zum Vergleich zwischen einer Luft-zu Luft und einer Luft-zu-Wasser-Übertragung durchgeführt (Bild 3). Die Ergebnisse sind sicherlich aufgrund des rein theoretischen Ansatzes noch unsicher, aber es zeigt sich, dass zwar die Übertragungsleistung sinkt jedoch die Verwendung grundsätzlich möglich erschient.

Weiteres Vorgehen

Aufgrund der sehr vielversprechenden Ergebnisse der Vorversuche sollen nun in einem Forschungsvorhaben die exakten Kennwerte unterschiedlicher Anwendungen der Membrane untersucht werden. Hierbei geht es neben den reinen Übertragungskennzahlen vor allem auch um die Variation des Membran-Materials, da die hier verwendete Lösung derzeit noch hohe Materialkosten verursacht und auch technische Problemen aufgrund von Eigenschaftsänderungen durch Feuchteeinwirkung begegnet werden muss. Ein weiterer wichtiger Untersuchungsaspekt soll die Frage der Lufthygiene klären, falls das Wasser auf der Primärseite belastet sein sollte. Theoretisch dürften aufgrund der Diffusionsmechanismen keine kritischen Bestandteile wie Bakterien oder Viren auf die Luftseite wechseln. Ein Nachweis dessen ist aber von hoher Bedeutung für die Anwendung zur Raumluftbefeuchtung.

Das Potential dieser Art der Raumluftbefeuchtung zeigt sich, wenn die bereits erzielten Ergebnisse der Voruntersuchung auf einen üblichen Büroraum von etwa 16 m² mit normaler Personenbelegung extrapoliert werden: Für die kritische Jahreszeit kann eine Steigerung der relativen Feuchte um etwa 10 % bereits mit sehr kleinen Übertragungsflächen von weniger als etwa 0,1 m² erreicht werden. Grund genug diesen sehr vielversprechenden Weg weiter zu verfolgen und die Technologie der Befeuchtung mittels semi-permeabler Membrane für einen direkten Einbau im Luftkanalsystem zur Anwendungsreife zu bringen.