Normenvorschlag zur Wohnungslüftung

Thermische und feuchtetechnische Simulation

Für die Durchführung einer Jah­res­simulation bietet sich in der Planungspraxis ein Kühllastprogramm an, welches nach der Richtlinie VDI 2078 [13] rechnet. Diese Algorithmen sind auch für eine instationäre Heizlastberechnung und für die Ermittlung der sich einstellenden Raumluft- und Strahlungstemperatur geeignet. Für die Überprüfung des Schim­melpilzkriteriums sind die Algo­rithmen jedoch um folgende Punkte zu erweitern:

Mit den raumseitigen Eingangsgrößen Raumluft- und Strahlungstemperatur ist eine parallele Simulation ausgewählter Bauteile durchzuführen, um die innere Oberflächentemperatur zu ermitteln.

Für jede Jahresstunde ist eine Feuchtebilanz im Raum vorzunehmen. Die Sorptions- und Desorptionsvorgänge in den Bauteilen können vereinfacht berechnet werden. Mit diesen Gleichungen erhält man die sich einstellende Raumluftfeuchte.

Die Algorithmen für die Last- bzw. Temperaturermittlung in der VDI 2078 bzw. VDI 6007-1 sind da­hingehend zu erweitern, dass die feuchte Kühl- bzw. Heiz­last temperaturabhän­gig Berücksichtigung finden.

Im Programm KLSim wurden diese Erweiterungen für 3 verschiedene Rechenverfahren zur Kühllastberechnung umgesetzt:

Erweitertes und korrigiertes EDV-Verfahren der (noch gültigen) VDI 2078 [13 und 14].

Zweikapazitätenmodell der VDI 6007-1 [15] auf welches der Entwurf der neuen VDI 2078 [16] verweist.

Gewichtsfaktorenmethode mit der Summenzeitkonstante (SZK-Verfahren)

Diese 3 Verfahren wurden in [17] validiert und dort näher beschrieben. In den folgenden Berechnungen des notwendigen Außenluftvolumenstromes wurden diese 3 Verfahren stichpunktartig ausgewählt. Dabei ergaben sich Unterschiede in der Größenordnung von 1 bis 2 m³/h.

Variation der Betriebsweise der Anlage

Die Raumtemperatur wird beeinflusst durch die Betriebsweise der Anlage und durch die Baukonstruktion. Daher erfolgen zunächst Variationsrechnungen, welche die Einflüsse der Betriebsweise näher quantifizieren. Der neue Typraum der VDI 2078 [16] bildet die Grundlage in Geometrie und Bauteilaufbau der Berechnungen.

Raum: 17,5 m², Außenwand nach Süden, U_AW = 0,37 W/(m² K), Variation 1 mit schwerer Bauart (S), Variation 2 ohne Wärmespeicherung (KS), Flur konstant 20 °C, ansonsten adiabater Raum.

Anlage: Heiz- und Kühlanlage mit 60 % Konvektivanteil, Sollwert ist die Raumlufttemperatur.

Außenklima: Testreferenzjahr (TRY) aus [8] für Klimaregion 3, 4, und 13 mit Annahme eines vollständig bedeckten Himmels.

Innenlasten: ganzjährig nur feuchte Last für 60 g/h und 120 g/h Feuchteproduktion.

Tabelle 4 fasst die Ergebnisse für den notwendigen Außenluftvolumenstrom zum Feuchteschutz (VolFL) zusammen. Um eine ungefähre Aussage über den kritischen Zeitraum einer Schimmelpilzbildung zu bekommen, wurde das letzte Datum der Schimmelpilzbildung im Jahresverlauf angegeben, wenn VolFL um 1 m³/h verringert wird. Dabei kann das Schimmelpilzkriterium vor diesem Datum mehrmals überschritten worden sein. Außer im Falle einer Kühlung (Variation x.4 und x.5) liegt der kritische Zeitraum im September bis November. Beachtenswert ist, dass der Zeitraum auch vor Beginn der Heizperiode liegen kann. Für diesen Fall sind die Raumtemperaturen frei schwingend und können somit als Bezugsgröße für das Ergebnis nicht verwendet werden.

Die Verdoppelung der Feuchtelast hat nicht immer eine Verdoppelung des Volumenstromes zur Folge. Die Nachtabschaltung hat nur einen geringen Einfluss. Dagegen ist der Einfluss der Soll-Raumtemperatur nicht zu vernachlässigen, besonders nicht bei der Repräsentanzstation Hamburg. Variation x.7 zeigt den Fall, dass die Raumtemperaturen ganzjährig frei schwingen, z. B. in einem unbeheizten Schlafzimmer. Im Gegensatz dazu ist in der Variation x.8 ganzjährig eine Heizung in Betrieb, die eine Mindesttemperatur von 20 °C garantiert. Die beiden Variationen mit Kühlung belegen die Empfindlichkeit einer Schimmelpilzbildung, wenn für eine Kühlung eine zu niedrige Soll-Raumtemperatur gewählt wird. Im TRY 13 erhöht sich der Volumenstrom bei Übergang von 24 auf 20 °C um das 6fache. Bei Kühldecken wird nach oben hin die Soll-Raumtemperatur durch ihren Taupunkt und durch die Vorlauftemperatur begrenzt. D.h. bei Kühldecken, z. B. in Komfortwohnungen, sind die Auslegungstemperaturen mit besonderer Sorgfalt zu wählen.

Die schwere Bauweise erfordert i.d.R. die höheren Volumen­ströme. Wird einmal die kritische Oberflächentemperatur unterschritten, bleibt sie bei der schweren Bauweise länger erhalten, als bei der leichten Bauweise, wodurch die 12 h/d des Schimmelpilzkriteriums eher erreicht werden.

Variation der Wärmedämmung

Für ein Rechenverfahren mit definierten Randbedingungen wird bei dieser Variation der Wärmedämmung von einer Sockeltemperatur von 20 °C und 15 °C ausgegangen. Das bedeutet, dass ganzjährig eine Heizung in Betriebsbereitschaft ist bzw. dass ein Unterschreiten der Sockeltemperatur durch andere Wärmequellen verhindert wird.

Die Ergebnisse der dynamischen Simulation in der Tabelle 5 zeigen beispielhaft für 2 Standorte, dass hier die Proportionalität bei Verdoppelung der Feuchtelast mit geringen Abweichungen zutrifft. Aus der Spalte „Datum Schimmelpilzbildung“ kann man ablesen, dass der kritische Zeitraum im September bis November liegt. Eine grafische Darstellung der Ergebnisse für die Feuchtebelastung 60 g/h ist im Bild 7 enthalten.

Die Punkte im Bild 7 stellen die Simulationsergebnisse dar. Die durchgezogenen Linien haben sich durch eine Approximation der Punkte mit den o.g. Algorithmen und dem Außenklimazustand in der Tabelle 6 ergeben.

Die Kurven für die Sockeltemperatur 20 °C liegen in beiden Standorten sehr nahe beiein­an­der. Dagegen wird für die Sockel­temperatur 15 °C deutlich, dass eine regionale Betrachtung notwendig ist. Aus denen in Tabelle 6 angegebenen Mittelwer­ten für das Außenklima geht diese Erscheinung jedoch nicht her­vor. Die Approximationswerte zeigen, dass sie im Rahmen der Mittelwerte für September bis November liegen.

Damit liegen alle notwendigen Daten fest, um eine Auslegung mit den o.g. Algorithmen vorzu­nehmen.

Auslegungsbeispiel

Die Tabelle 7 zeigt ein Berechnungsbeispiel in Microsoft Excel für die Bestimmung der Lüftung zum Feuchteschutz mit Außenluft. Der Außenluftvolumenstrom und der kritische Feuchtgehalt gilt für den Standort Rostock. Für die Wärmedämmung wurde ein U-Wert entsprechend Neubausituation gewählt, der mit dem o.g. R_si-Wert korrigiert wird. Bei der Wahl der Innentemperatur ist nicht nur der Auslegungswert, sondern auch der Betriebswert zu untersuchen, der von der eingestellten Heizkurve und dem üblichen Wohnverhalten abhängt. Den Räumen Schlafen und Flur werden daher 15 °C zugeordnet.

Gemäß obigen Ausführungen ergeben sich dadurch unterschiedliche Annahmen für den zugrunde zu legenden Außenluftzustand. Für den innenliegenden Flur wird die äußere Temperatur eines Hausflurs mit 15 °C angenommen.

Bei den teilweise sehr niedri­gen Volumenströmen ist zu beach­ten, dass sie auch mit den sehr geringen Werten der Infil­tration verglichen werden.

Tabelle 8 zeigt den Vergleich der Ergebnisse mit verschiedenen Berechnungsverfahren und für die gesamte NE. Für den Fall „mit Wäschetrocknen“ muss in der Tabelle 5 der DIN 1946-6 die „Reduzierte Lüftung“ gewählt werden, da die „Lüftung zum Feuchte­schutz“ das Wäschetrocknen ausschließt (s. [3, Kap. 3.1.37]). Diese enthält allerdings auch hygienische Min­destanforderungen. Die Ergebnisse der Tabelle 7 sind daher deutlich geringer. Im Fall „ohne Wäschetrocknen“ stimmen die Ergebnisse der Tabelle 7 mit der DIN 1946-6 fast überein. Das Ergebnis der Tabelle 2 belegt, dass ein pauschaler Ansatz für die einzelnen Räume nicht geeignet ist.

Dieses Beispiel macht deutlich, dass Abweichungen von den Standardfeuchtelasten (hier Wäschetrocknen) zu ganz anderen Volumenströmen führen kann, als sie in der DIN 1946-6 angegeben sind.

Die Berechnung erfolgte hier allerdings noch ohne die Berücksichtigung der Feuchteübertragung in andere Räume.

Mehrfachnutzung der Außenluft

Bei Anlagen zur freien Lüftung, Abluftanlagen und Zu-/Abluftanlagen, bei denen die Abluft aus anderen Räumen entnommen wird, als die Zuluft eingebracht wurde, liegt eine Mehrfachnutzung der Außenluft vor. Einfachstes Beispiel für eine Doppelnutzung sind die Überströmräume (Flure) und Ablufträume (Bad, Küche) bei Abluftanlagen. Teilweise wird aber die Luft auch über mehr als zwei Räume transportiert, z. B. im Einfamilienhaus aus dem oberen Geschoss zu einem Abluftraum im Erdgeschoss mit Zentralventilator. Oder die Durchströmung Wohnen Essen Küche Bad. Die Überströmung belasteter Luft aus anderen Räumen kann zur Erhöhung der erforderlichen Außenluftmenge im betrachteten Raum führen.

Die Glg. (4) zeigt, dass der Abluftmassenstrom aus Nachbarräumen nur dann zu einer zusätzlichen Feuchtelast führt, wenn x_AB,NR > x_krit ist. Werden alle Räume der NE für den gleichen kritischen Feuchtegehalt ausgelegt, z.B. für die gleiche Wärmedämmung und Raumtemperatur, ist die Mehrfachnutzung der Außenluft bezüglich der Lüftung zum Feuchteschutz unproblematisch. Strömt die Luft aber von einem wärmeren in einen kälteren Raum, z. B. vom Wohnzimmer in ein Schlafzimmer oder Flur, liegt eine zusätzliche Feuchtelast durch den geringeren kritischen Feuchtegehalt im kälteren Raum (vgl. Bild 6) vor, die bei der Volumenstrombestimmung zu berücksichtigen ist.

Es ist also eine zusätzliche raumweise Prüfung notwendig, ob trotz Mehrfachnutzung der kritische Feuchtegehalt nicht überschritten wird. Weitere Parameter können bei einer solchen Prüfung bewertet werden, wenn man auch den Volumenstrom für die Hygienelüftung mit einbezieht. Damit können folgende Fragen beantwortet werden bzw. man erhält für den weiteren Planungsablauf notwendige Informationen:

Wird der kritische Feuchtegehalt überschritten?

Wird bei hohem Volumenstrom die Luft zu trocken?

Ist der Luftwechsel im Raum so hoch, dass mit Zugerscheinungen zu rechnen ist?

Günstig wären hier Richtwerte für den max. Luftwechsel ge­wich­tet mit der Eintrittstemperatur, ausgehend von einer opti­ma­len Luftführung im Raum.

Wird der maximal zulässige CO₂-Gehalt bei der Hygienelüftung durch die bereits belastete Luft aus anderen Räumen überschritten?

Für die Heiz- und Kühllastberechnung erhält man die Eintrittstemperaturen und Volumenströme aus Nachbarräumen.

Bei einer solchen Berechnung kann bei Anlagen mit Zu- und Abluftkanälen gleichzeitig die Eintrittstemperatur in die Wärmerückgewinnung, die sich aus der Mischung unterschiedlicher Temperaturen und Volumenströme ergibt, zur Dimensionierung ermittelt werden.

Gegebenenfalls kann bereits eine veränderte Luftführung in der NE eine Über- bzw. Unter­schreitung der genannten Parameter verhindern.

Der Ist-Feuchtegehalt in der Raumluft ergibt sich aus einer stationären feuchten Massenbilanz

x_Ist =⇥(16)

x_Ist Ist-Feuchtegehalt in der Raumluft in g WD/kg tr. Luft

m_AUL Massenstrom der tr. Luft aus der Außenluft in kg tr. Luft/h

x_AUL Feuchtegehalt der Außenluft in g WD/kg tr. Luft

m_ZU Massenstrom der tr. Luft aus RLT-Anlage in kg tr. Luft/h

x_ZU Feuchtegehalt der Luft aus RLT-Anlage in g WD/kg tr. Luft

Damit erhält man die rel. Raumluftfeuchte zu

ϕ_Ist =⇥(17)

ϕ_Ist  relative Ist- Raumluftfeuchte in %

Diese sollte einen Wert von 30 % nicht unterschreiten.

Tabelle 9 zeigt ein Berechnungsbeispiel in Microsoft Excel für die Untersuchung der Mehrfachnutzung der Außenluft. Die Untersuchung beschränkt sich hier nur auf die Lüftung zum Feuchteschutz, um etwaige Zuschläge nur für diesen Bereich darzustellen. Der Außenluftvolumenstrom, der kritische Feuchtgehalt und einer der Außenluftzustände sind der Tabelle 7 entnommen. Die Volumenstromberechnung erfolgte unter Berücksichtigung der jeweiligen Temperatur- und Feuchteverhältnisse, wodurch sich unterschiedliche Dichten der Luft ergeben.

Für die Berechnung der Volumenstromverteilung in der NE muss nur die Anschlussraumnummer eingetragen werden, wobei beliebige Anschlussarten möglich sind. In Tabelle 9 sind Raum 1 bis 3 an den innenliegenden Flur angeschlossen. Von dort aus geht die Luft in den Abluftraum Bad. Die Küche ist mit dem Bad direkt über ein ÜLD verbunden.

Für die Volumenströme aus Nachbarräumen sollte man unterscheiden, ob der Anschlussraum über einen Kanalanschluss oder über ein ÜLD angeschlossen wird. Letzteres wird durch ein negatives Vorzeichen in der Spalte „AnschlRaumnr.“ gekennzeichnet und berücksichtigt somit die Feuchteübertragung in den Anschlussraum. Die ggf. aus mehreren Räumen gemittelten Daten der Nachbarraumzuströmung in den 3 Spalten unter „ÜLD-Anschluss“ werden für die Heiz- und Kühllastberechnung und für die Ermittlung der Ist-Raumluftfeuchte benötigt. Die über einen „Kanalanschluss“ erfolgte Zuströmung wirkt sich nur durch Mischung mit der Raumluft auf den Abluftzustand aus. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die Luft im durchlaufenden Kanal nicht erwärmt oder abkühlt.

Im Falle einer Zu- und Abluftanlage erhielte man aus dem Abluftzustand eine Dimensionierungsgrundlage für die WRG.

Durch die Zuströmung der 36 m³/h Luft aus den Räumen 1-3 mit einer gemittelten Temperatur von 18,7 °C und einem Feuchtegehalt von 8,7 g/kg in den kälteren Flur mit 15 °C ist durch die hohe Feuchtezufuhr aus den Nachbarräumen ein Schimmelpilzrisiko gegeben. Da der Flur innenliegend ist, muss ein zusätzlicher Außenluftvolumenstrom sinnvoll auf die am Flur angeschlossene Räume verteilt werden. Bei einem Zuschlag von 4 m³/h im Raum Schlafen besteht kein Schimmelpilzrisiko mehr im Flur. Diese Berechnung kann man aber erst vornehmen, wenn die Verteilung der Volumenströme in der NE bekannt ist.

Erfolgt die Auslegung für die Hygienelüftung, sind ähnliche Zuschläge denkbar. Berücksichtigt die Untersuchung der Mehrfachnutzung auch den CO₂-Gehalt in der Bewertung, erübrigt sich die Frage, ob für das Maximum zwischen Lüftung zum Feuchte­schutz und Hygienelüftung oder für die Summe aus bei­den auszulegen ist.

Fazit

Der vorliegende Beitrag orientiert sich an den beiden Fachberichten [2 und 5], gibt aber konkrete Rechenvorschriften für eine projektbezogene Planung an. In den Algorithmen sind die wesentlichen physikalischen Einflussgrößen berücksichtigt. Als besondere Merkmale haben sich die regionale Abhängigkeit, die Feuchtelast und die Raumtemperatur erwiesen. Aus den letzten beiden ergibt sich die Notwendigkeit einer raumweisen Betrachtung, wie sie auch bei der Heiz- und Kühllastberechnung üblich ist. Zusammenfassend liegen bei dieser Berechnungsart folgende Vorteile vor:

Die Dokumentationsanforderungen des europäischen Fachberichtes CEN/TR 14788 werden erfüllt.

Die unterschiedlichen Raumtemperaturen in den einzelnen Räumen einer NE können berücksichtigt werden, wodurch sich ein individuelles Lüftungserfordernis ergibt.

Genauso kann die notwendige Lüftung in Nebenräumen mit anderer Nutzung und damit mit anderen Feuchtelasten bestimmt werden.

Die Untersuchung der Mehrfachnutzung der Außenluft mit der Übertragung von Stofflasten auf andere Räume ist möglich. Für lüftungstechnische Maßnahmen sind hier evtl. Zuschläge oder eine optimierte Luftführung notwendig.

Die Verteilung der Gesamt-Außenluftvolumenströme mit dem Aufteilungsfaktor f_Rzu gem. DIN 1946-6 für Zulufträume könnte entfallen. Für Nebenräume finden sich in der Tabelle 14 der Norm keine Angaben.

Ebenso könnte die Verteilung auf die Ablufträume gem. DIN 1946-6 entfallen. Diese Aufteilung gilt ohnehin nur für Nutzungseinheiten mit einem Überströmraum (Flur), von dem aus der Gesamt-Außenluftvolumenstrom auf ein oder mehrere Ablufträume verteilt wird. Sind mehrere Ablufträume vorhanden, die nicht über einen zentralen Sammelpunkt versorgt werden, so ist die Zuordnung der zugehörigen Zulufträume in der Norm nicht vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine widersprüchliche Verteilung der Zu- und Abluftströme.

Die Approximation der Simulationsergebnisse zur Bestimmung des anzusetzenden Außenluftzustandes konnten jedoch nur unter der Einschränkung gewonnen werden, dass ganzjährig eine bestimmte Sockeltemperatur aufrecht erhalten bleibt. Bei wechselnden Raumtemperaturen kann der Nachweis zur Lüftung zum Feuchteschutz nur über eine Simulation erfolgen. Diese Option sollte in der Norm offen gehalten werden.

Dieser Beitrag ist ein Normenvorschlag für die neu zu überarbeitende DIN 1946-6. Mit einem Leserbrief an den Autor bzw. an die Redaktion hat die Fachwelt frühzeitig die Möglichkeit, mit ihrer Meinung am Normungsprozess teilzunehmen.