Volumenströme für die Raumluft – Teil 1

Wohnungsweise Berechnung vs. Berechnung nach Personenzahl

Mit der Tabelle 7 bzw. Gleichung (8) der neuen DIN 1946-6 werden nach wie vor die Außenluftvolumenströme verschiedener Lüftungsstufen für die gesamte Nutzungseinheit in Abhängigkeit der beheizten Fläche angegeben. Neu ist jetzt, dass für die Lüftungsstufe „Lüftung zum Feuchteschutz“ zwischen geringer und hoher Belegung unterschieden wird.

Das ist verwunderlich, da bei der Lüftungsstufe „Nennlüftung“ diese Unterscheidung nicht getroffen wird. Bei der Lüftung zum Feuchteschutz gehen neben der menschlichen Feuchteabgabe noch andere Feuchtelasten ein (Pflanzen, Körperpflege und Kochen, s. [1, Abschn. 4.2.2]). Diese sind zum Teil unabhängig von der Personenzahl. Daher müsste gerade bei der Nennlüftung, welche die Hauptaufgabe hat, hygienische Anforderungen als Folge anthropogener Emissionen zu erfüllen, die Belegung (bzw. Personenzahl) auch eine Rolle spielen.

Körperpflege und Kochen finden in Ablufträumen statt. Durch die Tabelle 7 bzw. Gleichung (8) werden aber die Volumenströme zur Abfuhr dieser Feuchtelasten auf die gesamte Nutzungseinheit über die Lüftung zum Feuchteschutz verteilt. Bei ventilatorgestützten Lüftungsanlagen wird die Feuchtefreisetzung sofort in die Abluftleitung geführt, wodurch sie für die Zulufträume keine Feuchtelast darstellt. D.h., die Lüftungsstufe „Lüftung zum Feuchteschutz“, welche auch die Feuchtelastabfuhr der Ablufträume beinhaltet, dürfte sich für solche Anlagen nicht nach der beheizten Fläche der Nutzungseinheit richten. Für Ablufträume ist die Tabelle 16 der Norm zuständig.

Der Unterschied zwischen der Gleichung (8) und der Tabelle 7 liegt aufgrund der Aufrundung bei max. 3 m³/h bzw. bei max. 18 %. Noch größere Unterschiede ergeben sich im Vergleich mit der alten DIN 1946-6 [2]. Im Bereich 30 bis 210 m² sind die Volumenströme für Nennlüftung nach der neuen DIN 1946-6 um 10 bis 53 m³/h bzw. um 18 % bis 24 % geringer. Man fragt sich, welche Genauigkeit der Bedarfsermittlung zugrunde liegt.

Nach VDI 6022 [3] hat die Wahl der richtigen Außenluftvolumenströme unter Berücksichtigung der Personenbelegung zu erfolgen. Auch die DIN EN 15251 [4] gibt Empfehlungen für den Außenluftvolumenstrom in Abhängigkeit der Personenzahl an. Zur Abschätzung der Personenzahl wird auf die Anzahl der Schlafzimmer verwiesen. Das Gleiche gilt für die Önorm H 6038 [5], die Personenluftraten für die Unterschreitung der CO₂-Konzentration von 1000 ppm in Abhängigkeit der Raumart benennt.

Die planmäßige Personenzahl wird auch in der DIN 1946-6 zur Berechnung der Volumenströme an verschiedenen Stellen benötigt. In der Fußnote e zur Tabelle 7 wird daher angegeben, dass sich die planmäßig zulässige Personenzahl aus den Volumenströmen für die Nennlüftung dividiert durch 30 m³/(h Pers.) ergibt. In Fußnote d und in Fußnote c der Tabelle 4 errechnet sich dagegen eine geringe Belegung aus einer Nutzungsfläche von ≥ 40 m²/Person. Dadurch ergeben sich Unterschiede, die in Tabelle 1 zusammengestellt sind.

Eine Übereinstimmung der durch Abrundung berechneten Personenzahl beider Verfahren ist erst bei einer Fläche von 210 m² vorhanden. Bei intensiv genutzten Nutzungseinheiten kann gem. Fußnote e zur Tabelle 7 durch 20 m³/(h Pers.) dividiert werden, um die planmäßig zulässige Personenzahl zu bestimmen. Ungeachtet dieser Variante beträgt der Unterschied eine Person und mehr bei der gleichen Wohnungsfläche. Hier liegt eine Unschärfe vor, die es dem Planer nicht leicht macht und Zweifel an den zugrunde liegenden Randbedingungen der Tabelle 7 aufkommen lässt.

Der Zweifel wird auch dadurch verstärkt, dass sich bei gleichen Randbedingungen (mittlere Feuchtefreisetzung, Wärmeschutz, Raumtemperaturen) nach Abschnitt 4.2.2 im Entwurf zur neuen DIN 1946-6 und im Weißdruck die Volumenströme für die Lüftung zum Feuchteschutz unterscheiden.

Nach dem heute gültigen Bauvertragsrecht ist jedoch zu empfehlen, dass man anhand einer Bedarfsanalyse eine maximale Personenzahl mit dem Bauherrn vereinbart. Ein solcher Hinweis, allerdings nur für Neubauten, findet sich auch in der Fußnote c der Tabelle 4 der DIN 1946-6. Die Tabelle 7 bzw. Gleichung (8) wird dann nicht mehr benötigt.

Ein Aufenthaltsraum ist nach VDI 6022-1 ein Raum mit einer Aufenthaltsdauer derselben Person von regelmäßig länger als zwei Stunden je Tag. Man kann jedoch erwarten, dass die lüftungstechnische Maßnahme für eine gesundheitlich zuträgliche Raumluft auch für eine längere ununterbrochene Aufenthaltsdauer ausgelegt wird. Da die Personenzahl in den einzelnen Räumen zur Überprüfung des Mindestvolumenstroms ebenfalls bekannt sein muss, erfolgen im Folgenden Berechnungsbeispiele unter Zugrundelegung der Personenzahl mit zusammenhängenden Belegungszeiten im Raum.

Aufbau der Berechnungsbeispiele

Im Folgenden werden einige Beispielrechnungen nach der Neuausgabe der DIN 1946-6 vorgestellt. Die Tabellen sind so aufgebaut, dass die Lüftungsstufen für die freie als auch für die ventilatorgestützte Lüftung über den Faktor f_LSt,Ausl beliebig gewählt werden können. Die freie Lüftung wird als Querlüftung mit der Lüftungsstufe „Lüftung zum Feuchteschutz“ ausgelegt. Rote Werte sind Eingabewerte. Gelb hinterlegt kennzeichnen die Zulufträume, weiß die Überströmräume und blau die Ablufträume. Es erfolgt eine raumweise Berechnung der Luftwechselzahl, des CO₂-Gehaltes, der sich einstellenden relativen Raumluftfeuchte und der Oberflächenfeuchte jeweils für die freie und ventilatorgestützte Lüftung.

Wichtige Einflussgrößen für CO₂-Gehalt und Feuchte ist die Personenzahl und die Belegungszeit im Raum bzw. in der Nutzungseinheit (NE). Dabei wird vom günstigsten Fall ausgegangen, dass der Raum bzw. die Nutzungseinheit vor der Benutzung vollständig mit Außenluft durchspült wird und auf die Auslegungstemperatur wieder hochgeheizt ist. Die Anfangskonzentration von CO₂ und Feuchte entspricht daher der Außenluftkonzentration. Da das Alter der Kinder nicht bekannt ist, gelten alle Ergebnisse für Erwachsene in Ruhe, wie auch in der DIN EN 15251. Für die Überströmräume müsste eine gesonderte Berechnung erfolgen, da sich hier ein Mischluftzustand aus den angrenzenden Räumen einstellt. D.h., das Doppel- bzw. Mehrfachnutzen der Lüftung, z.B. bei Abluftanlagen, ist in den Beispielen nicht berücksichtigt. Das würde in diesen Räumen zu höheren Konzentrationen führen, da nicht mit Außenluft, sondern mit schon belasteter Luft gelüftet wird. Die Angaben in den Ablufträumen gelten daher nur für eine Einzelraumbelüftung.

Für die Belegungszeiten der Räume werden nur Mindestwerte angesetzt, die einen ununterbrochenen Aufenthalt der Personen erwarten lassen. Sehr kurze zu erwartende Zeiten, z.B. in Sanitärräumen oder Fluren, werden zu 0 h/d gesetzt und nur für den Nachweis der Volumenstromauslegung nach DIN 1946-6 aufgeführt. Für längere Belegungszeiten würden sich höhere Konzentrationen einstellen, sofern der stationäre Zustand noch nicht erreicht ist. Ausgangspunkt dieser Betrachtung sind die Schlafräume, Kinderzimmer und Gästeräume, die mind. 8 h mit der Tätigkeit Schlafen belegt sind. Daraus resultieren begrenzte Belegungszeiten für die anderen Räume.

Eine grobe Abschätzung der Feuchteproduktion im Raum erhält man, wenn man für Personen 50 g/(h Person) und für Wäschetrocknen ca. 50 g/h annimmt. In den Tabellen wurden noch andere Feuchtelasten eingerechnet, die sich aus der DIN SPEC 4108-8 [6] ergeben, jedoch im Vergleich zu Personen und Wäschetrocknen untergeordnet sind. Nur für das Zimmer im Studentenwohnheim wurde freies Wäschetrocknen angenommen. Die DIN 1946-6 geht von stationären Zuständen aus. D.h., dass keine Zwischenspeicherung der Feuchte in den Bauteilen des Raumes berücksichtigt wird. Der Faktor für die Feuchtespeicherung ist daher in den Tabellen 3 bis 5 zunächst auf 0 gesetzt. Eine solche Annahme kann allerdings nur näherungsweise in voll verfliesten Bädern und WC-Räumen sowie in Küchen mit beschichteten Einbauschränken zugrunde gelegt werden.

Die Güte des Wärmeschutzes wird für die Vermeidung der Schimmelpilzbildung durch den geringsten f_Rsi-Wert im Raum beschrieben. In der Regel tritt der geringste Wert an den Wärmebrücken auf und muss nach DIN 4108-2 [7] mindestens 0,70 betragen. Die Oberflächenfeuchte wird daher für diesen f_Rsi-Wert berechnet. Höhere f_Rsi-Werte benötigen geringere Außenluftvolumenströme [8].

Der Außenklimazustand wird mit -5 °C und 80 % relativer Luftfeuchte festgelegt. Nach DIN 4108-2 ist dies die Standardrandbedingung für stationäre feuchtetechnische Untersuchungen. Im TRY02 (Rostock) tritt diese Kombination im Fünf-Tagesmittel fünfmal im Jahr auf.

Hygiene

Die Raumluftqualität wird durch verschiedene charakteristische Größen beurteilt (s. [1, Abschn. 7.4 und 8.5.1]). Der Begriff Hygiene umfasst eigentlich auch die Abwesenheit von Schimmelpilzen. In diesem Beitrag wird die Hygiene nur mit Geruchsstoffen in Verbindung gebracht, die sich aus menschlichen Ausdünstungen ergeben.

Obwohl im Anwendungsbereich der DIN 1946-6 steht, dass die Planungsempfehlungen nur für schadstoffarme Gebäude gelten, wird im Abschnitt 4.1 eine Berücksichtigung der Schadstoffe aus dem Gebäude und Einrichtungen, wie es z.B. die DIN EN 15251 für schadstoffarme Gebäude vorsieht, ausgeschlossen. D.h., die Planungsempfehlungen orientieren sich nur an den Schadstoffeinträgen der normalen menschlichen Aktivitäten in der Nutzungseinheit.

Nach Max von Pettenkofer ist der CO₂-Gehalt ein Indikator für anthropogene Emissionen und wird hier als Maßstab für die Raumluftqualität verwendet. Das Umweltbundesamt (UBA) gibt in [9] für die Bewertung der Hygiene die Hilfestellung in Tabelle 2 an.

Die DIN 1946-6 legt 30 m³/(h Pers.) zugrunde, was einem CO₂-Gehalt von ca. 1000 ppm entspricht. Da die Auslegung nach dieser Norm für die gesamte Nutzungseinheit im stationären Zustand erfolgt, wird für den CO₂-Gehalt der Nutzungseinheit eine 24-stündige Belegungszeit angenommen.

Im Beispiel 1 (Tabelle 3) mit nur einem Zuluftraum ist die Bewertung bei der ventilatorgestützten Lüftung und der Lüftungsstufe „Nennlüftung“ (f_LSt,Ausl = 1,0) mit 942 ppm nach Tabelle 2 hygienisch unbedenklich. Die Auslegung solcher Nutzungseinheiten nach DIN 1946-6 für die ventilatorgestützte Lüftung ist daher hinsichtlich Hygiene unproblematisch.

Bei der 3-Zimmerwohnung im Beispiel 2 (Tabelle 4) kann man davon ausgehen, dass diese mit drei Personen (2 Erwachsene und 1 Kind) bewohnt wird. Die Auslegung der ventilatorgestützten Lüftungsstufe „Nennlüftung“ ergibt 76 m³/h. Für die drei Personen müsste hier jedoch 3 x 30 m³/h = 90 m³/h erscheinen. Das Resultat dieser geringeren Dimensionierung nach [1, Glg. (8)] ist, dass sich 1214 ppm statt 1000 ppm für die gesamte Nutzungseinheit einstellen. Im Schlafzimmer musste ein Zuschlag von 7 m³/h erfolgen, damit der Mindestwert von 15 m³/(h Pers.) (s. DIN 1946-6 Tabelle 17) erreicht wird. Nach DIN EN 15251 wird dieser Mindestwert allerdings auch für Wohnzimmer empfohlen (s. [4, Tab. B.5]). Die CO₂-Gehalte der Zulufträume sind hygienisch auffällig (bis zu 1852 ppm) und nach der UBA-Empfehlung muss der Außenluftvolumenstrom erhöht werden.

Im Beispiel 3 (Tabelle 5) zeigt sich, dass der CO₂-Gehalt für die gesamte Nutzungseinheit bei fünf Personen und ventilatorgestützter Lüftung mit der Lüftungsstufe „Nennlüftung“ mit 955 ppm hygienisch unbedenklich ist. Die einzelnen Zulufträume liegen aber mit bis zu 2610 ppm erheblich über dem Richtwert vom UBA bzw. über dem der Nutzungseinheit.

Diese Überschreitungen haben ihre Ursache in der Verteilung des gesamten Volumenstroms der Nutzungseinheit für lüftungstechnische Maßnahmen auf die einzelnen Räume. Der Verteilungsmechanismus in der DIN 1946-6 entspricht nicht den realistischen Nutzungsbedingungen der Räume. Das könnte dazu führen, dass einzelne Fenster geöffnet werden, wodurch sich die Druckverhältnisse in der Nutzungseinheit ändern und eine bestimmungsgemäße Durchströmung der Räume nicht mehr gegeben ist. Wenn sich in anderen belegten Räumen geringere Volumenströme einstellen, könnte das zu einem weiteren Fensteröffnen führen. Die hohen CO₂-Gehalte bei der freien Lüftung lassen auch eine vermehrte manuelle Fensterlüftung erwarten. Der nutzerunabhängige Betrieb ist dann in Frage zu stellen.

Im Beispiel 3 ist außerdem erkennbar, dass die Zuordnung der Abluftvolumenströme nicht nach [1, Gleichung (31)] erfolgen sollte. Die Zulufträume Kind 1 OG, Kind 2 OG und Arbeit OG liefern zusammen 38 m³/h Abluftvolumenstrom. Den Ablufträumen im OG (Bad OG und WC OG) werden aber nur 33 m³/h zugeordnet. Die Frage stellt sich, wie die Differenz von 5 m³/h in das EG gelangt. Besser wäre es auf die Gleichung (31) zu verzichten und die Abluftvolumenströme aus den Zulufträumen per Augenmaß gemäß wahrscheinlichster Strömungsrichtung den Ablufträumen zuzuordnen (s.a. [8]).

Hygiene bei Pendellüftung

Dezentrale Geräte, die eine wechselseitige Durchströmung zweier Räume bewirken, werden als Pendellüftungsgeräte oder alternierende Lüftungsgeräte bezeichnet. Für das Beispiel 2 wird im Bild 1 der sich einstellende CO₂-Gehalt in Abhängigkeit der Zeit dargestellt, der sich aus einem Wechseltakt von 70 s ergibt.

Die Geräte müssen paarweise betrieben werden. Für den Volumenstrom wird angenommen, dass der Betriebspunkt auf der für Reihenschaltung addierten Ventilatorkennlinie bei 38 m³/h liegt, was mehr als der Maximalwert der Zuluftvolumenströme in Tabelle 4 entspricht. Es werden zwei Fälle unterschieden:

a) Der paarweise Betrieb erfolgt zwischen Wohnzimmer und Kinderzimmer. Beide Zimmer sind gleichzeitig belegt.

b) Der paarweise Betrieb erfolgt zwischen Wohnzimmer und Schlafzimmer. Nur das Wohnzimmer ist belegt.

In der Praxis müssten beide Fälle gleichzeitig vorhanden sein, weshalb das Wohnzimmer mit zwei Geräten ausgestattet wird, die jeweils mit Kinder- oder Schlafzimmer in Verbindung stehen. Hier wird jedoch der unabhängige Betrieb zwischen a) und b) betrachtet, um die Auswirkung der Gleichzeitigkeit der Belegung zu untersuchen.

Aus dem EwWalt-Forschungsprojekt [10] ist bekannt, dass sich bei der Pendellüftung ein Mischluftzustand zwischen den beiden wechselseitig belüfteten Räumen und dem Flur dazwischen einstellt. Der Autor vermutet, dass der Flur als Überströmraum die Durchmischung bewirkt. D.h., ohne Flur oder bei sehr geringem Flurvolumen könnte sich ein Zustand einstellen, der mit einer Kolbenströmung vergleichbar ist.

In Bild 1 ist daher der zeitliche Verlauf des CO₂-Gehaltes für beide Strömungsformen dargestellt. Für die Mischlüftung wurden beide Räume als ein Raum mit dem Volumen beider Räume zuzüglich Flurvolumen zusammengefasst. Durch das größere Luftvolumen werden die Kurven gegenüber dem Mittelwert aus der Kolbenlüftung etwas abgesenkt.

Obwohl das Schlafzimmer nicht belegt ist, wird durch den wechselseitigen Betrieb verbrauchte Luft hinein befördert. Wenn das Schlafzimmer von den Personen belegt wird, muss es vorher durch manuelle Fensterlüftung durchspült werden. Ansonsten wäre die Anfangskonzentration wesentlich höher, als die Außenluftkonzentration.

Der sog. Doppelnutzen ist hier nicht in voller Höhe wirksam, da in der Hälfte der Zeit, in denen die Räume als Zulufträume fungieren, diese nicht mit Außenluft beaufschlagt werden. Die Auslegung für Pendellüftung gestaltet sich schwierig, da beide Räume unterschiedliche Belegungszeiten haben können. Daher erfolgte im Bild 2 die Auslegung aller Lüftungssysteme für 1000 ppm im stationären Zustand. Die Summe der Einzellüftungen, wobei Wohnen, Kind und Schlafen reine Zulufträume sind, beträgt 180 m³/h. Der gleiche Wert ergibt sich auch für die beiden Mischlüftungssysteme. Für kürzere Belegungszeiten kann man aber bei den beiden Mischlüftungssystemen einen leichten Vorteil im CO₂-Gehalt ablesen.

Eine Auslegung, die ein größeres Raumluftvolumen bei kürzeren Belegungszeiten und gemischter Nutzung berücksichtigt, wie z.B. die heute verbreitete Grundrisskonstellation Wohnen/Essen/Küche/Flur im Raumluftverbund oder die Besonderheiten der Pendellüftungssysteme mit beachtlichem Marktanteil wird in der DIN 1946-6 nicht behandelt. Dagegen zeigt das Tool „MindLW“ [11], wie man eine solche Auslegung vornehmen kann.

Resümee für die Hygiene

Trotz Lüftungsanlage nach DIN 1946-6 wird eine zusätzliche manuelle Fensterlüftung auch unter normalen Schadstoffbelastungen notwendig sein. Das haben schon frühere Untersuchungen durch Befragungen ergeben [12]. Wenn ein erheblicher Anteil der Lüftung über manuelles Fensteröffnen erfolgen muss, um den Mindestluftwechsel nach EnEV einzuhalten, dürfte auch für ventilatorgestützte Anlagen nach DIN 1946-6 bei der EnEV-Bilanzierung nur die freie Lüftung ohne Bonus angesetzt werden.

Die Konsequenz ist, dass man entweder raumweise die Lüftung nach Personenzahl und Belegungszeit auslegt und/oder den Luftvolumenstrom auf das Notwendigste beschränkt. Dazu zählt die Lüftung zum Feuchteschutz zuzüglich Volumenstrom für freies Wäschetrocknen.

Tabelle 6 zeigt eine Auslegung, bei der der CO₂-Gehalt in jedem Raum ca. 1000 ppm beträgt. Die erforderlichen Volumenströme sind dabei zum Teil höher, als bei Auslegung nach Intensivlüftung (f_LSt,Ausl = 1,3). Der Raum Essen EG im Beispiel 3 hat einen ca. 5fachen Luftwechsel, was viel zu hoch ist. Dieser Raum steht im Raumluftverbund mit Wohnen EG, Küche EG und Flur EG. Naheliegende Räume, die nicht durch eine Innentür getrennt sind, müsste man zu einem Raum zusammenfassen und Personenzahl und Belegungszeit realistisch zuordnen. Dadurch könnte der maximal erforderliche Luftwechsel in diesem Raumluftverbund deutlich reduziert werden. Mit den f_R,Zu-Faktoren der DIN 1946-6 geht das jedoch nicht.

Aufgrund der kurzen Belegungszeit, der geringen Personenzahl und dem großen Raumvolumen für das Arbeitszimmer Arbeit OG im Beispiel 3 wäre eine lüftungstechnische Maßnahme nicht notwendig. Das Programm errechnet daher einen negativen Volumenstrom, um die Infiltration wieder heraus zu rechnen. Die DIN 1946-6 verlangt jedoch einen Volumenstrom von 10 m³/h (vgl. Tabelle 5).

Ein weiterer wichtiger gesundheitlicher Aspekt ist die Möglichkeit, dass sich eine zu geringe relative Raumluftfeuchte durch die Lüftung einstellen kann, worauf die Norm nur unzureichend eingeht. Dieser Aspekt wird im zweiten Teil des Beitrags in tab 4/2019 kommentiert. Dort werden auch die Literaturhinweise gesammelt aufgeführt.