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Entwicklung von Handlungsempfehlungen für praxisgerechte Lüftungskonzepte und eines CO-Berechnungstools

Ergebnisse

Projektbeschreibung

Projektbeteiligte

Eckdaten

Entwicklung von Handlungsempfehlungen für praxisgerechte Lüftungskonzepte und eines CO-Berechnungstools


Projektnummer
10.08.17.7-17.24
Projektbeginn
11.2017
Projektende
11.2019
Projektstatus
abgeschlossen mit Bericht

Ergebnisse

 

Im Rahmen der Weiterentwicklung des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) wurde im -Kriteriensteckbrief "Innenraumlufthygiene" für den Teilaspekt "Kohlendioxidgehalt" eine Lücke an praxisorientierten Planungsinstrumenten und Bewertungsgrundlagen für Räume erkannt, die teilweise oder ausschließlich über Fenster be- und entlüftet werden. Dies gilt insbesondere für Räume mit hohen Personenzahlen wie beispielsweise Unterrichtsräume und Besprechungszimmer. Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden experimentelle Untersuchungen zu funktionierenden Lüftungskonzepten durchgeführt, aus den Erkenntnissen ein transparentes -Berechnungstool als Planungs- und Bewertungsinstrument im Sinne des Nachhaltigen Bauens entwickelt und Handlungsempfehlungen für eine Veröffentlichung textlich ausgearbeitet.

Projektlaufzeit: November 2017 – November 2019

Ausgangslage

Um den zukünftigen Anforderungen an ganzheitlich optimierte Gebäude gerecht zu werden, hat das Bundesministeriums des Inneren, für Bau und Heimat den Leitfaden Nachhaltiges Bauen und das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB) entwickelt. Hinsichtlich der Innenraumlufthygiene werden im Kriterium 3.1.3 insbesondere Verunreinigungen der Innenraumluft durch Schadstoffe aus Bauprodukten (, Formaldehyd) und durch Emissionen der Raumnutzer (Kohlendioxid) betrachtet.

Die Bewertung der Kohlendioxidkonzentration orientiert sich an der Arbeitsstättenrichtlinie A3.6 "Lüftung" sowie an der Maßgabe des Ausschusses für Innenraumrichtwerte (), wonach eine -Konzentration von 1000 als "hygienisch unbedenklich" gilt. Die Einhaltung dieser Anforderung ist insbesondere für ausschließlich über Fenster gelüftete Räume mit hohen Personenzahlen mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Hieraus erwächst der Bedarf an Informationen zu funktionierenden Lüftungskonzepten und einem transparenten -Berechnungstool als überschlägiges Planungs- und Bewertungsinstrument, deren Ausarbeitung Auftrag des vorliegenden Forschungsprojektes ist.

Ziel

Ziel des Forschungsvorhaben "Entwicklung von Handlungsempfehlungen für praxisgerechte Lüftungskonzepte und Entwicklung eines -Berechnungstools" war es daher, Handlungsempfehlungen und Instrumente auf Basis von experimentellen Versuchen zu schaffen, die Planern und -Anwendern (Bauverwaltungen, -Koordinatoren und Konformitätsprüfstellen) die Bewertung und Überprüfung der Funktionalität unterschiedlicher Lüftungskonzepte erleichtern. Das Projekt beinhaltet folgende Schwerpunkte:


ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresdenener // bauph // proj, Ingenieurbüro für Energie, Bauphysik, ProjekteInstitut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft Dresden

 

  1. Aufbau, Durchführung und Auswertung einer experimentellen Versuchsreihe zu -Konzentrationsentwicklungen beispielhaft für Unterrichtsräume.
  2. Entwicklung eines excelbasierten Planungs- und -Bewertungsinstruments zur Ermittlung von Außenluftvolumenströmen und -Konzentrationen im Raum für mechanische, hybride und Fensterlüftung.
  3. Erarbeitung von anschaulichen Handlungsempfehlungen für unterschiedliche Lüftungskonzepte und Raumkonstellationen.

Konzept

Das Projekt wurde in folgenden vier Schritten bearbeitet:

  1. Projektvorbereitung: Erarbeitung eines Umsetzungskonzepts, Projektstart
    Konzeptionierung der experimentellen Versuchsreihe mit Probelauf, Beta-Version Planungs- und -Bewertungstool
    BNBDurchführung der experimentellen Versuchsreihe mit Auswertung, Toolentwicklung mit Evaluation, Gliederungsentwurf der -Veröffentlichung
    BBSRAusarbeitung der Inhalte für die Veröffentlichung

Ergebnisse

Durchführung der experimentellen Untersuchungen

Die wesentliche Zielgröße der experimentellen Untersuchungen ist der Luftvolumenstrom durch die Fensterfront. Ziel der experimentellen Untersuchungen war es, die theoretischen Berechnungsmodelle für die Fensterlüftung im Allgemeinen und den Berechnungsansatz für verschiedene Fensterbauarten unter variabler Berechnung der effektiven Öffnungsfläche im Speziellen zu validieren. Weiterhin lieferten die messtechnischen Untersuchungen neben der Bewertung der Lüftungsintensität der verschiedenen Fensterlüftungsszenarien auch Aussagen zum thermischen Komfort bei Fensterlüftung.

Die messtechnischen Untersuchungen sind in einer Klimakammer durchgeführt worden, wobei eine Fensterfront innerhalb der Klimakammer eine Trennung zwischen Innen- und Außenbereich mit entsprechenden klimatischen Verhältnissen ermöglicht hat. Der Innenbereich der Klimakammer bildet geometrisch (Breite x Tiefe = 4 x 7 ) und hinsichtlich der Nutzungskonzeption (12 sitzende Personendummies an 6 Tischen in 3 Reihen) den Ausschnitt eines Klassenzimmers ab. Gemessen worden sind -Konzentrationen und Lufttemperaturen an verschiedenen Punkten im Raum und im Außenbereich. Im Zuge unterschiedlicher Messkampagnen ist die Positionierung der Raumsensoren variiert und weitere Sensoren sind ergänzt worden.

An einem Fensterplatz ist eine detaillierte Erfassung der thermischen Behaglichkeit (Globetemperatur, Lufttemperatur, Luftgeschwindigkeit, -Konzentration, Lufttemperatur und relative Luftfeuchte) erfolgt.

Die experimentellen Versuche wurden zweistufig und unter folgenden Gesichtspunkten durchgeführt:

1. Stationäre Versuche zur Bestimmung der Außenluftvolumenströme

Um den für die Verwendung im geplanten Bewertungstool geeignetsten Algorithmus aus den verschiedenen bestehenden Normen zur Berechnung der Außenluftvolumenströme durch Fensterlüftung ermitteln zu können, war zunächst die Bestimmung der tatsächlichen Außenluftvolumenströme in der Praxis erforderlich. Diese erfolgten anhand von stationären Versuchen unter Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Kohlendioxidkonzentrationsänderung bei Fensterlüftung nach einer Nutzungsphase mit geschlossenen Fenstern unter Variation von

2. Instationäre Versuche zur Bestimmung des -Konzentrationsverlaufs während einer ganztägigen Nutzung

Um die Möglichkeiten und Einsatzgrenzen der Fensterlüftung untersuchen zu können, wurden instationäre Versuche zur Ermittlung der Entwicklung der Kohlendioxidkonzentration im Tagesverlauf (im Wechsel von Schulstunden und Pausen) am Beispiel schultypischer Lüftungsprofile durchgeführt.

Auswertung der experimentellen Untersuchungen

1. Stationäre Versuche

Die Aus- und Bewertung der Messergebnisse aus den stationären Versuchen ist ein wesentlicher Aspekt des Forschungsvorhabens, da die Außenluftvolumenströme bei Fensterlüftung nicht direkt gemessen werden können, sondern indirekt aus dem Verlauf der Kohlendioxidkonzentration rechnerisch ermittelt worden sind. In einem ersten Arbeitsschritt wurden dazu die gemessenen -Verläufe für die einzelnen Fenstertypen und typenübergreifend graphisch in einer normierten Form dargestellt. Eine vergleichende Diskussion der Ergebnisse war an dieser Stelle noch nicht zielführend, da sich die Randbedingungen bei den Messungen ( -Konzentration der Außenluft oder Raumlufttemperatur) unterscheiden können und insbesondere Varianten mit ähnlichen -Verläufen nicht direkt vergleichbar sind.

In einem zweiten Schritt erfolgte die Berechnung von Außenluftvolumenströmen aus den gemessenen -Verläufen. Die dazu benötigte Auswertemethodik ist unter Beachtung der Vergleichbarkeit der Messkampagnen mit dem Ziel entwickelt worden, minimale Abweichungen zwischen gemessener und berechneter -Konzentration zu erreichen. Dabei hat sich das Verfahren "10 Minuten optimiert" (Betrachtungszeitraum von 10 Minuten, Differenz zwischen gemessener und berechneter -Konzentration in Summe minimal) als geeignet erwiesen. Aus den Messungen ließen sich für Fensterlüftung folgende allgemeine Aussagen ableiten:

Die so berechneten Außenluftvolumenströme sind die Basis für weitere Arbeitsschritte.

a) Auswahl eines geeigneten Berechnungsansatzes für das Excel basierte aus der Vielzahl normativer Algorithmen. Diese Auswahl erfolgte anhand der Messungen für das Dreh-Kippfenster, da diese die größte Varianz hinsichtlich der Randbedingungen aufweisen. Als am treffsichersten hat sich der Ansatz der E SPEC 4108-8 erwiesen.b) Gegenüberstellung der aus den -Messungen weiterer Fenstertypen ermittelten Volumenströme und den Berechnungs¬ergebnissen (nach der gewählten E SPEC 4108-8). Für - bisher nicht in E SPEC 4108-8 berücksichtigte - Fenstertypen ( Lamellenfenster) erfolgt ein Vorschlag für die Erweiterung des Berechnungsalgorithmus mit Hilfe von Korrekturfaktoren.c) Überprüfung der Plausibilität der Volumenströme / -Konzentration im Vergleich mit den Messwerten für hybride und mechanische Lüftungskonzepte

2. Instationäre Versuche

Für die instationären Versuche wurden für einen typischen Tagesverlauf eines Unterrichtstages mit reiner Fensterlüftung drei verschiedene Lüftungsprofile bei unterschiedlichen Außentemperaturen (für Winter, Übergangszeit und Sommer) gewählt.

Im Winter und in der Übergangszeit erfolgt dabei unter Zugrundelegung eines typischen Nutzerverhaltens eine Fensterlüftung nur in den Pausen und keine Fensterlüftung während der Unterrichtszeit. Der dynamische Verlauf insgesamt zeigt, dass bei geschlossenen Fenstern während der Unterrichtszeit und einer Fensterlüftung allein in den Pausen die -Konzentration am Ende der Unterrichtszeit immer über 2.000 ppm liegt. Der Spitzenwert am Ende der letzten Unterrichtsstunde liegt bei etwa 4000 ppm, auch wenn durch die Fensterlüftung in den Pausen ein signifikanter Konzentrationsabbau erreicht wird.

Beim sommerlichen Lüftungsprofil wird auch während der Unterrichtszeit über die Fenster gelüftet. Der dynamische Verlauf insgesamt zeigt, dass trotz gekippter Fenster während der Unterrichtszeit und einer intensiveren Fensterlüftung in den Pausen die -Konzentration am Ende der der Unterrichtszeit immer über 1.400 ppm liegt. Die Spitzenwerte betragen bis 1.900 ppm.

Mit den Ergebnissen der instationären Messungen wurden für ganze Tagesverläufe- zum einen der Einfluss der Fensterlüftung für verschiedene Lüftungsszenarien im Tagesverlauf bei verschiedenen Außenlufttemperaturen untersucht- zum anderen die Algorithmen des Berechnungs validiert.

3. Thermische Behaglichkeit

Aus den an einem Sitzplatz in der Fensterreihe erfassten Messwerten resultierten die im Zusammenhang mit der Lüftungssituation besonders relevanten Kennwerte:

Für die stationären Versuche erfolgte nach EN ISO 7730 eine Bewertung anhand

Zusammenfassend zeigt sich, dass bei einer Außenlufttemperatur von 13 °C die Operative Temperatur für die untersuchten Fenstertypen und Öffnungskonstellationen meist nach EN ISO 7730 kategorisierbar ist (Abweichung von der Solltemperatur maximal 3 K) und nur bei in 2 Achsen ganz geöffneten Fenstern erhebliche Behaglichkeitsdefizite während des Lüftens zu erwarten sind.

Der vertikale Lufttemperaturunterschied zwischen Kopf und Fuß kann hingegen immer nach EN ISO 7730 kategorisiert werden – maßgebliche Behaglichkeitseinschränkungen sind bei mittleren Außenlufttemperaturen von 13°C aus dieser Sicht nicht zu befürchten.

Beim Fensterlüften erweist sich aus Sicht der thermischen Behaglichkeit bereits bei mittleren Außenlufttemperaturen das Zugluftrisiko als kritischer Parameter. In einem Drittel der betrachteten Konstellationen (insbesondere Varianten mit ganz geöffneten Fenstern, aber teilweise auch Drehfenster 140 mm oder Kippfenster) tritt zeitweise ein nicht kategorisierbares Zugluftrisiko (DR ≥ 30%) auf, mehr als 30% der anwesenden Personen werden dann voraussichtlich über Zugluft klagen.

Mit hybrider Lüftung sind tendenziell kleine Differenzen der Operativen Temperatur zum Sollwert und kleine vertikale Lufttemperaturunterschiede festzustellen, während das Zugluftrisiko gegenüber ausschließlicher Fensterlüftung sogar ansteigt.

Erstellung und Erprobung Berechnungstool

Das im Rahmen des Forschungsprojektes erstellte Excel basierte baut auf den Erkenntnissen der vorgehenden Untersuchungen auf und dient als Instrument, mit dem sowohl die resultierenden Außenluftvolumenströme als auch die -Konzentrationen insbesondere der Fensterlüftung, aber auch für hybride und mechanische Lüftung entsprechend der jeweiligen Rahmenbedingungen ermittelt werden können. Das verfügt dabei über zwei Modi:

Im Forschungsbericht wurden die Struktur und der Aufbau des sowie die verwendeten Excel-Funktionen anhand von zahlreichen Screenshots erläutert sowie ein Manual zur Nutzung des dokumentiert. Die mit anderen Programmen und mit den instationären Messungen durchgeführte Validierung des sind im Bericht dargelegt.

Textliche Ausarbeitung von Handlungsempfehlungen für eine Veröffentlichung

Die im Forschungsprojekt erarbeitete textlichen Ausarbeitungen für eine Veröffentlichung / Broschüre wendet sich mit einem Umfang von 40 Seiten an Planer und -Anwender, Bauverwaltungen und Nutzer sowie an die interessierte Fachöffentlichkeit, um das Verständnis für die Funktionalität unterschiedlicher Raumsituationen und Lüftungskonzepte insbesondere in intensiv genutzten Räumen entwickeln zu können. Die Handlungsempfehlungen sollen nach Abschluss des Forschungsprojekts in Form einer Broschüre veröffentlicht werden. Insgesamt beinhaltet die textliche Ausarbeitung folgende Schwerpunkte:

Die textliche Ausarbeitung für eine Broschüre gibt einen prägnanten und anschaulichen Überblick über die Einflussparameter der -Konzentration im Raum und stellt unterschiedliche Lüftungskonzepte unter verschiedenen Rahmenbedingungen beispielhaft dar. Die Beschreibungen werden durch entsprechende Diagramme für -Verläufe im Tagesprofil, die mit Hilfe des - generiert wurden, veranschaulicht. Somit wird die zukünftige Broschüre sowohl einführendes Grundlagenwerk als auch Arbeitshilfe für die Erstellung und Überprüfung von Lüftungskonzepten.

 

  • Bauart des Fensters
  • Art der Fensteröffnung
  • Außentemperatur
  • Windgeschwindigkeit
  • Anlagenluftvolumenstrom (bei Varianten mit hybrider oder mechanischer Lüftung).
  • Je größer die geöffnete Fensterfläche ist, umso größer ist der sich einstellende Luftvolumenstrom.
  • Das zusätzliche Ankippen von Oberlichtern führt nur zu einer geringen Erhöhung des sich einstellenden Luftvolumenstroms.
  • Größere Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen führen ohne Windeinfluss zu höheren Luftvolumenströmen.
  • Eine hybride Lüftung führt unabhängig vom Wind in der Regel zu einem höheren Luftvolumenstrom.
  • Ein um 60° gedrehtes Schwingfenster - mit ähnlichen geometrischen Abmessungen wie ein Dreh-/Kippfenster führt mindestens zu einem sich einstellenden Luftvolumenstrom wie ein voll geöffnetes Dreh-/Kippfenster (mit geschlossenem Oberlicht).
  • Ähnliche effektive Fensteröffnungsflächen bei gleicher mittlerer Fensterhöhe über Fußbodenoberkante führen zu ähnlichen sich einstellenden Luftvolumenströmen, bei Schwingflügel und Lüftungsflügel.
  • operative Raumtemperatur
  • Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Fuß
  • Zugluftrisiko in unterschiedlichen Höhen (Kopf, Brust, Fuß)

der zeitanteiligen Einordnung in die Behaglichkeitsklassen (Zugluftrisiko).

  • der Soll-Ist-Differenz (operative Raumtemperatur)
  • Modus A: Berechnung -Steckbrief 3.1.3 (V2015)Mit Modus A wird unter Eingabe der entsprechenden Parameter die zu erwartende -Konzentration innerhalb eines Zeitintervalls (bei Fensterlüftung die Zeit zwischen zwei Lüftungspausen) und der Volumenstrom während der Fensterlüftung für alle relevanten Räume gemäß der Rahmenbedingungen des -Kriteriensteckbrief 3.1.3 (V2015) berechnet. Die jeweilige -Konzentrationsentwicklung wird in entsprechenden Diagrammen visuell dargestellt. Der errechnete Volumenstrom führt automatisch zur Bewertung der Einzelräume und des gesamten Gebäudes gemäß .
  • Modus B: Berechnung Tagesprofil mit freien RandbedingungenModus B baut auf den Erkenntnissen der vorhergehenden Untersuchungen auf und ermöglicht die Berechnung der -Konzentrationsentwicklung über einen individuell erstellten Tagesverlaufs unter Verwendung frei gewählter Randbedingungen. Hierbei erfolgt die Berechnung der -Konzentration gemäß VDI 6040-2 und die Berechnung der Außenluftvolumenströme gemäß SPEC 4108-8 (Entwurf). Die im generierten grafischen Darstellungen -Konzentrationsverläufe unterstützen die Überprüfung des geplanten Lüftungskonzeptes. Zukünftig kann aus dem Tagesverlauf die Bewertung der -Konzentrationsentwicklung praxisnaher gestaltet werden.
  • Grundlagen (Bewertung der Innenraumluftqualität, Einflussgrößen Kohlendioxidgehalt, mögliche Lüftungsarten)
  • BNBCO
  • Lüftungskonzept (Anforderungen, Bestandteile und Wirkweisen)
  • Fallbeispiele ( mit Variation der Belegungsdichte, Außenlufttemperatur, Fensterart und Fensteröffnung)
  • Handlungsempfehlungen (allgemein und situationsbezogen).
Projektbeteiligte
Eckdaten
Schlagworte zum Projekt : Nachhaltiges Bauen, Lüftung, BNB
Einordnung in Zukunft Bau : Bauliche Hygiene, Bewertungssysteme für Nachhaltiges Bauen, Fenster/ Türen, Gebäudebetrieb/ -nutzung, Öffentliche Gebäude, Planungsprozesse, Ressortforschung