Zurück

Inhalte

Entwicklung von Handlungsempfehlungen für praxisgerechte Lüftungskonzepte und eines CO2-Berechnungstools

Projektbeschreibung

Projektbeteiligte

Eckdaten

Entwicklung von Handlungsempfehlungen für praxisgerechte Lüftungskonzepte und eines CO2-Berechnungstools


Projektnummer
Projektbeginn
11.2017
Projektende
12.2019
Projektstatus
abgeschlossen mit Bericht

Im Rahmen der Weiterentwicklung des Bewertungssystems Nachhaltiges Bauen (BNB) wurde im BNB-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 CO2--Kohlendioxid-Berechnungstool als Planungs- und Bewertungsinstrument im Sinne des Nachhaltigen Bauens entwickelt und Handlungsempfehlungen für eine Veröffentlichung textlich ausgearbeitet.

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 (VOC, Formaldehyd) und durch Emissionen der Raumnutzer (Kohlendioxid) betrachtet.

Die Bewertung der Kohlendioxidkonzentration orientiert sich an der Arbeitsstättenrichtlinie ASR A3.6 "Lüftung" sowie an der Maßgabe des Ausschusses für Innenraumrichtwerte (AIR), wonach eine CO2-Konzentration von 1000 ppm 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 CO2-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 CO2-Berechnungstools" war es daher, Handlungsempfehlungen und Instrumente auf Basis von experimentellen Versuchen zu schaffen, die Planern und BNB-Anwendern (Bauverwaltungen, BNB-Koordinatoren und Konformitätsprüfstellen) die Bewertung und Überprüfung der Funktionalität unterschiedlicher Lüftungskonzepte erleichtern. Das Projekt beinhaltet folgende Schwerpunkte:

  1. Aufbau, Durchführung und Auswertung einer experimentellen Versuchsreihe zu CO2-Konzentrationsentwicklungen beispielhaft für Unterrichtsräume.
  2. Entwicklung eines excelbasierten Planungs- und BNB-Bewertungsinstruments zur Ermittlung von Außenluftvolumenströmen und CO2-Konzentrationen im Raum für mechanische, hybride und Fensterlüftung.
  3. Erarbeitung von anschaulichen Handlungsempfehlungen für unterschiedliche Lüftungskonzepte und Raumkonstellationen.


Auftragnehmer war die ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden GmbH in Zusammenarbeit mit ener // bauph // proj, Ingenieurbüro für Energie, Bauphysik, Projekte und Institut für Luft- und Kältetechnik gemeinnützige Gesellschaft mbH Dresden.

Konzept

Das Projekt wurde in folgenden vier Schritten bearbeitet:

  1. Projektvorbereitung: Erarbeitung eines Umsetzungskonzepts, Projektstart


  2. Konzeptionierung der experimentellen Versuchsreihe mit Probelauf, Beta-Version Planungs- und BNB-Bewertungstool
    a) Konzeptionierung der experimentellen Versuchsreihe mit Probelauf:
    b) Beta-Version Planungs- und BNB-Bewertungstool:

  3. Durchführung der experimentellen Versuchsreihe mit Auswertung, Toolentwicklung mit Evaluation, Gliederungsentwurf der BBSR-Veröffentlichung
    a) Durchführung der experimentellen Versuchsreihe mit Auswertung:
    b) Toolentwicklung mit Evaluation:
    c) Gliederungsentwurf der BBSR-Veröffentlichung:

  4. Ausarbeitung 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 m x 7 m) und hinsichtlich der Nutzungskonzeption (12 sitzende Personendummies an 6 Tischen in 3 Reihen) den Ausschnitt eines Klassenzimmers ab. Gemessen worden sind CO2-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, CO2-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

  • Bauart des Fensters
  • Art der Fensteröffnung
  • Außentemperatur
  • Windgeschwindigkeit
  • Anlagenluftvolumenstrom (bei Varianten mit hybrider oder mechanischer Lüftung).

2. Instationäre Versuche zur Bestimmung des

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 CO2-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 (z.B. CO2-Konzentration der Außenluft oder Raumlufttemperatur) unterscheiden können und insbesondere Varianten mit ähnlichen CO2-Verläufen nicht direkt vergleichbar sind.

In einem zweiten Schritt erfolgte die Berechnung von Außenluftvolumenströmen aus den gemessenen CO2-Verläufen. Die dazu benötigte Auswertemethodik ist unter Beachtung der Vergleichbarkeit der Messkampagnen mit dem Ziel entwickelt worden, minimale Abweichungen zwischen gemessener und berechneter CO2-Konzentration zu erreichen. Dabei hat sich das Verfahren "10 Minuten optimiert" (Betrachtungszeitraum von 10 Minuten, Differenz zwischen gemessener und berechneter CO2-Konzentration in Summe minimal) als geeignet erwiesen. Aus den Messungen ließen sich für Fensterlüftung folgende allgemeine Aussagen ableiten:

  • 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 ca. 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, z. B. bei Schwingflügel und Lüftungsflügel.

Die so berechneten Außenluftvolumenströme sind die Basis für weitere Arbeitsschritte.

a) Auswahl eines geeigneten Berechnungsansatzes für das Excel basierte Tool 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 DIN SPEC 4108-8 erwiesen.

b) Gegenüberstellung der aus den CO2-Messungen weiterer Fenstertypen ermittelten Volumenströme und den Berechnungs¬ergebnissen (nach der gewählten E DIN SPEC 4108-8). Für - bisher nicht in E DIN SPEC 4108-8 berücksichtigte - Fenstertypen (z.B. Lamellenfenster) erfolgt ein Vorschlag für die Erweiterung des Berechnungsalgorithmus mit Hilfe von Korrekturfaktoren.

c) Überprüfung der Plausibilität der Volumenströme / CO2-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 CO2-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 CO2-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 Berechnungstools validiert.

3. Thermische Behaglichkeit

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

  • operative Raumtemperatur
  • Temperaturdifferenz zwischen Kopf und Fuß
  • Zugluftrisiko in unterschiedlichen Höhen (Kopf, Brust, Fuß)

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

  • der Soll-Ist-Differenz (operative Raumtemperatur)
  • der zeitanteiligen Einordnung in die Behaglichkeitsklassen (Zugluftrisiko).

Zusammenfassend zeigt sich, dass bei einer Außenlufttemperatur von 13 °C die Operative Temperatur für die untersuchten Fenstertypen und Öffnungskonstellationen meist nach DIN 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 DIN 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 ca. 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, d.h. 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 Tool baut auf den Erkenntnissen der vorgehenden Untersuchungen auf und dient als Instrument, mit dem sowohl die resultierenden Außenluftvolumenströme als auch die CO2-Konzentrationen insbesondere der Fensterlüftung, aber auch für hybride und mechanische Lüftung entsprechend der jeweiligen Rahmenbedingungen ermittelt werden können. Das Tool verfügt dabei über zwei Modi:

  • Modus A: Berechnung BNB-Steckbrief 3.1.3 (V2015)
    Mit Modus A wird unter Eingabe der entsprechenden Parameter die zu erwartende CO2-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 BNB-Kriteriensteckbrief 3.1.3 (V2015) berechnet. Die jeweilige CO2-Konzentrationsentwicklung wird in entsprechenden Diagrammen visuell dargestellt. Der errechnete Volumenstrom führt automatisch zur Bewertung der Einzelräume und des gesamten Gebäudes gemäß BNB.

  • Modus B: Berechnung Tagesprofil mit freien Randbedingungen
    Modus B baut auf den Erkenntnissen der vorhergehenden Untersuchungen auf und ermöglicht die Berechnung der CO2-Konzentrationsentwicklung über einen individuell erstellten Tagesverlaufs unter Verwendung frei gewählter Randbedingungen. Hierbei erfolgt die Berechnung der CO2-Konzentration gemäß VDI 6040-2 und die Berechnung der Außenluftvolumenströme gemäß DIN SPEC 4108-8 (Entwurf). Die im Tool generierten grafischen Darstellungen CO2-Konzentrationsverläufe unterstützen die Überprüfung des geplanten Lüftungskonzeptes. Zukünftig kann aus dem Tagesverlauf die Bewertung der CO2-Konzentrationsentwicklung praxisnaher gestaltet werden.

Im Forschungsbericht wurden die Struktur und der Aufbau des Tools sowie die verwendeten Excel-Funktionen anhand von zahlreichen Screenshots erläutert sowie ein Manual zur Nutzung des Tools dokumentiert. Die mit anderen Programmen und mit den instationären Messungen durchgeführte Validierung des Tools 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 ca. 40 Seiten an Planer und BNB-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:

  • Grundlagen (Bewertung der Innenraumluftqualität, Einflussgrößen Kohlendioxidgehalt, mögliche Lüftungsarten)
  • BNB-Kriteriensteckbrief 3.1.3 (Innenraumlufthygiene – CO2-Konzentration)
  • Lüftungskonzept (Anforderungen, Bestandteile und Wirkweisen)
  • Fallbeispiele (u.a. mit Variation der Belegungsdichte, Außenlufttemperatur, Fensterart und Fensteröffnung)
  • Handlungsempfehlungen (allgemein und situationsbezogen).

Die textliche Ausarbeitung für eine Broschüre gibt einen prägnanten und anschaulichen Überblick über die Einflussparameter der CO2-Konzentration im Raum und stellt unterschiedliche Lüftungskonzepte unter verschiedenen Rahmenbedingungen beispielhaft dar. Die Beschreibungen werden durch entsprechende Diagramme für CO2-Verläufe im Tagesprofil, die mit Hilfe des CO2-Tools generiert wurden, veranschaulicht. Somit wird die zukünftige Broschüre sowohl einführendes Grundlagenwerk als auch Arbeitshilfe für die Erstellung und Überprüfung von Lüftungskonzepten.

Projektbeteiligte
Eckdaten
Schlagworte zum Projekt : Nachhaltiges Bauen, Lüftung, BNB
Projekt auf der Webseite des BBSR : https://www.bbsr.bund.de/BBSR/DE/forschung/programme/zb/Auftragsforschung/2NachhaltigesBauenBauqualitaet/2017/lueftungskonzepte-tool/01-start