Optimization Potentials for Mechanical Ventilation of Energy Efficient Housing
Bearbeiterin: Gabriel Rojas
Betreuer: Wolfgang Feist
Die heutige Bauweise fordert eine luftdichte Gebäudehülle um Energieeffizienz, Bauschadensfreiheit und Komfort gewährleisten zu können. Dies hat zur Folge, dass zusätzliche Lüftungsmaßnahmen erforderlich werden um eine ausreichend gute Raumluftqualität sicherzustellen. Energieeffiziente Lüftungslösungen mit Wärmerückgewinnung werden jedoch aufgrund von Vorurteilen und als zu hoch empfundener Kosten viel zu wenig eingesetzt. Verfügbare Lüftungssysteme beanspruchen bislang oft viel Platz, erhöhen die Baukosten und verursachen Betriebs- und Wartungsaufwand. Als Konsequenz entscheiden sich viele Bauherren für die traditionelle Fensterlüftung oder eine reine Abluftanlage. Das hohe Energiesparpotenzial und der erhöhte Komfort eines ansonsten thermisch hochwertig ausgeführten Gebäudes, gehen somit verloren. Bei reiner Fensterlüftung kommt häufig aufgrund unzureichender Lüftung noch ein Risiko für die Wohngesundheit und für Bauschäden durch Schimmelwachstum hinzu.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Optimierungspotentiale für die mechanische Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung untersucht. Im Fokus standen vor allem Ansätze, welche mit reduzierten Technologie- und Kostenaufwand eine gesunde Raumluftqualität bei hoher Energieeffizienz sicherstellen können. So wurde unter anderem das Prinzip der erweiterten Kaskadenlüftung mit multi-zonalen Luftströmungsmodellen bewertet. Dieses Prinzip basiert auf der Idee, die Zuluft nur über die Schlaf-, Arbeits- und Kinderzimmer einzubringen und das Wohnzimmer rein als Überströmzone zu behandeln. Zur Klärung entscheidender Detailfragen wurden zusätzlich numerische Strömungssimulationen (CFD) durchgeführt und experimentell validiert. Daraus konnten Handlungsempfehlungen für die Baupraxis abgeleitet werden. Außerdem erfordert eine kaskadierende Luftführung eine entsprechende Auslegung der Überströmöffnungen zwischen den Zu- und Ablufträumen. Die dafür erforderlichen Auslegungsparameter in Bezug auf Druckverlust und Schallschutz wurden messtechnisch bestimmt und als Planungshilfe zur Verfügung gestellt.
Die raumluftqualitätsrelevanten Messdaten und Umfrageergebnisse aus dem Monitoring der PH-Wohnanlage Lodenareal in Innsbruck wurden ausgewertet und analysiert. Der Vergleich mit anderen Feldstudien aus Österreich und Schweiz zeigen, dass typischerweise ein hoher Anteil der Befragten (30-40%) über trockene Luft im Winter klagt. In der Vergangenheit wurde in der Normung die Raumluftfeuchte für die Auslegung der Zuluftmengen nicht ausreichend beachtet. Deshalb wurden Simulationsmodelle entwickelt und getestet, welche die Raumluftqualität einer typischen österreichischen Wohnsituation abbilden. Spezielles Augenmerk wurde auf eine sehr realitätsnahe Berechnung und Bewertung der Raumluftfeuchte gelegt. Dafür wurde eine Bewertungsmetrik entwickelt, welche Dauer und Ausmaß der entsprechenden Über- bzw. Unterschreitungen der Zielwerte für Kohlendioxid Konzentration (CO2 <1000 ppm), Summenkonzentration flüchtiger organischer Verbindungen (TVOC<0.3 mg/m3) und relative Feuchte (> 30%) zu einer integralen Größe, der relativen Zielwertabweichung (rZWA) zusammenfasst. Die verwendeten Zielwerte wurden nach gesundheits-basierten Empfehlungen aus Literatur und Normung ausgewählt. Das Risiko von Schimmelwachstum aufgrund zu hoher Raumluftfeuchte (und niedriger Oberflächentemperaturen) wurde für relevante Fälle ebenfalls bewertet.
Diese Methodik wurde z.B. für die Untersuchung der erweiterten Kaskadenlüftung oder einer belegungsunabhängigen einfachen Auslegungszuluftmenge verwendet. Des Weiteren wurde diese Methodik auch für die Ableitung empfohlener Zuluftvolumenströme für Wohnraumlüftungen in Österreich herangezogen (ÖNORM H 6038:2014). Die Ergebnisse stützen die empirischen Beobachtungen. Die CO2 -Konzentration als Maß für die anthropogenen Schad- und Geruchstoffe und die Raumluftfeuchte waren die maßgebenden Größen für die Auslegung der Zuluftvolumenströme nach der hier vorgestellten gesundheitsbezogenen Bewertungsgröÿe (rZWA). Dies setzt den Einsatz von schadstoffarmen Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen nach heutigen Möglichkeiten voraus. Vor allem an Standorten mit kalten, trockenen Winter kommt das sogenannte Zuluftmengendilemma zum Tragen. Werden keine Befeuchtungsmaßnahmen oder eine Feuchterückgewinnung eingesetzt, muss der beste Kompromiss zwischen einer hohen Schadstoffabfuhr und dem Vermeiden von langen Perioden mit zu niedriger Raumluftfeuchte gefunden werden. Mit Hilfe der rZWA wurde so ein empfohlener Zuluftvolumenstrom von 20m3/h pro Person für den Standort Wien abgeleitet. Die Bewertung des Schimmelrisikos zeigte, dass eine ungeregelte Feuchterückgewinnung (im üblichen Maße) nur für eine thermisch hochwerte Gebäudehülle (keine Wärmebrücken) empfehlenswert ist.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine mechanische Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung eine gute RLQ bei sehr hoher Energieeffizienz gewährleistet. Entgegen dem üblichen Vorurteil muss diese aber nicht notwendigerweise teuer und komplex sein. Einige substantielle Vereinfachungen und kostensparende Verbesserungen wurden in dieser Arbeit untersucht oder referenziert. Die hier vorgestellten Simulations- und Bewertungsmethoden bilden den methodischen Rahmen für eine integrale Bewertung möglicher weiterer Optimierungspotentiale.