13
Dez

Hygrothermische Gebäudesimulation macht Beurteilung verschiedener Lüftungsstrategien möglich

Fachartikel

Effizientes Lüften trägt nicht nur entscheidend zur Behaglichkeit und Hygiene im Raum bei, sondern ist auch bedeutend für den Energiebedarf von Gebäuden. Früher hat sich die Luft noch weitgehend ohne aktives Zutun durch Undichtigkeiten - besonders bei den Fenstern - regelmäßig ausgetauscht. Bei modernen Gebäuden ist dies nicht mehr der Fall. Heute muss der Nutzer aktiv eingreifen, um dauerhaft hygienische und komfortable Bedingungen sicherzustellen. Ist keine mechanische Lüftungsanlage vorhanden, erfolgt dies in der Regel manuell durch das Öffnen der Fenster. So einfach diese Tätigkeit auch wirkt, so komplex ist es dabei, die ideale Balance zwischen einem ausreichenden Luftaustausch zur Sicherstellung hygienischer Bedingungen und der Minimierung der Lüftungswärmeverluste zu finden. Mit Hilfe dynamischer hygrothermischer Gebäudesimulation können für konkrete Gebäude unter realen Bedingungen Lüftungskonzepte entwickelt und deren Effizienz untersucht werden.

Bild 1. Gebäudemodell und Zoneneinteilung zur Simulation der Gebäudedurchströmung

In dem folgenden Anwendungsfall soll die natürliche Lüftung in einem Einfamilienhaus (Bild 1) in Holzkirchen (südlich von München) untersucht werden. Dafür werden verschiedene Fensteröffnungszeiten angesetzt, hauptsächlich beeinflusst von den Außenklima-Bedingungen und einer stochastisch ermittelten Nutzerinteraktion. Der dadurch erzielbare natürliche Luftwechsel wird mit der Gebäudesimulationssoftware »WUFI Plus« berechnet, wodurch Aussagen zur Behaglichkeit, Hygiene und zum Energiebedarf in Abhängigkeit vom Nutzer-Fensteröffnungsverhalten gemacht werden können.

Die Software
»WUFI Plus« ist eine Software zur hygrothermischen Gebäudesimulation. Sie berechnet Luftfeuchte und Temperatur im Raum unter Berücksichtigung der Austauschvorgänge zwischen Raumluft und Gebäudehülle. Die Gebäudehülle wird über die instationäre Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransportes über sämtliche Bauteile abgebildet und berücksichtigt u.a. Dampfdiffusion und Flüssigtransport. Die Auswirkungen erhöhter Tag- und Nachtlüftung, unterschiedlicher Speichermassen und verschiedener Verschattungsstrategien können berechnet und somit der Nachweis über den sommerlichen Wärmeschutz gemäß DIN 4108-2 erbracht werden. Unter anderem ermöglichen eine dynamische, dreidimensionale Wärmebrückenberechnung sowie ein Gebäudedurchströmungsmodell (Air-Flow-Model), inklusive einer Blower-Door-Test-Simulation, eine noch detailliertere Berechnung des Gebäudeverhaltens.

Das Gebäudemodell
Bei dem Einfamilienhaus handelt es sich um einen Neubau. Das Haus wird raumweise in Zonen unterteilt, für die jeweils das Innenklima simuliert wird. Das dreidimensionale Gebäudemodell wird nach den Außenmaßen der Planungsunterlangen erstellt. Für sämtliche opake Gebäudebauteile (Außenwände, Innenwände, Decken, Dach) werden mehrschichtige Konstruktionen, mit entsprechenden Materialdaten aus einer umfangreichen Datenbank definiert. Auszugsweise sind diese mit ihrem U-Wert als Kenngröße in Tabelle 1 aufgeführt.

Außenwand aus 36,5 cm dicken Porenbeton Plansteinen

0,3 W/m²K

Dach mit 18 cm Mineralwolledämmung

0,2 W/m²K

Kehlbalkendecke mit 18 cm Mineralwolledämmung

0,2 W/m²K

Kellerdecke mit 10 cm Mineralwolledämmung

0,35 W/m²K

Außenfenster

1,3 W/m²K (g-Wert = 0,6)

Tabelle 1: Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) der Gebäudebauteile (Auszug)

Der Keller ist bis auf den Treppenraum unbeheizt, ebenso der Dachraum über der Kehlbalkendecke. Das Klima in diesen Räumen wird nicht simuliert, sondern festgelegt. Für den unbeheizten Dachstuhl sowie die Dach-Abseiten werden jeweils Temperatur und Feuchte der Außenluft angesetzt. Es wird angenommen, dass diese Bereiche stark belüftet sind. Im Keller beträgt die Lufttemperatur, abhängig von der Jahreszeit, zwischen 16 und 20°C. Analog dazu schwankt die Feuchte im Raum übers Jahr gesehen zwischen 40 und 80%.

Das Einfamilienhaus wird auf 20°C beheizt, außer im Schlafzimmer, in dem die minimale Soll-Raumtemperatur bei 16°C liegt. Ein Unterschreiten dieser Temperaturen wird durch die - ebenfalls simulierte - Anlagentechnik verhindert. Der Heizwärmebedarf zum Einhalten der minimalen Auslegungstemperatur wird somit ermittelt. Die maximale Auslegungstemperatur beträgt in jeder Zone 24°C. Ein Kühlsystem zur Temperaturbegrenzung ist nicht vorgesehen, somit wird die maximale Auslegungstemperatur nur beim Einsatz des Sonnenschutzes berücksichtigt. Steigt die Innenraum-Lufttemperatur über 24°C, wird der Sonnenschutz aktiviert und senkt die solare Einstrahlung durch die Fenster um 75%.

Durch Definition der Durchströmungseigenschaften sämtlicher Gebäudebauteile wird die Luftdurchströmung unter Berücksichtigung von Wind-, Temperatur- und Feuchteverhältnissen durch das Gebäude bzw. durch einzelne definierte Gebäudezonen simuliert. Die Durchströmungseigenschaften werden für eine zu erzielende Luftdichtigkeit von n50 = 1,5 1/h gewählt, einem üblichen Wert für ein Gebäude dieser Art.

Die Bewohner
Vier Personen bewohnen das Gebäude. Berufsbedingte Abwesenheiten werden berücksichtigt - Wochenenden und Urlaubstage jedoch nicht.
Der aus der Anwesenheit der Personen resultierende Wärme- und Feuchteeintrag je Raum ist in Bild 2 dargestellt. Zusammengefasst resultieren daraus ein mittlerer Wärmeeintrag von 11,14 kWh/Tag und eine mittlere Feuchteproduktion von 8,96 kg/Tag.

Bild 2. Tagesprofil der inneren Wärme- und Feuchtequellen aufgeteilt nach Art des Raumes

Bild 2. Tagesprofil der inneren Wärme- und Feuchtequellen aufgeteilt nach Art des Raumes

Das Klima
Als Außenklima wird das Feuchtereferenzjahr für den Standort Holzkirchen angesetzt. Das Gebäude steht auf freiem Gelände. Eine Verschattung und eine starke Beeinflussung der Windgeschwindigkeit und Windrichtung durch die Umgebung werden somit nicht angesetzt.

Der Simulationszeitraum
Der Zeitraum der Auswertung erstreckt sich über ein Jahr, von 1. Januar bis 31. Dezember. Zu Beginn der Simulation wird für jedes Gebäudebauteil und Material dessen typische Baufeuchte festgelegt. Da unmittelbar nach der Baufertigstellung und während der Bezugsphase in der Regel andere Randbedingungen herrschen als im normalen Betrieb, werden zwei weitere Monate vor dem Auswertungszeitraums simuliert. Auswirkungen der Baufeuchtigkeit werden dadurch relativ realistisch erfasst.

Einfluss verschiedener Lüftungsstrategien

Geschlossene Gebäudehülle
Zur Simulation der Luftdichtheit des Gebäudes, sowie zur Plausibilitätskontrolle der definierten Strömungsparameter, wird das Gebäude mit ganzjährig geschlossen Fenstern simuliert. Das Gebäude-Netto-Luftvolumen beträgt 356,5 m³. Aus den Undichtigkeiten des Gebäudes ergibt sich ein mittlerer Luftwechsel von 0,11 1/h über den gesamten Simulationszeitraum von einem Jahr. Der Wert ist für den gewählten Gebäudestandort und der angenommen Luftwechselrate von n50 = 1,5 1/h zu erwarten.

Interessant ist, dass der Luftwechsel etwa ein Viertel des Jahres unter 0,04 1/h liegt. Der Raum mit dem niedrigsten Außenluftwechsel, das heißt in den durch Infiltration am wenigsten frische Außenluft strömt, ist das Schlafzimmer im Obergeschoss, mit Außenwänden Richtung Norden und Osten. Der Raum mit dem höchsten Leckage-Luftvolumenstrom ist die Küche im Erdgeschoss, deren Außenwände Richtung Norden und Westen zeigen.

Der simulierte Heizwärmebedarf für diesen Fall ohne zusätzliche Belüftung beträgt 51 kWh/(m²a). Behaglichkeit, sowie Hygiene werden für diesen Fall nicht untersucht, da dieser Fall lediglich zur Plausibilitätskontrolle und als Referenzfall dient und es sich nicht um ein realistisches Szenario handelt.

Geringes Lüftungsverhalten
Ja nach Raumtyp, sollen die Zonen anwesenheits- und klimaabhängig durch Öffnen der Fenster belüftet werden. Für die Öffnungszeiten der Fenster wird die Nutzungsart des Raumes (Wohnraum, Badezimmer, Schlafzimmer) sowie das Außenklima (Temperatur und Niederschlag), die Tageszeit und die Anwesenheit der Personen berücksichtigt. Es ergibt sich für jeden Raum ein Ganzjahresprofil, welches festlegt, zu welcher Stunde und für wie lange ein Fenster geöffnet oder geschlossen ist. Die Innentüren werden abhängig von der Raumnutzung geöffnet und geschlossen. Ist eine Innentüre geschlossen wird der Luftaustausch durch die Fuge unterhalb des Türblatts mit simuliert.
In diesem Beispiel werden die Fenster in jedem Raum etwa 1 mal täglich für 5 – 20 Minuten geöffnet, abgesehen von der Küche, in der ca. 2 mal täglich gelüftet wird. Bild 3 zeigt die akkumulierte Fensteröffnungszeit über das Jahr. Erkennbar ist die häufigere Fensteröffnung in den warmen Sommermonaten.

Bild 3. Akkumulierte Fensteröffnungszeit über das Simulationsjahr unter Annahme eines normalen manuellen Lüftungsverhaltens

Die Gebäudesimulation mit diesen Fensteröffnungszeiten ergibt eine über das Jahr gemittelte Luftwechselrate von n = 0,31 1/h für das Einfamilienhaus. Zur Bewertung der Raumluftqualität wird die CO2-Konzentration betrachtet. Ab einer Konzentration von 1500 ppm spricht man von einer niedrigen bzw. schlechten Raumluftqualität. Bei dieser Simulation steigt diese während 44% des Jahres über einen Wert von 1500 ppm. In einem Kinderzimmer steigt die CO2-Konzentration sogar während 73% des Jahres über 1500 ppm.

Als Indikator für den Komfort wird vereinfachend die simulierte Raumlufttemperatur herangezogen. Gemittelt über das Gebäude steigt die Temperatur während 4,3% des Jahres über einen kritischen Wert von 26°C. Besonders betroffen sind ein Schlaf- und ein Kinderzimmer, in dem dieser Wert ca. 660 Stunden im Jahr erreicht und überschritten wird.

Für eine erste Aussage zur Hygiene im Raum, speziell dem Schimmelpilzwachstumsrisiko, wird die relative Luftfeuchtigkeit betrachtet. In den Wintermonaten liegt diese bei etwa 50% im gesamten Gebäude. Mit» WUFI Plus« kann das Risiko von Schimmelpilzwachstum in Abhängigkeit von diversen Faktoren, wie Art des Untergrunds und Wandoberflächentemperatur, beurteilt werden. In diesem Beispiel wird darauf allerdings nicht näher eingegangen, da bei einem (gut gedämmten) Neubau bei den vorliegenden Raumluftfeuchten in der Regel kein Schimmelpilzwachstum zu erwarten ist.
Der ermittelte Heizwärmebedarf bei gegebenem Lüftungsverhalten beträgt 59 kWh/(m²a).

Häufiges Fensteröffnen
In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass die Nutzer deutlich häufiger lüften, als im ersten Beispiel. In der Küche wird ein Fenster bis zu viermal am Tag, im Badezimmer im Obergeschoss und in den Kinderzimmern bis zu dreimal täglich und in den restlichen Zimmern etwa ein- bis zweimal am Tag geöffnet. Im Winter sind die Öffnungsdauern kurz (5 oder 10 Minuten) im Sommer stehen die Fenster auch über mehrere Stunden offen. Die akkumulierte Fensteröffnungszeit für diese Simulation ist in Bild 4 dargestellt.

Bild 4. Akkumulierte Fensteröffnungszeit über das Simulationsjahr unter Annahme häufiger Fensteröffnung

Die resultierende, jährlich gemittelte Außenluftwechselrate dieser Simulation beträgt n = 0,69 1/h. Die Raumluftqualität wird deutlich besser: Die CO2-Konzentration liegt nur noch etwa 12% des Jahres (gemittelt über das gesamten Gebäude) über 1500 ppm und fast immer unter 2000 ppm. In den Schlafräumen allerdings steigt die Konzentration während 30% des Jahres über 1500 ppm, wenn nachtsüber und am Abend kein Fenster geöffnet wird.

Die Temperatur im Gebäude liegt hier, gemittelt über alle Zonen, 2,6% des Jahres über 26° C. Im kritischsten Raum, dem Schlafzimmer, liegt die Temperatur etwa 450 Stunden im Jahr darüber. Die relative Raumluftfeuchte liegt im Mittel in den Wintermonaten bei 36%.

Mit diesem erhöhten natürlichen Luftwechsel steigt der simulierte Heizwärmebedarf auf 84 kWh/(m²a).

Lüftung über automatisierte Parallelabstellung der Fenster
Abschließend wird das Einfamilienhaus mit einer anderen Art der natürlichen Lüftung simuliert. Die Lüftung soll nicht manuell durch die Bewohner, sondern mit automatisierten Parallel-Abstellfenstern (Bild 5) stattfinden. Dieser Fensterbeschlag stellt motorgetrieben den gesamten Fensterflügel etwa 5 – 6 mm parallel nach innen, wodurch ein Luftspalt an allen vier Seiten des Flügels entsteht.

Abbildung 5: Schematische Darstellung eines Parallel-Abstellfensters. Bild: Winkhaus

Die Fenster sollen immer dann gleichzeitig in jedem Raum parallel abgestellt werden, wenn eine hohe Luftfeuchtigkeit infolge der Anwesenheit der Bewohner entsteht. Sie werden somit von 5:30 – 7:30 Uhr, von 12:30 bis 13:00 Uhr und von 18:30 bis 20:00 Uhr, insgesamt 4 Stunden an jedem Tag parallel abgestellt. Im Sommer wird zusätzlich eine längere parallele Abstellung zur natürlichen Nachtlüftung berücksichtigt.

Trotz einer deutlich verringerten simulierten Luftwechselrate von n = 0,40 1/h, gemittelt über das gesamte Jahr, zeigen die Ergebnisse mit den Parallelabstellfenstern eine ähnliche Luftqualität, im Vergleich zum Fall zuvor. Diese liegt im gesamten Gebäude im Mittel etwa 16% des Jahres und in den Schlafräumen ca. 25 % des Jahres über 1500 ppm. Die relative Luftfeuchtigkeit liegt über das gesamte Jahr gemittelt bei 44%.

Der Heizwärmebedarf bei dieser Art der Lüftung beträgt 67,5 kWh/(m²a). Er ist damit deutlich geringer als bei der Simulation mit häufiger Fensteröffnung in Drehstellung, bei vergleichbarer Behaglichkeit und Luftqualität.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Durch die Simulation einer komplett geschlossenen Gebäudehülle wird deren Undichtigkeit abgebildet. So können Räume identifiziert werden, in denen besonders wenig Luft mit Außen durch Infiltration ausgetauscht wird. Diese Räume sollten eingehender betrachtet werden, da dort die Gefahr einer langfristig erhöhten CO2-Konzentration besteht.

Bei geringer Fensteröffnungsdauer und damit geringem Luftwechsel wird ein niedriger flächenbezogener Heizwärmebedarf erreicht. Allerdings ist die Luftqualität niedrig bis schlecht, weil Schadstoffe in der Luft nicht aus dem Gebäude gelüftet werden.

Werden die Öffnungszeiten erhöht, kann die Raumluftqualität deutlich verbessert werden. Allerdings erhöht sich der Heizwärmebedarf.

Eine Option kann hier beispielsweise das bedarfsgerechte parallele Abstellen der Fenster darstellen. Gelüftet wird in erster Linie dann, wenn Feuchte oder CO2 produziert wird. Dies sollte am besten automatisiert passieren, da ein angepasstes Eingreifen des Nutzers nicht generell vorausgesetzt werden kann. Der geringe Luftspalt verhindert Zugerscheinungen, ermöglicht aber trotzdem einen ausreichenden Luftwechsel bei Querlüftung. Zusätzlich werden Lüftungswärmeverluste in Grenzen gehalten, auch weil ein ungewollter Infiltrationsluftwechsel durch dichtes Schließen zu Zeiten in denen kein Luftaustausch notwendig ist sehr gering gehalten werden kann.

Mit der dynamischem hygrothermischen Gebäudesimulation durch WUFI® Plus kann der Einfluss verschiedener Fensteröffnungsstrategien auf Raumklima und Energiebedarf abgeschätzt werden. Das Lüftungsverhalten der Bewohner ist in der Realität sehr komplex und hängt von mehr Faktoren ab, als hier betrachtet werden. So bezieht das hier verwendete Öffnungsprofil zwar Abwesenheitszeiten und Außenklima sowie Öffnungswahrscheinlichkeiten mit ein, jedoch nicht das simulierte Innenklima oder die berechnete Raumluftqualität. Zudem liegt der CO2-Eintrag pro Person etwas höher als allgemein üblich. Die Werte für die resultierende Raumluftqualität werden somit etwas zu schlecht angenommen.

Allerdings zeigt die Simulation deutlich, dass hier, anders als in (sanierten) Altbauten, nicht die Raumluftfeuchte als kritischer Faktor zur Bemessung der Lüftung ausschlaggebend ist, sondern die Raumluftqualität. In jedem der drei Fälle stellt sich der CO2-Gehalt in den Schlafräumen oftmals als zu hoch heraus. Durch Konkretisierung der Simulations-Randbedingungen kann den Bewohnern des Hauses ein angepasstes und effizientes Lüftungsverhalten empfohlen werden.


Vita der Autoren


Matthias Pazold, M.Eng.
Gruppe Hygrothermische Gebäudeanalyse
Abteilung Hygrothermik
Fraunhofer-Institut für Bauphysik
Fraunhoferstr. 10, 83626 Valley
Studium des Bauingenieurwesens (Bachelor) an der Hochschule Magdeburg-Stendal (2009) und des allgemeinen Ingenieurbaus (Master) an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München (2011). Seit 2011 tätig in der Arbeitsgruppe »Hygrothermische Gebäudeanalyse« am Fraunhofer IBP in Holzkirchen.

 

 


Sabine Lamprecht, B. Eng.
Abteilung Hygrothermik
Fraunhofer-Institut für Bauphysik
Fraunhoferstr. 10, 83626 Valley
Studium des Innenausbaus an der Fachhochschule Rosenheim (2014). Erfahrungen in der Baupraxis als ausgebildeter Tischlerin. Seit 2014 tätig in der Abteilung »Hygrothermik« am Fraunhofer IBP in Holzkirchen.

 


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