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5.2.1 Mechanische Lüftungssysteme
5.2.1 Mechanische Lüftungssysteme – 5.2.2 Freie Lüftungssysteme – 5.2.3 Energieeffiziente Lüftungsanlage – 5.2.4 Hygiene und Akustik
Als raumlufttechnische Anlage wird eine Einrichtung bezeichnet, welche auf mechanische Weise belüftet oder entlüftet oder Luft umwälzt. Die verbreiteste ist die einfache Abluftanlage für die Entlüftung von Küchen und innenliegenden Nassräumen. Wird die Abwärme einer raumlufttechnischen Anlage genutzt und demselben System wieder zugeführt, so wird das als Wärmerückgewinnung (WRG) bezeichnet. Wird die Abwärme einem anderen System zugeführt, wird von Abwärmenutzung (AWN) gesprochen.
In raumlufttechnischen Anlagen können die folgenden vier thermodynamischen Funktionen vorkommen:
- Erwärmen – Kühlen
- Befeuchten – Entfeuchten
Je mehr Funktionen in einer Anlage vorkommen, desto höher ist der Technisierungsgrad. Die im Bild 5.4 erwähnten Anlagen sind nach dem Kriterium des Technisierungsgrades geordnet. Die Stufe der Technisierung hängt von den Raumluft-Anforderungen (Komfort) ab. Der Energieverbrauch der Anlage steht damit im direkten Zusammenhang. Man unterscheidet:
- Einfache Lüftungsanlagen sind Zu- und Abluftanlagen mit kleinem, den hygienischen Anforderungen genügendem Aussenluftwechsel.
- Wird eine Lüftungsanlage ergänzt um die thermodynamischen Funktionen Erwärmen und eventuell Befeuchten, gilt sie nicht mehr als «einfach».
- Einfache Klimaanlagen sind Lüftungsanlagen mit den thermodynamischen Funktionen Erwärmen und Kühlen.
- Wird eine Klimaanlage ergänzt um die thermodynamischen Funktionen Befeuchten und eventuell Entfeuchten, gilt sie nicht mehr als «einfach».
Bild 5.4 Übersicht über die raumlufttechnischen Anlagen [SIA 382/1]
Weitere Kriterien für die Einteilung der raumlufttechnischen Anlagen sind:
- der Behandlungsort der Luft (zentral/dezentral),
- die Druckverhältnisse (Nieder-, Hochdruck),
- die Regelbarkeit,
- die Art der Luftreinigung,
- die Grösse des Aussenluftwechsels.
Bild 5.5 zeigt den grundsätzlichen Aufbau aller Lüftungs- und Klimaanlagen. Eine Umluftbeimischung wird in der Regel vermieden. Aus Effizienzgründen sollte nur die hygienisch erforderliche Luftmenge transportiert werden. Anlagen mit Umluft (eventuell sogar ausschliesslich Umluft) werden eingesetzt, wenn die Heiz- oder Kühlfunktion im Vordergrund steht. Eine separate Abluft wird eingesetzt, wenn aus speziellen Gründen das Haupt-Abluftsystem nicht belastet werden soll, beispielsweise mit der Abluft beim Kochen. Es braucht dann meistens auch eine separate Aussenluftzufuhr.
Bild 5.5 Grundschema von Lüftungs- und Klimaanlagen mit den Bezeichnungen der Luftströme
5.2.2 Freie Lüftungssysteme
5.2.1 Mechanische Lüftungssysteme – 5.2.2 Freie Lüftungssysteme – 5.2.3 Energieeffiziente Lüftungsanlage – 5.2.4 Hygiene und Akustik
Arten der freien Lüftung
Bei der freien Lüftung wird der Luftaustausch durch temperaturbedingte Dichtedifferenzen zwischen innen und aussen oder durch Winddrücke angetrieben.
Man unterscheidet:
- Fensterlüftung
- Schachtlüftung
- Dachaufsatzlüftung
- Rauch-/Wärmeabzug
- Fugenlüftung bei Gebäude-Undichtheiten
Der natürlichen Belüftung sind Grenzen gesetzt durch die Witterungsbedingungen, die Gebäudegestaltung und die Benutzeransprüche. Bei den heute üblichen, sehr dichten Gebäudehüllen genügt der Luftaustausch durch Fensterfugen und Gebäuderitzen bei Weitem nicht, um Wasserdampf, Kohlendioxid usw. abzuführen.
Fensterlüftung
Stosslüftung ist täglich mehrmaliges kurzes Öffnen der Fenster. Dank kurzen Öffnens erfolgt keine Auskühlung der wärmespeichernden Bauteile. Stosslüftung bewirkt Luftzug. Bild 5.6 zeigt Grössenordnungen der auf diese Weise bewirkten momentanen Luftwechsel. Werden die Fenster eines Raums während 5 Minuten ganz geöffnet (n = 12 h-1), so wird ein Aussenluftvolumen einströmen, welches dem ganzen Raumluftvolumen entspricht.
Bild 5.6 Luftwechsel bei Fensterlüftung
Dauerlüftung für kürzere oder längere Zeit erfolgt durch Teilöffnen eines Fensters. In der Heizperiode bewirken Kippfenster bei vergesslicher Bedienung einen grossen Wärmeverlust.
Vor- und Nachteile der Fensterlüftung:
+ einfach und kostengünstig
+ direkter Kontakt zur Aussenwelt
+ kein Platzbedarf für Kanäle und Geräte
+ kein Energiebedarf für Luftförderung
+ kaum Wartung
- Wärmerückgewinnung unmöglich
- Abhängigkeit von Temperatur, Wind, Regen, Lärm, Abgase
- Stosslüften im Büro störend
- Dauerlüfter verschwenden Energie
- Niemalslüfter verursachen Bauschäden
Fensterlüftung als freie Kühlung
Selbst in Bürobauten ist mit einer Fenster-Nachtlüftung eine Abkühlung möglich. Die Kühlwirkung ist stärker, wenn die kühle Aussenluft das Gebäude quer und von unten nach oben durchströmen kann. Dazu sind Fenster und eventuell andere Öffnungen nach aussen nötig, welche keine Sicherheitsrisiken aufweisen. Interne Öffnungen zu Korridoren und Innenhöfen erleichtern den Luftaustausch. Die Leittechnik kann das Gebäude vor Regen und starken Luftströmungen schützen, indem es die Aussenöffnungen automatisch schliesst.
Berechnung der Fensterlüftung: Der Luftvolumenstrom hängt ab (abgesehen vom Windeinfluss) von der Temperaturdifferenz innen – aussen. Das Merkblatt [SIA 2023] gibt ein Verfahren für die Berechnung des Volumenstroms:
- durch Reckteck- und Kippfenster, sowie
- bei Querlüftung und Öffnungen auf verschiedenen Geschossen.
Vergleich Fensterlüftung – einfache Lüftungsanlage
Die Fensterlüftung hat grundsätzlich einen energetischen Nachteil gegenüber mechanischen Lüftungen. Der Nutzen der Wärmerückgewinnung wird allerdings überschätzt:
- wenn bei der mechanischen Lüftung der Luftwechsel grösser ist als bei freier Lüftung (bei Wohnungen meistens der Fall),
- bei grossen internen Wärmegewinnen,
- wenn trotzdem die Fenster geöffnet werden.
5.2.3 Energieeffiziente Lüftungsanlagen
5.2.1 Mechanische Lüftungssysteme – 5.2.2 Freie Lüftungssysteme – 5.2.3 Energieeffiziente Lüftungsanlage – 5.2.4 Hygiene und Akustik
Grundsätzliche Überlegungen
Luftsysteme werden als mechanische Aussenluftversorgung möglichst ohne Kälteanlage (aktive Kühlung) sowie ohne Be-/Entfeuchtung geplant. Sie werden nach effektivem Aussenluftbedarf (minimale Luftvolumenströme) und nicht schematisch nach Luftwechselzahl dimensioniert. Eine intensive Diskussion mit der Bauherrschaft ermöglicht sehr oft, die Anforderungen zu senken.
Wenn eine Kühlung erforderlich ist, kann die Kühlleistung vermindert werden mit:
- baulichen Massnahmen (Sonnenschutz, Tageslichtnutzung) oder
- betrieblichen Massnahmen (Nachtlüftung, optimierter WRG-Betrieb).
Nachtlüftung kann sowohl mit Lüftungsanlagen als auch mit Fensterlüftung erfolgen. Bei mechanischer Nachtlüftung wird ein Luftwechsel von etwa n = 2 h-1 angestrebt. Bei höherem Luftwechsel steigt der Transportenergiebedarf stark an und damit auch die unerwünschte Lufterwärmung durch die Ventilatoren.
Wenn die Temperatur aussen grösser ist als innen, sollte die Wärmerückgewinnung zugeschaltet werden, sie leistet einen Beitrag zur Kühlung.
Wenn bauliche und betriebliche Massnahmen nicht genügen, kommtpassive Kühlung infrage [Zim]. Im Vergleich zur Kühlung mit Kältemaschinen benötigt die passive Kühlung viel weniger Energie:
- Luft ansaugen über Erdregister,
- adiabatische Kühlung,
- freie Kühlung mit Aussenluft im Winter, in der Übergangszeit und in Sommernächten,
- Wärmeabgabe an das Erdreich mittels Erdsonden.
Transportenergie
Eine effiziente Luftförderung wird erreicht mit [Top4]:
- wenig Widerstand (kurze, grosse Luftleitungen, grosse Bogenradien),
- geringem Luftvolumenstrom (so wenig wie nötig, nur wenn nötig),
- variablem Volumenstrom (entsprechend Bedarf),
- effizientem Ventilatorbetrieb (Wirkungsgrad-Optimum),
- effizientem Antrieb (Motor mit Direktantrieb ohne Transmission).
Zur Charakterisierung des Energiebedarfs für die Luftförderung wird die spezifische Ventilatorleistung (specific fan power) verwendet.
- PSFP spezifische Ventilatorleistung in Wh/m3
- Pel effektive Aufnahmeleistung in W
- qv geförderter Volumenstrom in m3/h
Die Norm [SIA 382/1] legt Grenzwerte fest für den Normalbetrieb (Auslegung) und saubere Filter. Beispiele von Grenzwerten der spezifischen Ventilatorleistung für normale Anlagen:
- einfache Lüftungsanlage:
ZUL 0,14 Wh/m3, ABL 0,14 Wh/m3
- Klimaanlage mit Be- und Entfeuchtung:
ZUL 0,35 Wh/m3, ABL 0,21 Wh/m3
Die Norm gibt auch Richtwerte für die Druckverluste. Beispiel für einfache Lüftungsanlage: gesamte Druckverluste, externe+interne, von ZUL+ABL, bei maximalem Volumenstrom: 400 bis 700 Pa.
Lufterwärmung durch Ventilator
Die elektrische Leistung erwärmt die geförderte Luft, was vor allem im Sommer unerwünscht ist. Meistens befindet sich der ganze Ventilatorantrieb im Luftstrom, sodass die gesamte elektrische Energie der geförderten Luft zugeführt wird. Die Lufttemperatur nimmt somit zu um:
- ΔT Temperaturerhöhung der Luft in K
- ρ·cp volumetrische Wärmekapazität, etwa 0,32 Wh/m3K
Der Zuluftventilator der erwähnten Klimaanlage bewirkt eine Temperaturzunahme von 1,1 K. Die erforderliche Kühlleistung erhöht sich dementsprechend.
5.2.4 Hygiene und Akustik
5.2.1 Mechanische Lüftungssysteme – 5.2.2 Freie Lüftungssysteme – 5.2.3 Energieeffiziente Lüftungsanlage – 5.2.4 Hygiene und Akustik
Hygienische Fragen
Der Zweck von Lüftungsanlagen ist nicht zuletzt eine gute Luftqualität. Mangelhafte Konzeption, Wartung und Sauberkeit können aber dazu führen, dass die Lüftungsanlage selbst zur Schadstoffquelle wird. Feuchte Stellen sind unbedingt zu vermeiden (Erdregister).
Leckluft-Volumenströme bis zu mehreren Prozent des Volumenstroms werden je nach Klassierung von den Normen toleriert:
- von der Abluft in die Zuluft (WRG),
- von Filter-Beipass-Lecks (interne Leckage),
- von den Luftkanälen (an oder von Raum).
Filter von Lüftungsgeräten und Durchlässen sollten mindestens einmal jährlich ersetzt werden. Günstig ist eine automatische Filterüberwachung.
Luftleitungen sollten einfach zu inspizieren und zu reinigen sein. In der Bauphase sollten Luftkanäle und Durchlässe immer sorgfältig verschlossen werden, um eine Verschmutzung zu vermeiden. Eine Reinigung muss bei der Neubau-Abnahme und später im Abstand von einigen Jahren erfolgen. Nur glatte Oberflächen sind einfach zu reinigen. Lange Leitungen müssen durch Reinigungsöffnungen in Abschnitte unterteilt werden. Übliche Reinigungsgeräte für Durchmesser unter 10 cm haben eine Reichweite bis etwa 15 m. Auf dieser Strecke sollten möglichst wenige Bogen vorkommen (keine 90°-Bogen). Es empfiehlt sich, die Leitungsführung mit einer Luftkanal-Reinigungsfirma vor Ausführung zu besprechen. Detaillierte Angaben zu Inspektion und Reinigung macht [SWKI VA104].
Akustische Fragen
In Aufenthaltsräumen stellt der angestrebte Schalldruckpegel [SIA 181] von meistens nicht mehr als 30 dB(A) bei Auslegungsbedingungen (leerer Raum) eine strenge Forderung an die Lüftungsanlage dar:
- Bei Ventilatorgeräuschen kann ein Zusatzschalldämpfer eingebaut oder die Drehzahl reduziert werden. Beides vermindert den Volumenstrom.
- Bei Strömungsgeräuschen an gedrosselten Durchlässen ist die Drosselung vom Durchlass möglichst weit weg zu verlegen.
- Gehen Geräusche von einem Lüftungskanal aus, so kann dessen Schalldämmung durch eine lückenlose Verkleidung mit schwerem Material verbessert werden.
Nicht nur die von der Lüftungsanlage verursachten Geräusche können störend sein:
- Das Luftverteilnetz kann auch Luft- und Körperschall zwischen verschiedenen Räumen übertragen. Diese Schallnebenwegübertragung kann mit Telefonieschalldämpfern vermieden werden.
- In Wohnungen strömt die Luft durch einen Spalt unter der Tür von einem Raum zum nächsten. Dazu ist ein Türspalt von 5 bis 10 mm nötig. Diese Schwächung der Schalldämmung ist bei einfachen Türen kaum wahrnehmbar. Bei einem Musik- oder Therapieraum sind schallgedämmte Überströmdurchlässe einzusetzen.