Download - Airbus, Arbeitstreffen, 01 - HTW Berlin
Projektbericht:
Raumluftkonditionierung in
Schulen bei Neubau und
Sanierung unter Beachtung
ökonomischer, ökologischer
und soziokultureller Aspekte
In Kooperation zwischen:
Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und
Umwelt (SenStadtUm) und
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
(HTW Berlin)
Impressum
I
Impressum
Herausgeber
Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt
Referat ZF V-I
Württembergische Straße 6
10707 Berlin
Inhalte und Bearbeitung
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin
Prof. Dr.-Ing. habil. Birgit Müller
M.Eng. Maxim Geier
M.Eng. Philipp Krimmel
Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt
Dipl.-Ing. Wolfram Müller
Dipl.-Ing. Kathrin Richter-Kowalewski
Redaktionsstand: 05.11.2016
Kritik und Anregungen bitte weiterleiten an:
Wolfram Müller (ZF V-I 32)
Tel. (030) 9(0)139-4321
Fax. (030) 9(0)139-4291
Information im Internet
http://lueftung-in-schulen.htw-berlin.de
Inhaltsverzeichnis
II
Inhaltsverzeichnis
IMPRESSUM .......................................................................................................... I
INHALTSVERZEICHNIS .......................................................................................... II
1 EINFÜHRUNG ................................................................................................. 1
1.1 ZIELSETZUNG ............................................................................................. 4
2 NORMATIVE VORGABEN, RICHTLINIEN UND EMPFEHLUNGEN .............................. 6
2.1 AUSLEGUNG LUFTVOLUMENSTRÖME .................................................................... 8
2.1.1 Zusammenfassung Auslegung der Luftvolumenströme .................................29
2.2 THERMISCHE BEHAGLICHKEIT ..........................................................................30
2.2.1 Raumlufttemperatur ................................................................................33
2.2.2 Zusammenfassung Raumlufttemperatur ....................................................38
2.2.3 Relative Luftfeuchte ................................................................................39
2.2.4 Zusammenfassung relative Luftfeuchte ......................................................41
2.2.5 Luftgeschwindigkeiten (Behaglichkeit) .......................................................41
2.2.6 Zusammenfassung Luftgeschwindigkeit (Behaglichkeit) ...............................43
2.3 AKUSTISCHE GRENZWERTE .............................................................................44
2.3.1 Zusammenfassung akustische Grenzwerte .................................................47
2.4 REGELUNG VON RLT-ANLAGEN ........................................................................48
2.4.1 Zusammenfassung Regelung von RLT-Anlagen ...........................................51
2.5 PLANUNG UND BETRIEB VON RLT-ANLAGEN .........................................................52
3 FREIE LÜFTUNG ............................................................................................73
3.1 GRUNDLAGEN ZUR FREIEN LÜFTUNG ..................................................................74
3.1.1 Fensterlüftung ........................................................................................75
3.1.2 Schachtlüftung .......................................................................................79
3.1.3 Schachtlüftung in Schulen ........................................................................81
3.1.4 Fazit zu Schachtlüftung in Schulen ............................................................84
3.2 ANFORDERUNGEN AN FREIE LÜFTUNG NACH ASR A3.6 ............................................85
3.3 LUFTAUSTAUSCH ÜBER FENSTER NACH VDI 2078 ..................................................89
3.4 VOLLSTÄNDIG GEÖFFNETES FENSTER .................................................................90
3.5 FENSTER IN KIPPSTELLUNG .............................................................................91
3.6 BEISPIEL ZUM LUFTAUSTAUSCH ÜBER FENSTER ......................................................93
3.7 ZUSAMMENFASSUNG FENSTERLÜFTUNG ............................................................. 101
Inhaltsverzeichnis
III
4 UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE ..................................................................... 103
4.1 VON DER HTW-BERLIN UNTERSUCHTE SCHULEN ................................................. 104
4.2 MESSERGEBNISSE ..................................................................................... 106
4.3 OBJEKTBESCHREIBUNG ................................................................................ 106
4.3.1 Messergebnisse Fensterlüftung (Heizperiode) ........................................... 107
4.3.2 Messergebnisse maschinelle Lüftung (Heizperiode) ................................... 111
4.3.3 Messergebnisse Fensterlüftung (Kühlperiode) ........................................... 115
4.3.4 Zusammenfassung Messergebnisse HTW Berlin ........................................ 118
4.4 ERKENNTNISSE AUS WEITEREN PROJEKTEN......................................................... 119
4.4.1 CO2-Konzentrationen in Klassenräumen ................................................... 122
4.4.2 Zusammenfassung Ergebnisse anderer Projekte ....................................... 125
5 SIMULATION ............................................................................................... 126
5.1 EINFÜHRUNG THERMISCHE SIMULATION ............................................................ 126
5.2 ZIELSTELLUNG.......................................................................................... 127
5.3 BESCHREIBUNG DER SIMULATIONSPROGRAMME ................................................... 127
5.3.1 DesignBuilder ....................................................................................... 128
5.3.2 QUIRL/CO2 ........................................................................................... 131
5.4 ERSTELLEN EINES SIMULATIONSMODELLS .......................................................... 133
5.4.1 Typenschulbauten ................................................................................. 134
5.4.2 Modell zum Gebäudetyp „SK Berlin“ ....................................................... 135
5.4.3 Interne Wärmegewinne ......................................................................... 141
5.4.4 Validierung des Modells ......................................................................... 146
5.5 SIMULATIONSERGEBNISSE ............................................................................ 148
5.5.1 Energetischer Vergleich von Lüftungskonzepten ........................................ 148
5.5.2 Effektivität von Sonnenschutzsystemen ................................................... 151
5.5.3 Effektivität der Nachtauskühlung ............................................................ 157
6 WIRTSCHAFTLICHE BETRACHTUNG MASCHINELLER LÜFTUNG .......................... 164
6.1 KOSTENERMITTLUNG NACH VDI 2067 ............................................................. 166
6.1.1 Kapitalgebundene Kosten/Investitionskosten ............................................ 167
6.1.2 Bedarfsgebundene Kosten ...................................................................... 168
6.1.3 Betriebsgebundene Kosten ..................................................................... 170
6.1.4 Jahresgesamtkosten .............................................................................. 172
6.1.5 Bewertung der Kosten unter Einbezug des Nutzens ................................... 180
6.1.6 Zusammenfassung wirtschaftliche Betrachtung ......................................... 183
Inhaltsverzeichnis
IV
7 ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................... 184
ABKÜRZUNGEN ................................................................................................. 186
BEGRIFFSDEFINITION........................................................................................ 187
EINHEITEN UND FORMELZEICHEN ....................................................................... 189
8 LITERATURVERZEICHNIS ............................................................................. 192
Einführung
1
1 Einführung
Die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt (SenStadtUm) und die
Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin (HTW Berlin) haben im Oktober
2012 eine längerfristige Kooperation vereinbart. Die Kooperationspartner
streben die gemeinsame Durchführung von Vorhaben an, die maßgeblich dazu
beitragen sollen, die landeseigenen Gebäude energieeffizienter, nachhaltiger
und für die Nutzer behaglicher zu gestalten. Ziel der Kooperation ist die
gemeinsame Forschung, insbesondere zur Verbesserung der Raumluftqualität
in Schulen bei gleichzeitiger Reduzierung des Energieverbrauchs von Strom,
Wärme und bei der Lüftung und Kühlung.
Ein großer Teil der vorhandenen Schulgebäude befindet sich heute in einem
sanierungsbedürftigen Zustand. Solche Gebäude weisen einen über-
durchschnittlich hohen Energieverbrauch in Bezug auf Wärme und Strom auf.
Die Behaglichkeit wird im Sommer durch Überhitzung und im Winter durch die
hohe CO2-Konzentration in den Klassenräumen infolge nicht ausreichender
Lüftung stark beeinträchtigt.
Bei sanierten Schulgebäuden werden in erster Linie die Anforderungen der
geltenden Energieeinsparverordnung (EnEV) umgesetzt. Die Gebäudehülle wird
bewusst luftdicht erstellt, um die energetischen Vorgaben zu erfüllen. Die
Kehrseite dichter Gebäude ist der geringe natürliche Luftwechsel, welcher zur
Anreicherung von chemischen und biologischen Stoffen u.a. CO2 in
Innenräumen führen kann. Eine bedarfsgerechte Lüftung durch Fenster führt in
den Wintermonaten zu hohen Wärmeenergieverlusten und ist aus
energetischer Sicht nicht akzeptabel.
Frische Luft ist aber notwendig, um die Anreicherung schädlicher Stoffe und
geruchliche Beeinträchtigungen zu vermeiden, sowie das Wohlbefinden und die
Leistungsfähigkeit der Nutzer sicherzustellen. In durchgeführten Studien wurde
nachgewiesen, dass sich die Leistungsfähigkeit der Personen bei schlechter
Raumluftqualität verschlechtert und gesundheitliche Beeinträchtigungen
häufiger auftreten. Eine Verbesserung der Raumluftqualität führt zu einer
Einführung
2
Leistungssteigerung, reduziert gesundheitliche Beeinträchtigungen und steigert
das allgemeine Wohlbefinden der Personen [3,31,32,33,47,48,49,50].
Aus diesem Grund sind lüftungstechnische Maßnahmen unerlässlich um eine
dauerhaft akzeptable Luftqualität mit einer CO2-Konzentration unter 1000 ppm
zu erreichen. Öffentliche Investitionen folgen stets dem Prinzip der
Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und Sparsamkeit. Maschinelle Lüftungs-
konzepte sollen deshalb optimal für den jeweiligen Schultyp ausgewählt und
auf ihn angepasst sein. Bei der Planung sind sämtliche Kosten für die
Investition, Instandhaltung und den Betrieb zu ermittelten. Im Rahmen der
Zusammenarbeit zwischen Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt
und der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin wurde ein Leitfaden
erstellt, der Empfehlungen zur Raumluftkonditionierung in Schulen gibt.
Zur Bearbeitung der Aufgabe wurden an mehreren Berliner Schulen, die sich in
bestimmten Merkmalen hinsichtlich des Gebäudetyps, der durchgeführten
Sanierungsmaßnahmen und Lüftungsart unterscheiden, Luftqualitäts-
untersuchungen durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse sind in einem
ausführlichen Bericht (Untersuchungsbericht) zusammengefasst. Eine
Kurzfassung der Ergebnisse wird im vorliegenden Projektbericht zur Verfügung
gestellt. Zeitgleich wurden Ergebnisse bundesweit durchgeführter Projekte
ausgewertet. Die gewonnenen Erkenntnisse aus den durchgeführten
Untersuchungen dienen als Grundlage für die Empfehlungen zur Sicherstellung
einer hygienischen und gesundheitlich akzeptablen Raumluftqualität in Schulen.
Die für die Recherche verwendeten Quellen sowie zusätzliche Literatur sind in
einer Datenbank hinterlegt. Zur Kommunikation und für den Datenaustausch
zwischen den Kooperationspartnern ist eine Internetpräsenz sowie eine
Kommunikationsplattform aufgebaut worden. Die Webseite ist unter der
Adresse http://lueftung-in-schulen.htw-berlin.de/ erreichbar.
Mit Hilfe von Simulationsmodellen wurden für einige der untersuchten
Schultypen unterschiedliche Lüftungssysteme nach ökologischen und
ökonomischen Aspekten untersucht. Die Simulationsergebnisse sind in einem
zusätzlichen Bericht (Simulationsbericht) ausführlich beschrieben. Für die
vorliegende Ausarbeitung wurden nur die wesentlichen Ergebnisse dem
Simulationsbericht entnommen.
Einführung
3
Der Leitfaden baut auf den Untersuchungsergebnissen auf und gibt auf
Grundlage gewonnener Erkenntnisse Empfehlungen für die Sanierungs-
maßnahmen und Neubauvorhaben.
Das Kooperationsprojekt soll dazu beitragen, die landeseigenen Gebäude
energieeffizienter und nachhaltiger zu gestalten und dient der Gewinnung
wissenschaftlicher Ergebnisse auf Seiten der HTW Berlin. Die gewonnenen
Erkenntnisse werden den Baudienststellen Berlins in geeigneter Weise zur
Verfügung gestellt.
Einführung
4
1.1 Zielsetzung
Eine gute Luftqualität in den Klassenräumen ist notwendig, um gesundheitlich
zuträgliche Atemluft zur Verfügung zu stellen und die Voraussetzungen für
hohe Leistungen und Arbeitskonzentration seitens der Schüler und des
Lehrpersonals zu schaffen. Die aktuelle Situation in vielen Schulen zeigt, dass
aufgrund der hohen Belegungsdichte, die Fensterlüftung allein nicht ausreicht
um eine akzeptable Raumluftqualität zu erreichen. Vor allem im Winter wird zu
wenig oder gar nicht gelüftet, da die einströmende kalte Luft
Zugerscheinungen hervorruft und als unbehaglich empfunden wird. Aus
energetischer Sicht stellt die Fensterlüftung keine optimale Lösung dar, weil in
den Wintermonaten beim Lüften zwangsläufig ein großer Wärmeverlust auftritt.
Aufgrund dieser Tatsache erweist sich der Einsatz maschineller
Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung als sinnvoll und notwendig, um
eine akzeptable Luftqualität dauerhaft sicherzustellen. Doch bringt der Einsatz
von Lüftungsanlagen neue Herausforderungen mit sich. Bei Neubauten von
Schulen können raumlufttechnische Systeme von Beginn an eingeplant werden.
In bestehenden Schulgebäuden ist der nachträgliche Einbau häufig mit viel
Aufwand verbunden und manchmal nicht möglich. Der Platzbedarf, die
Investitionskosten und der Betrieb einer Lüftungsanlage sind beträchtlich und
müssen im Vorfeld immer geprüft werden. Aufgrund dessen ist der Aufwand
sehr groß, ein passendes Lüftungssystem für eine Bestandsschule zu finden.
Außer der konventionellen Lüftungstechnik kann auch der Einsatz innovativer,
intelligenter Lüftungskonzepte wie hybride Lüftungssysteme in verschiedenen
Kombinationen aus energetischer und lüftungstechnischer Sicht sinnvoller sein
und in Ausnahmefällen die einzige Lösung für eine gute Raumluftqualität,
darstellen.
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, geeignete Lüftungssysteme für
unterschiedliche Schultypen zu finden. Es gilt zu prüfen, welche
Raumlufttechnische Systeme nach wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten
für vorhandene Schultypen am besten geeignet sind. Als Ergebnis dieser
Forschungsarbeit soll ein Leitfaden für Raumluftkonditionierung in Schulen
Einführung
5
erstellt werden, welcher als Planungshilfe den Baudienststellen Berlins zur
Verfügung gestellt wird.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
6
2 Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
Im Wesentlichen bilden folgende Normen, Richtlinien und technische Regeln
die Grundlage im Hinblick auf die Raumluftqualität, Planung, Ausführung und
Betrieb maschineller Lüftung sowie Planung und Ausführung freier Lüftung.
Normen und Richtlinien:
DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen
und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme.
DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und
Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität,
Temperatur, Licht und Akustik.
DIN EN ISO 7730 Analytische Bestimmung und Interpretation der
thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-
Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit.
DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden, Verfahren zur Berechnung
der Norm-Heizlast
VDI 6040 Raumlufttechnik Schulen Anforderungen
DIN EN 15239:2007-08 Lüftung von Gebäuden - Gesamtenergieeffizienz
von Gebäuden - Leitlinien für die Inspektion von Lüftungsanlagen
DIN 4109 Schallschutz im Hochbau Anforderungen und Nachweise;
Änderung A1
DIN 4108-2:2013-02 Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden -
Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz
DIN EN 12599:2013-01- Lüftung von Gebäuden Prüf- und Messverfahren
für die Übergabe raumlufttechnischer Anlagen
VDI 6022 Blatt 1: Raumlufttechnik, Raumluftqualität-
Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte
VDI 2078:2012-03 Berechnung der Kühllast und Raumtemperaturen von
Räumen und Gebäuden
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
7
VDI 6026 Blatt 1:2008-05 Dokumentation in der Technischen
Gebäudeausrüstung - Inhalte und Beschaffenheit von Planungs-,
Ausführungs- und Revisionsunterlagen.
VDI 2081 Blatt 1:2001-07 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in
Raumlufttechnischen Anlagen.
VDI 2067 Blatt 1:2012-09, Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen
Grundlagen und Kostenberechnung
Technische Regeln zu Anforderungen der Arbeitsstättenverordnung
ASR A3.6 Lüftung (Technische Regeln für Arbeitsstätten)
ASR A3.5 Raumtemperatur (Technische Regeln für Arbeitsstätten)
Planungshinweise:
AMEV RLT Anlagenbau
UBA Leitfaden für die Innenraumhygiene in Schulgebäuden
GUV-V S1 Unfallverhütungsvorschrift Schulen
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
8
2.1 Auslegung Luftvolumenströme
Laut DIN EN 13779 heißt es: „Die Zuluftqualität in Gebäuden, die für den
Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, muss so sein, dass unter
Berücksichtigung der zu erwartenden Emissionen aus inneren Verunreinigungs-
quellen (menschlicher Stoffwechsel, Aktivitäten und Arbeitsverfahren,
Baustoffe, Möbel) und der Lüftungsanlage selbst eine geeignete Raumluft-
qualität erreicht werden kann [5]. Übliche gasförmige Verunreinigungen, die
bei der Bewertung der Außenluft für die Auslegung von Lüftungs- und
Raumkühlsystemen berücksichtigt werden müssen, sind Kohlenmonoxid,
Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Stickstoffoxide und flüchtige organische
Verbindungen (VOC) [5]. Im Rahmen der Anlagenauslegung sind die
Außenluftvolumenströme festzulegen. Wenn die Zuluft auch Umluft enthält, ist
dies ebenfalls in der Auslegungsdokumentation anzugeben [5]. Um
Missverständnisse zu vermeiden, wird empfohlen, die Zuluftqualität auch durch
Festlegung der Konzentrationsgrenzen, die für bestimmte Verunreinigungen
(z.B. CO2, VOC) in der Raumluft gelten, zu definieren [5]. Deshalb ist eine
Angabe der zu erwartenden Emissionen aus den Innenraum-
Verunreinigungsquellen erforderlich; wenn möglich, sollte diese auf die
Konzentrationsgrenzen und Emissionsnormen bezogen sein [5].“
Die von der HTW Berlin durchgeführten Untersuchungen an Schulen zeigen,
dass vor allem in den Wintermonaten in Klassenräumen ohne maschinelle
Lüftungssysteme hohe CO2-Konzentrationen vorherrschen. Die Messwerte
hängen in erster Linie von der Belegungsdichte ab und liegen über weite Teile
des Unterrichtes im Bereich hygienisch auffälliger (1000 bis 2000 ppm) und
hygienisch inakzeptabler Werte (CO2 > 2000 ppm). Bei voller Belegung der
Klassenräume ist es in den Wintermonaten kaum möglich, allein mit Hilfe der
Fensterlüftung akzeptable CO2-Konzentrationen sicherzustellen.
Die flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) dürfen ebenfalls nicht außer
Acht gelassen werden, da diese sich in besonders dichten Gebäuden, die nach
EnEV gebaut oder saniert wurden, aufgrund des geringen natürlichen
Luftwechsels in den Räumen stark anreichern können. Zur Beurteilung der
Luftqualität in Schulen anhand der Konzentration von Schadstoffen ist es
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
9
ausreichend, sich auf Kohlendioxid und die Summe der flüchtigen organischen
Substanzen zu beschränken, da diese Stoffe maßgeblich durch die Schüler und
deren Aktivitäten sowie durch Bauprodukte und Innenraummaterialien
abgegeben werden und nur durch einen angemessenen Luftaustausch reduziert
werden können. In DIN EN 13779 wird die Raumluft in vier Qualitätsstufen
unterteilt (IDA 1 bis 4). Anhand dieser Qualitätsstufen ergeben sich
unterschiedliche Außenluftvolumenströme je Person bzw. je m2 Grundflache.
Die EnEV 2009 fordert, dass zum Zwecke der Gesundheit ein Mindestluft-
wechsel sichergestellt ist. Anhaltswerte für Mindestluftwechselzahlen können
der DIN EN 12831 entnommen werden. Für Klassenräume beträgt die
Mindestluftwechselzahl nmin bei 2,0 h-1 [35]. Für die belegungsfreie Zeit wird
laut DIN EN 13779 und DIN EN 15251 ein Mindestluftwechsel von 0,1 l/s*m²
bis 0,2 l/s*m² (0,36m³/h*m² bis 0,72 m3/h*m²) empfohlen [5,6]. Das
entspricht einer Luftwechselrate von 0,1 bis 0,2 h-1 bei einem Klassenraum mit
55 m² Raumfläche und 165 m³ Raumvolumen.
Luftqualität
In [3] wird die Raumluftqualität wie folgt definiert: „Die Raumluftqualität
umfaßt alle nichtthermischen Wirkungen der Raumluft, die Einfluß auf
Wohlbefinden und Gesundheit des Menschen haben [3].“ Zu den
nichtthermischen Wirkungen gehören z.B.:
Chemische Verunreinigungen:
flüchtige organische Verbindungen (VOC)s
CO2
Gerüche
Biologische Verunreinigungen:
Viren
Bakterien
Pilze
Endotoxine oder Glucane
Physikalische Faktoren:
Luftfeuchtigkeit
Lärm
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
10
Psychologische Faktoren:
Stress
optische, akustische und olfaktorische Reize
Im vorliegenden Bericht wird die Luftqualität Anhand von Konzentrationen für
CO2 und TVOC in Innenräumen definiert. Zusätzlich erfolgt die Bewertung der
Raumluftqualität nach den Kriterien der thermischen Behaglichkeit. Dazu
gehören:
Raumlufttemperatur
relative Luftfeuchte und
lokale Luftgeschwindigkeiten am Arbeitsplatz
Thermische Behaglichkeit wird oft als der Zustand definiert, bei dem der
Mensch mit seiner thermischen Umgebung zufrieden ist, sich insgesamt
thermisch neutral fühlt (d.h., dass er nicht weiß, ob ein höherer oder ein
niedrigerer Wert der Umgebungstemperatur vorzuziehen ist) [3].
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
11
Luftqualität in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration
Tabelle 1: Klassifizierung der Raumluftqualität nach DIN EN 13779 [5]
Die Tabelle 1 enthält in den Spalten 1 bis 3 die Vorgaben der DIN EN 13779. In
der 3. Spalte steht der Anteil der CO2-Konzentration der Innenraumluft an der
CO2-Gesamtkonzentration. Die 4. Spalte stellt beispielhaft absolute
CO2-Konzentrationen in der Innenraumluft bei einer Außenluftkonzentration
von 400 ppm dar. Spalte 5 zeigt den erforderlichen Außenluftvolumenstrom
um die gewünschte Raumluftqualität sicherzustellen. DIN EN 13779 gibt
Empfehlungen für die Planung und Ausführung lüftungstechnischer Anlagen in
allen Nichtwohngebäuden, die für den Aufenthalt von Menschen bestimmt sind.
Bei der Planung und Auslegung Raumlufttechnischer Anlagen empfiehlt DIN EN
13779, wenn keine weiteren Angaben zur geforderten Raumluftqualität
vorliegen, die Auslegung der Volumenströme nach Raumluftkategorie IDA 2
vorzunehmen [5]. Der Leitfaden für die Innenraumhygiene in Schulgebäuden
(UBA) verweist auf die DIN EN 13779 als Planungsgrundlage für die
Ausführung lüftungstechnischer Anlagen sowie für Schulgebäude als auch für
alle Nichtwohngebäude [7].
Absolute CO2-
Konzentration in
der Innenraumluft
bei 400 ppm CO2 in
der Außenluft
[ppm]
Erhöhung der CO2-
Konzentration
gegenüber der
Außenluft [ppm]
> 1000
≤ 800
800-1000
1000-1400
> 1400
> 6-10
(> 22-36)
< 6
(< 22)
BeschreibungKategorie
IDA 1
IDA 2
IDA 3
IDA 4
Lüftungsrate/
Außenluftvolum
enstrom
[l/s/Person]
([m3/h/Person])
Hohe
Raumluft-
qualität
Mittlere
Raumluft-
qualität
Mäßige
Raumluft-
qualität
Niedrige
Raumluft-
qualität
≤ 400
400-600
600-1000
> 15
(> 54)
> 10-15
(> 36-54)
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
12
DIN EN 15251 beschreibt die Eingangsparameter für das Raumklima zur
Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden hinsichtlich der
Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Laut der Norm heißt es: „Die
vorliegende Norm enthält sowohl Parameter, die Eingang in andere Normen
finden, und verwendet Parameter aus anderen Normen [6].“
Im Hinblick auf die Auslegung der Luftvolumenströme verweist die
DIN EN 15251 u.a. mehrfach auf die oben erwähnte DIN EN 13779. Zu
beachten ist jedoch eine andere Bezeichnung der Kategorien. Im Vergleich zu
der DIN EN 13779 mit der Bezeichnung (IDA 1 bis IDA 4) werden die
Kategorien in der DIN EN 15251 nach Nummern klassifiziert.
Tabelle 2: Beschreibung der Kategorien nach DIN EN 15251 [6]
Die Tabelle 2 beschreibt die Anwendbarkeit der verwendeten Kategorien. In
Bezug auf die Auslegung empfiehlt die DIN EN 15251 folgendes: „Für die
Auslegung von Lüftungsanlagen und die Berechnung der Heiz- und Kühllasten
muss die geforderte Lüftungsrate in den Auslegungsunterlagen entweder auf
nationalen Anforderungen beruhend oder unter Anwendung der in dieser Norm
empfohlenen Verfahren festgelegt werden. Es können Auslegungen für
unterschiedliche Kategorien der Raumluftqualität vorgesehen werden, die einen
Einfluss auf die erforderlichen Luftvolumenströme haben. Die unterschiedlichen
Kategorien der Luftqualität können auf verschiedene Weise angegeben werden,
Kombination der Lüftung für Personen und Bauteile, Lüftung je m2 Grundfläche,
Lüftung je Person oder entsprechend den geforderten CO2-Werten. Im Falle
einer CO2-geregelten Lüftung sollte die CO2-Konzentration die Auslegungswerte
nicht überschreiten [6].“ Empfohlene CO2-Konzentrationen sind in Tabelle 3
dargestellt.
Kategorie
II normales Maß an Erwartungen; empfohlen für neue und renovierte Gebäude
Beschreibung
annehmbares, moderates Maß an Erwartungen, kann bei bestehenden
Gebäuden angewendet werden
Werte außerhalb der oben genannten Kategorien. Diese Kategorie sollte
nur für einen begrenzten Teil des Jahres angewendet werden
I
III
IV
hohes Maß an Erwartungen für Räume, in denen sich sehr empfindliche und
auffälige Personen mit besonderen Bedürfnissen aufhalten, z.B. Personen
mit Behinderungen, kranke Pesrsonen, sehr kleine und ältere Personen
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
13
Tabelle 3: Empfohlene CO2-Konzentrationen nach DIN EN 15251 [6]
*anstatt von kleiner-als-Zeichen (<) muss das größer-als-Zeichen (>) stehen.
Die empfohlenen CO2-Konzentrationen nach DIN EN 15251 sind vergleichbar
mit den Vorgaben der DIN EN 13779.
Im 19. Jahrhundert führte Max von Pettenkofer Untersuchungen zur
Luftqualität durch. In Bezug auf die CO2-Konzentration in Innenräumen
betrachtete er den Menschen als die alleinige Verunreinigungsquelle im Raum.
Seine Empfehlung zur CO2-Konzentration in Innenräumen liegt bei 0,1 Vol. %
bzw. 1000 ppm. Dieser Wert wird häufig auch als Pettenkofer-Zahl bezeichnet
und bildet auch heute noch in vielen Normen die Empfehlungsgrundlage. Bei
seinen Untersuchungen ging er von einem Grundpegel in der Außenluft von
500 ppm CO2 aus [8].
Pettenkofer erläuterte dazu: „Der Kohlensäuregehalt allein macht die
Luftverderbnis nicht aus, wir benützen ihn bloss als Maassstab, wonach wir
auch noch auf den grössern oder geringeren Gehalt an andern Stoffen
schliessen, welche zur Menge der ausgeschiedenen Kohlensäure sich
proportional verhalten [9].“
„Aus diesen Versuchen geht zur Evidenz hervor, dass uns keine Luft behaglich
ist, welche in Folge der Respiration und Perspiration der Menschen mehr als
1 pro mille Kohlensäure enthält. Wir haben somit ein Recht, jede Luft als
schlecht und für einen beständigen Aufenthalt als untauglich zu erklären,
welche in Folge der Respiration und Perspiration der Menschen mehr als 1 pro
mille Kohlensäure enthält [9].“
„Ich bin auf das lebendigste überzeugt, dass wir die Gesundheit unserer
Jugend wesentlich stärken würden, wenn wir in den Schulhäusern, in denen sie
durchschnittlich fast den fünfthen Theil des Tages verbringt, die Luft stets so
gut und rein erhalten würden, dass ihr Kohlensäuregehalt nie über 1 pro mille
anwachsen könnte [9].“
I
II
III
IV
Kategorie
800
Empfohlene CO2-Konzentrationen oberhalb der
Konzentration in der Außenluft für
Energieberechnungen und Bedarfsregelung in [ppm]
*< 800
Absolute CO2-Konzentration in der
Innenraumluft (bei 400 ppm CO2-
Konzentration in der Außenluft) in [ppm]
*< 1200
1200
900
750350
500
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
14
Die Ad-hoc-Arbeitsgruppe der Innenraumlufthygienekommission und der
Obersten Landesgesundheitsbehörden (Ad-hoc AG IRK/AOLG) hat eine
Bewertung für Kohlendioxid in der Innenraumluft vorgelegt. Danach werden
Leitwerte für die Kohlendioxidkonzentrationen in der Innenraumluft festgelegt,
die bezogen auf die aktuelle vorliegende Konzentration als Momentanwerte zu
sehen sind. Es wird unterschieden in: „hygienisch unbedenklich“ (CO2 < 1000
ppm), „hygienisch auffällig“ (CO2 im Bereich zwischen 1000 - 2000 ppm) und
„hygienisch inakzeptabel“ (CO2 > 2000 ppm). Bei Überschreiten eines CO2-
Wertes von 1000 ppm soll gelüftet werden, bei Überschreiten von 2000 ppm
muss gelüftet werden. Eine Unterschreitung von 1000 ppm ist in beiden Fällen
anzustreben. Kann durch Lüften allein die Situation auf Dauer nicht verbessert
werden, sind lüftungstechnische Maßnahmen zu ergreifen oder ist eine
Verringerung der Zahl der Schülerinnen und Schüler im Klassenraum
vorzunehmen [2,10].
Tabelle 4: Gesundheitlich-hygienische Leitwerte der Ad-hoc AG IRK/AOLG [2]
Die in Tabelle 4 dargestellten CO2-Leitwerte sind CO2-Konzentrationen
(Momentanwerte), die während der Messung (an einem repräsentativen Ort im
Raum) mit einer ausreichenden zeitlichen Auflösung (Mittelungsdauer
üblicherweise < 2 min) ermittelt werden. Messstrategie nach VDI 4300-9 [2].
Gemäß Arbeitsstättenverordnung muss in umschlossenen Arbeitsräumen unter
Berücksichtigung der Arbeitsverfahren, der körperlichen Beanspruchung und
der Anzahl der Beschäftigten sowie der sonstigen anwesenden Personen
ausreichend gesundheitlich zuträgliche Atemluft vorhanden sein. Ausreichend
und gesundheitlich zuträglich bedeutet, wenn die Atemluft im Wesentlichen der
Außenluftqualität entspricht. Wenn die Außenluft im Sinne des
Immissionsschutzrechts unzulässig belastet oder erkennbar beeinträchtigt ist,
> 2000 Hygienisch inakzeptabelBelüftbarkeit des Raumes prüfen ggf. weitergehende Maßnahmen
prüfen
CO2- Konzentration (ppm) Hygienische Bewertung
< 1000 Hygienisch unbedenklich
1000-2000 Hygienisch auffäligLüftungsmaßnahme (Außenluftvolumenstrom bzw. Luftwechsel
erhöhen) Lüftungsverhalten überprüfen und verbessern
Keine weiteren Maßnahmen
Empfehlungen
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
15
z. B. durch Fortluft aus Absaug- oder RLT-Anlagen, starken Verkehr, schlecht
durchlüftete Lagen, sind im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung gesonderte
Maßnahmen (z. B. Beseitigung der Quellen, Verlegen der Ansaugöffnung bei
RLT-Anlagen) zu ergreifen. In Tabelle 5 sind CO2-Konzentrationen und als
Beispiel geeignete Maßnahmen zur Reduzierung des CO2-Gehalts in der
Raumluft aufgeführt.
Tabelle 5: CO2 -Konzentration in der Raumluft (ASR A3.6) [11]
Für die Auslegung der Außenluftvolumenströme laut ASR A3.6 gilt: „Der
Außenluftvolumenstrom ist nach dem Stand der Technik so auszulegen, dass
Lasten (Stoff-, Feuchte-, Wärmelasten) zuverlässig abgeführt werden und die
CO2-Konzentration von 1000 ppm (siehe Tabelle 5) eingehalten wird. Dabei
sind die entsprechenden Vorgaben, z.B. DIN-Normen und VDI-Richtlinien, zu
berücksichtigen. Die CO2-Konzentration gilt als ein anerkanntes Maß für die
Bewertung der Luftqualität [11].“ Die CO2-Konzentration von 1000 ppm ist
sowohl bei maschineller als freier Lüftung laut ASR A3.6 einzuhalten [11].
In der folgenden Tabelle werden zum Vergleich Empfehlungen der maximal
zulässigen CO2-Konzentration in der Innenraumluft einiger europäischer Länder
dargestellt. Näheres dazu ist in der Bekanntmachung des Umweltbundesamtes
(Mitteilungen der Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der Innenraum-
lufthygiene-Kommission des Umweltbundesamtes und der Obersten
Landesgesundheitsbehörden) enthalten [2].
CO2 -Konzentration
[ml/m3] bzw. [ppm]
Maßnahmen
<1000 • Keine weiteren Maßnahmen (sofern durch die
Raumnutzung kein Konzentrationsanstieg über 1000 ppm
zu erwarten ist)
1000-2000
• Lüftungsverhalten überprüfen und verbessern
• Lüftungsplan aufstellen (z. B. Verantwortlichkeiten festlegen)
• Lüftungsmaßnahme (z. B. Außenluftvolumenstrom oder
Luftwechsel erhöhen)
>2000 • weitergehende Maßnahmen erforderlich (z. B. verstärkte
Lüftung, Reduzierung der Personenzahl im Raum)
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
16
Tabelle 6: CO2-Grenzwerte einiger EU-Länder [2]
Das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) hat
im Rahmen einer kooperativen Zusammenarbeit mit der Deutschen
Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V. einen Kriterienkatalog zur
ganzheitlichen Betrachtung und Bewertung von Nachhaltigkeitsaspekten für
Gebäude entwickelt. Mit dem Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (BNB)
steht ein quantitatives Bewertungsverfahren für Büro, Verwaltungsbauten und
Unterrichtsgebäude zur Verfügung [14]. Laut dem Informationsportal für
nachhaltiges Bauen heißt es: „Die Bemühungen der deutschen Bundes-
regierung sind dabei darauf gerichtet - mit dem neuartigen ganzheitlichen
Nachhaltigkeitsansatz - ein wissenschaftlich fundiertes und planungsbasiertes
Bewertungssystem für nachhaltige Gebäude zu schaffen. Es zeichnet sich durch
die umfassende Betrachtung des gesamten Lebenszyklus von Gebäuden unter
Berücksichtigung der ökologischen, ökonomischen, soziokulturellen Qualität
sowie den technischen und prozessualen Aspekten und durch ein transparentes,
objektiv nachvollziehbares Bewertungssystem aus und spiegelt damit auch die
internationalen Entwicklungen im Bereich Normung zum Nachhaltigen Bauen
wieder [14].“ Die BNB-Bewertungsmethodik umfasst fünf Kriterien an denen
die Qualität eines Gebäudes gemessen wird.
< 800 ppmin mechanisch belüfteten Räumen bei 400
ppm CO2 in der Außenluft
Österreich
durchschnittliche CO2-Konzentration in
Sitzhöhe soll 1500 ppm nicht überschreiten,
es soll möglich sein zu jdem Zeitpunkt die
CO2-Konzentration auf 1000 ppm
herabzusetzen
Großbritannien < 1500 ppm
Dänemark 1000 ppmin Kindertagesstätten, Schulen und
Büroräumen
< 1000 ppmin natürlich belüfteten Räumen bei 400 ppm
CO2 in der Außenluft
maximal zulässige CO2-Konzentration
der InnenraumluftLand
Finnland 1200 ppm
Bemerkungen
gilt allgemein für die Innenraumluft
1000 ppm in Wohnräumen, Schulen und BüroräumenNorwegen
Schweden
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
17
Dabei handelt es sich um:
Ökologische Qualität
Ökonomische Qualität
Soziokulturelle und funktionale Qualität,
die von zwei zusätzlichen Kriterien:
technische Qualität und
Prozessqualität
als Querschnittsqualitäten beeinflusst werden [14].
Abbildung 1: BNB-Bewertungsmethodik [14]
Die fünf Teilkriterien werden jeweils getrennt bewertet und mit festgelegter
Gewichtung zu einer Gesamtnote verrechnet [14].
Abbildung 2: Gewichtung der Teilkriterien der BNB-Bewertungsmethodik [14]
Die Standortmerkmale werden getrennt von den Objektqualitäten bewertet
und als zusätzliche Information angegeben [14].
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
18
Die Bewertung der Qualitäten erfolgt nach den quantifizierbaren bzw.
beschreibbaren Messgrößen, die in den zugehörigen Kriteriensteckbriefen
definiert sind [14]. Insgesamt kann in jedem Kriterium eine maximale
Bewertung mit 100 Punkten erreicht werden [14]. Abschließend werden die
ökologischen, ökonomischen und soziokulturellen Aspekte unter Einbeziehung
technischer und prozessualer Leistungen in einer Gesamtnote zusammen-
gefasst [14].
Abbildung 3: Zuordnung der Erfüllungsgrade zu Gebäudenote und Zertifikat
Weitere Informationen wie die Berechnungsregel zur Ermittlung einer
Gesamtnote, Mindestanforderungen sowie die notwendig einzuhaltenden
Randbedingungen, sind dem Dokument BNB_Berechnungsregel im
Informationsportal „Nachhaltiges Bauen“ zu finden [14]. Im der folgenden
Tabelle ist als Beispiel die Bewertung des personenbezogenen
Außenvolumenstroms bei maschineller Lüftung nach dem Kriteriensteckbrief
mit der Nummer 3.1.3 dargestellt.
Tabelle 7: Bewertung des Außenvolumenstroms nach BNB 3.1.3 [12]
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
19
Die Berechnung der personenbezogenen Außenluftvolumenströme basieren auf
CO2-Belastungen durch die Atemluft von 20 l/h pro Person Atemluft in
allgemeinen Klassenräumen und von 14,3 l/h pro Person in Grundschulen [14].
Der erforderliche Luftvolumenstrom, um eine bestimmte CO2-Konzentration
sicherzustellen, kann mit Hilfe einer Bilanzgleichung berechnet werden. Der
Mensch verbraucht in Abhängigkeit von der Tätigkeit eine bestimmte Menge an
Luft. Die ausgeatmete Luft enthält 4 Vol. % CO2 (40000 ppm)[3]. Bei einer
normalen Tätigkeit benötigt ein Mensch ca. 0,5 m3 Luft pro Stunde [3]. Für die
Berechnung des nötigen Außenluftvolumenstroms muss noch die obere Grenze
der CO2-Konzentration im Raum sowie die CO2-Konzentration der Außenluft
festgelegt bzw. ermittelt werden [3].
Im Folgenden wird als Beispiel eine Berechnung durchgeführt. Als höchster
CO2-Gehalt im Raum wird die Pettenkofer-Zahl mit 0,1 Vol. % bzw. 1000 ppm
angenommen. Für die CO2-Konzentration in der Außenluft wird ein Wert von
450 ppm festgelegt.
1 𝑝𝑝𝑚 = 10−6 = 1 𝑇𝑒𝑖𝑙 𝑝𝑟𝑜 𝑀𝑖𝑙𝑙𝑖𝑜𝑛 = 0,000001 = 0,0001%
Zunächst wird die von einem Menschen abgegebene CO2- Menge berechnet.
4 𝑉𝑜𝑙. 𝑃𝑟𝑜𝑧𝑒𝑛𝑡 = 40000𝑝𝑝𝑚 = 0,04 = 4%
�̇� = 0,5𝑚3
ℎ∗ 0,04 = 0,02
𝑚3
ℎ= 20 𝑙/ℎ (1)
�̇� anfallende schädliche Stoffe 𝑙/ℎ
Ein Mensch gibt bei normaler Tätigkeit 20 l/h CO2 ab.
Ferner wird der notwendige Außenluftvolumenstrom, um den festgelegten
Leitwert von 1000 ppm sicherzustellen, berechnet.
𝑞�̇� = �̇�
𝑘𝑖 − 𝑘𝑎 (2)
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
20
𝑞�̇� Außenluftvolumenstrom pro Person 𝑚³/ℎ
𝑘𝑖 erwünschte oder zulässige Schadstoffkonzentration im
Raum
𝑝𝑝𝑚
𝑘𝑎 Schadstoffkonzentration der Außenluft 𝑝𝑝𝑚
𝑘𝑖 = 1000𝑝𝑝𝑚 = 0,001 = 0,1%
𝑘𝑎 = 450𝑝𝑝𝑚 = 0,00045 = 0,045%
𝑞�̇� = 0,02
𝑚3
ℎ0,001 − 0,00045
= 36,4 𝑚3/ℎ
Bei einer CO2-Konzentration in der Außenluft von 450 ppm ist ein
Volumenstrom von 36,4 m³/h je Person erforderlich, um die CO2-Konzentration
im Raum bei 1000 ppm zu halten.
Jede Person gibt an die umgebende Luft u.a. auch Wasserdampf ab. In
Abhängigkeit von der umgebenden Lufttemperatur, Aktivität und dem Alter der
Person variiert die Feuchteabgabe. In der nachfolgenden Grafik sind
Orientierungswerte der Feuchteabgabe des Menschen bei einer sitzenden
Tätigkeit in Abhängigkeit von der Empfindungstemperatur dargestellt [27].
Abbildung 4: Feuchteabgabe des Menschen in kg/h*Person [27]
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
21
Die Wasserdampfkonzentration in Luft wird als „absolute Feuchte“ bezeichnet.
Die Wasseraufnahmefähigkeit der Luft hängt von der Temperatur ab, welche
mit steigendender Temperatur zunimmt [27].
Als „relative Feuchte“ wird das Verhältnis der vorhandenen Wasserdampf-
konzentration zur maximal löslichen Konzentration bezeichnet. Die relative
Luftfeuchte wird entweder in Prozent oder als Zahl angegeben [27]. Bei 100 %
relativer Feuchte ist die Luft gesättigt und kann keine Feuchte mehr
aufnehmen. Wird zusätzliche Feuchte zugeführt oder kühlt sich gesättigte Luft
ab, bildet sich Tauwasser. In geschlossenen Räumen tritt Tauwasser nicht
sofort auf, weil Baustoffoberflächen eine bestimmte Menge an Feuchte
aufnehmen und so als Puffer dienen. Bei langanhaltender Feuchtezufuhr
erreichen auch Baustoffe eine maximale Wassersättigung. Dies führt u.U. zur
Schimmel- und Feuchteschäden. Ausführliche Beschreibung zu Schäden durch
Schimmelpilz sind im "Schimmelpilzsanierungs-Leitfaden" zu finden [46].
Neben hohen CO2-Konzentrationen in Klassenräumen kann auch der
Wasserdampfgehalt aufgrund dichter Belegung eine kritische Konzentration
erreichen.
Im Folgenden wird die Feuchteentwicklung am Beispiel eines Klassenraumes
dargestellt. Als Orientierungswert wird für die Feuchteabgabe ein Wert von
38 g/h Wasserdampf bei 20 °C und leichter Tätigkeit, gemäß [27],
angenommen. Bei durchschnittlicher Klassenraumbelegung von 25 Personen
ergibt sich ein Gesamtwert von 950 g Wasserdampf der über Haut und
Atemluft an die Umgebung pro Stunde abgegeben wird.
Für die Berechnung der absoluten Feuchte wird die Referenzdichte der Luft in
Meereshöhe bei 20 °C angenommen. Die Referenzdichte der Luft beträgt rund:
ρ = 1,2 kg/m³. Bei einem durchschnittlichen Raumvolumen eines Klassen-
raumes von ca. 160 m³ beträgt die Masse der Luft rund 192 kg.
1,2 𝑘𝑔/𝑚3 ∗ 160𝑚3 = 192 𝑘𝑔
Bei Annahme einer gleichmäßigen Durchmischung der Luft und einer
Feuchtezufuhr von 950 g ergibt sich eine Steigerung der absoluten Feuchte um
ca. 4,9 g/kg Luft innerhalb einer Stunde.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
22
950 𝑔
192 𝑘𝑔= 4,9 𝑔/𝑘𝑔
Zum besseren Verständnis wird die Feuchteentwicklung im Mollier h,x-
Diagramm am Beispiel eines Klassenraumes dargestellt, Abbildung 5. Außer
der Feuchte geben die Menschen auch Wärme ab, der Temperaturanstieg wird
mit 2 K angenommen. Im Ausgangszustand beträgt die relative Feuchte im
Klassenraum ca. 19 % bzw. absolute Feuchte 2,8 g/kg. Weitere Feuchtequellen
werden nicht berücksichtigt. Die Außenlufttemperatur liegt bei -1 °C und hat
80 % rel. Feuchte. Luftaustausch zwischen innen und außen findet nicht statt.
Die grau umrandete Fläche stellt den Behaglichkeitsbereich dar. Im h,x-
Diagramm ist es zu erkennen, dass der Feuchtegehalt auf ca. 46 % ansteigt.
Bei weiterer Feuchtezufuhr und ohne Luftwechsel würde der Feuchtegehalt,
bereits nach zwei Stunden den Behaglichkeitsbereich verlassen und einen
kritischen Verlauf annehmen. Bei vorhandenem Luftaustausch würde der
Feuchtegehalt unter angenommenen Bedingungen langsamer ansteigen.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
23
Abbildung 5: h,x-Diagramm, Feuchtentwicklung ohne Luftwechsel
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
24
Luftqualität in Abhängigkeit von der VOC-Konzentration
Die folgendene Information wurde dem Leitfaden für die Innenraumlufthygiene
in Schulgebäuden entnommen.
In der Innenraumluft lässt sich praktisch immer eine Vielzahl flüchtiger
organischer Verbindungen (VOC aus dem Englischen für Volatile Organic
Compounds) nachweisen. Die VOC werden als Gruppe unterschiedlichster
Verbindungen durch den Siedepunkt charakterisiert und von den leicht
flüchtigen, schwer und nicht flüchtigen organischen Verbindungen
unterschieden [7].
Wegen der Vielzahl der unterschiedlichen VOC ist es bei dieser Substanzgruppe
besonders schwierig, eine umfassende gesundheitliche Bewertung
vorzunehmen. Viele VOC können in sehr hohen Konzentrationen, die an
gewerblichen Arbeitsplatzen, jedoch nicht in Schulen auftreten, nerven-
schädigend wirken. Einige VOC können im Atemtrakt Reizwirkungen auslösen,
da sich im Stoffwechsel der Nasenschleimhaut irritative Abbauprodukte bilden
können [7].
Für einzelne VOC und Verbindungsgruppen werden von der Ad-hoc-
Arbeitsgruppe aus Mitgliedern der Innenraumlufthygiene-Kommission (IRK)
des Umweltbundesamtes und der obersten Gesundheitsbehörden der Länder
(Ad-hoc AG IRK/AOLG) nach einem Basisschema Innenraumrichtwerte
abgeleitet, deren Einhaltung auch in Schulinnenräumen empfohlen wird, siehe
Tabelle 8 [7].
Der Richtwert II ist wie folgt definiert: „Der Richtwert II (RW II) ist ein
wirkungsbezogener, begründeter Wert, der sich auf die gegenwärtigen
toxikologischen und epidemiologischen Kenntnisse zur Wirkungsschwelle eines
Stoffes unter Einführung von Unsicherheitsfaktoren stützt. Er stellt die
Konzentration eines Stoffes dar, bei deren Erreichen bzw. Überschreiten
unverzüglich Handlungsbedarf besteht, da diese Konzentration geeignet ist,
insbesondere für empfindliche Personen bei Daueraufenthalt in den Räumen
eine gesundheitliche Gefährdung darzustellen [7].“
Der Richtwert I ist wie folgt definiert: „Der Richtwert I (RW I) ist die
Konzentration eines Stoffes in der Innenraumluft, bei der im Rahmen einer
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
25
Einzelstoffbetrachtung nach gegenwärtigem Erkenntnisstand auch bei
lebenslanger Exposition keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen zu
erwarten sind. Eine Überschreitung ist mit einer über das übliche Maß
hinausgehenden, hygienisch unerwünschten Belastung verbunden. Der RW I
kann als Sanierungszielwert dienen. Er soll nicht „ausgeschöpft“, sondern nach
Möglichkeit unterschritten werden [7].“
Tabelle 8: Richtwerte für die Innenraumluft der Ad-hoc-AG IRK/AOLG
(Stand 2014) [15].
Verbindung Richtwert II
1)
(mg/m3)
Richtwert I1)
(mg/m³) Jahr der
Festlegung
2-Ethylhexanol 1(v) 0,1(v) 2013
Ethylenglykolmonomethylether (EGME, CAS-Nr. 109-86-4)
0,2 [= 0,05 ppm]
0,02 2013
Diethylenglykolmethylether (DEGME, CAS-Nr. 111-77-3)
6 (v)
[= 1 ppm] 2 (v) 2013
Diethylenglykoldimethylether (DEGDME, CAS-Nr. 111-96-6)
0,3 [= 0,06 ppm]
0,03 2013
Ethylenglykolmonoethylether (EGEE, CAS-Nr. 110-80-5)
1 [= 0,4 ppm]
0,1 2013
Ethylenglykolmonoethylether-acetat (EGEEA, CAS-Nr. 111-15-9)
2 [= 0,4 ppm]
0,2 2013
Diethylenglykolmonoethylether (DEGEE, CAS-Nr. 111-90-0)
2 (v)
[= 0,4 ppm] 0,7 (v) 2013
Ethylenglykolbutylether (EGBE, CAS-Nr. 111-76-2)
1 [= 0,3 ppm]
0,1 2013
Ethylenglykolbutyletheracetat (EGBEA, CAS-Nr. 112-07-2)
2 (v)
[= 0,3 ppm] 0,2 (v) 2013
Diethylenglykolbutylether (DEGBE, CAS-Nr. 112-34-5)
1 (v)
[= 0,2 ppm] 0,4 (v) 2013
Ethylenglykolhexylether (EGHE, CAS-Nr. 112-25-4)
1 0,1 2013
2-Propylenglykol-1-methlylether (2PG1ME, CAS-Nr. 107-98-2)
10 1 2013
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
26
Dipropylenglykol-1-methylether (D2PGME, CAS-Nr. 34590-94-8; 13429-07-7; 20324-32-7; 13588-28-8; 55956-21-3 )
7 (v)
[=1 ppm] 2 (v) 2013
2-Propylenglykol-1-ethylether (2PG1EE, CAS-Nr. 1569-02-4)
3 [=0,5 ppm]
0,3 2013
2-Propylenglykol-1-tertbutylether (2PG1tBE, CAS- Nr. 57018-52-7)
3 [=0,5 ppm
0,3 2013
Default-Wert: Glykolether mit unzureichender Datenlage
0,05 ml/m
3 [=0,05
ppm]
0,005 ml/m
3 [=0,005
ppm] 2013
Methylisobutylketon 1 0,1 2013
Ethylbenzol 2 0,2 2012
Alkylbenzole, C9-C15 1 0,1 2012
Kresole 0,05 0,005 2012
Phenol 0,2 0,02 2011
2-Furaldehyd 0,1 0,01 2011
Zyklische Dimethylsiloxane D3-D6 (Summenrichtwert)
4 0,4 2011
Benzaldehyd 0,2 0,02 2010
Benzylalkohol 4 0,4 2010
Monozyklische Monoterpene (Leitsubstanz d-Limonen)
10 1 2010
Aldehyde, C4 bis C11 (gesättigt, azyklisch, aliphatisch)
2 0,1 2009
C9-C14-Alkane / Isoalkane (aromatenarm) 2 0,2 2005
Naphthalin 0,03 0,01 2013
Terpene, bicyclisch (Leitsubstanz α-Pinen)
2 0,2 2003
Tris(2-chlorethyl)phosphat (TCEP) 0,05 0,005 2002
Diisocyanate Erläuterungen hierzu sind auf der Webseite (Webadresse unten) zu
finden 2000
Quecksilber (als metallischer Dampf) 0,00035 0,000035 1999
Styrol 0,3 0,030 1998
Stickstoffdioxid (NO2)
0,35 (30 Min-Wert)
k.A. 1998
0,06 (7
Tage-Wert) k.a.
Dichlormethan 2 (24 h) 0,2 1997
Kohlenmonoxid 60 (½ h) 6 (½ h) 1997
15 (8 h) 1,5 (8 h)
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
27
Pentachlorphenol (PCP) 0,001 0,0001 1997
Toluol 3 0,3 1996
Acetaldehyd 1 0,1 2013
1)
Üblicherweise handelt es sich um Langzeitwerte. Davon abweichende Mittelungszeiträume sind in Klammern angegeben, z.B. 24 Stunden (h).
Quelle:
Umweltbundesamt
(v) = Vorsorgerichtwert
Die Tabelle wird in gewissen Abständen aktualisiert und ist im Internet immer
verfügbar unter:
http://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/377/bilder/dateie
n/12_gesundheit_kommission_innraumlaufthygiene_empfehlungen_und_richtw
erte20140617.xlsx
Beim Überschreiten der Richtwerte wird folgendes empfohlen: „Eine
Überschreitung des Richtwertes I weist auf eine erhöhte, aus hygienischer
Sicht unerwünschte Exposition hin. Unter dem Gesichtspunkt der
Verhältnismäßigkeit sind in dem Konzentrationsbereich zwischen RW I und RW
II zunächst keine baulichen oder sonstigen quellenbezogenen Veränderungen
vorzunehmen, sondern es ist vor allem verstärkt zu lüften und
einzelfallbezogen verstärkt zu reinigen [7].
Für den Gesamtgehalt an flüchtigen organischen Verbindungen (englisch: Total
Volatile Organic Compounds TVOC) wurden von der Ad-hoc-AG IRK/AOLG
Empfehlungen zur Begrenzung der Raumluftkonzentrationen erarbeitet. Der
TVOC-Wert ist aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung des in der
Innenraumluft auftretenden Substanzgemisches nicht toxikologisch begründet,
sondern stellt eine hygienische Gesamtbeurteilung für VOC dar (Tabelle 9) [7].
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
28
Tabelle 9: Leitwerte für TVOC in der Innenraumluft [15]
Für die Auslegung des Außenluftvolumenstroms für Klassenräume eignet sich
die Summe der flüchtigen organischen Substanzen (VOC) nur bedingt. Es ist
sinnvoller von vornherein durch die Auswahl geeigneter Bauprodukte und
sonstiger Materialien erhöhte Konzentration von Schadstoffen in der Luft zu
vermeiden.
Stufe Konzentrationsbereich [mg TVOC/m3] Hygienische Bewertung
1 ≤ 0,3 mg/m3 Hygienisch unbedenklich
2 > 0,3-1 mg/m3
Hygienisch noch unbedenklich, sofern keine Richtwertüberschreitungen für Einzelstoffe bzw. Stoffgruppen vorliegen
3 >1-3 mg/m3 Hygienisch auffällig
4 >3-10 mg/m3 Hygienisch bedenklich
5 >10 mg/m3 Hygienisch inakzeptabel
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
29
2.1.1 Zusammenfassung Auslegung der Luftvolumenströme
Zur Ermittlung der notwendigen Außenluftmenge für eine gute
Raumluftqualität in Klassenräumen eignet sich die CO2-Konzentration als
Leitparameter für Innenräume, in denen sich Personen aufhalten, am besten.
Ein Anstieg des CO2–Gehalts in der Luft kann bei gleicher Raumbelegung nur
durch einen Luftaustausch reduziert werden. In den Wintermonaten ist es mit
Hilfe der Fensterlüftung kaum möglich, akzeptable Konzentrationen in
Klassenräumen sicherzustellen. Sowohl normative Vorgaben als auch
gesundheitlich-hygienische Leitwerte bestätigen die seit Pettenkofer bekannten
Anforderungen an die Innenraumluftqualität und geben eine absolute CO2-
Konzentration von < 1000 ppm als Zielwert vor. Die Ad-hoc-Arbeitsgruppe der
Innenraumlufthygienekommission und der Obersten Landesgesundheits-
behörden (Ad-hoc AG IRK/AOLG) empfiehlt die Einhaltung von:
gesundheitlich abgeleiteten Richtwerten
(RW I, Vorsorgerichtwerte)
gesundheitlich-hygienischen Leitwerten
CO2-Leitwert: ≤ 1000 ppm
TVOC-Leitwert: ≤ 1 mg TVOC/m³
(hygienisch noch unbedenklich, sofern keine Richtwertüberschreitungen für
Einzelstoffe bzw. Stoffgruppen vorliegen)
Die Leitwerte gelten für alle dauerhaft genutzten Innenräume. Bei der
Einhaltung der CO2-Konzentration von ≤ 1000 ppm in Innenräumen, in denen
sich mehrere Personen aufhalten, weisen auch andere Schadstoffe in der Regel
gesundheitlich unbedenkliche Konzentrationen auf. Die Begrenzung der
Formaldehydkonzentration ist ausreichend geregelt. Es besteht kein Bedarf,
Formaldehyd als Einzelwert aufzuführen [10].
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
30
2.2 Thermische Behaglichkeit
Die DIN EN ISO 7730 beschreibt Verfahren zur analytischen Bestimmung und
Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und
des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit.
Das Behaglichkeitsempfinden jedes Menschen ist sehr subjektiv und wird von
vielen Faktoren beeinflusst. Zu den Hauptfaktoren der thermischen
Behaglichkeit gehören:
Temperatur (Luft, Umschließungsflächen)
Feuchte
Luftgeschwindigkeit, Turbulenzgrad
Gesamtwärmeabgabe des Menschen (Bekleidung/Tätigkeit)
Thermische Behaglichkeit wird oft als der Zustand definiert, bei dem der
Mensch mit seiner thermischen Umgebung zufrieden ist, sich insgesamt
thermisch neutral fühlt (d.h., dass er nicht weiß, ob ein höherer oder ein
niedrigerer Wert der Umgebungstemperatur vorzuziehen ist) [3]. Laut DIN EN
ISO 7730 heißt es: „Das menschliche Wärmeempfinden hängt im Wesentlichen
vom thermischen Gleichgewicht (Wärmebilanz) des Körpers als Ganzem ab.
Dieses Gleichgewicht wird durch körperliche Tätigkeit und Bekleidung sowie
durch die Parameter des Umgebungsklimas, das sind Lufttemperatur, mittlere
Strahlungstemperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte, beeinflusst. Sofern
diese Faktoren geschätzt oder gemessen wurden, kann das Wärmeempfinden
für den Körper als Ganzes vorausgesagt werden, indem das vorausgesagte
mittlere Votum (predicted mean vote, PMV) berechnet wird [4].“ Zur
Abschätzung der thermischen Unbehaglichkeit oder Unzufriedenheit wird aus
dem PMV der PPD-Wert (predicted percentage of dissatisfied) berechnet.
Der PPD-Wert ist der vorausgesagte Prozentsatz an unzufriedenen Personen
bezogen auf ein bestimmtes Umgebungsklima.
Die DIN EN 15251 gibt Empfehlungen für das thermische Raumklima, welche
für die Kategorien (I-IV) Grenzwerte für PMV und PPD beinhalten (Tabelle 10).
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
31
Tabelle 10: Beispiele empfohlener Kategorien für die Auslegung maschinell
geheizter und gekühlter Gebäude [6]
Der PMV-PPD-Index berücksichtigt den Einfluss folgender thermischer
Parameter (Bekleidung, Aktivität, Lufttemperatur, mittlere Strahlungs-
temperatur, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte) und kann direkt als Kriterium
verwendet werden [6]. Die Kategorie II gilt als Basis für die Planung und
Auslegung.
In Tabelle 11 sind Beispiele für die Anforderungen an die operative Temperatur
und maximale mittlere Luftgeschwindigkeit für unterschiedliche
Umgebungskategorien und Raumarten dargestellt.
Kategorie
Thermischer Zustand des Körpers insgesamt
PPD
% Vorausgesagtes mittleres
Votum (PMV)
I < 6 –0,2 < PMV < +0,2
II
< 10 -0,5 < PMV < +0,5
III < 15 -0,7 < PMV < +0,7
IV > 15 PMV < -0,7 oder +0,7 < PMV
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
32
Tabelle 11: Beispiele für Gestaltungskriterien für Räume in unterschiedlichen
Gebäudetypen [4]
Die Kategorieneinteilung der ISO 7730 wird der Nomenklatur der EN 15251
zugeordnet, sodass die Klassenbezeichnungen A, B und C der ISO 7730 den
Kategorien I, II und III der EN 15251 entsprechen [6]. DIN EN 15251
empfiehlt für den Neubau und sanierte Bestandsgebäude die Kategorie II als
Basis für die Planung und Auslegung. Abweichende Einstufungen müssen mit
dem Bauherrn vereinbart werden [6].
Gebäude-/ Raumtyp
Aktivität
Wm-2
Kategorie
Operative Temperatur °C
Maximale mittlere Luftgeschwindigkeita
m/s
Sommer (Kühlungs-
periode)
Winter (Heizperiode)
Sommer (Kühlungs-
periode)
Winter (Heizperiode)
Einzelbüro Bürolandschaft Konferenzraum Auditorium Cafeteria/ Restaurant Klassenraum
70
A
24,5 1,0
22,0 1,0
0,12
0,10
B
24,5 1,5
22,0 2,0
0,19
0,16
C
24,5 2,5
22,0 3,0
0,24
0,21b
Kindergarten
81
A 23,5 1,0 20,0 1,0 0,11 0,10b
B 23,5 2,0 20,0 2,5 0,18 0,15b
C 23,5 2,5 22,0 3,5 0,23 0,19b
a Die maximale mittlere Luftgeschwindigkeit beruht auf einem Turbulenzgrad von 40 % und einer Lufttemperatur, die gleich der operativen Temperatur nach 6.2 und Bild A.2 ist. Für den Sommer und Winter wird eine relative Luftfeuchte von 60 % bzw. 40 % angewendet. Zur Bestimmung der maximalen mittleren Luftgeschwindigkeit wird sowohl im Sommer als auch im Winter die niedrigere Temperatur des Bereichs gewählt.
b Unter einem Grenzwert von 20 °C
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
33
2.2.1 Raumlufttemperatur
DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und
Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur,
Licht und Akustik
Für die Festlegung der Raumlufttemperatur gibt die DIN EN 15251 folgende
Empfehlung: “In den meisten Fällen kann die mittlere Raumlufttemperatur als
Auslegungstemperatur verwendet werden, falls jedoch die Temperaturen von
großen Raumoberflächen signifikant von der Lufttemperatur abweichen, sollte
die operative Temperatur verwendet werden [6]. In Tabelle 12 sind Beispiele
für empfohlene Werte der Innenraumtemperatur in Klassenräumen für die
Auslegung von Gebäuden und RLT-Anlagen dargestellt.
Tabelle 12: Empfohlene Auslegungswerte für die operative Temperatur [6]
Unter der Beachtung der Parameter für die Bekleidung und Aktivität, liegt die
Auslegungstemperatur für Klassenräume laut DIN EN 15251 bei 20 °C
(Mindestwert für Heizperiode). Der Höchstwert für die Kühlperiode
beträgt 26 °C.
Gebäude- bzw. Raumtyp
Kategorie
Operative Temperatur °C
Mindestwert für Heizperiode
(Winter), ~ 1,0 clo
Höchstwert für Kühlperiode
(Sommer), ~ 0,5 clo
Klassenraum
Sitzend ~1,2 met
I 21,0 25,0
II 20,0 26,0
III 19,0 27,0
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
34
DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und
Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme
Die DIN EN 13779 enthält keine Auslegungswerte für die Raumlufttemperatur,
verweist jedoch auf die schon erwähnte DIN EN 15251. Die operative
Temperatur wird nach DIN EN 13779 wie folgt berechnet:
𝜃0 = 𝜃𝑎+𝜃𝑟
2 (3)
𝜃0 die operative Temperatur am betrachteten Ort °𝐶
𝜃𝑎 die Raumtemperatur °𝐶
𝜃𝑟 die mittlere Strahlungstemperatur aller Oberflächen
(Wände, Fußboden, Decke, Fenster, Heizkörper usw.)
bezogen auf den betrachteten Ort im Raum
°𝐶
Laut DIN EN 13779 heißt es: “Wenn nicht anders vereinbart, muss die
festgelegte operative Temperatur für einen Bereich in der Mitte des Raumes
bei einer Höhe von 0,6 m über dem Boden gelten [5].“
Technische Regeln für Arbeitsstätten ASR A3.5 Raumtemperatur
Die Technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR) konkretisieren die
Forderungen der Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV) und geben den Stand
der Technik, Arbeitsmedizin und Arbeitshygiene sowie sonstige gesicherte
arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse für das Einrichten und Betreiben von
Arbeitsstätten wieder [16].
Die Arbeitsstättenregel (ASR A3.5 Raumtemperaturen) beschreibt die
Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Arbeitsschwere und Körperhaltung.
Die Mindestwerte für die Raumtemperatur sind in Tabelle 13 dargestellt.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
35
Tabelle 13: Mindestwerte der Lufttemperatur in Arbeitsräumen [16]
Die Arbeitsschwere ist in der ASR A3.5 wie folgt definiert:
Tabelle 14: Arbeitsschwere nach ASR A3.5 [16]
Gemäß der Definition, ist die körperliche und geistige Beanspruchung der
Schüler und des Lehrpersonals in Schulen eher einer leichten und sitzenden
Tätigkeit zuzuordnen. Demnach soll der Mindestwert der Raumlufttemperatur
in Klassenräumen 20 °C betragen. Der Höchstwert der Raumlufttemperatur soll
26 °C nicht überschreiten [16].
Für weitere Räume gelten gemäß ASR A3.5 folgende Lufttemperaturen: „In
Pausen-, Bereitschafts-, Sanitär-, Kantinen- und Erste-Hilfe-Räumen muss
während der Nutzungsdauer eine Lufttemperatur von mindestens +21 °C
herrschen; in Toilettenräumen darf die Lufttemperatur durch Lüftungsvorgänge,
die durch die Benutzer ausgelöst werden, kurzzeitig unterschritten
werden [16].“
Überwiegende Körperhaltung
Arbeitsschwere
leicht
mittel
schwer
Sitzen
+20 °C
+19 °C
-
Stehen, Gehen
+19 °C
+17 °C
+12 °C
Arbeitsschwere
Beispiele
leicht
leichte Hand-/Armarbeit bei ruhigem Sitzen bzw. Stehen
verbunden mit gelegentlichem Gehen
mittel
mittelschwere Hand-/Arm- oder Beinarbeit im Sitzen, Gehen
oder Stehen
schwer
schwere Hand-/Arm-, Bein- und Rumpfarbeit im Gehen oder
Stehen
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
36
Übermäßige Sonneneinstrahlung
Im Falle einer übermäßigen Sonneneinstrahlung durch Fenster, Oberlichter und
Glaswände kann es schnell zu einer Erhöhung der Raumtemperatur über
+26 °C kommen. Diese Bauteile sind mit geeigneten Sonnenschutzsystemen
auszurüsten. Störende direkte Sonneneinstrahlung auf den Arbeitsplatz ist zu
vermeiden [16]. In Tabelle 15 sind Beispiele aus der ASR A3.5 für
Sonnenschutzsysteme dargestellt.
Tabelle 15: Gestaltungsbeispiele für Sonnenschutzsysteme [16]
Ein effizienter Sonnenschutz erfolgt durch automatisch und motorisch
betriebene Außenjalousien, die vor der morgendlichen Sonneneinstrahlung
schließen. Die Automatik hat ein hochfahren der Jalousien bei stärkerem Wind
(Steuerung über Anemometer) zu veranlassen. Zur Vermeidung des Einsatzes
von Kunstlicht müssen sich die Lamellen optimal einstellen lassen.
Bei der Gestaltung von Sonnenschutzsystemen sind die Ausrichtung der
Arbeitsräume und die jeweiligen Fensterflächenanteile zu beachten. Außerdem
können z. B. Vordächer, Balkone, feststehende Lamellen oder Bepflanzungen
einen wirkungsvollen Sonnenschutz bieten [16].
Wenn die Außenlufttemperatur über +26 °C liegt und unter der Voraussetzung,
dass geeignete Sonnenschutzmaßnahmen nach Tabelle 15 verwendet werden,
sollen beim Überschreiten einer Lufttemperatur im Raum von +26 °C
Gestaltungsbeispiele für Sonnenschutzsysteme
a)
Sonnenschutzvorrichtungen, die das Fenster von außen beschatten
(z. B. Jalousien oder hinterlüftete Markisen)
b)
im Zwischenraum der Verglasung angeordnete reflektierende Vorrichtungen
c)
innenliegende hochreflektierende oder helle Sonnenschutzvorrichtungen
d)
Sonnenschutzverglasungen (innerhalb eines
Sonnenschutzsystems, Blendschutz und Lichtfarbe sind zu
beachten)
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
37
zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden [16]. Beispielhafte Maßnahmen sind
in Tabelle 16 aufgeführt.
Tabelle 16: Beispielhafte Maßnahmen [16]
Bei Überschreitung der Lufttemperatur im Raum von +35 °C ist der Raum für
die Zeit der Überschreitung ohne technische Maßnahmen, organisatorische
Maßnahmen, persönliche Schutzausrüstungen wie bei Hitzearbeit, nicht als
Arbeitsraum geeignet [16].
DIN EN 12831 Heizungsanlagen in Gebäuden Verfahren zur Berechnung der
Norm-Heizlast
Die Norm zur Berechnung der Norm-Heizlast empfiehlt für die
Unterrichtsräume eine Auslegungstemperatur von 20 °C. Außerdem sind in der
DIN EN 12831 Norminnentemperaturen für andere Raumarten enthalten (z.B.
Büroräume, Flur etc.).
Beispielhafte Maßnahmen
a)
effektive Steuerung des Sonnenschutzes (z. B. Jalousien auch nach
Arbeitszeit geschlossen halten)
b)
effektive Steuerung der Lüftungseinrichtungen (z. B. Nachtauskühlung)
c)
Reduzierung der inneren thermischen Lasten (z. B. elektrische Geräte nur bei Bedarf betreiben)
d)
Lüftung in den frühen Morgenstunden
e)
Nutzung von Gleitzeitregelungen zur Arbeitszeitverlagerung
f)
Lockerung der Bekleidungsregelungen
g)
Bereitstellung geeigneter Getränke (z. B. Trinkwasser)
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
38
2.2.2 Zusammenfassung Raumlufttemperatur
Zusammenfassend gilt für die Auslegung der Innentemperatur in
Klassenräumen in der Heizperiode die normative Empfehlung von mindestens
20 °C . Die optimale operative Temperatur gemäß den Behaglichkeits-
anforderungen beträgt in der Heizperiode 22,0 ± 2,0 °C, in der Kühlperiode
24,5 ± 1,5 °C. Zur Vermeidung einer schnellen Erwärmung von Innenräumen
aufgrund übermäßiger Sonneneinstrahlung und bei Außenlufttemperaturen
über 26 °C sind Sonnenschutzsysteme unerlässlich. Geeignete Maßnahmen
sind in der ASR A3.5 beschrieben.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
39
2.2.3 Relative Luftfeuchte
Die relative Luftfeuchte beeinflusst die Wärmetransportvorgänge an der
Oberfläche der menschlichen Haut und ist einer der Hauptfaktoren für das
menschliche Behaglichkeitsempfinden. In der Praxis wird auf eine Befeuchtung
der Raumluft in Schulgebäuden verzichtet. Laut DIN EN 15251 ist eine Be-
oder Entfeuchtung nur in besonderen Gebäuden wie Museen, in einigen
Gesundheitseinrichtungen, in der Prozesssteuerungs- und Papierindustrie usw.
erforderlich [6].
DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und
Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur,
Licht und Akustik
Für die Dimensionierung von Be- und Entfeuchtung im Hinblick auf das
Behaglichkeitsempfinden des Menschen gibt die DIN EN 15251 folgende
Empfehlungen.
Tabelle 17: Beispiel für empfohlene Auslegungskriterien für die Feuchte in
Aufenthaltsbereichen bei installierten Be- und
Entfeuchtungsanlagen [6]
Für die ausgewiesenen Aufenthaltszonen gilt laut DIN EN 15251 der obere
Grenzwert von 65 % relativer Feuchte [6]. Zum unteren Grenzwert macht die
DIN EN 15251 keine eindeutigen Angaben gibt jedoch einen Hinweis, dass
unter 30 % relativer Feuchte gesundheitliche Beeinträchtigungen (z. B.
trockene Schleimhäute) und störende, statische Aufladungen auftreten
können [6]. Erhöhte Infektionsgefahr als Folge trockener Luft in Innenräumen
Art des Gebäudes bzw.
RaumesKategorie
Auslegungswert der
relativen Feuchte für
Entfeuchtung, in %
Auslegungswert der
relativen Feuchte für
Befeuchtung, in %
I 50 30
II 60 25
III 70 20
IV > 70 < 20
Räume, in denen die Feuchte-
kriterien durch die Belegung
durch Personen bestimmt
werden. Besondere Räume
(Museen, Kirchen usw.) können
andere Grenzen erfordern
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
40
ist laut Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) noch nicht
endgültig wissenschaftlich geklärt [39].
Technische Regeln für Arbeitsstätten ASR A3.6 Lüftung
Die ASR A3.6 gibt folgende maximale Feuchtelasten in Arbeitsräumen in
Abhängigkeit von der Temperatur an: „Fallen betriebstechnisch oder
arbeitsbedingt Feuchtelasten im Arbeitsraum an, dürfen aus physiologischen
Gründen die Werte nach Tabelle 18 nicht überschritten werden.
Tabelle 18: Maximale relative Luftfeuchtigkeit nach ASR A3.6 [17]
Witterungsbedingte Schwankungen bleiben laut ASR A3.6 unberücksichtigt.
Zur minimalen Grenze der relativen Feuchte sind in der ASR A3.6 keine
Angaben enthalten. Gemäß ASR A3.6 braucht die Raumluft nicht befeuchtet zu
werden. Für den Fall, dass Beschwerden auftreten, ist im Rahmen der
Gefährdungsbeurteilung zu prüfen, ob und ggf. welche Maßnahmen zu
ergreifen sind [11].
Lufttemperatur
relative Luftfeuchtigkeit
+20 °C
80 %
+22 °C
70 %
+24 °C
62 %
+26 °C
55 %
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
41
2.2.4 Zusammenfassung relative Luftfeuchte
Die relative Feuchte ist eines der Hauptkriterien, welches das
Behaglichkeitsempfinden des Menschen beeinflusst. Der optimale Bereich für
die relative Feuchte in Innenräumen liegt zwischen 30 % und 65 % [6]. Ohne
technische Einrichtungen lässt sich dieser Bereich zu bestimmten Jahreszeiten
und Wetterbedingungen nicht realisieren. In der Praxis wird in Schulgebäuden
auf eine maschinelle Befeuchtung im Winter bzw. Entfeuchtung im Sommer
verzichtet. ASR A3.6 gibt maximale Feuchtelasten in Abhängigkeit von der
Temperatur, die nicht überschritten werden dürfen, an. Zur minimalen Grenze
der relativen Feuchte macht ASR A3.6 keine Angaben und weist darauf hin,
dass die Raumluft üblicherweise nicht befeuchtet werden muss.
2.2.5 Luftgeschwindigkeiten (Behaglichkeit)
Die Luftgeschwindigkeit in einem Raum beeinflusst den konvektiven
Wärmeaustausch zwischen einer Person und der Umgebung. Dadurch wird die
allgemeine körperliche thermische Behaglichkeit (Wärmeverlust) beeinflusst,
die durch PMV und PPD angegeben wird, sowie die lokale thermische
Unbehaglichkeit auf Grund von Zugluft. Es gibt keine Mindestluft-
geschwindigkeit, die für die thermische Behaglichkeit erforderlich ist. Eine
erhöhte Luftgeschwindigkeit kann genutzt werden, um das Wärmeempfinden
durch eine erhöhte Temperatur auszugleichen [4]. Andererseits können hohe
Luftgeschwindigkeiten Beeinträchtigungen durch Zugluft verursachen. Für die
Kategorien des Umgebungsklimas nach DIN EN ISO 7730 gibt es zusätzlich zu
den PMV- und PPD-Werten eine prozentuale Angabe zu der durch Zugluft
verursachten Beeinträchtigung. Die Beeinträchtigung durch Zugluft wird als
draught rating (DR) bezeichnet. Weitere Informationen zur Berechnung sind in
der DIN ES ISO 7730 zu finden.
In Tabelle 19 sind die Grenzwerte der Kategorien zur Beurteilung des
Umgebungsklimas dargestellt. Zusätzlich zu den PPD- und PMV-Werten enthält
die Tabelle Beurteilungskriterien für die lokale Unbehaglichkeit (DR und PD).
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
42
Tabelle 19: Drei Kategorien des Umgebungsklimas [4]
Jede Kategorie schreibt einen maximalen Prozentsatz an Unzufriedenen für den
gesamten Körper (PPD) und für unterschiedliche Arten der lokalen
Unbehaglichkeit (PD) vor. Der DR-Wert gibt den maximalen Prozentsatz an
Menschen an, die sich durch Zugluft beeinträchtigt fühlen [4]. Die maximalen
mittleren Luftgeschwindigkeiten, nach Kategorien unterteilt, sind in der
Tabelle 20 dargestellt.
Tabelle 20: Maximale mittlere Luftgeschwindigkeiten [4]
Laut DIN EN ISO 7730 ist die höchstzulässige mittlere Luftgeschwindigkeit eine
Funktion der lokalen Lufttemperatur und des Turbulenzgrades. Der
Turbulenzgrad darf in Räumen mit Mischstrom-Luftverteilung von 30 % bis 60 %
schwanken. In Räumen mit Verdrängungslüftung oder ohne maschinelle
Lüftung darf der Turbulenzgrad geringer sein [4].
Kategorie
Thermischer Zustand des Körpers insgesamt
Lokale Unbehaglichkeit
PPD
%
PMV
DR %
PD %
Vertikaler Lufttemperatur-
unterschied
warmer oder kalter Fußboden
asymmetrische Strahlung
A < 6 0,2 < PMV < + 0,2 < 10 < 3 < 10 < 5
B < 10 0,5 < PMV < + 0,5 < 20 < 5 < 10 < 5
C < 15 0,7 < PMV < + 0,7 < 30 < 10 < 15 < 10
Gebäude-/ Raumtyp
Aktivität
Wm-2
Kategorie
Maximale mittlere Luftgeschwindigkeita
m/s
Sommer (Kühlungs-
periode)
Winter (Heizperiode)
Einzelbüro Bürolandschaft Konferenzraum Auditorium Cafeteria/ Restaurant Klassenraum
70
A
0,12
0,10
B
0,19
0,16
C
0,24
0,21b
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
43
Technische Regeln für Arbeitsstätten ASR A3.6 Lüftung
Im Folgenden die Forderungen der ASR A3.6 in Bezug auf die
Raumluftgeschwindigkeit:
(1) In den Aufenthaltsbereichen darf keine unzumutbare Zugluft auftreten.
(2) Zugluft ist vorwiegend von der Lufttemperatur, der Luftgeschwindigkeit,
dem Turbulenzgrad und der Art der Tätigkeit (d. h. Wärmeerzeugung durch
körperliche Arbeit) abhängig. Bei einer Lufttemperatur von +20 °C, einem
Turbulenzgrad von 40 % und einer mittleren Luftgeschwindigkeit unter
0,15 m/s tritt bei leichter Arbeitsschwere üblicherweise keine unzumutbare
Zugluft auf. Bei größerer körperlicher Aktivität, anderen Lufttemperaturen
oder anderen Turbulenzgraden kann der Wert für die mittlere
Luftgeschwindigkeit abweichen und ist im Rahmen der Gefährdungs-
beurteilung zu bewerten.
2.2.6 Zusammenfassung Luftgeschwindigkeit (Behaglichkeit)
Die Luftgeschwindigkeit lokal am Arbeitsplatz kann das Behaglichkeits-
empfinden des Menschen stark beeinflussen. Bei erhöhten Temperaturen kann
eine höhere Luftgeschwindigkeit dazu genutzt werden, das Wärmeempfinden
des Menschen auszugleichen. Bei niedrigeren Temperaturen verursachen
dieselben Luftgeschwindigkeiten Zugerscheinungen. Die mittlere lokale
Luftgeschwindigkeit kann deswegen nur als Funktion der lokalen
Lufttemperatur und des Turbulenzgrades betrachtet werden. Richtwerte sind in
der DIN EN ISO 7730 zu finden. So beträgt die maximale mittlere
Luftgeschwindigkeit im Sommer für Klassenräume in der Kategorie B im
Sommer (Kühlperiode) 0,19 m/s, im Winter (Heizperiode) 0,16 m/s.
Entscheidend für den Turbulenzgrad ist die Lüftungsart bzw. Strömungsart und
die Geschwindigkeit mit der die Luft in die Räume eingebracht wird. In Räumen
mit Verdrängungslüftung oder ohne maschinelle Lüftung ist der Turbulenzgrad
deutlich geringer im Vergleich zu der Mischstrom-Luftverteilung. Unabhängig
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
44
davon auf welche Weise die Luft in den Raum eingebracht wird, darf im
Aufenthaltsbereich keine unzumutbare Zugluft auftreten (ASR A3.6) [11]. Beim
Lüften über Fenster im Winter ist es aufgrund hoher Temperaturunterschiede
nicht möglich, dauerhaft zugluftfreie Verhältnisse sicherzustellen.
2.3 Akustische Grenzwerte
In Räumen, die maschinell belüftet oder entlüftet werden, können
Lärmbelästigungen durch die RLT-Anlage auftreten. Nationale Regelungen und
Normen enthalten zulässige Höchstwerte für den Schalldruckpegel, die als
Richtwert bei der Planung und Auslegung Raumlufttechnischer Anlagen
einzuhalten sind.
DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und
Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme
Die DIN EN 13779 schreibt folgendes vor: “Die Anlage ist so auszulegen, dass
die Anforderungen und festgelegten maximalen Zielwerte des
Schalldruckpegels im Raum eingehalten werden. Bei der Auslegung sind
sämtliche Geräuschquellen, auch benachbarte Räume, und die Schallabnahme
innerhalb der Anlage zu berücksichtigen [5].“ In Tabelle 21 sind Standardwerte
dargestellt. Laut DIN EN 13779: “Die Werte können überschritten werden,
wenn die sich im Raum aufhaltende Person den Betrieb der Anlage
beeinflussen kann. Zum Beispiel kann ein Klimagerät für einen Raum einen
höheren Schalldruckpegel erzeugen, wenn sein Betrieb von der sich im Raum
aufhaltenden Person geschaltet wird, jedoch sollte auch in diesem Fall ein
Überschreiten der Auslegungswerte des Schalldruckpegels eingeschränkt
werden, zum Beispiel auf 10 dB(A) [5].“
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
45
Tabelle 21: A-bewerteter Auslegungsschalldruckpegel nach DIN EN 13779 [5]
DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und
Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur,
Licht und Akustik
Die DIN EN 15251 enthält weitere Vorgaben zum Schalldruckpegel und schreibt
folgendes vor: “Bei der Lüftungsauslegung sind die erforderlichen Schallpegel
in den Auslegungsunterlagen auf der Grundlage von nationalen Anforderungen
oder unter Anwendung der in dieser Norm aufgeführten Werte anzugeben. Der
von der HLK-Anlage ausgehende Schall kann die Nutzer stören und verhindern,
dass der Raum oder das Gebäude bestimmungsgemäß genutzt werden kann.
Der Schallpegel in einem Raum lässt sich mit Hilfe des A-bewerteten
äquivalenten Schalldruckpegels bewerten [6].“ In Tabelle 22 sind Kriterien des
Innenlärmpegels für einige Räume und Gebäude zusammengefasst.
Gebäude-/Raumart Empfohlener Bereich
Schalldruck dB(A)
Klassenraum, Kindergarten 35 – 45
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
46
Tabelle 22:*A-bewerteter Auslegungsschalldruckpegel nach DIN EN15251 [6]
Die Überschreitung der vorgegebenen Höchstwerte ist möglich, wenn das
Raumklimagerät vom Nutzer gesteuert wird, doch selbst in diesem Falle sollte
der Anstieg des Schalldruckpegels über die in Tabelle 22 angegebenen Werte
auf 5 dB(A) bis 10 dB(A) begrenzt werden [6]. Vollständige Tabelle kann der
DIN EN 15251 entnommen werden.
ANMERKUNG: Mit dem A-bewerteten Schalldruckpegel wird die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres
mit Hilfe von unterschiedlichen Filtern simuliert. Dabei werden Schalldrücke in den verschiedenen
Frequenzbereichen unterschiedlich bewertet. Die gemessene Schalldruckpegel wird in dB(A) angegeben und
ist im ganzen Schallpegelbereich gültig [3].
VDI 2081 Blatt 1:2001-07 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in
Raumlufttechnischen Anlagen
Die VDI 2081 befasst sich mit den Geräuschquellen, die durch Raumluft-
technische Anlagen verursacht werden und gibt Empfehlungen zur Minderung
des Schalldruckpegels. In der folgenden Tabelle sind Richtwerte für
Schalldruckpegel der RLT Anlagen sowie die mittlere Nachhallzeit für
Unterrichtsräume dargestellt.
Gebäude
Art des Raums
Schalldruckpegel dB(A)
Typischer Bereich Standard-Auslegungswert
Schulen Klassenräume
Flure
Turnhallen
Lehrerzimmer
30 bis 40
35 bis 50
35 bis 45
30 bis 40
35
40
40
35
Sport Überdachte Sportstadien
Schwimmhallen
35 bis 50
40 bis 50
45
45
Allgemein Toiletten
Umkleidekabinen
40 bis 50
40 bis 50
45
45
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
47
Tabelle 23: Richtwerte für Schalldruckpegel der RLT-Anlagen und mittlere
Nachhallzeiten [26]
Die durch „x“ gekennzeichneten Raumarten gehören gemäß DIN 4109 zu den „schutzbedürftigen Räumen“.
Die vollständige Tabelle kann in der VDI 2081 eingesehen werden.
2.3.1 Zusammenfassung akustische Grenzwerte
In den nationalen Normen sind Höchstwerte für Schalldruckpegel für vielfältige
Räume und Gebäude definiert. Die DIN EN 15251 unterscheidet bei Schulen
zusätzlich noch nach Art des Raumes (Klassenräume, Flure, Turnhallen,
Lehrerzimmer). Für Klassenräume gilt als Standardauslegungswert 35 dB(A).
Der Höchstwert von 45 dB(A) gemäß DIN EN 13779 darf nicht überschritten
werden. Nach DIN EN 15251 liegt der Höchstwert bei 40 dB(A). Die VDI 2081
empfiehlt 35 dB(A) für hohe Anforderungen bis max. 40 dB(A)bei niedrigen
Anforderungen. Die Empfehlung in Bezug auf die Nachhallzeit liegt laut VDI
2081 bei 1 Sekunde. Für Klassenräume ist es empfehlenswert, den Schallpegel
nach hohen Anforderungen auszulegen und 35 dB(A) nicht zu überschreiten.
Raumart Beispiel A-Schalldruckpegel
in dB *)
Anforderungen
Mittlere
Nachhallzeit
in s (aus Literatur und
Messungen) hoch niedrig
Unterrichtsräume × Klassen- und Seminarraum
× Hörsaal 35
35 40
40 1,0
1,0
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
48
2.4 Regelung von RLT-Anlagen
In Bezug auf Regelung und Überwachung raumlufttechnischer Anlagen in
Nichtwohngebäuden empfiehlt die DIN EN 13779 folgendes: „Jede Lüftungs-
und Klimaanlage oder jedes Raumkühlsystem erfordert einen geeigneten
Betrieb und eine angemessene Instandhaltung, sodass die erwünschten
Konditionen im Raum sichergestellt sind, ein energieeffizienter Betrieb in allen
Situationen gesichert ist, Emissionen aus der Lüftungsanlage in den Raum
vermieden werden, im Allgemeinen eine gute Raumluftqualität vorhanden ist
und Schäden sowie vorzeitiges Versagen der Anlage verhindert werden. Es
wird empfohlen, ein Pflichtenheft für Betrieb, Wartung und Instandhaltung zu
erstellen, das eine Beschreibung der Regelungsart und der Wartungs- und
Instandhaltungsmaßnahmen sowie die Zeitabstände und Zuständigkeiten
enthält (siehe auch EN 15240 und EN 15239) [5].“
In Bezug auf Wartung, Betrieb und Instandhaltung sind Anforderungen der VDI
6022 zu beachten: „Ziel der Richtlinie ist eine ganzheitliche Formulierung von
hygienisch begründeten baulichen, technischen und organisatorischen
Anforderungen hinsichtlich der Planung, der Fertigung, der Ausführung, des
Betreibens und der Instandhaltung von Raumlufttechnischen Anlagen.
Die VDI 6022 verweist für die Organisation des Betreibens auf die
Richtlinienreihe VDI 3810, für die Durchführung der maschinellen Wartung auf
das Einheitsblatt VDMA 24186 sowie auf die Hinweise zur Instand-
haltungsplanung in der VDI 6023 Blatt 1.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
49
DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und
Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme
Allgemeine Anforderungen an die Regelung und Überwachung
In DIN EN 13779 heißt es: “Das Verfahren zur Regelung und Überwachung
sämtlicher Systeme ist festzulegen. Bei einigen Anwendungen ist es sinnvoll,
für das erste Jahr (die ersten Jahre) des Betriebs und die Zeit danach
unterschiedliche Verfahren festzulegen. Im Rahmen der Überwachung des
Energieverbrauchs muss eine regelmäßige Überprüfung des Energieverbrauchs
von wichtigen einzelnen Systemen sowie des Gebäudes insgesamt möglich sein.
Daher sind bereits in einer frühen Projektphase ein Messkonzept festzulegen
und die erforderlichen Messgeräte zu installieren. Bei Änderungen der Nutzung
und der Anforderungen sollte eine Anpassung der Anlage vorgenommen
werden [5].“
In Tabelle 24 sind mögliche Regelungsarten der Raumluftqualität dargestellt.
Tabelle 24: Mögliche Arten der Regelung der Raumluftqualität [5]
Kategorie Beschreibung
IDA – C1 Die Anlage läuft konstant.
IDA – C2 Manuelle Regelung (Steuerung)
Die Anlage unterliegt einer manuellen Schaltung.
IDA – C3 Zeitabhängige Regelung (Steuerung)
Die Anlage wird nach einem vorgegebenen Zeitplan betrieben.
IDA – C4 Belegungsabhängige Regelung (Steuerung)
Die Anlage wird abhängig von der Anwesenheit von Personen betrieben (Lichtschalter, Infrarotsensoren usw.).
IDA – C5 Bedarfsabhängige Regelung (Anzahl der Personen)
Die Anlage wird abhängig von der Anzahl der im Raum anwesenden Personen betrieben.
IDA – C6 Bedarfsabhängige Regelung (Gassensoren)
Die Anlage wird durch Sensoren geregelt, die Raumluftparameter oder angepasste Kriterien messen (z. B. CO2-, Mischgas- oder VOC-Sensoren). Die angewendeten
Parameter müssen an die Art der im Raum ausgeübten Tätigkeit angepasst sein.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
50
Ferner schreibt die DIN EN 13779: „Bessere Effizienz lässt sich im Allgemeinen
durch Anwendung einer vorausschauenden Regelung erreichen. Bei der
Regelung ist der Zeitfaktor zu berücksichtigen. Für die Klassen IDA C5 und C6
sind veränderbare Luftvolumenströme vorzusehen. Wenn der variierbare
Bereich der Luftvolumenströme große Druckschwankungen hervorrufen kann,
sollte dies durch Verwendung eines Systems zur Druckregelung oder durch
eine entsprechende Regelung des Luftvolumenstroms berücksichtigt werden.
Das thermische Umgebungsklima in einem Raum kann entweder durch die
Lüftungsanlage allein oder in Verbindung mit anderen Einrichtungen, wie Kühl-
/Heizdecken, -böden usw. geregelt werden [5].“
Bedarfsgeregelte Lüftung
Laut DIN EN 13779 gilt: „Die praktische Erfahrung zeigt, dass mit einem
bedarfsgerechten Betrieb der Energieverbrauch einer Lüftungsanlage oft
wesentlich reduziert werden kann. Bei wechselndem Bedarf kann die
Lüftungsanlage so betrieben werden, dass bestimmte Kriterien im Raum erfüllt
werden. In Räumen, die von Personen genutzt werden, können für eine
Regelung der Lüftung entsprechend dem tatsächlichen Bedarf folgende
Sensoren angewendet werden:
Bewegungssensoren;
Zählsensoren;
CO2-Sensoren (werden hauptsächlich in Räumen mit Rauchverbot
verwendet);
Mischgas-Sensoren (werden auch in Räumen mit Raucherlaubnis
verwendet);
Infrarotsensoren
In Räumen mit bekannten Emissionen kann die Konzentration der wichtigsten
Verunreinigung als Eingangssignal verwendet werden [5].“
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
51
2.4.1 Zusammenfassung Regelung von RLT-Anlagen
Die Regelung soll eine gute Innenraumluftqualität sicherstellen und gleichzeitig
energieeffizient sein. In der Praxis hat sich der bedarfsgeregelte Betrieb als
sinnvoll und energieeffizient erwiesen. In Räumen mit bekannten Emissionen
kann die Konzentration der wichtigsten Verunreinigung als Eingangssignal
verwendet werden. Für Klassenräume ist es empfehlenswert, die
CO2-Konzentration als Regelparameter für eine bedarfsgerechte Regelung zu
verwenden. Allgemein gilt, dass eine bessere Effizienz mit vorausschauender
Regelung erreicht werden kann. Vor Unterrichtsbeginn ist eine einstündige
Spülung der Räume mit einem einfachen Luftwechsel sicherzustellen.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
52
2.5 Planung und Betrieb von RLT-Anlagen
Die DIN EN 13779 gibt Empfehlungen wie die Planung von
Raumlufttechnischen Anlagen vom Beginn bis zur Aufnahme des normalen
Betriebes durchzuführen ist.
Der Verlauf der Projektierung ist durch folgende Schritte gekennzeichnet,
entnommen aus [5]:
a) Beginn des Projektes;
b) Festlegung der Auslegungsbedingungen und Anforderungen;
c) Überprüfung bei amtlichen Stellen und auf Einhaltung geltender Vorschriften;
d) Planung;
e) Installation;
f) Überprüfung der Installation;
g) Betriebsbeginn, Funktionsprüfung, Einregulierung, Prüfung mit Erstellen von
Berichten;
h) Erklärung an den Auftraggeber, dass die Installationsarbeiten abgeschlossen
sind;
i) gemeinsame Vollständigkeitsprüfung, Funktionsprüfungen,
Funktionsmessungen und besondere Messungen nach EN 12599;
j) Übergabe der Anlage und der wesentlichen Dokumentation mit Anweisungen
bezüglich Betrieb und Instandhaltung an den Auftraggeber;
k) Betrieb und Instandhaltung;
l) regelmäßige Überprüfung (siehe EN 15240 und EN 15239);
m) Überwachung des Energieverbrauchs durch Buchhaltung oder eine andere
Form der Aufzeichnung.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
53
Für die einzelnen Bereiche werden im Anhang C der DIN EN 13779 Checklisten
zur Verfügung gestellt: (im Folgenden werden nur für die Lüftungsanlagen
relevanten Checklisten aufgeführt)
Checkliste für die Planung der Lüftungs- oder Klimaanlage
Die folgende Checkliste sollte vom Architekten und Planer der Lüftungs- oder
Klimaanlage zur Hilfe genommen werden:
a) klare und schriftlich festgelegte Definition der Planungsgrundlagen;
b) bedarfsabhängige Außenluftzufuhr in Fällen von wechselnder Nutzung;
c) korrekte Berechnung der Heiz- und Kühllast als Grundlage für die
Dimensionierung der Anlage;
d) Anwendung realistischer innerer Lasten;
e) direktes Abführen von örtlichen Wärme-, Verunreinigungs- und
Feuchtigkeitslasten;
f) gute Lüftungseffektivität im Raum durch Nutzung von Verdrängungslüftung
oder hochwirksamer Mischlüftung;
g) Nutzung der Möglichkeiten der freien Kühlung;
h) Wärmerückgewinnung und Abwärmenutzung;
i) individueller Betrieb bei individueller Nutzung;
j) Möglichkeiten der Nutzung alternativer Verfahren wie Lufterdregister,
Erdsonden, adiabatische Kühlung;
k) Verwendung von Anlagen auf Wassergrundlage bei abzuführenden
Wärmelasten;
l) Messkonzept zur Überwachung der Funktion und des Energieverbrauchs der
Anlage;
m) Konzept zur Kontrolle und Reinigung der Anlage.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
54
Checkliste für die Auslegung einzelner Komponenten
Die folgende Checkliste soll den Installateuren bei der detaillierten Auslegung
der Bauteile helfen:
a) niedriger Energieverbrauch bei der Luftförderung (niedrige Geschwindig-
keiten, kurze Wege, gute aerodynamische Form);
b) gute Wirkungsgrade von Ventilatoren, Antrieben und Motoren unter allen
Bedingungen;
c) optimierte Wärmerückgewinnung;
d) geregelte Befeuchtung oder keine Befeuchtung;
e) geregelte Kühlung oder keine Kühlung;
f) Kaltwassertemperatur so hoch wie möglich;
g) Dämmung von Kältemittel- und Kaltwasserleitungen gegen Kondensation
und Energieverluste;
h) Möglichkeiten der Kontrolle und Reinigung des Luftleitungssystems und der
Bauteile;
i) luftdichte Leitungen und Luftbehandlungseinheiten;
j) optimierte Energieversorgung.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
55
Checkliste für die Nutzung der Anlage
Die folgende Checkliste soll hauptsächlich den Eigentümern und Nutzern des
Gebäudes helfen. Diese Liste sollte nach Fertigstellung regelmäßig überprüft
werden; für eine regelmäßige Überprüfung der Anlage nach EN 15240
(Klimaanlagen) und EN 15239 (Lüftungsanlagen) sollte eine entsprechende
Dokumentation bereitgehalten werden.
a) Betrieb mit festgelegten Raumtemperaturen;
b) Betrieb mit festgelegten Raumfeuchten;
c) bedarfsgerechter Betrieb der Anlagen;
d) korrekte Anwendung des Sonnenschutzes im Sommer und im Winter;
e) Minimierung innerer Wärmelasten im Sommer;
f) regelmäßige Kontrollen von Bauteilen (Filter, Antriebe, Sensoren);
g) regelmäßige Kontrolle des Energieverbrauchs;
h) regelmäßige Kontrolle des hygienischen Zustandes der Anlage;
i) Betriebsoptimierung nach den tatsächlichen Bedingungen und Anforderungen.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
56
Technische Regel für Arbeitsstäten ASR A3.6 Lüftung
Die Technischen Regeln für Arbeitsstätten ASR A3.6 sagen bezüglich der
raumlufttechnischen Anlagen folgendes aus: „Raumlufttechnische Anlagen
(RLT-Anlagen) zur Lüftung sind erforderlich, wenn eine freie Lüftung nicht
ausreicht [11].“
Die Anforderungen an RLT-Anlagen lauten wie folgt:
1. RLT-Anlagen müssen dem Stand der Technik entsprechen und sind
bestimmungsgemäß zu betreiben.
2. Bei RLT-Anlagen ist die Zuluft (Außenluft/Umluft) vor der Zuführung in die
zu lüftenden Räume entsprechend den Anforderungen hinsichtlich der
Nutzung der Arbeitsstätte durch Luftfilter nach dem Stand der Technik zu
reinigen.
3. Die RLT-Anlage darf nicht selbst zur Gefahrenquelle (z. B. durch
Gefahrstoffe, Bakterien, Schimmelpilze oder Lärm) werden.
In Bezug auf die Luftführung stellt die ASR A3.6 folgende Forderungen auf:
1. Die Zuluft muss so verteilt werden, dass sie frei von unzumutbarer Zugluft
und in ausreichendem Maße in den Aufenthaltsbereich gelangt.
2. Lasten (Stoff-, Feuchte-, Wärmelasten) sind möglichst quellennah zu
erfassen. Natürliche Luftbewegungen (z. B. Thermik an warmen/heißen
Oberflächen) sind zu ermöglichen und sinnvoll auszunutzen.
3. Abluft aus Räumen mit Lasten (Stoff-, Feuchte-, Wärmelasten) darf als
Umluft nur dann genutzt werden, wenn Gesundheitsgefahren und
Belästigungen ausgeschlossen werden können.
4. Abluft aus Sanitärräumen, Raucherräumen und Küchen darf nicht als Zuluft
genutzt werden.
Wartung und Prüfung von RLT-Anlagen
Die im Folgenden dargestellten Forderungen richten sich in erster Linie an den
Arbeitgeber.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
57
1. Der Arbeitgeber hat bereits vor dem Errichten oder Anmieten der
Arbeitsstätte zu überprüfen, ob die Forderungen hinsichtlich der Luftqualität,
Außenluftvolumenströme und Raumluftgeschwindigkeiten eingehalten
werden können. Im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung nach § 3
ArbStättV ist zu überprüfen, ob die RLT-Anlage wirksam ist und die
Anforderungen erfüllt sind. Dabei sind Prüf- und Wartungsintervalle
festzulegen, die Herstellerangaben sind zu berücksichtigen.
2. Entsprechend § 4 Abs. 3 ArbStättV sind RLT-Anlagen nach den in Absatz 1
festgelegten Intervallen sachgerecht zu warten. Die Wartungsintervalle sind
so festzulegen, dass die
technischen,
hygienischen und
raumlufttechnischen (z. B. Einstellung und Zustand der Luftdurchlässe)
Eigenschaften und der sichere Betrieb der Anlage während der gesamten
Betriebszeit sichergestellt werden.
3. Die Funktionsfähigkeit der RLT-Anlage kann durch Messung, z. B. folgender
Größen, überprüft werden:
Kohlendioxidgehalt unter Nutzungsbedingungen,
Außenluftvolumenstrom,
zulässiger Differenzdruck an Filtern,
Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich,
Schalldruckpegel oder
Temperatur der Zuluft.
In speziellen Fällen können:
Druckgefälle zu benachbarten Räumen oder
Keimzahl der Zuluft
gemessen werden.
4. Der Arbeitgeber muss über die aktuellen Unterlagen der RLT-Anlagen
verfügen oder dazu Zugang haben, aus denen die Ergebnisse der Prüfung
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
58
bei Inbetriebnahme und insbesondere von Wartung und regelmäßigen
Prüfungen hervorgehen.
VDI 6022 Blatt 1: Raumlufttechnik, Raumluftqualität- Hygieneanforderungen
an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte
Die VDI 6022 beschreibt Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische
Anlagen und Geräte. Das Ziel dieser Richtlinie umfasst: „eine ganzheitliche
Formulierung von hygienisch begründeten baulichen, technischen und
organisatorischen Anforderungen hinsichtlich der Planung, der Fertigung, der
Ausführung, des Betreibens und der Instandhaltung von Raumlufttechnischen
Anlagen [24].“
Im Folgenden sind einige der wesentlichen Inhaltspunkte zusammengefasst.
Anwendungsbereich
„Die Richtlinienreihe VDI 6022 gilt für alle Räume oder Aufenthaltsbereiche in
Räumen, in denen sich bestimmungsgemäß Personen mehr als 30 Tage pro
Jahr oder regelmäßig länger als zwei Stunden je Tag aufhalten [24].“
gilt für alle Anlagen und Geräte sowie deren Komponenten, die die
Luftqualität beeinflussen
Anforderungen an Planung
„Gesundheitlich zuträgliche Raum- und Atemluft wird weitgehend durch die
hygienegerechte Planung von RLT-Anlagen bestimmt [24].“ Maßgeblich hierfür
sind [24]:
die Wahl der richtigen Luftvolumenströme unter Berücksichtigung der
personen- und stofflastenbezogenen Außenluftvolumenströme auch bei
ungünstigen Außenlufttemperaturen
die Lage der Außenluftdurchlässe
das richtig dimensionierte und platzierte Luftführungssystem
die weitgehende Vermeidung von Leckagen
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
59
die Möglichkeit der Inspektion und Reinigung nasser oder verschmutzter
luftführender Flächen
die Art der Zuluftzuführung
die Auswahl geeigneter Materialien, Geräte und
Luftaufbereitungsverfahren
die Verhinderung der Bildung feuchter Stellen außerhalb geplanter
Nassbereiche (Luftbefeuchter, Kühler mit Entfeuchtung)
die RLT-Anlage muss im luftführenden Bereich aus Materialien bestehen,
die weder gesundheitsgefährdende Stoffe emittieren noch im
bestimmungsgemäß feuchten Bereich einen Nährboden für Mikro-
organismen bilden können.
Die Materialien, die Oberflächengestaltung und die geometrischen Formen
der Anlagenkomponenten sollen einer Anhaftung und Ablagerung von
Verunreinigungen vorbeugen.
Alle Komponenten müssen für die erforderlichen Inspektions- und
Reinigungsarbeiten zugänglich sein.
Weitere Hinweise sind der VDI 6022 zu entnehmen.
Anforderungen Herstellung und Errichtung
Alle luftführenden Komponenten sind nach Fertigung zu reinigen.
Der Transport und die Lagerung der Komponenten muss
witterungsgeschützt, trocken und sauber erfolgen.
Luftführende Decken, Doppel- und Hohlraumböden müssen vor der
Inbetriebnahme gereinigt werden.
Die Verpackung und der Schutz der Komponenten darf erst unmittelbar
vor der Montage entfernt werden.
Die Sauberkeit der Komponenten ist vor dem Einbau zu prüfen,
gegebenenfalls ist eine gründliche Reinigung vorzunehmen.
Vor und während der Montageunterbrechungen sind die offenen Enden
oder Stellen gegen Eindringen von Baustellenstaub und Feuchtigkeit zu
schützen.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
60
Auch nach dem Einbau müssen alle luftführenden Komponenten mit
vertretbarem technischem Aufwand zu inspizieren, zu reinigen und
gegebenenfalls zu desinfizieren sein.
Weitere Hinweise sind der VDI 6022 zu entnehmen.
Bei der Planung, Herstellung und Errichtung von dezentralen RLT-Geräten oder
Endgeräten und deren Komponenten gelten die gleichen Hygieneanforderungen
wie bei zentraler RLT-Technik [24]. Zusätzlich bestehen bei dezentralen
Lüftungsanlagen folgende Anforderungen [24]:
Befinden sind die Endgeräte hinter einer Verkleidung (z.B. Brüstung),
innerhalb der abgehängten Decke oder im Doppel- oder Hohlraumboden,
dann muss die Verkleidung so gestaltet sein, dass alle hygienerelevanten
Teile der Endgeräte leicht zugänglich und einzusehen sind.
Waagerechte Öffnungen müssen gegen Hineinfallen von Fremdkörpern
geschützt werden.
Die Oberflächen im Endgerät, in der Brüstung, in der Decke, im
Doppelboden etc., mit denen die Luft in direktem Kontakt ist, müssen die
gleichen Kriterien wie das Luftleitungssystem erfüllen und in gleichem
Maße zu reinigen sein.
Weitere Hinweise sind der VDI 6022 zu entnehmen.
Die VDI 6022 stellt eine Checkliste für Hygienekontrollen zur Verfügung. So
heißt es, dass der Ventilator alle 6 Monate auf Verschmutzung, Beschädigung
und Korrosion zu prüfen ist [24]. Die Luftleitungen sind alle 12 Monate auf
Verschmutzung, Korrosion und Wasserniederschlag an zwei bis drei
repräsentativen Stellen zu prüfen [24]. Die Luftfilter der ersten Filterstufe sind
spätestens nach 12 Monaten, die der weiteren Stufen nach 24 Monaten
auszuwechseln. Die maximale Filterstandzeit kann durch eine zusätzliche
Hygienekontrolle der betreffenden Filterstufe jeweils um ein Jahr verlängert
werden, wenn das Schutzziel erreicht wird [24].
Weitere Inhalte der Checkliste sind der VDI 6022 zu entnehmen.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
61
Für den hygienegerechten Betrieb und die Instandhaltung der RLT-Anlagen
sind gemäß ArbStättV und Betriebssicherheitsverordnung die Betreiber
verantwortlich [24].
VDI 6026 Blatt 1:2008-05 Dokumentation in der Technischen
Gebäudeausrüstung - Inhalte und Beschaffenheit von Planungs-, Ausführungs-
und Revisionsunterlagen
Die VDI 6026 beschreibt, in welcher Phase des Projektverlaufs die
verschiedenen Unterlagen (Pläne, Zeichnungen, Berechnungen, Simulationen
etc.) zu erstellen sind, welche Informationen sie enthalten und wie sie
inhaltlich beschaffen sein müssen, um den Gesamterfolg einer Baumaßnahme
sicherzustellen [25]. Zusätzlich gibt sie Aufschluss über Schnittstellen der
jeweiligen Gewerke in der TGA untereinander. Mit dieser Richtlinie werden
keine neuen Begriffe eingeführt. Es werden bereits vorhandene Terminologie
und Begrifflichkeiten, die in der HOAI, VOB und DIN 276 enthalten sind,
verwendet [25].
Die Richtlinie beinhaltet folgende TGA-Gewerke [25]:
Abwasser-, Wasser-, Gasanlagen
Wärmeversorgungsanlagen
Raumlufttechnische Anlagen
Kälteanlagen
Starkstromanlagen
Fernmelde- und informationstechnische Anlagen
Förderanlagen
Gebäudeautomation (GA)
Laut der Richtlinie heißt es: „Die Planung inklusive der zugehörigen
Beschreibung ist durch den Auftraggeber zum Abschluss jeder Planungsphase
auf Übereinstimmung mit seinen funktionalen Planungsvorgaben zu prüfen, zu
genehmigen und abzunehmen [25].“
Im Folgenden sind die einzelnen Planungs- und Ausführungsphasen für die
Planung von Raumlufttechnischen Anlagen tabellarisch dargestellt. Es handelt
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
62
sich um einen Auszug aus der VDI 6026. Weitere Informationen können der
Richtlinie entnommen werden.
Grundlagenermittlung nach VDI 6026
Die Grundlagenermittlung dient der Ermittlung und Abstimmung, der
Nutzervorgaben sowie aller bei der Planung zu berücksichtigenden
Randbedingungen auf Grundlage der Bedarfsangaben des Auftraggebers [25].
In Abhängigkeit von den Anforderungen sind bereits an dieser Stelle
Spezialisten miteinzubeziehen. Darüber hinaus ist mit den zuständigen
Fachleuten (Brandschutzsachverständige, Statiker, Versorgungsunternehmen,
Genehmigungsbehörden etc.) Kontakt aufzunehmen [25]. Berechnungen sind
nur für eine erste überschlägige Ermittlung erforderlich. Zeichnerische
Leistungen sind noch nicht erforderlich [25].
Tabelle 25: Grundlagenermittlung [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben eventuell Ermittlung und Abstimmung der Nutzervorgaben unter Berücksichtigung
der anerkannten Regeln der Technik, unter Hinzuziehung von Spezialisten
z. B. Brandschutzsachverständiger
Kontaktaufnahme mit Versorgern zur Ermittlung der Versorgungsmöglichkeiten
2 Berechnungen überschlägige Abschätzung des Primärenergieeinsatzes anhand von Flächenansätzen
3 Dimensionierung entfällt
4 Schemata entfällt
5 Grundrisse entfällt
6 Koordinationspläne entfällt
7 Anlagenbeschreibungen entfällt
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
63
Vorplanung nach VDI 6026
Die Vorplanung besteht aus einem textlichen und einem zeichnerischen
Teil [25]. Die Anforderungen sind stichpunktartig in Tabelle 26
zusammengestellt [25].
Tabelle 26: Vorplanung [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Darstellung der Nutzervorgaben,
Annahmen bzw. Vorgaben aus den anerkannten Regeln der Technik
1a FM falls CAFM zusätzlich gewünscht: Mitwirken beim Einrichten der Struktur und Nomenklatur
2 Berechnungen
Auslegung nach überschlägig Luftwechsel Volumenströme für
einzelne Anlagen
Heiz-, Kühl-, Befeuchtungs- und Elektroleistungen
3 Bemessung
Flächen
Wirtschaftlichkeit
Anschlüsse
Komponenten, z. B.
Grobbemessung
Flächenbedarf in Zentralen, Schächten und abgehängten Decken
auch im Vergleich zu alternativen Lösungsmöglichkeiten
Verbrauchsdaten für die einzelnen alternativen Lösungsmöglichkeiten
aufgrund von Erfahrungswerten
Lüftungsgeräte, Lüftungsdecken, Ablufthauben
4 Schemata
z. B.
Funktions- bzw. Prinzipschemata zur Darstellung der Grundfunktionen
der geplanten Anlagen mit den wesentlichen Komponenten
für charakteristische Anlagen
5 Grundrisse
Maßstab 1 : 200
Zentralen
Komponenten, z. B.
Funktionsbereiche
Einstrichdarstellung Möblierung/Schnitte Luftdurchlässe
6 Koordination Abstimmung des technischen Gesamtkonzepts für eine passende technische
und wirtschaftliche Gesamtlösung unter Beachtung der Zielvorgaben
Abstimmen des Raumbedarfs aller Gewerke (z. B. VDI 2050)
und Mitwirkung bei der Koordinierung zu einem Ganzen
7 Erläuterung Fazit aus der Grundlagenermittlung bzw. Stellungsnahme, falls diese durch Dritte erstellt wurde. Der Erläuterungsbericht enthält alle Angaben, Anlagenbeschreibungen und Daten zur
Darstellung der Planung sowie der Variantenbetrachtungen, inklusive eines Vorschlags
zum technischen Gesamtkonzept oder einer Empfehlung.
8 Kosten Anlagenspezifisch getrennt nach Zonen, Bauteilen oder Funktionsbereichen nach Vorgaben des AG bzw. des Architekten bis zur 2. Stufe der DIN 276
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
64
Im Textteil sind Auslegungsberechnungen sowie die Dimensionierungsangaben
zu den Bauteilen als Grobbemessung zusammenzufassen. Die Flächen und der
Platzbedarf, insbesondere in Versorgungsschächten, abgehängten Decken,
Hohlraumböden und Verteiltrassen sind abzuschätzen [25]. Im zeichnerischen
Teil sind Trassen und größere Bauteilgruppen darzustellen; eine Darstellung
der beabsichtigten Möblierung mit Anlagen ist empfehlenswert [25].
Entwurfsplanung nach VDI 6026
Die VDI 6026 beinhaltet zwei Varianten zur Durchführung der
Entwurfsplanung. Es wird unterschieden in die Variante „normal weiter-
laufend“ und „hier endend“. Die Variante „normal weiterlaufend“ erfordert,
dass auf Grundlage der Grobbemessung aus der Vorplanung eine Verfeinerung
erfolgt. Die Endbemessung wird durch den gleichen Fachplaner erst in der
Ausführungsplanung durchgeführt [25].
In der Variante „hier endend“ wird davon ausgegangen, dass eine Übergabe
des Entwurfs für den späteren Ausführer erfolgt, der dann auch die Erstellung
der Ausführungsplanung übernimmt. Diese Variante erfordert deswegen eine
umfangreichere Planungsleistung [25].
Hinweis: In Berlin werden als Entwurfsplanung sämtliche Bauplanungs-
unterlagen bezeichnet.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
65
Tabelle 27: Entwurfsplanung - "hier endend" [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Darstellung der Nutzervorgaben, Berechnungen bzw. Vorgaben
aus den anerkannten Regeln der Technik = Grundlagen
Die Entwurfsplanung ist durch den Auftraggeber auf Übereinstimmung mit seinen funktionalen
Planungsvorgaben zu prüfen, zu genehmigen und die Planungsleistung abzunehmen.
1a FM bei CAFM: Fortführen der Struktur und Nomenklatur
2 Berechnungen
alle für das Brand-
schutzkonzept notwen-
digen Berechnungen
Es dürfen aus der Tiefe der Berechnungen später
keine grundsätzlichen Änderungen mehr resultieren.
Volumenströme Kühllast Heizlast
Kanalnetzberechnung mit druckbestimmenden Strän- gen und Dimensionierung des
gesamten Netzes
Thermische Gebäude- simulation bzw. Strömungs- simulationen sind ggf. Projektespezifisch mit Ziel- setzung der Untersuchung zu vereinbaren.
3 Bemessung
Hauptsächlich alle für das Brand- schutzkonzept notwen- digen Dimensionierun- gen
Die Bemessung erfolgt auf der Grundlage der vorliegenden Berechnungen. Die Bemessung hat so zu erfolgen, dass grundsätzliche Änderungen in der
Ausführungsplanung bei unveränderten Planungsgrundlagen vermieden werden.
RLT-Geräte Wärmetauscher Schalldämpfer Luftdurchlässe Kanäle
4 Schemata Funktionsschema
Strangschema alle für das Brand-
schutzkonzept notwen-
digen Zeichnungen
Funktionsschemata zur Darstellung der Funktionen der geplanten Anlagen
mit den relevanten Anlagenbauteilen
für jede Anlage mit Funktion Gerät und Prinzip der Luftverteilung
alle Komponenten für einen sicheren Betrieb aufzeigen
5 Grundrisse
Maßstab 1 : 100
Einbauteile
hauptsächlich
Zentralen
Schnitte Schächte
Darstellung aller Ver- und Entsorgungsnetze
mit den wesentlichen Funktionsgruppen und Funktionselementen
Darstellung mit Haupt- Dimensionen
BSK, VSR, DK, Luftdurchlässe
Möblierung
Für Installationsschwerpunkte sind Schnitte zu liefern. Ein Installationsschwerpunkt liegt vor,
wenn mehrere Gewerke kreuzen, übereinander liegen oder gemeinsam ausfädeln.
Die Schnitte haben alle Gewerke zu berücksichtigen. Der Planer soll mit ihnen prüfen und
zeigen, dass der angenommene Installationsraum ausreichend ist und benötigt wird.
Belegung der Schächte an der Stelle der jeweils größten Installationsdichte,
inklusive Hinweis auf die Art des Brandschutzes
6 Koordination gemeinsame Schnittstellendefinition zwischen den Gewerken der KG 400,
nutzer- bzw. bauherrenseitigen oder bauseitigen Leistungen (Listen)
Die Koordination erstreckt sich in dieser Phase bereits auf die Ausführbarkeit der Planung.
Dazu sind eventuell Schnitte und Schachtausfädelungen erforderlich. 7 Bauangaben statisch relevante Durchbruchsgrößen und Lasten
In diesem Stadium der Planung brauchen diese Informationen nicht durch S+D-Pläne
gemacht werden. Die Angaben müssen jedoch eindeutig sein. 8 Erläuterung Fazit aus der Vorplanung bzw. Stellungnahme, falls diese durch Dritte erstellt wurde.
Der Erläuterungsbericht enthält alle Angaben, Beschreibungen, Daten und Zusammen-
stellungen, um die Planung nachvollziehen und beurteilen zu können.
9 Kosten Grundlage: Berechnung der Mengen von Bezugseinheiten der Kostengruppe und Multiplikation mit Kostenansatz bis zur 2. Stufe der DIN 276
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
66
Tabelle 28: Entwurfsplanung – "normal weiterlaufend" [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Darstellung der Nutzervorgaben, Berechnungen bzw. Vorgaben
aus den anerkannten Regeln der Technik = Grundlagen
Die Entwurfsplanung ist durch den Auftraggeber auf Übereinstimmung mit seinen funktionalen Planungsvorgaben zu prüfen, zu genehmigen und die Planungsleistung abzunehmen.
1a FM bei CAFM: Fortführen der Struktur und Nomenklatur
2 Berechnungen
alle für das Brand-
schutzkonzept notwen-
digen Berechnungen
Es dürfen aus der Tiefe der Berechnungen später
keine grundsätzlichen Änderungen mehr resultieren.
Volumenströme Kühllast Heizlast
Thermische Gebäude- simulation bzw. Strömungs- simulationen sind ggf. Projektespezifisch
mit Ziel- setzung der Untersuchung zu vereinbaren.
3 Bemessung
hauptsächlich
alle für das Brand-
schutzkonzept notwen-
digen Dimensionierun-
gen
Die Bemessung erfolgt auf der Grundlage der vorliegenden Berechnungen. Die
Bemessung hat so zu erfolgen, dass grundsätzliche Änderungen in der
Ausführungsplanung bei unveränderten Planungsgrundlagen vermieden werden.
RLT-Geräte Wärmetauscher Luftdurchlässe
4 Schemata Funktionsschema
Strangschema alle für das Brand-
schutzkonzept notwen-
digen Zeichnungen
Funktionsschemata zur Darstellung der Funktionen der geplanten Anlagen falls erforderlich
für jede Anlage mit Funktion Gerät und Prinzip der Luftverteilung
alle Komponenten für einen sicheren Betrieb aufzeigen
5 Grundrisse
Maßstab 1 : 100
Einbauteile
hauptsächlich
Zentralen
Schnitte
Schächte
Darstellung aller Ver- und Entsorgungsnetze
mit den wesentlichen Funktionsgruppen und Funktionselementen
Darstellung mit Haupt- Dimensionen BSK, VSR, DK, Luftdurchlässe
Möblierung
Für Installationsschwerpunkte sind Schnitte zu liefern. Ein Installationsschwerpunkt liegt vor,
wenn mehrere Gewerke kreuzen, übereinander liegen oder gemeinsam ausfädeln.
Die Schnitte haben alle Gewerke zu berücksichtigen. Der Planer soll mit ihnen prüfen und
zeigen, dass der angenommene Installationsraum ausreichend ist und benötigt wird.
Belegung der Schächte an der Stelle der jeweils größten Installationsdichte,
inklusive Hinweis auf die Art des Brandschutzes
6 Koordination gemeinsame Schnittstellendefinition zwischen den Gewerken der KG 400,
nutzer- bzw. bauherrenseitigen oder bauseitigen Leistungen (Listen)
Die Koordination erstreckt sich in dieser Phase bereits auf die Ausführbarkeit der Planung.
Dazu sind eventuell Schnitte und Schachtausfädelungen erforderlich.
7 Bauangaben statisch relevante Durchbruchsgrößen und Lasten
In diesem Stadium der Planung brauchen diese Informationen nicht durch S+D-Pläne
gemacht werden. Die Angaben müssen jedoch eindeutig sein.
8 Erläuterung Fazit aus der Vorplanung bzw. Stellungnahme, falls diese durch Dritte erstellt wurde.
Der Erläuterungsbericht enthält alle Angaben, Beschreibungen, Daten und
Zusammenstellungen, um die Planung nachvollziehen und beurteilen zu können.
9 Kosten Grundlage: Berechnung der Mengen von Bezugseinheiten der Kostengruppe und Multiplikation mit Kostenansatz bis zur 2. Stufe der DIN 276
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
67
Genehmigungsplanung nach VDI 6026
Laut VDI 6026 heißt es: Die Genehmigungsplanung muss alle relevanten
Angaben enthalten, die für die öffentlich-rechtliche Genehmigung durch die
genehmigenden Stellen notwendig sind. Es wird empfohlen, den Umfang der
Genehmigungsunterlagen und deren Bearbeitungstiefe mit der genehmigenden
Behörde abzustimmen [25].
Tabelle 29: Genehmigungsplanung [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Darstellung der im Entwurf abgestimmten Nutzervorgaben zur Vorlage bei den
Genehmigungsstellen; Darstellung, Berechnungen etc. nach den Vorgaben der
Genehmigungsstellen (in der Regel Wasserbehörden, Baubehörden, Feuerwehr etc.)
sowie anderer Stellen (EVU, VdS etc.)
Die Genehmigungsplanung wird durch die Genehmigungsstelle geprüft und genehmigt.
1a FM bei CAFM: Fortführen der Struktur und Nomenklatur
2 Berechnungen Die Festlegungen der Entwurfsplanung sind berücksichtigt, in die Genehmigungspläne über-
führt und beinhalten die Dimensionierung der Zentralen, Versorgungsanschlüsse und Trassen.
Umfang der beizufügenden Berechnungen ist mit der genehmigenden Stelle abzustimmen. Dazu gehören z.B.:
Volumenströme Geräte der Zentralen Heizlast
3 Bemessung
hauptsächlich
Die Bemessung erfolgt auf der Grundlage der vorliegenden Berechnungen des Entwurfs;
hierbei sind alle für das Brandschutzkonzept notwendigen Bemessungen zu berücksichtigen.
RLT-Geräte Wämeübertrager Schalldämpfer Luftdurchlässe Kanäle
4 Schemata
Funktionsschema
Strangschema
Funktionsschemata zur Darstellung der Funktionen der geplanten Anlagen
mit den relevanten Anlagenbauteilen sowie alle für das Brandschutzkonzept
notwendigen Darstellungen falls erforderlich
für jede Anlage mit Funktion Gerät und Prinzip der Luft- verteilung
alle Komponenten für einen sicheren Betrieb aufzeigen Messstellen
5 Grundrisse
Maßstab 1 : 100
Zentralen
Schächte
Darstellung aller Ver- und Entsorgungsnetze mit den wesentlichen Funktionsgruppen und
Funktionselementen sowie alle für das Brandschutzkonzept notwendigen Einbauteile
Darstellung mit Haupt- Dimensionen BSK, VSR, DK, Luftdurchlässe
Möblierung
Hinweis auf die Art des Brandschutzes
6 Erläuterung Der Erläuterungsbericht enthält alle Angaben, Beschreibungen, Daten und Zusammen-
stellungen, um die Planung nachvollziehen, beurteilen und genehmigen zu können.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
68
Ausführungsplanung nach VDI 6026
Die Grundlage für die Ausführungsplanung ist die genehmigte Entwurfsplanung.
Sämtliche Berechnungen und Dimensionierungen sowie Beschreibungen der
Anlagenteile müssen vorhanden sein. Zeichnerisch sind Ein- und
Ausfädelungen von Leitungen und Leitungstrassen und deren Querungen
soweit notwendig durch Schnitte oder Ausschnittsvergrößerungen der Pläne
darzustellen, damit die Koordinierung der Gewerke deutlich wird [25].
Tabelle 30: Ausführungsplanung [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Eine ausführungsreife Planungslösung,
in der die funktionalen Vorgaben des AG (Bausoll) umgesetzt wurden. Diese
ist mit allen Gewerken koordiniert, technisch und terminlich ausführbar.
Umsetzen der von der Behörde genehmigten und
dem Auftraggeber freigegebenen Planungsunterlagen.
1a FM bei CAFM: Fortführen der Struktur und Nomenklatur
2
2.1
Berechnungen
abschließende
Berechnungen
Die in der Entwurfsplanung erstellten Berechnungen sind in der Ausführungsplanung
zu überprüfen und fortzuschreiben und gegebenenfalls sind auch Simulationen zu erstellen.
Grundlegende Veränderungen und Abweichungen zur Entwurfsplanung
sind zu dokumentieren und zu begründen.
Vollständige Berechnung aller Anlagen/-teile unter Berücksichtigung aller Schnittstellen
zum Schallschutz, Brandschutz, Wärmeschutz
Angaben zum Schallschutz, Wärmeschutz, Brandschutz
Kühllast Heizlast vollständige
Kanalnetzberechnung
Volumenströme Leistungsbilanz Auslegung Zentralgeräte
3
3.1
3.2
Bemessung
Ver-/Entsorgung
Verteilung
Die Bemessung erfolgt auf der Grundlage der abschließenden Berechnungen.
RLT-Geräte Wärmeübertrager Befeuchter, Entfeuchter
Schalldämpfer Regelorgane Kanäle, Rohre Luftdurchlässe
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
69
Tabelle 31: Ausführungsplanung (Fortsetzung) [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
4
4.1
4.2
Schemata
Funktionsschemata
Strangschema/
Schaltplan
Schemata mit zugehörigen Leistungsdaten, Dimensionen, Voreinstellungen
und Komponenten inklusive Gebäudeautomationskomponenten,
die für eine Funktion der Anlage erforderlich sind
für jede Anlage mit Funktionskomponente und Prinzip der Luft- verteilung
mit Auslegungsdaten/ Parametern
5 Grundrisse
Maßstab 1 : 50 Ausführungsreife Darstellung inklusive der Koordination mit Dimensionen und Komponenten;
wenn sinnvoll, in Mehrstrichdarstellung
Es sind sämtliche Komponenten darzustellen,
die zur ordnungsgemäßen Funktion der Anlage erforderlich sind. Platzvorhaltungen,
Flächen zur Bedienung und Instandhaltung sowie Einbringungswege sind darzustellen,
z. B. gemäß VDI 2050.
Vollständige Bemaßung (inkl. Höhenangaben) von Trassen (Kanäle, Rohrleitungen, Elektro),
Apparaten, Komponenten (z. B. Kessel, RLT-Geräte, Behälter, Schaltschränke, Verteiler etc.)
mit genauen Bezugsmaßen zum Bauwerk und anderen Gewerken ist einzutragen.
Art und Umfang der erforderlichen Dämmung und des Brandschutzes sind anzugeben.
Vorgaben für Nach- und Überströmungen
5.1
5.2
5.3
5.4
Schnitte/Details
Maßstab mind. 1 : 50
bis 1 : 1
Schächte/Trassen
Schnittstellen
relevante Angaben für
andere Planungs-
beteiligte
Für Installationsschwerpunkte und Zentralen mit allen Gewerken
und der erforderlichen Bemaßung
Der Maßstab ist so zu wählen, dass Übersichtlichkeit und Verständnis gegeben sind.
Ein Installationsschwerpunkt liegt vor, wenn Gewerke kreuzen, übereinander liegen
oder gemeinsam ausfädeln.
Schachtbelegung und Schachtausfädelung mit allen darin geplanten Gewerken
inklusive der Brandschutzausführung
Die Zentralen und Schächte sind im Detail mit allen erforderlichen Schnitten darzustellen.
Nach Bedarf sind die Zeichnungen im angemessenen Maßstab darzustellen.
Eindeutige Darstellung von Schnittstellen einander tangierender Gewerke,
nutzer- bzw. bauherren- oder bauseitiger Leistungen
Darzustellen sind Anforderungen und Leistungsumfang z. B.
freier Querschnitt bauseitiger WSG etc.
z. B. für Deckenspiegel, Wandabwicklungen, Fliesenspiegel
Revisionsöffnungen
Schlitz- und Durchbruchangaben sowie Einbauten und Montageöffnungen mit genauer Positionierung
Bemaßung mit eindeutigen Bezugsmaßen zum Gebäude
6 Fortschreibung Sollte das Ergebnis der Ausschreibung Konstruktionsänderungen erforderlich machen,
so ist die Ausführungsplanung auf diese Ergebnisse hin fortzuschreiben.
7 Erläuterung Beschreibung der funktionalen Wirkungsweise der einzelnen Anlagen mit Angaben aller notwendigen Kenn-, Betrieb- und Auslegungsdaten
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
70
Montageplanung nach VDI 6026
Die Grundlage für die Montageplanung bildet die Ausführungsplanung.
Berechnungen und Bemessung der Anlagen sind zu prüfen. Im Rahmen der
Montageplanung sind Befestigungen für Leitungstrassen soweit erforderlich zu
dimensionieren. Montagepläne müssen für die Arbeit auf der Baustelle alle für
die ausführenden Handwerker notwendigen Angaben wie Festpunkte,
Leitungsabschnitte, Befestigungen, Bauteile, Einbauorte von Messfühlern,
Revisionsöffnungen enthalten, sodass die Ausführung keiner weiteren
Abstimmung zwischen den Gewerken bedarf [25].
Tabelle 32: Montageplanung [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Die vom Auftraggeber übergebene koordinierte Ausführungsplanung,
in Papierform und auf Datenträger, ist zu überprüfen.
Die Unterlagen der Montageplanung dienen als Information für Auftraggeber, Objektplaner,
andere Auftragnehmer und Objektüberwachung.
Montageplanung ist die Ergänzung der übergebenen Ausführungsplanung
um die für die Montage notwendigen Angaben.
Sie ist mit dem Auftraggeber abzustimmen und von diesem freizugeben.
1a FM bei CAFM: Fortführen der Struktur und Nomenklatur
1b Zielvorgaben der
Prüfung Prüfung der Berechnung und Dimensionierung gem. ATV DIN 18 379, Abschn. 3.1.3 ff.
2 Schnittstellenangaben Angaben für die zur Montage vorgesehenen Einbauteile, z. B. Stromaufnahme, Gewichte der Einbauteile, Fundamentangaben, relevante Befestigungsteile,
Abdichtungen zum Gebäude, Angaben zu Datenpunkten
3 Schemata Vervollständigen der Funktions-, Regel- und Strangschemata für die Montage
Stromlaufpläne allpolig der Schaltschränke, Verteilungen und Unterverteilungen sowie
Schaltungsunterlagen und Klemmenlisten Anpassung der Funktionsbeschreibung
und Konfiguration der Software-Parameter für die Montage
4
4.1
Zeichnungen
Grundrisse
Maßstab 1 : 50 bis 1 : 10
Darstellung aller Anlagen mit allen Einbauteilen, die zur Montage der Anlage erforderlich
sind. Hierbei ist der Platzbedarf für Reparaturen und Instandhaltung zu berücksichtigen.
Erstellen der Montageplanung auf Basis der Ausführungsplanung um die für die Montage
relevanten Angaben, insbesondere auch Werkstattzeichnungen für Komponenten
Angaben zur Umsetzung brandschutztechnischer Maßnahmen
(Darstellung und Kennzeichnung) Luftleitungen mit Positionsbezeichnungen gemäß Stücklisten Angaben zu Leitungsverbindungen genaue Typbezeichnungen und techn. Daten der
Einbaukomponenten Darstellung von Halte- und Befestigungskonstruktionen soweit für die Montage erforderlich:
Anordnung und Bemaßung: Kennzeichnung der versch. Medienströme nach EN/DIN/VDI
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
71
Tabelle 33: Montageplanung (Fortsetzung) [25]
Lfd. Nr. Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
4.2
4.3
Schnitte und Details
Fundamentangaben
• Angaben zu
Wärmedämmungen
• Angaben über Trassenführungen
• Einbaustellen für Mess-, Regel- u. Stellorgane, mit Angabe von Soll- und Grenzwerten
• Angaben zur Einstellung von Drossel- und Regelarmaturen
• Liefergrenzen und Übergabepunkte zu angrenzenden Leistungen
• Hinweise für die Werkstatt, Angaben für die Vorfertigung
• Raumdaten (z. B. Luftmengen, Temperatur, Feuchte)
eindeutige Darstellung von Schnittstellen einander tangierender Gewerke
Sofern für die Montage erforderlich, sind für die Zentralen, Trassen und Schächte
Schnitte und Details im erforderlichen Maßstab anzufertigen.
Fundamentpläne müssen Angaben über Abmessungen, Lasten sowie Hinweise zum Aufbau
und den Beschichtungen des Fundamentes enthalten.
Die für den Bau relevanten techn. Daten (z. B. Emissionswerte) sind anzugeben.
5 Weitere relevante
Angaben für andere Baubeteiligte
Kennzeichnung und Bemaßung von Inspektions- und Wartungsöffnungen
für technische Komponenten, die eine Zugänglichkeit erfordern
Bei den angrenzenden Gewerken ist die Zugänglichkeit dieser Bauteile
durch geeignete Maßnahmen (z. B. Öffnungen, Klappen) zu gewährleisten.
6 Anlagenbeschreibungen Die vom Bauherren/Planer übernommenen Anlagenbeschreibungen sind um bauspezifische und betriebliche Angaben, die Auswirkungen auf die
Montage und Inbetriebnahme haben, zu ergänzen.
7 Baustelleneinrichtung,
Baulogistik Es sind Angaben zu machen über z. B. Baustelleneinrichtungen, Lagerflächen,
Transportwege und Liefertermine, die eine Koordination der Baulogistik ermöglichen.
Normative Vorgaben, Richtlinien und Empfehlungen
72
Revisionsunterlagen nach VDI 6026
Revisionsunterlagen enthalten sämtliche Unterlagen und Angaben, die zum
Betreiben (Bedienen, Inspizieren, Warten, Instandsetzen, Verbessern)
notwendig sind [25]. Beteiligte Auftragnehmer müssen für die erbrachten
Leistungen die entsprechenden Unterlagen zur Verfügung stellen [25]. Der
Auftraggeber ist für die Dokumentenstruktur der Revisionsunterlagen
verantwortlich.
Tabelle 34: Revisionsunterlagen [25]
Lfd. Nr. Abwasser-, Wasser-, Gasanlagen/
Feuerlöschanlagen
KG 410/475
Wärmeversorgungs-
anlagen
KG 420
Raumlufttechnische
Anlagen
KG 430
1 Zielvorgaben Die Revisionsunterlagen, die u. a. aus Bestandsplänen, Bedienungs- und Wartungsunterlagen bestehen, sind in Papierform und/oder auf Datenträger zu übergeben
und sollen den Auftraggeber, Nutzer und Betreiber in die Lage versetzen,
die Anlagen sicher zu nutzen und zu betreiben.
Es müssen eindeutige Angaben zu Wartung, Instandhaltung, Sicherheitshinweisen, Betrieb, Stör- und Fehlerbehandlung etc. enthalten sein.
1a FM bei CAFM: Fortführen der Struktur und Nomenklatur
2 Planungsunterlagen und
Berechnungen Unterlagen gemäß zugehöriger VOB/C
Die Berechnungen, die Genehmigungsbestandteil sind, sind beizufügen.
3 Schriftdokumente Betriebs-, Wartungs- und Bedienungsanleitungen mit allen für den Betrieb relevanten Angaben
Angaben über die tatsächlich zur Ausführung gelangten Einbauteile für Betrieb, Wartung, Instandhaltung, Störbeseitigung, Ablaufbeschreibungen,
Funktionsbeschreibungen, Datenpunktliste und technische Angaben,
z. B. Stromaufnahme, Gewichte der Einbauteile etc.
Liste der Ersatzteile, die der Betreiber vorhalten soll
4 Schemata
Funktionsschema
Strangschema
Schaltplan
Anpassung der Funktions-, Regel- und Strangschemata an die tatsächlich ausgeführte Anlage
Stromlaufpläne allpolig der Schaltschränke, Verteilungen und Unterverteilungen,
Schaltungsunterlagen, Klemmenlisten mit Querverweisen zu den Schnittstellen anderer
Gewerke, Funktionsmatrix
5
5.1
5.2
Zeichnungen
Grundrisse
Maßstab 1 : 50 bis 1 : 10
Schnitte und Details
Darstellung aller Anlagen mit allen Einbauteilen
Angaben zu brandschutztechnischen Maßnahmen, Dämmungen und Isolierungen
Die Inhalte entsprechen der tatsächlich ausgeführten Anlage.
Anordnung und Bemaßung von Anlageteilen Kennzeichnung der versch. Medienströme
Kennzeichnung und Vermaßung von Revisions und Wartungskomponenten Platzbedarf für Reparaturen und Instandhaltung
Angaben zum Schutz von Trassen • Darstellung der Trassen
• Einbaustellen für Mess-, Regel- u. Stellorgane • Angaben zur Einstellung von Drossel- und Regelarmaturen
• Darstellung von Liefergrenzen • Raumdaten (z.B. Luftmengen, Temperatur, Feuchte)
Zentralen, Trassen und Schächte: Schnitte und Details,
die für einen ordnungsgemäßen Betrieb notwendig sind
Freie Lüftung
73
3 Freie Lüftung
Fensterlüftung ist bislang die geläufigste Art zu lüften. In den meisten Schulen
gibt es keine maschinellen Lüftungsanlagen d.h., dass die Luftqualität in den
Klassenräumen allein durch die Fensterlüftung sichergestellt werden muss.
Durchgeführte CO2-Messungen zeigen, dass vor allem in den Wintermonaten
CO2-Konzentrationen über weite Teile des Unterrichtes im Bereich hygienisch
auffälliger (1000 bis 2000 ppm) und hygienisch inakzeptabler Werte (CO2 >
2000 ppm) liegen. Es werden dabei teilweise Konzentrationen von ca. 5000
ppm erreicht. Fenster werden aufgrund niedriger Außentemperaturen selten
und nur kurzzeitig geöffnet. Die Anforderungen der EnEV verschärfen die
Situation in der Hinsicht, dass neue oder sanierte Schulen bei geschlossenen
Fenstern und Türen einen vernachlässigbar geringen Luftwechsel aufweisen. So
verläuft die Anreicherung von CO2 und anderen biologischen und chemischen
Stoffen in der Luft sehr schnell. Die Folgen sind erwartungsgemäß, Müdigkeit,
Konzentrationsschwierigkeiten, Kopfschmerzen bis hin zu gesundheits-
bezogenen Beschwerden wie die Reizung von Augen, Nase und Rachen.
Aus energetischer Sicht ist freie Lüftung durch Fenster in der Winterzeit nicht
sinnvoll, weil zwangsläufig viel Wärme nach außen entweicht. Außerdem
kommt es häufig zu unzumutbaren Zuglufterscheinungen. Im Passivbau stellt
die Fensterlüftung an kalten Tagen ein weiteres Problem dar. Aufgrund der
geringen Heizlast, dürfen die Räume nicht abgekühlt werden, da eine
Aufheizung auf die Normtemperatur in absehbarer Zeit nicht möglich ist. In
kalten Räumen steigt das Risiko der Feuchtebildung an Bauteilen, dies kann
u.a. zur Schimmelbildung führen.
In den Sommermonaten und an warmen Tagen in der Übergangszeit kann die
Fensterlüftung eine ausreichende Luftqualität in Innenräumen sicherstellen. Bei
der Öffnungsart der Fenster wird unterschieden in Drehfenster (vertikale
Drehachse) bzw. Dreh-Kipp-Fenster (vertikale und horizontale Drehachse). Der
Luftaustausch variiert in Abhängigkeit von der Öffnungsart. Für eine
Stoßlüftung mit einem quantitativ deutlichen Luftwechsel kommen weit zu
öffnende Drehfenster (vertikale Drehachse) in Betracht. Zum Dauerlüften im
Freie Lüftung
74
Sommer und der Übergangszeit sind Kippfenster und zu öffnende Oberlichter
(mit ausreichendem Anpressdruck) sinnvoll.
3.1 Grundlagen zur freien Lüftung
Freie Lüftung beruht auf dem Prinzip der Druckdifferenzen zwischen innen und
außen, die infolge von Temperaturunterschieden oder durch Windkräfte
entstehen.
Bei der freien Lüftung wird nach Öffnungsart, Einbauort der Öffnungen für
Zuluft und Abluft sowie der Lüftungsart unterschieden. In Abbildung 6 ist der
Zusammenhang der Wirkmechanismen der freien Lüftung schematisch
dargestellt [19].
Abbildung 6: Wirkmechanismen der freien Lüftung [19]
Alle diese Formen der freien Lüftung sind dadurch gekennzeichnet, dass der
Lufttransport ohne den Einsatz von Technischen Geräten erfolgt. Der
Luftaustausch wird durch Druckdifferenzen infolge von Dichtedifferenzen, auf
Grund von Temperaturdifferenzen und Windverhältnissen bewirkt. Die beiden
Bedingungen sind eine notwendige Voraussetzung, die nicht immer und nicht
immer gleich und demzufolge nicht gesichert vorliegen. Deswegen kann mit
Freie Lüftung
75
der freien Lüftung keine gesicherte Lüftung erfolgen. Diese Feststellung gilt
umso mehr je dichter die Bauausführung ist [3].
Die häufigste Form der freien Lüftung ist die Fensterlüftung. Die Fugenlüftung
ist nur noch beim unsanierten Altbau zu finden. Neugebaute oder sanierte
Gebäude werden gemäß der EnEV sehr dicht ausgeführt, so dass die Lüftung
über Fugen vernachlässigbar gering ist. Bei den Lüftungsmöglichkeiten wird
unterschieden in einseitige Lüftung, zweiseitige Querlüftung und
Schachtlüftung. Das Entscheidende bei der freien Lüftung ist die Art zu lüften.
Grundsätzlich handelt es sich immer um Dauer- oder Stoßlüftung. Auf die
beiden Aspekte wird im weiteren Verlauf noch eingegangen.
3.1.1 Fensterlüftung
Der Luftaustausch über Fenster hängt von der Anordnung der Zu- und
Abluftöffnungen ab, es wird unterschieden nach einseitiger Lüftung und
zweiseitiger Querlüftung.
Bei einseitiger Lüftung mit einer Öffnung strömt die Luft durch dieselbe
Öffnung sowohl hinein als auch hinaus. Der Zuluftmassenstrom sowie der
Abluftmassenstrom werden durch eine neutrale Ebene getrennt, die in Höhe
des Nullpunkts des Differenzdrucks liegt [19].
Bei einer geometrisch über die Höhe identischen Öffnung, z.B. ein an der
vertikalen Achse geöffnetes Fenster, liegt dieser Nullpunkt in der Mitte der
Öffnung [19].
Bei einem gekippten Fenster liegt die neutrale Ebene weit oberhalb der
Fenstermitte [19]. Der Luftaustausch über ein gekipptes Fenster ist in
Abbildung 7 dargestellt.
Freie Lüftung
76
Abbildung 7: Luftaustausch bei geöffnetem Kippfenster (Außentemperatur
niedriger als die Innentemperatur [20]
Wenn die Außentemperatur niedriger ist als die Innentemperatur, tritt über
den unteren Teil der Öffnungsfläche Außenluft in den Raum ein, die warme
Innenraumluft strömt im oberen Teil der Öffnungsfläche nach außen [20]. Bei
Windeinwirkungen vergrößert sich der Luftaustausch aufgrund der größeren
Druckdifferenz zwischen innen und außen. „Der Einfluss des Windes ist von der
Lage des Raumes im Gebäude abhängig. Es besteht vor allem ein Einfluss,
wenn die Anströmung nicht gleichmäßig über die Fensterfläche verteilt ist.
Davon sind besonders Eckräume oder die Räume in den oberen Stockwerken
betroffen. Es können durch Wind auch Pulsationen hervorgerufen werden, die
den Luftaustausch beeinflussen [20].“
Das Zusammenwirken von Wind- und Temperaurdifferenz auf den Luft-
austausch lässt sich vereinfacht anhand der folgenden Abbildung zeigen.
Freie Lüftung
77
Abbildung 8: Äußere Einflüsse auf den Luftwechsel [21]
In Abbildung 8 ist der Luftwechsel in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz
sowie der Windgeschwindigkeit dargestellt. Es sind zwei Bereiche zu sehen, die
durch eine Linie getrennt sind. Der linke Bereich wird vom Temperatureinfluss
dominiert, es bestehen nur kleine Windgeschwindigkeiten. Rechts der Linie ist
der Bereich mit großem Windeinfluss auf den Luftwechsel dargestellt.
Kennzeichnend in diesem Bereich sind die deutlich höheren
Luftgeschwindigkeiten.
In Bezug auf die Raumluftströmung bei gekippten Fenstern zeigt sich, dass sie
weitestgehend unabhängig vom Wind ist. Ist die eintretende Luft kälter als die
Luft im Raum, fällt sie zu Boden und vermischt sich zum Teil mit
Raumluft [20]. Der Verlauf der Raumluftströmung beim gekippten Fenster ist
in Abbildung 9 zu sehen.
Freie Lüftung
78
Abbildung 9: Raumluftströmung beim gekippten Fenster [20]
Die Abluft strömt im oberen Teil des Fensters nach außen. Der ein- und
austretende Luftvolumenstrom ist gleich groß [20]. Im Hinblick auf die
thermische Behaglichkeit ist in diesem Zusammenhang die Luftgeschwindigkeit
in Bodennähe ein wesentliches Kriterium. In [20] heißt es, dass die
Raumströmung bei dieser Art der Lüftung (Fenster in Kippstellung) einer
Quellluftströmung entspricht. Durch die einströmende kältere Luft von außen
bildet sich in Bodennähe eine Frischluftschicht. Die frische Luft steigt an
Wärmequellen aufgrund des thermischen Auftriebs nach oben und verdrängt
dabei die verbrauchte, mit Verunreinigungen angereicherte Luft.
Die Luftgeschwindigkeiten bei der Quellluftströmung sind sehr niedrig
(<0,15 m/s), so dass Zugerscheinungen in der Regel nicht auftreten [3]. Bei
niedrigen Außenlufttemperaturen kann es trotz niedriger Strömungs-
geschwindigkeit in der Nähe der Fenster ziehen und zu kalt sein.
Im Falle einer einseitigen Lüftung und vollständig geöffnetem Fenster kann im
Raum eine Mischströmung erzeugt werden [20].
Freie Lüftung
79
Befinden sich die Öffnungen in verschiedenen Wänden, spricht man von einer
zweiseitigen Querlüftung. Die beste Raumdurchspülung wird bei Anordnung der
Fenster an zwei gegenüberliegenden Seiten erreicht. Im Vergleich zu der
einseitigen Lüftung ist der realisierbare Luftwechsel bei der Querlüftung
deutlich größer, vor allem, wenn die Zuluftöffnung an der dem Wind
zugewandten Seite und die Abluftöffnung an deren abgewandten Seite
liegt [19].
Ergänzend zu der Querlüftung ist erwähnenswert, dass bei geöffneten Türen zu
Nachbarräumen und Fluren ein Luftaustausch quer durch das Gebäude erfolgen
kann [20]. In diesem Fall werden zwei Möglichkeiten unterschieden:
a) In den betrachteten Raum strömt über angrenzende Räume zusätzliche
Luft:
Für diesen Fall gilt aus Kontinuitätsgründen, dass der Abluftstrom durch das
Fenster um diesen Anteil größer als der Zuluftstrom durch diese Fenster ist.
Die Höhe der Nulllinie ist niedriger als bei reiner Fensterlüftung. Durch den
geringen Zuluftstrom ist nicht mit erhöhten Luftgeschwindigkeiten zu
rechnen [20].
b) Aus dem betrachteten Raum strömt Luft in angrenzende Räume:
In diesem Fall ist der Zuluftstrom durch das Fenster größer als der
Abluftstrom. Die Nulllinie liegt höher [20].
Bei warmen Außentemperaturen kann sich der Strömungsverlauf, wenn die
Luft innen kälter ist, umkehren. Die Raumluft, deren Temperatur unterhalb der
Außenluft liegt, entweicht durch den unteren, offenen Querschnitt des
Fensters. Die warme Außenluft strömt durch den oberen offenen Querschnitt in
den Raum. Die Folge davon ist die Erwärmung der Raumluft und zwar solange
bis ein Ausgleich stattgefunden bzw. ein stationärer Zustand sich eingestellt
hat [20].
3.1.2 Schachtlüftung
Schachtlüftung ist eine weitere Form der freien Lüftung. Hierfür ist ein
Vertikaler Lüftungsschacht erforderlich. Voraussetzung für eine effektive
Lüftung sind ausreichend hohe Schächte, Temperaturdifferenzen sowie ein
widerstandsarmer Strömungsweg von der Zuluftöffnung bis zum
Freie Lüftung
80
Schachtende [19]. Sind Außenluft- und Raumlufttemperatur gleich, findet über
einen Schacht kein Luftaustausch statt. Ist die Außenluft wärmer als innen
ändert sich die Strömungsrichtung und durch den Schacht dringt warme Luft
ins Gebäude ein [3]. Schachtlüftung tritt immer in Kombination mit einseitiger
oder mit Querlüftung auf. Im Vergleich zu einseitiger und Querlüftung allein ist
die Schachtlüftung in Verbindung mit Querlüftung wesentlich effektiver [19].
Schächte in Gebäuden treten meistens in Form von Treppenhäusern,
Aufzugsschächten oder dergleichen auf [19]. In Abbildung 10 ist ein Beispiel
für die Druckverteilung infolge von Temperaturdifferenzen in einem Gebäude
dargestellt.
Abbildung 10:Druckverlauf im Gebäude infolge von Temperaturdifferenzen [3]
Im Winter entsteht infolge der Dichteunterschiede der warmen und kalten Luft
eine Druckverteilung an der Außenwand. Auf Grund dessen entsteht im Raum
oben ein geringer Überdruck und unten ein geringer Unterdruck gegenüber der
Außenluft, siehe Abbildung 10. Sind die Höhenunterschiede zwischen zwei
Öffnungen, z. B. in einem Treppenhaus oder einem Aufzugsschacht, sehr groß,
ergeben sich daraus größere Druckdifferenzen, die dann erhebliche
Luftströmungen hervorrufen. Im unteren Teil des Gebäudes strömt die Luft ein,
durchströmt es von unten nach oben und verlässt es oben wieder [3].
Freie Lüftung
81
3.1.3 Schachtlüftung in Schulen
Schulen, die zwischen 1900 bis kurz nach dem zweiten Weltkrieg erbaut
wurden, verfügten oft über Schachtlüftungssysteme [52]. In folgenden
Forschungsprojekten wurde die Effektivität der Schachtlüftung untersucht.
In [52] sind die Ergebnisse der Untersuchung der Luftqualität und der
thermischen Behaglichkeit einer Schule mit Schachtlüftung in München
zusammengefasst. Es handelt sich um ein Forschungsprojekt, welches im
Auftrag der Landeshauptstadt München in Zusammenarbeit mit der Hochschule
Augsburg durchgeführt wurde [52]. Für die Messungen wurde ein altes
Schachtlüftungssystem wieder in Funktion gebracht und zusätzlich ein
Vergleichsraum mit ausschließlicher Fensterlüftung hinzugewählt [52]. Die
Untersuchungsergebnisse zeigen, dass durch die Schachtlüftung die
Luftqualität in Klassenräumen deutlich verbessert wurde [52]. Im Sommer
wurden Effekte von Strömungsumkehr, die an wenigen Tagen im Jahr zu einer
verminderten Durchlüftung der Raume in der Nutzungszeit fuhren,
festgestellt [52]. Im Winter führte die Einbringung der Frischluft in einigen
Räumen zu einer verminderten thermischen Behaglichkeit [52]. Um dem
entgegenzuwirken, wurde ein Vorheizen der Zuluft vorgeschlagen [52]. Genaue
Angaben zu gemessen CO2-Konzentrationen, Raumtemperaturen, Luft-
geschwindigkeiten sowie der erforderliche Heizwärmebedarf aufgrund höherer
Wärmeenergieverluste sind in [52] nicht enthalten.
Ein weiteres Forschungsprojekt zur Schachtlüftung wurde im Auftrag des
Hochbauamtes der Stadt Kaufbeuren durchgeführt. Im Laufe der Planung für
den Anbau der Jörg-Lederer Schule in Kaufbeuren wurde ein Lüftungskonzept
entwickelt, bei dem Frischluft über Schallgedämmte Elemente in der Fassade in
den Raum strömt und die Abluft über einen solar- und windunterstützten
Kamin abgeführt wird [53]. Im Laufe der Entwicklung wurden mehrere
Lüftungskonzepte mittels dynamischer Gebäudesimulation hinsichtlich
Energiebedarf, Raumklima und Luftqualität untersucht [53]. Als Höchstwert für
die CO2-Konzentration im Innenraum wurde 1500 ppm festgelegt [53]. Der
erforderliche Luftvolumenstrom um die kritische CO2-Konzentration von 1500
ppm nicht zu überschreiten, liegt laut [53] bei 15 m³/(h Pers). Im Bericht wird
Freie Lüftung
82
darauf hingewiesen, dass die DIN 1946 einen Luftvolumenstrom von 30 m³/(h
Pers) empfiehlt. „In Bezug auf die Luftqualität erziele der höhere
Luftvolumenstrom 30 m³/(h Pers) keine signifikante Verbesserung, jedoch
verdoppele sich der Jahresheizenergiebedarf gegenüber einem Grundluft-
wechsel von 15 m³/(h Pers) [53].“
In der nächsten Abbildung ist der spezifische Jahresenergiebedarf in
KW/m² a für freie und maschinelle Lüftung dargestellt.
Abbildung 11: Auswirkung des Lüftungskonzeptes auf den
Jahresenergiebedarf [53]
Bei freier Lüftung entsteht bei 15 m³/(h Pers) im Vergleich zur maschinellen
Lüftung ein geringfügig kleinerer Jahresenergiebedarf. Bei 30 m³/(h Pers)
erweist sich eine maschinelle Lüftungsanlage gegenüber freier Lüftung als
vorteilhafter [53].
Auf dieser Grundlage wurde ein Lüftungskonzept in Form einer Schachtlüftung
für den Anbau der Jörg-Lederer-Schule in Kaufbeuren erstellt. Detaillierte
Angaben zum Lüftungskonzept sind dem Abschlussbericht in [53] zu
entnehmen. Nach der Fertigstellung des Anbaus wurde eine 3-phasige
Messkampagne durchgeführt. Die Messungen fanden im Sommer, Winter und
in der Übergangszeit mit einer Messzeit von jeweils 1 bis 2 Wochen statt [53].
Bei den Messungen wurden Sonneneinstrahlung, Umgebungstemperatur, die
Raum- und Ablufttemperaturen und die Luftgeschwindigkeiten der Abluft in
Freie Lüftung
83
zwei Klassenräumen erfasst [53]. Die CO2-Konzentration zur Beurteilung der
Luftqualität wurde leider nicht gemessen. Im Bericht wird jedoch erwähnt, dass
die geplanten Luftvolumenströme der Grundlüftung von 300 𝑚³/ℎ für eine
optimale Luftqualität nicht ausreichen würden, eine Kombination mit
Stosslüftung in den Pausen sei erforderlich, um eine optimale Luftqualität
sicherzustellen [53]. Einen Nachweis über Einhaltung der CO2-Konzentration
von 1500 ppm in Klassenräumen gibt es nicht.
Durch die Messkampagne wurden mehrere Problemstellen aufgedeckt, so
musste z. B. die Steuerung der Anlage nach Inbetriebnahme überarbeitet und
angepasst werden, weil die Heizung bei Betrieb der Lüftung durch die Regelung
ausgeschaltet wurde. Niedrige Temperaturen in Klassenräumen in der
Heizperiode führten zu Beschwerden der Nutzer. Die Regelung der Lüftung
bedarf jedoch einer weiteren Optimierung [53].
Es wurde auch festgestellt, dass einige Funktionen der Anlage nicht genutzt
wurden. Während der sommerlichen Messreihe war die Nachtluftspülung nicht
aktiviert [53]. Dies führt zu hohen Raumtemperaturen während der Nutzungs-
zeit.
In einem nach Süden orientierten Klassenraum wurden hohe Temperaturen
gemessen und die Nutzer klagten über die schlechte Luftqualität [53]. Einige
Vorschläge zur Lösung des Problems sind in [53] beschrieben, es fehlt jedoch
eine Bestätigung zur Beseitigung aufgetretener Probleme.
Freie Lüftung
84
3.1.4 Fazit zu Schachtlüftung in Schulen
Der Luftaustausch bei freier Lüftung wird über Druckunterschiede, durch
Temperaturdifferenzen und Windeinfluss bewirkt. Die vielen Einflussfaktoren
haben zur Folge, dass bei freier Lüftung kein definierter Luftwechsel möglich ist.
Schachlüftung ist eine Form der freien Lüftung. Durch große
Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen können im Winter hohe
Luftvolumenströme sichergestellt werden. Sind im Sommer die Außenluft- und
Raumlufttemperatur gleichgroß, findet kein Luftaustausch statt. Ist im Sommer
außen wärmer als innen kehrt die Bewegungsrichtung der Luft um und warme
Luft dringt durch den Schacht ein.
Diese Eigenschaften der Schachtlüftung wurden in den o.g. Projekten noch
einmal bestätigt. Im Sommer wurden Effekte wie Strömungsumkehr und
verminderte Durchlüftung festgestellt. Im Winter verursacht die Einbringung
der kalten Luft eine Verminderung der thermischen Behaglichkeit. Um die
Anforderungen an die thermische Behaglichkeit zu erfüllen, muss im Winter die
einströmende Luft vorgeheizt werden.
Diese Wärme geht mit der Abluft nach außen wieder verloren. Es entstehen
dadurch hohe Energieverluste. Bei der Einhaltung einer hygienisch
unbedenklichen Luftqualität (CO2 < 1000 ppm) sind Luftvolumenströme von ca.
30 m³/(h Pers) erforderlich. Bei freier Lüftung, unabhängig von der Art
(Fenster- oder Schachtlüftung) ergibt sich bei diesem Luftvolumenstrom ein
hoher Wärmeenergiebedarf, der hohe Energiekosten zur Folge hat. Eine
maschinelle Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung verursacht deutlich
geringere Energiekosten und kann gleichzeitig eine hygienisch unbedenkliche
Luftqualität und thermische Behaglichkeit sicherstellen.
Die energetische Betrachtung der freien und maschinellen Lüftung ist im
Kapitel „Simulation“ ausführlich beschrieben.
Freie Lüftung
85
3.2 Anforderungen an freie Lüftung nach ASR A3.6
Nach ASR A3.6 ist eine ausreichende freie Lüftung, unabhängig von der Form
und Ausführung, nur dann sichergestellt wenn die CO2-Konzentration in Innen-
räumen < 1000 ppm ist [11]. Die vorgeschriebene CO2-Konzentartion kann nur
dann erreicht werden, wenn die erforderlichen Lüftungsquerschnitte sowie die
maximal zulässigen Raumtiefen eingehalten werden, siehe Tabelle 35 [11].
Die Fensteröffnungen sind so anzuordnen, dass eine ausreichend gleichmäßige
Durchlüftung der Arbeitsräume sichergestellt ist. Dauer und Intensität des
Luftaustausches bei freier Lüftung sind so zu gestalten, dass Zugluft möglichst
vermieden wird [11]. Die ASR A3.6 unterscheidet zwei Varianten bzw. Systeme
der freien Lüftung:
System I: Einseitige Lüftung mit Zu- und Abluftöffnungen in einer Außenwand;
gemeinsame Öffnungen sind zulässig.
System II: Querlüftung mit Öffnungen in gegenüberliegenden Außenwänden
oder in einer Außenwand und der Dachfläche.
Freie Lüftung
86
Tabelle 35: Anforderungen an freie Lüftung gemäß ASR A3.6
Anmerkung: Die für die Berechnung in Tabelle 35 zugrunde gelegten Luftgeschwindigkeiten sind
angenommene Werte.
Die Öffnungsfläche für ein gekipptes Fenster berechnet sich wie folgt [11]:
𝐴𝐾𝑖𝑝𝑝 = 𝐵 ∗ 𝑎 + 2 ∗(𝐻 ∗ 𝑎)
2= 𝑎 ∗ (𝐵 + 𝐻) (4)
𝐴𝐾𝑖𝑝𝑝 Öffnungsfläche des Fensters 𝑚2
𝐵 Breite des Fensters 𝑚
𝐻 Höhe des Fensters 𝑚
𝑎 Spaltbreite 𝑚
System
Maximal zulässige
Raumtiefe bezogen auf die
lichte Raumhöhe (h) [m]
Öffnungsfläche zur Sicherung des Mindestluftwechsels
für kontinuierliche Lüftung
[m²/anwesende Person]
für Stoßlüftung
[m²/10 m² Grundfläche]
I
einseitige
Lüftung
Raumtiefe = 2,5 x h
(bei h > 4 m: max.
Raumtiefe = 10 m)
(angenommene Luftge-
schwindigkeit im Querschnitt
= 0,08 m/s)
0,35
1,05
II
Quer-
lüftung
Raumtiefe = 5,0 x h
(bei h > 4 m: max.
Raumtiefe = 20 m)
(angenommene Luftge-
schwindigkeit im Querschnitt
= 0,14 m/s)
0,20
0,60
Freie Lüftung
87
In Abbildung 12 ist eine Skizze zur Bemaßung dargestellt [11].
Abbildung 12: Skizze für die Maße nach ASR A3.6
Die Öffnungsfläche für ein gedreht geöffnetes Fenster wird wie folgt
berechnet [11]:
𝐴𝐷𝑟𝑒ℎ = 𝐵 ∗ 𝐻 (5)
Weitere Anforderungen an freie Lüftung gemäß ASR A3.6:
Eine Verringerung der Lüftungsquerschnitte bei kontinuierlicher Lüftung zur
Anpassung an Witterungsbedingungen (z.B. niedrige Außenluft-
temperaturen, starker Wind) muss durch Verstellbarkeit möglich sein (z. B.
Kippstellung der Fenster). Ist die Verstellbarkeit der Öffnungsfläche fein
justierbar, ist auch bei Außenlufttemperaturen unter +5 °C eine
kontinuierliche Lüftung erreichbar.
Sofern die Personenbelegung oder Nutzung des Bereiches nicht bekannt
sind, ist für die Berechnung der Mindestöffnungsfläche von einer
Grundfläche von 10 m² pro Person auszugehen.
Freie Lüftung
88
Bei sehr geringer Personenbelegung ist für die Berechnung der
Mindestöffnungsfläche von 1 Person je 100 m² auszugehen (z.B.
Lagerhalle).
Stoßlüftung nach ASR A3.6 (Technische Regeln für Arbeitsstätten)
Definition: Unter Stoßlüftung wird der kurzzeitige (ca. 3 bis 10 Minuten),
intensive Luftaustausch zur Beseitigung von Lasten aus Arbeitsräumen über
Fenster verstanden (vollständig geöffnetes Fenster) [11].
Eine Stoßlüftung ist in regelmäßigen Abständen nach Bedarf durchzuführen. Als
Anhaltswerte werden empfohlen:
Büroraum nach 60 min
Besprechungsraum nach 20 min
Die Mindestdauer der Stoßlüftung ist von der Temperaturdifferenz zwischen
innen und außen und dem Wind abhängig. Es kann von folgenden
Orientierungswerten ausgegangen werden [11]:
Sommer: bis zu 10 min (unter Berücksichtigung der Außenlufttemperatur)
Frühling/Herbst: 5 min
Winter: 3 min
Freie Lüftung
89
3.3 Luftaustausch über Fenster nach VDI 2078
Im Gegensatz zu der ASR A3.6, in der die Anforderungen an die maximal
zulässige Raumtiefe und die Öffnungsflächen zur Sicherung des
Mindestluftwechsels angegeben sind, beinhaltet die VDI 2078 u.a.
Näherungsformeln zur Berechnung des Luftaustauschs über Fenster.
Die Formeln gelten für:
vollständig geöffnetes Fenster
gekipptes Fenster mit Kippwinkel von maximal 15 °
Zusätzlich wird unterschieden in:
einzelnes Fenster mit Ein- und Ausströmung in demselben Fenster und
übereinander angeordnete Fenster mit Einströmung im unteren Fenster und
Abströmung im oberen Fenster.
Die Luftmenge wird nur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz für die
vorgegebene Fensterkonstruktion bestimmt [20]. Der Windeinfluss wird wegen
der Komplexität nicht berücksichtigt. Der Volumenstrom �̇� lässt sich nach VDI
2078 mit einer Näherungsformel, dargestellt in Gleichung (6), wie folgt
ermitteln:
�̇� = 3600 ∗ 𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 ∗ √𝑔 ∗ 𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 ∗ ∆𝜗
2 ∗ 𝑇1 (6)
Hierbei ist:
�̇� Volumenstrom 𝑚3/ℎ
𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 wirksame Öffnungsfläche für die Durchströmung,
abhängig von der Fenstergeometrie, dem
Öffnungswinkel und der Fensterlaibung
𝑚²
𝑔 Fallbeschleunigung, 𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠2 𝑚/𝑠2
𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 wirksame Höhe für den thermischen Auftrieb 𝑚
∆𝜗 Temperaturdifferenz zwischen der in den Raum
einströmender und der aus dem Raum ausströmender
Luft
𝐾
𝑇1 absolute Temperatur der in den Raum einströmenden
Luft
𝐾
Freie Lüftung
90
3.4 Vollständig geöffnetes Fenster
Im Folgenden wird die Berechnung von AWirk und HWirk für ein ganz geöffnetes
einzelnes Fenster mit Ein- und Ausströmung in demselben Fenster beschrieben.
Die wirksame Öffnungsfläche berechnet sich nach Gleichung (7) [22]:
𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 =𝐵1 ∗ 𝐻1
3 (7)
Die wirksame Höhe berechnet sich nach Gleichung (8) [22]:
𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 = 𝐻1 ∗2
3 (8)
𝐵1 Breite der lichten Öffnung im Fensterrahmen 𝑚
𝐻1 Höhe der lichten Öffnung im Fensterrahmen 𝑚
Freie Lüftung
91
3.5 Fenster in Kippstellung
Die wirksame Öffnungsfläche AWirk und die wirksame Höhe HWirk werden für
gekippte Fenster gemäß VDI 6007 Blatt 2 unter Berücksichtigung der
Vermaßungsskizze, dargestellt in Abbildung 13, ermittelt [22].
Abbildung 13: Skizze für die Maße von Fensterrahmen
und Fensterflügel beim gekippten Fenster [22]
Die im Folgenden dargestellte Formeln gelten für ein einzelnes gekipptes
Fenster mit Kippwinkel von maximal 15°, mit Ein- und Ausströmung im
demselben Fenster [22].
Die wirksame Öffnungsfläche für gekippte Fenster wird nach Gleichung (9)
berechnet [22]:
𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 = ((𝐵1+ 𝐻1− 𝐻𝜑)∗ 𝑎𝐹𝐿_𝑅𝑎
3) ∗ 𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 (9)
Die wirksame Höhe berechnet sich nach Gleichung (10) [22]:
𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 = (𝐻1 − 𝐻𝜑) ∗2
3 (10)
Freie Lüftung
92
𝐻𝜑 Höhe der Überlappung von Fensterrahmen und
Fensterflügel, berechnet nach Gleichung (11)
Wenn 𝐻𝜑 > 𝐻1, dann gilt 𝐻𝜑 = 𝐻1
𝑚
𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 Abstand zwischen Fensterflügel und Fensterrahmen,
berechnet nach Gleichung (14)
𝑚
𝜑 Öffnungswinkel des Fensters, die Berechnung leitet
sich ab aus der Gleichung (13)
°
𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 Korrekturfaktor für die Berücksichtigung einer
Fensterlaibung, berechnet nach Gleichung.
Wenn 𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 ≤ 𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏, dann 𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 = 1,
Wenn 𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 > 𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏, dann die Gleichung (12)
𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏 Abstand zwischen Mauerwerk und Fensterflügel mit
Überlappung
𝑚
𝐻𝜑 ≈𝑑𝑅𝑎ℎ𝑚𝑒𝑛
sin 𝜑 (11)
𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 = 1 − 0,6 ∗ (1 −𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏
𝑎𝐹𝐿_𝑅𝑎) (12)
𝜑 ≈ arcsin (𝑎𝐹𝑙𝑅𝑎
+𝑑𝑅𝑎ℎ𝑚𝑒𝑛
𝐻1) (13)
𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 ≈ 𝐻1 ∗ sin 𝜑 − 𝑑𝑅𝑎ℎ𝑚𝑒𝑛 (14)
Freie Lüftung
93
3.6 Beispiel zum Luftaustausch über Fenster
Am Beispiel eines Klassenraumes wurde der Luftwechsel bei einem gekippten
Fenster nach den Vorgaben der ASR A3.6 und der VDI 2078 berechnet. Der
tatsächlich stattgefundene Luftaustausch wurde mittels der Konzentrations-
abkling-Methode gemäß VDI 4300-7 ermittelt. Die Messung fand am
11.10.2013 statt. Die Außentemperatur lag während der Messung bei 14,2 °C.
Raumdaten
Raumtiefe (t) = 6,47m
Raumbreite (b) = 7,28m
Raumhöhe (h) = 3,38m
Grundfläche (t x b) = 47,10m²
Raumvolumen (t x b x h) = 160m³
Anzahl Fenster = 5 (nur eine einseitige Lüftung möglich)
Fensterabmessungen
Höhe der Lichten Öffnung im Fensterrahmen (𝐻1) = 2 m
Breite der Lichten Öffnung im Fensterrahmen (𝐵1) = 0,51 m
Abstand zwischen Fensterflügel und Fensterrahmen (𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎) = 0,085 m
Abstand Mauerwerk Fensterflügel mit Überlappung (𝛼𝐿𝑎𝑖𝑏) = 0,069 m
Messbedingungen
Außentemperatur = 14,2 °C
Raumlufttemperatur = 22,8 °C
Freie Lüftung
94
Anforderungen nach ASR A3.6 (Technische Regeln für Arbeitstättten)
Zunächst wird geprüft, ob die maximal zulässigen Raumtiefen eingehalten
werden. Die maximal zulässige Raumtiefe gemäß ASR A3.6 von 8,45 m
(2,5 * h =8,45 m) für System I einseitige Lüftung und 16,9 m (5 * h =16,9 m)
für System II Querlüftung werden eingehalten und sogar unterschritten, siehe
Tabelle 35. Demnach sind die Systeme I und II für die Belüftung des
untersuchten Raumes geeignet.
Die Öffnungsfläche für ein gekipptes Fenster ergibt sich nach Formel (4):
𝐴𝐾𝑖𝑝𝑝 = 𝐵1 ∗ 𝑎 + 2 ∗(𝐻1 ∗ 𝑎)
2= 𝑎 ∗ (𝐵1 + 𝐻1) (4)
𝐴𝐾𝑖𝑝𝑝 = 0,51 𝑚 ∗ 0,085 𝑚 + 2 ∗(2 𝑚 ∗ 0,085 𝑚)
2= 𝟎, 𝟐𝟏 𝒎𝟐
Über das gekippte Fenster strömt die Luft sowohl hinein als auch heraus. Die
Massenströme sind identisch. Das heißt, dass nur die Hälfte der Öffnungsfläche
für die einströmende Luft zur Verfügung steht.
Bei einer einseitigen Lüftung wird eine Luftgeschwindigkeit gemäß ASR A3.6
von 0,08 m/s angenommen. Es ergibt sich ein Volumenstrom für die
einströmende und für die ausströmende Luft von �̇� = 60,48 𝑚3/ℎ.
�̇� = 0,21𝑚² ∗ 0,08 𝑚/𝑠 = 0,0168 𝑚/𝑠 ∗3600𝑠
1ℎ= 60,48 𝑚3/ℎ
Bezogen auf das Raumvolumen entspricht das einem Luftwechsel
von n = 0,38 h-1. Gemäß ASR A3.6 hängt die erforderliche Öffnungsfläche von
der Personenbelegung des Raumes ab. Öffnungsfläche zur Sicherung des
Mindestluftwechsels für kontinuierliche Lüftung bei einseitiger Lüftung beträgt
0,35 m²/anwesende Person, siehe Tabelle 35. Bei durchschnittlicher
Klassenraumbelegung von 25 Personen ergibt sich eine Öffnungsfläche von
8,75 m². Dies entspricht 42 Fenstern, um die Anforderungen der ASR A3.6 für
eine einseitige, kontinuierliche Fensterlüftung einzuhalten. Der untersuchte
Klassenraum verfügt insgesamt über 5 Fenster und zwei dezentrale
Freie Lüftung
95
Lüftungsgeräte, da die Fenster allein nicht ausreichen, um den gemäß ASR
A3.6 geforderten Mindestluftwechsel sicherzustellen.
Anforderungen nach VDI 2078 (Berechnung der Kühllast und Raumtempera-
turen von Räumen und Gebäuden)
Anhand der in der VDI 2078 beschriebenen Näherungsformeln lässt sich bei
vorgegebener Fensterkonstruktion und Temperaturdifferenz der sich
einstellende Luftaustausch berechnen. Der Windeinfluss wird laut VDI 2078 bei
der Berechnung nicht berücksichtigt. Bevor der Luftvolumenstrom nach Formel
(6) berechnet werden kann, müssen zunächst die wirksame Öffnungsfläche für
die Durchströmung AWirk und die wirksame Höhe für den thermischen Auftrieb
HWirk bestimmt werden.
Die wirksame Öffnungsfläche für gekippte Fenster wird nach Gleichung (9)
berechnet. Da 𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 > 𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏 ist zunächst der Korrekturfaktor nach Gleichung
(12) zu bestimmen [22].
𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 = 1 − 0,6 ∗ (1 −𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏
𝑎𝐹𝐿_𝑅𝑎) (12)
𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 = 1 − 0,6 ∗ (1 −0,069 𝑚
0,085 𝑚) = 𝟎, 𝟖𝟗
𝜑 ≈ arcsin (𝑎𝐹𝑙𝑅𝑎
+ 𝑑𝑅𝑎ℎ𝑚𝑒𝑛
𝐻1) (13)
𝜑 ≈ arcsin (0,085𝑚 + 0,09𝑚
2𝑚) = 𝟓, 𝟎𝟐°
𝐻𝜑 ≈𝑑𝑅𝑎ℎ𝑚𝑒𝑛
𝑠𝑖𝑛𝜑 (11)
𝐻𝜑 ≈0,09𝑚
sin(5,02)= 𝟏, 𝟎𝟐𝟗𝒎
Freie Lüftung
96
𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 = ((𝐵1+ 𝐻1− 𝐻𝜑) ∗ 𝑎𝐹𝐿_𝑅𝑎
3) ∗ 𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 (9)
𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 = ((0,51 𝑚 + 2 𝑚 − 1,029 𝑚) ∗ 0,085 𝑚
3) ∗ 0,89 = 𝟎, 𝟎𝟑𝟕 𝒎𝟐
Die wirksame Öffnungsfläche beträgt 0,037 m².
Die wirksame Höhe wird nach Gleichung (10) bestimmt [22].
𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 = (𝐻1 − 𝐻𝜑) ∗2
3 (10)
𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 = (2 𝑚 − 1,029 𝑚) ∗2
3= 𝟎, 𝟔𝟓 𝒎
Die wirksame Höhe beträgt 0,65 m.
Der Luftvolumenstrom wird näherungsweise nach Gleichung (6) berechnet [22].
�̇� = 3600 ∗ 𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 ∗ √𝑔 ∗ 𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 ∗ ∆𝜗
2 ∗ 𝑇1 (6)
�̇� = 3600 ∗ 0,066 𝑚2 ∗ √9,81
𝑚𝑠2 ∗ 1,3 𝑚 ∗ 8,6 𝐾
2 ∗ 287,35 𝐾= 𝟕𝟑, 𝟒 𝒎𝟑/𝒉
Der Volumenstrom beträgt gemäß Näherungsformeln nach VDI 2078
73,4 m³/h. Bei einem Raumvolumen von ca. 160 𝑚3 entspricht dies einem
Luftwechsel von ca. 0,46 h-1. Das Ergebnis der Berechnung des Luftwechsels
nach VDI 2078 unterscheidet sich nicht wesentlich von der Berechnung nach
ASR A3.6. Der Grund für die kleine Abweichung liegt in der anderen
Berechnungsweise, da VDI 2078 in den Formeln die Außentemperatur
berücksichtigt. Die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen ist
entscheidend für den Luftvolumenstrom. Die ASR A3.6 gibt eine feste
Luftgeschwindigkeit vor, die für alle Witterungsverhältnisse gilt. In der Realität
Freie Lüftung
97
ändert sich die Luftgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der
Temperaturdifferenz und Windsituation.
Bestimmung des tatsächlichen Luftwechsels
Zur Bestimmung des Luftwechsels in Innenräumen kann gemäß VDI 4300-7
die Indikatorgastechnik verwendet werden. Es stehen verschiedene Methoden
zur Verfügung, die in der genannten Richtlinie ausführlich beschrieben sind.
Die durchgeführte Untersuchung zur Bestimmung des Luftwechsels wird als
„Konzentrationsabkling-Methode“ bezeichnet. Dabei wird dem Raum ein
Indikatorgas zugeführt, mittels einer geeigneten Technik wie z.B.
Tischventilatoren gleichmäßig im Raum verteilt und anschließend der
Konzentrationsabfall in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. Zur Messung der
Konzentration wurden mehrere Messstellen u.a. in unterschiedlichen Höhen
eingerichtet.
Die Berechnung des Luftwechsels erfolgt nach folgender Formel:
𝑛 =1
𝑡2−𝑡1∗ 𝑙𝑛
𝜎𝑡=𝑡1
𝜎𝑡=𝑡2 (15)
𝑛 Luftwechsel ℎ−1
𝑡 Zeitpunkt der Probenahme des Indikatorgases ℎ
𝜎𝑡=𝑡0 Startvolumengehalt des Indikatorgases zum Zeitpunkt
𝑡 = 𝑡0 in 𝑐𝑚3 Indikatorgas/𝑚3 Indikatorgas-Luftgemisch
(Injektionsbeginn)
𝑐𝑚3/𝑚3
𝜎𝑡=𝑡1 Volumengehalt des Indikatorgases zum Zeitpunkt
𝑡 = 𝑡1; in 𝑐𝑚3 Indikatorgas/𝑚3 Indikatorgas-
Luft-Gemisch
𝑐𝑚3/𝑚3
𝜎𝑡=𝑡2 Volumengehalt des Indikatorgases zum Zeitpunkt
𝑡 = 𝑡2; in 𝑐𝑚3 Indikatorgas/𝑚3 Indikatorgas-
Luft-Gemisch
𝑐𝑚3/𝑚3
Freie Lüftung
98
Gemessener Luftwechsel bei einem gekippten Fenster
Der gemessene Konzentrationsabfall des Indikatorgases bei einem gekippten
Fenster ist in Abbildung 14 dargestellt.
Abbildung 14: Luftwechsel bei einem gekippten Fenster
Bei einem gekippten Fenster wurde ein durchschnittlicher Luftwechsel von
n =1,0 h-1 ermittelt. Randbedingungen zur Messung, Raumdaten und Fenster-
größe sind am Anfang des Kapitels beschrieben.
Freie Lüftung
99
Luftwechsel bei geschlossenen Fenstern und geschlossener Tür
Zu Vergleichszwecken wurde auch der Luftwechsel bei geschlossenen Fenstern
und geschlossener Tür gemessen. Diese Situation ist in der Heizperiode häufig
an Schulen vorzufinden.
Abbildung 15: Luftwechsel bei gesch. Fenstern und gesch. Tür
Der ermittelte Luftwechsel beträgt im Mittel 0,04 h-1. Der Maximalwert liegt bei
ca. 0,05 h-1. Somit gibt es bei geschlossenen Fenstern und Türen so gut wie
keinen Luftwechsel. Die im Rahmen der Untersuchungen durchgeführte
Messungen an anderen Schulen ergaben für den Luftwechsel ähnliche Werte
(0,02 h-1 - 0,04 h-1). Dies zeigt, dass die Forderungen der EnEV an eine dichte
Gebäudehülle konsequent umgesetzt wurden.
Freie Lüftung
100
Fensterlüftung aus energetischer Sicht
DIN EN 15239:2007-08 Lüftung von Gebäuden-Gesamtenergieeffizienz von
Gebäuden-Leitlinien für die Inspektion von Lüftungsanlagen
Die DIN EN 15239 betrachtet das Öffnen der Fenster als Energievergeudung:
“Wenn das Öffnen von Fenstern die einzige Lüftungsmöglichkeit ist (je nach
nationalen Regelungen), hängt die Energievergeudung vom Verhalten der im
Gebäude befindlichen Personen ab. Eine automatische Regelung der
Fensteröffnung oder, bei Nichtwohngebäuden, das Schließen von Fenstern in
belegungsfreien Zeiten sind Verfahren zur Verringerung des Energieverlustes.
Diese Verringerung kann sich jedoch nachteilig auf die Raumluftqualität
auswirken. Eine automatische Regelung zum Öffnen und Schließen von
Fenstern sollte in diesem Fall das automatische Öffnen vor und nach einer
Raumbelegung ermöglichen [17].“
Im Falle des Vorhandenseins einer Lüftungsanlage ist das Öffnen von Fenstern
ebenfalls als eine Energievergeudung zu betrachten, da die Raumluftqualität
bereits berücksichtigt ist [17].
In jedem Fall sollten sich bei geöffneten Fenstern Heizung und Klimaanlage
automatisch abschalten [17].
Des Weiteren sind diverse Wechselwirkungen der Fensterlüftung zu
berücksichtigen. Die Unfallverhüttungsvorschrift GUV-V S1 empfiehlt
Maßnahmen zur Vermeidung von Unfällen im Umgang mit der Fensterlüftung.
Bei Niederschlägen, insbesondere Schlagregen, sind die Fenster geschlossen zu
halten. Eine unkontrollierte Fensterlüftung, zumindest im Erdgeschossbereich,
ist in der Regel aus Sicherheitsgründen nicht möglich.
Überschreitet der Nachbarschafts- oder Straßenlärm einen bestimmten Pegel
ist während der Unterrichtszeit keine Fensterlüftung möglich.
Freie Lüftung
101
3.7 Zusammenfassung Fensterlüftung
Der Luftaustausch über Fenster wird über Druckunterschiede, durch
Temperaturdifferenzen und Windeinfluss bewirkt. Für bestimmte festgelegte
Bedingungen kann der Luftaustausch berechnet werden. In der Realität
unterliegen die berechneten Werte einer erheblichen Schwankung. Die
Ergebnisse des berechneten und tatsächlich gemessenen Luftwechsels am
betrachteten Beispiel unterscheiden sich wie folgt:
Nach ASR A3.6 berechnet: n = 0,38 h-1
Nach VDI 2078 berechnet: n = 0,6 h-1
Tatsächlich gemessen: n = 1,0 h-1
(Randbedingungen sind auf Seite 93 ff. beschrieben)
Für die Berechnung nach ASR A3.6 wird für die Luftgeschwindigkeit ein Wert
von 0,08 m/s (gilt für eine einseitige, kontinuierliche Lüftung) angenommen.
Die ASR A3.6 beschreibt nicht wie der Annahmewert zustande kommt. Der
Annahmewert wird laut ASR A3.6 dazu verwendet, um die
Mindestöffnungsfläche zur Sicherung des Mindestluftwechsels zu berechnen.
Welche Temperaturdifferenz und Windsituation diesem Annahmewert zugrunde
liegen sind in der ASR A3.6 nicht weiter erläutert. Aus diesem Grund ist die
Abweichung zum tatsächlich gemessenen Luftwechsel sehr groß.
Die Näherungsformel in der VDI 2078 berücksichtigt zwar die
Temperaturdifferenz, der Windeinfluss wird wegen der Komplexität der
Berechnung vernachlässigt. Der so errechnete Luftwechsel liegt in dem Fall
über dem der ASR A3.6, jedoch unterhalb des tatsächlichen gemessenen
Luftwechsels. Der tatsächlich für den Zeitabschnitt gemessene Luftwechsel
liegt bei n = 1,0 h-1.
Die berechneten Luftwechselraten sowohl nach ASR A3.6 als auch nach VDI
2078 aber auch der gemessenen Luftwechsel sind nicht ausreichend, um die
geforderte CO2-Konzentration von 1000 ppm bei hoher Belegungsdichte
einzuhalten.
Freie Lüftung
102
Im geschlossenen Zustand wurde ein sehr geringer Luftwechsel festgestellt,
dass er vernachlässigt werden kann. Das hat zur Folge, dass in belegten
Klassenräumen, in denen die Fenster aufgrund von z.B. niedrigen
Außentemperaturen nicht geöffnet werden, ein rascher Anstieg der CO2-
Konzentration und anderer Verunreinigungen festzustellen ist. Aus
energetischer Sicht betrachtet, treten bei der Fensterlüftung in den
Wintermonaten hohe Energieverluste auf und verursachen hohe
Wärmebedarfskosten.
Untersuchungsergebnisse
103
4 Untersuchungsergebnisse
In diesem Kapitel werden ausgewählte Ergebnisse durchgeführter
Untersuchungen vorgestellt (zusätzlich gibt es hierzu einen separaten
ausführlichen Bericht). Im Rahmen des Kooperationsprojektes zwischen der
HTW Berlin und der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt
wurden 9 Schulen, die sich hinsichtlich des Gebäudetyps, durchgeführter
Sanierungsmaßnahmen und der Lüftungsart unterscheiden, für nähere
Untersuchungen ausgewählt. Im Zuge der Untersuchungen wurden von der
HTW folgende Messungen durchgeführt: Raumlufttemperatur, relative
Luftfeuchte, CO2-Gehalt, Schalldruckpegel sowie Luftgeschwindigkeiten zur
Beurteilung der Behaglichkeit. Es handelt sich um stichprobenartige Messungen,
die in ausgewählten Klassenräumen über einen Unterrichtstag bzw. eine Woche
durchgeführt wurden. An einigen Schulen fanden zusätzlich Luftwechsel-
messungen statt. Die erste Messreihe fand in den Wintermonaten Februar und
März 2013 statt. Die Zweite wurde im Frühjahr-Sommer in den Monaten April
bis Juni 2013 durchgeführt.
Für die Untersuchung ausgewählte Schulen:
Grundschule am Buschgraben, Berlin- Steglitz-Zehlendorf;
Rothenburg-Grundschule, Berlin- Steglitz-Zehlendorf;
Philipp-Reis Schule, Berlin-Lichtenberg;
Grundschule am Teutoburger Platz, Berlin-Pankow;
Gymnasium Steglitz, Berlin- Steglitz-Zehlendorf;
Heide-Grundschule, Berlin-Treptow (Adlershof);
Heinrich-Roller-Grundschule, Berlin-Prenzlauer Berg;
OSZ Bautechnik II/Holztechnik , Berlin-Weißensee;
Hausburg-Grundschule (Europaschule), Friedrichshain-Kreuzberg;
Ergänzend zu den Messungen an den Berliner Schulen wurden Ergebnisse
bundesweit stattgefundener Projekte ausgewertet. Bei diesen Projekten handelt
es sich überwiegend um Sanierungen von Bestandsschulen. Bei der Auswertung
waren vor allem folgende Aspekte wichtig:
Lüftungsart und Auslegungskriterien
Untersuchungsergebnisse
104
Art der Wärmerückgewinnung
Regelungsstrategie der RLT
CO2-Konzentration in Klassenräumen
4.1 Von der HTW-Berlin untersuchte Schulen
Wesentliche Erkenntnisse aus den durchgeführten Messungen sind in den
folgenden Tabellen zusammengefasst. Tabelle 36 zeigt die Lüftungssysteme
der untersuchten Schulen.
Tabelle 36: Unterteilung nach Lüftungssystem (Schulen Berlin)
Es ist zu erkennen, dass sowohl zentrale als auch dezentrale
raumlufttechnische Systeme vorhanden sind. Dezentrale RLT-Geräte kommen
in unterschiedlichen Ausführungen vor. In einigen Schulen wurden zentrale und
dezentrale RLT-Systeme, um Vergleiche im Betrieb durchführen zu können
eingebaut.
Neu gebaute Schulen wurden mit einer zentralen Lüftungsanlage ausgestattet.
Einige der Bestandsschulen erhielten im Rahmen durchgeführter Sanierungs-
maßnahmen dezentrale Lüftungsgeräte.
In Tabelle 37 sind die Lüftungssysteme unterteilt nach Art der
Wärmerückgewinnung dargestellt:
Wandgeräte Standgeräte Deckengeräte Brüstungsgeräte
Neubau 1 2
Bestandsgebäude 1
Bestandsgebäude mit
Denkmalschutz 1 1
Typenschulbauten 2 2 2 1
Schule/BautypLüftungssystem
Fensterlüftung Zentrale RLTdezentrale RLT Hybride
Lüftung
Untersuchungsergebnisse
105
Tabelle 37: Unterteilung nach Wärmerückgewinnung (Schulen Berlin)
Anhand der Ergebnisse ist zu erkennen, dass regenerative und rekuperative
Wärmerückgewinnungssysteme in etwa gleicher Anzahl eingesetzt wurden.
Dezentrale Lüftungsgeräte wurden mit einem Kreuzstromwärmetauscher als
Wärmerückgewinnungssystem eingebaut.
Ein wesentlicher Bestandteil jeder raumlufttechnischen Anlage ist deren
Regelung. Mit bedarfsabhängiger Regelung lässt sich eine RLT-Anlage
wesentlich effizienter betreiben als eine RLT-Anlage, die auf einen konstanten
Luftvolumenstrom ausgelegt ist. Die folgende Tabelle zeigt zusammengefasst
die Regelungsart unterteilt nach Lüftungssystemen.
Tabelle 38: Unterteilung nach Regelstrategie (Schulen Berlin)
Als Eingangssignal für die Regelung kann die wichtigste Verunreinigung in der
Raumluft verwendet werden. In Schulen handelt es sich um die CO2- oder
VOC-Konzentration. RLT-Anlagen ohne Regelung sind auf einen konstanten
Luftvolumenstrom ausgelegt, diese werden häufig manuell vom Lehrpersonal
geschaltet.
LüftungssystemArt der Wärmerückgewinnung
Rotationswärmetauscher Kreuzstromwärmetauscher
(regenerativ) (rekuperativ)
Zentrale RLT2 3
Dezentrale RLT3
LüftungssystemCO2-Regelung VOC-Regelung
keine
Regelung
Regelstrategie
Zentrale RLT1 1 2
Dezentrale RLT1 3
Untersuchungsergebnisse
106
4.2 Messergebnisse
Aufgrund der großen Datenmenge wird im Folgenden nur ein Teil der
Ergebnisse aus zwei Berliner Schulen vorgestellt. Beide Schulen gehören zum
Gebäudetyp SK Berlin, die in den 80er Jahren errichtet wurden. An beiden
Schulen wurden Sanierungsmaßnahmen durchgeführt. Die Gebäudehülle sowie
die Fenster wurden gemäß EnEV erneuert. Im Rahmen der
Sanierungsmaßnahmen wurde eine Schule mit einer zentralen RLT-Anlage
ausgestattet.
Ausführliche Beschreibungen zu den durchgeführten Untersuchungen mit
Messergebnissen aus weiteren Schulen sind in einem zusätzlichen Bericht
(Untersuchungsbericht) zu finden. Die hier dargestellten Ergebnisse sind
unterteilt in Fensterlüftung und maschinelle Lüftung. Es handelt sich um
stichprobenartige Messungen, die in der Heiz- und Kühlperiode stattfanden.
4.3 Objektbeschreibung
Die hier dargestellten Messergebnisse zur Fensterlüftung wurden im Rahmen
der Untersuchungen in der Heide-Grundschule, Florian-Geyer-Straße 81,
Berlin-Adlershof erfasst. Die Heide-Grundschule ist ein Plattenbau vom
Gebäudetyp „SK Berlin“ aus dem Jahr 1971. Der Gebäudetyp SK Berlin wurde
in Berlin in den Jahren zwischen 1965 und 1983 ca. 160 mal gebaut. Bei der
Heide-Grundschule handelt es sich um ein viergeschossiges Gebäude mit
Unterkellerung und einer Netto-Grundfläche von 3452,8 m². Im Jahr 2011
wurde das Gebäude einer energetischen Sanierung unterzogen. Das
Schulgebäude wurde seit der Errichtung als Grundschule genutzt.
Die hier dargestellten Messergebnisse zur maschinellen Lüftung wurden
ebenfalls an einer Schule vom Gebäudetyp SK Berlin aufgenommen. Es handelt
sich um die „Philipp-Reis-Schule“ in der Werneuchener Strase.14 in Berlin
Lichtenberg. Das Schulgebäude wurde im Jahr 1977 errichtet. Zum Zeitpunkt
der durchgeführten Untersuchungen wurde das Gebäude von zwei Schulen
genutzt. Die Philipp-Reis-Schule ist im Sockelgeschoss bis zum ersten
Obergeschoss untergebracht. Zweites und drittes Obergeschoss stehen in der
Untersuchungsergebnisse
107
Nutzung der Brodowin-Schule (Grundschule). Der Hauptnutzer ist jedoch die
Philipp-Reis-Schule, welche zum neuen Schultyp „Integrierte Sekundar-
schule“ gehört. In den Jahren 2011 bis 2012 wurde das Gebäude energetisch
saniert und mit einer zentralen Lüftungsanlage ausgestattet. Die Netto-
grundfläche beträgt ca. 3435 m2.
4.3.1 Messergebnisse Fensterlüftung (Heizperiode)
In den folgenden Tabellen und Abbildungen sind Messergebnisse der CO2-
Konzentration, Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte aus der Heide-
Grundschule dargestellt. Die Messung in der Heizperiode fand unter folgenden
Messbedingungen statt.
Tabelle 39: Messbedingungen Fensterlüftung (Heizperiode)
Datum der Messung 11.02.2013
Zeitraum der Messung 07:45 – 13:30 Uhr
Wetter früh bedeckt,
vormittags sonnig, mittags bedeckt
mittlere Außentemperatur
-0,4 °C
mittlere Windgeschwindigkeit
3,24 m/s
mittlere Windrichtung 77° (NO-O)
CO2-Konzentration zu
Beginn (außen) 480 ppm
Anzahl der Schüler 22
Anzahl der Lehrer ständig eine Lehrkraft,
zeitweise drei
geöffnete Fenster Zeitraum Anzahl
11:55–12:05 Uhr 1
Tür des Raumes zum Flur ganztägig geöffnet!
Untersuchungsergebnisse
108
Tabelle 40: Unterrichtszeiten
CO2-Konzentration Gemäß den Messbedingungen wurde an einem Wintertag folgender CO2-Verlauf
im Klassenraum gemessen.
Abbildung 16: CO2-Konzentration Fensterlüftung (Heizperiode)
Die CO2-Konzentration steigt im Laufe des Unterrichtstages kontinuierlich an.
Bereits nach kurzer Zeit ist der Wert von 1000 ppm überschritten. Aufgrund
Schulstunde Von Bis Pause
1. Stunde 07:45 08:30
08:30 08:45 Frühstückspause
2. Stunde 08:45 09:30
09:30 09:35 5 Minuten Pause
3. Stunde 09:35 10:20
10:20 10:40 Hofpause
4. Stunde 10:40 11:25
11:25 11:30 5 Minuten Pause
5. Stunde 11:30 12:15
12:15 12:45 Mittagspause
6. Stunde 12:45 13:30
7. Stunde 13:30 14:15
Untersuchungsergebnisse
109
der niedrigen Außentemperatur wurden die Fenster nicht geöffnet, erst um
11.55 Uhr wurde ein Fenster für 10 Minuten gekippt. Die Raumtür ist ganztägig
zum Flur hin geöffnet. Die kurze Lüftung über Fenster und die geöffnete Tür
reichen nicht aus, um die CO2-Konzentration auf 1000 ppm abzusenken. So
befindet sich der CO2-Gehalt über die Hälfte der Unterrichtszeit im Bereich über
2000 ppm, was einer hygienisch inakzeptablen Luftqualität entspricht. Die
kleinen Ausschläge um 9.06 Uhr und 10.40 sind auf die Pausenzeiten
zurückzuführen.
Raumluft- und Außentemperatur
Der Verlauf der Raumlufttemperatur und Außentemperatur ist in der Abbildung 17 zu sehen.
Abbildung 17: Raumluft- und Außentemperatur Fensterlüftung (Heizperiode)
Die Außentemperatur hat ihr Minimum von -3,1 °C in den frühen
Morgenstunden und erreicht gegen 10:52 Uhr das Maximum von 1,2 °C.
Die Raumlufttemperatur steigt dagegen den ganzen Tag über kontinuierlich an.
Grund hierfür ist die Anwesenheit der Personen im Raum, die permanent
Wärme abgeben. Dies ist deutlich kurz vor Beginn der ersten Schulstunde
(07:45 Uhr) zu erkennen, wenn die Schüler in den Klassenraum eintreten.
-3,5
-3
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
17,5
18
18,5
19
19,5
20
20,5
21
21,5
22
22,5
23
07:30:00 08:30:00 09:30:00 10:30:00 11:30:00 12:30:00 13:30:00
Au
ße
nte
mp
era
tur
[°C
]
Rau
mlu
ftte
mp
era
tur
[°C
]
Uhrzeit
Raumlufttemperatur Außentemperatur
Untersuchungsergebnisse
110
Kurzzeitige Stagnationen der Raumlufttemperatur um ca. 08:45 Uhr, 10:35
Uhr und 12:15 – 12:45 Uhr zeigen die Pausen an (siehe Tabelle 40). Kurz vor
der Mittagspause wird ein Fenster geöffnet, was sich auch in der Raumluft-
temperatur widerspiegelt. Die Raumlufttemperatur liegt im Behaglichkeits-
bereich.
Raumlufttemperatur und relative Luftfeuchte
Die Abbildung 18 zeigt die Entwicklung der Raumlufttemperatur und der
relativen Luftfeuchte im Klassenraum.
Abbildung 18: Raumlufttem. und rel. Feuchte Fensterlüftung (Heizperiode)
Wie bei der Raumlufttemperatur ist auch bei der relativen Luftfeuchtigkeit
deutlich zu erkennen, dass die Schüler ab 07:30 Uhr den Klassenraum betreten.
Die relative Luftfeuchtigkeit steigt den ganzen Tag nahezu parallel zur
Raumlufttemperatur an. Dieser Vorgang ist auf die Feuchtigkeitsabgabe durch
Anwesenheit der Raumnutzer zurückzuführen. Zu Beginn des Unterrichtstages
liegt die relative Luftfeuchtigkeit außerhalb des Behaglichkeitsbereiches, was
für die Winterzeit als normal angenommen werden kann. Im Laufe des Tages
nimmt die rel. Luftfeuchtigkeit jedoch zu und erreicht nach ca. zwei Stunden
den in den nationalen Normen empfohlenen Behaglichkeitsbereich. Der
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
17,5
18,5
19,5
20,5
21,5
22,5
23,5
7:30 8:30 9:30 10:30 11:30 12:30 13:30re
lati
ve L
uft
feu
chti
gke
it [
%]
Rau
mlu
ftte
mp
era
tur
[°C
]
Uhrzeit
Raumlufttemperatur relative Luftfeuchte
Untersuchungsergebnisse
111
maximale Wert für rel. Luftfeuchtigkeit gemäß ASR A3.6 wird weder erreicht
noch überschritten.
4.3.2 Messergebnisse maschinelle Lüftung (Heizperiode)
Eine gute Raumluftqualität kann mit Hilfe maschineller Lüftungssysteme
sichergestellt werden. Entscheidend für die Luftqualität ist die Auslegung der
Luftvolumenströme. In den folgenden Tabellen und Abbildungen sind als
Beispiel Messergebnisse aus der Philipp-Reis-Schule, die in der Heizperiode
aufgenommen wurden, dargestellt. Die Messung fand am 05.03.2013 statt.
Tabelle 41: Auslegungskriterien maschinelle Lüftungsanlage
Zuluft (Klassenraum) 600 m³/h
Abluft (Klassenraum) 600 m³/h
Belegung je Kl. 20 Personen
Volumenstrom 30 m³/hP
Regelung konstanter Volumenstrom ohne
Regelung
Tabelle 42: Klassenraumbelegung
Schulstunde Zeit Belegung 1. 8:00 – 8:45 16 Personen
2. 8:55 – 9:40 keine Belegung
3. 9:50 – 10:35 16 Personen
Hofpause 10:35 – 10:55 keine Belegung
4. 10:55 – 11:40 26 Personen
5. 11:50 – 12:35 keine Belegung
Mittagspause 12:35 – 13:05 keine Belegung
6. 13:05 – 13:50 26 Personen
7. 14:00 – 14:45 keine Belegung
Untersuchungsergebnisse
112
CO2-Konzentration
Die Ergebnisse der CO2-Messung sind in der folgenden Abbildung zu sehen.
Abbildung 19: CO2-Konzentration masch. Lüftung (Heizperiode)
Während der Belegung ist zu erkennen, dass die CO2-Konzentration
entsprechend der Belegung ansteigt. Der Maximalwert liegt zum Ende des
Schultages bei ca. 1130 ppm. In der 3. Stunde wurden zusätzlich einige
Fenster gekippt. Bei insgesamt 16 Personen im Klassenraum und laufender
Lüftungsanlage ist der Anstieg der CO2-Konzentration in dieser Zeit gering. Die
Fenster an dieser Schule können nur gekippt werden. Vollständiges Öffnen ist
aus Sicherheitsgründen nicht möglich. Während der weiteren Unterrichts-
stunden sind die Fenster geschlossen, so dass der Luftaustausch im
Klassenraum allein durch die Lüftungsanlage erfolgt. Bei voller Belegung steigt
die CO2-Konzentration auf max. 1130 ppm (6. Stunde). Bei einem
Luftvolumenstrom von 600 m3/h pro Klassenraum entspricht dies den
Auslegungskriterien. Der gemessene CO2-Gahalt zeigt, dass mit maschineller
Lüftung die hygienisch erforderliche Luftqualität sichergestellt werden kann.
Untersuchungsergebnisse
113
Raumluft- und Außentemperatur
In Abbildung 20 sind die Messergebnisse der Raumluft- und Außentemperatur dargestellt.
Abbildung 20: Raumluft- und Außentemperatur masch. Lüftung (Heizperiode)
Anhand der Raumlufttemperatur ist gut zu erkennen, zu welcher Zeit der Raum
belegt ist. In der 2. sowie 5. Stunde und in den beiden großen Pausen ist der
Raum nicht besetzt. Die Raumlufttemperatur bleibt auf einem Niveau, bzw.
zeigt nur minimale Änderungen. In der 3. Stunde wurde zusätzlich über
Fenster gelüftet. Entsprechend ist ein Temperaturabfall in dieser Zeit (9.50-
10.30) zu erkennen. Es handelt sich nur um eine Kipplüftung. Bei vollständig
geöffneten Fenstern wäre die Temperaturabsenkung deutlich stärker. In der 4.
und 6. Stunde ist der Raum mit 26 Personen besetzt. Die Raumtemperatur
steigt in dieser Zeit aufgrund der Wärmeabgabe durch Personen. Die
Außentemperatur steigt den ganzen Tag über kontinuierlich an. In Anbetracht
an dem Tag vorliegender Außentemperaturen, die eher einem warmen
Wintertag entsprechen, wurde trotzdem nur einmal über Fenster gelüftet.
Ohne maschinelle RLT-Anlage würde die CO2-Konzentration ähnlich ansteigen
wie in der Heide-Grundschule.
0
2
4
6
8
10
12
14
17,5
18,5
19,5
20,5
21,5
22,5
23,5
8:02 9:02 10:02 11:02 12:02 13:02 14:02
Au
ße
nte
mp
era
tur
[°C
]
Rau
mlu
ftte
mp
era
tur
[°C
]
Uhrzeit
Raumlufttemperatur Außentemperatur
Untersuchungsergebnisse
114
Raumlufttemperatur und relative Luftfeuchte
In der Folgenden Abbildung ist der Verlauf der relativen Luftfeuchtigkeit
zusammen mit der Raumlufttemperatur grafisch dargestellt.
Abbildung 21: Raumlufttem. und rel. Feuchte masch. Lüftung (Heizperiode)
Die relative Luftfeuchtigkeit im Klassenraum schwankt geringfügig um den
Wert von 21,5 %. Zu Unterrichtszeiten mit hoher Belegung von 26 Personen,
die außer Wärme auch Feuchte an die Innenraumluft abgeben, ist ein kleiner
Anstieg der rel. Luftfeuchte zu verzeichnen. Jedoch wird sie genauso wie die
anderen Verunreinigungen in der Luft durch die Lüftungsanlage abgeführt.
Derselbe Luftwechsel ist mittels Fensterlüftung, unter Einhaltung von
Behaglichkeitsanforderungen nicht sicherzustellen.
18
20
22
24
26
28
30
17,5
18,5
19,5
20,5
21,5
22,5
23,5
8:02 9:02 10:02 11:02 12:02 13:02 14:02
rela
tive
Lu
ftfe
uch
tigk
eit
[%
]
Rau
mlu
ftte
mp
era
tur
[°C
]
Uhrzeit
Raumlufttemperatur relative Luftfeuchtigkeit
Untersuchungsergebnisse
115
4.3.3 Messergebnisse Fensterlüftung (Kühlperiode)
Im Folgenden sind Ergebnisse der Sommermessung am Beispiel der Heide-
Grundschule dargestellt. Anhand der Messwerte soll das Lüftungsverhalten
untersucht werden. Vollständige Messergebnisse können dem Untersuchungs-
bericht entnommen werden.
Die Messung im Sommer wurde durchgeführt, um Vergleichswerte vor allem
für die CO2-Konzentration in Klassenräumen zu erhalten. Im Winter wurde
festgestellt, dass aufgrund niedriger Außentemperaturen die Fenster entweder
gar nicht oder nur für eine kurze Zeit geöffnet wurden. Die Messergebnisse im
Sommer sollen Aufschluss darüber geben, welches Lüftungsverhalten bei
sommerlichen Außentemperaturen besteht und ob damit die hygienisch
erforderliche Luftqualität in Innenräumen erreicht und die in der ASR A3.6
empfohlene CO2-Konzentration von 1000 ppm eingehalten wird.
Die Messung wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt.
Tabelle 43: Messbedingungen Fensterlüftung (Kühlperiode)
Datum der Messung 28.05.2013
Zeitraum der Messung 07:45 – 12:20 Uhr
Wetter bewölkt, regnerisch
mittlere Außentemperatur
13,4 °C
mittlere Windgeschwindigkeit
5,15 m/s
mittlere Windrichtung 297° (W-NW)
CO2-Konzentration zu
Beginn (außen) 540 ppm
Anzahl der Schüler 23
Anzahl der Lehrer eine Lehrkraft
geöffnete Fenster Zeitraum Anzahl
ganztägig 1
Tür des Raumes zum Flur ganztägig geöffnet!
Untersuchungsergebnisse
116
CO2-Konzentration
Die Abbildung 22 zeigt Messergebnisse einer CO2-Messung im Laufe eines
Unterrichtstages. Der Stundenplan kann der Tabelle 40 entnommen werden.
Abbildung 22: CO2-Konzentration Fensterlüftung (Kühlperiode)
Die CO2-Konzentration liegt im Laufe des Unterrichtstages nur einmal oberhalb
von 1000 ppm. Der Anstieg der CO2-Konzentration verläuft deutlich langsamer
als im Winter. Der sich durch das geöffnete Fenster und die geöffnete Tür
eingestellte Luftwechsel reicht in diesem Fall aus, um den CO2-Gehalt im
Bereich von 1000 ppm zu halten. Eins von den sieben Fenstern ist den ganzen
Unterrichtstag angekippt. Offensichtlich treten keine Zug-erscheinungen oder
sonstige Behaglichkeit beeinträchtigende Situationen auf.
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
7:45 8:15 8:45 9:15 9:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15
CO
2-K
on
zen
trat
ion
[p
pm
]
Uhrzeit
gemessene Konzentrationgemessenene CO2-Konzentration
Untersuchungsergebnisse
117
Raumluft- und Außentemperatur
In der folgenden Abbildung ist der Verlauf der Raumluft- und der
Außentemperatur dargestellt.
Abbildung 23: Raumluft- und Außentemperatur Fensterlüftung (Kühlperiode)
Anhand der Temperaturdaten ist die Anwesenheit von Personen im
Klassenraum deutlich zu erkennen. In den ersten beiden Stunden findet
Unterricht statt. In der 3. und 4. Stunde ist der Raum offensichtlich nicht
belegt. Der langsame Temperaturabfall deutet darauf hin, dass das Fenster
nicht vollständig geöffnet, sondern nur gekippt ist. In der 5. Stunde findet
wieder Unterricht statt. Trotz eines gekippten Fensters liegt die
Raumlufttemperatur im Behaglichkeitsbereich.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
20,50
21,00
21,50
22,00
22,50
23,00
7:45 8:15 8:45 9:15 9:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15
Au
ße
nte
mp
era
tur
[°C
]
Rau
mlu
ftte
mp
era
tur
[°C
]
Uhrzeit
Raumlufttemperatur Außentemperatur
Untersuchungsergebnisse
118
4.3.4 Zusammenfassung Messergebnisse HTW Berlin
Die durchgeführten Untersuchungen einschließlich aller Messdaten sind im
separaten Untersuchungsbericht ausführlich beschrieben. Anhand der
Messergebnisse kann festgestellt werden, welches Lüftungsverhalten in den
Schulen herrscht und welche Luftqualität es nach sich zieht. Mit maschinellen
Lüftungssystemen kann in der Heizperiode eine den hygienischen
Anforderungen gerechte Raumluftqualität sichergestellt und die CO2-
Konzentration von 1000 ppm eingehalten werden. Eine Fensterlüftung allein ist
im Winter nicht ausreichend. Die Fenster werden aufgrund der kalt
einströmenden Luft, die Zugerscheinungen hervorruft, selten oder gar nicht
geöffnet. Im Sommer und bei warmen Temperaturen in der Übergangzeit kann
Fensterlüftung einen ausreichenden Luftwechsel ohne Behaglichkeits-
einschränkungen sicherstellen. Aus energetischer Sicht führt Lüften über
Fenster in der Heizperiode zu hohen Wärmeverlusten. Aus den genannten
Gründen ist es sinnvoll und erforderlich, in der Heizperiode maschinell zu lüften.
In der Kühlperiode kann auf die maschinelle Lüftung am Tag verzichtet werden.
In der Nacht ist es möglich die RLT-Anlage für eine Nachtauskühlung zu
verwenden. Nähere Informationen zu Nachtauskühlung sind in Kapiteln zur
Simulation und wirtschaftlicher Betrachtung zu finden. Die durchgeführten
Luftwechselmessungen belegen, dass in sanierten und neu errichteten
Schulgebäuden bei geschlossenen Fenstern ein vernachlässigbar geringer
natürlicher Luftwechsel stattfindet, siehe Abbildung 15 „Luftwechsel bei
geschlossen Fenstern“. Dies bestätigt in erster Linie die Erfüllung der EnEV-
Anforderungen, führt jedoch zu einer starken Anreicherung von chemischen
und biologischen Stoffen, die Ursache für gesundheitsbezogene Beschwerden
wie die Reizung von Augen, Nase und Rachen, Kopfschmerzen, Müdigkeit oder
Konzentrations-schwierigkeiten sein können. In mehreren Studien wurde
bereits nachgewiesen, dass die Leistungsfähigkeit der Schüler mit steigender
CO2-Konzentration deutlich abnimmt, siehe Kapitel zu Wirtschaftlichen
Betrachtung.
Untersuchungsergebnisse
119
4.4 Erkenntnisse aus weiteren Projekten
In die Auswertung wurden ferner Untersuchungen insgesamt 24 bundesweit
verteilter Schulen einbezogen. Es handelt sich sowohl um neu gebaute als auch
energetisch sanierte Gebäude. Die Ergebnisse werden im Folgenden
tabellarisch dargestellt.
Die Unterteilung der Schulen wurde wie folgt vorgenommen:
Neubau: ab ca. dem Jahr 2000 gebaute Schulgebäude
Bestandsgebäude: energetisch sanierte Schulgebäude
Bestandsgebäude
mit Denkmalschutz: energetisch sanierte denkmalgeschützte
Schulgebäude
Typenschulbauten: energetisch sanierte Typenschulbauten außer
Schulbaureihe SVB1
1 Bis auf die Baureihe SVB entstanden alle Typenschulbauten in Plattenbauweise [18].
Neubau: 8 Schulen
Bestandsgebäude: 8 Schulen
Bestandsgebäude
mit Denkmalschutz: 2 Schulen
Typenschulbauten: 6 Schulen
Untersuchungsergebnisse
120
Tabelle 44: Unterteilung nach Lüftungssystemen
In Tabelle 44 sind die Schulen nach dem Lüftungssystem unterteilt. Einige
Schulen wurden mit mehreren unterschiedlichen Lüftungssystemen zum Zweck
der Vergleichbarkeit ausgestattet. Insbesondere bei den dezentralen Geräten
gibt es mehrere verschiedene Bauformen, die in Abhängigkeit von den
baulichen Gegebenheiten bzw. Gefahren durch Vandalismus eingebaut wurden.
Die Schulen mit hybrider Lüftung stellen den geringsten Anteil dar. Mit der
hybriden Lüftung sind hier RLT-Anlagen bezeichnet, die in Kombination mit
automatisch öffnenden und schließenden Fenstern funktionieren. Neu gebaute
Schulgebäude wurden immer mit zentralen Lüftungsanlagen ausgerüstet.
In der nächsten Tabelle sind die Lüftungssysteme nach der Art der
Wärmerückgewinnung unterteilt.
Tabelle 45: Unterteilung nach Wärmerückgewinnung
In den zur Verfügung stehenden Unterlagen sind zum Teil keine Informationen
enthalten, welche Wärmerückgewinnungsanlagen eingebaut wurden. Die
Angaben in Tabelle 45 sind deswegen nicht vollständig. Trotzdem ist anhand
der Ergebnisse zu erkennen, dass sowohl regenerative als auch rekuperative
Wärmerückgewinnung in etwa gleicher Anzahl eingesetzt wurden. In der
dritten Spalte wurden zusätzlich Angaben zum Einsatz von Erdwärmetauschern
gemacht. In nur 2 von 24 untersuchten Schulen wurde dieses
Wärmeübertragungssystem eingebaut.
Wandgeräte Standgeräte Deckengeräte Brüstungsgeräte
Neubau 8 1
Bestandsgebäude 5 2 3 1 1
Bestandsgebäude mit
Denkmalschutz 1 1
Typenschulbauten 4 1 2
LüftungsystemSchule/Bautyp
Hybride LüftungFensterlüftung Zentrale RLTdezentrale RLT
Zentrale RLT
Dezentrale RLT
Zusätzlicher
Erdwärmetauscher
56 2
32
LüftungssystemArt der Wärmerückgewinnung
Rotationswärmetauscher Kreuzstromwärmetauscher
(regeneratv) (rekuperativ)
Untersuchungsergebnisse
121
In Tabelle 46 ist die Unterteilung nach der Regelstrategie dargestellt.
Tabelle 46: Unterteilung nach Regelstrategie
Anhand der Angaben zu der Regelstrategie ist zu erkennen, dass die Regelung
nach der CO2-Konzentration in der Raumluft überwiegend eingesetzt wurde. In
einigen Fällen gab es zusätzlich zur CO2-Regelung auch eine Feuchteregelung.
Die Regelung nach VOC-Konzentration wurde in den Beschreibungen nicht
erwähnt. Hier ist aber anzumerken, dass bei sieben Projekten überhaupt keine
Informationen zur Regelung vorliegen. Bei vier Objekten wurde die RLT-Anlage
auf einen konstanten Luftvolumenstrom eingestellt und nach einem Zeitplan
gesteuert. Eine Regelung nach CO2 oder VOC ist nicht vorhanden.
Weitere Erkenntnisse sind im Folgenden stichpunktartig zusammengefasst:
als Planungsgrundlage für maschinelle Lüftungsanlagen diente entweder die
DIN 1946-2 oder die DIN EN 13779 (DIN 1946-2 wurde im Jahr 2005 durch
DIN EN 13779 ersetzt)
Auslegung der Luftvolumenströme erfolgte meistens nach CO2-
Konzentration; max. CO2-Konzentration = 1500 ppm
Einhaltung des zulässigen Schalldruckpegels ist für die Akzeptanz der
maschinellen RLT-Anlagen durch Schüler und Lehrer sehr wichtig.
51
3 2
LüftungssystemVOC-RegelungCO2-Regelung
Art der Regelungkeine
Regelungkeine Angabe
Zentrale RLT6 keine
Dezentrale RLT2 keine
Untersuchungsergebnisse
122
4.4.1 CO2-Konzentrationen in Klassenräumen
Im Weiteren werden Ergebnisse der CO2-Messungen aus anderen
Forschungsprojekten vorgestellt. Ausführliche Informationen hierzu sind in der
Bekanntmachung des Umweltbundesamtes (Mitteilungen der Ad-hoc-
Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der Innenraumlufthygiene-Kommission des
Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden) zu
finden [2].
In Abbildung 24 ist der typische Verlauf der CO2-Konzentration in
Gemeinschaftsräumen mit Pausenlüftung in der Heizperiode dargestellt [2].
Abbildung 24: Typischer Verlauf der CO2-Konzentrationen und
verschiedener Raumklimaparameter während der
Unterrichtszeit in einer Schule [2]
Die CO2-Konzentrationen liegen weit über 1000 ppm, bei verkürzten Pausen
sogar über 2000 ppm. Durch das Lüften in den Pausen kann der CO2-Gehalt bis
auf 1000 ppm abgesenkt werden. Dabei fällt die Innenraumlufttemperatur auf
ca. 17 °C. Das Lüftungsverhalten hängt stark von der Außentemperatur ab.
Deswegen wird bei niedrigeren Außentemperaturen weniger oder gar nicht
Untersuchungsergebnisse
123
über Fenster gelüftet. Das hat hohe CO2-Konzentrationen zur Folge. In
Abbildung 25 wird beispielhaft der Zusammenhang zwischen der
Außenlufttemperatur und der Kohlendioxidkonzentration in einer Grundschule
dargestellt [2].
Abbildung 25: Abhängigkeit der Kohlendioxid-Konzentration der
Innenraumluft von der Temperatur der Außenluft [2]
An den Messwerten ist zu erkennen, dass mit fallender Außentemperatur die
CO2-Konzentration in Innenräumen steigt. Aufgrund von Zugerscheinungen
und starker Raumauskühlung werden die Fenster bei niedrigen
Außentemperaturen entweder gar nicht oder nur kurzzeitig geöffnet.
Die nächste Tabelle zeigt einen Teil der Ergebnisse der CO2-Messungen, die an
deutschen Schulen durchgeführt wurden. Es handelt sich um Schulen ohne
maschinelle Lüftungssysteme.
Untersuchungsergebnisse
124
Tabelle 47: Kohlendioxid-Konzentrationen in Klassenräumen deutscher
Schulen [2]
Die Messwerte aus Tabelle 47 belegen, dass vor allem in den Wintermonaten in
Klassenräumen CO2-Konzentrationen oftmals den Wert von 2000 ppm
Anzahl der
Klassen-
räume
Median
(Min-Max)a
% Überschreitung
>1000 ppm
während der
Unterrichtszeit
% Überschreitung
>2000 ppm
während der
Unterrichtszeit
Messzeitraum Ort Bemerkungen
90 1412
(367-5359)
82 30 Winter
2004/2005
München
und
Umgebung
Messungen
während der
Unterrichtszeit; je
Klassenraum 1
ganzer
Unterrichtstag
75 728
(314-2742)
29 5 Sommer 2005
39 1600
(300-6000)
80 17 Winter
2002/2003
Berlin Messungen
während der
Unterrichtszeit; je
Klassenraum 1
ganzer
Unterrichtstag
220 1654
(355-4998)
86 32 Winter
2005/2006
ErfurtMessungen
während der
Unterrichtszeit; je
Klassenraum eine
Schulstunde,
Fenster während
der Messung
geschlossen
19 1459
(431-4380)
79 23 Winter
2005/2007
Baden-
Württember
g
(überwiegen
d Stuttgart)
Auswertung der
Unterrichtszeit, je
Klassenraum 1
ganzer
Unterrichtstag
(aus Messungen
ganzer Schultage)
18 820
(304-3554)
36 3 Sommer 2006
36 1510
(730-4177)
89b Winter
2001/2002
22 581
(339-1270)
32b Sommer
2001-2002
aaus Kurzzeitmessungen (überwiegend minütlich); bprozentualle Überschreitung von 1500 ppm; cAuswertung der Unterrichtszeit
Hannover
und
Umgebung
Die Messungen
erfolgten
üblicherweise
über ca. 48
Stunden/Klassenr
aumc
Untersuchungsergebnisse
125
überschreiten. Spitzenwerte liegen sogar über 4000 ppm. Im Sommer ist die
Situation deutlich besser. Der CO2-Gehalt in Klassenräumen liegt denn
überwiegend im Bereich zwischen 1000 bis 2000 ppm.
4.4.2 Zusammenfassung Ergebnisse anderer Projekte
Die hohe CO2-Konzentration in Klassenräumen vor allem in der Heizperiode
wurde vielfach untersucht und jedes Mal bestätigt. In den Wintermonaten liegt
der CO2-Gehalt oftmals über 2000 ppm. Konzentrationen bis 5000 ppm treten
häufig auf. Es wurde festgestellt, dass mit fallender Außentemperatur die CO2-
Konzentration in Innenräumen ansteigt. Aufgrund von Zugerscheinungen und
starker Raumauskühlung werden die Fenster bei niedrigen Außentemperaturen
entweder gar nicht oder nur kurzzeitig geöffnet. Schulen mit maschinellen
Lüftungssystemen weisen eine deutliche bessere Luftqualität auf. Je nach
Auslegungsbedingungen liegt die CO2-Konzentration im Bereich von 1000 ppm
bis 1500 ppm. Neu gebaute Schulgebäude wurden immer mit einer zentralen
RLT-Anlage ausgerüstet. Bei bestehenden Schulen kamen meist dezentrale
Lüftungsgeräte in verschiedenen Ausführungen zum Einsatz. Alle
Lüftungsanlagen verfügten über ein Wärmerückgewinnungssystem.
Rotationswärmetauscher sowie Kreuzstromwärmetauscher wurden in etwa
gleich oft eingesetzt. Bei der Regelstrategie überwiegt die CO2-geführte
Regelung. Nur wenige RLT-Anlagen wurden ohne Regelung ausgeführt.
Simulation
126
5 Simulation
In den nächsten Kapiteln sind die wesentlichen Simulationsergebnisse
vorgestellt. Vollständige Ergebnisse sind dem Simulationsbericht zu entnehmen.
5.1 Einführung thermische Simulation
Simulation ist die wirklichkeitsnahe Nachahmung realer technischer Vorgänge
aufbauend auf mathematischen Rechenmodellen. Mit Hilfe von Gebäude-
simulationsprogrammen kann die Komplexität der Wechselwirkungen der
inneren und äußeren Einflüsse auf ein Gebäude wie Außentemperatur,
Sonneneinstrahlung, Wind, Verschattung, Nutzerverhalten, innere
Wärmequellen, Lüftung u.v.a. realitätsnah nachgebildet werden. Mittels
Simulation ist es möglich, ein Gebäude sowohl in energetischer als auch
ökonomischer Sicht zu optimieren. Dies gilt nicht nur für den Entwurf von
Neubauten, sondern auch für die Analyse und Optimierung von Altbauten [3].
Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen der HTW Berlin und der
Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt ist die thermische
Simulation in erster Linie ein wichtiges Werkzeug, um vielfältige
Lüftungssysteme für unterschiedliche Schulbautypen nach energetischen und
ökonomischen Kriterien zu untersuchen. Um solche komplexen technischen
Vorgänge zu simulieren, bedarf es eines Modells, welches die Informationen
des zu untersuchenden Objektes berücksichtigt. Zunächst ist es erforderlich,
die Geometrie, die Beschaffenheit und die technischen Komponenten des
Gebäudes in das mathematische Modell zu übertragen. Um möglichst
realitätsnahe Ergebnisse zu bekommen, muss das Simulationsobjekt ein
Nutzerverhalten berücksichtigen, welches möglichst der Realität entspricht.
Als Grundlage für die klimatischen Randbedingungen dienen bei der
Simulationsberechnung die Jahresdatensätze des regionalen Testreferenzjahres,
welche in stündlicher Auflösung zur Verfügung stehen. Die Wetterdaten
beinhalten Parameter wie z.B. Außenlufttemperatur, relative Luftfeuchte,
Simulation
127
Windstärke und -richtung, den Bedeckungsgrad und Informationen über
Niederschläge.
5.2 Zielstellung
Um Empfehlungen über optimale Lüftungskonzepte in Schulen geben zu
können, ist es notwendig, einen umfangreichen Variantenvergleich
durchzuführen. Das Ziel der Simulationsstudie ist es, konventionelle und
innovative Lüftungsmethoden für möglichst viele Gebäudetypen nach
wirtschaftlichen Kriterien zu untersuchen. Ein besonderes Augenmerk wird
dabei auf die Lüftungsart und den Einfluss der Luftwechselrate gelegt.
Zunächst werden Modelle vorliegender Schultypen auf Grundlage vorhandener
Daten erstellt. Zur Überprüfung der Richtigkeit werden die
Simulationsergebnisse der erstellten Modelle mit vorhandenen Messdaten
verglichen. Der Vergleich ist notwendig, um ein möglichst realistisches Modell
zu entwickeln. Nach Fertigstellung des Modells können vielfältige Simulationen,
u.a. verschiedene Lüftungskonzepte, untersucht und verglichen werden.
5.3 Beschreibung der Simulationsprogramme
Im folgenden Kapitel werden die verwendeten Simulationsprogramme
beschrieben. Für die thermische Simulation wird das Programm
„DesignBuilder“ und für die CO2-Simulation die Anwendung QUIRL/CO2
verwendet. Das Ziel der Beschreibung ist es, einen Überblick über die
Funktionsweise der Programme zu vermitteln. Dabei werden die verwendeten
Module detailliert beschrieben und deren Funktionen erläutert.
Simulation
128
5.3.1 DesignBuilder
Das Programm “DesignBuilder“ ist eine von der Firma DesignBuilder Software
LTD zur Systemsimulation entwickelte Programmumgebung. Dieses
Nutzerinterface nutzt für die Simulation das Gebäudesimulationsprogramm
“EnergyPlus“. Die Anwendung “EnergyPlus“ stellt einen leistungsfähigen
Rechenkern dar, der verschiedene bauphysikalische, feuchte- und
wärmetechnische Aufgaben lösen kann.
Die DesignBuilder-Software ist eine erweiterte grafische Benutzeroberfläche,
die die Arbeit mit dem EnergyPlus-Programm vereinfacht und die Simulation
übersichtlicher macht. Die Funktionen im Programm sind gut gegliedert und
auf entsprechenden Registerkarten angeordnet. Das Programm bietet die
Möglichkeit, verschiedene Gebäude auch mit komplexer Geometrie abzubilden.
Zur Verfügung steht eine große Liste von Baumaterialien und Stoffen, die es
ermöglicht, entweder vorgefertigte Bauteile auszuwählen oder neue Bauteile zu
erzeugen.
Abbildung 26: Arbeitsfläche des Programms "DesignBuilder"
Simulation
129
In Abbildung 26 ist das Hauptfenster des Programms zu sehen. Grundsätzlich
besteht das Hauptfenster aus drei Teilfenstern:
Navigationspanel
Bearbeitungsoberfläche
Informationspanel
Im oberen und unteren Teil der Bearbeitungsoberfläche ist jeweils eine Leiste
mit mehreren Registerkarten angeordnet:
Einstellparameter für das Gebäudemodell
Module für die Simulation und Berechnung
Das Navigationspanel zeigt eine hierarchische Struktur des Gebäudemodells an.
Solche Struktur vereinfacht die Arbeit mit komplexen Gebäuden, die aus
mehreren Geschossen und Räumen bestehen. Die Struktur bietet einen guten
Überblick über den Aufbau des Gebäudes. Es ist schnell erkennbar, wie das
Gebäude aufgebaut ist. Ein weiterer Vorteil der hierarchischen Struktur ist die
Datenvererbung von übergeordneten Ebenen. Auf diese Weise wird die
Information, die auf einer Ebene eingegeben wurde, automatisch auf den
untergeordneten Ebenen übernommen. Werden z.B. Änderungen in der
Konstruktion einer Außenwand auf der Gebäudeebene vorgenommen,
übernehmen sämtliche untergeordnete Blöcke (Geschosse) sowie Räume die
geänderte Konstruktion der Außenwand. Falls ein Raum eine andere Bauweise
als das Gebäude aufweist, können entsprechende Einstellungen auf der
Raumebene (Zone) vorgenommen werden. In Abbildung 27 ist der
hierarchische Aufbau eines Modells dargestellt.
Simulation
130
Abbildung 27: Hierarchische Aufbau eines Modells
In Abbildung 27 ist die Verknüpfung und der Informationsaustausch zwischen
den Ebenen abgebildet. Bei einer Modifizierung einer Außenwand ist zu sehen,
von welchen Ebenen die Änderungen übernommen werden.
Die Bearbeitungsoberfläche (Abbildung 26) dient zum Modellieren oder
Zeichnen von Objekten. Mit Hilfe des 3D – Engine (Registerkarte „Visualise“)
lässt sich das Objekt von allen Seiten betrachten. Dadurch bekommt der
Nutzer einen vollständigen Überblick über das Modell. Das Programm bietet u.a.
die Möglichkeit, 2D-Zeichnungen zu importieren, die für die weitere
Verarbeitung verwendet werden können. Bei komplexen Gebäuden wird
dadurch der Zeitaufwand für die Dateneingabe deutlich reduziert. Das
Programm unterstützt zahlreiche Datentypen, gängige Formate können damit
problemlos eingelesen werden. Das Informationspanel (Abbildung 26, auf der
rechten Seite) zeigt dem Nutzer Informationen und Hinweise bezüglich der von
ihm im Moment der Bearbeitung verwendeten Funktionen.
Simulation
131
5.3.2 QUIRL/CO2
5.3.2.1 Allgemein
In Innenräumen mit hoher Personendichte gilt die CO2-Konzentration als ein
anerkanntes Maß für die Bewertung der Luftqualität [11]. Die vorliegende
Modellsoftware QUIRL/CO2 wurde während eines Projektes vom
Niedersächsischen Landesgesundheitsamt, in dem die Luftqualität in
Klassenräumen von mehreren Schulen untersucht wurde, entwickelt.
Das nummerische Modell „QUIRL“ (Qualität der Innenraumluft) wurde
entwickelt, um unterschiedliche Nutzungsbedingungen von Klassenräumen und
deren Einfluss auf die CO2 – Konzentration simulieren zu können. Das
Programm verfügt über viele hilfreiche Funktionen. So ist es auch möglich,
Parameter wie „Grundfläche“, „Höhe“, „Luftwechselrate“, „Raumbelegung“,
„CO2–Abgaberate“, „CO2–Anfangs- und –Außenkonzentration“ sowie die „Start-
und Stoppzeit“ nach Bedarf zu verändern und anzupassen.
5.3.2.2 Beschreibung der CO2-Modellsoftware
Die CO2 – Konzentration in einem Raum kann sich nur dann ändern, wenn der
ursprünglichen Menge von CO2 entweder durch Quellen weiteres CO2
hinzugefügt oder durch Senken entnommen wird. Der Zusammenhang
zwischen der CO2-Konzentration, die sich mit der Zeit ändert, sowie die
Zunahme und Abnahme wird als Massenbilanz bezeichnet und kann in
folgender Form beschrieben werden:
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒𝑛ä𝑛𝑑𝑒𝑟𝑢𝑛𝑔
𝑍𝑒𝑖𝑡𝑒𝑖𝑛ℎ𝑒𝑖𝑡= +
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒𝑛𝑧𝑢𝑛𝑎ℎ𝑚𝑒
𝑍𝑒𝑖𝑡𝑒𝑖𝑛ℎ𝑒𝑖𝑡]
𝑄𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛−
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒𝑛𝑧𝑢𝑛𝑎ℎ𝑚𝑒
𝑍𝑒𝑖𝑡𝑒𝑖𝑛ℎ𝑒𝑖𝑡]
𝑆𝑒𝑛𝑘𝑒𝑛
Das Modell wurde entwickelt, um einerseits die Wirklichkeit möglichst gut
abzubilden und andererseits eine ausreichende mathematische Beschreibung
zu ermöglichen. Um die mathematischen Berechnungen zu vereinfachen,
wurden für das Modell folgende Annahmen getroffen:
Das in der Raumluft befindliche CO2 wird als chemisch stabiler Stoff betrachtet,
d.h. es gibt keine chemischen Reaktionen, die CO2 produzieren oder
umwandeln.
Simulation
132
Es gibt keine Adsorption von CO2 an Oberflächen wie z.B. an den Wänden oder
dem Mobiliar des Raumes.
Die Raumluft wird als vollständig durchmischt angenommen, d.h., dass die
CO2 – Konzentration im Raum überall den gleichen Wert hat. Die Konzentration
kann somit durch einen Wert für den ganzen Raum angegeben werden. Eine
Änderung der CO2-Konzentration im Verlauf der Zeit ist ebenfalls möglich.
Unter Berücksichtigung der oben getroffenen Annahmen sind die folgenden
Quellen und Senken für die CO2-Konzentration in der Raumluft relevant:
Senke: Transport von CO2 von der Raumluft in die Außenluft
Quelle: Transport von CO2 von der Außenluft in die Raumluft
Quelle: Emission (Abgabe) von CO2 im Raum durch anwesende Raumnutzer
Anhand der Annahmen kann die Massenbilanz für das CO2 in der Luft wie folgt
beschrieben werden:
𝑉𝑑𝐶𝑖
𝑑𝑡= 𝑛𝑉𝐶𝑎 − 𝑛𝑉𝐶𝑖 + 𝑆 (16)
𝐶𝑖 CO2 – Konzentration in der Raumluft 𝑝𝑝𝑚
𝐶𝑎 CO2 – Konzentration in der Außenluft 𝑝𝑝𝑚
𝑆 pro Zeit in die Raumluft abgegebene CO2 – Masse 𝑚3/ℎ
𝑉 Raumluftvolumen 𝑚3
𝑛 Luftwechselrate ℎ−1
𝑡 Zeit 𝑠
Die zeitliche Änderung der CO2-Masse im Raum wird durch die linke Seite der
Gleichung (16) beschrieben. Auf der rechten Seite der Gleichung sind die
Senken und Quellen aufgeführt.
Simulation
133
5.4 Erstellen eines Simulationsmodells
Beim Aufbau von Modellen muss stets beachtet werden, dass jede Art der
Simulation Grenzen hat. Die Gründe dafür sind vielfältig. Es können technische
Einschränkungen wie z.B. begrenzte Funktionen des Programms oder nicht
ausreichende Rechenkapazität des Computers sein. Eine geringe
Informationsmenge über das Objekt kann u.U. ebenfalls eine Einschränkung
darstellen. Aufgrund dieser Einschränkungen müssen die Modelle möglichst
einfach erstellt werden. Eine Vereinfachung des Modells führt zur vereinfachten
Abbildung der Realität und somit zu Ungenauigkeiten bei den Simulations-
ergebnissen. Um diese Problematik zu umgehen und die Genauigkeit der
Ergebnisse nicht zu beeinträchtigen, wird empfohlen, die zusätzlichen
Beschreibungsparameter nur dann einzusetzen, wenn das Grundmodell (das
vereinfachte Modell) und dessen Funktionen korrekte Ergebnisse liefern. Beim
Einsetzen der neuen Parameter, die den Detailierungsgrad des Modells erhöhen,
ist es wichtig, stets den Berechnungsvorgang durchzuführen und die
Simulationsergebnisse zu analysieren.
Eine weitere Grenze ergibt sich daraus, dass die Modelle nur in einem
bestimmten Kontext korrekte Ergebnisse, die sich auf die Realität übertragen
lassen, liefern. In anderen Parameterbereichen können die Resultate große
Abweichungen haben oder sogar falsch sein. Aus diesem Grund ist die
Validierung der Modelle für den einzelnen Anwendungsfall ein wichtiger
Bestandteil der Simulation.
Simulation
134
5.4.1 Typenschulbauten
Im Rahmen der von der HTW Berlin durchgeführten Untersuchungen wurden
von den untersuchten Objekten sämtliche Planungsunterlagen, Energie-
verbrauchsdaten und sonstige vorhandene Unterlagen angefordert und
gesichtet. Anhand vorliegender Daten aus den Unterlagen wurden
Simulationsmodelle, die im weiteren Verlauf beschrieben werden, erstellt. Ein
großer Teil der in Berlin vorhandenen Schulgebäude gehört zu den
Typenschulbauten der 60er, 70er und 80er Jahre. Der Anteil der Typenschul-
bauten in den neuen Bundesländern beträgt etwa 50 Prozent [23].
Typenschulbauten sind auf der Grundlage der jeweils geltenden Projektierungs-
richtlinien der 50er, 60er und 80er Jahre entstanden. Sie lassen sich nach
Bauweise, dem Erschließungstyp und dem Baujahr unterscheiden [23]. Eine
zusätzliche Unterteilung der Typenschulbauten der 60er und 70er Jahre ergibt
sich aus der Gebäudeform (Atriumtypen, Schustertypen und Gangtypen). Die
Typenbauten der 50er Jahre sind Mauerwerksbauten in Längswand-bauweise
mit Deckenspannweiten von max. 6 m. Die Unterrichtsräume sind 48 m², die
Fachunterrichtsräume 77 m² groß [23]. Die Typen-bauten der 60er und 70er
Jahre sind in Stahlbetonmontagebauweise mit tragenden Querwänden und
Deckenspannweiten von 7,20 m errichtet worden [23]. Die Unterrichtsräume
sind gemäß der damals geltenden Richtlinie 50 m2, die Fachunterrichtsräume
70 m² groß [23]. In Berlin, Cottbus und Leipzig wurden Schulen in
Skelettbauweise gebaut. Diese Bauweise ermöglichte längs gerichtete, parallel
zur Außenwand liegende Fachräume. Die Schulbaurichtlinie der 80er Jahre
forderte für zweizügige Schulen 62 m² große Unterrichtsräume und 74 m²
große Fachunterrichtsräume [23]. Weitere Informationen zu den Typen-
schulbauten sind in [23] ausführlich beschrieben.
Simulation
135
5.4.2 Modell zum Gebäudetyp „SK Berlin“
Drei der von der HTW Berlin untersuchten Schulen sind vom Gebäudetyp „SK
Berlin“. Dieser Gebäudetyp gehört zu der Gebäudeform „Gangtyp“. Bei dieser
Gebäudeform handelt es sich um: „einhüftig erschlossene viergeschossige
Gebäuderiegel in Skelett- bzw. Wandskelettbauweise mit längs zur Fassade
angeordneten Fachklassen [23].“
Der Gebäudetyp „SK Berlin“ hat zwei abgeschlossene Treppenhäuser. Alle
Unterrichtsräume sowie Flure werden einseitig belichtet und natürlich belüftet.
Bei der einseitigen Belüftung liegen die Fensteröffnungen in einer Seite des
Raumes. Für die Querlüftung sind Fensteröffnungen an verschiedenen Wänden
notwendig, im besten Fall in einander gegenüberliegenden Wänden. Im
Gebäudetyp „SK Berlin“ ist aufgrund der Konstruktion ein direktes Querlüften
nicht möglich. Die Fachräume befinden sich immer an den Giebelseiten. Der
Gebäudetyp wurde in Berlin in den Jahren 1965-1983 gebaut, bis 1977
viergeschossig mit Kellergeschoss und ab 1978 fünfgeschossig ohne
Unterkellerung [23].
In Abbildung 28 ist ein Bestandsgrundriss des Erdgeschosses des Gebäudetyps
SK Berlin dargestellt.
Abbildung 28: Typ SK Berlin Bestandsgrundriss Erdgeschoss [23]
Anhand der vorliegenden Daten aus den Untersuchungen und Unterlagen
wurde zunächst ein Simulationsmodell zum Gebäudetyp SK Berlin erstellt.
Sämtliche Bauteile wurden simulationstechnisch nachgebildet. Das
Simulation
136
Simulationsmodell setzt sich aus mehreren Bestandteilen, die für verschiedene
Berechnungen notwendig sind, zusammen. So können die Transmissions-
wärmeverluste, nachdem alle Bauteile und Materialen im Modell hinterlegt sind,
berechnet werden. Im Vergleich zu den Transmissionswärmeverlusten ist die
Simulation von Lüftungswärmeverlusten, die vom Nutzerverhalten abhängig
sind, mit großem Aufwand bei der Implementierung verbunden. Anhand
vorhandener Daten zum Wärme- und Stromverbrauch wurde ein Modell
entwickelt, welches das Nutzerverhalten bei der Fensterlüftung mit
ausreichender Genauigkeit widerspiegelt.
In Abbildung 29 ist die Wärmebilanz in Form eines Säulendiagramms für eine
SK Berlin Schule dargestellt. Die Wärmeverluste, die bei der freien Lüftung
entstehen, haben den größten Anteil am Gesamtwärmeverlust.
Abbildung 29: Wärmebilanz am Beispiel einer Schule nach Typ SK Berlin in
unsaniertem Zustand
Die Lüftungswärmeverluste sind hier nur auf die Fensterlüftung zurückzuführen.
Um das Nutzerverhalten bei der Simulation möglichst realitätsnah abzubilden,
bedarf es bestimmter Randbedingungen, nach denen die freie Lüftung
parametriert wird. Es wird ein Zusammenhang zwischen Außentemperatur und
Häufigkeit des Öffnens der Fenster definiert. Die dafür entwickelten Parameter
Simulation
137
sind für einen Bereich festgelegt, der in Relation mit Wetterdaten und
Behaglichkeitskriterien steht.
Zur Veranschaulichung der definierten Parameter für die freie Lüftung dient die
Abbildung 30, in der die Simulationsergebnisse von zwei Monaten in der
Winterzeit dargestellt sind. Es handelt sich um ein Simulationsmodell, welches
das reale Nutzerverhalten bei der Fensterlüftung abbildet. Es ist zu sehen, dass
der Luftwechsel von der Außentemperatur abhängig ist. So findet bei den
Temperaturen unter 0 °C ein geringer, nicht erwähnenswerter Luftwechsel
statt, die Öffnungsfläche hat einen minimalen Wert. Aufgrund hoher
Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenluft findet eine weitere
Öffnung der Fenster nicht statt. Das Öffnen der zusätzlichen Fensterflächen
würde zu höheren Luftwechselraten führen und die Behaglichkeit in den
Klassenräumen beeinträchtigen. Bei steigenden Außentemperaturen ist zu
erkennen, dass der Luftwechsel zunimmt. Schlussfolgernd heißt dies, dass mit
steigenden Außenlufttemperaturen mehr mit Fenstern gelüftet wird.
Abbildung 30: Luftwechsel bei freier Lüftung in Abhängigkeit von
der Außentemperatur (Simulation)
In Abbildung 30 ist es zu erkennen, dass mit steigenden Temperaturen der
Luftwechsel zunimmt, jedoch trotzdem nicht ausreicht und überwiegend im
Simulation
138
Bereich zwischen 0,5 und 1,0 liegt. Um eine gute Raumluftqualität
sicherzustellen sind höhere Luftwechselraten notwendig. Im Durchschnitt ist
ein 4,5 facher Luftwechsel bzw. 30 m³/(h Pers) erforderlich um die CO2-
Konzentration in Klassenräumen auf ≤ 1000 ppm zu halten. Der geringe
Luftwechsel (0,5 bis 1,0) führt zu hohen CO2-Konzentrationen, siehe
Abbildung 31.
Abbildung 31: CO2 – Konzentration bei manueller Fensterlüftung in der
Winterzeit (Simulation)
Bei bestimmungsgemäßer Belegung der Klassenräume ist es in den
Wintermonaten nicht möglich, allein mit Hilfe der Fensterlüftung akzeptable
CO2-Konzentrationen zu erreichen.
Im Vergleich hierzu wurde eine Simulation für die Sommerzeit durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 32 dargestellt. Der Luftaustausch bei der
freien Lüftung beruht auf Druckunterschieden zwischen innen und außen, die
infolge von Temperaturdifferenzen oder Windeinfluss zu Stande kommen.
Sowohl die Temperaturdifferenzen als auch der Windeinfluss sind bei der
Simulation auf Grundlage der Wetterdaten eines Referenzjahres berücksichtigt.
Simulation
139
Die Abbildung 32 zeigt Simulationsergebnisse eines möglichen Luftwechsels in
der Sommerzeit.
Abbildung 32: CO2 – Konzentration bei manueller Fensterlüftung in der
Sommerzeit (Simulation)
Der Luftaustausch zwischen innen und außen ist in der Sommerzeit deutlich
höher als in der Winterzeit. Für die Erstellung des Modelles wurden
gewöhnliche Unterrichtszeiten zugrunde gelegt. Der entsprechende CO2-
Konzentrationsverlauf für die möglichen Luftwechselraten in der Sommerzeit
ist in Abbildung 33 zu sehen.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
5
10
15
20
25
30
35
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
00
:00
:00
08
:00
:00
16
:00
:00
Mai Juni Juli
Luft
wec
hse
l, 1
/h
Tem
per
atu
r, °
C
Außentemperatur, °C Raumtemperatur, °C Luftwechsel, 1/h
Simulation
140
Abbildung 33: CO2 – Konzentration bei manueller Fensterlüftung (Sommer)
Die Ergebnisse in Abbildung 33 zeigen die Lüftungsaktivität der Nutzer sowie
den daraus resultierenden CO2-Konzentrationsverlauf in den Klassenräumen.
Im Vergleich zu der Winterzeit ist es im Sommer möglich, mittels freier Lüftung
über Fenster ohne Behaglichkeitseinschränkungen hygienisch unbedenkliche
Luftqualität in den Innenräumen, wenn entsprechende Witterungsbedingungen
vorliegen sicherzustellen.
Simulation
141
5.4.3 Interne Wärmegewinne
Ein wichtiger Bestandteil der Energiebilanz eines Gebäudes sind die internen
Wärmegewinne. In Schulgebäuden sind die internen Wärmegewinne in erster
Linie auf die Wärmeabgabe des Menschen, der Beleuchtung und ggf. der IT-
Ausstattung zurückzuführen.
Interne Wärmegewinne durch Personen
Der Mensch gibt über seine Körperoberfläche kontinuierlich Wärme an die
Umgebung ab. Der Wärmestrom setzt sich aus Wärmeleitung, Konvektion,
Strahlung und Verdunstungswärme zusammen.
Um die interne Wärmegewinne durch Personen in der Simulation zu
berücksichtigen, sind folgende Parameter notwendig:
Wärmeproduktion der Personen (Aktivitätsgrad) in w/m²
Belegungsdichte pro Klassenraum
Belegungszeitplan
Belegungsfaktor
Die Wärmeproduktion der Personen ist abhängig von der Bekleidung und der
Art der Tätigkeit. In der Simulation wurde für die Wärmeproduktion ein Wert
von 75 W/Person (entspricht einer sitzenden Tätigkeit) angenommen. Die
Belegungsdichte der Klassenräume liegt im Durchschnitt zwischen 20 – 25
Personen (Schüler mit Lehrpersonal) pro Klassenraum.
Der Parameter „Belegungszeitplan“ legt die Personendichte während eines
gewöhnlichen Schultages fest. Es wurde ein Zeitplan erstellt, der den
Unterrichts- und Pausenzeiten entspricht. Zusätzlich wird mit dem
Belegungsfaktor angegeben, wie viele Personen sich in der entsprechenden
Zeitperiode im Raum befinden. Der Faktor entspricht dem prozentualen Anteil
der Personen vom maximalen Belegungswert.
Simulation
142
Interne Wärmegewinne durch Beleuchtung
Ein weiterer Wärmegewinn innerhalb eines Gebäudes wird durch die
Beleuchtung verursacht. Die Leistung der elektrischen Beleuchtung geht fast
vollständig in Wärme über. Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist Lux. Für die
Parametrisierung der Beleuchtung sind folgende Parameter erforderlich:
Beleuchtungsstärke [Lux]
Beleuchtungsenergie oder Bewertungsleistung [W/m²]
Betriebszeitplan
Für die Simulation der Belichtung wurden Richtwerte der Nennbeleuchtungs-
stärken für Klassenräume und Flure aus der DIN 5035 „Innenraum-
beleuchtung mit künstlichem Licht“ entnommen. In Tabelle 48 sind Richtwerte
für die Nennbeleuchtungsstärken, abhängig von der Art des Raumes,
aufgeführt. Anhand dieser Tabelle wurden die Richtwerte für die Verkehrswege
im Gebäude auf 100 Lux und für die Klassenräume auf 300 Lux festgelegt.
Tabelle 48: Richtwerte der Nennbeleuchtungsstärken nach DIN 5035
𝑬𝒏 = 𝟏𝟎𝟎 … 𝟐𝟎𝟎 𝒍𝒖𝒙 𝑬𝒏 = 𝟑𝟎𝟎 … 𝟓𝟎𝟎 𝒍𝒖𝒙 𝑬𝒏 = 𝟓𝟎𝟎 … 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝒍𝒖𝒙
Lagerräume, Treppen,
Flure, Tankstellen,
Kantinen, Arbeitsplätze
in Verfahrenstechnik
Büroplätze an Fenstern,
Sitzungszimmer,
Labors, Bibliotheken,
Vorschulräume,
Unterrichtsräume in
Unterrichtsstätten
Büroräume ohne
Tageslicht,
Sanitätsräume,
Großraumbüro,
Technisches Zeichnen
Zusätzlich zu den Parametern der Beleuchtungsstärke wurde für jeden Raum
eine Steuerungsstrategie entwickelt. Das Steuerungssystem beinhaltet Stufen,
die einem bestimmten Wert der Beleuchtungsstärke entsprechen. Wenn die
Beleuchtungsstärke durch die Sonne für einen Klassenraum ausreichend ist,
d.h. der minimalen Beleuchtungsstärke nach DIN 5035 von 300 Lux entspricht,
wird die künstliche Beleuchtung ausgeschaltet. Dieses Steuerungssystem bildet
folgende Situation nach: Die Raumnutzer schalten das künstliche Licht aus,
wenn eine ausreichende Beleuchtungsstärke durch die Sonne vorhanden ist.
Für die Darstellung des Steuerungssystems für die künstliche Beleuchtung
Simulation
143
wurden zwei Unterrichtstage in der Winterzeit simuliert, da während dieser Zeit
die freie Beleuchtung häufig nicht ausreichend ist. In Abbildung 34 sind die
Wärmelasten, die durch Personenbelegung, Beleuchtung und Sonnen-
einstrahlung entstehen, dargestellt. Die Bewertungsleistung wurde nach dem
Berechnungsverfahren aus DIN 18599 Teil 4: „Nutz- und Endenergiebedarf für
Beleuchtung“ ermittelt und beträgt 3,73 W/m². Die typischen Werte für die
Bewertungsleistung der Leuchtstofflampen liegen zwischen 2 bis 4 W/m² * 100
lux [13]. Bei der Grundfläche eines allgemeinen Unterrichtsraumes von ca. 50
m² ergibt sich für die gesamte Beleuchtung eine Wärmeleistung von ca. 210 W.
Abbildung 34: Simulation der Wärmelasten in einem Raum (10.01-1.01)
In Abbildung 34 ist zu erkennen, dass sogar in der Winterzeit die
Wärmeeinträge bei Süd-West orientierten Gebäuden relativ hoch sind und den
Spitzenwert von ca. 1 kW in einem Raum erreichen. Am 10.01 erreicht die
Beleuchtungsstärke der Sonnen im Raum um 9:45 Uhr den Wert von 300 Lux,
zur Folge wird das künstliche Licht ausgeschaltet. Am 11.01. Am Folgetag ist
die Sonneneinstrahlung geringer. Durch geringe Sonneneinstrahlung wird die
erforderliche Beleuchtungsstärke nicht erreicht und die künstliche Beleuchtung
bleibt am gesamten Unterrichtstag eingeschaltet.
0200400600800
100012001400160018002000
00
:00
:00
01
:36
:00
03
:12
:00
04
:48
:00
06
:24
:00
08
:00
:00
09
:36
:00
11
:12
:00
12
:48
:00
14
:24
:00
16
:00
:00
17
:36
:00
19
:12
:00
20
:48
:00
22
:24
:00
00
:00
:00
01
:36
:00
03
:12
:00
04
:48
:00
06
:24
:00
08
:00
:00
09
:36
:00
11
:12
:00
12
:48
:00
14
:24
:00
16
:00
:00
17
:36
:00
19
:12
:00
20
:48
:00
22
:24
:00
10.01. 11.01.
Wär
mel
eist
un
g, k
W
Wärmegewinne durch Raumnutzer, W
Wärmegewinne durch Sonnenstrahlung, W
Wärmegewinne durch Beleuchtung, W
Simulation
144
Aus Tabelle 49 ist der Zeitplan für die Beleuchtung zu entnehmen. Der Zeitplan
wurde anhand der Belegung der Räume festgelegt. Das bedeutet, dass die
Beleuchtung nur bei Anwesenheit von Personen eingeschaltet ist.
Tabelle 49: Beleuchtung Zeitplan
Zeitraum Programmierwert, Klassenraum
Programmierwert, Flur
Mo bis Fr 00:00 – 07:30
07:30 – 15:30 15:30 – 24:00
0,0
1,0 0,0
0,0
1,0 0,0
Sa, So 00:00 – 24:00
0,0
0,0
0,0 = aus; 1,0 = an
Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung
Die Strahlungswärme der Sonne über die Fensterflächen und opake Bauteile ist
beträchtlich. In den Übergangszeiten können die solaren Gewinne ausreichend
sein, um den gesamten Wärmebedarf des Gebäudes zu decken. Im Sommer
führt die Strahlungswärme häufig zu erheblichen Überhitzungsproblemen im
Gebäude. Die Ausrichtung des Gebäudes sowie mögliche Verschattungs-
vorrichtungen sind entscheidend, in welchem Maße die Sonneneinstrahlung auf
das Gebäude einwirkt. In den folgenden Abbildungen ist der Einfluss der
Sonneneinstrahlung am Beispiel eines nach Süd-West ausgerichteten
Klassenraumes für die Winter- und Sommerzeit dargestellt.
Simulation
145
Abbildung 35: Simulation der Sonnenstrahlung in der
Winterzeit (25.02-01.03)
In Abbildung 35 sind die Simulationsberechnungen einer Winterwoche (25.02 –
01.03) zu sehen. Spitzenwerte der Wärmeleistung durch Sonnen-einstrahlung
liegen über 3,0 kW je Klassenraum.
Abbildung 36: Simulation der Sonnenstrahlung in der
Sommerzeit (03.06-07.06)
Simulation
146
In Abbildung 36 sind Simulationsergebnisse für die Sommerzeit am Beispiel
eines Klassenraumes (03.06-07.06) dargestellt. Es wurde ein Klassenraum
ohne Sonnenschutzvorrichtungen untersucht Es ist zu sehen, dass die
Raumlufttemperatur während der Zeit, in der der Raum nicht benutzt wurde,
kurzzeitig bis 35 °C steigt.
Simulation einer Heizungsanlage
Bei niedrigen Außentemperaturen ist eine Beheizung der Räume notwendig,
um ein gewünschtes Temperaturniveau in den Räumen sicherzustellen. Die
Sollinnentemperatur beträgt 20°C. Bei der Simulation von Heizungsanlagen ist
zu beachten, dass simulationstechnische Berechnungen immer eine optimale
Heizungsanlage darstellen.
5.4.4 Validierung des Modells
Bei der Validierung gilt es das aufgebaute Simulationsmodell zu prüfen. Nur so
können realitätsnahe Ergebnisse sichergestellt werden. Die von der HTW-Berlin
durchgeführten Simulationen wurden anhand vorhandener Auslegungsdaten
erstellt und auf Grundlage realer Messdaten überprüft und validiert. In
Abbildung 37 ist ein Vergleich der Heizlastberechnung dargestellt.
Simulation
147
Abbildung 37: Vergleich am Beispiel der Heizlastberechnung
Die Ergebnisse der Heizlastberechnung nach der Sanierung liegen nah
beieinander. Zur Veranschaulichung wurde auch der Zustand vor der Sanierung
simulationstechnisch nachgebildet.
Weitere Simulationsmodelle für andere Schultypen, die sich aus
simulationstechnischer Sicht nur in baulichen und zum Teil technischen
Eigenschaften bzw. Kriterien unterscheiden, wurden durch geringfügige
Veränderungen an dem erstellten Modell aufgebaut. Die Validierung erfolgte
anhand vorliegender Messdaten. Eine ausführliche Beschreibung dazu kann
dem Simulationsbericht entnommen werden.
134,03 kW 130,78 kW
170,78 kW
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
160,00
180,00
Heizlast nach der Sanierung(berechnet nach DIN 12831)
Heizlast nach der Sanierung(Simulation)
Heizlast vor der Sanierung(Simulation)
Leis
tun
g [k
W]
Simulation
148
5.5 Simulationsergebnisse
Im Folgenden ist ein Auszug der Untersuchungsergebnisse durchgeführter
Simulationen dargestellt. Weitere Erkenntnisse aus der Simulation können dem
Simulationsbericht entnommen werden.
5.5.1 Energetischer Vergleich von Lüftungskonzepten
Die unterschiedlichen Arten der Lüftung haben verschiedene Kosten und
Energieverbräuche zur Folge. Um vergleichen zu können, werden am Beispiel
einer Modellschule mit unterschiedlichen Lüftungskonzepten für jeweils gleiche
Außenluftvolumenströme der Energiebedarf und die Kosten gegenübergestellt.
Der Energiebedarf setzt sich dabei nur aus dem Energiebedarf für die
Beheizung und Belüftung der Modellschule zusammen. Sonstiger Energiebedarf
für Beleuchtung, elektrische Geräte etc. ist nicht berücksichtigt, da dieser für
den energetischen Vergleich von Lüftungskonzepten nicht relevant ist.
Folgende Lüftungskonzepte werden unterschieden:
Variante A: manuelle Fensterlüftung
Variante B: zentrale Raumlufttechnische Anlage
Variante C: dezentrale Raumlufttechnische Anlage (Warmwasser Erhitzer)
Variante D: dezentrale Raumlufttechnische Anlage (elektrischer Erhitzer)
Bei Fensterlüftung wird der Primärenergieverbrauch nach zwei verschiedenen
Luftwechselraten unterteilt. In Variante A1 mit der Bezeichnung
„Fensterlüftung“ ist der tatsächliche Luftwechsel welcher in der Untersuchung
ermittelt wurde, zugrunde gelegt. Bei Variante A2 wurde die Annahme
getroffen, dass mit der Fensterlüftung eine unbedenkliche Raumluftqualität
erreicht wird. Der Außenluftvolumenstrom beträgt in diesem Fall 30 m³/(h
Pers). Die Behaglichkeitsanforderungen sind aufgrund der Zugerscheinungen in
Folge niedriger Lufttemperatur und des hohen Luftwechsels nicht erfüllt. Die
Ergebnisse dienen nur einem energetischen Vergleich und einem
Kostenvergleich mit maschinellen RLT-Systemen, die ebenfalls auf diesen
Luftvolumenstrom ausgelegt sind. Dies entspricht in etwa einem 4,5 fachen
Luftwechsel.
Simulation
149
Abbildung 38: Primärenergiebedarf unterschiedlicher Lüftungskonzepte
Die dargestellten Ergebnisse in Abbildung 38 zeigen, dass sich der
Primärenergiebedarf bei den verschiedenen Varianten der maschinellen Lüftung
in etwa in der gleichen Größenordnung befindet. Wesentlich größer ist der
Primärenergiebedarf bei der Fensterlüftung mit einem Luftvolumenstrom von
30 m³/(h Pers) (Variante A2). Hierbei handelt es sich um Energieverluste, die
entstehen, da bei der Fensterlüftung keine Wärmerückgewinnung möglich ist.
Der Primärenergiebedarf ist deutlich höher als bei den verglichenen RLT-
Systemen. Der tatsächliche nicht ausreichende Luftwechsel über Fenster
(Variante A1) weist denselben Primärenergiebedarf wie RLT-Anlage mit einem
4,5 fachen Luftwechsel, auf.
Bei Verwendung von Nachtauskühlung entsteht ein zusätzlicher
Energieverbrauch. Weitere Details hierzu sind dem Kapitel „Effektivität der
Nachtauskühlung“ zu entnehmen.
Simulation
150
5.5.1.1 Zusammenfassung des energetischen Vergleichs
Der Primärenergiebedarf der Fensterlüftung mit einem für eine gute
Raumluftqualität, CO2-Gehalt ≤ 1000 ppm, erfoderlichen Luftwechsel
(4,5 facher Luftwechsel) ist höher als bei der maschinellen Lüftung. Grund
dafür sind die Energieverluste, weil bei der Fensterlüftung keine
Wärmerückgewinnung möglich ist. Die Behaglichkeitsanforderungen werden
bei der Fensterlüftung mit einem 4,5 fachen Luftwechsel ebenso nicht erfüllt,
weil die einströmende kalte Luft Zugerscheinungen hervorruft. Der tatsächliche
nicht ausreichende Luftwechsel über Fenster weist denselben
Primärenergiebedarf wie eine RLT-Anlage mit einem 4,5 fachen Luftwechsel,
auf.
Simulation
151
5.5.2 Effektivität von Sonnenschutzsystemen
Die folgende Untersuchung befasst sich mit den Sonnenschutzsystemen und
soll die Effektivität des Sonnenschutzes aufzeigen. Es wurden unterschiedliche
Systeme verglichen sowie die Erwärmung der Raumlufttemperatur durch
Sonneneinstrahlung simulationstechnisch untersucht. In Abbildung 39 ist die
Wirkung des Sonnenschutzes auf einer Süd-Fassade am Beispiel eines
Klassenraumes dargestellt. Die Abbildung zeigt nur einen Zeitraum von vier
Tagen im Frühling (04.07. – 05.07.). Es ist festzustellen, dass durch den
vorhandenen Sonnenschutz große Wärmeeinträge vermieden werden. Aus
diesem Grund steigt die Raumlufttemperatur im Raum langsamer und die
Spitzenwerte liegen ca. um 2 - 4 K niedriger. Als Steuerungskriterium für die
Verschattungsvorrichtung wurde ein Sonnenlichteinfall gemäß DIN 4108-2 von
150 W/m² auf die Fensterebene angenommen [43]. Wenn dieser Wert erreicht
oder überschritten wird, erfolgt eine Aktivierung des Sonnenschutzes. Für die
Simulation wurden Daten eines Referenzjahres zugrunde gelegt.
Simulation
152
Abbildung 39: Einfluss des Sonnenschutzes auf die Raumlufttemperatur am
Beispiel eines Klassenraumes 13.05-16.05 (Simulation)
Die Simulationsergebnisse in Abbildung 39 zeigen, dass an den untersuchten
Tagen die Raumtemperatur des Klassenraumes, mit einem Sonnenschutz,
zwischen 21,4 °C und 27,6 °C liegt. Ohne Verschattungsvorrichtungen steigt
die Raumtemperatur bis auf 30,1.
Des Weiteren werden folgende Sonnenschutzsysteme untersucht:
Innenliegende Jalousien
Jalousien zwischen den Fensterscheiben
Außenliegende Jalousien
Als Grundlage für die thermische Simulation dienen die Randbedienungen aus
DIN 4108-2 [43].
Simulation
153
Tabelle 50: Randbedingungen für Gebäudesimulation gemäß DIN 4108-2 [43]
Nr.: Bedingung Beschreibung
1. Nutzungen/Nutzungszeiten: Mo. – Fr., jeweils in der Zeit von 7:00 Uhr
bis 18:00 Uhr;
2. Klimadaten für die Berechnungen:
Testreferenzjahr für Berlin;
3.
Zeitraum für Auswertung: Berechnung wird für ein komplettes Jahr durchgeführt; Für die Ermittlung des
Übertemperaturgradstundenwertes sind keine Feiertage und Ferienzeiten zu
berücksichtigen;
4. Grundluftwechsel: Während der Nutzungszeit (7:00 Uhr bis
18:00 Uhr), n = 1,3 h-1;
Außerhalb der Nutzungszet (18:00 Uhr bis
7:00 Uhr), n = 0,24 h-1;
5. Steuerung Sonnenschutz: Grenzbestrahlungsstärke: 150 W/m²;
Abbildung 40 zeigt das Temperaturverhalten der beschriebenen
Sonnenschutzsysteme für den Zeitraum vom 01.05. bis 30.09 (Kühlperiode).
In ASR A3.5 ist eine obere Grenztemperatur von 26 °C angegeben. Im
Modellklassenraum ohne Sonnenschutzmaßnahmen ist an 60 % der
Nutzungszeit diese Temperaturgrenze überschritten. Der Übertemperatur-
gradstundenwert liegt in dem Fall bei 475,6 Kh/a. Mit Verschattungs-
vorrichtungen kann die Erhöhung der Raumlufttemperatur reduziert werden.
Den effektivsten Sonnenschutz bieten außenliegende und im Zwischenraum
der Verglasung eingebaute Sonnenschutzsysteme, so findet eine Erhöhung der
Raumlufttemperatur über 26 °C in nur 20 % bzw. 25 % der Nutzungszeit statt.
Der innenliegende Sonnenschutz ist weniger effektiv. Eine Temperatur-
erhöhung im Innenraum über 26 °C findet in 45 % der Nutzungszeit statt. Bei
der Betrachtung der Ergebnisse ist zu beachten, dass für die Berechnungen das
Testreferenzjahr zu Grunde gelegt ist. Die Wetterdaten dieses synthetischen
Jahres spiegeln einen Durchschnittlichen Verlauf der Wetterbedingungen wider.
In den letzten Jahren war es häufig wärmer, so dass die hier angegebenen
Überschreitungshäufigkeiten und die hier angegebenen Maximalwerte
nochmals größer ausfallen würden.
Simulation
154
Abbildung 40: Temperaturverhalten bei unterschiedlichen Sonnenschutz-
systemen in der Kühlperiode (1.05. – 30.09)
In der Abbildung 41 ist der Temperaturverlauf am Beispiel eines
Unterrichtstages dargestellt. Mit Hilfe der außenliegenden Verschattungs-
vorrichtungen findet die Erwärmung des Klassenraumes langsamer als in
einem Raum ohne Sonnenschutz statt. Die Grenztemperatur von 26 °C wird
erst um 14 Uhr überschritten. Die Raumlufttemperatur des Klassenraumes
ohne Verschattungsvorrichtungen steigt steiler an und der Grenzwert von
26 °C wird schon um 11:30 Uhr überschritten.
Simulation
155
Abbildung 41: Verlauf der Raumlufttemperatur bei unterschiedlichen
Sonnenschutzsystemen
Innenliegender Sonnenschutz schützt nicht vor Wärmeentwicklung im
Klassenraum. Aufgrund des verstärkten Einsatzes von Whiteboards kann es
erforderlich sein, den innenliegenden Sonnenschutz als Blendschutz zu
verwenden.
5.5.2.1 Zusammenfassung Sonnenschutzsysteme
Mit Hilfe der Simulation wurde der Einfluss unterschiedlicher
Verschattungsvorrichtungen auf die Raumlufttemperatur und somit auf die
thermische Behaglichkeit am Beispiel eines Modellklassenraumes in der
Sommerzeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch den außenliegenden
und durch den im Zwischenraum der Verglasung eingebauten Sonnenschutz
ein großer Teil der Strahlungsenergie reflektiert wird. Aus diesem Grund findet
die Erwärmung der Raumluft langsamer statt und die maximale
Raumtemperatur ist niedriger. In einem Klassenraum mit außenliegendem
Sonnenschutz wird die Raumlufttemperatur von 26 °C erst um 14.00 Uhr
Simulation
156
überschritten (Abbildung 41). Innenliegende Jalousien sind im Vergleich zu den
anderen Ausführungen weniger effektiv (Abbildung 40 und Abbildung 41), da
die Wärme im Inneren des Raumes entsteht. Die Raumtemperatur von 26 °C
wird schon am Vormittag erreicht und überschritten.
Ein Sonnenschutz ist vor diesem Hintergrund ein erforderlicher Bestandteil
eines Schulgebäudes. Aufgrund des verstärkten Einsatzes von Whiteboards
kann es erforderlich sein, den innenliegenden Sonnenschutz als Blendschutz zu
verwenden.
Simulation
157
5.5.3 Effektivität der Nachtauskühlung
Bei den maschinellen RLT – Anlagen wurde die Effektivität der Nacht-
auskühlung simulationstechnisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass das
thermische Speichervermögen des Gebäudes einen großen Einfluss auf die
Raumtemperatur und somit auf die thermische Behaglichkeit hat. Im
Zusammenhang mit der Effektivität der Nachtauskühlung wurde auch der
erforderliche Mehraufwand für die elektrische Energie mitbetrachtet. Es wurden
Regelungsstrategien untersucht um die Effizienz der Nachtauskühlung vor
allem in der Übergangszeit zu steigern.
Eine Nachtauskühlung ist in der Kühlperiode und in der Übergangszeit, wenn
festgelegte Temperaturen im Raum überschritten sind, erforderlich. Der
untersuchte Zeitraum reicht vom 01.05 bis 30.09. und schließt auch die
Übergangszeit mit ein. In der Übergangszeit besteht die Gefahr, dass Gebäude
aufgrund kühler Außentemperaturen unterkühlt werden. Um dies zu verhindern
ist eine Regelung notwendig. An warmen Sommertagen und - Nächten ist eine
Regelung nicht erforderlich, da keine Gefahr der Unterkühlung der Innenräume
besteht. Für die praktische Umsetzung der Nachtauskühlung ist ein Abschalten
des Wärmerückgewinnungssystems bzw. ein Bypass erforderlich.
Die im Folgenden dargestellten Grafiken sind die wesentlichen
Untersuchungsergebnisse am Beispiel eines Modellklassenraumes. Die
zugrunde gelegten Wetterdaten sind Jahresdatensätze des regionalen
Testreferenzjahres.
In Abbildung 42 ist die Nachtauskühlung mit und ohne Regelungsfunktion,
dargestellt. Der Luftvolumenstrom beträgt 30 m³/(h und Pers).
Simulation
158
Abbildung 42: Simulation der Raumlufttemperatur in der Übergangszeit
mit und ohne Nachtlauskühlung
In Abbildung 42 ist zu erkennen, dass mit der Nachtauskühlung die
Temperatur im Innenraum in der Nacht abgesenkt werden kann.
Nachtauskühlung ohne Regelung über die Temperatur kann bei kühlen
Außentemperaturen in der Übergangszeit zur Unterkühlung des Innenraumes
führen. Um dies zu vermeiden ist eine Temperaturregelung erforderlich. So
können wie in Abbildung 42 (grüne Linie) zu sehen ist, behagliche 22 °C im
Innenraum sichergestellt werden. Ohne Nachtauskühlung liegt die
Raumtemperatur zwischen 24 °C und 25 °C. In Abbildung 43 ist der Einfluss
des thermischen Speichervermögens des Gebäudes auf die
Raumlufttemperatur dargestellt. Es ist zu erkennen, dass bei schwerer
Bauweise die Raumlufttemperatur höher ist, als beim Gebäude mit einer
geringeren Speichermasse (leichte Bauweise). Kriterien zur Bauweise gemäß
DIN 4108-2 [43].
Simulation
159
Abbildung 43: Simulation der Raumlufttemperatur mit und ohne
Nachtauskühlung am Beispiel eines Gebäudes mit
unterschiedlicher Bauweise
Bei einer Nachtauskühlung mit Temperaturregelung lassen sich unabhängig
von der Bauweise behagliche Temperaturen in Innenräumen sicherstellen
(grüne und rote Linie in Abbildung 43). Die Temperaturregelung hat einen
zyklischen Verlauf. In Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur wird eine
entsprechende Anzahl an Zyklen ausgeführt. Im Vergleich zur der
Übergangszeit ist in der nächsten Abbildung ein Beispiel für
überdurchschnittlich warme Tage und Nächte dargestellt.
Simulation
160
Abbildung 44: Simulation der Raumlufttemperatur bei hohen Außen-
temperaturen mit und ohne Nachtauskühlung
Auch bei hohen Außentemperaturen kann mittels Nachtauskühlung die
Raumlufttemperatur abgesenkt werden. Im Durchschnitt ist eine Absenkung
bis zu 3 K möglich. Die Abbildung 44 zeigt, dass der Höchstwert für eine kurze
Zeit bei ca. 29 °C, im Mittel aber zwischen 26 - 28 °C. Im Vergleich zu der
Innenraumlufttemperatur, die sich ohne Nachtauskühlung bei ca. 32 °C
einstellt und auf dem Niveau den ganzen Tag verbleibt, können allein durch die
Nachtauskühlung fast behagliche Raumtemperaturen sichergestellt werdet. Der
für die Nachtauskühlung erforderliche Primärenergiebedarf ist in der
Abbildung 45 anhand eines Säulendiagramms am Beispiel eines Modellklassen-
raumes abgebildet.
Simulation
161
Abbildung 45: Jährlicher Primärenergiebedarf maschineller Lüftung mit und
ohne Nachtauskühlung am Beispiel eines Modellklassenraumes
Die linke Säule zeigt den Primärenergiebedarf einer maschinellen RLT-Anlage in
der Heizperiode. Die Säule in der Mitte und rechts in Abbildung 45 zeigen
jeweils den gesamten Primärenergiebedarf (Heizperiode und Nachtauskühlung
in der Kühlperiode) mit und ohne Regelung. Eine temperaturgeregelte
Nachtauskühlung hat einen um ca. 20 % geringeren Primärenergiebedarf
gegenüber einer Steuerung nach Zeitplan. Eine temperaturgeregelte
Nachtauskühlung ist deswegen einer Steuerung nach Zeitplan vorzuziehen. Im
Vergleich zum Primärenergiebedarf einer RLT-Anlage in der Heizperiode,
entsteht bei einer temperaturgeregelten Nachtauskühlung in der Übergangs-
und Sommerzeit ein zusätzlicher Energiebedarf in Höhe von ca. 40 %. In
Abbildung 46 ist der Primärenergiebedarf maschineller Lüftung mit
Nachtauskühlung unterteilt nach der Bauweise des Gebäudes dargestellt. Die
Ergebnisse zeigen, dass der Primärenergiebedarf für Nachtauskühlung bei einer
leichten im Vergleich zu einer schweren Bauweise geringer ist.
Simulation
162
Abbildung 46: Jährlicher Primärenergiebedarf maschineller Lüftung mit
geregelter und nach Zeitplan gesteuerter Nachtauskühlung
unterteilt nach Bauweise
Das Säulendiagramm in Abbildung 46 wurde am Beispiel desselben
Modellklassenraumes wie in Abbildung 45 erstellt. Ausführliche Details hierzu
sind im Simulationsbericht zu finden.
5.5.3.1 Zusammenfassung Effektivität der Nachtauskühlung
Die Simulationsuntersuchungen zur Nachtauskühlung haben gezeigt, dass
durch die Nachtauskühlung in der Kühlperiode die Raumlufttemperatur sich
häufig bis in den Behaglichkeitsbereich absenken lässt. An sehr warmen
Tagen (> 30 °C) ist es mit der Nachtauskühlung nicht mehr möglich die
Kühllast in ausreichendem Maße abzuführen. Die Grenztemperatur von 26 °C
wird im Laufe des Tages überschritten. Eine Absenkung der Raumluft
gegenüber der Variante ohne Nachtauskühlung ist dennoch möglich. Im
Durchschnitt liegt die Raumlufttemperatur 3 K niedriger als bei der Variante
ohne Nachtauskühlung.
Simulation
163
Um eine Unterkühlung der Räume in der Übergangszeit zu vermeiden ist eine
Temperaturregelung notwendig. In Abhängigkeit von der Speichermasse des
Gebäudes lassen sich unterschiedliche Raumlufttemperaturen erreichen.
Schwere Bauweise erfordert längere Lüftungszeiten. Der Energieaufwand für
den elektrischen Strom ist ein wesentlicher Kostenfaktor bei der
Nachtauskühlung. In der Simulation wurde für die Nachtauskühlung in der
Übergangs- und Sommerzeit ein zusätzlicher Primärenergiebedarf in Höhe von
ca. 40 %. im Vergleich zum Primärenergiebedarf in der Heizperiode ermittelt.
Zusammenfassend gilt für die Nachtlauskühlung, dass eine Absenkung der
Raumtemperatur möglich ist, es müssen aber zusätzliche Kosten in Kauf
genommen werden.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
164
6 Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
Mit Hilfe von maschinellen RLT-Anlagen können Verunreinigungen in der
Raumluft zuverlässig abgeführt und die Anforderungen an eine gute
Raumluftqualität entsprechend den Richtlinien, Normen und Verordnungen
eingehalten werden. Doch verursachen maschinelle Lüftungssysteme
zusätzliche Kosten. In erster Linie sind es die hohen Investitionskosten die eine
maschinelle Lüftungsanlage sofort in Frage stellen, zusätzlich kommen noch
laufende Betriebskosten hinzu. Aufgrund zusätzlicher finanzieller Ausgaben
stellt sich automatisch die Frage über die Notwendigkeit von RLT-Anlagen.
Werden gegenwärtig neue Gebäude errichtet oder Bestandsgebäude saniert, so
müssen die energetischen Vorgaben der Energieeinsparverordnung erfüllt
werden. Transmissionswärmeverluste, Lüftungswärmeverluste und sonstige
energetische Verluste werden soweit reduziert, dass Gebäude eine geringe
Heizlast aufgrund einer dichten Gebäudehülle aufweisen. Das hat zur Folge,
dass in den Innenräumen kein natürlicher Luftwechsel mehr stattfindet.
Luftwechselmessungen in Klassenräumen bei geschlossenen Fenstern und
Türen haben Luftwechselraten zwischen 0,02 – 0,04 h-1 ergeben, siehe Beispiel
im Kapitel „Freie Lüftung“. Es findet praktisch kein Luftwechsel statt. Auf Grund
dieser Tatsache erfolgt verstärkt die Anreicherung von biologischen und
chemischen Verunreinigungen in der Raumluft. Folge davon sind
Kopfschmerzen, Müdigkeit, Konzentrationsschwierigkeiten. Je nach
Empfindlichkeit der Nutzer können sogar gesundheitsbezogene Beschwerden
wie die Reizung von Augen, Nase und Rachen auftreten. Das Lüften über
Fenster als einzige Lüftungsmöglichkeit, kann im Winter jedoch nur beschränkt
eingesetzt werden. Zum einen verursacht die einströmende kalte Luft
Zugerscheinungen und führt somit zu Behaglichkeitseinschränkungen bei den
Raumnutzern, zum anderen entweicht die teuer erzeugte Wärme direkt über
Fenster nach außen. Bei den durchgeführten CO2-Messungen in der
Heizperiode wurden in Klassenräumen hohe CO2-Werte festgestellt. So liegt die
CO2-Konzentration über die meiste Unterrichtszeit im hygienisch auffälligen
und hygienisch inakzeptablen Bereich, siehe Kapitel „Untersuchungs-
ergebnisse“. Mit Hilfe von RLT-Anlagen können eine hygienisch akzeptable
Luftqualität und gleichzeitig die Behaglichkeit sichergestellt werden. Lüften
über Fenster ist in dieser Hinsicht nicht ausreichend möglich und verursacht
aus energetischer Sicht mehr Energieverschwendung als Nutzen.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
165
Die Investition in die Raumlufttechnik verursacht zwar höhere Gesamtkosten,
doch ist sie genauso notwendig wie die Beheizung des Gebäudes. Diese dient
zur Herstellung lerngerechter und behaglicher Raumtemperaturen und wird
eingebaut, weil sie notwendig und keine Frage der Wirtschaftlichkeit ist.
Genauso ist auch die Luftqualität zu bewerten, die vor allem in Schulgebäuden
sichergestellt werden muss, weil die Anforderungen an Lehrer und Schüler
enorm sind. Die Leistungsfähigkeit des Menschen wird wesentlich von der
Luftqualität beeinflusst. In einer Wissensgesellschaft wie Deutschland muss die
Ausbildung den höchsten Stellenwert besitzen um weiterhin wettbewerbsfähig
im internationalen Vergleich sein zu können. Daher ist es unerlässlich in
Schulen eine lerngerechte Luftqualität sicherzustellen.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
166
6.1 Kostenermittlung nach VDI 2067
In der VDI 2067 ist ein dynamisches Verfahren zur Berechnung der Kosten
beschrieben, welches im Folgenden am Beispiel eine Schule (SK-Berlin) mit 28
maschinell belüfteten Klassenräumen für einen Betrachtungszeitraum von 20
Jahren durchgeführt ist. Die Berechnung der Kosten beruht auf dem
dynamischen Verfahren gemäß VDI 2067 [29].
Die Kosten sind unterteilt in:
kapitalgebundene Kosten (Investitionskosten)
verbrauchsgebundene Kosten (Energiekosten) und
betriebsgebundene Kosten (Wartungs-/Instandhaltungskosten)
Für die Berechnung der Kosten wurden folgende Aufzinsungsfaktoren zugrunde
gelegt, siehe Tabelle 51. Die Auswertung der Preise für Wärme und Strom der
letzten 20 Jahre, hat eine Preissteigerung von ca. 3,8 %/a und 2,6 %/a
ergeben. Der Kalkulationszinssatz wird mit 7 %/a und die Inflation mit 2 %/a
angenommen.
Tabelle 51: Aufzinsungsfaktoren für wirtschaftliche Betrachtung
Finanzwirtschaftliche Kenndaten Größe
Betrachtungszeitraum 20 Jahre
Kalkulationszinssatz 7 %
Inflationsrate kapitalgebundene Zahlungen 2 %
Inflationsrate verbrauchsgebundene Zahlungen (Wärme)
3,8 %
Inflationsrate verbrauchsgebundene Zahlungen (Strom)
2,6 %
Inflationsrate betriebsgebundene Zahlungen 2 %
Inflationsrate Zahlungen für Instandhaltung 2 %
Die finanzielle Betrachtung beinhaltet folgende Lüftungskonzepte:
Variante 1: Fensterlüftung mit einem ausreichenden Lüftungsverhalten
30 m³/ (h Pers)
Variante 2: Fensterlüftung, die ein nicht ausreichendes Lüftungs-
verhalten aus der Realität repräsentiert
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
167
Variante 3: Lüftungskonzept mit einer zentralen RLT – Anlage
30 m³/(h Pers)
Variante 4: Lüftungskonzept mit dezentralen Lüftungsgeräten
30 m³/(h Pers)
6.1.1 Kapitalgebundene Kosten/Investitionskosten
Bei den kapitalgebundenen Kosten handelt es sich um die Investitionskosten,
welche durch Recherche in der Literatur ermittelt wurden [28]. Zum Vergleich
wurde auf Erfahrungswerte aus der Planung zurückgegriffen [30].
Die Investitionskosten für Lüftungsanlagen in Schulgebäuden liegen in der
folgenden Bandbreite:
Dezentrale Anlagen: 5.400 – 8.200 € pro Klassenraum
Zentrale Anlagen: 5.600 – 8.750 € pro Klassenraum
Die jährlichen kapitalgebundenen Zahlungen für dezentrale und zentrale RLT-
Anlagen für die oben beschriebene Beispielschule sind in der Abbildung 47
dargestellt.
Abbildung 47: Jährliche kapitalgebundene Kosten (Bsp. SK Schule Berlin)
Die kapitalgebundenen Kosten liegen bei den zentralen und dezentralen
Lüftungsanlagen in der gleichen Größenordnung. Es lässt sich anhand der
19.000 18.000
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
zentrale RLT -Anlage
dezentrale RLT -Anlage
kap
ital
geb
un
den
e K
ost
en
, €/a
max. max.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
168
kapitalgebundenen Kosten insofern keine eindeutige Aussage treffen welche
Anlagenart, zentral oder dezentral vorteilhafter ist.
Bei 19 allgemeinen Unterrichtsräumen ergeben sich bei 25 Schülern je
Klassenraum insgesamt 475 Schüler. Demnach liegen die kapitalgebundenen
Kosten pro Schüler und Jahr zwischen 28 € und 51 €, siehe Abbildung 48.
Abbildung 48: Kapitalgebundene Kosten pro Schüler und Jahr (Bsp. SK-Schule
Berlin)
6.1.2 Bedarfsgebundene Kosten
Bei den bedarfs- bzw. verbrauchsgebundenen Kosten werden die
Energiekosten je nach Energieträger ermittelt. Bei maschinellen
Lüftungssystemen sind Wärme und Strom als Hilfsenergie zu betrachten. Bei
der freien Lüftung besteht der Energiebedarf in der erforderlichen Heizleistung
um den Raum trotz Lüftungsverluste auf die erforderliche Temperatur (20 °C)
aufzuheizen. Die Verbrauchswerte für die untersuchten Konzepte wurden aus
den Simulationsergebnissen, siehe Abbildung 38 entnommen.
Die Abbildung 49 zeigt verbrauchsgebundene Kosten der untersuchten
Lüftungskonzepte am Beispiel einer SK Berlin Schule.
40 € 38 €
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
zentrale RLT -Anlage
dezentrale RLT -Anlage
kap
ital
geb
un
den
e K
ost
en
, €/a
Sch
üle
r
max.max.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
169
Abbildung 49: Jährliche bedarfsgebundene Kosten (Bsp. SK Schule Berlin)
Bei dem Energieverbrauch besteht zwischen den Varianten 2,3 und 4 kein
wesentlicher Unterschied. Es ist jedoch zu beachten, dass in der Variante 2 ein
der Realität nachgeahmtes Lüftungsverhalten über Fenster dargestellt ist. Bei
diesem Lüftungsverhalten ist die CO2-Konzentration in Innenräumen hygienisch
inakzeptabel (CO2 > 2000 ppm). Die Energiekosten der Variante 2 liegen in der
gleichen Größenordnung wie bei den maschinellen Lüftungsanlagen, die sowohl
die Anforderungen an Luftqualität als auch an die Behaglichkeit erfüllen. Die
Energiekosten der Variante 1 überschreiten um ca. 40 % alle anderen
Varianten. Es ist zwar ein ausreichender Luftwechsel vorhanden, doch die
Behaglichkeitsanforderungen sind nicht erfüllt.
Bei den maschinellen Lüftungssystemen ist zu beachten, dass der Wärme- und
Strombedarf stark variieren kann. Der Wärmebedarf hängt im Wesentlichen
vom Wärmerückgewinnungssystem ab. Der Strombedarf wird von der
gewählten Antriebstechnik und von dem Druckverlust im Kanalnetz bestimmt.
Zentrale Lüftungssysteme erfordern ein verzweigtes Luftverteilsystem, dadurch
ergeben sich höhere Druckverluste. Große Ventilatoren lassen sich jedoch
effizienter betreiben als viele Kleinere zusammen. Dezentrale Lüftungsgeräte,
da sie in den meisten Fällen direkt in die Klassenräume eingebaut werden,
31.100
22.50018.700 19.800
2.0002.500
0,00
5.000,00
10.000,00
15.000,00
20.000,00
25.000,00
30.000,00
35.000,00
Fensterlüftung nachAnforderungen
(Variante 1)
Fensterlüftung nichtausreichendes
Lüftungsverhalten(Variante 2)
zentrale RLT - Anlage(Variante 3)
dezentrale RLT -Anlage (Variante 4)
verb
rau
chsg
ebu
nd
ene
Ko
ste
n, €
/a
Wärme Strom
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
170
haben zwar kein komplexes Luftkanalnetz, jedoch sind oftmals mehrere
Lüftungsgeräte pro Klassenraum notwendig. So hat jedes System Vor- und
Nachteile. Anhand der Gesamtenergiekosten für den Betrieb von RLT-Anlagen
lässt sich keine generelle Aussage treffen, ob ein zentrales oder dezentrales
RLT-System vorteilhafter ist. Es ist zu erkennen, dass die Energie, die bei der
Fensterlüftung verloren geht, bei den RLT-Anlagen ausreicht, um die
gewünschte Luftqualität (CO2 ≤ 1000 ppm) sicherzustellen.
Zur besseren Vergleichbarkeit sind in Abbildung 50 Verbrauchsgebundene
Kosten pro Schüler und Jahr am Beispiel einer SK Berlin Schule dargestellt.
Abbildung 50: Verbrauchsgebundene Kosten pro Schüler und Jahr (Bsp. SK
Schule Berlin)
6.1.3 Betriebsgebundene Kosten
Die Betriebsgebundenen Kosten setzen sich zusammen aus den Kosten für
Instandhaltung und Bedienung der Anlagen [29].
Ermittelte Wartungskosten bzw. Instandhaltungskosten von Lüftungsanlagen in
Schulgebäuden liegen für zentrale RLT-Anlagen bei ca. 3 % und für dezentrale
Lüftungsgeräte bei ca. 4 % der Investitionskosten [30].
In Abbildung 51 sind die betriebsgebundenen Kosten nach Anlagenart
dargestellt.
66 €
47 €39 € 42 €
4 €5 €
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
Fensterlüftung nachAnforderungen
(Variante 1)
Fensterlüftung nichtausreichendes
Lüftungsverhalten(Variante 2)
zentrale RLT - Anlage(Variante 3)
dezentrale RLT -Anlage (Variante 4)
verb
rau
chsg
ebu
nd
ene
Ko
ste
n, €
/a S
chü
ler
verbrauchsgebundene Kosten (Wärme) verbrauchsgebundene Kosten (Strom)
Summe: 43 € 47 €
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
171
Abbildung 51: Jährliche betriebsgebundene Kosten (Bsp. SK Schule Berlin)
Kostenrelevante Punkte bei der Instandhaltung von Lüftungsanlagen sind in
erster Linie die Filterkosten und die damit zusammenhängende Arbeitszeit. Bei
den dezentralen Lüftungsgeräten sind aufgrund der hohen Anzahl der Geräte,
die Kosten entsprechend höher. Laut [28] liegen die Filterkosten bei den
untersuchten Schulen in der Bandbreite von:
Für dezentrale Anlagen ca. 40 bis 80 € pro Schulklasse und Jahr (exkl.
MWSt.)
Für zentrale Anlagen ca. € 400 bis 600 für die gesamte Schule bzw. 25 bis
50 € pro Schulklasse und Jahr (exkl. MWSt.)
Somit weisen zentrale Lüftungsanlagen geringere betriebsgebundene Kosten
gegenüber dezentraler Lüftungstechnik auf.
Umgerechnet pro Schüler (475 Schüler) liegen betriebsgebundene Kosten für
maschinelle Lüftung in einer Bandbreite von 11 € bis 23 €, siehe Abbildung 52.
7.000
8.900
0,00
2.000,00
4.000,00
6.000,00
8.000,00
10.000,00
12.000,00
zentrale RLT - Anlage (Variante 3) dezentrale RLT - Anlage (Variante 4)
bet
rieb
sgeb
un
den
e K
ost
en
, €/a max.
max.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
172
Abbildung 52: Betriebsgebundene Kosten pro Schüler und Jahr (Wartung,
Instandhaltung) (Bsp. SK Schule Berlin)
6.1.4 Jahresgesamtkosten
Jährliche Gesamtkosten der untersuchten Lüftungskonzepte sind in
Abbildung 53 dargestellt. Es ist zu sehen, dass Betriebs- und
verbrauchsgebundene Kosten den größten Teil an den Gesamtkosten
maschineller Lüftung haben.
15 €
19 €
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
zentrale RLT - Anlage (Variante 3) dezentrale RLT - Anlage (Variante 4)
bet
rieb
sgeb
un
den
e K
ost
en
, €/a
Sch
üle
r
max.
max.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
173
Abbildung 53: Jahresgesamtkosten (Bsp. SK Schule Berlin)
Ohne Berücksichtigung der Kapitalgebundenen Kosten maschineller Lüftung
(Abbildung 53) sind die betriebs- und verbrauchsgebundenen Kosten in
Summe bei zentralen RLT-Anlagen sogar niedriger, siehe Variante 3 (27.700
€/a) als die Verbrauchsgebundene Kosten einer ausreichenden Fensterlüftung,
siehe Variante 1. Wie schon oben erwähnt, sind bei Variante 1 die
Behaglichkeitsanforderungen nicht erfüllt. Betriebs- und verbrauchsgebundene
Kosten die im Falle einer dezentralen Belüftung der Klassenräume entstehen
würden (Variante 4), liegen auf dem gleichen Niveau wie die
verbrauchsgebundenen Kosten der Variante 1. Nicht ausreichende
Fensterlüftung (Variante 2) verursacht erwartungsgemäß die niedrigsten
Kosten.
Zusammen mit den kapitalgebundenen Kosten haben maschinelle RLT-Anlagen
im Vergleich zur Fensterlüftung höhere Jahresgesamtkosten, siehe
Abbildung 53. Dafür erhält der Nutzer eine gute Raumluftqualität und wird in
seinem Behaglichkeitsempfinden nicht beeinträchtigt.
19.000 18.000
31.100
22.500
18.700 19.800
7.0008.900
0,00
10.000,00
20.000,00
30.000,00
40.000,00
50.000,00
Fensterlüftung nachAnforderungen
(Variante 1)
Fensterlüftung nichtausreichendes
Lüftungsverhalten(Variante 2)
zentrale RLT - Anlage(Variante 3)
dezentrale RLT -Anlage (Variante 4)
Jah
resg
esam
tko
sten
, €/a
betriebsgebundene Kosten (Wartung, Instandhaltung)
verbrauchsgebundene Kosten (Strom)
verbrauchsgebundene Kosten (Wärme)
kapitalgebundene Kosten
27.700
31.200
2.000 2.500
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
174
Jahresgesamtkosten pro Schüler und Jahr am Beispiel einer SK Berlin Schule
sind in Abbildung 54 zu sehen.
Abbildung 54: Jahresgesamtkosten pro Schüler und Jahr (Bsp. SK Schule
Berlin)
Die finanzielle Betrachtung maschineller Lüftungskonzepte anhand einer SK
Berlin Schule hat gezeigt, dass zentrale RLT-Anlagen aufgrund geringerer
Betriebskosten, auch wenn der Unterschied zu dezentralen Lüftungsgeräten
nicht wesentlich groß ist, doch finanziell günstiger sind. Für einen Neubau von
Schulgebäuden lohnt es sich deswegen von vornherein eine zentrale RLT-
Anlage zu planen. Bei Bestandsschulen muss objektspezifisch untersucht
werden, welche Art der Anlage bei vorliegenden baulichen Bedingungen am
besten geeignet ist.
Bei der Investition in maschinelle Lüftung sollen nicht nur die Kosten
betrachtet, sondern auch der Nutzen mitberücksichtigt werden. Der Nutzen
besteht darin, dass durch die maschinelle Lüftung ein deutlich besseres
Raumklima in Bezug auf die thermische Behaglichkeit und Raumluftqualität
sichergestellt werden, was auch arbeitsrechtlich geboten ist, siehe ArbStättV
40 € 38 €
66 €
47 €
39 € 42 €
15 €19 €
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
Fensterlüftung nachAnforderungen
(Variante 1)
Fensterlüftung nichtausreichendes
Lüftungsverhalten(Variante 2)
zentrale RLT - Anlage(Variante 3)
dezentrale RLT -Anlage (Variante 4)
Jah
resg
esam
tko
sten
, €/a
Sch
üle
r
betriebsgebundene Kosten (Wartung, Instandhaltung)
verbrauchsgebundene Kosten (Strom)
verbrauchsgebundene Kosten (Wärme)
kapitalgebundene Kosten
4 € 5 €
Summe: 66 € 47 € 98 € 104 €
58 € 66 €
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
175
und Arbeitsstättenregeln (ASR). Dadurch haben Arbeitnehmer (Lehrpersonal)
und Schüler eine angenehme Arbeits- bzw. Lernatmosphäre. Die bietet eine
gute Voraussetzung für körperliche als auch geistige Leistungsfähigkeit.
Um die Leistungsfähigkeit von Personen in Abhängigkeit von der
Raumluftqualität beurteilen zu können, wurden bereits mehrere umfangreiche
Studien durchgeführt. Die Ergebnisse aller Studien zeigen eine deutliche
Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Personen mit Erhöhung der
Außenluftzufuhr.
P.Wargocki und David P. Wyon [31,32] haben im Rahmen eines
Forschungsprojektes den Einfluss unterschiedlicher CO2-Konzentrationen auf
die Leistungsfähigkeit der Schüler an sechs bauartgleichen dänischen
Grundschulklassen im Sommer und im Winter untersucht. Alle untersuchten
Klassenräume wurden maschinell belüftet, zusätzlich konnten die Fenster
jederzeit geöffnet werden. Die Aufgaben, die die Schüler während der
Messungen lösen mussten, wurden so gewählt, dass sie einem regulären
Schulalltag entsprechen, wie z.B. Lesen und Rechnen. Die Schüler waren
zwischen 10 und 12 Jahre alt. Während der Unterrichtszeit wurde kontinuierlich
die CO2-Konzentration gemessen. In drei Untersuchungsreihen wurde der
Luftvolumenstrom von 3 auf 9 Liter pro Sekunde (10,8 m³/(h Pers) auf 32,4
m³/(h Pers)) erhöht, die CO2-Konzentration wurde dabei von 1280 auf 920 von
1130 auf 900 und von 1000 auf 780 ppm gesenkt. Die Auswertung der
Ergebnisse hat ergeben, dass die Schüller die Aufgaben bei niedriger CO2-
Konzentration deutlich schneller und mit weniger Fehlern gelöst haben als bei
jeweils höheren CO2-Konzentrationen [31,32].
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
176
Abbildung 55: Leistungsfähigkeit der Raumnutzer in Abhängigkeit vom
Außenluftvolumenstrom [31]
Eine Verdoppelung des Außenluftvolumenstroms führte zu einer Leistungs-
steigerung der Schüler zwischen 8 % - 14 %, siehe Abbildung 55 [31,32,33].
Zusätzlich wurden mehrere Untersuchungen durchgeführt um den Einfluss der
Raumlufttemperatur auf die Leistungsfähigkeit der Schüler zu untersuchen. In
[32,33] heißt es, dass bei einer Absenkung der Raumlufttemperatur um 1 °C
im Bereich von 25 °C bis 20 °C eine durchschnittliche Leistungssteigerung der
Schüler von 2 % - 4 % erreicht werden kann (Abbildung 56).
Abbildung 56: Leistungsfähigkeit der Raumnutzer in Abhängigkeit von
Raumtemperatur[34]
Somit sind die Raumlufttemperatur und die CO2-konzentration wesentliche
Faktoren, die die Leistungsfähigkeit des Menschen beeinflussen.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
177
In einem anderen dreijährigen Forschungsprojekt „Indoor environment in
schools” [47] wurde der Einfluss der CO2-Konzentration auf die
gesundheitlichen Beeinträchtigungen sowie die Leistungsfähigkeit der Schüler
untersucht. In Abbildung 57 ist die Leitungsfähigkeit der Schüler in
Abhängigkeit von der CO2-Konzentration dargestellt [47].
Abbildung 57: Leistungsindex in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration [47]
Positive Werte auf der y-Achse zeigen eine verminderte Leistungsfähigkeit.
Bereits ab 1000 ppm nimmt die Leistungsfähigkeit der Schüler kontinuierlich
mit steigender CO2-Konzentration ab. Bei steigender CO2-Konzentration wurde
ebenfalls festgestellt, dass gesundheitliche Beschwerden wie Rachenreizungen,
Reizung der Nase, Schnupfen, Hustenanfälle und tränende Augen häufiger
auftreten [47].
Detaillierte Beschreibung des Forschungsprojektes mit sämtlichen Ergebnissen
sind dem Tagungsband (Proceedings of the 7th International Conference on
Indoor Air Quality and Climate Indoor Air) zu entnehmen [47].
In einer Vorstudie von R. J. Shaughnessy [48] wurde der Zusammenhang
zwischen Luftqualität bzw. Lüftungsraten und Leistungsfähigkeit der Schüller
bei Mathematik-Tests und Lese-Tests untersucht. Insgesamt wurden Daten aus
50 Klassenräumen ausgewertet. Die Ergebnisse der Mathematik-Tests sowie
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
178
der Lese-Tests sind bei Luftwechselraten n = 4,5 h-1 deutlich besser als bei
Luftwechselraten n ≤ 2,5 h-1 [48].
Der durchschnittliche Luftwechsel in Klassenräumen mit Fensterlüftung in der
Heizperiode liegt zwischen 0,5 und 1,0 (siehe Kap. 4 „Simulation“). Mittels
Fensterlüftung kann in der Heizperiode unter Einhaltung von
Behaglichkeitsanforderungen nicht einmal ein 2,5 facher Luftwechsel, der auch
nicht ausreichend ist (s.o.), sichergestellt werden. Weitere Information zum
Luftwechsel ist im Kapitel zu Simulation und in Untersuchungsergebnissen zu
finden.
Bei Luftwechselraten von n = 4,5 h-1 kann die CO2-Konzentration in Klassen-
räumen ≤ 1000 gehalten werden, siehe Simulationsergebnisse.
In einer Studie von dem Institut für interdisziplinäre Schulforschung der
Universität Bremen wurden Gesundheitsfördernde Einflüsse auf das
Leistungsvermögen im schulischen Umfeld untersucht. Die Studie stand unter
der Leitung von Dr. Gerhart Tiesler und erstreckte sich über den Zeitraum von
Oktober 2006 bis Dezember 2007 [49,50]. Es wurde nachgewiesen, dass hohe
CO2-Konzentrationen Ermüdungserscheinungen hervorrufen, die sich in
Wahrnehmungsstörungen, Störungen der Auge-Hand-Koordination,
Aufmerksamkeitsstörungen, Konzentrationsabbau, Denkstörungen, Antriebs-
störungen und Veränderungen des sozialen Verhaltens äußern. Bei der
akzeptablen Obergrenze des CO2-Gehalts der Atemluft bei intellektueller Arbeit
wird in [49] auf die Pettenkofer-Zahl von 1000 ppm verwiesen. In Abbildung
57 (andere Studie) ist zu sehen, dass ab 1000 ppm CO2 in der Atemluft die
Leistungsfähigkeit sinkt, Qualität und Umfang der Lehr-/Lernleistung lassen
nach [49].
Die Ergebnisse der durchgeführten Studien zeigen eindeutig, dass schlechte
Luftqualität einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Schüler hat.
Ab 1000 ppm CO2-Konzentration in der Atemluft vermindert sich die
Leistungsfähigkeit, es treten Ermüdungserscheinungen sowie gesundheitliche
Beeinträchtigungen auf. Mit weiter steigender CO2-Konzentration verstärken
sich die Symptome.
Schlechte Luftqualität vermindert auch die Leistungsfähigkeit der Lehrerinnen
und Lehrer. Studien zur Leistungsfähigkeit der Lehrer bei schlechter
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
179
Luftqualität wurden zwar noch nicht durchgeführt, doch es gibt Studien, die die
Leistungsfähigkeit der Beschäftigten bei der Bürotätigkeit untersucht haben. In
der Studie „Pollution source control and ventilation improve health, comfort
and productivity“ wurden drei voneinander unabhängige Untersuchungen
durchgeführt [3]. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass nach Beseitigung einer
Verunreinigungsquelle oder durch Vergrößerung der Luftwechselrate die
Wirkung verschiedener Symptome des Sick Building Syndroms (SBS)
vermindert und die Leistungsfähigkeit von mit Bürotätigkeit beschäftigten
Personen erhöht wurde [3]. Die Leistung bei typischer Bürotätigkeit (Schreiben
von Texten, Rechnen und Korrekturlesen) verbesserte sich im gleichen
Verhältnis, wie die Zahl der mit der Luftqualität unzufriedenen Personen
reduziert wurde (Abbildung) [3].
Abbildung 58: Die Leistungsfähigkeit (in Prozent) bei Büroarbeit in
Abhängigkeit von der Unzufriedenheit [3]
Die Verminderung der Zahl unzufriedener Personen um 10 % entspricht einer
Erhöhung der Leistungsfähigkeit von etwa einem Prozent [3]. Der Verlust an
Produktivität bei mäßiger Luftqualität, wie sie häufig in der Praxis vorzufinden
ist, liegt im Vergleich zu sehr guter Luftqualität bei etwa 5 %, siehe
Abbildung 58 [3].
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
180
Aus Sicht der Produktivität bzw. Leistungsfähigkeit können die Beschäftigten in
Büros mit den Lehrern in Schulen verglichen werden. Schlechte Luftqualität hat
nicht nur bei Schülern sondern auch bei Lehrern eine Leistungsminderung zur
Folge.
6.1.5 Bewertung der Kosten unter Einbezug des Nutzens
Effekte wie Leistungssteigerung und Reduzierung von Gesundheitsbeschwerden
die in Schulen durch gute Raumluftqualität (CO2 ≤ 1000 ppm) erreicht werden
lassen sich schwer finanziell beschreiben. Für krankheitsbedingte Fehlzeiten
der Lehrerinnen und Lehrer, die auch Folge einer schlechten Luftqualität sein
können, lassen sich statistisch die Kosten ermitteln. Der Geldwert für eine
Leistungssteigerung bzw. Leistungsminderung der Schüler lässt sich jedoch
nicht so einfach bestimmen.
Die am Anfang des Kapitels beschriebene Kostenanalyse einer maschinellen
Lüftung am Beispiel einer realen Schule, hat als Ergebnis ca. 19.000 €
(zentrale RLT) kapitalgebundene Kosten pro Jahr bei einer Lebensdauer von 20
Jahren. Bei insgesamt 475 Schüler ergibt sich ein Anteil der kapitalgebundenen
Kosten von ca. 40 € (Abbildung 48) pro Schüler und Jahr.
19.000€/ 475 𝑆𝑐ℎü𝑙𝑒𝑟 = 40 €/(𝑎 𝑆𝑐ℎü𝑒𝑟) (17)
Die Energie- und Wartungskosten werden vernachlässigt, weil die
Energieverluste einer Fensterlüftung mit einem für eine gute Raumluftqualität
(CO2 ≤ 1000 ppm) notwendigen Luftwechsel, sich auf dem gleichen Niveau
befinden wie die Summe der verbrauchs- und Betriebsgebundenen Kosten
maschineller RLT-Anlagen, siehe Abbildung 54.
Die finanziellen Ausgaben pro Schülerin und Schüler im Jahr 2011 liegen im
Bundesdurchschnitt bei 6000 €, dabei beträgt der Anteil für Lehrpersonal
4.800 € [51]. Für den Sachaufwand werden 700 € und für die Investitionen
500 € ausgegeben [51]. Bei der Annahme, dass die Lehrerinnen und Lehrer
aufgrund der schlechten Luftqualität eine Leistungsminderung von 5 %
haben [3], entspricht dies bei 4.800 € einem Anteil von 240 € der jedes Jahr
pro Schüler verloren geht, krankheitsbedingte Fehlzeiten des Lehrpersonals,
die auch Folge einer schlechten Luftqualität sein können, sind hier nicht
berücksichtigt. Die Investition in gute Luftqualität (CO2 ≤ 1000 ppm) die eine
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
181
maschinelle Lüftung erfordert, liegt bei ca. 40 €/a pro Schüler (Abbildung 48).
Im Vergleich zum finanziellen Schaden der aufgrund der Leistungsminderung
des Lehrpersonals infolge schlechter Luftqualität entsteht (240 €/a pro
Schüler), sind die Kosten für eine Lüftungsanlage sechsmal niedriger (40 €/a
pro Schüler).
240 €/𝑎 𝑆𝑐ℎü𝑙𝑒𝑟 / 40 €/𝑎 𝑆𝑐ℎü𝑙𝑒𝑟 = 6 (18)
Die Kosten sind in Tabelle 52 zusammengefasst.
Tabelle 52: Kostenvergleich
Der finanzielle Mehraufwand beträgt bei insgesamt 475 Schülern
ca. 114.000 €/a. Allein diese Summe, die einen Verlust an Produktivität des
Lehrpersonals darstellt macht eine Lüftungsanlage mit ca. 19.000 €/a
wirtschaftlich. Für die Beispielschule (SK Berlin) liegt die Investition für
maschinelle Lüftung im Mittel bei 200.900 € für zentrale und 190.400 € für
dezentrale RLT.
7.150 €/Klassenraum ∗ 28 Klassenräume = 200.900 € (zentrale RLT) (19)
6.800 €/Klassenraum ∗ 28 Klassenräume = 190.400 € (dezentrale RLT) (20)
Bezogen auf den finanziellen Schaden durch schlechte Luftqualität von
114.000 €/a, ergibt sich sowohl für zentrale RLT als auch dezentrale RLT eine
Amortisationsdauer von ca. eineinhalb Jahren, siehe Tabelle 53.
(200.900 € + 20.700€/a + 7.000€/a)/(114.000€/𝑎 + 31.100€/𝑎) = 1,6 𝐽𝑎ℎ𝑟𝑒 (21)
Finanzieller Schaden durch Leistungsminderung des Lehrpersonals
infolge schlechter Luftqualität
Investition in
maschinelle Lüftung
Finanzielle Ausgaben für Lehrpersonal
pro Schüler/in: 4800 €/a
Leistungsminderung aufgrund schlechter
Luftqualität: 5%
240 €/a (Schüler)
Gesamtkosten bei
475 Schülern: 114.000 €/a
40 €/a (Schüler)
-------------
Finanzieller Schaden Investitionskosten
19.000 €/a
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
182
(190.400 € + 22.300€/a + 8.900€/a)/(114.000€/𝑎 + 31.100€/𝑎) = 1,5 𝐽𝑎ℎ𝑟𝑒 (22)
Tabelle 53: Amortisationsdauer
Freie Lüftung
(Fensterlüftung) RLT-Anlage (zentral)
RLT-Anlage (dezentral)
Investition (Mittelwert) -------- 200.900 [€] 190.400 [€]
Energiekosten 31.100 [€/a] 20.700 [€/a] 22.300 [€/a]
Wartungskosten -------- 7.000 [€/a] 8.900 [€/a]
Finanzieller Schaden durch
Leistungsminderung des Lehrpersonals infolge
schlechter Luftqualität
114.000 -------- --------
Amortisationsdauer -------- 1,6 Jahre 1,5 Jahre
Aspekte wie Leistungssteigerung der Schüler, weniger Krankenstände des
Lehrpersonals und der Schüler und gesteigertes allgemeines Wohlbefinden sind
hier noch nicht berücksichtigt.
Wirtschaftliche Betrachtung maschineller Lüftung
183
6.1.6 Zusammenfassung wirtschaftliche Betrachtung
Bei der Untersuchung der Kosten raumlufttechnischer Anlagen wurde
festgestellt, dass die Betriebskosten den größten Anteil der Kosten ausmachen.
Mit Hilfe effizienter Ventilatoren und Wärmerückgewinnung lassen sich RLT-
Anlagen energetisch optimal betreiben, so dass der Energiebedarf unter dem
der Fensterlüftung liegt. Finanzielle Unterschiede zwischen zentralen und
dezentralen Geräten wurden nur bei den Wartungskosten festgestellt. Viele
kleine Lüftungsgeräte brauchen dieselbe Wartung wie eine große
Lüftungsanlage, deswegen ergeben sich aufgrund eines höheren Zeit- und
Materialaufwandes (Filter) höhere Betriebskosten. Für den Neubau von
Schulgebäuden ist es deswegen immer vorteilhafter eine zentrale
Lüftungsanlage zu planen und schon von Anfang an den nötigen Platzbedarf
vorzusehen. Beim Bestandsbau muss im Vorfeld immer geprüft werden, welche
Art der Anlage installiert werden kann. Eine maschinelle Lüftungsanlage darf
nicht nur aus Sicht der Kosten betrachtet werden, da der Nutzen wesentlich
aus gesetzlichen Anforderungen und des Arbeitsschutzes resultiert. Gute
Raumluftqualität und die Sicherstellung der Behaglichkeitsanforderungen
steigern die Leistungsfähigkeit, reduzieren Krankenstände und steigern das
allgemeine Wohlbefinden der Lehrer und Schüler. In den Wintermonaten ist es
nur mit Hilfe maschineller RLT-Anlagen möglich erforderliche, lerngerechte und
behagliche Bedingungen zu erreichen. Unter Einbeziehung des höheren
Lehrerfolges amortisiert sich eine maschinelle Lüftungsanlage innerhalb
weniger Jahre. Aspekte wie Leistungssteigerung der Schüler, weniger
Krankenstände des Lehrpersonals und der Schüler und gesteigertes
allgemeines Wohlbefinden sind zusätzliche positive Effekte. In einer
Wissensgesellschaft ist die Leistungsfähigkeit des Menschen ein wesentlicher
Faktor um den ständig wachsenden Anforderungen zunächst in der Lehre und
später auf dem Arbeitsmarkt gerecht zu werden. Aus diesem Grund sind
Lüftungsanlagen in Schulgebäuden eine Notwendigkeit.
Zusammenfassung
184
7 Zusammenfassung
Der vorliegende Bericht stellt eine Zusammenfassung durchgeführter
Recherchen, Messungen und Simulationen dar, mit dem Ziel die Luftqualität in
Schulgebäuden unter Berücksichtigung ökonomischer, ökologischer und
soziokultureller Aspekte zu verbessern.
ArbStättV und Arbeitsstättenregeln (ASR) fordern gesundheitlich zuträgliche
Atemluft in Aufenthaltsräumen. Einschlägige Normen, Richtlinien und
Vorschriften geben Empfehlungen zur Planung und praktischer Umsetzung
maschineller und freier Lüftung. Wesentliche normative Empfehlungen und
gesetzliche Vorgaben sind am Anfang dieses Berichtes zusammengefasst.
Weiterhin sind Grundlagen freier Lüftung ausführlich beschrieben. Freie Lüftung
bzw. Fensterlüftung ist bislang die geläufigste Art zu lüften in Schulen.
Von der HTW Berlin durchgeführte Messungen und Untersuchungen zur
Luftqualität und Behaglichkeit in Klassenräumen belegen, dass Fensterlüftung
allein in der Heizperiode nicht ausreicht um gesundheitlich zuträgliche Atemluft
in Klassenräumen (CO2 ≤ 1000 ppm) sicherzustellen. Es wurden CO2-
Konzentrationen weit über 2000 ppm gemessen. Mit maschineller Lüftung kann
die CO2-Konzentration im Bereich von 1000 ppm gehalten werden.
Ferner sind Simulationsergebnisse und ein Beispiel wirtschaftlicher Analyse
maschineller und freier Lüftung beschrieben. Durch die Simulation konnten
unterschiedlicher Lüftungskonzepte verglichen sowie weitere Fragestellungen
wie z.B. die Wirksamkeit von Sonnenschutzsystemen oder die Effektivität der
Nachtauskühlung geklärt werden.
In der wirtschaftlichen Analyse wurden anhand einer Beispielschule Kosten für
verschiedene Lüftungskonzepte gemäß VDI 2067 ermittelt. Trotz zusätzlicher
investiver Kosten für maschinelle Lüftung zeigen die Berechnungen, dass allein
aufgrund der möglichen Wärmerückgewinnung im Winter eine Amortisation
gegeben ist. Nur mit einer RLT-Anlage ist es möglich gleichzeitig, gute
Raumluftqualität und thermische Behaglichkeit sicherzustellen. Wird die
eingeschränkte Leistungsfähigkeit von Lehrern und Schülern in Gebäuden ohne
RLT-Anlage berücksichtigt, zeigt sich, dass allein die Leistungsminderung des
Zusammenfassung
185
Lehrpersonals aufgrund schlechter Luftqualität zu einem finanziellen Schaden
führt, der sechsmal höher ist als die Investition in maschinelle Lüftung.
Unter Einbeziehung des höheren Lehrerfolges amortisiert sich eine maschinelle
Lüftungsanlage innerhalb weniger Jahre. Aspekte wie Leistungssteigerung der
Schüler, weniger Krankenstände des Lehrpersonals und der Schüler und
gesteigertes allgemeines Wohlbefinden sind zusätzliche positive Effekte.
Abkürzungen
186
Abkürzungen
PMV predicted mean vote
PPD predicted percentage of dissatisfied
RLT Raumlufttechnische Anlage
TVOC Total Volatile Organic Compounds
VOC Volatile Organic Compounds
VVOC Very Volatile Organic Compounds
Begriffsdefinition
187
Begriffsdefinition
VOC; VVOC; TVOC
Die englische Abkürzung VOC (Volatile Organic Compounds) bezeichnet die
Gruppe der flüchtigen organischen Verbindungen. VOC umschreibt gas- und
dampfförmige Stoffe organischen Ursprungs in der Luft. Dazu gehören zum
Beispiel Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Aldehyde und organische Säuren. Viele
Lösemittel, Flüssigbrennstoffe und synthetisch hergestellte Stoffe können als
VOC auftreten, aber auch zahlreiche organische Verbindungen, die in
biologischen Prozessen gebildet werden. Hunderte verschiedene
Einzelverbindungen können in der Luft gemeinsam auftreten.
Fachleute unterscheiden VOC von den sehr flüchtigen organischen
Verbindungen (Very Volatile Organic Compounds, VVOC) und den
schwerflüchtigen organischen Verbindungen (Semivolatile Organic Compounds,
SVOC). Die Summe der Konzentrationen sämtlicher VOC ergibt den TVOC-Wert
(Total Volatile Organic Compounds) [1].
Gesundheitlich-hygienische Leitwerte
Gesundheitlich-hygienische Leitwerte sind systematisch entwickelte Hilfen zur
Entscheidungsfindung über eine angemessene Vorgehensweise bei speziellen
gesundheitlichen oder hygienischen Problemen. Sie sind eine Orientierungshilfe
im Sinne von Handlungswerten und Entscheidungsoptionen, von denen nur in
begründeten Fällen abgewichen werden sollte. Die Leitwerte für Kohlendioxid in
der Raumluft sind wissenschaftlich begründete, praxisorientierte
Handlungsempfehlungen. Leitwerte begrenzen einen Konzentrationsbereich
einer Verbindung oder Verbindungsklasse in der Innenraumluft, für den
systematische praktische Erfahrungen vorliegen, dass mit steigender
Konzentration die Wahrscheinlichkeit für Beschwerden und nachteilige
gesundheitliche Auswirkungen zunehmen [2].
Begriffsdefinition
188
Behaglichkeit
Mit dem Begriff Behaglichkeit wird das Wohlbefinden des Menschen im Raum
bezeichnet. Es handelt sich um ein subjektives Empfinden, welches von vielen
Faktoren beeinflusst wird, wie z.B. Lufttemperatur, Luftfeuchte,
Luftgeschwindigkeit, Turbulenzgrad sowie Verunreinigungen in der Luft durch
diverse Schadstoffe bzw. Geruchsstoffe, aber auch akustische und visuelle
Gegebenheiten.
Operative Temperatur
Die empfundene Temperatur wird als operative Temperatur bezeichnet und ist
der Mittelwert aus Luft- und Umschließungsflächentemperatur [3].
Definition gemäß DIN EN ISO 7730:
Gleichmäßige Temperatur eines imaginären schwarzen Raumes, in dem eine
Person die gleiche Wärmemenge durch Strahlung und Konvektion austauschen
würde wie in der bestehenden nicht gleichmäßigen Umgebung [4].
Quelllüftung
Mit der Quelllüftung wird eine Strömungsform bezeichnet, bei der die Luft
impulsarm (etwa 0,2 m/s) in den Raum eingebracht wird. Im Eintrittsbereich
bildet sich eine Frischluftschicht. Erreicht die eingebrachte Luft Wärmequellen,
so erwärmt sie sich und steigt nach oben, dabei wird die vorhandene Luft nach
oben verdrängt.
Mischlüftung
Als Mischlüftung wird eine Strömungsform bezeichnet bei der die Luft mit
höheren Geschwindigkeiten (Eintrittsgeschwindigkeiten von 1 m/s bis 5 m/s) in
den Raum eingebracht wird. Dadurch erfolgt eine schnelle Vermischung der
Frischluft mit der Raumluft.
Einheiten und Formelzeichen
189
Einheiten und Formelzeichen
Formel-
zeichen
Beschreibung Einheit
�̇� anfallende schädliche Stoffe 𝑙/ℎ
𝑞�̇� Außenluftvolumenstrom pro Person 𝑚³/ℎ
𝑘𝑖 erwünschte oder zulässige Schadstoffkonzentration im
Raum
𝑝𝑝𝑚
𝜃0 die operative Temperatur am betrachteten Ort °𝐶
𝜃𝑎 die Raumtemperatur °𝐶
𝜃𝑟 die mittlere Strahlungstemperatur aller Oberflächen
(Wände, Fußboden, Decke, Fenster, Heizkörper usw.)
bezogen auf den betrachteten Ort im Raum
°𝐶
𝑘𝑎 Schadstoffkonzentration der Außenluft 𝑝𝑝𝑚
𝐴𝐾𝑖𝑝𝑝 Öffnungsfläche des Fensters 𝑚2
𝐵 Breite des Fensters 𝑚
𝐻 Höhe des Fensters 𝑚
𝑎 Spaltbreite 𝑚
�̇� Volumenstrom 𝑚³/ℎ
𝐴𝑤𝑖𝑟𝑘 wirksame Öffnungsfläche für die Durchströmung,
abhängig von der Fenstergeometrie, dem
Öffnungswinkel und der Fensterlaibung
𝑚²
𝑔 Fallbeschleunigung, 𝑔 = 9,81 𝑚/𝑠2 𝑚/𝑠2
𝐻𝑤𝑖𝑟𝑘 wirksame Höhe für den thermischen Auftrieb 𝑚
∆𝜗 Temperaturdifferenz zwischen der in den Raum
einströmender und der aus dem Raum ausströmender
Luft
𝐾
𝑇1 absolute Temperatur der in den Raum einströmenden
Luft
𝐾
Einheiten und Formelzeichen
190
𝐵1 Breite der lichten Öffnung im Fensterrahmen 𝑚
𝐻1 Höhe der lichten Öffnung im Fensterrahmen 𝑚
𝐻𝜑 Höhe der Überlappung von Fensterrahmen und
Fensterflügel, berechnet nach Gleichung (11).
Wenn 𝐻𝜑 > 𝐻1, dann gilt 𝐻𝜑 = 𝐻1
𝑚
𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 Abstand zwischen Fensterflügel und Fensterrahmen,
berechnet nach Gleichung (14)
𝑚
𝜑 Öffnungswinkel des Fensters, die Berechnung leitet
sich ab aus der Gleichung (13)
°
𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 Korrekturfaktor für die Berücksichtigung einer
Fensterlaibung, berechnet nach Gleichung:
Wenn 𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 ≤ 𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏, dann 𝑘𝑜𝑟𝐿𝑎𝑖𝑏 = 1,
Wenn 𝛼𝐹𝐿_𝑅𝑎 > 𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏, dann die Gleichung (12)
𝑎𝐿𝑎𝑖𝑏 Abstand zwischen Mauerwerk und Fensterflügel mit
Überlappung
𝑚
𝑛 Luftwechsel ℎ−1
𝑡 Zeitpunkt der Probenahme des Indikatorgases ℎ
𝜎𝑡=𝑡0 Startvolumengehalt des Indikatorgases zum Zeitpunkt
𝑡 = 𝑡0 in 𝑐𝑚3 Indikatorgas/𝑚3 Indikatorgas-Luftgemisch
(Injektionsbeginn)
𝑐𝑚3/𝑚3
𝜎𝑡=𝑡1 Volumengehalt des Indikatorgases zum Zeitpunkt
𝑡 = 𝑡1; in 𝑐𝑚3 Indikatorgas/𝑚3 Indikatorgas-
Luft-Gemisch
𝑐𝑚3/𝑚3
𝜎𝑡=𝑡2 Volumengehalt des Indikatorgases zum Zeitpunkt
𝑡 = 𝑡2; in 𝑐𝑚3 Indikatorgas/𝑚3 Indikatorgas-
Luft-Gemisch
𝑐𝑚3/𝑚3
𝐶𝑖 CO2 – Konzentration in der Raumluft 𝑝𝑝𝑚
𝐶𝑎 CO2 – Konzentration in der Außenluft 𝑝𝑝𝑚
𝑆 pro Zeit in die Raumluft abgegebene CO2 – Masse 𝑚3/ℎ
𝑉 Raumluftvolumen 𝑚3
𝑛 Luftwechselrate ℎ−1
Einheiten und Formelzeichen
191
𝑡 Zeit 𝑠
Literaturverzeichnis
192
8 Literaturverzeichnis
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Aktualisierungsdatum: 2008-12-16 – Überprüfungsdatum 2014-01-23
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Behaglichkeit (ISO 7730:2005); Deutsche Fassung EN ISO 7730:2005. URL
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[10] LAHRZ T. (2013). BEITRAG ZUM LEITFADEN, LANDES LABOR BERLIN-BRANDENBURG, AD-HOC AG IRK/AOLG: Kriterien der
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[11] AUSSCHUSS FÜR ARBEITSSTÄTTEN ; BUNDESANSTALT FÜR ARBEITSSCHUTZ UND ARBEITSMEDIZIN: Technische Regeln für
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Literaturverzeichnis
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