Kostengünstige Lüftungslösungen im mehrgeschossigen Wohnungsbau: Wohnungslüftung mit kombinierten Systemen

Den Impuls für das Forschungsprojekt gab die Überarbeitung der DIN 1946-6: „Lüftung von Wohnungen“ im Jahr 2019 [1]. Eine große Änderung hierbei war die Möglichkeit der Kombination unterschiedlicher Lüftungssysteme (z. B. Abluft- und Einzelraumlüftungsgeräte) in einer Nutzungseinheit. Bisher waren nur homogene Lüftungssysteme pro Nutzungseinheit beschrieben. Jedoch fehlten die entsprechenden Auslegungsgrundlagen für kombinierte Systeme. Zwar können diese Lüftungssysteme nach der Norm ausgelegt werden, doch werden die Wechselwirkungen zwischen den Systemen hierbei nicht berücksichtigt. Wie bei dem zuvor genannten Beispiel mit Abluft- und Einzelraumgeräten, könnten hier die in der Regel „stärkeren“ Abluftgeräte (bezogen auf den aufgebauten Druck des Ventilators) den Zu- und Abluftvolumenstrom der Einzelraumlüftungsgeräte beeinflussen. Dies kann zu Disbalance der Volumenströme und in der Folge zu reduzierter Wärmerückgewinnung führen. Im Forschungsprojekt AirCoSim wurden deshalb Auslegungsgrundlagen für kombinierte Lüftungssysteme erarbeitet [2].

Die Effektivität und Akzeptanz von Wohnungslüftungssystemen hängt von vielen Faktoren ab. Deshalb wurden neben den lüftungstechnischen Leistungskriterien, wie Luftqualität und Lüftungswärmeverlusten, auch weitere Aspekte untersucht. Für die Bewertung der Lüftungskonzepte wurden eine Analyse der Gesamtkosten über einen Zeitraum von 30 Jahren sowie eine Bewertung der thermischen Behaglichkeit durchgeführt. In einer Studie wurde die Akzeptanz der Nutzer für verschiedene Lüftungssysteme und das allgemeine Wissen über Wohnungslüftung ermittelt.

Zur Untersuchung der Lüftungseigenschaften und der Wechselwirkungen der unterschiedlichen Lüftungssysteme untereinander wurden zonale Simulationsmodelle in der Software CONTAM [3] entwickelt und mithilfe von Messergebnissen validiert. Diese Messungen erfolgten in der Forschungswohnung an der TH Rosenheim. Mit den Simulationsmodellen wurden Jahressimulationen durchgeführt, um das Verhalten der Lüftungssysteme für drei verschiedene Grundrisse zu ermitteln. Anhand zuvor festgelegter Kriterien wurden die Systeme hinsichtlich Luftqualität und Energieeffizienz bewertet

Lüftungssysteme nach DIN 1946-6

Die Anforderungen an die Luftdichtheit moderner Gebäude nimmt stetig zu. Der Luftwechsel zum Feuchteschutz kann bereits durch sehr einfache Systeme, wie z. B. Systeme mit freier Lüftung, realisiert werden. Soll das Lüftungssystem zusätzlich zum Feuchteschutz auch weitere Aufgaben erfüllen, wie Wärmerückgewinnung und gute Raumluft, sind ventilatorgestützte Lüftungssysteme geeigneter. Bei diesen Systemen unterscheidet man Abluftsysteme und Systeme mit kombinierter Zu- und Abluft. In Abbildung 1 ist die Einteilung der Lüftungssysteme nach DIN 1946- 6 dargestellt.

Wohnungsgrundrisse im Projekt

Um allgemeine Schlussfolgerungen zu ziehen und die Ergebnisse auf die in Deutschland üblichen Wohnsituationen im mehrgeschossigen Wohnbau zu übertragen, wurde jeweils ein Grundriss für einen Ein-, Zwei- und Drei-Personen-Haushalt gewählt. Die Grundrisse für den Ein- und den Drei-Personen-Haushalt entsprechen den in der DIN 1946-6 Beiblatt 1 [4] für Beispielrechnungen verwendeten Grundrissen. Für den Zwei-Personen-Haushalt wurde der Grundriss der Forschungswohnung der TH Rosenheim verwendet. (s. Abb. 2)

Untersuchte Lüftungssysteme im Projekt

Die Volumenströme wurden nach der aktuellen DIN 1946-6 auf Nennlüftung ausgelegt. Es wurde jeweils ein kon­stanter Volumenstrom verwendet, d. h., keine bedarfsabhängige Regelung. Diese Auslegung führt je nach Grundriss zu Luftwechselraten zwischen 0,4 und 0,7 l/h.

Folgende Lüftungssysteme kamen im Projekt zum Einsatz:
— zentrales Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung (Abb. 3, oben links)
— zentrales Lüftungssystem mit aktiven Überströmern (Abb. 3, oben rechts)
— Einzelraumlüftungssystem (Abb. 3, unten links)
— Einzelraumlüftungssystem kombiniert mit Abluftgeräten in den Ablufträumen (Abb. 3, unten rechts)
— Abluftsystem

Bewertungsgrößen

Die Aufgabe eines Wohnraumlüftungssystems besteht darin, möglichst wirtschaftlich für gute Luftqualität zu sorgen. Bei der Auswahl eines Lüftungssystems spielen auch weitere Faktoren, wie der thermische Komfort, die Qualität der Luftfilterung und die akustischen Eigenschaften (Schalldämmmaß und -emissionen), eine Rolle. In der folgenden Betrachtung wurden zur Bewertung sowohl die Luftqualität als auch die Investitions- und Betriebskosten herangezogen. Eine Erhöhung der Luftmenge führt zu einer besseren Luftqualität, jedoch auch zu einem höheren Energiebedarf.

INVESTITIONSKOSTEN
Die Investitionskosten wurden aus Daten der Projekte eines Projektpartners ermittelt. Diese setzen sich zusammen aus Material und Montagekosten inklusive Nebenarbeiten wie Trockenbau.

BETRIEBSKOSTEN
Die Betriebskosten setzen sich aus den Wartungskosten, wie den Kosten für Filterwechsel oder Reinigung des Kanalnetzes alle 10 Jahre, sowie den Energiekosten zusammen. Letztere beinhalten den elektrischen Energieaufwand für die Ventilatoren und die Heizenergie zum Ausgleich der Lüftungswärmeverluste. Es wird ein Austausch der Lüftungsgeräte nach 20 Jahren angenommen.

ELEKTRISCHER ENERGIEBEDARF
Der Energiebedarf eines Systems hängt von der elektrischen Effizienz der Ventilatoren und der Effizienz der Wärmerückgewinnung ab. Der elektrische Energiebedarf wurde anhand der Specific Power Input-(SPI-)Werte der im jeweiligen Lüftungssystem verwendeten Lüftungsgeräte ermittelt. Der SPI-Wert in W/m³/h gibt an, welche elektrische Leistung benötigt wird, um einen bestimmten Luftvolumenstrom zu fördern. Beispielhafte Werte für die jeweiligen Gerätetypen aus Datenblättern liefert Abbildung 6.

4 | Elektrischer Energiebedarf der Lüftungsgeräte

LÜFTUNGSWÄRMEVERLUSTE
Lüftungswärmeverluste beschreiben die Energie, die zum Erwärmen der zugeführten Außenluft auf die Raumtemperatur benötigt wird. Diese wurden in einer Jahressimulation ermittelt. Für die Untersuchung wurde für alle Systeme mit Wärmerückgewinnung (zentrales Lüftungssystem und Einzelraumlüftungsgeräte) ein einheitlicher Wärmerückgewinnungsgrad von 80 % angesetzt. Bei marktüblichen Geräten liegt die Wärmerückgewinnung von zentralen Geräten höher als die von Einzelraumgeräten, wobei es in beiden Systemen deutliche Streuungen gibt. Die Innentemperatur wurde während der Heizperiode für das Bad mit kon­stant 24 °C, für die restlichen Räume mit 21 °C angenommen.

ANNUITÄTISCHE KOSTEN
Zur Ermittlung der Kosten wurde die Annuitätenmethode nach VDI 2067 [5] verwendet. Die Annuitätenmethode ist ein Verfahren der Investitionsrechnung, bei der die jährlichen Kosten und Erträge einer Investition über die gesamte Nutzungsdauer gleichmäßig verteilt werden, um die Rentabilität zu bewerten. Es wandelt die Anfangsinvestition und die zukünftigen Zahlungsströme in konstante jährliche Annuitäten um. Dadurch können Zahlungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vergleichbar gemacht werden (z. B. Anfangsinvestition, laufende Wartungskosten und Ersatzbeschaffungen). Die Annahmen zu den Randbedingungen, wie zukünftige Entwicklung der Inflationsrate und Energiepreissteigerung, sind in Abbildung 7 aufgeführt. Die Zahlen wurden gegenüber den im Forschungsprojekt verwendeten Daten aktualisiert. Die annuitätischen Kosten wurden für einen Zeitraum von 30 Jahren berechnet. Für die Annuitätenmethode wird die Energieeinsparung gegenüber einem Referenzsystem verwendet. In der Betrachtung wurde als Referenzsystem ein Abluftsystem nach DIN 1946-6 betrachtet. Bei bestimmten Konstellationen kann dies zu negativen annuitätischen Kosten führen.

5 | Randbedingungen zur Berechnung der annuitätischen Kosten

LUFTQUALITÄT
Wenn in einem Raum der Mensch die Hauptschadstoffquelle ist, kann die CO₂-Konzentration als Indikator für Luftqualität genutzt werden. Überwiegen andere Verunreinigungen, wie Feinstaub oder VOC, ist CO₂ alleine nicht als Bewertungsmetrik geeignet.

In der Untersuchung wurden als Bewertungsgröße die CO₂-Über(ppm)stun­­den verwendet. Mit dieser Methode kann sowohl die Dauer als auch die Höhe einer Grenzwertüberschreitung berücksichtigt werden. Eine kurze, hohe Grenzwertüberschreitung wird damit gleich gewichtet wie eine lange, niedrige Überschreitung. Die CO₂-Über(ppm)-stunden werden nach Formel 1 berechnet. In Abbildung 6 ist die Ermittlung der CO₂-Über(ppm)stunden grafisch dargestellt. Dabei werden die (gelb markierten) Flächen, die über einem Grenzwert liegen, addiert. Als Grenzwert wurde in der Unter­suchung der Pettenkofer-Grenzwert mit 1.000 ppm gewählt.

Ein definierter Grenzwert für die CO₂-Über(ppm)stunden existiert nicht und wird auch in Zukunft schwer festzulegen sein. Die Werte dienen deshalb einer Reihung der Systeme bezüglich der Luftqualität innerhalb eines Wohnungsgrundrisses.

Ergebnisse: Kosten und Lüftungswärmeverluste

In Abbildung 6 sind die Werte der zuvor vorgestellten Bewertungsgrößen CO₂-Über(ppm)stunden, Lüftungswärme­verluste, elektrische Leistungsaufnahme und annuitätischen Kosten für die drei Grundrisse sowie die verschiedenen Lüftungssysteme abgebildet. Die nachfolgende Interpretation erfolgt auf Grundlage der in der Untersuchung berücksichtigten Bewertungsgrößen. Insbesondere bei den Einzelraumsystemen spielt der Schallschutz eine wesentliche Rolle. Es ist deshalb zu prüfen, ob die spezifizierten Volumenströme nicht mit zu hohen Schallpegeln einhergehen.

ANNUITÄTISCHE KOSTEN ÜBER EINEN ZEITRAUM VON 30 JAHREN
In einem 1-Zimmer-Apartment sind die Unterschiede zwischen den Systemen mit Abluftgeräten und dem System mit Einzelraumlüftungsgeräten gering. Das zentrale Lüftungssystem hat die höchsten annuitätischen Kosten. Für diesen Grundriss empfiehlt sich aufgrund der geringen annuitätischen Kosten und Lüftungswärmeverluste das System mit Einzelraumlüftungsgeräten.

Für 2- und 3-Zimmer-Wohnungen zeigen Abluftsysteme die geringsten annuitätischen Kosten. Einzelraumlüftungssysteme sind kostengünstiger als zentrale Lüftungssysteme, während die Kombination von Einzelraumlüftungssystemen mit Abluftsystemen ähnliche annuitätische Kosten wie zentrale Lüftungssysteme aufweist, wodurch sich diese Kombination nicht lohnt. Insgesamt zeigt sich, dass der Kostenvorteil von Einzelraumlüftungsgeräten gegenüber zentralen Geräten mit zunehmender Wohnungsgröße abnimmt. Daher besteht bei größeren Nutzungseinheiten eine Tendenz zur Nutzung zentraler Geräte.

LÜFTUNGSWÄRMEVERLUSTE
Die Lüftungswärmeverluste sind bei zentralen Geräten am geringsten. Bei Einzelraumlüftungsgeräten mit kon­stanten Volumenströmen sind die Lüftungswärmeverluste im Vergleich zum zentralen System ungefähr doppelt so hoch, da auch der Außenluftvolumenstrom verdoppelt ist. Dies liegt daran, dass in jedem Raum Zu- und Abluft erforderlich sind, während beim zentralen System frische Außenluft nur in die Zulufträume eingebracht wird. Es sind allerdings inzwischen Einzelraumlüftungsgeräte mit Zweitraumanschlüssen auf dem Markt, welche einen Zu- und einen Abluftraum versorgen können. Dazu ist jedoch eine Leitungsführung nötig. Reine Abluftsysteme verfügen über keine Wärmerückgewinnung, weshalb die Lüftungswärmeverluste hier am höchsten sind.

Ergebnisse: Mögliche Anpassung der Volumenströme

Die DIN 1946 Teil 6 legt für die Nennlüftung ventilatorgestützter Systeme die nötigen Volumenströme fest. Dabei werden Systeme mit aktiven Überströmern nicht berücksichtigt. Ebenso ergeben sich bei der Kombination von Einzelraumlüftungsgeräten mit Abluftventilatoren Besonderheiten. Für diese Systeme werden im Folgenden Auslegungsempfehlungen gegeben.

SYSTEME MIT AKTIVEN ÜBERSTRÖMERN
Da ein aktiver Überströmer Zuluft in die betroffenen Räume fördert, die nicht Außenluftqualität aufweist, sollte dessen Volumenstrom angepasst werden. Der Überströmer zieht die Luft meist aus dem Flur, in dem eine gegenüber der Außenluft erhöhte CO2-Konzentration herrscht. In den vorliegenden Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Erhöhung des Volumenstroms gegenüber den Vorgaben aus der DIN 1946 Teil 6 um etwa 30 % sinnvoll ist. Damit kann mit einem vereinfachten System mit aktivem Überströmer eine vergleichbare Luftqualität wie bei direkter Zuluftzuführung erzielt werden. Der kaum erhöhte Strombedarf beeinflusst die Energiebilanz nur minimal.

Dezentrale Lüftungssysteme

Bei raumweisen Zu- und Abluftgeräten in der ganzen Nutzungseinheit wird jeder Raum für sich belüftet und kann auch separat geregelt werden. Dies führt zwar in den Ablufträumen zu einer geringfügig besseren Luftqualität im Vergleich zum wohnungszentralen System, jedoch sind die Wärmeverluste höher. Durch eine Reduktion des Volumenstroms der dezentralen Lüftungsgeräte um 10 % können vergleichbare energetische Werte wie bei einer zentralen Anlage erreicht werden, mit nur minimalen Einbußen bei der Luftqualität Aufgrund der Geometrie gilt dies nicht für kleine Grundrisse wie das Studentenapartment. Eine Reduktion sollte daher nur für größere Nutzungseinheiten erfolgen.

Zusammenfassung und Folgerungen

Im vorliegenden Projekt wurden die Grundlagen für die Untersuchung und Bewertung von Wohnungslüftungssystemen auf Basis experimenteller Daten geschaffen. Die Bewertung der Luftqualität mithilfe von CO₂-Über(ppm)-stunden erweist sich als sinnvolles Werkzeug, um insbesondere eine Bewertung von bedarfsgeführten Systemen (smart ventilation) zu ermöglichen. Dies soll in zum Teil internationalen Folgeprojekten weiterentwickelt werden.

Es zeigte sich, dass eine vergleichende Bewertung unter Berücksichtigung aller Bewertungsgrößen schwierig und nicht vollständig schlüssig durchzuführen ist. Dies liegt u. a. an der aus Bauherrensicht nicht eindeutig festzulegenden Gewichtung der Bewertungsgrößen zueinander. Grundsätzlich lassen sich mit allen Systemen gute Raumluftqualitäten erreichen, jedoch zum Teil mit deutlichen Verlusten bei der Energieeffizienz. Es konnten nicht alle auf dem Markt verfügbaren Systeme und Varianten untersucht werden.

Es konnten dennoch Ergebnisse zu Anpassungen der Auslegungsvolumenströme nach DIN 1946-6 abgeleitet werden. Dies soll in die weitere Normungsarbeit einfließen. Im Rahmen des Projekts wurde eine hier nicht erwähnte Probandenstudie zur Wohnungslüftung durchgeführt. Ergebnisse hierzu findet man im Abschlussbericht [2].

In Zukunft wäre eine detailliertere Bewertung von verschiedenen Schadstoffen wünschenswert. Einfache und kostengünstige Sensoren sind dafür verfügbar. In vielen Fällen ist jedoch unklar, welche Schadstoffe in welchen Konzentrationen und in welcher Einwirkdauer wie schädlich sind. Diesen Fragen soll sich das in Planung befindliche Technologietransferzentrum Baubiologie und Wohngesundheit an der TH Rosenheim widmen, welches sich derzeit in der Aufbauphase befindet.

Quellen/Literatur

[1] DIN 1946-6:2019-12, Raumlufttechnik – Teil 6: Lüftung von Wohnungen – Allgemeine Anforderungen, Anforderungen an die Auslegung, Ausführung, Inbetriebnahme und Übergabe sowie Instandhaltung, Berlin: Beuth Verlag, 2019.
[2] M. Wirnsberger, D. Aimer, H. Krause, S. Weiner und S. Park: „Untersuchung kostengünstiger Lüftungslösungen für den mehrgeschossigen Wohnungsbau hinsichtlich Energieeffizienz, Lüftungseffektivität und Nutzerkomfort in gekoppelten Labor- und Simulationsumgebungen“, ZukunftBau, Bonn, 2021.
[3] W. S. Dols und B. J. Polidoro: „CONTAM User Guide and Program Documentation Version 3.2“, 2015.
[4] DIN 1946-6 Beiblatt 1:2012-09, Raumlufttechnik – Teil 6: Lüftung von Wohnungen – Allgemeine Anforderungen, Anforderungen zur Bemessung, Ausführung und Kennzeichnung, Übergabe/Übernahme (Abnahme) und Instandhaltung, Berlin: Beuth Verlag, 2012.
[5] VDI 2067 Blatt 1:2012-09 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Grundlagen und Kostenberechnung, 2012.

Die Autoren

Prof. Dr. Harald Krause
Prof. Dr. Harald Krause ist seit 2005 Professor für Bauphysik und Gebäudetechnik an der TH Rosenheim. Forschungsgebiete sind energieeffiziente
Gebäude und die Wohnungslüftung. Er ist in den Studiengängen Energie und Gebäudetechnologie, Holzbau und Energieeffizienz sowie in der Energieberaterausbildung tätig.

Markus Wirnsberger
Markus Wirnsberger, M.Sc., ist seit 2016 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Labor für Raumlufttechnik und Raumklimasysteme an der TH Rosenheim. Er promoviert im Bereich Wohnraumlüftung.
www.th-rosenheim.de