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Luftstrungen in Wohnungen

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Luftstrungen in Wohnungen Powered By Docstoc
					Luftströmungen in Wohnungen
Publikation:   Faktor Architektur Technik Energie
Datum:         Oktober 2004
Autoren:       Dr. Alois Schälin, Dr. Daniel Gubler


                                                            Eine Reihe von systembedingten und bauliche
                                                            Randbedingungen      sind   dabei    durch      andere
                                                            Überlegungen schon gegeben und werden an dieser
                                                            Stelle nicht weiter diskutiert; im Rahmen dieser
                                                            Bedingungen soll aber eine Optimierung hinsichtlich der
                                                            Raumströmung erfolgen.
                                                            Ziele der Lüftung
                                                            Generell kann die Lüftung die folgenden Aufgaben
                                                            erfüllen:
                                                                Zufuhr von Frischluft
                                                                Zufuhr von Feuchte (im Winter, evtl. weitere Stoffe)
                                                                Zufuhr von Wärme (Luftheizung)
                                                                Abtransport von Wärme (Luftkühlung)
                                                                Abtransport von Schadstoffe/Geruchstoffe, CO2,
                                                                Feuchte, Radon


                                                            Luftbewegung im Raum veranlassen
                                                            Für jeden Raum mit einer Lüftung werden Ziele definiert,
                                                            die entweder für den ganzen Raum oder zumindest für
                                                            einen definierten Teilbereich gelten.
                                                            Im Wohnbereich sind die meisten der obigen Aufgaben
                                                            häufig, mit Ausnahme der Kühlung, da die internen
                                                            Lasten in Wohnungen eher niedrig sind.
Luftströmungen in Wohnungen                                 Die   Frischluftzufuhr    ist   in   der   sogenannten
                                                            Komfortlüftung zentral, zusätzlich die Feuchtezufuhr im
Für die Wahl des Lüftungssystems spielen verschiedene       Winter. Luftheizung wird bei Minergiehäusern oft
planerische Überlegungen eine Rolle (Energie,               eingesetzt.
Haustechniksystem, bauliche Randbedingungen usw.).
Oft werden aber der Raum selbst und die resultierenden      Die Frischluftzufuhr wird zwar meist an erster Stelle
Luftbewegungen nicht in die Systemwahl einbezogen,          genannt, es spielt aber nicht in erster Linie die
sondern die sich einstellenden Luftströmungen sind          Sauerstoffzufuhr eine Rolle (davon hat es nämlich
lediglich ein eher zufälliges Resultat der Systemwahl       genug), sondern die Abfuhr verschiedener Stoffe, die in
und der weiteren Randbedingungen.                           uns den Eindruck „verbrauchter Luft“ hervorrufen.
Das Erzielen einer guten Lüftung bedingt aber eine
Kenntnis der Strömungsvorgänge im Raum, denn durch          Charakterisierung der Lüftung
eine geeignete Luftführung soll ein optimales Ergebnis
erzielt werden; insbesondere sollen Probleme vermieden      Generell kann die Lüftung natürlich (Öffnungen gegen
werden können.                                              die Aussenumgebung), mechanisch oder in einer
                                                            Kombination erfolgen, mit den bekannten Vor- und
Dieser Beitrag zeigt die wesentlichen Vorgänge und          Nachteilen. Die natürliche Lüftung ist unregelmässig
Einflussfaktoren   auf    die    Luftströmungen mit         (am stärksten im Winter, wenn sie am wenigsten
Empfehlungen für ein gutes Lüftungsdesign.                  benötigt wird, ebenso windanfällig), die mechanische




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Lüftung benötigt einerseits Energie für die Ventilatoren,   Diese Parameter sind aus statistischen Untersuchungen
ermöglicht anderseits auch Wärmerückgewinnung.              hergeleitet, und es werden im allgemeinen Werte von
                                                            höchstens 10% unzufriedenen Personen angestrebt.
Der primäre Parameter der Lüftung ist der                   Das theoretische Optimum beträgt 5%, da sich gezeigt
Volumenstrom,      die     weiteren   Eigenschaften         hat, dass nie für alle Personen gleichzeitig gute
(Strömungsbild, Qualität) werden durch die Art der          Komfortwerte erzielt werden können und man daher
Luftführung bestimmt.                                       annimmt, dass 5% immer unzufrieden sind.
                                                            Luftbewegungen im Raum sind meistens unerwünscht,
Luftführungsprinzipien im Raum                              vor allem wenn sie zu stark sind, da sie den Komfort
Bei mechanischen Lüftungssystemen in Wohnungen              beeinträchtigen (für eine detailliertere Erläuterung der
sind    die      folgenden      zwei     grundlegenden      Komfortparameter siehe z.B. Ref 1, 2).
Lüftungsprinzipien von praktischer Bedeutung:
Mischlüftung                                                Grösse des Luftwechsels in einer Wohnung
                                                            Der Luftwechsel hängt grundsätzlich von den
Quell-Lüftung/Schichtlüftung                                Quellstärken und den zu erzielenden Bedingungen ab.
                                                            Normalerweise ist der Luftwechsel bei Wohnungen
Bild 1 zeigt die grundsätzlichen Luftführungsprinzipien     volumenbezogen eher gering; bei einem Wert von 30
mit dem Beispiel des Abtransports einer schwach             m³/h pro Person liegt er bei 0.5-fach, siehe Tabelle 2.
thermischen Schadstoffquelle am Ort des Punkts.             Ein typischer Wert für eine 100 m²-Wohnung ist 120
                                                            m³/h (4 Personen, je 30 m³/h).
                                                            Das Beispiel in Tabelle 1 zeigt, dass damit eine niedrige
                                                            CO2-Konzentration von 1000 ppm erzielt werden kann.
                                                            Fläche    Höhe     Volumen   Luftwechsel       Luftwechsel
                                                              50 m²    2.5 m    125 m²    0.5  62.5 m³/h      1    125 m³/h
                                                             100 m²    2.5 m    250 m²    0.5   125 m³/h      1    250 m³/h
     Mischlüftung                    Quell-Lüftung           150 m²    2.5 m    375 m²    0.5 187.5 m³/h      1    375 m³/h


                                                            Tabelle 2: Typische Luftwechsel in einer Wohnung.
Bild 1: Die Lüftungsprinzipien Mischlüftung und Quell-
Lüftung.                                                    Bei hohen Belastungen wie bei Rauchern sind viel
                                                            höhere Werte notwendig, sogar Raucher selbst
Das klassische System ist die Mischlüftung mit              beklagen sich bei solchen Lüftungsraten.
homogenen Bedingungen im Raum. Zu- und Abluft
werden meist oben platziert. Die Mischung wird durch
hohe       Zuluftgeschwindigkeit      und     Induktion     Lüftungsraten bei natürlicher Lüftung
(Lufteinmischung) erreicht. Die Abfuhr von Schadstoffen
                                                            Bei natürlicher Lüftung können sich sogar weit grössere
erfolgt hier nach dem Prinzip der Verdünnung; die
                                                            Lüftungsraten einstellen, je nach Aussentemperatur und
Konzentration kann nach Formel 1 berechnet werden.
                                                            Wind. Allerdings ist die typische Problematik bei
Mit einer Quell-Lüftung kann eine Schichtung erreicht       natürlicher Lüftung das unregelmässige Vorkommen.
werden, bei der sich im oberen Raumteil Wärme und
                                                            Die natürliche Lüftung muss daher kontrolliert werden,
Schadstoffe ansammeln und sich höhere Werte als bei
                                                            entweder manuell (z.B: „Stosslüften“ 3-5 Minuten jede 1-
der Mischlüftung einstellen; im Raum stellt sich ein
                                                            2 Stunden, je nach Belastung) oder automatisch auf
Temperaturgradient        mit       sehr       geringer
                                                            eine geeignete Weise.
Schadstoffkonzentration im unteren Raumteil ein.
                                                            Die natürliche Lüftung kann „einseitig“ sein, d.h. der
Die Zuluft wird unten eingeführt, die Abluft oben
                                                            Raum ist über eine einzige Öffnung mit dem
weggeführt. Im     Prinzip können die gleichen
                                                            Aussenklima verbunden, oder als Querlüftung über
Komfortbedingungen wie in der Mischlüftung bei
                                                            einen Raum oder mehrere Räume wirken. Die
kleinerem Volumenstrom erreicht werden.
                                                            Querlüftung ist bei Windeinfluss viel effizienter für die
                                                            kurzzeitig Stosslüftung.
Quellen in Wohnungen, Einflüsse auf Komfort                 Tabelle 3 zeigt, dass Werte von 1000 oder 2000 m³/h
Mit Komfort ist in Zusammenhang mit Lüftung nicht ein       schon    ohne     Wind   erreicht  werden   können.
allgemeines Wohlbefinden oder ein Bedienungskomfort         Entsprechend gross ist dann auch der Wärmeverlust.
gemeint, sondern es sind damit wohldefinierte
Parameter gemeint, die in Abhängigkeit von
Raumtemperatur, Luftgeschwindigkeit und andern
Werten das voraussichtliche Wohlbefinden von
Personen in diesen Räumen gemeint.




BK_Faktor_2004-10-01                                                                                                      Seite 2
Temp.diff. Max. Geschw.    Vol.strom   Wärmeabfuhr                  4-Zimmerwohnung              144 m³/h
     Grad          m/s       m3/h             kW                                                 0.04 m³/s
      5            0.36      855              1.4
                                                                    Fläche       0.400 m²        0.10 m/s
     10            0.51      1209             4                                  0.040 m²        1.00 m/s
15          0.62          1480         7.4                 Tabelle    4:   Notwendige       Fläche     bei      kleiner
                                                           Zuluftgeschwindigkeit.
20          0.72          1709         11.4
                                                           In Wohnungen stellt sich aus verschiedenen Gründen
                                                           meist eine Mischung ein. Eine Quell-Lüftung mit vielen
Tabelle 3: Thermischer Luftwechsel (ohne Wind) durch
                                                           Wärmequellen oder mit einer grossen Raumwalze
ein 2m hohes und 1m breites Fenster oder Tür bei
                                                           infolge Kaltluftabfall bei grossem Fassadenanteil ergibt
verschiedenen Temperaturdifferenzen Innen-Aussen
                                                           beispielsweise keine Schichtung, sondern eine
(berechnet nach Formeln S. 84 in Ref. 3).
                                                           Mischung.
In Wohnungen ist die Lüftung über mehrere Geschosse
                                                           Eine Schichtung tritt generell auf, wenn kühlere Zuluft im
seltener, aber bei Maisonette-Wohnungen auch möglich:
                                                           untern    Raumbereich      eintritt,  und    bei   wenig
Infolge der grösseren Wirkhöhe und stärkerer Thermik
                                                           Wärmequellen Luft im obern Raumteil abgesaugt wird.
ist der Luftaustausch 3-4mal grösser.
                                                           Dies ist auch der Fall beim Überströmen von kühler Luft
Bei einem Abluftsystem mit natürlicher Nachströmung ist    aus dem Schlafzimmer ins Wohnzimmer durch einen
der Ausseneinfluss gering, ausser bei starkem Wind.        Überströmspalt im untern Türbereich.
Bei natürlicher Lüftung ist ein häufiges Problem in der
Praxis die Beeinflussung der Luftansaugung durch           Besonderheiten im resultierenden Strömungsbild
Wohnungen in tieferen Geschossen. Die Abluft unterer
Wohnungen oder eines Rauchers auf dem Balkon unten         Einige besondere Strömungsbilder resultieren aufgrund
zieht in der oberen Wohnung direkt hinein.                 der räumlich/geometrischen Anordnung von Zu-
                                                           und/oder Abluft

Stärke der Luftströmungen                                      Lokale Absaugung
                                                               Kurzschlussproblematik
Generell sind die Luftgeschwindigkeiten im Raum gering
ausser im Einflussbereich der Zuluft.                          Totzonen
Speziell bei der natürlichen Querlüftung können grosse         Überströmen
Geschwindigkeiten (> 1m/s) auftreten, im Winter oder
bei Windeinfluss.                                          Die lokale Absaugung ist ein Spezialfall, bei dem eine
                                                           besonders starke Kontaminationsquelle möglichst lokal
                                                           erfasst wird, um eine Verbreitung im Raum zu
Luftführungssysteme in Wohnungen                           verhindern (Bild 2).
Die Lüftungsprinzipien sind wie erwähnt Mischlüftung       Allerdings zeigt die Praxis, dass die Absaughauben
und Quell-Lüftung; Strömungsbild und resultierende         geometrisch zuwenig gut sind und die Lüftungsraten zu
Luftqualität werden hauptsächlich durch die räumliche      gering, so dass ein Teil der Geruchsstoffe nicht erfasst
Anordnung der Zu- und Abluftöffnungen sowie durch die      werden und die Luft in der Wohnung belasten. Eine
Interaktion mit weiteren Strömungseinflüssen bestimmt.     ausführliche Darstellung dieser Problematik ist in der
                                                           Gebäudetechnik 2002 zu finden (Ref. 4)
Zu- und Abluftöffnungen werden im Wohnungsbereich
üblicherweise im Deckenbereich angeordnet, da in
diesem Bereich die Zuleitungen am einfachsten realisiert
werden können. Bei der Wohnungslüftung findet man
daher meist ein Mischlüftungssystem.
Die Quell-Lüftung wird im Wohnungsbereich kaum
eingesetzt aus verschiedenen Gründen, vor allem
wegen den grossen notwendigen Zuluftöffnungen im
Bodenbereich, die auch das Stellen von Möbeln
einschränken, siehe Zahlenbeispiele in Tabelle 4.
144 m³/h benötigen bei 0.1 m/s schon eine Fläche von
0.4 m²; bei einer Fläche von 0.04 m² würden 1 m/s
resultieren!! Es resultieren nun in Kombination mit        Bild 3: Küchenabsaugung. Geruchsstoffe werden
Störeinflüssen oft gerade entgegengesetzte Strömungs-      teilweise nicht erfasst, speziell von den vorderen
muster als beabsichtigt:                                   Platten.




BK_Faktor_2004-10-01                                                                                             Seite 3
Bei der Kurzschlussströmung fliesst ein Teil der Zuluft       die gleiche Tür) einstellen, die zu starken Zugs-
relativ direkt in die Abluftöffnungen. Dies will man immer    erscheinungen führen können. Ein kontrolliertes
vermeiden, da die Luft nicht optimal genutzt wird und so      Betätigen der Türen ist daher für guten Innenkomfort
wenig durchspülte Zonen mit hoher Belastung                   unerlässlich.
entstehen, sogenannte Totzonen.
                                                              Weitere Einflüsse auf die Luftströmung im Raum
Luftführung in der Wohnung als Ganzes
Eine Wohnung im westlichen Sinne weist mit mehreren           Lokale Luftströmungen bei Auslass und Abzug
Zimmern eine Besonderheit auf, die eine sogenannte
Kaskadenlüftung ermöglicht.                                   Die Zuluftauslässe beeinflussen bei Wohnungen die
                                                              Luftströmung etwa bis auf eine Distanz von maximal
Die Zuluft wird in den Schlafzimmern eingebracht, von         3m. Mischlüftungsauslässe mit Geschwindigkeiten bis
wo sie über das Wohnzimmer zu Bad und Küche strömt,           ca. 2m/s wirken durch ihren Impuls und die Induktion
wo sie abgesaugt wird. Dies ist von der Nutzung her           (Luftansaugung in den Strahlbereich).
möglich, da im Normalfall entweder die Schlafzimmer
oder der Wohnraum besetzt ist.                                Die lokale Umströmung des Auslasses selbst
                                                              beeinflusst die Rezirkulation und die Ablagerung von
                                                              Verunreinigungen. In diesem Bereich besteht auch
                                                              heute noch Optimierungspotential.
                                                              Die Auswirkung des Abzugs ist nur lokal (siehe Ref. 2)
                                                              und daher auf die Strömung nicht bedeutend (obwohl
                                                              sehr nahegelegene Quellen effizient abgesaugt werden
                                                              können).

               Kaskadenlüftung                                Einfluss von Wärmequellen oder kalten Fassaden
Bild 4: Kaskadenlüftung in einer Wohnung mit mehreren         Der Einfluss von Wärmequellen oder kalten Fassaden
Räumen.                                                       ist beachtlich, da die Hauptströmung (siehe Bild 6) Luft
                                                              nachzieht und so die Durchmischung der Luft im Raum
Im Gegensatz dazu müsste ein lokales System (Zu- und          fördert.
Abluft im jedem Raum) doppelt soviel Luft für gleiche
Qualität eingebracht werden.
Bild 5 zeigt bei die Strömung in 2 verbundenen
Zimmern. Im Zimmer rechts kommt die frische Luft
hinein, dargestellt in blau als Alter der Luft, strömt über
den Türspalt unten (Kreis) ins andere Zimmer, breitet
sich zunächst im Bodenbereich aus und gelangt                    Einfluss Fassade            Einfluss Wärmequellen
schliesslich zur Abluftöffnung.
                                                              Bild 6: Einfluss von Wärmequellen oder kalten
                                                              Fassaden.
                                                              Bei relativ geringen Wärmelasten oder geringen
                                                              Fassadenverlusten stellt sich eine Schichtung ein, siehe
                                                              Bild 8 in Kombination mit einer Luftheizung. Die
                                                                                                         C
                                                              Luftheizung (mit Temperatur zwischen 40° und 50°      C)
                                                              führt im Deckenbereich zu teilweise recht hohen
                                                              Temperaturen.




Bild 5: Berechnung mit 2 Zimmern: Alter der Luft (Ref.
5).
Dieses Strömungsbild gilt für die geschlossene Tür mit
Überströmöffnung. Wenn die Türe offen steht, können
sich bei Temperaturunterschieden z.B. zwischen Schlaf-
und Wohnzimmer beträchtliche thermische bidirektionale
Ausgleichsströmungen (d.h. in beide Richtungen durch




BK_Faktor_2004-10-01                                                                                            Seite 4
                                                              Bild 8: Kaltluftabfall an Fassade, verstärkt bei Rahmen.
                                                              Ein umgekehrtes Ausblasen Richtung Inneres behindert
Bild 7: Einfluss von Luftheizung und kalter Fassade.          die Kaltluftströmung hingegen leicht und wäre im Prinzip
Die Strömungen können bei einer grossen Zahl von              vorzuziehen (in der Praxis ist es allerdings meist zu
Wärmequellen oder hohen Glasfassadenanteilen so               aufwendig, die Leitungen an die Fassade zuziehen).
stark sein, dass bei einer angestrebten Quell-Lüftung
anstelle der Schichtung eine Mischströmung resultiert.        Undichtheiten
Hohe Glasfassadenanteile bewirken lokal tiefere               Praxiserfahrungen zeigen Problematiken auf, die
Fassadentemperaturen (Bild 7 rechts Fensterbereiche in        Zugluft- oder sogar Geruchsprobleme nach sich ziehen
blau) und Kaltlufterscheinungen. Diese führen zu              können, z.B. infolge von Undichtheiten von Fenstern
Komforteinbussen, welche je nach Fassadenqualität             oder Lüftungskanälen, die natürlich dicht sein sollten.
beträchtlich sein können. Ein wesentlicher Effekt stellt
die verstärkte Problematik im Rahmenbereich dar, da           Die Auswirkung ist ähnlich wie bei offenen Fenstern, nur
der U-Wert weit weniger gut als für Glas ist, siehe Bild 8.   weniger stark: kalte Luftströmungen breiten sich dem
                                                              Boden entlang aus und beeinflussen Komfort und
Mit einem Glas U-Wert von ca. 1 W/m²K können bei              Energieverbrauch; Windeinfluss verstärkt den Effekt
raumhoher Verglasung und einer Aussentemperatur von           wiederum.
    C
–10° keine guten Komfortwerte erreicht werden (siehe
Ref. 6). Wir empfehlen daher bessere Verglasungen             Eine Schwierigkeit von praktischer Bedeutung liegt im
(höchstens 0.8 W/m²K).                                        wohnungsweisen Abgleich von Zu- und Abluft in einem
                                                              ganzem     Haus.     Ungenauigkeiten    führen     zu
Die Problematik wird noch stärker bei überhohen               Ausgleichsströmungen (d.h. im schlimmen Fall
Verglasungen über 2 Stockwerke. Ohne Heizung im               Geruchstransport)       zwischen       verschiedenen
Fassadenbereich sind die Komfortwerte schlecht. Bei           Wohnungen.
einer Heizung wiederum ist die resultierende
Temperaturschichtung zu beachten (das obere
Geschoss ist zu warm, das andere zu kalt.                     Wärmelasten im Sommer
Die Luftführung erfolgt meist vom Kern gegen die              Bei hohen Verglasungsanteilen sind nicht nur die
Fassade; diese Ausblasrichtung begünstigt die                 Kaltlufterscheinungen im Winter, sondern auch die
Kaltluftströmung, da die sich natürlich einstellende          externen Wärmelasten im Sommer zu beachten.
Raumwalze angetrieben wird. Mit einer Luftheizung ist
dieser Effekt unproblematisch, da die Luft ja eben            5 Schlussfolgerungen, Empfehlungen:
überdurchschnittlich warm ist.                                Die Luftströmung ist auch in Wohnungen ein komplexes
                                                              Zusammenspiel vieler verschiedener Einzelphänomene
                                                              und kann den Planer nicht selten vor Probleme stellen.
                                                              Die Geschwindigkeiten sind zwar meist niedrig, können
                                                              aber in einzelnen Fällen hohe Werte erreichen.




BK_Faktor_2004-10-01                                                                                              Seite 5
Für eine gute Luftqualität sind primär die belastenden      AFC Geschäftsbereiche
Stoffe wie Geruchsstoffe, Feuchte, Rauch usw.
abzuführen. Der Luftwechsel ist dabei vorzugsweise          Brandschutz
nicht zu niedrig anzusetzen, wir empfehlen höhere           Sicherheit für Ihr Gebäude
Werte als die minimalen, da die Quellstärken mit der Zeit       Brandschutzkonzepte
oft höher als geplant sind. Mit der Platzierung von Zu-         Fluchtweg und Entrauchung
und Abluft können die resultierenden Werte                      Integrale Sicherheit
entscheidend beeinflusst werden,
                                                                Ausführung und Betrieb

                                                            Bauklimatik
Tipps für gute Luftqualität und zufriedene Bewohner
                                                            Mehr Komfort, weniger Energie
Luftwechsel nicht zu niedrig ansetzen, wir empfehlen           Raumklima und Komfort
höhere Werte als die minimalen 30 m³/h pro Person, da          Fassaden und Atrien
die Quellstärken mit der Zeit oft höher als geplant sind       Lüftungskonzepte
(Raucher, viele Pflanzen, Personen, Haustiere,
                                                               Gebäudeumströmung
Geruchslasten).
Schadstoffe sind nach Möglichkeit an der Quelle zu          Contaminant Control
erfassen (Küche).                                           Bessere Luft für Reinraum, Industrie und Umwelt
                                                                Reinraum
Die Kaskadenlüftung (Querdurchströmung Wohnung von              Industrielüftung
Schlafzimmer zu Küche/Bad) ist ein vorteilhaftes System
                                                                Abgasausbreitung
für Wohnungen; sie weist eine bessere Effizienz auf als
mehrere Einzelraumlüftungen.                                    Luftqualität

Überströmöffnungen (von Raum zu Raum) sind unten zu         Engineering
platzieren                                                  Schnellere Produktentwicklung dank Simulationen
                                                               Strömungsanalyse CFD
Die Abluftöffnungen sind oben zu platzieren, möglichst
                                                               Wärmeleitung / Kühlung
im Bereich oder in Räumen grosser Kontamination
(Küche, Bad)                                                   Deformation FEM
                                                               Verbrennung / Mischung
Platzierung Zuluft: Wenn unten: grosse Fläche, kleine
Geschwindigkeit, wenn oben: kleine Fläche, grosse
Geschwindigkeit.
Bei abweichender Luftführung sind Kurzschlüsse zu
vermeiden
Bei raumhohen Verglasungen soll der U-Wert höchstens
0.8 W/m²K sein, die Rahmenfläche ist minimal zu halten
(<10cm breit)
Auf quellluftartige Luftführung (Schichtung) kann man
sich nicht verlassen, d.h. bei Dimensionierung des
Volumenstroms ist von Mischung auszugehen, nicht von
Quell-Lüftung, wo man aufgrund der Schichtung die
Lüftungsrate reduzieren kann.




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