Kontrollierte natürliche Lüftung — Fachbeitrag der HFT STuttgart und von Velux

Natürlich frische Luft

Bei der Erstellung eines Lüftungskonzepts werden derzeit die Möglichkeiten einer kontrollierten natürlichen Lüftung über automatisch gesteuerte Fenster nur unzureich-end genutzt — die Gründe hierfür liegen in der 2009 novellierten Raumlufttechnik-Norm DIN 1946–6, die für die Auslegung der lüftungstechnischen Maßnahmen den Außenluftvolumenstrom durch Fensterlüftung nicht berücksichtigt. Eine Untersuchung der Hochschule für Technik Stuttgart zeigt, dass durch eine kontrollierte natürliche Lüftung mit Fenstern jedoch problemlos eine gute Raumluftqualität sowie der hygienisch notwendige Luftwechsel hergestellt werden kann.

Mit zunehmenden Anforderungen an den Wärmeschutz haben sich seit 1995 luftdichte Gebäudehüllen durchgesetzt. Allerdings wird dadurch auch der Luftaustausch gestoppt, was nicht nur zulasten einer gesunden Raumluftqualität geht, sondern zudem das Risiko von Feuchteschäden erhöht. Häufiges Resultat: Schimmelbildung an Wärmebrücken oder an schlecht belüfteten Stellen hinter Möbeln. Um dies zu verhindern, ist ein regelmäßiger Austausch der verbrauchten, feuchten Raumluft gegen frische, trockene Außenluft notwendig.

Im Auftrag des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) wurden an der HFT Stuttgart Untersuchungen durchgeführt, die zum Ziel hatten, Grundlagen für die Berechnung kontrollierter natürlicher Lüftung zu schaffen, die in einfachen Planungstools umgesetzt werden können und in die Normung Eingang finden sollen. Neben den Lüftungspotenzialen von einseitiger Lüftung und Querlüftung wurden auch die energetischen Auswirkungen von kontrollierter natürlicher Lüftung analysiert.
manuelle Belüftung
Erfolgt die Lüftung rein manuell über das regelmäßige Öffnen der Fenster, kann der erforderliche Luftaustausch oft nur in unzureichendem Umfang gewährleistet werden. V. a. für Berufstätige ist die empfohlene mehrfache tägliche Stoßlüftung nicht praktikabel. Eine dauerhafte Kipplüftung ist als Alternative insbesondere in der kalten Jahreszeit nicht zu empfehlen, da Wände und Möbel zu stark auskühlen. Als Konsequenz wird im Wohnungsbau nach DIN 1946-6 seit 2009 ein lüftungstechnisches Konzept gefordert, das eine nutzerunabhängige Grundlüftung zur Vermeidung von Feuchteschäden sicherstellen soll. Auch ein hygienischer Mindeststandard für die Raumluftqualität muss weitestgehend nutzerunabhängig gegeben sein. Diese Vorgaben sind verbindlich und betreffen nicht nur Neubauten, sondern auch Sanierungen von Ein- und Mehrfamilienhäusern, bei denen mehr als ein Drittel der Fenster ausgetauscht oder Einfamilienhäuser, bei denen mehr als ein Drittel der Dachdämmung und der Dachfenster erneuert wird.
nutzerunabhängige Lüftung
Bei einer luftdichten Bausubstanz kommen für den Mindestluftaustausch z. B. Abluftanlagen mit Zuluftöffnungen im Fensterbereich infrage. Diese verursachen ohne Wärmerückgewinnung jedoch einen Stromverbrauch für die Ventilatoren. Weiterer Nachteil: Die winddruckabhängig geregelten Zuluftöffnungen führen im Winter kalte Außenluft in den Wohnbereich, ohne im Sommer aufgrund der möglichst geringen Öffnungsquerschnitte überschüssige Wärme abzutransportieren.
Mechanische Lüftungsanlagen, wie sie im Neubau mit sehr hohen energetischen Standards eingesetzt werden, bieten hingegen eine Wärmerückgewinnung. Allerdings erhöhen sie den technischen Anlagenaufwand und steigern die Stromkosten, wenn sie im Sommer zur Kühlung mit Außenluft eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die nachträgliche Installation einer solchen Anlage bei Renovierungen kompliziert und mit hohen Kosten verbunden.
Als energieeffiziente und kostengünstige Alternative bietet sich die kontrollierte natürliche Lüftung mit elektrisch betriebenen Fenstern an. Diese werden durch zeit- oder bedarfsbasierte Steuerung nutzerunabhängig betrieben und schließen sich mithilfe von Sensoren bei Regen oder zu starkem Wind selbstständig.
Wirkungsweise der Fensterlüftung
Die Effizienz von natürlichen Lüftungskonzepten ist abhängig von Wind, Temperatur und Gebäudeaufbau sowie vom Fenstertyp und der Position der Öffnung.
Der geringste Luftaustausch ist bei einer einseitigen Fensterlüftung zu beobachten, da hier der Winddruck nur eine geringe Rolle spielt. Die Untersuchungen der HFT Stuttgart zeigten, dass ein Kippfenster ausreicht, um eine gute Raumluftqualität für zwei Personen zu gewährleisten. Bei Verwendung eines Drehflügelfensters steigt die Luftwechselrate gegenüber dem Kippfenster etwa um den Faktor 3. Grundsätzlich gilt: je größer die effektive Höhe der Öffnung, desto größer die Luftmenge der thermisch bedingten Lüftung. Eine möglichst große effektive Öffnungshöhe der Fenster ist somit die wichtigste Planungsempfehlung.
Erwartungsgemäß lagen bei der Untersuchung die Luftwechselraten bei einer Querlüftung deutlich höher als bei einer einseitigen Lüftung. Wegen der mit der Höhe wachsenden Windgeschwindigkeit stiegen die Luftwechsel außerdem mit zunehmender Höhe der Öffnungen. Grundsätzlich lassen sich mit einer Querlüftung sehr hohe Luftwechsel insbesondere für die sommerliche Kühlung erreichen. Besonders effektiv ist die Frischluftzufuhr, wenn sich in unterschiedlichen Geschossen mehrere Fassaden- und Dachfenster synchron öffnen lassen. Hierdurch verstärkt sich die Wirkung des Temperaturunterschieds und der Kamineffekt kommt zum Tragen. Da der Luftaustausch ohne Ventilatoren erreicht wird, findet im Sommer eine Klimatisierung ohne Stromverbrauch statt. Die Einsparungen können bei hohem Kühlbedarf je nach Gebäudetyp und Nutzung zwischen 20 und 40 kWh/m²a liegen.
Automatische Fensterlüftung
Im Gegensatz zu Abluftanlagen mit ihren üblicherweise kleinen Zuluftöffnungen lassen sich elektrisch betriebene Fenster öffnen. Der einstellbare Öffnungswinkel des Fensters regelt dabei den Volumenstrom in Abhängigkeit von äußeren Wind- und Temperaturverhältnissen und ermöglicht den Austausch des gesamten Luftvolumens innerhalb von wenigen Minuten. Da der Großteil der Wärme in der thermischen Masse des Gebäudes gespeichert ist, entweicht während dieses kurzen Lüftungsintervalls nur wenig Heizenergie und die Frischluft erwärmt sich rasch. So können im Winter Lüftungswärmeverluste durch geregeltes Öffnen der Fenster auf ein Minimum begrenzt und im Sommer eine deutliche Komfortverbesserung durch hohe Luftwechselraten erzielt werden.
Sensorgesteuertes Lüften
Noch komfortabler ist die kontrollierte natürliche Lüftung mit sensorgesteuerten Fenstern. Gegenüber der automatischen, zeitgesteuerten Fensterlüftung bieten sie den Vorteil, dass nur bei Bedarf automatisch gelüftet wird – und zwar ohne dass sich die Bewohner darum kümmern müssen. Bei den Elektro- und Solarfenstern von Velux stellt z. B. die »MSR«-Luftqualitätssteuerung – eine Kombination von Luftfeuchte- und VOC-Sensor – den Luftwechsel sicher. Während ein Sensor die Luftfeuchtigkeit misst, beugt der andere einer zu hohen Schadstoffkonzentration vor. Letzterer erfasst die sogenannten VOCs, die flüchtigen organischen Verbindungen in der Luft. Die Luftqualitätssteuerung registriert noch vor den Bewohnern, ob Grenzwerte überschritten sind und veranlasst das Öffnen der Fenster. Dabei ist die Lüftungsempfindlichkeit individuell einstellbar und kann z. B. während einer längeren Abwesenheit deaktiviert werden. Bedenken wegen zu großer Energieverluste durch das Lüften in der kalten Jahreszeit sind unbegründet – ein Temperatursensor schließt die Fenster, wenn die Raumtemperatur unter 16 °C sinkt.
Fazit
Die kontrollierte natürliche Belüftung bietet hervorragende Möglichkeiten, um ständig eine gute Raumluftqualität zu gewährleisten und Schadensfälle durch Schimmel sicher zu vermeiden. Gleichzeitig können Lüftungswärmeverluste durch geregeltes Öffnen der Fenster auf ein Minimum begrenzt und im Sommer eine deutliche Komfortverbesserung durch hohe Luftwechselraten erzielt werden. Vereinfachte Planungstools, die eine Auslegung von Öffnungen für einseitige Lüftung und Querlüftung für gängige Raumanordnungen und feste Randbedingungen ermöglichen, werden derzeit erarbeitet. Mit ihrer Hilfe können Planer die kontrollierte natürliche Lüftung als energieeffiziente Alternative verstärkt bei ihren Lüftungskonzepten berücksichtigen. •
~Ursula Eicker, Tobias Schulze, Till Reine
  • Die Autorin Prof. Dr. habil. Ursula Eicker ist Studiendekanin für den Masterstudiengang »Sustainable Energy Competence« an der HFT Stuttgart. Zudem leitet die promovierte Physikerin das »Zentrum für angewandte Forschung Nachhaltige Energietechnik« in Stuttgart und hat jüngst die Studie »Kontrollierte natürliche Lüftung für energieeffiziente Gebäude« veröffentlicht.
  • Der Autor Tobias Schulze promoviert an der TU Istanbul (Fakultät für Architektur) und der Politecnico di Torino (Fakultät für Energetik). Zusammen mit Ursula Eicker veröffentlichte er die Studie »Kontrollierte natürliche Lüftung für energieeffiziente Gebäude«.
  • Der Autor Till Reine ist Leiter Produktmarketing Solar + Elektro bei VELUX Deutschland.