Wir beantworten u. a. folgende Fragen

1. Wie hoch ist der Luftvolumenstrom an kalten Tagen?

    

2. Wie häufig sollte das Fenster an kalten Tagen pro Stunde geöffnet werden und wie lange sollte es geöffnet bleiben?

    

3. Wie berechne ich die effektive Öffnungsfläche eines Fensters?

    

4. Wie ermittle ich die benötigte effektive Öffnungsfläche einer Lüftungszone?

1. Außenklima in der Gebäudeumgebung

In unserem letzten Blog zum Thema Zusammenhang zwischen Außenklima und möglicher Nutzung einer natürlichen Lüftung haben wir erläutert, welchen Einfluss geografische Gegebenheiten, Außentemperatur und relative Luftfeuchtigkeit auf die Einsatzmöglichkeiten einer natürlichen Lüftung in Gebäuden haben.

Die Kerninhalte dieses Blogs sind hier zusammengefasst:

• Unserer Erfahrung nach kann auch in zahlreichen Regionen außerhalb der gemäßigten Klimazonen eine natürliche Lüftung etwa 60 – 70 % der Zeit über genutzt werden.

• Außerhalb der gemäßigten Klimazonen kann sowohl eine ausschließlich natürliche Lüftung als auch eine Hybridlüftung zum Einsatz kommen. Die Hybridlüftung kann hier eine wirksame Lösung darstellen, um die Frischluftzufuhr im Gebäude sicherzustellen, ohne dass dies auf Kosten eines angenehmen Raumklimas geht.

• In Regionen außerhalb der gemäßigten Klimazonen kommt eine natürliche Lüftung in der Regel als Ergänzung zur mechanischen Lüftung zum Einsatz.

2.  Außenlärm und verunreinigte Außenluft

Bei der Überlegung, eine natürliche oder hybride Lüftung über Fenster oder andere Gebäudeöffnungen zu installieren, haben Sie bzw. Ihre Kunden vielleicht die Befürchtung, dass Außenlärm bzw. verunreinigte Außenluft Probleme verursachen könnten. In vielen Fällen haben Lärm und Luftverschmutzung die gleiche Ursache, sodass Abhilfemaßnahmen häufig die Auswirkungen beider Faktoren gleichzeitig minimieren können.

Erfreulicherweise existieren zahlreiche Möglichkeiten, um eine Beeinträchtigung durch Außenlärm zu minimieren.

Nachfolgend erläutern wir vier Strategien, die wir häufig anwenden:

Anordnung von Fenstern/Öffnungen möglichst weit von der Lärmquelle entfernt
Je nach Gestaltung des Gebäudes erzielen unserer Erfahrung nach Gebäudeplaner gute Ergebnisse, wenn sie die Fenster und Öffnungen für die natürliche Lüftung möglichst weit von der Lärmquelle entfernt platzieren. Dies lässt sich realisieren, indem man Fenster und Öffnungen an höher gelegenen Stellen oder auf einer zum Innenhof oder zu einer ruhigen Nebenstraße gerichteten Gebäudeseite anordnet.

Schallisolierung
Eine weitere Möglichkeit zur Lärmreduzierung in Gebäuden besteht darin, für die Luftzufuhr eine Schallisolierung vorzusehen. Die Einbindung einer Schallisolierung hat unserer Erfahrung nach ebenfalls eine sehr gute Wirkung.

Maßnahmen zur Schallisolierung mögen auf den ersten Blick kompliziert klingen. Das muss aber nicht sein. Wir selbst haben bereits Projekte bearbeitet, bei denen eine Vorrichtung zur Luftzufuhr mit integrierter Schallisolierung in Zusammenarbeit mit Schallschutzexperten realisiert wurde. Die Lösung besteht darin, den Druckabfall in der Luftzufuhr bei Einsatz einer Schallisolierung zu minimieren. Außerdem besteht die Möglichkeit, Ihre Lösung durch einen mechanischen Abzug zu ergänzen, wenn der Druckverlust in der Luftzufuhr zu hoch ist.

Doppelfassade
Eine Doppelfassade stellt eine klassische Lösung zum Schutz vor Außenlärm dar. Gleichzeitig bietet sie eine Reihe weiterer Vorteile für das Gebäude. So kann eine Doppelfassade zusätzlich den installierten Sonnenschutz sowie die Gebäudehülle schützen. Außerdem verhindert sie die direkte Einwirkung von Wind und Regen auf das Gebäude.

Einsatz einer Hybridlüftung
Ein weiterer Ansatz ist die kombinierte Nutzung von natürlicher und mechanischer Lüftung. Bei dieser Lösung kommt beispielsweise die natürliche Lüftung zum Einsatz, wenn die Umgebungsbedingungen hierfür günstig sind, während bei stärkerem Außenlärm auf die mechanische Lüftung umgeschaltet wird.

Verunreinigte Außenluft durch gezielte Anordnung der Fenster fernhalten

Dieses Ziel lässt sich mit folgenden Lösungen erreichen:

1. Fenster und Öffnungen möglichst weit von der Verschmutzungsquelle entfernt platzieren
2. Einsatz einer Hybridlüftung mit Schadstoffsensoren

Befindet sich das Gebäude in einer Umgebung mit hohem Verkehrsaufkommen, müssen einige Punkte beachtet werden, wenn es um die Anordnung von Fenstern und anderen Öffnungen geht. Unserer Erfahrung nach muss das Gebäude gar nicht so weit von stark befahrenen Straßen entfernt liegen oder besonders hoch platzierte Fenster haben, damit die Luft bereits wesentlich sauberer ist und Fenster und Öffnungen sich uneingeschränkt für eine natürliche Lüftung eignen.

Was die Planung des Gebäudes anbelangt, bedarf es keiner besonderen Vorkehrungen, wenn sich das Gebäude außerhalb des Stadtzentrums oder weiter entfernt von hohem Verkehrsaufkommen befindet.

Wie bei der Schallisolierung ist auch hier ein wirksames Mittel, die Fenster auf einer zum Innenhof gerichteten Gebäudeseite oder an höher gelegenen Stellen anzuordnen. Gleichermaßen besteht die Möglichkeit, eine Hybridlüftung mit Schadstoffsensoren einzusetzen. In diesem Fall schließen die Fenster und Öffnungen bei stark belasteter Außenluft. Die Lüftung erfolgt dann über das mechanische Lüftungssystem.

3.  Art der Gebäudenutzung

Nach Berücksichtigung der Gebäudeumgebung gilt es, sich mit den Innenbereichen, der Art der Gebäudenutzung sowie mit der Innenlast durch Menschen, Geräte und den Solareintrag zu beschäftigen.

Bereiche mit geringer Innenlast

Bereiche mit geringer Innenlast wie Durchgänge, Gemeinschaftsräume, Atrien, Büros, Lagerhallen, Sporthallen usw. eignen sich fast immer für eine natürliche Lüftung.

Bereiche mit hoher Innenlast

Bereiche wie Konferenzräume, Klassenzimmer, Kantinen und dergleichen weisen in der Regel eine hohe Innenlast auf. In diesen Bereichen ist unter Umständen eine Hybridlüftung die beste Lösung, insbesondere in Gegenden mit besonders kalten Wintermonaten und strengen Vorschriften hinsichtlich der CO₂-Konzentration.

Die Lüftungsanforderungen für Bereiche wie Klassenzimmer und Gesundheitseinrichtungen können von Land zu Land sehr unterschiedlich sein. Je nach Land und konkretem Einzelfall kann eine natürliche Lüftung ausreichen, während bei anderen Gegebenheiten hingegen eine Hybridlüftung zum Einsatz kommen muss, um die geforderten CO₂-Grenzwerte ohne Zugluft einzuhalten.

Stehen pro Person etwa 15 m³ Raumvolumen zur Verfügung?

Als Faustregel gilt, dass eine natürliche Lüftung häufig eine gangbare Lösung darstellt, wenn das verfügbare Raumvolumen pro Person mindestens 15 m³ beträgt. Liegt das Raumvolumen pro Person hingegen unter 15 m³, ist insbesondere in Gegenden mit besonders kalten Wintern häufig eine Hybridlüftung erforderlich, um kalte Zugluft zu vermeiden. Auf der anderen Seite ist auch in Regionen mit besonders heißen Sommern in der Regel eine Hybridlüftung erforderlich, um ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten.

Wie hoch ist der Luftvolumenstrom an kalten Tagen?

Befindet sich das Gebäude in einer Gegend mit sehr kalten Wintermonaten, gilt es zu berechnen, wie hoch die Luftwechselrate sein muss, um die gewünschten CO₂-Werte einzuhalten. Wenn ein Luftvolumenstrom von 1 Liter pro Sekunde und m² (Luftwechselrate ca. 1,5 h^-1 bei normaler Raumhöhe) beibehalten werden kann, ist in den meisten Fällen eine natürliche Lüftung möglich, ohne dass die Gebäudenutzer auf ein angenehmes Raumklima verzichten müssen. Wenn der Lüftungsbedarf 1 Liter pro Sekunde und m² übersteigt, muss zur Vermeidung von Zugluft unter Umständen eine Hybridlüftung zum Einsatz kommen.

Wie häufig sollte das Fenster an kalten Tagen pro Stunde geöffnet werden und wie lange sollte es geöffnet bleiben?

Wenn sich Ihr Kunde für eine automatisierte natürliche Lüftung entscheidet, dann empfiehlt es sich, ihn anhand der Schadstoffverdünnungsgleichung aufzuklären, wie das Lüftungssystem an kalten Tagen arbeitet. Dies kann die Bedenken der Kunden in Bezug auf mögliche Zugluft zerstreuen.

Zunächst ermitteln Sie hierzu das Raumvolumen und die entsprechende Personendichte pro Standardtag.

Anschließend berechnen Sie unter Anwendung der Schadstoffverdünnungsgleichung, wie viele Minuten pro Stunde und Tag die Fenster bzw. Öffnungen an kalten Tagen geöffnet bleiben müssen, damit der gewünschte CO₂-Grenzwert nicht überschritten wird.

In der Regel stellen wir fest, dass Fenster zwei- bis dreimal pro Stunde für jeweils zwei bis drei Minuten geöffnet werden können, ohne dass die Gebäudenutzer dies als unangenehm empfinden.

In Dänemark haben wir diese Vorgehensweise zum Beispiel in einem Bürogebäude mit hoher Personendichte angewandt, in dem die natürliche Lüftung ganzjährig zum Einsatz kommt. Zur Veranschaulichung sehen wir hier die in der Planungsphase durchgeführte Berechnung. Die Forderung war, die CO₂-Konzentration auf maximal 1000 ppm zu begrenzen. Unter Berücksichtigung der Personendichte kamen wir zu dem Ergebnis, dass die Fenster zweimal pro Stunde (zwecks Stoßlüftung) geöffnet werden müssen.

Wenn Sie allerdings zu dem Schluss kommen, dass Ihre Fenster mehr als dreimal pro Stunde jeweils länger als drei Minuten geöffnet werden müssen, um ein optimales Raumklima zu erzielen, dann ist unter Umständen eine Hybridlüftung erforderlich.

Sollten Sie bei der Durchführung der Berechnungen Unterstützung benötigen, so helfen wir Ihnen gerne kostenlos weiter. 

Personendichte und Innenlast

Wenn festgestellt wird, dass eine natürliche Lüftung bei 100 % Innenlast im Gebäude nicht ausreicht, kann sich eine Hybridlüftung (mechanische Lüftung + natürliche Lüftung) als die richtige Strategie erweisen. 

In der Regel wird die natürliche Lüftung selbst in stark beanspruchten Bereichen für einen Großteil des Tages ausreichen. Dies gilt für alle Arten von Räumen, in denen die Personendichte stark variieren kann, wie z. B. in Büros oder Konferenzräumen. Eine Hybridlüftung bietet somit die Möglichkeit, die natürliche Lüftung zu 100 % zu nutzen, wann immer dies sinnvoll ist, und sie durch eine mechanische Lüftung zu ergänzen, wenn die Innenlast 100 % erreicht.

Hohe Innenlasten sind immer dann zu berücksichtigen, wenn es um Räumlichkeiten mit hoher maximaler Personendichte geht (z. B. Veranstaltungszentren) und nur begrenzte Möglichkeiten hinsichtlich der Öffnungsfläche bzw. der Quer- und Auftriebslüftung bestehen.

4.  Auslegung der Räume und Lüftungsstrategie

Wenn erst einmal bekannt ist, wie die einzelnen Räume genutzt werden, können Sie je nach Raumtiefe die geeignete Lösung für eine natürliche Lüftung auswählen. In diesem Abschnitt erläutern wir die drei wichtigsten Lüftungsprinzipien bei einer natürlichen Lüftung und geben Tipps, wann sie jeweils zur Anwendung kommen sollten.

Ganz allgemein empfehlen wir, Fenster und Öffnungen eher an höher gelegenen Stellen eines von Menschen genutzten Raums anzubringen, um störende Zugluft zu vermeiden.

Für die natürliche Lüftung existieren drei unterschiedliche Lüftungsprinzipen:

Wie diese unterschiedlichen Lüftungsprinzipien angewandt werden bzw. angewandt werden sollten, hängt von der Raumtiefe und den vorhandenen Triebkräften ab. Ist zum Beispiel ein Gebäude in erster Linie für eine windgeregelte Lüftung ausgelegt, kann die natürliche Lüftung verbessert werden, wenn bei der Platzierung der Fenster und Öffnungen die vorherrschenden Winde Berücksichtigung finden.

Wir erläutern Ihnen unsere Faustregeln hinsichtlich der Raumtiefe und Lüftungsstrategie, empfehlen Ihnen jedoch, auch die bei Ihnen vor Ort geltenden Vorschriften und Anforderungen in Ihre Planung einzubeziehen. Sprechen Sie uns jederzeit gerne an, wenn Sie weitere Unterstützung benötigen.

Lüftungszonen mit begrenzter Raumtiefe

Wenn die Tiefe des zu lüftenden Bereichs maximal der 2,5-fachen Raumhöhe entspricht, jedoch nicht über 10 m liegt, kann der Bereich durch einseitige Lüftung gelüftet werden.

Bei einer sehr hohen Personendichte, wie dies z. B. in Klassenzimmern der Fall ist, muss die natürliche Lüftung häufig durch ein mechanisches Lüftungssystem unterstützt werden, um den Bauvorschriften zu genügen. Dies ist jedoch nicht überall vorgeschrieben. In manchen Ländern reicht eine einseitige Lüftung, eine Querlüftung oder eine Atriumlüftung aus.

Lüftungszonen in tieferen Räumen

Wenn die Tiefe des zu lüftenden Bereiches mehr als das 2,5-fache der Raumhöhe beträgt, muss zur Sicherstellung einer angemessenen Lüftung in der Regel eine Querlüftung oder Atriumlüftung zum Einsatz kommen. Als Faustregel gilt hier, dass ein Bereich mit Quer- oder Atriumlüftung häufig als Grenzwert eine Raumtiefe haben kann, die maximal der 5-fachen Raumhöhe entspricht.

Ist die Umsetzung einer Quer- oder Atriumlüftung nicht möglich, besteht eine gangbare Lösung darin, einen Abzug an der hinteren Seite des Raums zu installieren, vorzugsweise mit ergänzender Wärmerückgewinnung. Ein ausgewogenes mechanisches Lüftungssystem kann als Ergänzung ebenfalls gut funktionieren.

Wenn die Tiefe des zu lüftenden Bereichs mehr als etwa das 5-fache der Raumhöhe beträgt, dann kommen auch die Querlüftung, Atriumlüftung und einseitige Lüftung mit ergänzendem Abzug langsam an ihre Grenzen, sodass man in diesen Fällen eine Hybridlüftung in Erwägung ziehen sollte.

Große Gebäude mit zentralem Atrium

Verfügt ein Gebäude über ein zentrales Atrium mit Dachfenstern sowie mit an das Atrium angrenzenden Büroräumen und Arbeitsbereichen, dann sollte der horizontale Abstand zwischen der Bürofassade und dem Beginn des Atriums generell nicht mehr als das 5-fache der Raumhöhe betragen.

Vermeidung von Zugluft

Wenn sich in einem hohen Atrium mit Glasdach dauerhaft eingerichtete Arbeitsplätze befinden sollen, müssen hier besondere Umstände berücksichtigt werden, ganz gleich, ob eine mechanische oder natürliche Lüftung zum Einsatz kommt. Dies liegt darin begründet, dass das Dach Zugluft verursachen kann, wenn sich die Luft direkt unter dem Dach abkühlt. Wenn allerdings die Arbeitsbereiche im Atrium über ein eigenes Dach verfügen, dürfte keine Zugluft entstehen.

Bei Arbeitsplätzen in den Randbereichen des Atriums empfehlen wir, eine Art Schutzvorrichtung oder Abtrennung vorzusehen, die auf Bodenniveau abschließt, um Zugluft an den Füßen und Beinen zu vermeiden.

Große Gebäude mit Atrium

Ein Gebäude, in dem die Büros um das zentrale Atrium herum angeordnet sind, ist unter Umständen zu hoch für eine natürliche Atriumlüftung. Wir haben langjährige Erfahrung mit fünf- bis sechsgeschossigen Gebäuden mit natürlicher Atriumlüftung. Wenn Sie hingegen ein noch höheres Gebäude planen, empfiehlt sich eine genauere Prüfung, ob eventuell ein ergänzender mechanischer Abzug im oberen Gebäudebereich erforderlich ist, um auf allen Etagen für Frischluft zu sorgen.

Bei großen Bürogebäuden mit Atrium sollte die Öffnungsfläche des Dachs etwa das 1,5-fache der Gesamtöffnungsfläche der Fassaden betragen, um sicherzustellen, dass alle Etagen ausreichend Frischluft erhalten und das Abführen der verbrauchten Luft nur über das Dach erfolgt. Schließt zum Beispiel ein Atrium an einen natürlich gelüfteten Bereich mit einer Größe von 10.000 m² an, sollte die effektive Öffnungsfläche des Dachs bei etwa 90 m² liegen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die gesamte effektive Öffnungsfläche etwa 1,5 % des natürlich gelüfteten Bereichs entspricht. Es kommt jedoch selten vor, dass alle Fenster und Öffnungen in der Fassade zur gleichen Zeit vollständig geöffnet sind, sodass die Öffnungsfläche im Dach somit etwas geringer dimensioniert werden kann.

Nachtauskühlung

Der Einsatz der Quer- und Auftriebslüftung kann die Wirksamkeit einer Nachtauskühlung signifikant verbessern. Soweit möglich, sollten Verbindungstüren zwischen Büros geöffnet bleiben, um den nächtlichen Luftstrom durch das Gebäude zu erhöhen.

5.  Öffnungsflächen

Effektive Öffnungsflächen für die natürliche Lüftung

Zu Beginn der Planung können Sie anhand der nachfolgenden Hinweise in etwa abschätzen, wie groß die effektive Öffnungsfläche eines zu lüftenden Bereichs sein muss. Wenn Ihnen dann genauere Informationen über die Nutzung der Räume vorliegen, können die effektiven Öffnungsflächen entsprechend angepasst werden. Die Festlegung der Anzahl und Ausführung der Fenster und Öffnungen kann zu einem späteren Zeitpunkt in der Planungsphase erfolgen.

Wie berechne ich die effektive Öffnungsfläche eines Fensters?

Zunächst erläutern wir, was unter der effektiven Öffnungsfläche zu verstehen ist.

Für die natürliche Lüftung definiert sich die effektive Öffnungsfläche wie folgt:

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Beispiel der geometrischen Öffnungsfläche (A_geo) eines Fensters.

Die geometrische Öffnungsfläche ergibt sich aus der Addition von A2, A3 und A4. Ist A1 kleiner als die Summe aus A2, A3 und A4, dann ist A1 als geometrische Öffnungsfläche des Fensters anzusetzen.

Der Durchflussbeiwert (C_d) der Öffnung hängt von ihrer Reibung und Kontraktion ab. Bei Fenstern und anderen größeren Öffnungen liegt der Reibungsbeiwert (C_d) in der Größenordnung von 0,6 bis 0,7.

Werden die automatisch geregelten Fenster mit Insektenschutzgittern versehen, so wirkt sich dies auf den Durchflussbeiwert und möglicherweise auch auf die geometrische Öffnungsfläche aus.

So bestimmt sich die geometrische Öffnungsfläche stets nach der kleinstmöglichen Öffnung, durch die die Luft strömt. Dies bedeutet, dass die Insektenschutzgitter nur dann die geometrische Öffnungsfläche beeinflussen, wenn die Öffnungsfläche durch das Gitter die kleinstmögliche Fläche darstellt, durch die die Luft strömen kann.

Der Durchflussbeiwert von Klappfenstern mit Insektenschutzgitter reduziert sich in der Regel von 0,6 bis 0,7 auf 0,3 bis 0,4. Dies hängt von der Maschenweite und vom Material des Insektenschutzgitters ab.

Wie ermittle ich die benötigte effektive Öffnungsfläche einer Lüftungszone?

Wenn Sie wissen, wo sich die Außenfenster und -öffnungen einer Lüftungszone befinden und welches Lüftungsprinzip somit für die natürliche Lüftung zur Anwendung kommt, können Sie eine erste Schätzung der effektiven Öffnungsfläche für jeden zu lüftenden Bereich anhand einer einfachen Rechnung durchführen. Ausgangspunkt der Rechnung sind wie nachfolgend dargestellt die effektive Grundfläche des Raums bzw. der Lüftungszone und das Lüftungsprinzip.

Raum mit einseitiger Lüftung:

A_eff gleich 2 % der Grundfläche

Querlüftung oder Atriumlüftung:

A_eff gleich 1,5 % der Grundfläche

Nachdem Sie die effektiven Öffnungsflächen jeder Lüftungszone geschätzt und ihre ungefähre Position ermittelt haben, können Sie den natürlichen Luftwechsel der Zone berechnen.

Hierzu können Sie unser kostenloses Tool zur Berechnung der Luftwechselrate nutzen.

Schlussbemerkung

Falls Sie Ihre Berechnungen überprüfen lassen möchten und eine Beratung zu Ihren ersten Überlegungen und Vorstellungen benötigen, so sprechen Sie uns gerne an. 

Wenn Sie mehr über die Auslegung einer natürlichen Lüftung erfahren möchten, dann freuen Sie sich auf unseren nächsten Blog über die Festlegung der Lage, Position und Größe von Fenstern und Öffnungen.

Die nachfolgend aufgeführte Software bietet Modellierungshilfen und weitergehende Luftstromberechnungen.