Maschinelle Wohnungslüftung in Kombination mit Heizsystemen

Welchen Einfluss haben ein variabler Luftwechsel und der Einsatz einer maschinellen Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung auf das energetische Verhalten von Heizsystemen? Der folgende Artikel bietet Antworten auf diese Frage.

Moderne Neubauten haben bei allen architektonischen Unterschieden eines gemeinsam: Sie sind in der Regel darauf ausgerichtet, Energie möglichst sparsam einzusetzen. Dieses Ziel verfolgt auch der Gesetz­geber: Die zurzeit gültige Energieeinsparverordnung 2009 (EnEV 2009) stellt unter anderem hohe Anforderungen an den Wärmeschutz und an die Gebäudedichtheit. Geplante als auch zu sanierende Gebäude sollen demnach dem Stand der Technik entsprechend gedämmt sein.

Mit Folgen für das Raumklima, denn eine dichte Bauweise verhindert einen ausreichenden Luftaustausch zwischen Gebäudeinnerem und der Umgebung. Dies kann zu Schimmelpilzbildung und mangelnder Luftqualität führen. Ein Lüftungskonzept ist deshalb unerlässlich, um eine komfortable, jederzeit ausreichende Frischluftzufuhr zu gewährleisten und damit Bau- und Gesundheitsschäden vorzubeugen. Die Auswahl und Dimensionierung des Lüftungskonzepts ist normativ durch die DIN 1946 Teil 6 beschrieben.

Die EnEV 2009 schreibt ein Lüftungskonzept nicht zwingend vor, fordert aber, dass die Lüftung der Räume einen hygienisch und bauphysikalisch erforderlichen Luftwechsel gewährleistet. Die entstandene Abluft soll abgeführt werden, um eine hohe Innenraumluftqualität zu garantieren.

Dabei spielt auch die von den Bewohnern oder Nutzern empfundene Behaglichkeit eine immer wichtigere Rolle. Hierbei liegt die Lösung in einer maschinellen Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung: Sie belüftet Räume entsprechend den Nutzeranforderungen und senkt gleichzeitig den Wärmeverlust, der beim klassischen Lüften durch Öffnen der Fenster entsteht. Der Einsatz einer Wärmerückgewinnung hilft, diese Lüftungswärmeverluste so gering wie möglich zu halten.

Grundlagen der Wohnungslüftung

Bereits in den 1960er-Jahren wurden in Deutschland erste Gebäude mit maschineller Wohnungslüftung ausgestattet. Bis zur Einführung der Wärmeschutzverordnung 1995 (WSchV 1995) wurden sie jedoch weniger wegen Energieeinspar­überlegungen, sondern vielmehr aus Komfortgründen eingesetzt.

Die Entwicklung in der Bauwirtschaft führte dazu, dass Neubauten bereits mit der EnEV 2002 hoch wärmegedämmte und luftdichte Gebäude sind. So geht die Wärme eines Raumes nach heutigem Baustandard vor allem durch das Lüften verloren und nicht mehr primär durch Transmissionswärmeverluste.

Maschinelle Wohnungslüftung ermöglicht es, in einem luftdichten Raum gezielt eine gute Raumluftqualität herzustellen. Ventilatoren versorgen den Raum mit Außenluft und saugen die Abluft an anderer Stelle wieder ab. So entsteht ein kontinuierlicher Luftaustausch.

Zudem lässt sich die Wärme der Abluft mit einem Wärmerückgewinner zur Vorerwärmung der Außenluft nutzen. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Lüftungssysteme.

Arten der Wohnungslüftung

Grundsätzlich existieren zwei Lüftungsarten: freie Lüftung und maschinelle Lüftung. Bei der maschinellen Wohnungslüftung wird zwischen "dezentraler" und "zentraler" Wohnungslüftung unterschieden.

Die dezentrale Wohnungslüftung belüftet raumweise. Hierbei kommen an der Außenwand montierte Einzelraumgeräte zum Einsatz. Zu- und Abluftkanal dieser Geräte laufen durch die Außenwand.

Zentrale Wohnungslüftung unterteilt sich in Abluft- und Zu-/Abluftanlagen:

Abluftanlagen saugen die Luft aus den Räumen mit den höchsten Stoff- und Feuchtelasten, beispielsweise Küche, Bad oder WC. Die Außenluft gelangt durch Luftdurchlässe in Außenwänden oder Fenstern in die Wohn- und Schlafräume. Damit sich die Außenluft mit warmer Raumluft mischen kann, werden die Luftdurchlässe über oder hinter den Heizkörpern angeordnet. Durch Luftdurchlässe in den Türen strömt die Luft über die Flure in die Ablufträume nach. Eine Wärmerückgewinnung ist hier nicht möglich, diese Systeme werden deshalb hier nicht weiter betrachtet.

Zu-/Abluftanlagen enthalten meist Wohnungslüftungsgeräte mit Wärmerückgewinner, welche die Wärme von der warmen Abluft auf die kalte Außenluft übertragen. Das Lüftungsgerät wird an zentraler Stelle im Haus, etwa im Keller oder auf dem Dachboden, aufgestellt. Runde oder rechteckige Kanäle verbinden es mit den einzelnen Räumen. Die erwärmte Außenluft gelangt über Zu­luftkanäle in Wohn- und Schlafräume, strömt dann über den Flur in die Küche und Sanitärräume, wo sie abgesaugt wird.

Ein Wohnungslüftungsgerät besteht unter anderem aus zwei Ventilatoren, dem Wärmerückgewinner, Außenluft- und Abluftfilter sowie einer Regelungs-/Steuerungseinheit. Abbildung 2 zeigt den Aufbau eines Lüftungsgerätes.

Anforderungen an das Raumklima

Der Zweck heiz- und raumlufttechnischer Anlagen besteht neben der Vermeidung von Bau- und Gesundheitsschäden vor allem darin, bestimmte Anforderungen des Raumnutzers an das Raumklima zu erfüllen. Der gewünschte Zustand wird oft mit dem Ausdruck "behaglich" umschrieben. "Behaglichkeit" eignet sich als unpräziser Begriff jedoch nicht, um unterschiedliche technische Lösungen zur Raumkonditionierung vergleichen zu können.

Stattdessen sind präzise, im besten Fall messbare Größen vonnöten, um die jeweilige Technik zu bewerten – sogenannte raumklimatische Parameter. Diese Parameter beeinflussen das Raumklima und werden wiederum selbst von bestimmten Faktoren, von Funktionen, beeinflusst.

Nimmt man beispielsweise die Lufttemperatur als raumklimatischen Parameter, lässt sich diese durch Heizen oder Kühlen beeinflussen. Abbildung 3 gibt einen Überblick über alle raumklimatischen Parameter und den zugeordneten Funktionen.

Die Gesamtheit der Funktionen nennt sich Bedarf. Ihn gilt es auszugleichen, um das gewünschte Raumklima zu erreichen. Der Bedarf dient zudem als Referenzgröße für den Vergleich mit dem technisch realisierbaren Aufwand.

Stoffkonzentration und Feuchtegehalt

In Wohnräumen entstehen Gerüche und Feuchtigkeit. Heiz- und raumlufttechnische Anlagen müssen diese aus dem Raum abführen, um das vom Nutzer geforderte Raumklima bezüglich dieser Parameter zu erhalten.

Zu den sogenannten Stofflasten zählen Verunreinigungen, Gerüche und Schadstoffe in der Luft, etwa durch Freisetzungen aus Möbeln und Werkstoffen. Stoffwechselprodukte von Personen, Haustieren und Pflanzen gehören ebenfalls in die Gruppe der Stofflasten. Dagegen entstehen Feuchtelasten durch hauswirtschaftliche Tätigkeiten wie Kochen, Baden, Duschen, Waschen und Trocknen.

Bei der maschinellen Lüftung ist der Luftaustausch mit Außenluft nicht zwangsläufig konstant, sondern kann bei Ausrüstung mit Feuchte- oder CO₂-Sensoren nach Höhe und Zeitverlauf der Stoff- und Feuchtelasten ausgerichtet werden. Steigt die Freisetzung von Stoffen und Feuchte im Raum an, steigt auch der Luftstrom an. Beides verhält sich jedoch nicht immer proportional zueinander, weil Stoffe und Feuchte in den Raumumfassungsflächen, beispielsweise Wänden und Fußboden, ge- und auch entspeichert werden.

Der erhöhte Luftstrom erhöht auch die Heizlast im Raum (Lüftungsheizlast), es ist also auch Wärme erforderlich, um die gewünschte Raumtemperatur zu halten.

Um besser zwischen den Aufgaben der Lufttechnik unterscheiden zu können, ist im Wohnungsbau von hygienisch und bauphysikalisch notwendiger Lufterneuerung die Rede.

Ziel der hygienischen Lufterneuerung ist es, eine Raumluft zu schaffen, die keine oder nur wenig schädliche Stoffe enthält. Oder anders formuliert: Die Stoffkonzentrationen in der Raumluft sollen bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten. Bei einer Lüftungsanlage, welche die Stoffkonzentration regeln kann, setzt dies eine Vergleichsgröße voraus. Allerdings sind unzählige Stoffe bekannt, die in der Raumluft enthalten sein können – und es gibt keine Sensoren, die alle erfassen. So stellt sich die Frage, welche Stoffe als Indikatoren für die Raumluftqualität herangezogen werden.

Oft ist das der Kohlendioxidgehalt der Raumluft: CO₂-Grenzwerte für die Raumluft gibt es bereits seit 1858. Spätere Untersuchungen ergaben jedoch, dass in modernen Gebäuden viele weitere Stoffquellen vorhanden sind und CO₂ als alleiniger Indikator für die Raumluftqualität nicht ausreichend ist. Stattdessen werden heute die Maßeinheiten "Olf" zur Bewertung der Stärke einer Geruchsquelle sowie "Dezipol" für die empfundene Raumluftqualität verwendet.

Freie oder maschinelle Wohnungslüftung

Zum Schutz der Nutzer und der Bausubstanz müssen Räume be- und entlüftet werden. Die Luftströme, die dem Raum zugeführt werden, verdünnen Stoff- und Feuchtelasten und transportieren sie ab. Der Luftaustausch muss unabhängig von äußeren Randbedingungen wie Wind oder Temperatur funktionieren. Wie effizient ein Luftaustausch funktioniert, hängt von der Lüftungsart ab.

Die freie Lüftung (Fugen-, Fenster- oder Schachtlüftung, vgl. Abb. 1) erfolgt ohne Hilfsenergie, also auf natürliche Art. Dabei umschreibt Fugenlüftung den Luftaustausch zwischen Raum und Außenumgebung bei geschlossenen Fenstern oder Zuluft-Einrichtungen.

Als Austauschöffnung dienen hier undichte Türen und Fenster oder auch Risse und Löcher im Baukörper. Auslöser des Luftaustauschs sind Druck- und Temperaturunterschiede zwischen Raum und Umgebung. Druckdifferenzen entstehen aufgrund einer Windanströmung auf den Raum und/oder infolge von thermischem Auftrieb.

Beim thermischen Auftrieb steigt warme Luft nach oben, er entsteht aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen innen und außen, was wiederum einen Dichteunterschied der Luft zwischen innen und außen hervorruft.

Besteht eine Druckdifferenz, entsteht ein Luftaustausch über die Fugen bei geschlossenem Fenster. Abbildung 4 veranschaulicht die Ergebnisse von Berechnungen für einen Modellraum mit einem Luftvolumen von 75 m³ gemäß EnEV 2002 bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C. Vereinfacht wird angenommen, dass sich die Fugen in gleich großen Teilen in Bodennähe und in Deckenhöhe befinden, was den theoretisch günstigsten Fall darstellt.

Das Schaubild zeigt, dass der Grenzwert für einen hygienisch erforderlichen 0,5-fachen Luftwechsel 37,5 m³/h entspricht. Mit anderen Worten: Das gesamte Raumvolumen soll alle zwei Stunden einmal komplett ausgetauscht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass selbst bei dieser günstigsten Fugenanordnung der geforderte Luftwechsel nie erreicht wird. Erst bei -10 °C wird gerade einmal der 0,25-fache Luftwechsel erreicht. Ein zusätzlicher Luftstrom ist zwingend erforderlich, weil der Außenluftstrom aufgrund von thermischem Auftrieb nicht ausreicht.

Beim Luftwechsel durch Wind bildet sich im Fall der Windanströmung an der windzugewandten Raumfläche ein Überdruck (Luv) und an der abgewandten Raumfläche ein Unterdruck (Lee) zum Gebäudeinneren. Abbildung 5 veranschaulicht die Ergebnisse von Berechnungen des Außenluftstroms.

Dabei wird angenommen, dass der Wind senkrecht auf die Raumfläche strömt und durch umgebende Bebauung nicht gestört wird. Aus Wetteraufzeichnungen sind die mittleren Monatswerte der Windgeschwindigkeit für viele Orte in Deutschland bekannt. Als Beispiel dienen Werte für Stuttgart, diese betragen zwischen 1,6 und 2,8 m/s. Der hygienisch erforderliche Luftwechsel von 0,5 1/h wird jedoch erst bei einer Windgeschwindigkeit von 4,6 m/s erreicht. Somit reicht der Außenluftstrom aufgrund von Wind für einen hygienisch erforderlichen Luftwechsel nicht aus. Ein zusätzlicher Luftstrom ist auch hier notwendig.

Zusammengefasst gilt bei der Fugenlüftung folglich: Der Luftaustausch wird vom Wetter beeinflusst – sowohl beim thermischen Auftrieb als auch beim Luftwechsel durch Wind. Jedoch ist der Luftaustausch über die Fugen bei geschlossenem Fenster in den wenigsten Fällen der Heizperiode ausreichend.

Bei der Schachtlüftung treten im Wesentlichen dieselben Antriebskräfte auf wie bei der Fugenlüftung.

Bei der Fensterlüftung erfolgt der Luftaustausch dagegen durch geöffnete Fenster, beispielsweise beim Stoßlüften.

Der Außenluftstrom kann zudem durch einen Luftstrom über die Fugenlüftung ergänzt werden. Wenn der Anteil der Fugenlüftung gesenkt ist, muss der Anteil der Fensterlüftung wiederum erhöht werden – die Fenster müssen länger offen sein. Fensterlüftung hat den Nachteil, dass während der Heizperiode kalte Außenluft in den Raum strömt, was nicht nur zu Behaglichkeitsdefiziten führt, sondern auch die Heizkosten in die Höhe treibt. Darüber hinaus strömt in bestimmten Situationen, je nach Wind- und Temperaturverhältnissen, selbst bei geöffnetem Fenster nur sehr wenig Luft von außen in den Raum. Bei geschlossenen Fenstern, die so dicht sind wie in der EnEV 2009 gefordert, strömt praktisch nie ausreichend Luft zu.

Nicht zu vernachlässigen ist beim Fensterlüften zugleich die Tatsache, dass der Raumnutzer nicht direkt bewerten kann, wann das Fenster zu öffnen ist. Anders als beim Temperaturniveau, das der Mensch wahrnehmen kann, fehlen ihm Sensoren, um die Qualität der Raumluft zu beurteilen: Der Geruchssinn vergleicht nicht mit einer absoluten Größe, sondern mit der zuletzt wahrgenommenen Raumluftqualität – er gewöhnt sich mit der Zeit an den Geruch (Adaption). Erst, wenn eine Person den Raum verlässt und später wieder betritt, fällt ihr die darin vorherrschende Geruchsbelastung auf.

Strahlungs- und Lufttemperatur

Die Raumtemperatur, auch operative Temperatur genannt, dient als Vergleichsgröße für die Nutzenanforderungen. Sie stellt aber keine Größe dar, die sich messen lässt, sondern den Mittelwert aus Luft- und Strahlungstemperatur.

Strahlungstemperatur ist die gemittelte Temperatur der Flächen, die eine Person in einem Raum umgeben, einschließlich der Heizflächen. Bei Einhaltung eines Grenzwerts für die operative Temperatur (z.B. 20 °C) gilt die Behaglichkeitsanforderung als erfüllt.

Unberücksichtigt bleibt dabei, dass sich eine Person beispielsweise in der Nähe eines kalten Fensters unwohl fühlen kann, obwohl die operative Temperatur im Raum den Sollwert nicht unterschreitet. Somit wäre lediglich die Anforderung an die wirksame Strahlungstemperatur an dieser Stelle des Raumes nicht erfüllt.

Das bedeutet: Wenn im Heizfall die operative Temperatur erreicht wird, heißt das nicht zwangsläufig, dass Strahlungs- und Lufttemperatur ebenfalls ausreichen. Deshalb sind die Anforderungen an die Strahlungstemperatur, von denjenigen an die Lufttemperatur zu trennen. Dennoch müssen beide zugleich erfüllt werden.

Die gesamte Heizlast setzt sich somit aus dem radiativen (Strahlungs-) und dem konvektiven (Luft-) Anteil zusammen. Um eine bestimmte Strahlungstemperatur einzuhalten, muss dem Raum also eine radiative Heizleistung zugeführt werden, welche die radiative Heizlast des Raums ausgleicht. Dasselbe gilt entsprechend für die konvektive Heizlast und die Lufttemperatur, sie lassen sich mit einer maschinellen Wohnungslüftungsanlage beeinflussen.

Im Folgenden werden Systeme ohne und mit Wärmerückgewinnung anhand der Aufwandszahl für den Modellraum gemäß EnEV 2002 verglichen.

Energieaufwand bei maschineller Wohnungslüftung ohne Wärmerückgewinnung

Es werden Heizkörpersysteme unterschiedlicher thermischer Trägheit und Regelung gegenübergestellt. Dabei handelt es sich um Plattenheizkörper mit und ohne Konvektionsbleche. An den Heizkörpern sind in dem einen Fall Thermos­tatventile (P-Regler) angebracht und im zweiten Fall elektronische, unstetige PI-Regler.

Bei den Plattenheizkörpern handelt es sich um einen thermisch trägeren Heizkörper mit Konvektorblech und dadurch geringem Strahlungsanteil (20 Prozent, in Abb. 6 "Plattenheizkörper 21" genannt) sowie um einen leichteren Heizkörper ohne Konvektorblech und damit hohem Strahlungsanteil (50 Prozent, in Abb. 6 "Plattenheizkörper 10" genannt).

Abbildung 6 veranschaulicht die Aufwandszahl in Abhängigkeit zur relativen Heizlast für die vier Heizsystemvarianten ohne Wärmerückgewinnung im Modellraum. Die bauphysikalischen Eigenschaften (Dämmung, Bauschwere etc.) entsprechen der EnEV 2002.

Die Plattenheizkörpersysteme mit Thermostatventil weisen die höchsten Aufwandswerte auf, sie liegen um etwa 30 Prozent höher als bei den Plattenheizkörpersystemen mit PI-Regler. Bei allen Heizsystemen ohne Wärmerückgewinnung liegt die Aufwandszahl jedoch über 1,0.

Energieaufwand bei maschineller Wohnungslüftung  mit Wärmerückgewinnung

Es werden zwei Wärmerückgewinner, wie sie in Wohnungslüftungsgeräten eingesetzt werden, betrachtet. Diese haben unterschiedliche Aufwärmzahlen (Rückgewinnungsgrade), um auch die Güte der Wärmerückgewinnung mit einzubeziehen:

Wärmerückgewinner 1 in den Varianten 1A (mit PI-Regler unstetig) und 1B (mit Thermostatventil) und einer Aufwärmzahl von 0,8. Dies bedeutet, dass 80 Prozent der Energie in der Abluft auf die Außenluft übertragen wird (vgl. Abb. 7).Wärmerückgewinner 2 in den Varianten 2A (mit PI-Regler unstetig) und  2B (mit Thermostatventil) und einer Aufwärmzahl von 0,6 (vgl. Abb. 8).

In beiden Fällen wird deutlich, dass im Gegensatz zum Verlauf ohne Wärmerückgewinner die Aufwandszahlen mit sinkenden relativen Heizlasten abnehmen. Bei niedrigen Energiebedarfswerten wird der Energieaufwand bereits durch die Wärmerückgewinnung allein gedeckt und es entfallen Heizintervalle.

Erst bei sehr geringen Heizlasten und konstant bleibender Zahl von Heizintervallen überwiegen Einflüsse durch thermische Trägheit und Regelabweichung und die Aufwandszahlen steigen an.

Erwartungsgemäß führt der Plattenheizkörper mit PI-Regler (Varianten 1A und 2A) die Heizlasten besser ab. Diese Kombination ist flink, denn sie besitzt die geringste Masse und kann deshalb schneller den Anforderungen nachkommen, schneller Aufheizen, aber auch Abkühlen, wenn die geforderte Temperatur erreicht ist. Verstärkt wird diese Eigenschaft durch den PI-Regler, der keine bleibende Regelabweichung hat, was charakteristisch für P-Regler ist.

Die Aufwandszahlen sind deshalb über den gesamten Bereich der relativen Heizlasten kleiner als beim P-Regler, das heißt, den Thermostatventilen (Variante 1B und 2B). Bei den Varianten mit der Aufwärmzahl von durchschnittlich 0,8 tendieren die Aufwandszahlen nahezu gegen Null. Maschinelle Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung führt hier nicht nur die Stoff- und Feuchtelasten ab, sondern gleichzeitig den größeren Teil der konvektiven Wärmelast.

Werden Heizsysteme mit einer maschinellen Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung kombiniert, verringert sich der jährliche Heizenergieaufwand beträchtlich, die Aufwandszahlen nehmen Werte kleiner 1 an.

Mit sinkenden Heizlasten fallen auch die Aufwandszahlen, weil sich der niedrige Energieaufwand oft bereits durch die Wärmerückgewinnung decken lässt. Damit entfallen Heizintervalle. Nur bei sehr geringen Heizlasten und konstant bleibender Zahl von Heizintervallen überwiegen Einflüsse durch thermische Trägheit und Regelabweichung und die Aufwandszahlen steigen an.

Im Raummodell weisen die Systeme mit Thermostatventilregelung die höchsten Aufwandszahlen auf. Sie liegen etwa 30 Prozent über denen des Plattenheizkörpers ohne Konvektorblech und PI-Regler. Anhand des geringeren konvektiven Energieaufwands wird deutlich, dass die taktende Arbeitsweise des PI-Reglers besser geeignet ist, die gewünschte Raumlufttemperatur zu erlangen, als die kontinuierliche Arbeitsweise des Thermostatventils (P-Regler).

Fazit

Die konvektiven Lasten in einem Raum nach EnEV 2002-Baustandard werden fast vollständig von der maschinellen Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung abgeführt. Sie helfen nicht nur dabei, die Stoff- und Feuchtelasten abzuführen, sondern tragen gleichzeitig den größeren Teil der konvektiven Wärmelast.

Die von Buderus entwickelten Geräte zur Wohnungslüftung haben einen Wärmerückgewinnungsgrad von mindestens 80 Prozent. Heizsysteme mit Wärmerückgewinnung sind also nicht nur für Gesundheits- und Bauschutz essentiell, sondern auch aus energetischer Sicht sinnvoll, denn sie sparen zudem noch Energiekosten. Als Systemanbieter hat Buderus die erforderlichen Einzelkomponenten im Sortiment, die optimal aufeinander abgestimmt sind und die Heizungsanlage komplettieren.