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Lüftungslösungen – kostengünstig und kompakt?

Neues aus der Forschung

von Gabriel Rojas, Fabian Ochs, Rainer Pfluger, Elisabeth Sibille, Christoph Speer

Der Einsatz einer kontrollierten Lüftung in energieeffizienten Gebäuden ist weitgehend unbestritten, bislang mangelt es allerdings noch häufig an hocheffizienten und gleichzeitig kostengünstigen und wartungsarmen Systemen. Der Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck forscht intensiv an kompakten low-cost Lüftungslösungen.

Einleitung

Lüftungslösungen sollten eine gute Raumluftqualität bieten und den Komfort erhöhen. Aber für die breite Umsetzung und Akzeptanz müssen die Systeme noch kostengünstiger und platzsparender werden. Konventionelle Lösungen, zentral- oder dezentral, sind meist zu teuer in Investition und/oder im Betrieb. Bei zentralen Anlagen macht sich oft das späte Einbinden der Lüftungsplanung negativ bei den Kosten bemerkbar, z.B. aufgrund wartungsintensiver Brandschutzlösungen oder unzureichenden Kanalquerschnitte. Der oft genannte „integrale Planungsansatz“ ist hier sicherlich ein wichtiger Schlüssel zum Erfolg. Bei dezentralen Konzepten fehlt es häufig an geeigneten Geräten die eine hohe Raumluftqualität und Komfort (auch Schall) mit wenig Platzbedarf und niedrigen Investitionskosten vereinen können. Die Herausforderungen für Neubau oder Sanierung sind oft unterschiedlich, neue Lösungen und Lösungsansätze sind gefragt. Der Arbeitsbereich Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck forscht engagiert an diesen Themen. Dieser Beitrag gibt einen kurzen Überblick über aktuelle Forschungsprojekte mit dem Schwerpunkt kostengünstige und kompakte Lüftungslösungen.

Abbildung 1: Konzeptskizze mit Positionierung der mechatronischen Komponenten eines neuentwickelten dezentralen Lüftungssystems [1]

Lösungen für eine kostengünstige Lüftungsanlage

Volumenstromregler

Die Aufgaben von Volumenstromreglern bei Zentralanlagen im Geschosswohnungsbau liegen im Balanceabgleich (Zuluftvolumenstrom = Abluftvolumenstrom) der jeweiligen Wohneinheit sowie in der Möglichkeit der Volumenstromanpassung an den Bedarf. Letzteres kann von einer manuellen Einstellung bis hin zu einer sensorgesteuerten (CO2-Steuerung) Bedarfslüftung reichen. Marktgängige Volumenstromregler mit motorischen Klappen und elektronischer Ansteuerung liegen je nach Hersteller und Ausstattung bei Investitionskosten um 1000 €. Diese verfügen i. A. über eine Volumenstrommessung jeweils in der Abluft und Zuluft mittels Druckdifferenzmessung und stellen den Sollvolumenstrom mittels Motorklappe ein. Aus energetischer Sicht ist dabei ein Balanceabgleich mit einer maximalen Abweichung von +/- 10% anzustreben, bei Überschreitung wirkt sich der dabei entstehende Über- bzw. Unterdruck signifikant auf die Lüftungswärmeverluste der Wohneinheit aus. Aus Kostengründen stellt sich die Frage, ob sich diese Aufgaben auch mit geringerem technischen Aufwand lösen lassen. Sogenannte Zwillingsvolumenstromregler mit nur einem Motor und gekoppelter Achse reduzieren die Kosten bereits beträchtlich, weisen jedoch Einschränkungen bezüglich der möglichen Kanalnetzvarianten auf. Passive Volumenstromregler funktionieren ohne motorische Ansteuerung rein auf Basis von strömungsmechanischen Prinzipien und sind sowohl als Fixvolumenstromregler als auch in einstellbaren Ausführungen verfügbar. Letztere sind notwendig um zumindest das Volumenstromniveau auf die tatsächliche Belegungsdichte anpassen zu können. Je nach Hersteller weisen diese jedoch Abweichungen bis zu +/- 20 % aufgrund von Fertigungstoleranzen auf. Werden diese paarweise auf eine gemeinsame Achse montiert, kann der Balanceabgleich durch Verdrehen der Klappenstellung voreingestellt werden. Im EU-Projekt Sinfonia [2] wird im Bereich der Sanierung ein vereinfachtes und wartungsarmes low-tech System erprobt und umgesetzt, die Universität Innsbruck berät dabei die HaustechnikplanerInnen in der technischen Umsetzung. Auch der Frage des richtigen Zuluftvolumenstroms aus gesundheitlicher Sicht wird aktiv nachgegangen. So wurde das bekannte Dilemma zwischen hoher Raumluftqualität und zu trockener Luft im Winter mit Hilfe zahlreicher Computersimulationen systematisch beleuchtet [3]. Im Sinne eines Low-Tech-Ansatzes, wurde außerdem ein Pauschalvolumenstrom identifiziert, welcher einen guten Kompromiss zwischen Feuchte und Raumluftqualität, für unterschiedliche Belegungssituationen bietet [4]. Erkenntnisse aus diesen Arbeiten flossen bei der Erarbeitung der neuen ÖNORM H 6038-2014 mit ein.

Frostschutz

Bei hocheffizienten Lüftungsanlagen mit Gegenstrom-Wärmeüberträger ohne Feuchterückgewinnung kommt es bei geringen Außenlufttemperaturen zur Kondensatbildung im Fortluftbereich des Wärmeübertragers, welches in weiterer Folge zu Frostansatz führt. Bei zentralen Anlagen in Mehrfamilienhäusern wird häufig mit hydraulischen Vorheizregistern gearbeitet, welche die Heizwärme mittels Solekreis und Plattenwärmeübertrager anbinden. Um hohe Investitions- (Pumpe, Ausdehnungsgefäß, Rückschlagklappe etc.), Betriebs- und Wartungskosten zu vermeiden, kann das Heatpipe- (auch Thermosiphon) Prinzip angewendet werden. Im Fall einer Heatpipe wird ein Kältemittel (z.B. Ammoniak oder reines Wasser bei geringem Druck) eingesetzt, welches durch Erwärmung durch das Heizmedium verdampft und die Kondensationswärme an den Außenluftstrom über den berippten Kondensator abgibt. Da die Heatpipe hermetisch geschlossen ist und über keine beweglichen Teile verfügt ist das System wartungsfrei und benötigt keine Hilfsenergie. Dieses System wurde im Projekt low_vent.com [5] entwickelt und am Laborprüfstand an einem Prototyp erprobt.

Koaxialrohr

Die Nutzung eines Koaxialrohres zur Ansaugung der Außenluft [6] strebt eine Verminderung der Kosten und des Platzbedarfs an, insbesondere bei der Sanierung von Wohngebäuden. Normalerweise müssen zwei Kernlöcher gebohrt werden und es sind zwei verschiedene Rohre, so wie jeweils ein Ein- und Auslass notwendig. Bei der Entwicklung standen die Vorfertigbarkeit und die Vermeidung eines Strömungskurzschlusses im Vordergrund [7]. Die Abluft sollte nicht durch das Zuluft-Gitter wieder eingesaugt werden können. Das Kurzschlussrisiko wurde mit Hilfe einer Visualisierung mit Nebel und mit einer Tracer-Gas Messung für verschiedene Arten von Auslässen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Kurzschluss weniger als 1% beträgt. Außerdem wurde eine integrierte Frostschutzlösung entwickelt. Eine um das Außenrohr gewickelte Heizfolie (elektrisch versorgt und entsprechend geregelt) verhindert das Vereisen des Koaxialrohres (siehe Abbildung 2).

Abbildung 2: Prinzipskizze des Koaxialrohres (links). Nebelversuch zur Visualisierung des Kurzschlussrisikos (rechts). Quelle: UIBK [7]

Dachaufstellung

Die Integration des Lüftungsgerätes ist oft mit Kosten und aufwändiger Installation verbunden. Mit einer direkten Installation auf dem Dach kann der Platz im Keller oder im Technikraum gespart werden [8]. Das Gerät muss direkt über dem Zu- und Abluftschacht montiert werden, um die Verluste zu minimieren. Die warmen Teile des Gerätes bzw. der Leitungen gegen Außenluft müssen hoch effizient gedämmt werden. Abzweigungen müssen im warmen Bereich installiert werden. Für eine schnelle Installation kann das System schon vorgefertigt an die Baustelle geliefert werden (mit wetterfester Umhausung) und auf einen Sockel welcher vom Dachdecker bereits dicht an die wasserführende Ebene angeschlossen wurde, montiert werden. Dieses Prinzip wurde bereits im Wohnbauprojekt Vögelebichl (Neue Heimat Tirol) realisiert [5] (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3: Schematische Darstellung des Anschlusses des Lüftungsgerätes auf dem Dach, direkt über dem Luftschacht. Quelle: UIBK [8]

Kaskadenlüftung

Übliche Lüftungskonzepte für Wohnraumlüftungen basieren auf dem bewährten Prinzip der Kaskadenlüftung. In diesem Fall wird die Zuluft mittels Zuluftventilen in den Wohn-, Schlaf- oder Büroräumen eingebracht. Sie strömt dann z.B. über den Türspalt in den Flur oder Vorraum und wird in den Funktionsräumen (Bad, WC, Küche) abgeführt. Im Wohnzimmer kann je nach Grundriss der Wohnung auf das Zuluftventil verzichtet werden (erweiterte Kaskadenlüftung) um Investitions- sowie Betriebskosten (geringer Volumenstrom) zu reduzieren [9], [10].

Aktive Überströmer

Bei der Sanierung oder allgemein um Platz und Kosten zu sparen, können sogenannte aktive Überströmelemente eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Zuluft nur in eine Kernzone des Gebäudes, die als Frischluftreservoir genutzt wird (Wohnzimmer oder Flur), eingebracht. Durch kleine in der Wand oder in der Tür (schallgedämmt) eingebaute Ventilatoren (aktive Überströmelemente) wird die Luft aus dieser Mischluftzone in den Zimmern verteilt. Die verbrauchte Luft strömt dann z.B. über den Türspalt wieder in die Kernzone und wird wie üblich in den Funktionsräumen abgeführt. Diese Lösung wurde bereits in Sanierungs- sowie Neubau-Projekten installiert. Messungen und Simulationen zeigen, dass eine vergleichbare Luftqualität wie beim üblichen Zonierungskonzept durch eine Erhöhung des Gesamtvolumenstroms um etwa 30 % erreicht werden kann. Der gemessene Schallpegel von bereits am Markt erhältlichen Produkten lag unter 25 dB (Abbildung 4).

Abbildung 4: Schematische Darstellung der Funktionsweise von aktiven Überströmelementen. Quelle: UIBK

Kombilösungen und Lösungen für eine kompakte Integration

Wärmerückgewinnender Ventilator

Speziell in der Sanierung können Lüftungssysteme durch die Kombination von Ventilatoren und Wärmeübertrager in einer einzigen Komponente sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden. Derzeit am Markt verfügbare Geräte dieses Typs haben jedoch eine prinzipbedingte relativ geringe strömungsmechanische und thermische Effizienz. Durch ein neu entwickeltes Konzept, bei dem ein Querstromventilator beide Luftströme (Außen-/Zuluft und Ab-/Fortluft) erzeugt und dessen Schaufelblätter simultan für Wärmerückgewinnung sorgen, kann die Effizienz dieser Systeme erheblich verbessert werden. Im Rahmen des INTERREG-Projekts Vent4Reno wird dieses neuartige Konzept optimiert und das physikalische Potential anhand eines Funktionsmusters aufgezeigt (siehe Abbildung 5). Durch die Implementierung von Spülkammern und einem effizienten Balanceabgleichsystem wird der erforderliche Funktionsumfang sichergestellt und der Betrieb ohne Wärmerückgewinnung (Sommerbypass) ermöglicht. Da der Querstromventilator beide Luftströme erzeugt, kann an den Schaufelblättern anfallendes Kondensat vom zweiten Luftstrom sofort wieder aufgenommen und somit Feuchterückgewinnung in der kalten und trockenen Jahreszeit sichergestellt werden. Möglichst geringe Investitions- und Betriebskosten in Kombination mit hoher Effizienz und Kompaktheit eignen das System im Besonderen für den Einsatz in der Bestandssanierung mit der Möglichkeit zur Fassadenintegration. [11]

Abbildung 5: Konzeptskizze (links) und Visualisierung der Ergebnisse aus der Strömungssimulation (rechts) des neuentwickelten dezentralen Lüftungssystems [1].

Wandintegrierte Lüftung und Heizung

Ein weiteres Einsparpotential bietet, eine Gebäudehülle in Passivhausqualität vorausgesetzt, die Kombination von Luft- und Wärmeverteilsystem, also der Einsatz einer Luftheizung. Den oft geäußerten Bedenken bezüglich Behaglichkeitseinbußen wird derzeit im Rahmen des FFG-Projekts LUNA [12] speziell für den Standort Österreich nachgegangen. Die mögliche Kostenreduktion gegenüber einer Heizkörper- bzw. Fußbodenheizung wird darin ebenfalls quantifiziert.

Die Idee eines einfachen, kostengünstigen und kompakten Systems für Lüftung, Heizung und Kühlung sowie ggf. Warmwasser ist fast so alt wie die Idee des Passivhauses selbst. Eine Vielzahl sogenannter Kompaktgeräte ist in verschiedenen Ausführungen bereits am Markt erhältlich. Trotz ihres Namens sind diese in der Regel nicht sehr kompakt und sind oft raumhoch. Sehr kompakte Geräte nur für Lüftung, Heizung und Kühlung mit getrennter Warmwasserbereitung sind nicht verfügbar. Häufig verhindern die relativ hohen Schallemissionen eine beliebige Aufstellung oder eine Gebäude- bzw. Fassadenintegration. Im Rahmen des EU-Projekt iNSPiRe [13] werden u.a. HLK-Sanierungs-Systeme entwickelt und in Demo-Gebäuden getestet, sodass sie passend für eine Vielzahl verschiedenster Standorte in Europa ein Optimum an Innenraumkomfort und Luftqualität garantieren. So wird eine neuartige fassadenintegrierte Mikro-Wärmepumpe (µWP) durch die Universität Innsbruck und die Firma SIKO Solar entwickelt. Die Fortluft­-Luft-Wärmepumpe in Kombination mit einer mechanischen Lüftung mit Wärmerückgewinnung wird in einem vorgefertigten Holzrahmen-Fassadenelement der Fa. Gumpp & Maier integriert. Da die Wärmepumpe Teil einer kompakten Fassade des sanierten Gebäudes ist, ist sie signifikant kleiner als eine typische Wärmepumpe sowohl was die Größe als auch die Wärmeleistung betrifft (weniger als 30 cm dick und ungefähr 1kWth). Ein Funktionsmuster dieses Systems wird derzeit im Labor der Universität Innsbruck bezüglich energetischer Effizienz und bauphysikalischer Robustheit (inkl. der Schallschutzanforderungen) getestet (siehe Abbildung 6).

Abbildung 6: In die Holzfassade integrierte Mikro-Wärmepumpe im Test in einer PASSYS-Zelle an der Universität Innsbruck.

Umsetzungsprojekte

Die erwähnte, im Rahmen des EU-Projekt iNSPiRe [13] entwickelte, Heizungs- und Lüftungslösung wird voll integriert in einer neuartigen Fassade im Rahmen eines Demonstrationsprojektes in Ludwigsburg detailliert untersucht. Im Zuge des Forschungsprojektes low-vent.com [5] wurde die Planung der Lüftung im Wohnbauprojekt „Vögelebichl“ in Innsbruck begleitet. Vorschläge zur Optimierung der Lüftung und Kosteneinsparungen wurden eingebracht und teilweise umgesetzt. So wurde z.B. die Luftverteilung in den 4-Zimmer Wohnungen als erweiterte Kaskadenlüftung umgesetzt, und die zwei Lüftungsgeräte des nördlichen Gebäudes wurden direkt auf dem Dach nach dem oben beschriebenen Konzept installiert.

Im Rahmen des EU-Projektes SINFONIA [2] soll der Energiebedarf in Innsbruck und Bozen um 40 bis 50 % gesenkt und der Anteil regenerativer Quellen in der Strom- und Wärmeversorgung um 30% gestärkt werden. Allein in Innsbruck werden Wohnungen der Neuen Heimat Tirol und der Innsbrucker Immobilien-Gesellschaft mit insgesamt 66000 m² Wohnfläche saniert. Dabei wird nicht nur die thermische Gebäudehülle und die Luftdichtheit verbessert, sondern auch Komfortlüftung mit Wärmerückgewinnung nachgerüstet. Da es sich dabei oft, wie häufig im sozialen Wohnungsbau um sehr kleine Wohneinheiten (55 bis 65 m²) handelt, muss hier mit besonders platzsparenden Lösungen gearbeitet werden. Dabei werden praktisch alle in diesem Beitrag angesprochenen Maßnahmen in Betracht gezogen, von Maßnahmen zur Reduzierung der Zuluftkanäle und Deckenabhängungen, der erweiterten Kaskadenlüftung, bis hin zur aktiven Überströmung. Um die innovativen Lösungen vor der Umsetzung im gesamten Gebäude zu erproben, wird zunächst in einzelnen Musterwohnungen die Lüftungsinstallation exemplarisch umgesetzt.

Literaturverweise

  1. J. Zgaga, D. Lanthaler, C. Speer, and R. Pfluger, “Development of a decentralized and compact comfort ventilation system with highly efficient heat recovery for minimal invasive refurbishment of buildings,” in 35th AIVC Conference, 2014, pp. 648–654.
  2. "Sinfonia - Projekt Hompage." [Online]. Available: http://www.sinfonia-smartcities.eu/. [Accessed: 10-Jan-2015].
  3. G. Rojas, E. Sibille, and R. Pfluger, “Sensitivitätsanalyse zur Raumluftqualität mit Wohnraumlüftung,” in enova - Nachhaltige Gebäude, 2012, pp. 323–330.
  4. G. Rojas, R. Pfluger, and W. Feist, “Raumluftqualitätsbewertung nach multiplen Kriterien für die Optimierung von Lüftungssystemen,” in Umwelt, Gebäude & Gesundheit - Ergebnisse des 10. Fachkongresses, 2013, pp. 250–259.
  5. A. Knotzer, “Low_vent: Konzepte für die „low-tech“ Komfortlüftung in großvolumigen Wohngebäuden und deren Nutzungskomfort,” to be published - Endbericht, 2015. [Online]. Available: http://www.aee-intec.at/index.php?seitenName=projekteDetail&projekteId=148.
  6. R. Pfluger, W. Feist, and W. Hasper, “The use of coaxial ducts in ventilation systems,” Pollack Periodica, vol. 8, no. 1, pp. 89–96, 2013.
  7. E. Sibille, R. Pfluger, F. Gritzer, and A. Happach, “Entwicklung eines Koaxialrohres für die Außen- und Fortluftauslässe einer Lüftungsanalage mit innovativem Frostschutz,” in Tagungsband: 18. Int. Passivhaus-Tagung, 2014.
  8. E. Sibille and H. Malzer, “Auswirkung eines energiebewussten Planungsansatzes auf die Reduktion der Baukosten,” in to be published - Tagungsband: 19. Int. Passivhaus-Tagung, 2015.
  9. E. Sibille, G. Rojas, M. Rothbacher, R. Pfluger, H.K. Malzer, "Doppelnutzen - Komfort- und kostenoptimierte Luftführungskonzepte für energieeffiziente Wohnbauten", Endbericht 2013. [Online]. Available: http://www.hausderzukunft.at/publikationen/view.html/id1158. [10] E. Sibille, G. Rojas, and R. Pfluger, “Planungshinweise für komfort- und kostenoptimierte Luftführungskonzepte - Erweiterte Kaskadenlüftung,” 2013. [Online]. Available: http://www.passipedia.de/passipedia_de/planung/tools.
  10. C. Speer, R. Pfluger, W. Feist, J. Zgaga, and D. Lanthaler, “Entwicklung eines dezentralen kompakten Lüftungssystems für den Einsatz in der minimalinvasiven Gebäudesanierung,” Bauphysik, vol. 36, no. 5, pp. 236–242, Oct. 2014.
  11. G. Rojas, R. Pfluger, A. Greml, and M. Spörk-Dür, “LUNA: Lüften und Heizen in Passivhäusern - Variantenvergleich auf Basis von Behaglichkeit und Nachhaltigkeit,” to be published - Endbericht, 2015. [Online]. Available: http://www.hausderzukunft.at/results.html/id7356.
  12. V. R. Fedrizzi, F. Ochs, and R. Weitlaner, “iNSPiRe - „Inspirierende“ Gebäudesanierung auf Europa-Level,” erneuerbare energie – Zeitschrift für eine nachhaltige Energiezukunft, vol. 2, pp. 29–32, 2014.

 

Personenbeschreibung der AutorInnen:

Mag. Gabriel Rojas ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des AB Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck ( This e-mail address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. ).

Dr. Fabian Ochs ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des AB Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck.

Assoz. Prof. Dr. Ing. Rainer Pfluger ist in Forschung und Lehre im Bereich Bauphysik und Gebäudetechnik des AB Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck tätig.

Elisabeth Sibille, MSc. ist wissenschaftliche Mitarbeiterin des AB Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck.

Christoph Speer, MSc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des AB Energieeffizientes Bauen der Universität Innsbruck

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