HYBRIDE LÜFTUNGSTECHNIK FÜR SCHULGEBÄUDE DEZENTRALE LÜFTUNGSTECHNIK. Dipl.-Ing. Inga Eggers, Dipl.-Ing. Peter Matthes, Prof. Dr.-Ing.

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1 HYBRIDE LÜFTUNGSTECHNIK FÜR SCHULGEBÄUDE DEZENTRALE LÜFTUNGSTECHNIK Dipl.-Ing. Inga Eggers, Dipl.-Ing. Peter Matthes, Prof. Dr.-Ing. Dirk Müller Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik E.ON Energy Research Center RWTH Aachen University Mathieustr. 6, Aachen Kurzfassung Die Leistungsfähigkeit von Schülern ist abhängig von der thermischen Behaglichkeit und der Luftqualität. Viele Unterrichtsräume werden ausschließlich über die Fenster mit Außenluft versorgt, wodurch vor allem die Luftqualität oft unzureichend ist. Denn die Fensterlüftung ist unter vielen Umgebungsbedingungen nicht in der Lage, einen für eine gute Luftqualität ausreichend hohen Volumenstrom unter Einhaltung der thermischen Behaglichkeit bereitzustellen. Die hybride Lüftungstechnik für Unterrichtsräume verbindet die Fensterlüftung mit einer maschinellen Lüftung und kombiniert so die energetischen Vorteile einer natürlichen Lüftung im Sommer mit der Leistungsfähigkeit einer maschinellen Lüftung im Winter. Durch die von den Umgebungsbedingungen unabhängige maschinelle Lüftung ist die hybride Lüftungstechnik in der Lage für einen ausreichenden Außenluftvolumenstrom unter Berücksichtigung der thermischen Behaglichkeit bei beliebigen Umgebungszuständen zu sorgen. In einem Feldversuch in einer Berliner Schule wird diese neu entwickelte hybride Fassade getestet. Alle Lüftungskomponenten sind in einem Fassadenelement untergebracht, da diese Lüftungstechnik speziell für die Renovierung von Schulen entwickelt wurde. Als Lüftungsart kommt dabei die dezentrale Lüftung zum Einsatz. Messergebnisse der Luftqualität, der thermischen Behaglichkeit und des Energieverbrauchs sowie Erfahrungen aus dem Feldversuch werden vorgestellt. Stichwörter: Schullüftung, freie Lüftung, hybride Lüftung, dynamische Simulation, Wärmebereitstellungsgrad

2 1 Einleitung Unterrichtsräume werden heutzutage immer noch häufig über Fenster mit Außenluft versorgt. Die Fensterlüftung ist jedoch unter vielen Umgebungsbedingungen nicht in der Lage, einen für eine gute Luftqualität ausreichend hohen Volumenstrom unter Einhaltung der thermischen Behaglichkeit bereitzustellen. Dabei haben thermische Behaglichkeit und die Luftqualität einen direkten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Schülern. Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein System entwickelt werden, dass für die Sanierung von Schulen eingesetzt werden kann. Dabei ist es möglich eine komplette Fassade durch das neu entwickelte System zu ersetzen. Alle Komponenten der Lüftungstechnik sind dabei in den Fassadenelementen integriert. 2. Aufbau des hybriden Lüftungssystems Die hybride Lüftungstechnik verbindet zwei Funktionsweisen der Lüftung miteinander. Es werden maschinelle und natürliche Antriebskräfte für den Luftaustausch verwendet. Alle Elemente des hybriden Lüftungssystems werden in einem Fassadenelement untergebracht, das für die Sanierung einer Schulfassade geeignet ist. Dabei besteht ein Fassadenelement aus zwei motorisch ansteuerbaren Fenstern und einem maschinellen Lüftungsgerät, das sich im Brüstungsbereich des Fassadenelementes befindet. Das Lüftungsgerät beinhaltet eine Wärmerückgewinnung, eine Luftförderungseinheit, einen Wärmeübertrager zum Heizen im Winter sowie zum Kühlen im Sommer, Filter und Sensoren zur Regelung des Raumluftklimas und zur Überwachung des Gerätes. Eine Adapterplatte bietet die Möglichkeit, das Lüftungsgerät in Fassadenelemente unterschiedlicher Geometrien zu integrieren. Ein Wetterschutzgitter schützt das Lüftungsgerät vor Witterungseinflüssen und bietet eine einheitliche Ansicht aller Fassadenelemente von außen.

3 3. Experimentelle Untersuchungen In diesem Bericht werden Messungen im Feldversuch der hybriden Lüftung vorgestellt. Zuvor gemachte Untersuchungen zur reinen natürlichen Lüftung an einem Laborprüfstand wurden unter anderem auf der DKV-Tagung im Jahr 2008 vorgestellt [4]. 3.1 Feldversuch der hybriden Lüftungstechnik Das vorgestellte fassadenintegrierte hybride Lüftungssystem wird in einem in Situ Test in einer Berliner Schule getestet. Dafür wurde die komplette Fassade eines Unterrichtsraumes entfernt und durch das neu entwickelte Fassadensystem ersetzt. Abb. 1: Innenansicht des Unterrichtsraumes mit hybrider Fassade Abbildung 1 zeigt diesen Testraum mit den maschinellen Lüftungsgeräten und den motorisch ansteuerbaren Fenstern. Im Raum werden während des Feldtests kontinuierlich die Raumlufttemperaturen und die CO 2 -Konzentrationen gemessen. Die Raumlufttemperaturen werden an drei Messbäumen über fünf Höhen (0,1 m, 0,6 m, 1,1 m, 1,7 m und 2,6 m) aufgenommen. Die CO 2 - Konzentrationen werden in der Mitte des Raumes auf einer Höhe von 1,1 m gemessen. Um einen Vergleich der neu entwickelten Fassade mit der Standardfassade erstellen zu können, werden in einem direkt angrenzenden Raum dieselben Messwerte aufgenommen (siehe Abb. 2). Es bestehen für beide Räume dieselben Außenluftbedingungen. Zusätzlich zu den Messwerten innerhalb der Unterrichtsräume werden Parameter in den Lüftungsgeräten aufgenommen. Jedes Lüftungsgerät beinhaltet im Feldversuch vier Lufttemperatur- und -feuchtigkeitssensoren und einen Raumluftqualitätssensor. Es werden die Drücke über die Filter bestimmt, der Druck über der Fassade sowie die zum Volumenstrom äquivalente Druckdifferenz.

4 Abb. 2: Vergleichsräume und Sensoren im Feldversuch Ein TouchPanel im Eingangsbereich des Unterrichtsraumes gibt den Nutzern des Raumes die Möglichkeit, das Raumklima nach ihren Wünschen anzupassen. Es können die Temperatur sowie der Volumenstrom eingestellt werden und die Fenstergruppen können einzeln geöffnet bzw. geschlossen werden. Neben den kontinuierlichen Messungen der CO 2 -Konzentration und der Lufttemperaturen wird in einzelnen Wochen die Luftgeschwindigkeit ermittelt. Dies kann aus organisatorischen Gründen nur in dem Raum mit der hybriden Fassade geschehen. Neben den messtechnischen Ergebnissen wurde in einer der Oktoberwochen ein Fragebogen an alle Schüler der beiden Räume verteilt. Insgesamt wurden im Standardraum 58 Personen an drei Tagen, im Raum mit der hybriden Fassade 79 Personen an vier Tagen befragt. Bewertet wurden verschiedene Parameter wie Temperatur, Luftgeschwindigkeit, Akustik, Luftqualität und Tageslicht als globale Größen und der Parameter Temperatur als lokale Größe. In der Auswertung wurden die Räume in sechs verschiedene Zonen unterteilt.

5 3.2 Regelung der hybriden Lüftung Um den für Unterrichtsräume erforderlichen Luftvolumenstrom zu erreichen, kombiniert das hybride Lüftungssystem die natürliche Lüftung mit der maschinellen über ein entsprechendes Regelungssystem. Dieses regelt den Luftvolumenstrom und die Wärmemenge in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsparametern. Die Parameter Innen- und Außenlufttemperatur sowie die Druckdifferenz über die Fassade werden genutzt, um den natürlichen Luftvolumenstrom zu berechen. Die CO 2 -Konzentration gibt Auskunft über die Höhe des Frischluftvolumenstroms. Anhand dieser Informationen wird von der Regelung ein natürlicher Luftvolumenstrom berechnet, der thermisch behaglich ist, der Rest des erforderlichen Luftvolumenstroms wird von der maschinellen Lüftung bereitgestellt. Ebenso wird die Wärmemenge berechnet. Im Regelungskonzept der hybriden Lüftung sind die Betriebsmodi abhängig von der Tageszeit und der Belegung. Während der Zeit, in der die Räume genutzt werden, liegt die Priorität auf dem thermischen Komfort sowie auf der Luftqualität. Sind die Räume nicht belegt, steht die Reduzierung des Energiebedarfs unter Einhaltung bauphysikalisch sinnvoller Zustände im Vordergrund. Vor Beginn des Unterrichts wird die Raumluft vollständig ausgetauscht und der Raum, wenn nötig, auf eine thermisch behagliche Temperatur temperiert. Die Regelung des Lüftungsgerätes ist stufenlos und bedarfsgerecht. Eine bedarfsgerechte Regelung in Unterrichtsräumen ist besonders wichtig, da diese aufgrund von Wochenend- und Ferienzeiten nur etwa 16 % des gesamten Jahres genutzt werden. Diese Berechnung gilt für vollständige Belegung an allen Unterrichtstagen eines Jahres im Zeitraum von 8 Uhr bis 15 Uhr. 3.3 Ergebnisse Als Ergebnisse der Messungen im Feldversuch sind Histogramme der Temperatur und der CO 2 -Konzentration dargestellt. Gezeigt werden die Daten aus dem Monat Oktober. In diesem Monat fanden aufgrund von Ferienzeiten 48 Unterrichtsblöcke zu je 90 Minuten statt. Unterrichtsblöcke, in denen die Räume nur zeitweise oder gar nicht belegt sind, sind auch in die Auswertung mit aufgenommen. Abbildung 3 zeigt die mittleren Temperaturen auf einer Höhe von 0,6 m während der Unterrichtsblöcke. Es wurde von den drei Sensoren auf 0,6 m Höhe ein Mittelwert gebildet. Die Temperaturen im Raum mit der Standardfassade liegen im Bereicht zwischen 22 C und 30 C und sind damit deutlich höher als die Temperaturen im Raum mit der hybriden Fassade mit Werten zwischen 20 C und 25 C. Eine Temperatur zwischen 20 C und 26 C für Klassenräume ist nach den Vorgaben der DIN EN der empfohlene Wert für die Auslegung [1].

6 Abb. 3: Vergleich der mittleren Temperatur während der Unterrichtsblöcke im Oktober. links: Standardfassade, rechts: hybride Fassade Eine niedrigere Temperatur bedeutet sowohl bessere Leistungsfähigkeit der Schüler als auch einen niedrigeren Energieverbrauch für die Erwärmung der Luft. Im Bezug auf den Energieverbrauch ist zu beachten, dass über die hybride Fassade mehr Außenluft in den Raum eingebracht wird. Abb. 4: Vergleich der mittleren CO 2 -Konzentration während der Unterrichtsblöcke im Oktober. links: Standardfassade, rechts: hybride Fassade Auch bei den CO 2 -Konzentrationen zeigen die Messungen für den Raum mit der hybriden Fassade eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Standardraum. In den Normen DIN EN [1] und DIN EN [3] ist für die Kategorie II eine CO 2 -Konzentration von unter 1000 ppm angegeben. Abbildung 4

7 zeigt die Histogramme aller Unterrichtsblöcke á 90 Minuten im Oktober. Dabei wird diese Kategorie im Standardraum in 56 % der Blöcke erreicht, im Raum mit der hybriden Fassade in 67 % der Blöcke. Um niedrigere CO 2 -Konzentrationen im Raum mit der hybriden Fassade zu erreichen, muss der Frischluftvolumenstrom erhöht werden. Dies wird zu Zeit aufgrund der damit verbundenen Einschränkungen in der Akustik nicht gemacht. Die Geschwindigkeiten, die in einem Abstand von etwa 40 cm vor den Lüftungsgeräten gemessen wurden, sind während der gemessenen Woche so niedrig, dass die Zugluftrate während der Unterrichtszeit konstant unterhalb von 20 % liegt. Die Kategorie B der DIN EN ISO 7730 [2] wird eingehalten. Abb. 5: Geschwindigkeiten und Draught Rating in einer Entfernung von 0.4 m vom Lüftungsgerät in unterschiedlichen Höhen Abbildung 5 zeigt die Geschwindigkeiten und das Draught Rating während eines Unterrichtsblockes. Die Messwerte wurden in einer Entfernung von 40 cm vor dem Lüftungsgerät aufgenommen. In der Zeit zwischen 8:00 und 8:30 wird der Volumenstrom auf einen Wert von 250 m³/h erhöht, dieser Wert bleibt für die restliche Zeit des Unterrichtsblocks konstant. Die Fenster sind geschlossen. Die Auswertung der Fragebögen hat gezeigt, dass der Standardraum gegenüber dem Raum mit der hybriden Lüftungstechnik schlechter bewertet wurde. Die Antworten auf die Fragen nach dem thermischen Empfinden und dem thermischen Komfort machen deutlich, dass die Temperatur im Raum mit der hybriden Fassade als neutral empfunden wurde und nur in einer Zone am Fenster der Wunsch nach einer höheren Temperatur besteht. In dem Raum mit der Standardfassade dagegen wird die Temperatur in der Hälfte des Raumes

8 als etwas zu warm empfunden und vor allem in den Zonen an der Wand besteht der Wunsch nach einer niedrigeren Temperatur. Die Luftbewegung wurde im Standardraum mit -1,4 auf einer Skala von zu gering bis zu stark (-3 bis +3) als gering eingestuft, im Raum mit der hybriden Fassade trotz der Lüftungsgeräte im Raum ebenfalls mit 0,8 als gering. Die Akustik konnte als schlecht, einigermaßen oder gut bewertet werden. In beiden Räumen wird diese im Mittel mit einigermaßen bewertet. In dem Raum mit den Lüftungsgeräten als zusätzliche Geräuschquelle ist jedoch der Prozentsatz der die Akustik als gut bewertenden Schüler mit 38 % deutlich höher als der im Standardraum mit 21 %. Auf die Frage, was im Klassenraum generell verbessert werden sollte, sind die Antworten in beiden Räumen ähnlich (Abbildung 6). In beiden Räumen wird ein besserer Sitzkomfort von fast jedem dritten Schüler als Wunsch genannt, an zweiter Stelle steht in beiden Räumen die Verbesserung der Luftqualität. Auch die gesamte Temperatur und die Luftbewegung werden in beiden Räumen von etwa 7 % der Schüler als verbesserungswürdig eingestuft. 3.4 Schlussfolgerungen Sowohl die Messergebnisse als auch die Ergebnisse der Fragebögen zeigen eine deutliche Verbesserung durch das hybride Lüftungssystem. Die erhöhten CO 2 -Konzentrationen entstehen durch einen zu geringen Frischluftvolumenstrom. Die Befragung der Schüler zur Akustik und zum Zugempfinden zeigen aber, dass der maschinell eingebrachte Volumenstrom ohne eine Einschränkung der Behaglichkeit noch weiter erhöht werden kann. Im weiteren Verlauf des Projektes wird ein Energiekonzept für die hybride Lüftungstechnik entwickelt werden und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse vorgenommen werden. 4. Numerische Untersuchungen 4.1 Einsatzbereich natürliche Lüftung Um eine Abschätzung über die Nutzbarkeit von natürlicher Lüftung zu erhalten wurde eine Simulation einer einfachen Fensterlüftung und einer hybriden Lüftungsvariante durchgeführt. Der Antrieb für den natürlichen Luftaustausch bei Fensterlüftung mit automatisierten Kippfenstern ist die Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenlufttemperatur. Der Einfluss der Gebäudeumströmung kann in dem vorliegenden Modell nicht betrachtet werden. Die Fensterstellungen sind durch eine Automatik stufenlos einstellbar, so dass sich möglichst ein Volumenstrom einstellt, mit dem CO 2 -Werte entsprechend Komfortkategorie III aus DIN EN [1] (1200 ppm) nicht überschritten werden. Die Volumenströme sind durch die maximale Öffnungsweite der Fenster

9 begrenzt. Zusätzlich eingeschränkt wird die Fensterlüftung dadurch, dass bei Außenlufttemperaturen kleiner 6 C, bei Innenraumtemperaturen kleiner 18 C, bei Nichtbelegung und bei Regen die Fenster nicht mehr genutzt werden dürfen. Die Beheizung des Klassenraumes erfolgt durch standardmäßige Radiatoren, die eine begrenzte Heizleistung und eine gewisse Trägheit besitzen. Der Simulationszeitraum umfasste eine Heizperiode von 204 Tagen. Dementsprechend ergibt sich die in Abbildung 6 gezeigte zeitliche Verteilung für natürliche Lüftung in der die nicht schraffierte Fläche den zeitlichen Anteil darstellt in dem sich keine Personen im Raum befinden also die Nächte, Pausen und Wochenenden. Dieser Anteil, in dem die Fenster immer geschlossen sind, umfasst 82 % der Gesamtzeit. Folglich stellen die schraffierten Flächen den Belegungszeitraum dar, in dem die Zeit in der natürliche Lüftung möglich ist, durch die vertikale Schraffierung markiert ist. Dieser Anteil macht nur etwa 32 % der belegten Zeit aus und ca. 6 % der Gesamtzeit. Mit einem rein natürlichen Lüftungssystem, könnte in der Heizperiode also nur etwa ein Drittel der Zeit gelüftet werden h; 82% 280 h; 6% 606 h; 12% nicht belegt belegt m. Fensterlüftung belegt ohne Lüftung Abb. 6: Anteil der Zeit zu der natürliche Lüftung möglich ist 100% 80% 60% 40% 20% 0% Hybride Lüftung Fenster maschinell Abb. 7: Deckungsgrad der natürlichen Lüftung Betrachtet man nicht nur die mögliche Öffnungszeit der Fenster, sondern bestimmt die während der Belegungszeit zugeführte Frischluftmenge, so ergibt sich eine Verteilung wie in Abbildung 7. Die zugeführte Frischluftmenge, die auch einen Grundluftwechsel durch Undichtigkeiten beinhaltet, kann den Frischluftbedarf zu 42 % decken. Im Falle eines hybriden Lüftungssystems kann der Fehlbetrag durch die maschinelle Lüftung gedeckt werden. Will man den Grundluftwechsel nicht berücksichtigen (luftdichter Raum) und nur die tatsächlich bei geöffneten Fenstern zugeführte Luftmenge betrachten, so ergibt sich in der Simulation ein tatsächlicher Deckungsgrad von nur 26 %. Im Übrigen ist es auch bei geöffneten Fenstern nicht immer möglich den notwendigen Volumenstrom bereitzustellen, da nicht immer ein genügend großes Temperaturgefälle vorhanden ist. Die hier dargestellte Untersuchung kann nur eine grobe Abschätzung sein, dadurch Wind induzierter Luftwechsel und Gebäudedurchströmung nicht betrachtet wurden und vereinfachte Annahmen zur Regelung der Fenster getroffen

10 werden mussten. Jedoch lässt sich zweifelsfrei erkennen, dass reine natürliche Lüftung nur sehr begrenztes Potential zur Aufrechterhaltung einer annehmbaren Luftqualität bieten kann. Eine Kombination von natürlicher und maschineller Lüftung verspricht demgegenüber die Vorteile beider Methoden zu vereinen und so durchgängig eine gute Luftqualität bereitstellen zu können. 4.2 Wärmebereitstellungsgrad Zur Bereitstellung eines behaglichen Innenraumklimas ist neben der Frischluftversorgung eine ausreichende Heizung und Kühlung notwendig, um die Raumtemperatur in vorgegebenen Grenzen halten zu können. Durch die hohe Personenzahl in Schulräumen ergibt sich ganzjährig eine hohe interne Wärmelast, die bereits einen großen Teil des Wärmebedarfes abdecken kann. So ist zu erwarten, dass sich neben der Reduzierung der Heizlast im Winter bereits in der Übergangszeit ein Kühlbedarf einstellt. Zusätzlich ergeben sich häufig große solare Wärmegewinne aufgrund der vorzugsweisen Südausrichtung und dem großen Fensterflächenanteil von Schulgebäuden. Für die Analyse des Lüftungsenergiebedarfes des hybriden Lüftungssystems ist daher eine ganzjährige Betrachtung notwendig, um neben dem Heizenergiebedarf ebenso den Kühlenergiebedarf zu berücksichtigen. Beide Größen werden bei einem maschinellen Lüftungssystem stark von dem Wärmerückgewinnungssystem beeinflusst. Im Winter ist in der Regel ein hoher Grad der Wärmerückgewinnung wünschenswert, um eine Energieeinsparung zu erzielen. Das gilt ebenso für den Hochsommer wenn die Außenlufttemperaturen über der Raumtemperatur liegen. Hingegen ist in der Übergangszeit eine geringe Wärmerückgewinnung von Vorteil, um das volle Kühlpotential der Außenluft ausnutzen zu können. Bei größeren Lüftungsgeräten findet sich in der Regel eine Bypassschaltung, die es erlaubt Außenluft am Wärmetauscher vorbei zu leiten und so die Wärmerückgewinnung nach Bedarf zu verringern. In dem hier vorgestellten hybriden Konzept hat das Lüftungsgerät keine Bypassschaltung, da eine möglichst wartungsarme Konstruktion gefunden werden musste, die nur ein Mindestmaß an beweglichen mechanischen Komponenten enthält. Darüber hinaus kann durch den Verzicht auf einen Bypass die Baugröße des Gerätes verringert werden ein wichtiger Aspekt bei der Geräteentwicklung. Demnach sollte untersucht werden, wie groß ein günstiger Wert für den Wärmerückgewinn durch das Gerät sein muss. Ein Maß für den Wärmerückgewinn in einem Lüftungsgerät ist der Wärmerückgewinnungsgrad, der die Enthalpieerhöhung der Außenluft gegenüber der maximalen Enthalpiedifferenz am Wärmeaustauscher angibt. Allerdings ist in dieser Betrachtung nicht die zusätzliche Abwärme, die durch den Ventilator und durch Reibung entsteht, enthalten. Die Definition des Wärmebereitstellungsgrades umfasst neben der von der Abluft an die Zuluft übergehende Wärme auch die zusätzliche vom Ventilator abgegebene Energie.

11 In der vorliegenden dynamischen Simulation wurde entsprechend Bild 8 ein idealisiertes Lüftungsgerät mit der Ventilatoreinheit und einem Wärmeaustauscher betrachtet. Durch Vorgabe eines konstanten Wärmebereitstellungsgrades werden die Energieflüsse im Gerät festgelegt. Kondensation der feuchten Luft kann mit der derzeitig verwendeten Wärmetauschermodellen nicht abgebildet werden. Abb. 8: Schematischer Simulationsaufbau Ein idealer Erhitzer und Kühler im Raummodell sorgt dafür, dass Temperaturgrenzen wie sie in DIN EN für unterschiedliche Qualitätskategorien angegeben sind nicht unter- oder überschritten werden. Damit ergibt sich der Heiz- und -Kühlenergiebedarf (Nutzenergiebedarf) für ein Jahr, der nachfolgend betrachtet werden soll. Es wird eine Personenbelegung von 25 Personen pro Unterrichtsblock mit vier Blöcken pro Tag angesetzt mit einer trockenen Leistungsabgabe von insgesamt 90 W pro Person (Strahlung und Konvektion). An Wochenenden findet keine Belegung statt. Ferienzeiten wurden nicht berücksichtigt. Tabelle 1 fasst die Bedingungen für den Außenluftvolumenstrom und die Temperaturgrenzen für den Innenraum entsprechend DIN EN [1] zusammen. Die Frischluftzufuhr enthält einen personenbezogenen Anteil q P und einen gebäudebezogenen Anteil q B. Das Gebäude wird als nicht schadstoffarm betrachtet, so dass jeweils die höchsten anzusetzenden Volumenströme für die jeweilige Komfortkategorie gewählt werden. Diese Annahme musste getroffen werden, um dem baulichen Zustand des Berliner Schulgebäudes Rechnung zu tragen. Ein minimaler Luftwechsel von 0,5 1/h wurde in allen Fällen sichergestellt. Die Wetterbedingungen werden einem Test-Referenzjahr für Region 04 (Potsdam) entnommen.

12 Tab. 1: Randbedingungen für Volumenstrom und Temperatur Aufgrund der internen und äußeren Wärmelasten, dem Luftvolumenstrom der sich aus der Komfortkategorie ergibt und dem vorgegebenen Wärmebereitstellungsgrad zwischen 0,0 und 0,8 entwickeln sich die Raumlufttemperaturen. In Bild 9 sind für einen ausgewählten Tag in der Übergangszeit die operativen Raumtemperaturen und die zugehörigen Heiz- bzw. Kühlleistungen abgebildet. Aufgrund der eingestellten Komfortkategorie II werden die Temperaturen auf Werte zwischen 20 C und 26 C begrenzt. Je höher der Wärmebereitstellungsgrad ist, desto höhere Raumtemperaturen ergeben sich im Durchschnitt. Die größten Heizleistungsbedarfe erfolgen demnach für kleine Werte der Wärmerückgewinnung und Kühlleistungsbedarf entsprechend für hohe Wärmebereitstellungsgrade. Abb. 9: Entwicklung der Raumtemperatur und der Energiebedarfe an einem ausgewählten Tag in der Übergangszeit. Werden die Leistungsbedarfe über den gesamten Betrachtungszeitraum aufgetragen so ergeben sich die Nutzenergiebedarfe durch Summation wie es beispielhaft in Abbildung 10 dargestellt ist. Wie daraus erkennbar ist, sind die Leistungsspitzen für den dargestellten Fall (Kategorie II, WBG=0,4) für Heizen und Kühlen in der gleichen Größenordnung mit etwas höheren Werten bei der Kühlung.

13 Abb. 10: Entwicklung der Leistungs- und Energiebedarfe im Betrachtungszeitraum Der höhere Heizenergiebedarf lässt sich mit der Grundlast für den notwendigen Grundluftwechsel (0,5 1/h) erklären, der eingestellt wird, während sich keine Personen im Raum befinden. Im Winter sind die Temperaturdifferenzen so hoch, dass nachgeheizt werden muss wohingegen die nächtlichen Temperaturen im Sommer nicht so hoch sind, als dass sich ein entsprechender Kühlleistungsbedarf einstellen würde. Eine zusammenfassende Darstellung der Energiebedarfe ist Abbildung 11 zu entnehmen. Die kreisförmigen Symbole geben den Heizenergiebedarf die Dreiecke den Kühlenergiebedarf an. Wie nicht anders zu erwarten, ergibt sich eine gegenläufige Entwicklung entsprechend des Wärmebereitstellungsgrades, mit hohen Heiz- und kleinen Kühlenergiebedarfen bei niedrigen WBG und umgekehrt. Abb. 11: Energiebedarfe für Heizung und Kühlung in Abhängigkeit des Wärmebereitstellungsgrades.

14 Vergleicht man die Auswirkungen der Komfortkategorien untereinander, so ist festzustellen, dass im Heizfall Luftmenge und Energiebedarf korrelieren. Bei hohen Luftvolumenströmen in Kategorie I ergeben sich die höchsten Heizlasten und umgekehrt. Im Kühlfall ist dieser Zusammenhang nicht derart eindeutig, da die Temperaturdifferenzen zwischen Außen- zu Raumtemperatur im Vergleich zum Winterfall nur mäßig groß sind. Durch die Anhebung der Temperaturgrenze bei geringerem Komfort reduziert sich der Kühlenergiebedarf. Jedoch wird gleichzeitig der Volumenstrom verringert, so dass sich eine stärkere Erwärmung des Raumes aufgrund der geringeren Außenluftkühlung ergibt. Beide Effekte heben sich in ihrer Wirkung ungefähr auf. An dieser Stelle ist anzumerken, dass die Zeit, in der die Außenlufttemperatur über der Innenlufttemperatur liegt, nur sehr gering ausfällt, so dass ein positiver Effekt der Wärmerückgewinnung im Sommer von untergeordneter Bedeutung ist. Mit aktuellen Wetterdaten, die für Deutschland höhere sommerliche Temperaturen vorgeben, oder der Verwendung von Extremwetterdaten würde dieser Effekt sicher deutlicher zu Tage treten. In der vorliegenden Untersuchung wurde der Effekt der Temperaturerhöhung in der Fassadengrenzschicht noch nicht betrachtet, der zu einer deutlich erhöhten Ansaugtemperatur bei dezentralen Lüftungssystemen führt und damit auch zu einem erhöhten Kühlenergiebedarf. Wie allerdings in [5] dargelegt wird hebt sich der erhöhte Kühlenergiebedarf im Sommer ungefähr mit der Heizenergieeinsparung im Winter auf. Es lässt sich festhalten, dass sich der Gesamt-Nutzenergiebedarf ab einem Wärmebereitstellungsgrad von 0,6 nicht wesentlich verringert. Da in dieser Betrachtung nur die Nutzenergien betrachtet wurden, ist davon auszugehen, dass sich der optimale Wärmebereitstellungsgrad bei Betrachtung der Primärenergien zu geringeren Werten verschiebt wenn mit einem erhöhten Primärenergiefaktor für die Kälteerzeugung gerechnet werden muss. 4.3 Schlussfolgerung Die numerischen Untersuchungen zeigen zum einen die Einschränkungen denen man durch reine natürliche Fensterlüftung unterworfen ist, da eine ausreichende Lüftung nur zu einem geringen Anteil erreichbar ist. Diese Einschränkung gilt in besonderem Maße für die hohen Belegungsdichten, wie sie in Schulen zu finden sind. Zum anderen zeigt sich, dass für die Größe der Wärmerückgewinnung eines maschinellen Lüftungssystems ein Optimum gefunden werden kann, das bei hohen internen Wärmelasten nicht zwangsläufig bei sehr hohen Werten liegen muss. Weitere Untersuchungen sollen ein detaillierteres Bild der Primär- und Nutzenergiebedarfe bei verschiedenen Belegungsdichten und Lüftungsvarianten zeichnen, wobei zusätzliche Effekte wie die Luftaufheizung an der Fassade berücksichtigt werden sollen.

15 5. Zusammenfassung Der Vergleich des Standardraumes mit dem Raum mit der hybriden Fassade zeigt, dass eine deutliche Verbesserung durch die neue Technik erreicht wird. Dies spiegelt sich sowohl in den Messungen als auch in den Fragebögen wieder. Die Messergebnisse des Feldversuches zeigen, dass die Raumlufttemperaturen und geschwindigkeiten durch die hybride Lüftungstechnik in der Kategorie II der DIN EN [1] gehalten werden können. Die CO 2 -Konzentration, als ein Indikator für die Luftqualität, ist teilweise zu hoch, da bisher nur verringerte Volumenströme eingestellt wurden. In weiteren Untersuchungen werden erhöhte Volumenströme eingestellt durch akustische Messungen ergänzt. Betrachtungen des Jahresendenergiebedarfes für Beheizung und Kühlung in den vorgestellten dynamischen Simulationen zeigen, dass der Grad der Wärmerückgewinnung begrenzt werden sollte, wenn, wie im vorliegenden Fall, keine Bypassschaltung des Lüftungsgerätes möglich ist. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass eine einfache natürliche Lüftung über Fenster nicht in der Lage sein wird, eine gute Luftqualität in Schulräumen sicherzustellen, was von den messtechnischen Untersuchungen bestätigt wird. Um ein behagliches Innenraumklima sicherstellen zu können, ist daher zumindest eine unterstützende maschinelle Lüftung und ein guter sommerlicher Wärmeschutz erforderlich. 6. Danksagung Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie und dessen Projektträger Jülich unter den Förderkennzeichen B und D gefördert. Wir danken für die Zusammenarbeit mit der Wildeboer Bauteile GmbH und dem Fachgebiet für konstruktives Entwerfen und klimagerechtem Bauen der Technischen Universität Berlin. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

16 7. Literaturverzeichnis [1] DIN e.v., Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik (DIN EN 15251), Beuth GmbH, Wien Berlin Zürich; 2007 [2] DIN e.v., Ergonomie der thermischen Umgebung Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMVund des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005), Beuth GmbH, Wien Berlin Zürich; 2006 [3] DIN e.v., Lüftung von Nichtwohngebäuden Allgemeine Grundlagen und Forderungen an Lüftungsanlagen (DIN EN 13779), Beuth GmbH, Wien Berlin Zürich; 2007 [4] Eggers, I., Matthes, P., Panašková, J., Müller, D., Hybride Lüftungstechnik für Schulgebäude, DKV-Tagung 2008, Ulm, 2008 [5] Franzke, U.; Heidenreich, R.; Ehle, A.; Ziller, F.: Wirtschaftlichkeit der dezentralen Klimatisierung im Vergleich zu zentralen RLT-Anlagen, ILK Dresden, 2003