WUFI Plus: Mit diesem Anwendungsfall soll die natürliche Lüftung in einem Einfamilienhaus, untersucht werden. Dafür werden verschiedene Fenster-Öffnungszeiten angesetzt, hauptsächlich beeinflusst von den Außenklima-Bedingungen und zufälliger manueller Nutzerinteraktion. Der dadurch erzielbare natürliche Luftwechsel wird simuliert, wodurch Aussagen zur Behaglichkeit, Hygiene und zum Energiebedarf in Abhängigkeit zum Nutzer-Fensteröffnungsverhalten gemacht werden können.

Modellbeschreibung

Das Einfamilienhaus wird in Zonen mit jeweils simuliertem Innenraumklima unterteilt. Das Gebäudemodell wird nach den Außenmaßen der Planungsunterlangen erstellt. Für sämtliche opaken Gebäudebauteile (Außenwände, Innenwände, Decken, Dach) werden mehrschichtige Konstruktionen, mit entsprechenden Materialdaten definiert. Die Außenwand besteht aus 36,5 cm dicken Porenbeton Plansteinen, wodurch sich ein Wärmedurchgangskoeffizient von 0,3 W/m²K ergibt. Die Zwischensparrendämmung im Dach soll 18 cm stark sein. Für die Dachkonstruktion errechnet sich somit ein Wärmedurchgangskoeffizient von 0,2 W/m²K. Die Wärmeübergangswiderstände wurden nach DIN EN ISO 6946 [20] angesetzt und sind somit an der Innenseite einer Wand 0,13 m²K/W und an der Außenoberfläche 0,04 m²K/W.

Der Keller ist bis auf den Treppenraum unbeheizt, ebenso der Dachraum über der Kehlbalkendecke. Die Decke des unbeheizten Kellers wird mit 10 cm Mineralwolle gedämmt, es resultiert ein U-Wert von 0,35 W/m²K. Die Kehlbalkendecke wird wie das Dach ebenfalls mit 18 cm Mineralwolle versehen. Für sämtliche Außenfenster wird ein U_w-Wert von 1,3 W/m²K angenommen und ein Energiedurchlassgrad (g-Wert) von 0,6.

Durch Definition der Durchströmungseigenschaften sämtlicher Gebäudebauteile wird die Durchströmung unter Berücksichtigung von Wind-, Temperatur- und Feuchteverhältnissen durch das Gebäude bzw. durch einzelne definierte Gebäudezonen simuliert. Die Durchströmungseigenschaften werden für eine zu erzielende Luftdichtigkeit von n₅₀ = 1,5 1/h gewählt.

Es wird angenommen, dass das Gebäude ganzjährig von vier Personen bewohnt und täglich gleichbleibend genutzt wird. Eine berufsbedingte Abwesenheit der Personen wird berücksichtigt. Wochenenden und Urlaubstage werden nicht speziell untersucht. Der Zeitraum der Auswertung erstreckt sich über ein Jahr, von 1. Januar bis 31. Dezember. Sämtliche Ergebnisse werden stündlich festgehalten. Die Gebäudebauteile werden mit für das jeweilige Material typischen Baufeuchten initialisiert. Vor dem Beginn des Auswertungszeitraums wird das Gebäude für weitere 2 Monate simuliert. Auswirkungen der Baufeuchtigkeit werden dadurch relativ realistisch erfasst, da unmittelbar nach der Baufertigstellung und während der Bezugsphase in der Regel andere Randbedingungen herrschen als im normalen Betrieb.

Als Außenklima wird das Feuchtereferenzjahr für den Standort Holzkirchen angesetzt. Die Stundenwerte ergeben über ein Jahr zusammengefasst eine mittlere Außenlufttemperatur von 6.6°C, eine mittlere relative Luftfeuchtigkeit von 81%, eine Strahlungssumme von 1223 kWh/m², eine Normalregensumme von 1185 mm/Jahr und eine mittlere Windgeschwindigkeit von 2,23 m/s überwiegend aus West-Süd-West. Das Gebäude wird freistehend betrachtet. Eine Verschattung des Gebäudes und eine starke Beeinflussung der Windgeschwindigkeit und Windrichtung durch die Umgebung werden somit nicht angesetzt.

Die Anwesenheit von Personen wird für den Wärme- und Feuchteeintrag in jedem Raum berücksichtigt. Der durch die Gebäudenutzung resultierende Wärme- und Feuchteeintrag je Raum ist in Bild 17 dargestellt. Zusammengefasst resultieren ein mittlerer Wärmeeintrag von 11,14 kWh/Tag und eine mittlere Feuchteproduktion von 8,96 kg/Tag.

 

Das Einfamilienhaus wird auf 20°C beheizt, außer im Schlafzimmer, in dem die minimale Soll-Raumtemperatur auf 16°C reduziert wird. Ein Unterschreiten dieser Temperaturen wird durch die voll dimensionierte Heizleistung der idealen Anlagentechnik-Simulation verhindert. Der Heizwärmebedarf zum Einhalten der minimalen Auslegungstemperatur wird somit ermittelt. Die maximale Auslegungstemperatur soll in jeder Zone 24°C betragen. Ein Kühlsystem zur Temperaturbegrenzung ist nicht vorgesehen, somit wird die maximale Auslegungstemperatur nur beim Einsatz des Sonnenschutzes berücksichtigt. Steigt die Innenraum-Lufttemperatur über 24°C, wird der Sonnenschutz aktiviert und senkt die solare Einstrahlung durch die Fenster auf 25%.

Das Klima im unbeheizten Keller sowie in den Dach-Abseiten des Einfamilienhauses wird nicht simuliert, sondern festgelegt. Für den unbeheizten Dachstuhl sowie die Dach-Abseiten werden jeweils Temperatur und Feuchte der Außenluft angesetzt. Es wird angenommen, dass diese Bereiche stark belüftet sind.

Einfluss verschiedener Lüftungsstrategien

Grundluftwechsel

Der Luftwechsel zwischen der Außenluft und den Räumen sowie zwischen den Räumen selbst, wird simuliert. Das hygrothermische Gebäudemodell wird zur Berechnung von stündlichen Luftvolumenströmen über luftdurchlässige Gebäudebauteile mit einem Mehrzonen-Gebäudedurchströmungsmodell gekoppelt. Die Strömungswiderstande der Gebäudebauteile sind in Tabelle 3 zusammengestellt. Der Zustand der Außenfenster (geöffnet, oder geschlossen), sowie der Innentüren kann während der Simulation variieren. Das Öffnungsverhalten ist folgend beschrieben. Sämtliche Strömungswiderstände sind für einen Grundluftwechsel, bzw. eine natürliche Infiltration bei geschlossener Gebäudehülle von n₅₀ = 1,5 h^-1 ausgelegt.

Tabelle 3. Parametrisierung der Durchströmungseigenschaften sämtlicher Gebäudebauteile

Bauteil	Beschreibung
Außenwand	Strömungskoeffizient 0,021 dm³/(s m² Pan); Exponent 0,84
Innenwand	Strömungskoeffizient 0,021 dm³/(s m² Pan); Exponent 0,84
Haustür, geschlossen	Strömungskoeffizient 0,12 dm³/(s m² Pan); Exponent 0,6
Innentür, geschlossen	Strömungskoeffizient 1,0 dm³/(s m² Pan); Exponent 0,6
Innentür, offen	(Zwei-Weg-Strömungsmodell) Durchlasskoeffizient 0,6; Exponent 0,5; Innentüröffnungsfläche
Fenster, geschlossen	Strömungskoeffizient 0,12 dm³/(s m² Pan); Exponent 0,6
Fenster, Drehstellung	(Zwei-Weg-Strömungsmodell) Durchlasskoeffizient 0,6; Exponent 0,5; Fensteröffnungsfläche

 

Natürliche Belüftung

Das Einfamilienhaus soll durch Öffnen der Außenfenster in Drehstellung, anwesenheits- und klimaabhängig und je Zone unterschiedlich bzw. raumtypabhängig, natürlich belüftet werden.

Für die Berechnung der Öffnungsperioden wird somit die Nutzungsart des Raumes (Wohnraum, Badezimmer, Schlafzimmer) sowie das Außenklima (Temperatur und Niederschlag), die Tageszeit und die Anwesenheit von Personen berücksichtigt. Es ergibt sich für jeden Raum ein Ganzjahresprofil, welches festlegt zu welcher Stunde und für wie lange ein Fenster geöffnet oder geschlossen ist.

Der Algorithmus, mit dem die ganzjährlichen Lüftungsprofile erstellt werden, basiert auf zwei Festlegungen. Zuerst werden die im Folgenden beschriebenen Parameter untersucht und festgelegt, ob und für wie lange ein Fenster geöffnet werden kann. Wann ein Fenster tatsächlich während der Simulation geöffnet ist, wird unter Berücksichtigung der möglichen Öffnungsdauer und einer Wahrscheinlichkeit von 20% und in einem weiteren Fall mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% zufällig gewählt.

Generell wird ein Fenster nur dann in Drehstellung geöffnet, wenn es nicht beziehungsweise nur sehr leicht regnet (<0,1 Liter/m²h). Ein Fenster im Wohn- und Badezimmern kann, wenn Bewohner anwesend sind, bei einer Außenlufttemperatur über 20°C eine oder mehrere Stunden geöffnet verbleiben. Dies gilt ebenfalls für die Schlafzimmer, jedoch wurde hier die minimale Außenlufttemperatur auf 15°C herabgesetzt. Bei einer Außenlufttemperatur unter 20°C soll nur bei Änderung der Anwesenheit, das heißt wenn ein Bewohner das Zimmer betritt oder bevor er es verlässt, für 10 Minuten gelüftet werden können. Bei einer Außenlufttemperatur unter 0°C verringert sich dieser Zeitraum auf 5 Minuten.

Die Innentüren werden bedingt durch die Raumnutzung geöffnet und geschlossen. Es sind die Küchen-, Wohnraum- und Bürotüren 70% im Jahr geöffnet, die Badezimmertüre im Erdgeschoss 8% und im Obergeschoss 17% geöffnet, die Schlafzimmertüre 17% und die Kinderzimmertüren 50% im Jahr geöffnet. Im geschlossenen Zustand wird jeweils eine Überströmöffnung, eine Fuge am unteren Türblatt, angenommen.

Geschlossene Gebäudehülle

Zur Simulation der natürlichen Infiltration, sowie zur Plausibilitätskontrolle der definierten und parametrisierten Strömungsparameter, wird das Gebäude mit ganzjährig geschlossen Fenster simuliert. Das Gebäude-Netto-Luftvolumen beträgt 356,5 m³. Es ergibt sich ein mittlerer Infiltrations-Luftwechsel in Höhe von 0,11 h^-1über den gesamten Simulation-Zeitraum von einem Jahr. Der Wert ist für den gewählten Gebäudestandort und der angenommen Luftdichtigkeit von n₅₀ = 1,5 h^-1 zu erwarten.

Interessant ist, dass der Luftwechsel etwa ein Viertel des Jahres unter 0,04 1/h liegt. Der Raum mit dem niedrigsten Außenluftwechsel, das heißt in den am wenigsten Außenluft strömt, ist das Schlafzimmer im Obergeschoss, mit Außenwänden Richtung Norden und Osten. Der Raum mit dem höchsten Infiltrations-Luftvolumenstrom ist die Küche im Erdgeschoss, deren Außenwände Richtung Norden und Westen zeigen. Der simulierte Heizwärmebedarf für diesen Simulationsfall, ohne zusätzliche Belüftung beträgt 51 kWh/(m²a).

Normales Lüftungsverhalten

Das Einfamilienhaus wird mit dem vorher beschriebenen Ganzjahres-Lüftungsprofil und einer Wahrscheinlichkeit der tatsächlichen Fensteröffnung von 20% simuliert. Die akkumulierte Fensteröffnungszeit über das Jahr ist in Bild 18 aufgetragen. Erkennbar ist die häufigere Fensteröffnung in den warmen Sommermonaten.

Mit Ansatz der vorgegebenen Fensteröffnungszeiten für das Einfamilienhaus ergibt sich eine über das Jahr gemittelte Luftwechselrate von 0,31 h^-1. Der gleitende Tages- und Monatsmittelwert ist in Bild 19 aufgetragen. Als Indikator für Aussagen zur Raumluftqualität kann die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in den einzelnen Räumen dienen. Bei dieser Simulation stieg diese 44% des Jahres über einen Wert von 1500 ppm, die Luftqualität ist demnach häufig niedrig bis schlecht. In einem Kinderzimmer steigt die Kohlenstoffdioxidkonzentration sogar 73% des Jahres über 1500 ppm. Als Indikator für den Komfort wird die simulierte Raumlufttemperatur herangezogen. Im gesamten Gebäude steigt diese 4,3% im Jahr über 26°C. Der ermittelte Heizwärmebedarf bei gegebenem Lüftungsverhalten beträgt 59 kWh/(m²a).

Als erster Indikator zur Beurteilung der hygienischen Verhältnisse dient die relative Luftfeuchtigkeit in den einzelnen Räumen. In den Wintermonaten liegt diese bei etwa 50% im gesamten Einfamilienhaus. Jedoch speziell im Badezimmer, mit hoher kurzanhaltender Feuchtequelle, liegt die Luftfeuchtigkeit etwa ein Drittel des Jahres über 70% und erreicht sogar 99%. Weitere Untersuchungen zur Bewertung des Schimmelpilzrisikos an den Wandoberflächen und in der

Häufiges Fensteröffnen

Für diese Simulation des Einfamilienhauses wird die Öffnungswahrscheinlichkeit auf 50% erhöht. In der Küche wird somit ein Fenster bis zu viermal am Tag, im Badezimmer im Obergeschoss und in den Kinderzimmern bis zu dreimal täglich und in den restlichen Zimmern etwa ein- bis zweimal am Tag geöffnet. Im Winter sind die Öffnungsdauern kurz (5 oder 10 Minuten) im Sommer stehen die Fenster auch über mehrere Stunden offen. Die akkumulierte Fensteröffnungszeit für diese Simulation ist in Bild 20 dargestellt.

Die resultierende jährlich gemittelte Außenluftwechselrate dieser Simulation beträgt 0,69 h^-1. Der gleitende Monatsmittelwert liegt meistens über 0,5 h^-1 und steigt im Sommer auf etwa 1,0 h^-1 an. Mit diesem erhöhten natürlichen Luftwechsel steigt der simulierte Heizwärmebedarf auf 84 kWh/(m²a). Allerdings kann die Raumluftqualität unter Betrachtung der Kohlendioxid-Konzentration deutlich verbessert werden. Die Konzentration liegt etwa 12% des Jahres im gesamten Gebäude gemittelt über 1500 ppm und fast immer unter 2000 ppm. In den Schlafräumen steigt die Kohlendioxidkonzentration 30% des Jahres über 1500 ppm, wenn nachtsüber und am Abend kein Fenster geöffnet wurde. Die Innenraumlufttemperatur liegt, bei den höchsten Außenlufttemperaturen 2,6% des Jahres über 26°C. Auch die hygienischen Verhältnisse werden durch die häufigere Fensteröffnung deutlich verbessert. Im Mittel liegt die relative Raumluftfeuchte in den Wintermonaten bei 36% und steigt im Badezimmer nur für ein paar Stunden über 70%.

Automatisierte Parallelabstellung

Abschließend wird das Einfamilienhaus mit einer anderen Art der natürlichen Lüftung simuliert. Die Lüftung soll nicht manuell durch Nutzer-Interaktion, sondern mit automatisierten Parallel-Abstellfenstern stattfinden. Dieser Fensterbeschlag stellt motorgetrieben den gesamten Fensterflügel etwa 5 – 6 mm parallel nach innen, wodurch ein Luftspalt an allen vier Seiten des Flügels entsteht.

Die Fenster werden nahe der Last, das heißt wenn viel Luftfeuchtigkeit infolge der Anwesenheit von Bewohnern produziert wird, gleichzeitig in jedem Raum parallel abgestellt. Sie sind somit von 5:30 – 7:30 Uhr, von 12:30 bis 13:00 Uhr und von 18:30 bis 20:00 Uhr, insgesamt 4 Stunden an jedem Tag parallel abgestellt. Im Sommer, bzw. in der Kühlperiode wird zusätzlich eine längere parallele Abstellung zur natürlichen Nachtlüftung berücksichtigt.

Trotz einer deutlich verringerten simulierten Luftwechselrate von 0,40 h^-1 gemittelt über das gesamte Jahr zeigen die Ergebnisse mit den Parallelabstellfenstern eine verbesserte Luftqualität beruhend auf der Bewertung der Kohlendioxidkonzentration. Diese liegt im gesamten Gebäude im Mittel etwa 16% des Jahres über 1500 ppm. Der Heizwärmebedarf bei dieser Art der Lüftung des Einfamilienhauses beträgt simuliert 67,5 kWh/(m²a). Die relative Luftfeuchtigkeit liegt über das gesamte Jahr gemittelt bei 44% und im Badezimmer deutlich niedriger als bei den Simulationen zuvor.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Durch die Verwendung eines Mehrzonen-Gebäudedurchströmungsmodells in Verbindung mit der dynamisch hygrothermischen Gebäudesimulation kann der Einfluss verschiedener Fensteröffnungsstrategien auf Raumklima und Energiebedarf abgeschätzt werden. Durch die Simulation einer komplett geschlossenen Gebäudehülle wird der Infiltrationsluftwechsel abgebildet. Als Ergebnis können Räume identifiziert werden, in denen ein besonders niedriger Außenluftwechsel und damit eine niedrige Raumluftqualität zu erwarten ist.

Bei geringer Fensteröffnungsdauer und damit geringem Luftwechsel wird ein niedriger flächenbezogener Heizwärmebedarf erreicht. Allerdings entstehen kritische Raumluftfeuchten, weil im Gebäude produzierte Feuchtelasten nicht abgeführt werden können. Zusätzlich verschlechtert sich die Luftqualität, weil Schadstoffe in der Luft und das in den Räumen produzierte Kohlendioxid nicht aus dem Gebäude gelüftet wird.

Werden die Öffnungszeiten erhöht, kann die Raumluftqualität deutlich verbessert werden. Auch zu hohe relative Luftfeuchten werden in den Räumen deutlich seltener erreicht. Allerdings erhöht sich der Heizwärmebedarf.

Eine Lösung stellt hier das bedarfsgerechte parallele Abstellen der Fenster dar. Das heißt die Lüftung wird verbessert, wenn Feuchte oder CO₂ produziert werden. Dies sollte am besten automatisiert passieren, da ein angepasstes Eingreifen des Nutzers nicht vorausgesetzt werden kann. Der sich ergebende geringe Luftspalt verhindert Zugerscheinungen, ermöglicht aber trotzdem einen ausreichenden Luftwechsel bei Querlüftung. Zusätzlich werden Lüftungswärmeverluste in Grenzen gehalten, auch weil ungewollter Infiltrationsluftwechsel durch dichtes Schließen zu Zeiten in denen kein Luftaustausch notwendig ist sehr gering gehalten werden kann.

Verschiedene Strategien und Lüftungskonzepte auch in Kombination mit mechanischer Lüftung werden durch die hygrothermische Gebäudesimulation mit Gebäudedurchströmung bewertbar. Mögliche Schlussfolgerungen beziehen sich nicht nur auf die erzielbaren Luftwechselraten, sondern schließen Gebäudeenergiebedarf, Raumklima und Raumluftqualität sowie eine hygienische Beurteilung mit ein. Die in diesem Beispiel durchgeführten Berechnungen sollen die Bandbreite möglicher Ergebnisse aufzeigen, sind jedoch nicht verallgemeinerbar.