2. April 2019

Studienergebnisse zu den Funktionen alternierender Lüftungsgeräte

Alternierende Wohnungslüftungsgeräte haben den Markt in den letzten Jahren scheinbar „im Sturm“ erobert. Einige Vorteile, wie die vergleichsweise einfache Nachrüstung im Bestand oder verhältnismäßig geringe Investitionskosten liegen offensichtlich auf der Hand. Aber wie sieht es mit anderen Aspekten, z. B. mit der Lüftungseffizienz, der Winddruckstabilität und den energetischen Einsparpotenzialen aus? Das öffentlich geförderte Verbundforschungsprojekt „EwWalt“ soll einige der vordringlichsten Fragen beantworteten.

Für das Erreichen der energetischen Einsparziele beim Neubau und in der Bestandssanierung von Wohngebäuden wird der ventilatorgestützten Lüftung, insbesondere wegen der Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung und zum bedarfsabhängigen Betrieb, eine wesentliche Rolle zugestanden. Am Markt werden neben den bekannten Lüftungsgeräten mit kontinuierlich gefördertem Volumenstrom zunehmend dezentrale alternierende Systeme angeboten, die häufig auch als Pendellüfter oder Push-Pull-Geräte bezeichnet werden. Zur Wärmerückgewinnung werden hierbei Wärmespeicher als regenerative Wärmeübertrager verwendet, die zyklisch alternierend durchströmt werden (Bild 1).
Im Abluftzyklus lädt sich eine Speichermasse mit der Energie der warmen Abluft auf. Im anschließenden Zuluftzyklus wird diese Energie wieder an die zuströmende Außenluft abgegeben. Aufgrund der notwendigen Strömungsumkehr werden bei diesen Geräten typischerweise Axialventilatoren eingesetzt. Um bezogen auf den Raum balancierte Luftströme zu erhalten, werden mindestens zwei Luftstränge benötigt, die gegenläufig alternierend arbeiten. Die beiden Luftstränge können entweder in einem Gehäuse integriert sein (1 Kompaktgerät), oder durch zwei getrennte Geräte verwirklicht werden, die steuerungsseitig gekoppelt sind (2 Singlegeräte). Im zweiten Fall können die Geräte auch in verschiedenen Räumen platziert sein.

Projekt „EwWalt“
Bei alternierend arbeitenden Geräten bestanden bisher wegen fehlender wissenschaftlich abgesicherter Erkenntnisse noch Unsicherheiten, wie dieses Konzept im Vergleich zu kontinuierlich arbeitenden Geräten zu bewerten ist. Dies betrifft u. a. Aspekte der Lüftungseffizienz, der Winddruckanfälligkeit und der Bestimmung von energetischen Kennwerten. Diese Aspekte wurden nun im öffentlich geförderten Projekt „EwWalt – Energetische Bewertung dezentraler Einrichtungen für die kontrollierte Wohnraumlüftung mit alternierender Betriebsweise“ untersucht. Unter Federführung der RWTH Aachen und mit den Projektpartnern HLK Stuttgart und ITG Dresden wurden Simulationsuntersuchungen im Blick auf Raumluftströmungseffekte durchgeführt, Prüfverfahren zur Ermittlung der Kennwerte für die energetische Bewertung weiterentwickelt und Vorschläge für die Umsetzung in den Normen erarbeitet.

Untersuchungen zur Funktion alternierender Lüftungsgeräte
Um von der lüftungstechnischen Seite die Raumluftströmungen vergleichen zu können, die sich durch dezentral alternierende oder kontinuierlich fördernde Geräte einstellen, wurden innerhalb des ­EwWalt-Projekts CFD-Studien (engl. Computational Fluid Dynamics) durchgeführt. Mit diesen Berechnungen ist es möglich, sich einstellende Luftströmungen vorherzusagen und beispielsweise auch Verweildauern der Luft überall im Gebäude zu bestimmen. Mit diesen Simulationsmethoden wurde im EwWalt-Projekt der Luftaustauschwirkungsgrad für alle Räume in zwei verschiedenen Wohnkonstellationen (Wohnung & Einfamilienhaus, Bild 2) analysiert. Ein kleiner Wert für den Luftaustauschwirkungsgrad weist beispielsweise vorhandene Kurzschlussströmungen aus.
Um eine breite Aussagekraft der Ergebnisse zu erreichen, wurden dazu verschiedene Parametervariationen vorgenommen. Zum einen wurde die örtliche Platzierung der Lüftungsgeräte im Wohnraum variiert, zum anderen wurden die Lüftungsvolumenströme für das Teillastverhalten reduziert. Des Weiteren wurde untersucht, inwieweit ein anliegender Winddruck auf der Gebäudefassade oder eine aktive Entlüftungsanlage im Gebäude die Arbeitsweise der Lüftungsgeräte beeinflusst.
Da durch die alternierende Betriebsweise der integrierte Wärmespeicher durch unterschiedlich große Zu- und Abluftvolumenströme nicht optimal betrieben wird, musste die sogenannte Disbalance zunächst evaluiert werden. Zu diesem Zweck sind die untersuchten Gebäude in einer zweiten Simulationsstudie als Kanalnetz aufgefasst worden, in dem alle Lüftungskomponenten als Strömungswiderstände zu modellieren waren. Dieses Druck-Volumenstrom-Modell berechnet an allen Lüftungsgeräten die final anliegenden Volumenströme, die durch Störungen wie Winddruck und Entlüftungsanlage hervorgerufen werden. Es wurde innerhalb der Modellierungssprache Modelica aufgebaut und mit dem CFD-Modell für die Innenraumströmung gekoppelt (Bild 3). Die Werte für die effektiv geförderten Volumenströme aus der Kanalnetzsimulation konnten somit als Randbedingung in die Strömungssimulation eingehen.
Die so entwickelten Varianten zeigten in der Kanalnetzsimulation, dass beispielsweise bei einer ungünstigen Platzierung der Lüftungsgeräte über Eck relativ große Druckdifferenzen an den Lüftungsgeräten anliegen. Die vornehmlich in alternierenden Lüftungsgeräten eingebauten Axialventilatoren weisen flache Druck-Volumenstrom-Kennlinien auf, was zur Folge hat, dass schon eine geringe Druckschwankung einen starken Einfluss auf den geförderten Volumenstrom hat. Im Teillastzustand und bei starkem Wind kann somit der tatsächlich geförderte Volumenstrom fast bis zum Erliegen kommen, was erheblichen Einfluss auf den Wärmerückgewinnungsgrad zur Folge hat.
Die anschließenden CFD-Simulationen unter den vorgestellten verschiedensten Bedingungen zeigten dagegen allesamt ein ähnliches Verhalten für die Lüftungseffektivität. So lag annährend unabhängig von Geometrie, Volumenstrom und Disbalance in den einzelnen Räumen eine Mischlüftungscharakteristik mit dem typischen Luftaustauschwirkungsgrad von 0,5 vor. Das liegt vor allem an der anisothermen Raumluftströmung, die durch Mischkonvektion eine starke Einmischung der Zuluft in den gesamten Raum verursacht. Hierbei unterschieden sich alternierende Lüftungsgeräte von kontinuierlich betriebenen daher nicht. Vorausgegangene Bedenken, im alternierenden Betrieb könnten sich – insbesondere in Fluren – Gebiete bilden, die durch eine vorzeitige Umkehr der Lüftungsrichtung nicht mit Frischluft versorgt werden, haben sich somit ausräumen lassen.

Untersuchungen von Prüfverfahren zur Kennwertermittlung
Eine große Herausforderung bei der Prüfung ist die unstetige Arbeitsweise während der Wärmerückgewinnung. Dadurch ist es nicht möglich, die von kontinuierlich arbeitenden Geräten bekannten Verfahren zur Bestimmung von Kennwerten wie Wärmerückgewinnung, Balance oder Luftvolumenstrom anzuwenden. Für die Auslegung wird daher bislang beispielsweise vereinfachend der Luftvolumenstrom des kontinuierlichen Betriebs verwendet, der mit einem herkömmlichen Verfahren gemessen werden kann. Die Reduzierung des mittleren Volumenstromes durch die An- und Abfahrvorgänge während des Umschaltens wird vernachläs­sigt. Im EwWalt-Projekt wurde ein Verfahren entwickelt, um den mittleren Luftvolumenstrom auch im alternierenden Betrieb mit vergleichbarer Genauigkeit zu messen. Der Volumenstromverlauf der beiden Stränge wird hierbei mit einer Staudruckmethode über der Zeit aufgenommen (Bild 4). Aus dem gemessenen Verlauf kann ein mittlerer Volumenstrom im alternierenden Betrieb abgeleitet werden. Vergleichsmessungen haben gezeigt, dass dieser im betrachteten Fall ca. 85 % des Volumenstromes im kontinuierlichen Betrieb betrug. Mit diesem Verfahren kann auch die Disbalance im alternierenden Betrieb gemessen werden. Dies ist Voraussetzung für eine korrekte Messung der Wärmerückgewinnung.
Zur Messung der Wärmerückgewinnung finden momentan zwei Verfahren Anwendung. Ein Verfahren ist in der EN 13141-8 beschrieben (direktes Verfahren), das zweite Verfahren wird bei der DIBt-Zulassung angewandt (Spülluftverfahren). Beide Verfahren wurden im EwWalt-Projekt näher untersucht. Hierbei konnte für das direkte Verfahren bei den Vergleichsmessungen eine erhöhte Messunsicherheit aufgrund der inhomogenen Temperaturverteilung der aus dem Gerät austretenden Luft von über 8 % festgestellt werden (Bild 5).
Diese Unsicherheit wird beim Spülluftverfahren verhindert, indem die Luft vor der Temperaturmessung durch Mischung und Verwirbelung homogenisiert wird. Ein zuvor durchgeführter Ringversuch des DIBt ergab bei diesem Verfahren eine vergleichbare Genauigkeit wie bei den Verfahren für kontinuierlich arbeitende Geräte. Das Spülluftverfahren wurde basierend auf dem zuvor gemessenen mittleren Volumenstrom dahingehend weiterentwickelt, dass eine systematische Benachteiligung von Kompaktgeräten eliminiert werden konnte. Mithilfe der im alternierenden Betrieb gemessenen Disbalance kann das Ergebnis der wärmetechnischen Prüfung nun auch analog zur Messung der kontinuierlichen Geräte korrigiert werden. Bei den Vergleichsmessungen wurden weitere Parameter wie z. B. der Spülluftvolumenstrom sowie die Geschwindigkeit optimiert, sodass die Genauigkeit des Verfahrens weiter verbessert werden konnte. Durch eine umfassende Beschreibung des Spülluftverfahrens wurde die Grundlage gelegt, dieses bei der Überarbeitung der EN 13141-8 in die Norm mit aufzunehmen.

Fazit
Im EwWalt-Forschungsprojekt konnten einige der vordringlichsten Fragen zur Einordnung und Bewertung von alternierenden Wohnungslüftungsgeräten beantwortet werden.
Die neu gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse basieren auf Untersuchungen zur Funktion alternierender Lüftungsgeräte auf Basis numerischer Strömungssimulationen. Dabei konnte festgestellt werden, dass in allen Fällen praktisch unabhängig von der Raumgestaltung eine Mischlüftung vorliegt. Bezüglich der Disbalance der Lüftungsgeräte und folglich auch der Auswirkungen von Stördrücken (z. B. durch Wind) auf die Wärmerückgewinnung konnte ein Zusammenhang mit der Steilheit der Gerätekennlinie nachgewiesen werden.
Parallel zur Simulation wurden Verfahren zur experimentellen Bewertung der alternierenden Lüftungsgeräte erarbeitet. Mit dem entwickelten Verfahren zur Luftstrommessung im alternierenden Betrieb ist es erstmals möglich, den für die Auslegung relevanten wirksamen Luftvolumenstrom sowie die Disbalance im alternierenden Betrieb zu messen. Für die Bestimmung der Wärmerückgewinnung wurden das in der EN 13141-8 beschriebene direkte Verfahren sowie das bei der DIBt-Zulassung angewandte Spülluftverfahren näher analysiert und verglichen. Für die Verfahren werden Prüfrandbedingungen definiert, mit denen die Messunsicherheit und Vergleichbarkeit der Ergebnisse verbessert wird.
Aus den Ergebnissen wurden geeignete Kennwerte für die Normung abgeleitet und als Vorschläge in die Normungsarbeit eingebracht, wie z. B.:

• eine Beschreibung des Spülluftverfahrens für die Geräteprüfung alternierender Lüftungsgeräte,
• eine detaillierte Darstellung einer normenkonformen Auslegung alternierender Lüftungsgeräte hinsichtlich Anordnung der Komponenten und Festlegung der Volumenströme für typische Konstellationen,
• ein Bewertungsalgorithmus einschließlich Kennwerten für Doppelnutzung der Luft,
• ein normativer Ansatz zur Berücksichtigung von Anfahrvorgängen bei alternierendem Betrieb,
• ein Algorithmus zur Berücksichtigung der Winddruckstabilität in Abhängigkeit von Klimadaten bei der Effizienz der Wärmerückgewinnung sowie
• weitere Hinweise für die aktuelle Normung.

Bei der Projektbearbeitung haben sich weitere für die fundierte Bewertung alternierender Lüftungsgeräte wesentliche Themen wie die Feuchterückgewinnung, die Windanfälligkeit oder die Komfortbewertung herauskristallisiert, die Gegenstand weiterer Forschungsaktivitäten werden sollten.

Autoren: Dipl.-Ing. Paul Mathis, Dipl.-Ing. Tim Röder, beide RWTH Aachen, E.ON Energieforschungszentrum, Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik; Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartmann, Dipl.-Ing. Christine Knaus, beide ITG Institut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden – Forschung und Anwendung GmbH; Dipl.-Ing. Bernd Klein, HLK Stuttgart GmbH