Ingenieurbüro Matthaei · Wuppertal

Kontrollierte Wohnraumlüftung

Maschinelle Lebenserhaltungssysteme für das irdische Zuhause

Luft ist ein Lebensmittel

Dieser Drachen hält es unter der Glasglocke ohne Lüftung aus

Der Mensch hält es monatelang ohne Essen aus, einige Tage ohne Wasser aber nur wenige Minuten ohne Luft. Wenn es im Zimmer muffig wird, dann reißen wir die Fenster auf: „Sauerstoff herein lassen!“ Tatsächlich geht es dabei weniger um den Sauerstoff, den wir herein holen wollen, als vielmehr um das Kohlendioxid (CO₂) und das Wasser (H₂O), was hinaus soll.

Luft besteht zu 78 % aus Stickstoff, 21 % Sauerstoff und 1 % sonstigen, insbesondere Edelgasen. Das Kohlendioxid hat dabei einen Anteil von derzeit ca. 0,038 %. Der Anteil ist je nach Ort verschieden. In Städten ist er meist höher, in ausgedehnten Wäldern geringer. Seit Beginn der Industrialisierung ist er um ca. 50 % gestiegen.

Bei der Atmung wird Sauerstoff mit Blutzucker und Fettsäuren zu CO₂, H₂O und Energie umgesetzt, die wir Tiere für Bewegungen und zur Aufrechterhaltung eines thermischen Gleichgewichts benötigen. Der Mensch atmet, je nach Aktivitätslevel, 5 – 20 Liter CO₂ je Stunde aus. In der ausgeatmeten Luft ist der Anteil des CO₂ auf 4 % gestiegen, der des Sauerstoffs auf 16 % gesunken. Die Luft vermischt sich mit der Umgebungsluft.

In einem geschlossenen Raum (im folgenden Beispiel sei dies meist ein Schlafzimmer) von 16 m² Grundfläche und 2,5 m Höhe, in dem zwei Personen atmen, steigt der CO₂-Gehalt stündlich um 0,04 % an. Das heißt, dass er nach einer Nacht von 9 Stunden bereits einen Wert von 0,37 % erreicht hat und damit weit über dem hygienischen Grenzwert von 0,1 % liegt, den Pettenkofer Mitte des 19. Jahrhunderts festgestellt hat, und der nach wie vor als Richtwert für die Obergrenze in Aufenthaltsräumen gilt (Pettenkofer-Zahl). Derart hohe CO₂-Gehalte, wie in unserem Beispiel, führen zu Konzentrationsschwierigkeiten, Schlaflosigkeit und langfristig zu gesundheitlichen Schäden. Der Sauerstoffgehalt ist in der gleichen Zeit nur auf ca. 20,7 % gesunken, was praktisch nicht spürbar ist.

Luftfeuchte
Neben dem CO₂ und der Temperatur gilt der in der Luft gelöste Wasserdampf als weitere bedeutende Größe für die Behaglichkeit (siehe Behaglichkeitsdiagramm). Luft von 20°C kann bei einer Dichte von ca. 1,2 kg/m³ etwa 17,4 Gramm Wasser je Kubikmeter aufnehmen. Dies ist die Sättigungsgrenze. Meist ist weniger Wasser in der Luft. Angegeben wird dann die auf diese Sättigungsfeuchte bezogene relative Feuchte (r.F., Formelzeichen: φ). Eine r.F. von 50 % bedeutet dann also 50% • 17,4 g/m³ = 8,7 g/m³ absolute Feuchte (abs.F.).

Jede menschliche Aktivität führt zu einer Abgabe von Wasser an die Luft. Durch Atmen und Schwitzen werden je Person und Tag ca. 0,5 – 2 l Wasser frei gesetzt. In obigem Beispiel bringen die zwei Personen während einer Nacht etwa 0,5 l Wasser in das Schlafzimmer. Ein Teil davon bleibt in der Bettwäsche und der Matratze und wird erst im Laufe des Tages langsam abgegeben. 0,2 l Wasser gehen in die Luft und reichern diese mit zusätzlichen 5 g/m³ an. Hatte die Luft vorher bei 18°C eine r.F von φ = 50%, so steigt diese also im Verlauf der Nacht auf bis zu φ = 81 %. Wenn es morgens „muffig“ riecht dann geht es vor Allem um die Luftfeuchtigkeit.

Auch Zimmerpflanzen, feuchte Handtücher, Kochdunst und andere Quellen geben erhebliche Mengen an Feuchtigkeit in die Luft ab.

Doch nicht nur für den Menschen wird es unbehaglich, auch dem Haus tut derart feuchte Luft nicht gut. Ab ca. 80 % r.F. kann Schimmel wachsen. Solch hohe Luftfeuchte entsteht schnell auch vor kühleren Flächen: In Außenkanten, an Fensterstürzen oder Rollladenkästen, hinter Schränken. Hier kühlt sich die Luft ab, die Sättigungsfeuchte nimmt dabei ab und, da die absolute Feuchte konstant bleibt, steigt die relative Feuchte an. Im schlimmsten Fall kommt es zu Kondensation. Bei Erreichen des Taupunkts (das ist die Temperatur, bei der bei gegebener absoluter Feuchtigkeit die Sättigungsfeuchte erreicht wird) fällt Wasser in flüssiger Form auf dem Bauteil aus.

Diesen Prozess beobachtet man häufig im Bad, wenn nach dem Duschen die Luftfeuchtigkeit sehr hoch ist und sich auf Fliesen, Spiegel und Fenstern Wasser niederschlägt. Durch intensives Lüften kann rasch für Abhilfe gesorgt werden, wenn die Flächen warm genug sind um das Wasser wieder zu verdunsten.

Doch auch ohne dass es auf den Flächen sichtbar wird, dringt bei hoher Luftfeuchtigkeit diese in diffusionsoffene Bauteile ein. Es kann zu Kondensation im Innern von Wand- und Dachkonstruktionen kommen, die zur Zerstörung dieser Bauteile führen kann, wenn das Wasser nicht zu anderer Zeit wieder abdunsten kann.

Luftschadstoffe
Auf weitere Stoffe, die in die Luft gelangen können, soll hier nur kurz eingegangen werden. Menschen-verursachte Gerüche und Körperausdünstungen sind ebenso störend, wie die Ausdünstungen mancher Pflanzen, Möbel, Teppiche oder Elektrogeräte, die sogar die Gesundheit gefährden können.

Luftwechselraten
Aus dem bisher Gesagten leitet der gesunde Menschenverstand bereits die Notwendigkeit des Lüftens zur Abfuhr all der unangenehmen Substanzen ab. Viele Menschen tun dies intuitiv, weil ihre Wahrnehmung ihnen rechtzeitig Warnsignale gibt. Nicht immer funktioniert das. Niemand wacht auf, weil die Luft nach zwei Stunden Schlaf gewechselt werden sollte. Wer zur Arbeit geht überlässt sein Haus 10 Stunden lang dem Luftstillstand.

Zunächst eine Entwarnung: Wenn Sie sich mit der Luft in Ihrer Wohnung wohl fühlen und keine Schädigung (Schimmel) vorhanden ist, dann haben Sie vermutlich nichts verkehrt gemacht. Der Luftwechsel reichte aus.

Wie groß aber soll der Luftwechsel sein? Wie so oft im Leben ist die Antwort: Es kommt darauf an. Als erste Faustformel für Wohnungen gibt es zwei Ansätze: 20-30 m³ je Person und Stunde oder 0,3 /h.

Wenn die Personenzahl bekannt oder abzuschätzen ist, dann kann mit 20-30 m³/(Pers.•h) gerechnet werden. Im Beispiel mit den 2 Personen im Schlafzimmer (geringer Aktivitätslevel) sollten also 40 m³/h angesetzt werden. Bei einem Luftvolumen von 40 m³ entspricht das einem Luftwechsel von n = 40 m³/h / 40 m³ = 1,0 /h. Anders ausgedrückt: Einmal pro Stunde müsste jemand das Fenster für einen vollständigen Luftaustausch öffnen und dann wieder schließen.

Wenn es nur um die Erhaltung des Gebäudes geht oder die Belegungsdichte sehr gering ist, dann sollte ein Luftwechsel von n = 0,3 /h angesetzt werden. Tagsüber reichten für die Lüftung des Schlafzimmers also 12 m³/h.

Dies sind Betriebs-Luftwechselraten, die durch geeignete Maßnahmen erreicht werden sollen. Zu den Maßnahmen kommen wir weiter unten noch.

Bau-Anforderung: Luftdichtheit
Um die Wärme im Haus zu halten, wird die Luftdichtheit der Gebäudehülle gefordert. Dem entgegen steht jedoch der für die Bewohner erforderliche hygienische Luftwechsel sowie der für die Trockenhaltung der Gebäudesubstanz erforderliche Luftwechsel.

Luft mit einer Dichte von ca. 1,2 kg/m³ und einer Wärmekapazität von ca. 1 kJ/(kg•K) führt z.B. bei einer Innentemperatur von +20 °C und einer Außentemperatur von +5 °C bei einem vollständigen Luftaustausch (20 Minuten Stoßlüftung) eines Raums von 16 m² Grundfläche zu einem Wärmeverlust von:
Q_{Lüftungsverlust} = M_Luft • c_Luft • ΔT = V_Luft • ρ_Luft • c_Luft • ΔT
= 16 m² • 2,5 m • 1,2 kg/m³ • 1 kJ/(kg•K) • (20 °C – 5 °C)
= 40 m³ • 1,2 kg/m³ • 1 kJ/(kg•K) • 15 K
= 720 kJ = 720 kWs = 0,20 kWh

Findet dieser Luftwechsel etwa einmal alle zwei Stunden statt, dann bedeutet das an einem Tag mit 5 °C Außentemperatur einen Lüftungswärmeverlust von 2,4 kWh.

Die Luftdichtheit der Gebäudehülle ist keine ganz zufällige Größe sondern kann gezielt durch technische Maßnahmen erreicht werden. Sie wird nach der Bauausführung durch einen Luftdichtheitstest nach DIN EN 13 829, auch blower door test genannt, nachgewiesen. Dabei wird eine Druckdifferenz zwischen Innen und Außen erzeugt und gemessen, wie viel Luft nachgepumpt werden muss, um diese Druckdifferenz aufrecht zu erhalten. Das Kürzel n steht wieder für die auf das belüftete Volumen bezogene Luftwechselrate, während der Index die Druckdifferenz in Pascal angibt. n₁₀₀ ist dann die bei 100 Pa gemessene Luftwechselrate. Es wird aus der Messreihe auf 50 Pa normiert.

Die EnEV fordert für ein neues Gebäude ohne raumlufttechnische Anlage (Klima- oder Lüftungsanlage) einen maximalen n₅₀ ≤ 3,0 /h und mit raumlufttechnischer Anlage n₅₀ ≤ 1,5 /h. Noch strenger ist die Anforderung beim Passivhaus, wo maximal n₅₀ ≤ 0,6 /h gemessen werden darf.

Um von dem normierten Luftwechsel bei 50 Pa auf den tatsächlichen Betriebsluftwechsel zu schließen, benötigt man einige weitere Angaben. Insbesondere ist der sich tatsächlich einstellende Luftwechsel abhängig von Temperaturdifferenzen zwischen drinnen und draußen und dem Winddruck unter dem das Gebäude steht.

Die Anforderungen an Luftdichtheit der Gebäudehülle steht im krassen Widerspruch zum hygienisch erforderlichen Luftwechsel. Wärme halten steht gegen Überleben. Und wirklich haben die heutigen, wenig Luft durchlassenden Gebäude dazu geführt, dass die unkontrollierte Lüftung (durch Ritzen und andere Undichtigkeiten) zu gering ist, um noch die Gesunderhaltung der Bewohner und des Gebäudes sicher zu stellen.

Lüftungskonzept
Daher ist es inzwischen eine Planungsanforderung ein Lüftungskonzept zu erstellen. Geregelt ist dies in der 2009 neu aufgelegten DIN 1946-6. Ausgehend von der Geometrie und Gebäudehülle wird zunächst erkundet, ob der Luftvolumenstrom durch Infiltration (unkontrollierte Lüftung) ausreichend ist. Wenn dies nicht der Fall ist, dann müssen lüftungstechnische Maßnahmen geplant werden.

Die DIN 1946-6 schlägt freie und ventilatorgestütze Lüftungssysteme vor. Freie Lüftungssysteme bedeutet, dass Undichtigkeiten gezielt wieder geschaffen werden, um der Luft einen Durchgang zu geben. Dies können z.B. Außenluftdurchlässe (ALD) hinter Heizkörpern sein, durch die die Luft einströmt, am Heizkörper vorgewärmt wird, durch die Wohnung streicht und in Schächten mit thermischem Auftrieb nach oben über das Dach wieder herausgeführt wird. Diese Lüftungen arbeiten ohne Antrieb und sind kaum regulierbar. Sie werden nur für die Grundlüftung ausgelegt und müssen im Regelfall durch Fensterlüftung unterstützt werden. Energetisch ist diese Form der Lüftung suboptimal, da wieder kalte Luft ein- und warme Luft ausströmt.

Bei der ventilatorgestützten Lüftung unterscheidet die Norm die Abluft- und Zuluft-Anlagen, die mit Unter- bzw. Überdruck arbeiten. Bei der Abluftanlage kann im Abluftstrom eine Wärmerückgewinnung erfolgen, z.B. für eine Abluft-Brauchwasser-Wärmepumpe. Dennoch sind auch diese Systeme energetisch unbefriedigend. Immerhin können sie nach dem Bedarf geregelt werden. Nur wenn am Sensor die Feuchte oder der CO₂-Gehalt zu hoch sind, arbeitet die Lüftung. Damit kann der Luftwechsel auf das absolute Minimum herunter geregelt werden.

Als das heute meist gewählte System ist die Wohnungslüftung mit Zu-/Abluft in ausgewogenem Verhältnis anzusehen, die dann grundsätzlich mit Wärmerückgewinnung (Abluft → Zuluft) ausgeführt wird. In größeren Einheiten (Hotels, Büro- und Gewerbegebäude) wird die Luft dann noch weiter konditioniert. Das heißt die Klimaanlage kann auch kühlen, heizen, abfeuchten und anfeuchten.

Welches Lüftungssystem auch immer gewählt wird, es muss geplant werden.

Kontrollierte Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung
Wir tun uns in Deutschland nach wie vor mit Lüftungsanlagen schwer. Was z.B. die Skandinavier seit Jahrzehnten nicht missen wollen, stößt bei uns noch immer auf erbitterten, aus Vorurteilen genährten Widerstand.

Der Begriff Kontrollierte Wohnraumlüftung offenbart schon worum es geht. Der hygienisch erforderliche Luftwechsel findet nicht zufällig sondern geordnet und kontrolliert statt. Luft wird Außen angesaugt, wo sie je nach Lage des Gebäudes mehr oder weniger sauber, jedenfalls trockener und mit weniger CO2-Anteil sein wird. Sie wird, je nach Anforderungen an die Reinheit der Raumluft, über Grob- und Fein- oder auch Feinstfilter geführt, so dass die Schmutzbelastung deutlich geringer ist, als bei der Fensterlüftung. Bei Verwendung von Pollenfiltern wird die Luft auch Allergikern gut tun. Bei den meisten Geräten sind diese Filter integriert. Bei größeren Luftvolumenströmen oder höherer Außenluftbelastung kann auch eine eigene Filterbox eingesetzt werden, so dass die Filter nicht so häufig getauscht werden müssen.

Ventilatoren sorgen im Außenluftstrom und im Fortluftstrom für die erforderliche Beschleunigung der Luft. Da an beiden Enden Ventilatoren sind, kann der Betrieb komplett druckdifferenzfrei gegen die Außenluft erfolgen, was bedeutet, dass eventuell vorhandene Lecks zwischen innen und außen nicht zu zusätzlichen Volumenströmen führen. Die im Regelfall kühlere Außenluft wird durch einen Wärmeübertrager geführt, wo es von der abgesaugten Abluft, durch eine Membran stofflich voneinander getrennt, die Wärme aufnimmt.

70 bis zu über 90 % der Temperaturdifferenz der beiden Luftströme können so gegeneinander ausgeglichen werden. Wenn die Außenluft 0°C und die Abluft 20°C hat, dann wird nach dem Wärmeübertrager die Zuluft, die in die Räume geführt werden soll bei 18°C und die Fortluft, die das Haus verlässt noch etwa 2°C haben. Der Gewinn an Komfort und Energie ist evident. Die Zuluft muss im Raum kaum nacherwärmt werden und die Fortluft nimmt nur noch wenig Wärme mit.

Die Wohnung wird in Zu- und Ablufträume gegliedert, wobei als Ablufträume grundsätzlich solche mit hohen Feuchte- oder Geruchslasten (Bäder, Toiletten, Küchen) gewählt werden. Schlafzimmer, Wohnzimmer, Arbeitszimmer sind die typischen Zulufträume. Wenig genutzte Räume dazwischen (Flure) werden zu Überstromräumen deklariert und erhalten keine eigenen Ventile, sondern Überstromöffnungen, durch die die Luft vom Zuluftraum ein, bzw. zum Abluftraum ausströmen kann.

Die Ventile in den Räumen können sehr unterschiedlich ausgeführt werden. Es gibt Tellerventile, die die Luft breit verteilen, Weitwurfdüsen und Drallauslässe, Für die Abluft werden nahezu ausschließlich Tellerventile genutzt, in denen sinnvoller Weise gleich ein Taschenfilter eingesetzt wird, damit das Rohrnetz sauber bleibt.

Dezentrale Systeme
Neben den eben beschriebenen Systemen mit zentralem Lüftungsgerät gibt es auch dezentrale Lösungen. Viele Hersteller haben kleine Einheiten für die raumweise Lüftung entwickelt. Durch eine Kernbohrung in der Wand wird das Lüftungsgerät geführt, das gleichzeitig be- und entlüftet. Des begrenzten Platzangebots wegem ist die Wärmerückgewinnung dabei nie höher als 60 %.

Feuchterückgewinnung – Enthalpie-Wärmetauscher
Was die Fortluft durchaus mitnimmt ist die Feuchte, die sie als Raumluft aufgenommen hat . Dieser an sich gewünschte Effekt zur Trockenhaltung der Wohnung, der übrigens genauso bei der Fensterlüftung geschieht, kann in frostigen Wintern zu einer unerwünscht starken Austrocknung der Luft führen. Anders als bei der Fensterlüftung gibt es jedoch technische Lösungen, um den Effekt im Winter zu mildern. Insbesondere schwedische und finnische Hersteller, die mit trockener Luft ein weit größeres Thema haben, als wir in Deutschland, haben inzwischen Rotationswärmeübertrager auch für kleinere Wohnraumlüftungsanlagen im Programm. Bei dieser Art der Wärmeübertragung rotiert eine Scheibe als Speichermasse und wird auf einer Hälfte von der Abluft durchströmt. Die Wärme und Feuchtigkeit werden von der Scheibe aufgenommen. Nachdem der Rotationskörper sich weiter gedreht hat, gelangt er in den Außenluftstrom. Die Luft nimmt nun aus der Scheibe Feuchtigkeit und Wärme auf und gelangt vorgewärmt und angefeuchtet als Zuluft in die Räume.

Winterbetrieb
Ein Problem der üblichen, trockenen Wärmeübertrager stellt der Winterbetrieb dar. Leider werden noch immer viele Geräte ohne Erdwärmetauscher oder Vorwärmregister eingebaut. Das führt dann dazu, dass das immer reichlich anfallende Kondenswasser bei Minusgraden einfriert und den Weg für die Luft unpassierbar macht. Die Konsequenz ist eine Gerätestörung mit Ausfall der Lüftung oder Bypass der Luft um den Wärmeübertrager herum und dann ist gerade zu der Zeit, wo die meiste Wärme verloren gehen kann, die Rückgewinnung außer Funktion.

Wenn die Luft auf dem Weg zum zentralen Lüftungsgerät durch einen längeren Erdkanal geführt wird, werden die kältesten Temperaturen im Winter und die höchsten Temperaturen im Sommer abgemildert. Im Winter kommt die Luft mit über 0°C herein, was das Einfrieren im Wärmeübertrager verhindert. Alternativ dazu kann ein elektrisches Vorwärmregister eingebaut werden, das die Außenluft im Gerät auf über 0°C erwärmt, so dass das Einfrieren wirkungsvoll verhindert wird. Damit geht zwar ein kleines bisschen vom Wirkungsgrad verloren, aber der Rest wird sicher erreicht. Und das ist allemal mehr Wert als wenn das Gerät wegen Einfrierens ausfällt.

Energiebilanz der Lüftungsanlage
Angenommen sei eine Wohnung mit 80 m² Wohnfläche und 2,5 m Höhe (Luftvolumen = 200 m³). Die erforderliche Luftwechselrate sei mit n=0,5 /h gegeben. Ohne Lüftungsanlage beträgt der Lüftungswärmeverlust
Q_L = n • V • c • Gt = 0,5 /h • 200 m³ • 0,32 Wh/m³K • 84 kKh/a
= 2.688 kWh/a

Bei einer Wärmerückgewinnung von η_WR = 80 % beträgt der Lüftungswärmeverlust nur noch
Q_L = n • V • (1- η_WR) • c • Gt = 0,5 /h • 200 m³ • (1 – 0,80) • 0,32 kWh/m³K • 84 kKh/a
= 538 kWh/a.

(Angenommen wurde dabei, dass der gesamte Luftwechsel durch die Lüftungsanlage erfolgt und keine Infiltration stattfindet. Das setzt jedoch eine vollständig luftdichte Gebäudehülle voraus, die technisch nicht realisierbar ist.)

Dagegen zu halten sind die für den Ventilatorbetrieb (50 W) aufzuwendenden Strommengen von ca. 438 kWh. Selbst bei Berücksichtigung der höheren Wertigkeit des Stroms gegenüber der Heizwärme ist der Gewinn deutlich.

Nutzung der Lüftungsanlage
Eine Lüftungsanlage zu verwenden muss gelernt werden. Ebenso wie bei einer neuen Heizanlage übergibt Ihnen der Installateur, nachdem er alles ordentlich einreguliert hat, eine Dokumentation in der steht, was Sie tun müssen, sollen und dürfen.

Wichtig ist z.B. der regelmäßige Filterwechsel. Je nach Filtergröße, Volumenströmen und Belastung der Außenluft sollten alle 2 – 6 Monate die Filter gewechselt werden. Lässt man sie zu lange in Betrieb, dann wachsen die Poren zu, der Widerstand steigt, der Wirkungsgrad der Lüftungsanlage sinkt. Es können dann auch Pilze und Bakterien im Dreck des Filters wachsen. Und obwohl Filter eben diese Mikroorganismen weitgehend zurück halten können, haben diese doch das Vermögen durch Filtrat und Filter hindurch zu wachsen und dann auf der Reinseite Sporen abzusondern. Statt zu filtern, fungiert Ihre Anlage dann als Brutstation.

Was Sie dagegen jederzeit tun dürfen ist: Die Fenster öffnen. Die alte Mär, dass in gelüfteten Häusern, gar Passivhäusern die Fenster nicht geöffnet werden dürften, hält sich hartnäckig, ist aber dennoch falsch.

Die Nutzung von Holzöfen ist dagegen nur unter Sicherheitsauflagen gleichzeitig mit dem Betrieb einer Lüftungsanlage möglich. Zu diesem Thema fragen Sie bitte Ihren Schornsteinfeger.

Fazit
Kontrollierte Wohnraumlüftung ist erprobte und gesicherte Technik. Sie beugt durch saubere, schadstoffarme Luft Krankheiten der Menschen vor und hält das Haus trocken. Da die Fenster geschlossen bleiben können, dient die KWL auch dem Schutz vor Lärm. Bei Einsatz von Wärmerückgewinnung ergibt sich eine positive Energiebilanz.

Bei Neubau oder umfangreichen Änderungen an Bestandsgebäuden ist ein Lüftungskonzept zu erstellen. Gegebenenfalls muss eine Lüftungsanlage ausgelegt und geplant werden. Im Einfamilienhaus macht dies der Lüftungs-Installateur, in komplexeren Fällen ein Haustechnik-Planer oder TGA-Planer.