Anleitung: Nutzen Sie unsere Berechnungs- und Bemessungstools zur Planung einer natürlichen Lüftung!
In dieser Anleitung erfahren Sie, wie Sie mit unseren Berechnungs- und Bemessungstools die steuerbaren Fenster für die natürliche Lüftung planen und Ihre Planung anschließend überprüfen können.
Anwendungsbeispiel
Das folgende Anwendungsbeispiel verdeutlicht, wie die Berechnungs- und Bemessungstools von WindowMaster Ihnen in der Planungsphase einen ersten Überblick über die Auslegung der natürlichen Lüftung vermitteln können. Wir gehen hier von einem einzelnen Raum mit zwei Lüftungszonen aus und vergleichen die erforderliche Öffnungsfläche und die Anzahl der benötigten Fenster unter Zugrundelegung verschiedener Lüftungsprinzipien und Auslegungskriterien.
Lösungen mit einseitiger Lüftung bieten eine deutlich geringere Leistung als Lösungen mit Querlüftung oder Auftriebslüftung. Daher ist es wichtig, dass Sie Ihre Erwartungen auf das jeweils verwendete Lüftungsprinzip abstimmen.
In den Sommermonaten kann die natürliche Lüftung ein sehr angenehmes Raumklima mit hohen Luftwechselraten, starker Luftbewegung bzw. wirksamer Nachtauskühlung erzeugen. Allerdings ist aufgrund der im Sommer gegebenen warmen Außenluft das theoretische Kühlpotenzial eher begrenzt. Folglich sollten bei der Planung der natürlichen Lüftung ausgehend vom Kühlbedarf die Erwartungen entsprechend angepasst werden. Andernfalls wird unter Umständen eine ungewollt große Öffnungsfläche in der Planung berücksichtigt.
Erfolgt die Planung hingegen allein auf Grundlage der Mindestanforderungen an den Lüftungsbedarf, kann dies zu einer unzureichenden Auslegung für die Sommermonate führen.
Wir empfehlen daher generell, die steuerbaren Fenster so zu bemessen, dass sie eine optimale natürliche Lüftung unter sehr unterschiedlichen Bedingungen ermöglichen. Einer der Vorteile steuerbarer Fenster besteht darin, dass die Lüftungskapazität kostengünstig über den normalen Tagesbedarf hinaus erhöht werden kann. Dies kann in Situationen von Nutzen sein, in denen eine zusätzliche Lüftung erforderlich ist.
Lösungen
Im oben beschriebenen Anwendungsbeispiel werden zwei unterschiedliche Lösungskonzepte berücksichtigt.
Lösung 1 (einfach)
Alle steuerbaren Fenster haben die gleiche Größe. Die Fenster werden sowohl für die Lüftung als auch für die Kühlung ausgelegt.
Lösung 2 (erweitert)
Die steuerbaren Fenster werden in zwei unterschiedlichen Größen ausgeführt: kleinere Fenster an höher gelegenen Stellen und größere Fenster im unteren Bereich. Der Einsatz verschiedener Fenstertypen räumt den Gebäudenutzern unter Umständen mehr Einflussmöglichkeiten auf das Raumklima ein. Kleinere automatisierte Fenster an höher gelegenen Stellen verursachen weniger Zugluft und eignen sich zudem hervorragend für die Nachtauskühlung.
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2. Auslegungskriterien
Die Festlegung geeigneter Auslegungskriterien für die Bemessung der steuerbaren Fenster ist von entscheidender Bedeutung für die zielgerichtete Planung einer natürlichen Lüftung. Während mechanische Lüftungssysteme häufig auf Grundlage der Mindestanforderungen an die Luftqualität ausgelegt werden, ist dieser Ansatz in der Regel wenig geeignet für die Planung einer natürlichen Lüftung, es sei denn, es kommen unterschiedliche Fenstertypen zum Einsatz.
Des Weiteren gilt es zu berücksichtigen, dass das Kühlpotenzial einer natürlichen Lüftung in den Sommermonaten aufgrund der hohen Außentemperaturen begrenzt ist, sodass die Erwartungen bei der Spezifikation des Kühlbedarfs entsprechend angepasst werden müssen.
Witterungsbedingungen im Außenbereich
Der Luftstrom durch die Fenster hängt von den Außentemperaturen und den Windverhältnissen ab. Die passiven Kräfte, die den Luftstrom für die natürliche Lüftung erzeugen, sind in der Regel im Sommer am schwächsten, wenn aus Gründen des thermischen Komforts die höchste Lüftungsrate erforderlich ist. Daher wird das Sommerszenario häufig zur Festlegung der Auslegungskriterien für die maximale Lüftungskapazität der steuerbaren Fenster bzw. Öffnungen herangezogen. Folgende Witterungsbedingungen sind eine gute Ausgangsbasis zur Bemessung der steuerbaren Fenster für die tagsüber erfolgende natürliche Lüftung:
- Raumtemperatur-Sollwert: 23 °C
- Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außentemperatur: 3 K
- Windgeschwindigkeit: 2 m/s
- Durchflussbeiwert: 0,61 (gemäß CIBSE AM10)
Es kann ferner sinnvoll sein, die Lüftungsrate bei kühleren Umgebungsbedingungen zu ermitteln, wenn beispielsweise der Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außentemperatur bei 10 – 15 K liegt. Dies ist aufgrund der Nachtauskühlung und Stoßlüftung relevant, die häufig in der kühleren Jahreszeit zum Einsatz kommen, wenn die Fenster jeweils nur für kurze Zeit geöffnet werden, aber dennoch die erforderliche durchschnittliche Lüftungsrate für die Frischluftzufuhr sichergestellt werden soll.
Lüftungs- und Kühlbedarf
Die Auslegungskriterien für die Öffnungsfläche hängen davon ab, wie viele unterschiedliche Fenstertypen in der Planung berücksichtigt werden. Wenn in einer Lüftungszone nur ein steuerbarer Fenstertyp vorgesehen ist, empfehlen wir, die maximale Öffnungsfläche der entsprechenden Fenster auf den thermischen Komfort im Sommer abzustimmen. Bei diesem Szenario ist es wichtig, realistische Erwartungen hinsichtlich des im Sommer gegebenen Kühlpotenzials der Außenluft anzusetzen. Ein guter Ausgangspunkt für die Planung ist hier ein Wert von 20 W/m2. Das Bemessungstool berücksichtigt nicht die Wirkung der Nachtauskühlung oder anderer Kühlfunktionen, weshalb der Kühlbedarf entsprechend angepasst werden sollte. Ein Wert von 20 W/m2 entspricht deshalb allein dem Kühleffekt der von außen zugeführten Luft.
- Lösung 1: Die Fenster sind so ausgelegt, dass ein Kühlpotenzial in Höhe von 20 W/m2 erreicht wird.
- Lösung 2: Die höher gelegenen kleineren Fenster sind so ausgelegt, dass eine Lüftungsrate in Höhe von 1 l/s/m2 zur Gewährleistung der Raumluftqualität erzielt wird. Die größeren Fenster im unteren Bereich sind so ausgelegt, dass in Verbindung mit den kleineren Fenstern ein Kühlpotenzial in Höhe von 20 W/m2 erreicht wird.
Damit diese Lösungen realisierbar sind, empfehlen wir zusätzlich, einen wirksamen Sonnenschutz auf der Außenseite zu installieren.
3. Ermittlung der Gesamtöffnungsfläche
Das Bemessungstool kann zur Ermittlung der Gesamtöffnungsfläche für die Lüftung und/oder Kühlung in einer Lüftungszone oder einem Raum eingesetzt werden. Die Öffnungsfläche richtet sich nach der Lüftungsrate, der Auslegung der Lüftung sowie nach dem Lüftungsprinzip. Damit eine natürliche Lüftung effizient funktioniert, müssen bei der Bemessung der maximalen Öffnungsfläche Ihrer Lösung unbedingt geeignete Kriterien zu Grunde gelegt werden. Wenn die maximale Lüftungskapazität der geplanten Lösung allein auf den Lüftungsbedarf durch Frischluftzufuhr abgestimmt ist, dann ist die Öffnungsfläche unter Umständen unzureichend, um beispielsweise für thermischen Komfort zu sorgen.
Geometrische und effektive Öffnungsfläche
Das Bemessungstool ermittelt sowohl die geometrische als auch die effektive Öffnungsfläche. Die effektive Öffnungsfläche ist die geometrische Öffnungsfläche multipliziert mit dem Durchflussbeiwert. Der Durchflussbeiwert eines steuerbaren Fensters liegt in der Regel zwischen 0,6 und 0,7 und entspricht dem Druckverlust des Luftstroms beim Eintritt durch das Fenster bzw. durch die Öffnung und beim Durchströmen von Hindernissen wie Insektenschutzgittern. Die effektive Öffnungsfläche wird häufig als Anforderungskriterium in der Planung herangezogen, da sie Aufschluss darüber gibt, wie viel Luft letztendlich durch das Fenster bzw. die Öffnung samt etwaiger Hindernisse strömt.
Lösung 1 (einfach)
Abbildung 4 zeigt die effektive Öffnungsfläche in Prozent der gelüfteten Grundfläche bei verschiedenen Anforderungen hinsichtlich des Kühlbedarfs. Ausgehend von den oben erläuterten Witterungsbedingungen im Außenbereich kann mit einer effektiven Öffnungsfläche, die etwa 2 % der Grundfläche entspricht, bei Querlüftung ein Kühlpotenzial von 20 W/m2 erreicht werden. Wenn nur eine einseitige Lüftung möglich ist, muss eine deutlich größere Öffnungsfläche (etwa das Dreifache) gewählt werden. Ist dies nicht realisierbar, können anderweitige Änderungen vorgenommen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, höhere Fenster zu verwenden (siehe „Hintergrundinformation“ weiter unten im Text). Eine weitere Möglichkeit wäre, Öffnungen und Fenster in der Fassade auf unterschiedlichen Höhen vorzusehen, um einen Kamineffekt zu erzeugen (ähnlich wie bei Lösung 2). Zwar ist diese Option nicht so wirksam wie der Einsatz von Dachfenstern oder Oberlichtern, dennoch hat sie eine positive Wirkung.
Da die maximale Öffnungsfläche bei dieser Lösung auf die Kühlung im Sommer ausgerichtet ist, kann davon ausgegangen werden, dass alle steuerbaren Fenster gleichzeitig geöffnet sind und eine Querlüftung erfolgt. Somit beträgt die effektive Öffnungsfläche bei Lösung 1 insgesamt 2 m2, wobei dieser Wert 2 % der gelüfteten Grundfläche entspricht.
Lösung 2 (erweitert)
Durch Kombination verschiedener Typen steuerbarer Fenster lassen sich unter Umständen hervorragende Ergebnisse erzielen. So können beispielsweise kleinere Fenster an höher gelegenen Stellen mit größeren Fenstern im unteren Bereich kombiniert werden. Kleinere Fenster haben den großen Vorteil, dass sie bei kühler Witterung weniger Zugluft verursachen. Bei dieser Lösung können die kleineren Fenster auf den Lüftungsbedarf zur Gewährleistung der Raumluftqualität abgestimmt und die größeren Fenster für die zusätzliche Öffnungsfläche zur Sicherstellung des thermischen Komforts ausgelegt werden. Fenster auf verschiedenen Ebenen können bei schwachem Wind und in Fällen, in denen nur eine einseitige Lüftung möglich ist, zusätzlich einen geringfügigen Kamineffekt erzeugen.
Abbildung 5 zeigt die effektive Öffnungsfläche als Prozentsatz der Bodenfläche auf der Grundlage verschiedener Lüftungsanforderungen. Die kleinen Fenster können auf der Grundlage von 1 L/s/m2 dimensioniert werden, um eine CO2-Konzentration von unter 1000 ppm bei Vollbelegung zu erreichen. Aufgrund des unvorhersehbaren Fensterbetriebs während des Lüftungsbetriebs kann nicht immer sichergestellt werden, dass die Fenster an beiden Fassaden gleichzeitig geöffnet sind, und es kann vorteilhaft sein, die kleinen Fenster auf der Grundlage einer einseitigen Lüftung auszulegen. In diesem Fall müssen die kleinen Fenster daher eine effektive Öffnungsfläche haben, die etwa 1 % der Bodenfläche entspricht.
Die größeren Fenster werden so ausgelegt, dass sie in Kombination mit den kleinen Fenstern den gewünschten Kühleffekt (20 W/m2) erzielen. Wenn Kühlung erforderlich ist, ist es viel wahrscheinlicher, dass alle Fenster geöffnet sind, da es sich in der Regel um einen schönen Sommertag handelt und es sinnvoll ist, die erforderliche Gesamtöffnung auf der Grundlage der Querlüftung zu planen. Um einen Kühleffekt gemäß Abbildung 4 zu erzielen, werden die kleinen Fenster 0,5 % der Bodenfläche ausmachen, und die effektive Öffnungsfläche des größeren Fensters sollte die verbleibende effektive Öffnungsfläche ausmachen, was etwa 1,5 % der Bodenfläche entspricht.
Hintergrundinformation: Einseitige Lüftung
Im Gegensatz zu Lösungen, bei denen eine Quer- bzw. Auftriebslüftung zum Einsatz kommt, sind die Fenster bei einer einseitigen Lüftung gleichzeitig Einlass- und Auslassöffnung. Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass die frische Außenluft durch die untere Hälfte der Fenster einströmt, während die verbrauchte Raumluft über die obere Hälfte der Fenster abgeführt wird. Daher spielt die Höhe der Fenster eine wichtige Rolle hinsichtlich der Wirksamkeit der geplanten Lösung. Abbildung 6 verdeutlicht, wie sich bei einseitiger Lüftung die Fensterhöhe auf die erforderliche Öffnungsfläche auswirkt.
Weitere Informationen
4. Anzahl der Fenster
Mit dem AntriebsFinder können Sie ausgehend von den Fenster- und Rahmenabmessungen präzise die geometrische Öffnungsfläche eines steuerbaren Fensters ermitteln. Einer der häufigsten Fehler bei der Berechnung der Öffnungsfläche eines steuerbaren Fensters besteht darin, die Hindernisse am Fensterrahmen und dergleichen nicht korrekt zu berücksichtigen. Bei Nutzung des AntriebsFinders können Sie detaillierte Daten zu den Fensterprofilen spezifizieren und die Öffnungsfläche jedes Fenstertyps sehr präzise berechnen.
Aus Tabelle 2 geht die Anzahl der erforderlichen Fenster hervor, um bei Lösung 1 und 2 jeweils die mit dem Bemessungstool ermittelte Öffnungsfläche (siehe vorausgehende Abschnitte) zu erreichen.
5. Überprüfung der Auslegung
Mit dem Luftwechselraten-Rechner können Sie die Leistung (bezogen auf die Lüftungsrate) Ihrer geplanten Lösung bei verschiedenen Witterungsbedingungen und bei unterschiedlichen Lüftungsprinzipien und Lüftungsstrategien überprüfen.
Beim Einsatz dieses Tools müssen Sie einer Lüftungszone eine oder mehrere Fenstergruppen hinzufügen. Jede Gruppe besteht aus allen steuerbaren Fenstern derselben Fassade und in derselben Höhe. Die Öffnungsfläche entspricht folglich der Gesamtöffnungsfläche dieser Fenster.
In Abbildung 7 ist ein mit dem Luftwechselraten-Rechner erstelltes Diagramm der Luftwechselrate bei kombinierter Auftriebs- und Querlüftung dargestellt. In diesem Diagramm lässt sich auf einen Blick erkennen, wie sich die Lüftungsrate bei steigender Windgeschwindigkeit oder Temperaturdifferenz verändert.
Lösung 1
Für Lösung 1 im hier erläuterten Anwendungsbeispiel können wir prüfen, wie die endgültige Auslegung bei verschiedenen Witterungsbedingungen und bei Nutzung unterschiedlicher Lüftungsprinzipien funktioniert. Abbildung 8 zeigt die Lüftungsleistung der Lösung 1 bei einseitiger Lüftung des Raums abhängig lediglich vom Winddruck.
In der Praxis kann der Luftstrom bei sehr niedriger Windgeschwindigkeit und insbesondere bei niedriger Außentemperatur effektiv als einseitige Lüftung fungieren. Abbildung 8 zeigt die Luftwechselrate im Raum bei einseitiger Lüftung. Vergleicht man die Leistung mit der Querlüftung in Abbildung 9, ist die Luftwechselrate bei einseitiger Lüftung höher, wenn die Temperaturdifferenz über 10 °C beträgt und die Windgeschwindigkeit unter 2 m/s liegt.
Bei Betrachtung der Leistung bei einseitiger Lüftung ist unter Umständen zu prüfen, ob in Zukunft nicht zusätzliche Wände zur Unterteilung der Lüftungszonen eingezogen werden können.
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