Mindestluftwechsel

Unter Mindestluftwechsel versteht man im Allgemeinen den Austausch der Luft in Räumen bzw. Gebäuden zur Sicherstellung des Raumklimas und des Gebäudeschutzes. Durch den Luftwechsel werden erhöhte Stoffkonzentrationen und Feuchtigkeitswerte in den Räumen/Gebäuden begrenzt.

Rechtliche Situation in Deutschland

In Deutschland unterscheidet man in der Gebäudetechnik zwischen zwei Arten von Luftwechseln: dem hygienischen Mindestluftwechsel, der nach EnEV gefordert und in der DIN 1946-6 konkretisiert wird, und dem Luftwechsel, der je nach Gebäude in Abhängigkeit von Nutzung und auftretenden Stoffen angesetzt wird; dieser findet zumeist in Nicht-Wohngebäuden seine Verwendung.

Hygienischer Mindestluftwechsel

Der hygienische Mindestluftwechsel ist nach EnEV gefordert und wird in der DIN 1946-6 genauer definiert. Der hygienische Mindestluftwechsel wird in Wohnungen und gleichartig genutzten Raumgruppen gefordert, um eine negative Beeinflussung durch das Raumklima von Personen und Raumausstattung durch die in den Raum abgegebenen Stoffe wie CO₂, Luftfeuchtigkeit, flüchtige Organische Stoffe (VOC) und Gerüche zu verhindern. Dabei variieren die auftretenden Stoffe je nach Nutzungsverhalten, Aktivität und Ausstattung des jeweiligen Raums.

Mindestluftwechsel in Nicht-Wohngebäuden

Dieser Mindestluftwechsel wird im Gegensatz zum hygienischen Mindestluftwechsel nicht nach EnEV gefordert, sondern bezieht sich auf den jeweiligen Gebäude-bzw. Raumtyp und ist in den spezifischen Richtlinien verankert. Bei der Realisierung spielt vor allem die Art der Nutzung eine große Rolle. Bei Versammlungsstätten gelten beispielsweise andere Richtlinien als bei Arbeitsstätten. Allgemein ist es dabei wichtig, die Atemluftqualität sicherzustellen, bei Versammlungsstätten wird dies durch einen Mindestluftwechsel in Abhängigkeit von der Besucherzahl realisiert. Bei Arbeitsstätten wiederum setzt sich der Mindestluftwechsel nicht nur durch die von Personen eingetragenen Stofflasten, sondern auch durch die Art der dort getätigten Arbeiten zusammen. Es ist auch zu beachten, dass bei Arbeitsstätten für bestimmte Prozesse ein gewisses Maß an Raumklima gewährleistet werden muss, beispielsweise die Luftfeuchte in der Lebensmittelproduktion.

Ebenfalls ist die Konzentration der Stofflasten in der Luft zu beachten, da diese eine Beeinträchtigung auf die Arbeitssicherheit der Beschäftigten haben kann. Insbesondere ist darauf zu achten, dass die Konzentration an CO₂, flüchtige Organische Stoffe, Formaldehyde oder Fasern der Produktproduktion bzw. ihrer Lagerung geringgehalten werden.

Auch die Feuchtigkeitskonzentrationen sind zu beachten, um eine Schimmelbildung und daraus resultierende gesundheitliche Gefährdungen der Angestellten, aber auch wirtschaftlichen Schaden durch Beschädigung von Produkten zu vermeiden. Durch einen Mindestluftwechsel sind die Feuchtelasten durch Personen und Produktion zu kompensieren, ebenfalls sind die durch Maschinen, Beleuchtung und Personen entstehenden Wärmelasten abzuführen, um ein angenehmes Raumklima zu gewährleisten.

Realisierung des Mindestluftwechsels

Um zu verstehen, warum ein Mindestluftwechsel in Gebäuden benötigt wird und wie man diesen technisch umsetzen kann, ist zunächst ein kleiner Einblick in die allgemeine Lüftungstechnik notwendig. Ohne dass wir es in unserem Alltag mitbekommen, findet in unseren Gebäuden immer wieder ein Luftwechsel statt. Dies geschieht zumeist mit Hilfe der Querlüftung. Bei größeren Objekten oder auch sehr modernen, dichten Gebäuden ist aus baulichen oder energetischen Gründen eine solche freie Lüftung nicht möglich, denn die freie Lüftung kann die Raumluftqualität nur zeitlich begrenzt beeinflussen. In solchen Fällen greift man auf eine maschinelle Lüftung zurück, denn diese kann nutzerunabhängig eine günstige Raumluftqualität sichern.

Der Mindestluftwechsel in Gebäuden muss aus verschiedenen Gründen gewährleistet sein. Zunächst einmal muss das Wohl des Nutzers garantiert sein, also muss ein regelmäßiger Eintrag an Frischluft stattfinden, damit die CO₂-Konzentration in der Raumluft nicht exorbitant ansteigt. Bei normalen Tätigkeiten rechnet man mit einem Luftwechsel von 25 m³/h pro Person, um angenehme CO₂-Konzentrationen zu gewährleisten. Weiterhin muss das Gebäude selbst geschützt werden, denn wenn die Luft im Raum nicht gewechselt wird, steigen sowohl ihre Temperatur als auch ihr Feuchtegehalt. Durch die Nutzer wird Wärme und Feuchte in den Raum getragen, diese wird durch einen Luftwechsel gegen relativ trockene Frischluft getauscht, sodass der relative Feuchtegehalt in der Raumluft sinkt. Der Austausch der Luft, also die Senkung der CO₂-Konzentration und die Senkung der relativen Luftfeuchtigkeit im Raum, tragen zur Behaglichkeit für den Nutzer bei.

Beide Lüftungsarten unterliegen derselben physikalischen Grundlage, sie basieren beide auf dem Prinzip der Massenerhaltung, das heißt, so viel Luft, wie aus einem Raum hinausströmt (egal ob natürlich oder maschinell), so viel Luft strömt auch nach. Bei speziellen Anwendungen wie Laboren oder OP-Räumen ist durch geschicktes Anordnen von Luftauslässen und Nachströmöffnungen auch das Erzeugen eines Unterdrucks möglich.

Freie Lüftung

Die Freie Lüftung ist die einfachste Art der Lüftung und wird zumeist in einfachen Wohngebäuden eingesetzt. Für die Verwendung der freien Lüftung (Querlüftung) müssen allerdings die Rahmenbedingungen stimmen. Die sich um das Gebäude befindliche Außenluft darf nicht überdurchschnittlich stark verschmutzt sein, damit sie ungefiltert als frische Zuluft genutzt werden kann. Außerdem ist darauf zu achten, dass die Umgebung nicht permanent höheren Schallemissionen ausgesetzt ist, die eine gegebenenfalls erforderliche permanente Lüftung verhindern würde. Nicht jeder Raum ist für eine freie Lüftung geeignet, so muss die Fensterfläche in Bezug auf die Raumgeometrie, also die Zuluft-Fläche in Bezug auf das Raumvolumen passen, dabei ist insbesondere auf den Kippwinkel der Fenster zu achten. Bei der Verwendung einer freien Lüftung ist es ebenfalls nicht möglich, Einfluss auf den Zustand der Luft zu nehmen, mit der Folge, dass auch kein Einfluss auf die Behaglichkeit im Raum genommen werden kann. Ebenfalls ist fast immer eine nutzerabhängige Lüftung möglich, wobei die freie Lüftung meistens bei Wohnobjekten oder Räumen, die während ihrer Nutzung ständig besetzt sind, eingesetzt wird.

Zur Festlegung, ob eine freie Lüftung im Wohngebäude bzw. in der jeweiligen Nutzungseinheit ausreichend ist, ist das Verhältnis von Infiltrationsvolumenstrom, also dem Volumenstrom der durch Undichtigkeiten in der Gebäudehülle erzeugt wird, zum Volumenstrom zum Feuchteschutz, dabei muss der Infiltrationsvolumenstrom stets größer sein als der zum Feuchteschutz benötigte Volumenstrom. Da der Volumenstrom zum Feuchteschutz eine nutzerunabhängige Größe ist, die unter allen Umständen gewährleistet werden muss, daher gilt:

{\dot {V}}_{\text{Infiltration}}>{\dot {V}}_{\text{Luftwechsel zum Feuchteschutz}}

Ist es nicht möglich, den Feuchteschutz durch Infiltration zu gewährleisten, so ist eine maschinelle Lüftung erforderlich.

Frei Lüftung durch Fenster und Türöffnungen

Wohngebäude

In Wohngebäuden teilt man die freie Lüftung laut DIN 1946-6 in verschiedene Stufen ein:

Lüftung zum Feuchteschutz (LF)

Dies ist der mindesterforderliche Luftwechsel, um Feuchtigkeitsschäden im Gebäude zu verhindern. Dieser muss dauerhaft und nutzerunabhängig gewährleistet sein. Zumeist wird die Lüftung zum Feuchteschutz durch den Infiltrationsvolumenstrom, also durch den Volumenstrom durch Undichtigkeiten in der Gebäudehülle, sichergestellt. Ist dies nicht der Fall, so ist eine maschinelle Lüftung erforderlich.

Reduzierte Lüftung (RL)

Die Reduzierte Lüftung ist die notwendige Lüftung, um die hygienischen Bedingungen, d. h. CO₂-Konzentration und den Feuchtegehalt im Raum, unter üblichen Nutzungsbedingungen bei teilweise reduzierten Feuchte- und Stofflasten nutzerunabhängig zu gewährleisten.

Nennlüftung (NL)

Notwendige Lüftung zur Gewährleistung der hygienischen Anforderungen sowie des Bautenschutzes. Die Nennlüftung wird während des Normalbetriebs, also der Anwesenheit der Nutzer gefordert, eine teilweise durch den Nutzer durchgeführte Fensterlüftung wird vorausgesetzt.

Intensivlüftung (IL)

Die Intensivlüftung ist eine Lüftung, die zeitweilig einen erhöhten Volumenstrom zur Verfügung stellt; sie wird zum Abbau von Lastspitzen im Raum benötigt.

Abluftsystem mit Zentralventilator und Außenluftzufuhr durch Fenster und Türöffnungen

Nicht-Wohngebäude

Die Anforderungen an eine Lüftungsanlage in Nicht-Wohngebäuden bzw. in Arbeitsstätten wird in der Arbeitsstättenrichtlinie dargestellt. In der ASR 3.6 wird die freie Lüftung dabei in zwei unterschiedliche Systeme unterteilt:

System I

System I beschreibt eine einseitige Lüftung mit Zu- und Abluftöffnungen in einer Außenwand, wobei eine gemeinsame Öffnung für Zu- und Abluft zulässig ist. Dies beschreibt die einfachste Form der freien Lüftung, zumeist die Fensterlüftung. Der große Vorteil ist, dass die Lüftung von den Nutzern selbst bestimmt werden kann.

System II

System II beschreibt eine Querlüftung mit Öffnungen in gegenüberliegenden Außenwänden oder in einer Außenwand und der Dachfläche.

Welcher der beiden System-Typen vorliegt, unterscheidet sich von Gebäude zu Gebäude, es ist allerdings immer darauf zu achten, dass die notwendigen Öffnungsflächen zum Luftwechsel gewährleistet sind. Bei der Auslegung von Fenstern als Öffnungsflächen ist das Augenmerk insbesondere auf den Kippwinkel zu legen. Nutzt man Fenster zu einer Kontinuierlichen Lüftung, so legt man zu Grunde, dass diese auf „Kipp“ geöffnet sind, die Öffnungsfläche setzt sich dabei wie folgt zusammen.

Anschauliches Erläuterung für die Berechnung von Nachströmöffnungen bei gekippten Fenstern.

A_{\text{kipp}}=a\cdot (B+H)

Bei einer Stoßlüftung geht man davon aus, dass der Nutzer das Fenster vollständig öffnet; somit wird die volle Fensterfläche als Öffnungsfläche angesehen:

A_{\text{Stoß}}=B\cdot H

Kann die Mindestöffnungsfläche zur Kontinuierlichen Lüftung nicht erreicht werden, so wird eine maschinelle Lüftung notwendig.

Maschinelle Lüftung

Können die oben genannten Anforderungen für eine freie Lüftung nicht realisiert werden, so wird eine maschinelle Lüftung eingesetzt. Dies ist vor allem in vielen modernen Gebäuden, die nach EnEV-Standard gebaut werden, der Fall, da diese durch ihre hohe Dichtigkeit den notwendigen Infiltrationsvolumenstrom nicht mehr erreichen.

Tabelle Luftwechselrate und Mindestluftvolumenstrom pro Person in Räumen und Gebäuden

	Min	Max
Raum/ Gebäude	Luftwechselrate¹ [1/h]		Mindestluftvolumenstrom pro Person² in [m³/(h·Person)]	Technisches Regelwerk³
Wohngebäude / Wohnräume	0,5	3,6		DIN 13779 (nicht mehr gültig)/ EN 12831
Wohngebäude mit maschineller Be- und Entlüftung	>1			DIN 13779 (nicht mehr gültig) / EN 12831
Wohngebäude >3 Stockwerke	>2			DIN 13779 (s. o.)/ EN 12831
Küchen	1,5			DIN 13779 (s. o.)/ EN 12831
Badezimmer	1,5			DIN 13779 (s. o.)/ EN 12831

Hörsäle		6-8		DIN EN 16798 Teil 3 ASR 3.6
Klassenzimmer	2			DIN EN 16798 Teil 3 ASR 3.6
Büros	1	4-8		DIN EN 16798 Teil 3 ASR 3.6

Kino		5–8		VDI 2082
Gaststätten		4–8	40–60	VDI 2082
Verkaufsräume		4–8		VDI 2082
Turnhallen		4–6
Werkstätten	4–6	10–20		VDI 2082

Gewerbliche Küchen		15–30	6–60	VDI 2052
Fisch- und Fleischvorbereitung			25	VDI 2052
Gemüse- und Salatvorbereitung			25	VDI 2052
Kalte Küche			6–10	VDI 2052
Lagerung			6 m³/(h·m²)	VDI 2052
Verteilräume			60	VDI 2052

Schwimmhalle				VDI 2089
Eingang				VDI 2089
Duschen / Sanitäranlagen		15–25		VDI 2089

Labor	2–5	8–15		VDI 2051
Chemikalienräume		5		VDI 2051
Druckgasflaschenräume		2		VDI 2051

Krankenhaus		5–8	Maßnahmen	DIN 1946- 4
OP	-			DIN 1946- 4
OP mit Gasanwendung			40+ 150 je Patient	DIN 1946- 4
Angrenzende Räume			40	DIN 1946- 4
Patientenzimmer			40+ 100 je Patient	DIN 1946- 4


Eissportanlage mit Zuschauern / Mehrzweckhalle		4–6	30–40	VDI 2075
Eissporthalle ohne Zuschauer	1,5		30–40	VDI 2075
Duschen		15–25		VDI 2075
Aufenthaltsräume / Versammlungsräume				VDI 2075
Umkleiden		6–8	50	VDI 2075
Konditionsräume		4–6		VDI 2075
Pistenbar			50	VDI 2075
Gastronomie			50	VDI 2075

1 Praxis empfohlene Werte

² Nach DIN EN 1946- 2

³ Beinhaltet genaue Berechnungsgrundlagen

Berechnungsbeispiel

Um die oben aufgeführten theoretischen Grundlagen nun einmal mit Zahlenwerten zu stützen, soll die folgende Berechnung angenommen werden:

In einer Gaststätte mit Speiseraum soll der Mindestluftwechsel erreicht werden. Das Gebäude hat eine Grundfläche von 160 m² (T = 8 m und L = 20 m) und eine lichte Raumhöhe von 3 m. Es wird angenommen, dass sich maximal 120 Personen in der Gaststätte aufhalten. Ein besonderes Augenmerk soll dabei auf die Raumluftqualität gelegt werden, sodass die maximale CO₂-Konzentration bei 1000 ppm liegt.

Berechnungsverfahren 1: CO₂-Bilanz nach ASR A3.6 und der daraus resultierende Außenluftvolumenstrom

Um eine gute Raumluftqualität zu gewährleisten, muss die CO₂-Konzentration in der Raumluft geringgehalten werden. Nach ASR A3.6 liegt die Obergrenze bei 1000 ppm.

Erstellt man auf der Grundlage dieser Vorschrift eine CO₂-Bilanz unter der Annahme, dass jede Person 15 l/h CO₂ in den Raum einträgt und die zugeführte Außenluft (SUP) eine CO₂-Konzentration von 400 ppm (gemittelter Wert für die Außenluft in deutschen Städten) enthält, ergibt sich folgende Bilanz:

C_{\text{CO2 Ausstoß pro Person}}\cdot n_{\text{Personenanzahl}}+{\dot {V}}_{\text{Zuluft}}\cdot C_{\text{CO2 Außen}}={\dot {V}}_{\text{Abluft}}\cdot 1000\,\mathrm {ppm}

{\dot {V}}_{\text{Zuluft}}={\dot {V}}_{\text{Abluft}}

{\dot {V}}_{\text{Abluft}}={\frac {15l/(h\cdot Person)\cdot 10^{-3}\cdot 120\,{\text{Personen}}}{(1000-400)\cdot 10^{-6}}}

{\dot {V}}_{\text{Abluft}}=3000\,\mathrm {m^{3}/h}

Berechnungsverfahren 2: Außenluftvolumenstrom nach DIN EN 13779

Um die Forderung von $C_{CO_{2}}$ ≤1000ppm einzuhalten, ist nach DIN EN 13779 Tab. A.10 die Raumluftqualität nach Kategorie IDA 3 anzusetzen, Tab. A.11 entspricht die Kategorie einem Außenluftvolumenstrom von 6 l/s·Person, und damit ergibt sich nach DIN EN 13779 folgender Volumenstrom

{\dot {V}}_{IDA3}=n_{\text{Personen}}\cdot {\dot {V}}_{\text{Abluft pro Person}}

{\dot {V}}_{IDA3}=\ 120\,{\text{Personen}}\cdot 6l/(s\cdot {\text{Person}})\cdot 3{,}6\,\mathrm {(m^{3}\cdot s)/(l\cdot h)}

{\dot {V}}_{IDA3}=2592\,\mathrm {m^{3}/h}

Berechnungsverfahren 3: Außenluftvolumenstrom nach DIN EN 13779 Vorgänger DIN 1946-2

Nach dem hin und wieder zitierten Vorgänger der DIN EN 13779, der DIN 1946-2, wird der Außenluftvolumenstrom mit 40 m³/h pro Person angenommen. Daraus resultiert folgender Volumenstrom

{\dot {V}}=n_{\text{Personen}}\cdot {\dot {V}}_{\text{pro Person}}\,\mathrm {m^{3}/(h\cdot Personen)}

{\dot {V}}=120\,{\text{Personen}}\cdot 40\,\mathrm {m^{3}/(h\cdot Person)}

{\dot {V}}=4800\,\mathrm {m^{3}/h}

Berechnungsverfahren 4: Außenluftvolumenstrom mit Hilfe von Luftwechselraten aus Erfahrungswerten

In diverser Literatur findet man Erfahrungswerte aus der Praxis. Bei diesen Werten wird das Raumvolumen anhand seiner Nutzung mit einem bestimmten Luftaustausch beaufschlagt. Der sogenannten Luftwechselrate LWR, das Produkt aus Raumvolumen und Luftwechselrate, ergibt den benötigten Volumenstrom. Der Wert für die Gaststätte bzw. deren Speisesäle beträgt 8 1/h, und damit ergibt sich folgender Außenluftvolumenstrom:

{\dot {V}}=LWR\cdot V_{\text{Raum}}

{\dot {V}}=8\,\mathrm {1/h\cdot 480m^{3}}

{\dot {V}}=3840\,\mathrm {m^{3}/h}

Vergleich der Berechnungsverfahren

Prozentuale Abweichung der Mindestvolumenströme in Bezug zur CO₂-Bilanz

Entscheidung, freie Lüftung oder maschinelle Lüftung?

Nimmt man nun den nach ASR 3.6 berechneten Außenluftvolumenstrom von $3000\,\mathrm {m^{3}/h}$ an und eine Raumgeometrie von (T = 8 m und L = 20 m) bei gegenüberliegenden Fenstern an, so ist nach ASR 3.6 Tab.3 zunächst einmal eine freie Lüftung zulässig. Nimmt man Standardfenster der Größe B = 1 m und H = 1,2 m bei einem Öffnungsspalt von a = 11 cm an und berechnet daraus die notwendige Anzahl an Fenstern:

A_{\text{Notwendig}}=n_{\text{Personen}}\cdot 0{,}2\,\mathrm {m} ^{2}

A_{\text{Notwendig}}=120\cdot 0{,}2\,\mathrm {m} ^{2}

A_{\text{Notwendig}}=24\,\mathrm {m} ^{2}

A_{\text{kipp}}=a\cdot (B+H)

A_{\text{kipp}}=0{,}11\,\mathrm {m\cdot (1\,m+1{,}2\,m)}

A_{\text{kipp}}=0,242m^{2}

n_{\text{Fenster}}={\frac {A_{\text{Notwendig}}}{A_{\text{Fenster}}}}

n_{\text{Fenster}}=\mathrm {\frac {24m^{2}}{0,242m^{2}}}

n_{\text{Fenster}}=99{,}2\thickapprox 100\,{\text{Fenster}}

Selbst wenn man die Größe der Fenster deutlich erhöht:

Bsp. (B=5m, H=2m und a=20cm) $A_{\text{Fenster}}=\mathrm {0{,}2\,m\cdot (2m+5m)} =1{,}4\,\mathrm {m} ^{2}$

A_{\text{Notwendig}}=\mathrm {0{,}2\,m\cdot (2\,m+5\,m)}

A_{\text{Notwendig}}=1{,}4\,\mathrm {m} ^{2}

n_{\text{Fenster}}=\mathrm {\frac {120\cdot 0,2\,m^{2}}{0{,}2m\cdot (5\,m+2\,m)}}

n_{\text{Fenster}}=17{,}2\thickapprox 18\,{\text{Fenster}}

Plausibilität: Bei der vorgefundenen Raumgeometrie und der Anordnung der Fenster ist eine freie Lüftung nicht umsetzbar und eine maschinelle Lüftung notwendig.

Quellen

Arbeitsstätten Richtlinie 3.6
DIN EN 13779 ersetzt durch DIN EN 15251
DIN 1946-2
DIN 1946-6
EnEV 2014 (nicht amtliche Fassung)
Recknagel – Taschenbuch für Heizung + Klimatechnik 77. Ausgabe 2015/16

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