4.4 Luftwechsel und Schadstofftransport

4.4.1 Luftwechselgetragener Feuchteaustausch und Feuchtespeicherung ⓘ

In bewohnten Räumen sind immer Feuchtequellen vorhanden, die zu einem Anstieg der Raumluftfeuchte beitragen (siehe Tab. 4.2). Je nach Belegung und Aktivitäten wird eine Wohnung mit mehreren Litern Wasser pro Tag belastet. Die produzierte Feuchtigkeit wird hauptsächlich durch den Luftaustausch mit der Umgebung abgeführt. Beispielsweise beträgt die Entfeuchtungsleistung durch Luftaustausch für eine Wohnung mit 100 m² Wohnfläche bzw. 250 m³ Wohnraum bei einer mittleren Luftwechselzahl n_a = 0.5 h^-1 und einer Luftfeuchtedifferenz innen-aussen von 4 g/m³ (Wintersituation) rund 12 Liter pro Tag. Mit einer angenommenen Aussenfläche von 100 m² und einem mittleren Diffusionswiderstand s_d,Wand = 4 m werden hingegen nur etwa 0.2 Liter pro Tag durch Diffusion abgeführt. Diffusionsvorgänge durch die Aussenwände spielen in der Tages-Feuchtebilanz eines Raumes eine untergeordnete Rolle.

Zunehmende Dichtigkeit der Gebäudehülle, speziell als Folge moderner Fenstersysteme, führt vermehrt zu Kondensat- und Schimmelpilzproblemen. Je nach Benutzerverhalten und klimatischen Randbedingungen treten zudem grosse tageszeitliche Schwankungen der Raumluftfeuchte auf, die durch eine rein stationäre Betrachtungsweise nicht mehr erklärt werden können (Abb. 4.18).

Obwohl im Beispiel (vgl. Abb. 4.18, Grafik 3) das Badezimmer nach dem Duschen gut belüftet wurde, steigt anschliessend die Raumluftfeuchte trotz abgeschalteter Feuchtebelastung – ein Indiz, dass Feuchtespeichereffekte (Sorption und Desorption) mitbeteiligt sind.

Die momentane Feuchtebilanz an einem Ein-Zonen-Raummodell unter den vereinfachenden Annahmen:

keine Koppelung zwischen Wärme- und Feuchtetransport,
räumlich konstanter Feuchtegehalt und
Luftaustausch nur gegenüber Aussenklima

lässt sich folgendermassen beschreiben (siehe Abb. 4.17):

Die im Raum vorhandenen Feuchtequellen G_int und eine zu geringe Luftwechselzahl n_a sind häufig die Hauptursachen für eine zu hohe Feuchtebelastung der Raumluft. Mit einer Erhöhung des Feuchtespeichervermögens der Raumumschliessungsflächen (Sorption/Desorption) G_sor können die Maxima der rel. Raumluftfeuchte reduziert werden.

Der Sorptions-/Desorptionsterm, der den Dampftransport zwischen Materialoberflächen und Luft im Innenraum erfasst, kann allgemein geschrieben werden als:

(4.13)

Abbildung 4.17: Vereinfachtes Feuchtebilanzmodell eines Einzelraumes

Der Wasserdampftransport in den Materialschichten k, aus dem sich der Wasserdampfdruck an der Oberfläche ergibt, ist im Allgemeinen schwierig und/oder ungenau erfassbar [4.5]. Es sind zwar Rechenverfahren vorhanden, aber oft sind die tatsächlichen Schichtaufbauten, Schichtstärken, Materialeigenschaften usw. nicht genau bekannt. Es ist daher angezeigt, die Feuchtespeicherwirkung von Raumumschliessungsflächen und allenfalls weiteren Objekten wie Bücherregalen, Möbeln, Textilien usw. in vereinfachter Form zu berücksichtigen.

Abbildung 4.18: Feuchteemission und Lüftungsstrategien in Feuchträumen :

1 Kochen, Küchentür geschlossen

2 Kochen, Küchentür offen; restliche Wohnzimmertüren geschlossen

3 Duschen, Badezimmertür geschlossen

Zyklische Feuchtesprungantwort (Nordtest-Verfahren)

Zur direkten Charakterisierung des dynamischen Feuchtespeichervermögens bietet sich die gravimetrische Messung der Feuchteaufnahme und -abgabe einer definierten Materialfläche oder eines Objekts während einer zyklischen, sprungartigen Luftfeuchteänderung an. Die Messung kann in einer Klimakammer leicht durchgeführt werden und schliesst praktische Effekte wie Feuchteübergang, Beschichtungen, mehrschichtige Materialien, beschränkte Schichtdicke usw. mit ein.

Neben anderen Definitionen liegen aus dem Nordtest-Verfahren [4.25] verschiedene Materialdaten vor (vgl. Abb. 4.19, Tab. 4.6). Dabei wird die dynamische Feuchtespeicherkapazität, der sog. Moisture Buffer Value (MBV), während eines wiederholten 24-Stunden-Feuchtezyklus, 8 Stunden hohe Feuchte (75 % r. F.), 16 Stunden tiefe Feuchte (33 % r. F.), im eingeschwungenen Zustand wie folgt bestimmt:

(4.14)

Für nichtflächige Objekte wird der MBV analog bestimmt, jedoch ohne Flächenbezug. Der MBV ist ein gutes Mass dafür, wie viel Feuchtigkeit eine Materialschicht bei tagesperiodischen Schwankungen der Raumfeuchte aufnehmen und abgeben kann.

Abb. 4.19: Masseänderung von Baustoffen im Nordtest-Verfahren

Zur Charakterisierung der Speicherfähigkeit von Materialien sind für die Nordtestbedingungen 5 Klassen definiert (siehe Tab. 4.3). Als gute Speicherfähigkeit gilt MBV ≥ 1.0 g/(m² · % r. F.).

Vereinfachtes MBV-Raumfeuchtemodell

Bekannte Speicherkapazitäten erlauben eine grobe Abschätzung der Raumfeuchteschwankungen bei bekannten Feuchtequellen und Luftwechselzahl unter der Annahme, dass die aktiven Materialschichten im Gleichgewicht sind mit der Raumluftfeuchtigkeit. Da bei einer kontinuierlichen Raumfeuchteänderung im Zeitmittel nur etwa die halbe Luftfeuchtedifferenz zwischen Anfangs- und Endwert auf die Materialschicht wirkt, ergibt sich in zeitabhängigen Berechnungen eine gute Übereinstimmung, wenn effektive Speicherwerte MBV_eff= MBV/2 verwendet werden (Abb. 4.20):

(4.15)

und die Feuchtebilanz des Raums wird

(4.16)

Die Feuchtespeicherung der Oberflächen wirkt neben dem Raumluftvolumen V_R wie ein zusätzliches, sorptionsäquivalentes Luftvolumen V_sor zur Aufnahme von Feuchtigkeit. Beim Einschalten einer konstanten Feuchtequelle G_int zur Zeit t = 0 (vorher Feuchtegleichgewicht) ergibt sich folgender zeitlicher Verlauf der volumenbezogenen Luftfeuchte υ_i(t) im Raum (« Ladekurve », vgl. dazu Abb. 4.19):

(4.17)

Das grössere Luftspeichervolumen bzw. die reduzierte « Feuchtewechsel » n^*_a bewirkt einen langsameren Feuchteanstieg, wobei nach langer Zeit derselbe (stationäre) Endwert erreicht wird wie ohne Speichermaterialien. Für t ≫ t_Nordtest (8 h) wird die Speicherwirkung unterschätzt, da nur die im Nordtest angesprochene Materialschicht berücksichtigt wird. Umgekehrt wird für t ≪ t_Nordtest die Speicherwirkung überschätzt, da das Speichervolumen sofort ohne Widerstand geladen wird.

In Tabelle 4.4 ist exemplarisch der berechnete zeitliche Anstieg der rel. Raumluftfeuchte für eine Raumsituation mit verschiedenen sorptionsfähigen Oberflächen und Luftwechselszenarien dargestellt.

Einfluss einer Beschichtung

Der Oberflächenwiderstand s_d, coat einer zusätzlichen Beschichtung (vgl. Tabelle 4.5) kann die Pufferwirkung von Materialien stark reduzieren. Für die Nordtest-Situation lässt sich der Einfluss einer Beschichtung auf den Moisture Buffer Value wie folgt bestimmen (vgl. Formel 4.18):

(4.18)

Für p_sat = 2500 Pa, t_Nordtest = 8 h und δ_a=
0.7·10^-3g/(h·m·Pa) gilt:

Widerstand-/Kapazitätenmodell (RC-Modell)

Für genauere Berechnungen bewährt sich ein Widerstand-/Kapazitätsmodell [4.26], welches einen zeitlich veränderlichen mittleren Feuchtezustand einer aktiven Materialschicht mit Speicherkapazität und Schichtwiderstand berücksichtigt. Die Eindringtiefen hängen grundsätzlich wurzelförmig von der Zeitperiode der Feuchteschwankungen ab. Typische Eindringtiefen für tageszyklische Feuchtelasten liegen im Bereich von einigen Millimetern.

Für ein flächiges Material k wird die zeitliche Änderung der Schichtfeuchtigkeit beschrieben durch:

(4.19)

Die Materialdaten können ebenfalls aus dem Nordtest-Versuch hergeleitet werden: Durch Anpassung der Masseänderung ∆m_k und der Zeitkonstanten τ_k in der allgemeinen Ladefunktionsgleichung an die vorhandenen Messwerte (« Ladekurve » vgl. Abb. 4.19)

(4.20)

lassen sich direkt die kurzzeitige, auf die absorbierende Fläche A_sor bezogene Feuchtespeicherkapazität d_k ∙ σ_k in g/m² sowie der entsprechende Feuchteübergangskoeffizient β_k in g/(h∙m²∙Pa) wie folgt bestimmen:

(4.21)

Die ausgewerteten Daten für die in Abb. 4.19 dargestellten Messungen an verschiedenen Materialien sind in Tab. 4.6 zusammengestellt.

Abbildung 4.20 zeigt die Rechenergebnisse für das Ein-/Ausschalten einer Feuchtequelle für den leeren Raum, für das Handrechenverfahren mit dem sorptionsäquivalenten Luftvolumen unter Verwendung des effektiven Speicherwerts MBV_eff, für das Widerstand-/Kapazitätsmodell (RC) und für die korrekte Diffusionsberechnung. In Abbildung 4.21 ist der Verlauf der relativen Luftfeuchte eines Raumes mit einer zweiteiligen Feuchtelast (Vor-/Nachmittag) während zwei Tagen für die verschiedenen Rechenverfahren dargestellt. Die Rechenmodelle zeigen vergleichbare Spitzenwerte für die Raumluftfeuchte, welche durch die Speicherwirkung der Materialfläche deutlich reduziert wird. Die Zeitverläufe des RC- und Diffusionsmodells stimmen gut überein, während beim vereinfachten Speichermodell (MBV_eff) grössere Abweichungen auftreten.

4.4.2 Lufterneuerung/Luftqualität/Lüftungswirksamkeit

Raumfeuchteverlauf nach Einschalten einer Feuchtequelle Gint = 200 g/h während 8 Stunden. Übrige Daten: VR = 60 m3, na = 0,25 h–1, Asor = 20 m2, MBV = 1,6 g/(m2 · % r. F.), sd,B = 0

Abbildung 4.20: Raumfeuchteverlauf nach Einschalten einer Feuchtequelle G_int = 200 g/h während 8 Stunden. Übrige Daten: V_R = 60 m³, n_a = 0,25 h^–1, A_sor = 20 m², MBV = 1,6 g/(m² · % r. F.), s_d,B = 0

Eine der Hauptaufgaben der Lüftung besteht darin, alte, verbrauchte Luft und Schadstoffemissionen in einer Nutzungszone durch frische, unbelastete Luft wirksam und mit minimalem Energieaufwand zu ersetzen. Als einfachste Beschreibungsgrösse einer raumumfassenden Lüftung dient die Luftwechselzahl (n_a), unter der Voraussetzung, dass sich Raum bzw. Gebäude wie vollständig durchmischte Volumina verhalten. Diese Grösse eignet sich besonders, um den durch unkontrolliertes Ein-/Ausströmen von Luft durch Schlitze, Risse und Fugen entstehenden Energieverbrauch abzuschätzen.

Andererseits ist aber ein derartiger « räumlicher », z. T. auch zeitlicher Mittelwert nicht geeignet, um Qualitäts-/Sicherheitsaspekte der Lüftung in einer Nutzungszone in Bezug auf lokale Frischluft oder lokalen Schadstoffabtransport brauchbar zu beschreiben (vgl. Abb. 4.22).

Eine effiziente Lüftung muss in der Lage sein, in der Aufenthaltszone

Abbildung 4.21: Zeitverlauf der relativen Luftfeuchte
mit Feuchtelast G_int = 150 g/h (6 h), 0 g/h (2 h),
300 g/h (4 h), 0 g/h (12 h) im Tagesgang.
Übrige Daten: V_R = 60 m³, n_a = 0,33 h^–1, A_sor = 20 m², MBV = 1,6 g/(m² · % r. F.), s_d,B = 0,02 m

alte, verbrauchte Raumluft durch frische Aussenluft zu ersetzen und
Schadstoffe nahe der Emissionsquelle zu erfassen und gezielt abzuführen.

Zur Erfassung der eigentlichen Lüftungswirksamkeit sind sowohl Luftbewegung (integral) wie auch Durchmischung (partiell, einzelne Teilchen) mit zu berücksichtigen.

Anhand der Strömungsmuster lassen sich drei Extremfälle unterscheiden:

Verdrängungsströmung
Mischströmung und
Kurzschlussströmung

Für die Qualität des Luftaustausches und der Schadstoffabfuhr sind primär Verweilzeit der Luft und Verweilzeit der Schadstoffe im Raum entscheidend.

Das Verhältnis der idealen zur tatsächlichen durchschnittlichen Verweilzeit der Luft im Raum wird als Luftaustauschwirkungsgrad η_a definiert:

(4.22)

Nicht homogene Strömungsmuster und ungleiche Luftdurchmischung: obwohl in beiden Fällen eine räumlich gemittelte Luftwechselzahl von 1h–1 besteht, werden die Schadstoffkonzentrationen lokal sehr unterschiedlich abgebaut

Abbildung 4.22: Nicht homogene Strömungsmuster und ungleiche Luftdurchmischung: obwohl in beiden Fällen eine räumlich gemittelte Luftwechselzahl von 1h^–1 besteht, werden die Schadstoffkonzentrationen lokal sehr unterschiedlich abgebaut (Spurengasmessung, Konzentrationsabfallmethode; c(t) Konzentration Spurengas zum Zeitpunkt t)

Dabei entspricht die nominale Zeitkonstante τ_n (auch Nennzeitkonstante genannt) der kürzestmöglichen durchschnittlichen Verweilzeit der Luft im Raum (τ_n = 1/n_a, Verweilzeit gleich Aufenthaltsdauer der Luft im Raum zwischen Eintritt und Austritt). τ_a stellt die effektive durchschnittliche Verweilzeit aller Moleküle entsprechend dem Strömungsmuster dar (auch Luftaustauschzeit genannt).

Abbildung 4.23: Grundformen von idealisierten Raumströmungsmustern

τ_a ist bei der effektivsten aller Lüftungsarten, der Verdrängungslüftung (reine Kolbenströmung), am kürzesten:

(4.23)

Abbildung 4.24: Strömungspfade von Luftmolekülen ab Einlass bis zum Punkt P (Mittelwert der entsprechenden Laufzeiten → durchschnittliches Alter der Luft im Punkt P) und ab Zuluftöffnung bis zur Abluftöffnung (mittlere Strömungszeit → durchschnittliche Verweilzeit der Luft im Raum)

Bei vollständiger Durchmischung der in den Raum eintretenden Luft ist die effektive durchschnittliche Verweilzeit doppelt so lang [4.1]:

(4.24)

Es ist noch beizufügen, dass das Durchschnittsalter der Raumluft <τ> immer halb so gross ist wie die durchschnittliche Verweilzeit τ_a [4.3].

Der so definierte Luftaustauschwirkungsgrad macht aber nur eine Aussage in Bezug auf die Durchströmung des gesamten Raumes, nicht aber über das lokale Verhalten in der Aufenthaltszone.

Um die lokale Schadstoffentfernung zu erfassen, sind weitere Parameter erforderlich. Einige Schadstoffe sind mehr oder weniger gleichmässig im Raum verteilt und verhalten sich nahezu wie das Gros der strömenden Luft (passive Schadstoffe: Lufttransport ≙ Schadstofftransport). Andere Schadstoffe entwickeln aber ihr eigenes Schadstoffmuster, das sich mit dem der zirkulierenden Luft überlagert.

Wir definieren eine Wirksamkeit ε_V für den Schadstoffabtransport. Sie kann als Verhältnis von Verweilzeiten ausgedrückt werden, und zwar als Verhältnis der kürzestmöglichen Verweilzeit eines Zuluftpartikels (nominale Zeitkonstante τ_n) zur durchschnittlichen Verweilzeit eines von der Quelle im Raum ausgehenden Schadstoffpartikels (Umsatzzeit τ_V):

(4.25)

Abbildung 4.25: Unterschiedliche Strömungsmuster von Raumluft und Schadstoff

Diese Kenngrösse hängt nun nicht mehr nur vom vorliegenden Strömungsmuster, sondern auch noch vom Ort der Verunreinigungsquelle im Raum ab. ε_V kann aber auch direkt über entsprechende Verunreinigungskonzentrationen beschrieben werden:

(4.26)