Moderne Gebäude werden dichter als je zuvor gebaut, was sich positiv auf die Energieeffizienz auswirkt, aber zu einem echten Problem der Luftqualität in Innenräumen führt, wenn die mechanische Belüftung nicht richtig ausgelegt ist. Die ASHRAE-Standards 62.1 und 62.2 legen die Mindestaußenluft fest, die den Aufenthaltsräumen zugeführt werden muss, um von den Bewohnern verursachte Schadstoffe und die Ausgasung von Baumaterialien zu verdünnen. Wenn Sie wissen, wie diese Anforderungen berechnet werden, können Sie HLK-Systeme entwerfen, die den Vorschriften entsprechen und die Gesundheit der Bewohner gewährleisten.
Warum in engen Gebäuden eine mechanische Belüftung erforderlich ist
Bevor moderne Energievorschriften die Gebäudehüllen verschärften, waren Wohn- und Gewerbegebäude auf die natürliche Infiltration durch Lücken in der Struktur angewiesen, um für frische Luft zu sorgen. In einem undichten Haus aus den 1970er Jahren kam es möglicherweise zu einem natürlichen Luftwechsel von 0,5 bis 1,0 pro Stunde, was unbeabsichtigt und ohne mechanische Hilfe zu einer erheblichen Verdünnung der Außenluft führte. Als die Gebäude immer dichter wurden – mit besseren Fenstern, versiegelten Durchdringungen, Haushüllen und durchgehenden Luftbarrieren – sank die natürliche Infiltration bei gut gebauten, den Vorschriften entsprechenden Bauweisen auf 0,1–0,2 ACH oder weniger. Bei diesen niedrigen Werten reichert sich das von den Bewohnern erzeugte Kohlendioxid in Konzentrationen an, die die kognitiven Funktionen beeinträchtigen, VOCs aus Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen erreichen ungesunde Konzentrationen und Feuchtigkeit aus Kochen, Baden und Atmen führt zu Kondensation und Schimmelbildung. ASHRAE 62.2 für Wohngebäude und 62.1 für Gewerbegebäude definieren die minimale mechanische Außenluft, die die Infiltration ersetzen muss, die eine dichtere Konstruktion nicht mehr auf natürliche Weise bietet. Beide Standards werden durch Verweis in die International Building Code und International Residential Code übernommen, wodurch ihre Mindestlüftungsanforderungen in den meisten US-Gerichtsbarkeiten und vielen internationalen Märkten gesetzlich vorgeschrieben sind.
Wie ASHRAE 62.2 für Privathaushalte funktioniert
ASHRAE 62.2 verwendet eine einfache Formel mit zwei Komponenten. Die flächenbezogene Komponente – 0,01 CFM pro Quadratfuß konditionierter Bodenfläche – berücksichtigt die Ausgasung von Teppichen, Farben, Klebstoffen und Möbeln, die unabhängig davon auftritt, wie viele Personen das Haus bewohnen. Die belegungsbasierte Komponente – 7,5 CFM pro Person, wobei die Anzahl der Personen als Schlafzimmer plus eins geschätzt wird – deckt CO₂, Körpergeruch und andere von den Bewohnern verursachte Schadstoffe ab. Für ein typisches 2.000 Quadratfuß großes Haus mit 3 Schlafzimmern beträgt die erforderliche Belüftungsrate kontinuierlich 0,01 × 2.000 + 7,5 × 4 = 50 CFM. Dies kann durch einen kontinuierlich laufenden Abluftventilator, einen Zuluftventilator, der zum Rücklauf des HVAC-Systems geleitet wird, oder einen Ventilator mit ausgeglichener Wärmerückgewinnung (HRV) oder Ventilator mit Energierückgewinnung (ERV) erfolgen. Ein HRV oder ERV gewinnt 60–80 % der Energie in der Abluft zurück und reduziert so die Heiz- oder Kühlkosten der Lüftung drastisch. Alternativ zum Dauerbetrieb erlaubt die Norm auch einen intermittierenden Betrieb bei höheren Durchflussraten.
Wie ASHRAE 62.1 für Gewerbegebäude funktioniert
ASHRAE 62.1 verwendet das Ventilation Rate Procedure (VRP), das den Außenluftbedarf basierend auf der Belegung und der Bodenfläche berechnet und dann anpasst, wie effektiv das Versorgungssystem die Bewohner mit Frischluft versorgt. Der Außenluftstrom der Atemzone (Vbz) entspricht Rp × Pz + Ra × Az, wobei Rp die Außenluftrate pro Person in CFM pro Person ist (variiert von 5 cfm/Person für Büros bis 10 cfm/Person für Konferenzräume), Pz die Spitzenbelegung in der Zone ist, Ra die Außenluftrate pro Fläche in CFM pro Quadratfuß ist (typischerweise 0,06 cfm/Quadratfuß für Büros) und Az die Bodenfläche der Zone ist Bereich. Der Zonenaußenluftstrom (Voz) ist dann Vbz dividiert durch die Zonenluftverteilungseffektivität Ez. Ez beträgt 1,0 für Standard-Deckenversorgungs- und Deckenrückführungssysteme, 0,8 für Bodenversorgungssysteme oder wenn die Vorlauftemperatur im Heizbetrieb unter der Raumtemperatur liegt, und bis zu 1,2 für Verdrängungslüftungssysteme. Ein niedrigerer Ez-Wert bedeutet, dass die Zuluft weniger effektiv gemischt wird, sodass mehr Außenluft zugeführt werden muss, um die erforderliche Atemzonenkonzentration zu erreichen.
Die Energiekosten der Außenluft
Jeder Kubikfuß pro Minute Außenluft, der in ein Gebäude gelangt, muss thermisch auf Raumtemperatur gebracht werden, bevor die Bewohner ihn einatmen. In einem kalten Klima bedeutet das, die Außenluft im Winter von 10 °F auf 70 °F zu erwärmen – ein Temperaturanstieg von 60 °F, der erhebliche Heizenergie verbraucht. In einem heißen, feuchten Klima bedeutet dies sowohl Kühlung als auch Entfeuchtung heißer Außenluft. Diese Konditionierungslast wird als Lüftungslast bezeichnet und kann in dicht gebauten Gewerbegebäuden 20–40 % des gesamten HVAC-Energieverbrauchs ausmachen. Lüftung mit Energierückgewinnung – der Einsatz eines HRV oder ERV, um der Abluft Wärme und Feuchtigkeit zu entziehen und sie an die einströmende Außenluft zu übertragen – ist die effektivste Möglichkeit, den Lüftungsbedarf zu decken, ohne die vollen Konditionierungskosten zu zahlen. ERVs übertragen sowohl sensible Wärme als auch Feuchtigkeit, wodurch sie in feuchten Klimazonen besonders effektiv sind. HRVs übertragen nur sensible Wärme und eignen sich besser für kaltes, trockenes Klima, in dem die Befeuchtung im Winter Priorität hat. Ein gut konzipiertes ERV oder HRV kann 70–80 % der thermischen Energie zurückgewinnen, die andernfalls verbraucht würde, wodurch der Energieaufwand für die Lüftung auf einen kleinen Bruchteil der unkonditionierten Kosten reduziert wird.
Häufige Fehler bei der Lüftungsplanung
Mehrere wiederkehrende Konstruktionsfehler führen dazu, dass Lüftungssysteme entweder nicht den Vorschriften entsprechen oder unnötig hohe Energiekosten verursachen. Der häufigste Fehler im Wohnungsbau besteht darin, einen Badabluftventilator zu installieren, ihn als Lüftungssystem zu bezeichnen und ihn dann auf einem manuellen Schalter zu belassen, den die Bewohner nie benutzen. ASHRAE 62.2 erfordert einen kontinuierlichen oder programmierten automatischen Betrieb – ein manuell betriebener Ventilator gilt nicht als konformes Lüftungssystem, es sei denn, er verfügt über eine Zeitschaltuhr oder Steuerung, die eine minimale Laufzeit gewährleistet. In gewerblichen Gebäuden besteht ein häufiger Fehler darin, die Außenluftklappe und das Versorgungssystem nur für die geplante Belegung zu dimensionieren, ohne Teillastbedingungen zu berücksichtigen, bei denen die belegungsbasierte Mindestlüftung mit der tatsächlichen Belegung modulieren sollte. Eine bedarfsgesteuerte Lüftung (DCV) mithilfe von CO₂-Sensoren kann in Zeiten geringer Belegung die Außenluft reduzieren und so erhebliche Energieeinsparungen ohne Einbußen bei der Luftqualität ermöglichen. Ein weiterer häufiger Fehler besteht darin, Außenlufteinlässe in der Nähe von Abluftauslässen, Parkplätzen oder Laderampen zu platzieren, wodurch die Zuluft an der Quelle verunreinigt wird. ASHRAE 62.1 legt Mindestabstände und vorherrschende Windrichtungen fest, die bei der Platzierung der Ausrüstung berücksichtigt werden müssen.