IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 19/2001, Seite 30 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Heizungs- und Lüftungstechnik in Passivhäusern
Ergebnisse aus dem europäischen Demonstrationsprojekt CEPHEUS
Dr. Wolfgang Feist, Rainer Pfluger* Teil 1
Im Rahmen des Demonstrationsprojektes CEPHEUS wurden in den Jahren 1998 bis 2001 europaweit insgesamt 14 Bauprojekte mit 221 Wohneinheiten in Passivhausbauweise errichtet. Welche Heizungs- und Lüftungstechniken in diesen Gebäuden zum Einsatz kamen, beschreibt der nachfolgende Beitrag.
Als Passivhaus wird ein Gebäude bezeichnet, bei welchem die Wärmezufuhr im Winter sowie eine eventuelle Kühlung im Sommer allein mit der aus hygienischen Gründen erforderlichen Außenluft erfolgen kann ("Frischluftheizung"). Bei ca. 1 m3 Außenluft je Quadratmeter Wohnfläche bedeutet dies, dass die maximale spezifische Heizlast unter 10 W/m2 liegen muss. In Mitteleuropa setzt dies einen hervorragenden Wärmeschutz, Dreischeiben-Wärmeschutzverglasungen sowie eine hocheffiziente Wärmerückgewinnung voraus [Feist 2001]. Im Ergebnis haben Passivhäuser einen extrem niedrigen Jahresheizwärmebedarf unter 15 kWh/(m2 a). Passivhäuser können somit auch als 1-Liter-Häuser angesehen werden und sind eine konsequente Weiterentwicklung der Niedrigenergiehäuser.
Tabelle 1: Charakterisierung der Passivhäuser des CEPHEUS-Projektes | |
Zahl der Bauprojekte | 14 |
Zahl der Wohneinheiten | 221 |
Beteiligte Länder | Deutschland, Frankreich, Österreich, Schweden, Schweiz |
Typische U-Werte in W/(m2K) | UDA 0,08 bis 0,11 W/(m2K) |
Dreischeiben-Wärmeschutzverglasungen in gedämmten Fensterrahmen; | 0,75 bis 0,9 W/(m2K) |
Lüftungsanlagen, |
|
WRG 75% bis 85% CEPHEUS ist ein europäisches Demonstrationsprojekt für den Bau von kostengünstigen Passivhäusern; es wurden von 1998 bis 2001 an 14 Standorten zusammen 221 Wohneinheiten mit Passivhausstandard realisiert [Schnieders 2001]. Am Projekt beteiligt waren Deutschland, Österreich, Frankreich, Schweden und die Schweiz (Tabelle 1). Das Projekt wurde durch die Europäische Kommission im Rahmen des Thermieprogramms mit 40% der anrechenbaren Kosten gefördert (Projekt-Nummer BU/0127/97). Darüber hinaus haben einige Partner nationale Fördermittel erhalten. In allen CEPHEUS-Gebäuden ist ein sehr guter Wärmeschutz mit wärmebrückenfreier Gebäudehülle und innovativen Fenstern realisiert worden. Die Fenster lassen sich im Übrigen in allen Räumen öffnen.
Hocheffiziente Wohnungslüftungsanlagen
Die kontrollierte Wohnungslüftung ist bereits im Niedrigenergiehaus zum weit verbreiteten Standard geworden; sie ist dort für eine gute Raumluftqualität unverzichtbar. Der Planungsaufwand für die Luftführung ist bei einfachen Abluftanlagen relativ gering. Bessere Qualität wird mit balancierten Anlagen mit Zu- und Abluftführung erreicht [Michael 2001]. Will man den Passivhausstandard erreichen, so ist eine hocheffiziente Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung zwingend notwendig. Für Passivhaus-Lüftungsanlagen wurden bereits Planungsrichtlinien erarbeitet und Erfahrungen bei der Ausführungsplanung und dem Betrieb der Anlagen erläutert [Pfluger 1999]. Es kommen verschiedene Anlagenkonzepte in Betracht: Dezentrale Anlagen werden bevorzugt für Einfamilien- und Reihenhäuser eingesetzt; hier wird jede Wohnung jeweils über einen eigenen Wärmeübertrager versorgt. Bei zentralen Anlagen werden mehrere Wohneinheiten mit einem Wärmeübertrager versorgt. Im Volumenstrombereich über 1000 m3/h sind hochwertige Gegenstrom-Wärmeübertrager aus der Klimatechnik in verschiedensten Baugrößen verfügbar. Diese können entweder im Keller oder im Dachbereich bzw. einem separaten Technikraum angeordnet werden. Der notwendige Volumenstrom wird über jeweils nur einen Zu- bzw. Abluftventilator gefördert. Als semizentrale Anlagen werden Anlagen mit gemeinsamen Wärmeübertragern, aber dezentralen Ventilatoren bezeichnet [Otte 2000]. Diese Variante der zentralen Anlage nutzt die Vorzüge des geringeren Aufwandes gemeinsam genutzter Bauteile wie Wärmeaustauscher, Filter und evtl. Schalldämpfer, führt aber die Volumenstromregelung über die Einzelventilatoren aus, wodurch dem Wunsch der Bewohner nach Einfluss auf ihr System entgegengekommen wird. Wie die Erfahrungen gezeigt haben, sind alle Varianten für den Betrieb von Passivhäusern geeignet.
| Bilder 1 und 2: Die beiden deutschen CEPHEUS-Projekte sind eine Passivhaus-Siedlung in Hannover mit 32 Wohneinheiten (unten Architektur Rasch und Grenz) und soziale Geschosswohnungsbauten mit Passivhausstandard in Kassel (oben Architekturbüros HHS, ASP und Prof. Schneider). |
Luftführung
Bei der Planung der Luftführung geht man primär nicht von der Energieeffizienz aus, sondern stellt den eigentlichen Zweck der Lüftungsanlage in den Vordergrund: Die Außenluft soll möglichst vollständig in die Aufenthaltszone gelangen und Schadstoffe sollen möglichst rasch ohne Belästigung der Bewohner nach außen transportiert werden. Damit sind bereits die beiden wichtigsten Grundsätze für die Luftführung genannt: Kurzschlussströmungen müssen vermieden werden und eine gerichtete Durchströmung von den Zulufträumen (Wohn- und Schlafräume) hin zu den Ablufträumen (Funktionsräume: Bäder, WC usw.) sollte erreicht werden. Räume, die zwischen Ab- und Zulufträumen liegen, brauchen als Überströmzone keine eigenen Zu- und Abluftventile. Von Bedeutung ist nicht nur der Luftwechsel, sondern insbesondere der Luftaustauschwirkungsgrad. Mit Hilfe von Weitwurfdüsen unter der Zimmerdecke kann die Zuluft auch in der Nähe der Überströmöffnung eingebracht werden. Die Strömung legt sich dann an der Decke an und durchmischt sich später vollständig mit der Raumluft. Auf diese Weise kann mit einem relativ kurzem Zuluft-Kanalnetz gearbeitet werden, wenn die Anbindung an das Lüftungszentralgerät über Steigschächte im Gebäudekern geführt wird. Ein wichtiges Komfortkriterium für die Lüftungsanlage ist außerdem der Schallschutz [Pfluger 1999].
| Bild 3: Fließschema der Zu- und Abluftführung beim Passivhaus-Geschosswohnungsbau in Kassel. Die Zuluftkanäle übernehmen gleichzeitig die Funktion der Wärmeverteilung. |
Ein gutes Beispiel ist die Luftführung im CEPHEUS-Geschosswohnungsbau Kassel-Marbachshöhe: Hier gibt es Einzelventilatoren in den Wohnungen, aber einen zentralen Wärmeübertrager. Über vertikale Steigrohre, die im Deckenverguss durch die einzelnen Geschosse geführt wurden (Brandschutzklappen in jeder Deckenebene), werden jeweils 6 bzw. 8 Wohneinheiten über Zu- und Abluft mit einem zentralen Wärmeübertrager auf dem Dach verbunden. Die Luftführung innerhalb der Wohneinheiten konnte mit sehr kurzen Kanalnetzlängen realisiert werden. Zuluftkanäle und Schalldämpfer wurden hinter der abgehängten Decke im Flur untergebracht, Abluftkanäle und Schalldämpfer wurden hinter der abgehängten Decke im Bad integriert (Bilder 3 und 4).
| Bild 4: Einfache Kanalführung in der abgehängten Decke: Da die Luftführung zu den einzelnen Wohnräumen mittels flexibler Schalldämpfer erfolgt, werden Geräuschprobleme vermieden. |
Erdreich-Wärmeaustauscher
Erdreich-Wärmeaustauscher (EWT) bilden eine gute Möglichkeit für die Frostfreihaltung des Wärmeübertragers der Lüftungsanlage. Bei ausreichender Verlegetiefe (ca. 1,5 m) kann auf ein separates Frostschutzheizregister oder andere Abtauvorrichtungen vollständig verzichtet werden. Darüber hinaus können größer dimensionierte EWTs zur zusätzlichen Außenluftvorwärmung beitragen. Allerdings ist die Wirtschaftlichkeit von EWTs nur dann zu erreichen, wenn die Kosten für den Aushub und die Verlegung gering gehalten werden können. Beim Einsatz von Passivhaus-Kompaktaggregaten mit Wärmepumpen ist der Einsatz eines EWT in den meisten Fällen Voraussetzung für den Winterbetrieb. Aus diesem Grund sind auch im CEPHEUS-Projekt eine relativ hohe Anzahl von Anlagen mit EWT vertreten. Theoretisch können diese auch zur sommerlichen Kühlung der Außenluft eingesetzt werden. Die Dimensionierung der Rohrregister wird jedoch in Passivhäusern im allgemeinen für den Winterfall (Außenluftvorwärmung) durchgeführt, die sommerliche Kühlleistung beschränkt sich dann auf Werte unter einem Kilowatt pro Wohneinheit.
Hocheffiziente Wärmerückgewinnung
Setzt man reine Abluftanlagen bzw. Fensterlüftung ein, so ist ein Jahresheizwärmebedarf von 30 kWh/(m2 a) kaum zu unterschreiten. Auch mit mittelmäßigen Wärmerückgewinnungsanlagen (z.B. Kreuzstrom-Wärmeaustauscher mit Wärmebereitstellungsgrad von ca. 50%) sind kleinere Werte in der Regel nicht zu erreichen. Erst mit Hilfe von hocheffizienten Passivhaus-Wärmerückgewinnungsanlagen (Wärmebereitstellungsgrade von mindestens 75%) kann der Grenzwert mit vertretbarem baulichem Aufwand unterschritten werden. Wärmebereitstellungsgrade über 75% können, wie sich im CEPHEUS-Projekt im Rahmen der Feldmessungen gezeigt hat, mit Hilfe von Gegenstrom-Wärmeübertragern ohne weiteres erreicht und sogar überschritten werden. Eine hohe Gesamteffizienz wird aber nur dann erreicht, wenn die Reduktion der Lüftungswärmeverluste nicht mit einem hohen Einsatz an Strom erkauft wird. Voraussetzung hierfür sind sowohl stromsparende Ventilatoren als auch geringe Druckverluste in der Anlage. Unter diesen Voraussetzungen erreichen effiziente Anlagen Jahresarbeitszahlen von 10 bis 15 (Verhältnis von eingesparter Heizwärme zu eingesetztem Strom).
Bis in die 80er-Jahre waren hauptsächlich Kreuzstrom-Wärmeübertrager aus Metall eingesetzt worden. Dieses Bauprinzip ist zwar relativ einfach in der Fertigung, weist aber bezüglich der Wärmeübertragung gravierende Nachteile auf. Zum einen ist der Wärmerückgewinnungsgrad bauartbedingt auf ca. 55% begrenzt, zum anderen reduziert die Längswärmeleitung in den Metallplatten den Wärmerückgewinnungsgrad noch weiter. Hocheffiziente Wärmerückgewinnungsanlagen setzen heute fast ausschließlich Gegenstrom-Wärmeübertrager (meist aus Kunststoff) ein. Für diese Entwicklung war das Passivhauskonzept ein bedeutender Schrittmacher. Neben der Verbesserung der Wärmeübertrager tragen die Einführung von elektronisch kommutierten Gleichstrommotoren als Ventilatorantrieb sowie verbesserte Laufradgeometrien wesentlich zur Effizienzverbesserung bei. Als Grenzwert für passivhaustaugliche Lüftungsanlagen gilt 0,4 Wh/m3 (geförderter Luft).
| Bild 5: Gemessener Verlauf der Zu-, Ab-, Fort- und Außenluft-Temperaturen (Passivhaussiedlung Hannover [Peper 2001]). |
Beispiele aus der Praxis
Beispiel 1: Bei der Passivhaussiedlung Hannover handelt es sich um Reihenhäuser ohne Unterkellerung, die komplette Haustechnik ist in einem Technikcontainer im Dachbereich untergebracht. Dort ist auch das Wärmerückgewinnungsgerät mit den Abmessungen 101 x 130 x 45 cm stehend angeordnet. Im Rahmen des CEPHEUS-Messkonzeptes wurde das Betriebsverhalten des Gerätes genauer untersucht. Die Volumenströme konnten über Staukreuze mit Hilfe von Differenzdruckaufnehmern gemessen werden. Darüber hinaus wurden alle vier Temperaturen sowie die Abluftfeuchte und die Kondensatmenge über einen Kipplöffelzähler gemessen. Es hat sich gezeigt, dass je nach Abluftfeuchte ab einer Außentemperatur von ca. 5°C nennenswert Kondensat auftritt. Bild 5 zeigt den gemessenen Verlauf bei Zu-, Ab-, Fort- und Außenluft. Aus diesen Messwerten resultiert ein mittlerer Wärmebereitstellungsgrad im Praxisbetrieb von 78%.
Beispiel 2: Im Passivhaus-Geschosswohnungsbau Kassel-Marbachshöhe wurden jeweils 4 bis 8 Wohneinheiten an einen gemeinsamen Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager angeschlossen, der für einen Nennvolumenstrom von 600 m3/h dimensioniert ist. Der Wärmeübertrager mit den Abmessungen 1044 x 655 x 385 mm besteht aus Aluminiumplatten mit einer gesamten Tauscherfläche von 2 x 51 m2. Der gemessene Wärmerückgewinnungsgrad (d.h. ohne Abwärme der Ventilatoren) beträgt hier 83% (Bild 6).
| Bild 6: Wärmerückgewinnungsgrad des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers in der Dachlüftungszentrale Süd (aus CEPHEUS-Messungen im Passivhaus-Geschosswohnungsbau Kassel-Marbachshöhe). |
Die Wärmeübertrager wurden jeweils auf dem Dach des Gebäudes, also außerhalb der wärmegedämmten Hülle in einer eigenen Lüftungszentrale aufgestellt (Bilder 7 und 8).
| Bild 7: Lüftungszentrale auf dem Dach des Passivhaus-Geschosswohnungsbaus in Kassel. |
| Bild 8: Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager mit Zu- und Abluftkanal. |
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass unterschiedliche Anlagenkonzepte mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung in den CEPHEUS-Gebäuden unter Praxisbedingungen erprobt wurden und sich dabei bewährt haben. Obwohl die Fenster in den Gebäuden geöffnet werden können, spielte Fensterlüftung in der Heizperiode keine bedeutende Rolle. Die Luftqualität wird von den Bewohnern als gut eingeschätzt und es wurden Wärmebereitstellungsgrade im Betrieb von etwa 80% gemessen. Die Zuluftverteilung kann in Passivhäusern die Heizwärmeversorgung mit übernehmen; darauf wird im zweiten Teil der Artikelfolge näher eingegangen. Fortsetzung folgt.
L i t e r a t u r :
[Feist 2001]
Feist, W.: Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser, Verlag Das Beispiel, Darmstadt 2001
[Michael 2001]
Michael, K., Eichhorn, S. u.a.: Effizienz von Lüftungsanlagen in Niedrigenergie-Häusern in NRW. 1. Auflage, Niedrig-Energie-Institut, Detmold 2001
[Otte 2000]
Blume, D., Ludwig, S., Otte, J.:
Anforderungen an kostengünstige passivhausgeeignete MFH-Lüftungsanlagen und Überprüfung am Pilotprojekt. Teil 3 des Abschlussberichtes "Das kostengünstige mehrgeschossige Passivhaus in verdichteter Bauweise", gefördert durch das Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung, Bonn 2000
[Peper 2001]
Peper, S., Feist, W., Kah, O.: Messtechnische Untersuchung und Auswertung; Klimaneutrale Passivhaussiedlung in Hannover-Kronsberg. Fachinformation PHI-2001/6, CEPHEUS-Projektinformation Nr. 19, Passivhaus Institut, Darmstadt 2001
[Pfluger 1999]
Pfluger, R., Feist, W., Schnieders, J.: Luftführung in Passivhäusern, Planungsrichtlinien und Erfahrungen bei Ausführungsplanung und Betrieb. Fachinformation PHI-1999/7, CEPHEUS-Projektinformation Nr. 8, Passivhaus Institut, Darmstadt 1999
[Schnieders 2001]
Schnieders, J., Feist, W., Pfluger, R., Kah, O.:
CEPHEUS - Wissenschaftliche Begleitung und Auswertung - Endbericht; Projektinformation Nr. 22, Passivhaus Institut, Darmstadt 2001
*) Dr. Wolfgang Feist, Rainer Pfluger, Passivhaus Institut Darmstadt; www.passiv.de
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