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Titelaufnahme

Titel
Optimization potentials for mechanical ventilation of energy efficient housing : Simulation and evaluation methods
VerfasserRojas Kopeinig, Gabriel
Begutachter / BegutachterinFeist, Wolfgang ; Tywoniak, Jan
Betreuer / BetreuerinFeist, Wolfgang
Erschienen2015
Umfang146 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2015
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
Datum der AbgabeOktober 2015
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Wohnraumlüftung / Komfortlüftung / Mechanische Lüftung / Wärmerückgewinnung / Energieeffiziente Gebäude / Passivhaus / Raumluftqualität / Raumluftfeuchte / Konzentration / VOC Konzentration / relative Feuchte / Zuluftvolumenstrom / Luftwechselrate / Luftmengendilemma / CONTAM / CFD / Dynamische Gebäudesimulation / Dynbil / low tech / vereinfachte Lüftungskonzepte / erweiterte Kaskadenlüftung
Schlagwörter (EN)mechanical ventilation / heat recovery / energy efficient building / passive house / indoor air quality / indoor air humidity / concentration / VOC concentration / relative humidity / supply air flow / air exchange rate / supply air dilemma / CONTAM / CFD / energy performance simulation / Dynbil / low tech / simplified ventilation concept / extended cascade ventilation
Schlagwörter (GND)Energiebewusstes Bauen / Lüftungstechnik / Wärmerückgewinnung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3370 Persistent Identifier (URN)
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Optimization potentials for mechanical ventilation of energy efficient housing [8.5 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die heutige Bauweise fordert eine luftdichte Gebäudehülle um Energieeffizienz, Bauschadensfreiheit und Komfort gewährleisten zu können. Dies hat zur Folge, dass zusätzliche Lüftungsmaßnahmen erforderlich werden um eine ausreichend gute Raumluftqualität sicherzustellen. Energieeffiziente Lüftungslösungen mit Wärmerückgewinnung werden jedoch aufgrund von Vorurteilen und als zu hoch empfundener Kosten viel zu wenig eingesetzt. Verfügbare Lüftungssysteme beanspruchen bislang oft viel Platz, erhöhen die Baukosten und verursachen Betriebs- und Wartungsaufwand. Als Konsequenz entscheiden sich viele Bauherren für die traditionelle Fensterlüftung oder eine reine Abluftanlage. Das hohe Energiesparpotenzial und der erhöhte Komfort eines ansonsten thermisch hochwertig ausgeführten Gebäudes, gehen somit verloren. Bei reiner Fensterlüftung kommt häufig aufgrund unzureichender Lüftung noch ein Risiko für die Wohngesundheit und für Bauschäden durch Schimmelwachstum hinzu.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Optimierungspotentiale für die mechanische Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung untersucht. Im Fokus standen vor allem Ansätze, welche mit reduzierten Technologie- und Kostenaufwand eine gesunde Raumluftqualität bei hoher Energieeffizienz sicherstellen können. So wurde unter anderem das Prinzip der erweiterten Kaskadenlüftung mit multi-zonalen Luftströmungsmodellen bewertet. Dieses Prinzip basiert auf der Idee, die Zuluft nur über die Schlaf-, Arbeits- und Kinderzimmer einzubringen und das Wohnzimmer rein als Überströmzone zu behandeln. Zur Klärung entscheidender Detailfragen wurden zusätzlich numerische Strömungssimulationen (CFD) durchgeführt und experimentell validiert. Daraus konnten Handlungsempfehlungen für die Baupraxis abgeleitet werden. Außerdem erfordert eine kaskadierende Luftführung eine entsprechende Auslegung der Überströmöffnungen zwischen den Zu- und Ablufträumen. Die dafür erforderlichen Auslegungsparameter in Bezug auf Druckverlust und Schallschutz wurden messtechnisch bestimmt und als Planungshilfe zur Verfügung gestellt.

Die raumluftqualtitäts-relevanten Messdaten und Umfrageergebnisse aus dem Monitoring der PH-Wohnanlage Lodenareal in Innsbruck wurden ausgewertet und analysiert. Der Vergleich mit anderen Feldstudien aus Österreich und Schweiz zeigen, dass typischerweise ein hoher Anteil der Befragten (30-40%) über trockene Luft im Winter klagt. In der Vergangenheit wurde in der Normung die Raumluftfeuchte für die Auslegung der Zuluftmengen nicht ausreichend beachtet. Deshalb wurden Simulationsmodelle entwickelt und getestet, welche die Raumluftqualität einer typischen österreichischen Wohnsituation abbilden. Spezielles Augenmerk wurde auf eine sehr realitätsnahe Berechnung und Bewertung der Raumluftfeuchte gelegt. Dafür wurde eine Bewertungsmetrik entwickelt, welche Dauer und Ausmaß der entsprechenden Über- bzw. Unterschreitungen der Zielwerte für Kohlendioxid Konzentration CO2 < 1000 ppm), Summenkonzentration flüchtiger organischer Verbindungen (TVOC < 0.3 mg/m^3) und relative Feuchte (> 30%) zu einer integralen Größe, der relativen Zielwertabweichung (rZWA) zusammenfasst. Die verwendeten Zielwerte wurden nach gesundheits-basierten Empfehlungen aus Literatur und Normung ausgewählt. Das Risiko von Schimmelwachstum aufgrund zu hoher Raumluftfeuchte (und niedriger Oberflächentemperaturen) wurde für relevante Fälle ebenfalls bewertet.

Diese Methodik wurde z.B. für die Untersuchung der erweiterten Kaskadenlüftung oder einer belegungsunabhängigen einfachen Auslegungszuluftmenge verwendet. Des Weiteren wurde diese Methodik auch für die Ableitung empfohlener Zuluftvolumenströme für Wohnraumlüftungen in Österreich herangezogen (ÖNORM H 6038:2014). Die Ergebnisse stützen die empirischen Beobachtungen. Die CO2-Konzentration als Maß für die anthropogenen Schad- und Geruchstoffe und die Raumluftfeuchte waren die maßgebenden Größen für die Auslegung der Zuluftvolumenströme nach der hier vorgestellen gesundheits-bezogenen Bewertungsgröße (rZWA). Dies setzt den Einsatz von schadstoffarmen Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen nach heutigen Möglichkeiten voraus. Vor allem an Standorten mit kalten, trockenen Winter kommt das sogenannte Zuluftmengendilemma zum Tragen. Werden keine Befeuchtungsmaßnahmen oder eine Feuchterückgewinnung eingesetzt, muss der beste Kompromiss zwischen einer hohen Schadstoffabfuhr und dem Vermeiden von langen Perioden mit zu niedriger Raumluftfeuchte gefunden werden. Mit Hilfe der rZWA wurde so ein empfohlener Zuluftvolumenstrom von 20 m^3/h pro Person für den Standort Wien abgeleitet. Die Bewertung des Schimmelrisikos zeigte, dass eine ungeregelte Feuchterückgewinnung (im üblichen Maße) nur für eine thermisch hochwerte Gebäudehülle (keine Wärmebrücken) empfehlenswert ist.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine mechanische Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung eine gute RLQ bei sehr hoher Energieeffizienz gewährleistet. Entgegen dem üblichen Vorurteil muss diese aber nicht notwendigerweise teuer und komplex sein. Einige substantielle Vereinfachungen und kostensparende Verbesserungen wurden in dieser Arbeit untersucht oder referenziert. Die hier vorgestellten Simulations- und Bewertungsmethoden bilden den methodischen Rahmen für eine integrale Bewertung möglicher weiterer Optimierungspotentiale.

Zusammenfassung (Englisch)

Today's construction calls for an airtight building envelope to ensure energy efficiency and comfort and to avoid moisture damages. However, this reduces the natural air exchange. Additional ventilation measures are required to ensure sufficiently good indoor air quality. Energy-efficient mechanical ventilation with heat recovery is rarely implemented due to prejudices and its perceived high costs. Most state of the art ventilation systems require a lot of space, increase construction costs and cause overly high operating and maintenance expenses. As a consequence, many developers and home owners opt for the traditional window ventilation or a pure extract air system. The high potential for energy savings and increased comfort of a building with a high quality thermal envelope are thus lost. Additionally, relying on manual window ventilation bears a potential health and mold risk in case the opening habits are insufficient.

This work investigated optimization potentials for mechanical ventilation systems with heat recovery. A focus was set on so-called low-tech approaches, aiming to minimize technological complexity and to increase robustness and cost-efficiency. Nevertheless, ventilation systems should provide healthy indoor air and be energy efficient. In that context, the extended cascade ventilation principle was extensively investigated using multi-zonal air flow and contaminant transport models. This principle is based on the idea to omit the supply air opening in the living room and to introduce the supply air solely into the bedrooms (including childrens and home-office rooms). Additionally, computational fluid dynamical (CFD) simulations were performed and experimentally validated to derive planning guidelines. Correct sizing of the overflow elements is important to allow an unhindered air flow from the supply to the extract air rooms. Therefore, the required design parameters regarding pressure loss and sound attenuation were experimentally determined for simple low-cost overflow solutions.

In a monitoring study of a large Passive House apartment complex in Austria, the measured indoor environmental quality and the survey results were analyzed and evaluated. A comparison with other studies from Austria and Switzerland showed, that generally a large portion of the surveyed occupants (30-40\%) complained about low air humidity during winter. In the past, exposure to low air humidity does not seem to have been sufficiently considered for the definition of ventilation rates. Therefore computer models representing a typical Austrian residential situation and a simple indoor air quality evaluation method considering indoor air humidity were developed. It quantifies the extent and duration of events where the target values for carbon dioxide (CO2 < 1000 ppm), total volatile organic compounds (TVOC < 0.3 mg/m^3) and relative humidity (>30%) are exceeded or undercut, and combines them to the so-called relative threshold deviation (RTD) value. It is to note, that the chosen target values represent health-based, rather than comfort-based recommendations. The potential mold growth risk due to high air humidity (and low surface temperatures) was also assessed, if relevant.

This simulation and evaluation methodology was e.g. applied to investigate the extended cascade ventilation principle or the feasibility to have a preset fixed supply air flow. It was also applied to derive recommendations for supply air rates for residential housing for Austria. The results support the empirical observations. The bio-effluents, represented by the CO2-concentration, and the indoor air humidity turned out to be the driving criteria when defining health-based ventilation rates, if source control measures ensure little contaminant emissions from building and interior products. Especially in climates with cold and dry winters, a so-called supply air dilemma exists. If no humidity recovery is implemented, the best compromise between dilution of bio-effluents and avoiding extended exposure to low air humidity has to be identified. Based on the presented methodology a supply air flow of 20 m^3/h per person was derived for the chosen reference climate of Vienna. The evaluation of the mold growth risk clearly showed that humidity recovery (without feed-back control and with typically available recovery rate) is only recommended for buildings of high thermal quality.

It can be concluded, that highly energy efficient buildings can provide a healthy indoor environment by implementing simple and basic mechanical ventilation systems with heat recovery. They do not necessarily have to be as expensive and complex as often argued. A number of substantial simplifications and cost-reducing measures were investigated or referenced within this work. The presented calculation and evaluation methods provide the framework for the integral assessment of further envisioned optimization ideas.

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