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Stellenwert der Innenraumluftqualität bei der energetischen Bewertung
Der nationale Anhang zur EN 16798-1 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden – Teil 1: Eingangsparameter für das Innenraumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden bezüglich Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik“ der im März 2022 erschien, enthält wesentliche nationale Ergänzungen und Klarstellungen zur Europäischen Norm, insbesondere auch zur Raumluftfeuchtigkeit sowie zu anderen Kennwerten der Raumluftqualität und thermischen Behaglichkeit.
Im Entwurf zur Überarbeitung der EU-Gebäuderichtlinie EPBD (Energy Performance of Buildings Directive) vom Dezember 2021 wurde ein direkter Verweis auf die EN 16798-1 aufgenommen. Damit werden Aspekte der Raumluftqualität bei der Auslegung und energetischen Bewertung von Gebäuden in Zukunft stärker berücksichtigt.
Thermische Behaglichkeit undLuftqualität
Der Mensch verbringt den überwiegenden Teil seiner Zeit in Innenräumen, davon viele Stunden am Arbeitsplatz in Gebäuden unterschiedlichster Art. Daher ist ein Raumklima erforderlich, in dem sich die Menschen wohl fühlen und positive Arbeitsbedingungen vorfinden. Mögliche Folgen eines ungeeigneten Raumklimas sind Befindlichkeitsstörungen und gesundheitliche Beeinträchtigungen, die wiederum Ursache für Produktivitätseinbußen sein können. In der DIN EN ISO 7730 /1/ sind Randbedingungen zur Einhaltung der thermischen Behaglichkeit festgehalten. Die Grundlage der Bewertung bilden der PMV- und der PPD-Index, der auf die globale Wärmebilanz des Menschen abzielt. Der PMV-Index beschreibt die durchschnittliche Beurteilung der thermischen Behaglichkeit durch eine große Probandengruppe. In einem Intervall von –3 (kalt) bis +3 (heiß) beurteilten Probanden das Innenraumklima. Der PPD-Index gibt an, welcher Prozentsatz der Personen im Raum voraussichtlich mit dem Klima unzufrieden sein wird. Bild 2 zeigt den PMV-Index in Bezug auf den PPD-Index.
Beeinflusst wird die thermische Behaglichkeit durch die Luft- und Wandtemperatur, Luftgeschwindigkeiten sowie die Aktivität und Kleidung der im Raum befindlichen Personen. Ein im Raum auftretender Temperaturgradient oder eine asymmetrische Strahlung der Umschließungsflächen wirken sich ebenfalls auf die thermische Behaglichkeit aus (Vermeidung zu großer lokaler Wärmestromdichten).
In der DIN EN 16798-1 /5/ sind die Kategorien der Behaglichkeitsanforderungen festgelegt (siehe Tabelle 1). Sie bilden die Grundlage für die Bewertung der Raumluftzustände unter thermischen und lufthygienischen Gesichtspunkten.
Teil 1 der DIN EN 16798 enthält Vorgaben für die Auslegung des thermischen Raumklimas (Tabelle 2)
und empfohlene Werte für die operative Raumtemperatur im Winter- und im Sommerfall (Tabelle 3).
Die operative Temperatur beschreibt die Vereinigung der Luft- und Strahlungstemperatur der Umgebungsflächen. Eine sitzende Tätigkeit, durchschnittliche Bekleidung und Luftgeschwindigkeiten unterhalb von 0,1 m/s werden für die Festlegung der operativen Raumtemperatur angenommen.
Die Anforderungen zur Vermeidung von Zugluft und zu hohen vertikalen Temperaturgradienten der vier Kategorien zeigt Tabelle 4. Dabei gilt der Temperaturunterschied für den Bereich zwischen 0,1 m und 1,1 m über dem Boden. Höhere maximale Luftgeschwindigkeiten sind bei Lufttemperaturen über 26 °C zulässig, wenn der Luftvolumenstrom von den Personen im Raum unmittelbar beeinflusst werden kann.
Wesentliche Festlegungen im nationalen Anhang zur DIN EN 16798-1
Der nationale Anhang (NA) zur DIN EN 16798-1 gibt eine Übersicht über die Anforderungen, die aus Sicht der Nutzenden gestellt werden. Diese sollten so energieeffizient wie möglich erfüllt werden (Anforderungen an die technische Leistung der Systeme werden z. B. in DIN EN 16798-3 behandelt).
Sinn und Zweck des nationalen Anhangs einer Europäischen Norm (EN) ist, dass das System der Anforderungsklassen der EN für nationale Verhältnisse anwendbar wird. Für DIN EN 16798-1 wurden die Klassen, die national gelten sollen, festgelegt und konkretisiert. Darüber hinaus werden im NA Anforderungen der EN mit weiteren nationalen Vorschriften aus Verordnungen und Regelwerken synchronisiert.
Folgende Themen finden im nationalen Anhang der DIN EN 16798-1 Berücksichtigung:
- Wohnungslüftung
- Kategorien Auslegungs-Außenluftvolumenströme für Nichtwohngebäude
- Schalldruckpegel
- Raumluftgeschwindigkeit
- Raumtemperatur
- Raumluftfeuchte.
Bezüglich der Wohnungslüftung stellt der nationale Anhang eine Abgrenzung zur DIN 1946-6 dar. Bis zu einer Wohnfläche von 250 m2 je Nutzeinheit muss nach der DIN 1946-6 ausgelegt werden. Einheiten mit größerer Wohnfläche werden nach 16798-1 NA geplant. Außerdem werden im NA der 16798-1 nur Wohnräume behandelt, die Anforderungen auf Basis der Personen stellen. Räume mit Stofflasten und Anforderungen an den Bautenschutz (Küchen, Bäder, Toiletten) werden im nationalen Anhang nicht behandelt. Da die DIN 1946-6 keine Flächenbegrenzung hat, muss also bei Wohneinheiten über 250 m2 vor der Planung definiert werden, welche Norm angewendet werden soll.
Die in der DIN EN 16798 definierten Kategorien gelten auch für den nationalen Anhang. Als Basis für die Planung und Auslegung wird für Räume im Neubau und in sanierten Bestandsgebäuden die Kategorie II empfohlen. Diese Kategorie ist anzuwenden, wenn nichts anderes spezifiziert wurde. Für die Auslegungs-Außenluftvolumenströme für Nichtwohngebäude kommen das Verfahren auf Grundlage der wahrgenommenen Luftqualität und das Verfahren unter Anwendung von Grenzwerten der Stoffkonzentration zum Einsatz. Die Grenzwertbestimmung der Kategorien (siehe Tabelle 5) in Deutschland ist auch die Arbeitsstättenverordnung zu beachten, die wiederum auf die technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR) verweist. Sie besagt, dass ein Absolutwert der CO2-Konzentration von 1.000 ppm nicht überschritten werden darf. Bei höheren Werten sind Maßnahmen zur Reduktion zu ergreifen. Ist Kategorie II als Standard gewählt, werden in den meisten Fällen auch die Grenzwerte der ASR eingehalten. Grundlage der Vorgaben für die maximalen Werte einer Kategorie bildet eine instationäre Stoffbilanz.
Die Tabelle zur Auslegung des äquivalenten Dauerschallpegels unterscheidet sich an einigen Stellen von den Werten, die im Hauptteil der DIN EN 16798-1 stehen. Hintergrund ist hier die Angleichung an die VDI 2081. Die Werte der Kategorie II entsprechen den Standardwerten der VDI 2081.
Ergänzend ist die DIN 4109-1 einzuhalten, diese ist bauaufsichtlich eingeführt und ist damit verbindlich. Die Werte der Kategorie II entsprechen, soweit diese im Anwendungsbereich liegen, auch der DIN 4109-1.
Im Bereich der thermischen Behaglichkeit weicht der nationale Anhang aufgrund von Erfahrungswerten in Deutschland von den Kategorien ab. Kategorie II des Hauptblatts definiert ein Zugluftrisiko (DR, draft risk) von 20 %. In Deutschland wurden in der Vergangenheit gute Erfahrungen mit einem Zugluftrisiko von 15 % gemacht, deshalb wurde die Kategorie II auf 15 % DR festgelegt. Bild 3 zeigt die daraus resultierenden zulässigen Raumluftgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom Turbulenzgrad.
Die in Bild 4 angegeben Auslegungswerte für die Komfortraumtemperatur sind im Vergleich zur europäischen Norm ebenfalls enger gefasst und entsprechen den bisherigen Festlegungen (DIN EN 15251-NA). Eine Unterscheidung zwischen Systemen mit und ohne maschinelle Kühlung gibt es nicht. Die Berechnungshinweise für die zulässigen Überschreitungshäufigkeiten wurden konkretisiert.
Weitere nationale Festlegungen, die die Raumluftfeuchte betreffen, werden weiter unten betrachtet.
Lüftungseffektivität
Die Lüftungseffektivität liefert eine Auskunft darüber, wie gut Schadstoffe aus dem Raum abtransportiert werden können. Sie wird dabei durch die jeweilige Luftführung und Strömungsform beeinflusst.
Bei der Mischlüftung wird die Zuluft meist strahlförmig, mit hoher Geschwindigkeit und Untertemperaturen von bis zu 10 K in den Raum eingebracht.
Die Zuluftdurchlässe befinden sich außerhalb der Aufenthaltszone. Eine nahezu gleiche Verteilung der Geschwindigkeit, Temperatur und Schadstoffkonzentration wird durch ein schnelles und optimales Vermischen der Zu- und Raumluft ermöglicht. Bei der Quelllüftung wird die Zuluft mit niedrigen Geschwindigkeiten in den Raum eingebracht. Die Luftgeschwindigkeiten im Raum sind kleiner als 0,2 m/s. Vertikale Temperaturunterschiede verursachen eine stabile Schichtung im Raum. Die Vorteile der Misch- und der Quelllüftung können durch das Einbringen bodennaher Quellluft und lokaler Mischluftzonen außerhalb des Aufenthaltsbereiches kombiniert werden.
Im Falle der idealen Mischlüftung liegt die Lüftungseffektivität bei εv = 1. Bei der Quelllüftung ist die Schadstoffkonzentration im Abluftbereich größer als in der Aufenthaltszone. Dies führt zu Werten der Lüftungseffektivität von εv > 1.
Grundsätzlich wird in der EN 16798-1 die ideale Mischlüftung für die Festlegungen verwendet. Die Werte sind für andere Strömungsformen ggf. zu korrigieren. Weitere Hinweise gibt es dazu in DIN EN 16798-3 und TR 16798-4.
Die Luftfeuchtigkeit im nationalen Anhang zur DIN EN 16798-1
Die Raumluftfeuchtigkeit ist ein wesentlicher Parameter bei einer möglichen Krankheitsübertragung über die Atemwege. Viele Studien weisen darauf hin, dass das Einhalten einer relativen Raumluftfeuchtigkeit von 40 % das Risiko einer Übertagung bei vielen möglichen Infektionen verringert (Bild 5). Die Gründe dafür sind vielfältig und können vereinfacht auf die Aspekte des Aerosoltransportes und das Vermeiden trockener Schleimhäute, die die Infektionsbarriere des Menschen schwächen würden, zusammengefasst werden.
Eine Raumluftfeuchtigkeit von mindestens 40 % ist in Kombination mit den entsprechenden lüftungstechnischen Maßnahmen dazu geeignet, das Infektionsrisiko über die Atemwege zu verringern. Studien deuten auch darauf hin, dass etwa der Schweregrad und die Mortalität bei Covid-19-Erkrankungen durch eine angemessene Raumluftfeuchte positiv beeinflusst werden können /1,3,4/. Allerdings spielt die Luftfeuchtigkeit in den bisherigen Normen für die Auslegung der Lüftungs- und Klimatechnik eher eine untergeordnete Rolle.
Die DIN EN 16798-1 stellt in Abschnitt 6.5 und im Anhang B.3.3 Anforderungen an die Raumluftfeuchtigkeit, die sich im Wesentlichen aus den Anforderungen für die Behaglichkeit und teilweise aufgrund bauphysikalischer Randbedingungen ableiten. Eine gesundheitliche Bewertung oder eine Bewertung im Hinblick auf die Übertragung von Krankheiten über die Atemwege erfolgt nicht. Weiterhin ist festzustellen, dass sich die in Tabelle NA.3 der DIN EN 16798-1 empfohlenen Auslegungswerte der Raumtemperaturen auf eine Raumluftfeuchtigkeit von 40 % im Winter beziehen. Bei anderen Raumluftfeuchtigkeiten müssten sie strenggenommen korrigiert werden (DIN EN ISO 7730).
Der nationale Anhang der DIN EN 16798-1:2022-03 enthält ergänzende Festlegungen. Die Auslegungswerte für die Befeuchtung in den Behaglichkeitsklassen wurden im Hinblick auf den aktuellen Kenntnisstand in den Kategorien I und II angepasst. Für die Kategorie I wird der Auslegungswert auf 40 % Raumluftfeuchte festgelegt.
Eine Raumluftfeuchte von 40 % ist in Anbetracht der gesundheitlichen Aspekte angemessen. Ohnehin ist eine Einteilung der Klassen in 5-%-Schritten regelungstechnisch kaum mit vertretbarem Aufwand umsetzbar. Zusätzlich wird der Grenzwert für die maximale Raumluftfeuchtigkeit im Entfeuchtungsfall (Sommer) von 12 g/kg auf die in Deutschland üblichen 11,5 g/kg festgelegt.
DIN EN 16798-1 – Rückblick und Ausblick
Die DIN EN 16798-1 /5/ löste die bekannte DIN EN 15251 /6/ als Norm für die Festlegung der Randbedingungen für das Innenraumklima im Gebäude ab. Viele Aspekte der DIN EN 15251 wurden in die neue Norm übernommen, jedoch gibt es auch einige signifikante Änderungen. Grundsätzlich weist die neue DIN EN 16798-1 Parameter für die Auslegung von Anlagen sowie für die Energiebedarfsberechnung aus. Dabei sind die Anforderungen nicht an eine bestimmte Anlagentechnik gekoppelt. Sie gelten zum Beispiel auch für fensterbelüftete Gebäude. Unterschieden wird in Parameter der Heizungs- und Klimatechnik (thermische Behaglichkeit), in Parameter der Lüftungs- und Klimatechnik (Innenraumluftqualität), in Aspekte der Akustik und Aspekte des Komforts. Hierbei wird konsequent in der Norm der Ansatz einer Klassifizierung verfolgt, das heißt, die Kategorisierung hinsichtlich der Typen I …IV erfolgt entsprechend Tabelle 6 und ist in jedem Fall planerisch festzulegen. Ohne Festlegung gilt Kategorie II.
Für die Lüftungstechnik (Luftqualität) werden drei Berechnungsverfahren in der Norm adressiert. Das erste Berechnungsverfahren stellt eine Summation aus gebäudespezifischen und nutzerspezifischen Luftwechselraten dar (empfundene Luftqualität). Das zweite Verfahren ist eine klassische stationäre Schadstoffbilanz, die jedoch Aspekte der Raumluftströmung mittels des Parameters Lüftungseffektivität berücksichtigt. Im dritten Verfahren werden Lüftungsraten tabellarisch vorgegeben, wodurch dieses Verfahren besonders einfach für die Praxis geeignet ist. Geändert haben sich zur Vorgängernorm vor allem die Grenzwerte für die zulässigen maximalen CO2-Kennwerte die als DCO2 über dem Außenluftniveau angegeben sind. Tabelle 7 zeigt dies für die vier Kategorien.
Durch die Anhebung der CO2-Differenzen ergeben sich grundsätzlich kleinere Volumenströme gegenüber der vorangegangenen Version. Kritisch muss jedoch angemerkt werden, dass mit der Anhebung der CO2-Differenzen häufiger der absolute Kennwert nach Pettenkofer von kCO2 = 1.000 ppm erreicht wird. Ob sich diese Kennwerte in der Praxis durchsetzen werden, bleibt abzuwarten.
Schon während der Bearbeitung der DIN EN 16798-1 hatte sich abgezeichnet, dass die vier Gewerke Heizung, Lüftung, Licht und Akustik unterschiedliche Zielrichtungen bei der Erstellung verfolgten, was zu Spannungen geführt hat. Aus diesem Grunde wurde im Nachgang entschieden, die Norm zukünftig in unterschiedlichen Bearbeitungskreisen weiterzuentwickeln und Teil-Normen zu erstellen. Bild 6 zeigt die zukünftig zu erwartende Struktur.Für die Lüftungs- und Klimatechnik sollten bei der zukünftigen Überarbeitung der Norm jedoch einige Punkte berücksichtigt werden, die signifikant sind.
Erster wesentlicher Anregungspunkt für die Weiterentwicklung ist die Aufnahme eines instationären Berechnungsverfahrens für Schadstoffkonzentrationen im Raum. Damit wäre es zielgerichteter möglich, lüftungstechnische Konzepte z. B. mit Präsenzdetektion bewerten zu können. Weiterhin sollten in der Norm die Aspekte des energetisch und hygienisch relevanten Luftwechsels Einzug halten. Grundlegende Arbeiten wurden hierzu schon vor mehr als 15 Jahren in /3/ beschrieben. Letztendlich sollten als Folge der Covid-19-Pandemie Aspekte der Ansteckung mit Viren und Bakterien grundsätzlich beschrieben werden.
Literatur
Literaturhinweise
/1/ DIN EN ISO 7730: Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005); Deutsche Fassung EN ISO 7730:2005
/2/ Fachverband Gebäude-Klima e.V. nach Scofield und Sterling ASHRAE-Journal 34
/3/ Auswirkungen von Umweltfaktoren auf den Schweregrad und die Mortalität von COVID-19 Domagoj Kifer et al. (January 2021): Effects of Environmental Factors on Severity and Mortality of COVID-19. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2020.607786/full
/4/ F. Nienaber; K. Rewitz; P. Seiwert; D. Müller: Einfluss der Luftfeuchte auf den Menschen und seine Gesundheit, White Paper RWTH-EBC 2021-001, Aachen, 2021, DOI: 10.18154/RWTH-2021-01238
/5/ DIN EN 16798-1: Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden – Teil 1: Eingangsparameter für das Innenraumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden bezüglich Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik; Deutsche Fassung EN 16798-1:2019
/6/ DIN EN 15251: Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik; Deutsche Fassung EN 15251:2007
/7/ Seifert, J.; Gritzki, R.; Richter, W.; Rösler, M.: Bestimmung des hygienischen und energetischen Luftwechsels bei Fensterlüftung
Prof. Dr.-Ing. Karl-Josel Albers
Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Seifert
Dr.-Ing. Claudia Kandzia
Claus Händel
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