Ziel der Entwicklung

Die Methode des manuellen periodischen Öffnens der Fenster in Klassen- und Seminarräumen während des Unterrichts bzw. in den Pausen wird heute am häufigsten angewendet, um den CO₂-Grenzwert einzuhalten. Zum einen ist in zahlreichen Studien bewiesen, dass diese Methode nicht zuverlässig den gewünschten Erfolg erzielt, und zum anderen ist eine praktikable Anwendung dieser Lüftungsmethode kaum umsetzbar . Des Weiteren bleiben Anforderungen an ein energieeffizientes Lüftungssystem und behagliche akustische Bedingungen unberücksichtigt.
Deshalb ist ein neuartiges dezentrales Lüftungssystem auf Basis des Push-Pull-Funktionssystems für große Luftleistungen entwickelt worden. Ein solches System ist primär für Schul- und Seminarräume konzipiert. Mit zwei im Raum installierten Geräten sorgt das Prinzip eines „atmenden Raumes“ für eine effiziente Durchlüftung und damit für die Aufrechterhaltung einer ausreichend guten Luftqualität während des Aufenthaltes geistig aktiver Personen. Dieser Anspruch soll unter dem Anspruch der „akustischen Behaglichkeit“ erfüllt werden.
Das neue Gerätekonzept verfügt über eine effiziente Wärmerückgewinnung und akustisch wirksame Komponenten. Es ist nachrüstbar im Bestand, modular aufgebaut und kann mit einer neuartigen, patentierten akustischen Reglungsoption ausgestattet werden.
Mit diesem System wird der Anstieg der CO₂-Konzentration während der Raumnutzung unter Berücksichtigung der akustischen Anforderungen erheblich gebremst. Die leistungsbasierte Regelung soll mit typischen akustischen Nutzungsprofilen im Raum korrespondieren.
Das funktionale Grundprinzip basiert auf der bewährten Push-Pull-Lüftung (Pendellüfter). Für die Sicherstellung des erforderlichen Luftvolumenstroms muss ein neuartiges Antriebssystem mit einem Radialventilator entwickelt werden. Die in den kleineren Geräten für die Wohnungslüftung verwendeten reversierend arbeitenden Axiallüfter sind für die großen Luftleistungen so nicht anwendbar.
Für das effiziente Wärmespeichersystem sollen die bereits bewährten Keramikmodule genutzt werden. Weiterhin neu ist ein Filtersystem, das sich entsprechend der Luftförderrichtung aktiviert. Letztlich benötigt dieses Lüftungssystem akustisch wirksame Komponenten, z.B. raumseitige Luftströmungsgitter und Gehäusekomponenten.
Mit dieser Entwicklung stehen folgende technisch-technologische Zielstellungen im Fokus:
– die wirkungsvolle Abbremsung des Anstieges der CO₂-Konzentration während der Raumnutzung,
– die Sicherstellung eines hohen Grades der Wärmerückgewinnung in der Winterperiode,
– die Aufrechterhaltung einer niedrigen Belastung der Raumluft mit Schadstoffen und Pathogenen,
– ein ausreichend leiser Betrieb der Geräte während der Raumnutzung im Rahmen der akustischen Behaglichkeit,
– die gleichrangige Regelung des Gerätes in Abhängigkeit akustischer Raumnutzungsprofile und hygienischer Anforderungen gemäß VDI 6022,
– eine einfache und flexible Nachrüstbarkeit in Bestandsbauten,
– ein flexibler Geräteaufbau aus modular konzipierten Funktionseinheiten,
– ein Gerätekonzept mit strömungsaktiven und akustisch wirksamen Komponenten und
– eine einfache, wirtschaftlich vertretbare Wartungsmöglichkeit.
Für diese Entwicklung sind folgende wesentliche Zielparameter definiert:
– Wärmerückgewinnungsgrad: > 70 %
– Nennvolumenstrom für Zuluft- und Abluft: je ca. 600 m³/h
– Leistungszahl > 7
(Wärmeleistung/ elektr. Leistungsaufnahme, jeweils gültig für Be- und Entladevorgang)
– Eigengeräuschentwicklung (Nennbetrieb): < 50 dB(A)
(Schalldruck in 2 m Entfernung: < 35 dB(A))
– Bewertete Normschall-Pegeldifferenz: > 40 dB
– Auslegebedingungen Außenluft: 0 °C bis 10 °C;
– Auslegebedingungen Raumluft: 21 °C (bis 25 °C),
36 bis 56 % r.F.
– Filterklasse Außenluft/ Raumluft: min. ISO Coarse (G4)
– Dauer für eine Förderrichtung: > 60 s
– Sensorik für die Steuerung: Temperatur, CO₂, Akustik

Vorteile und Lösungen

Während des Schulunterrichtes steigen in der Regel die CO₂-Konzentration im Raum rasch an. In der Konsequenz nimmt die Konzentrationsfähigkeit der Lernenden wegen zunehmender Müdigkeit ab. Zusätzlich steigt die Gefahr der pathogenen Belastung der Raumluft in Zeiten hoher Erkältungs- und Grippeausbrüche extrem an.
Es ist Tatsache, dass den genannten Sachverhalten durch eine aktive Belüftung der Klassenräume wirkungsvoll begegnet werden kann. Dafür müssen ausreichend leise und raumdurchströmende Geräte vorhanden sein. Vorteile haben hier dezentrale Lüftungsgeräte, weil diese im Zuge einer Sanierung nachgerüstet werden können.
Problematisch ist in der Regel die akustische Raumbelastung, wenn die erforderliche personenanzahlabhängige Luftwechselrate eingehalten werden soll.
Die beschriebenen Sachverhalte sind die Motivation für die Entwicklung eines XXL-Push-Pull-Lüftungsgerätes mit akustischer Regelungsoption. Ausgangspunkt ist das in der Wohnungslüftung für kleine Luftleistungen (30 m³/h) bewährte Funktionsprinzip der dezentralen Push-Pull-Lüftungsgeräte. Dieses Funktionsprinzip ist erfolgreich für große Luftleistungen (Faktor: > 20) in einem neuen Gerätekonzept entwickelt worden.
Zwei Geräte im Raum sorgen für eine ausreichend gute Durchlüftung. Dabei kann das entwickelte modulare Aufbauprinzip auch in einem Kanalsystem im Deckenbereich des Raumes oder auf dem Dach des Gebäudes angewendet werden.
Bewährt hat sich dabei das Konzept der modularen Entwicklung der Teilkomponenten. Diese können vor Ort zu einem Gerät montiert werden. Jedes Modul verfügt über eine Revisionsöffnung in Verbindung mit einem Schiebesystem. Mit diesem können die Komponenten aus dem akustisch wirksamen Gehäuse transportiert, gewartet oder gegebenenfalls ausgetauscht werden.
Mit der Umsetzung des Push-Pull-Funktionsprinzips für große Luftmengen stehen ein neuartiges Antriebsmodul mit einem schwenkbaren, marktverfügbaren Radialventilator und zwei effiziente Filter-Wärmespeichermodule für den Aufbau eines Gerätes zur Verfügung.
Dabei sind die Filter als bewegliche Lamellen ausgeführt, die in Abhängigkeit von der Luftförderrichtung ihre Funktion automatisch generieren. Die Anordnung des Antriebsmoduls zwischen zwei Speichermodulen führt zu den besten Wärme-rückgewinnungsgraden.
Zusätzlich können verschiedene akustisch wirksame Lösungen für den Außenluft- und Raumluftbereich an die Geräteenden montiert werden. Beispielhaft sind hier Lösungsansätze für akustisch wirksame und druckverlustarme Strömungsgitter entwickelt worden.
Das Gerät ist für das im Rahmen dieses Projektes neu entwickelte akustische Regelungskonzept sehr gut geeignet. Dieses Konzept vereinigt die CO₂-Konzentrations-Anforderung mit der akustischen Behaglichkeit. Dafür sind aus einer Vielzahl akustische Messungen während des Unterrichtes typische reale Geräuschszenarien katalogisiert worden. Die Sprachverständlichkeit ist dafür ein wichtiger Parameter. Im Ergebnis kann mit diesem Lösungsansatz das CO₂-Konzentrationskriterium bei Erfüllung der akustischen Anforderungen unabhängig von der Unterrichtslänge erfüllt werden.
Im Ergebnis der Entwicklung steht ein Demonstrator „XXL-Push-Pull-Lüftungsgerät“ zur Verfügung, mit dem die funktionalen Zielstellungen erfüllt werden können. Er hat 5 Leistungsstufen und besitzt die Abmessungen (L x B x H) von 1.545 mm x 640 mm x 640 mm. Er erreicht in den folgenden technischen Daten nahezu alle Zielstellungen.
– Wärmerückgewinnungsgrad: bis zu 71 %
– Nennvolumenstrom für Zuluft: ca. 650 m³/h
– Maximaler Zuluftvolumenstrom: ca. 800 m³/h
– Minimaler Zuluftvolumenstrom: ca. 450 m³/h
– Leistungszahl: min. 20
– Eigengeräuschentwicklung: 48 dB(A) bis 66 dB(A)
– Bewertete Normschall-Pegeldifferenz: 42 dB
– Filterklasse Außenluft / Raumluft: min. ISO Coarse (G4)
– Optimale Dauer für eine Förderrichtung: 90 s
Die Filterlamellen bewegen sich geräuschlos in Abhängigkeit von der Luftförderrichtung. Das verstellbare, akustisch wirksame Zuluftgitter kann das Eigengeräusch und die Normschallpegeldifferenz um bis zu 2 dB reduzieren.
Das Funktions- und Reglungskonzept sowie die erreichten Leistungswerte sind eine gute Grundlage für die Weiterentwicklung des Demonstrators zu einem marktfähigen Produkt.

Zielgruppe und Zielmarkt

Für große Luftförderleistungen sind dezentrale Lüftungsgeräte mit Wärmespeicherung, alternierender Luftförderrichtung und akustischer Regelungsoption mit Stand heute eine Neuentwicklung. Dafür sind auch entsprechend neue Komponenten und Herstellverfahren umzusetzen.
Es soll sich als eine Möglichkeit eines effizienten Lüftungssystems für Räume, in denen sich mehrere Personen über eine definierte Zeitdauer aufhalten, etablieren. Als potenzielle Anwender sind Schulen (Klassenräume), Universitäten und Hochschulen (Seminarräume) sowie kleine Büroeinheiten prädestiniert. Sie können in den Bereichen der Sanierung und des Neubaus als Lüftungskonzeptionen umgesetzt werden.
Prinzipiell ist in Deutschland ein hoher Bedarf an solchen Lüftungssystemen gegeben. Zumeist bestimmen die Investitions- und Wartungskosten deren Einsatzchancen. Kommunale finanzielle Gegebenheiten sind eine weitere zu bewertende Einflussgröße.
Im Vergleich mit anderen Schullüftungskonzepten ist das neu entwickelte System wirtschaftlich konkurrenzfähig.
Es ist einfach im Aufbau, gut vor Ort montierbar und wartungsarm.
Firmen in den Branchen der Gebäude- und Lüftungstechnik, der Herstellung von Wärmerückgewinnungsgeräten (dezentral und zentral) und der Komponentenherstellung für Ventilatoren, Wärmeübertrager bzw. Wärmespeicher sind potenzielle Partner, die hier entwickelten Funktionskonzepte und Demonstratoren zu einem Serienprodukt weiterzuentwickeln und zu vermarkten.
Als Zielmärkte werden in erster Linie der Bildungsgebäudemarkt in Deutschland bzw. in der sogenannten „DACH“-Region (Deutschland, Österreich und Schweiz) definiert. Mittelfristig sind auch Ost-, West- und Nordeuropa als Zielmärkte zu nennen. Es besteht Anwendungspotenzial in Luftbehandlungseinheiten mit Wärmerückgewinnung im Nichtwohnbereich (Büros, Labore, Handwerk), insbesondere im Rahmen einer Sanierung bzw. Modernisierung. Die dafür erforderlichen hohen Luftmengen können mit den hier entwickelten neuen Funktionsprinzipien und Komponenten flexibel generiert werden.