Unscheinbares Bauteil mit wichtiger Funktion: Luftdurchlässe – aktuelle Trends und Herausforderungen aufgrund moderner Gebäudearchitektur

Trend 1 – Entfall abgehängter Decken
Bei Gesprächen mit Architekten taucht häufig das Thema auf, wie die sogenannte „notwendige Technik“ möglichst unauffällig in das Gebäude integriert werden kann. Architekten, aber auch Bauherren, wollen häufig offene und transparente Strukturen umsetzen. Dies soll die Philosophie des Unternehmens darstellen. Störende Einflüsse wie die Gebäudetechnik sollen nicht von der Architektur ablenken. Klare Formen und zeitgemäße Werkstoffe runden eine moderne Gebäudearchitektur ab. Dies führt dazu, dass die Technik in die Decken, Wände oder die Fassade verbannt wird.
Bei Technologieunternehmen kann der Wunsch, den innovativen Charakter des Unternehmens darzustellen, auch dazu führen, dass die Haustechnik offen dargestellt werden soll. Auch in diesem Fall kann die abgehängte Decke entfallen, um die freie Sicht auf die technischen Komponenten zu ermöglichen.
Zu den architektonischen Argumenten kommen technische Randbedingungen, etwa eine thermische Bauteilaktivierung (Betonkernaktivierung). Bei der Errichtung der Massivdecke und gelegentlich auch Massivwänden werden Rohrleitungen (Kunststoffrohre oder Kapillarrohrmatten) verlegt. Durch diese Rohre fließt ein Heiz- bzw. Kühlmedium. Die Technik zur Glättung oder Phasenverschiebung von Lastspitzen ist besonders geeignet für den Einsatz mit Regenerativen Energien, z.B. einer Wärmepumpe. Da die minimale Temperatur, auf die die Gebäudestruktur abgekühlt werden kann, nur 18 bis 20°C beträgt, ergeben sich nur geringe Differenzen zur Raumtemperatur. Um die Leistung trotzdem erreichen zu können, werden große Übertragungsflächen benötigt. Der Einsatz von durchgehend abgehängten Decken mit ihren dämmenden Elementen ist in Räumen mit Bauteilaktivierung nicht möglich.
Weitere Gründe für den Entfall von abgehängten Decken ist die Kostenersparnis. Dort, wo die Architektur nur eine untergeordnete Rolle spielt, beispielsweise in Einkaufszentren, wird aus Kostengründen und aus Gründen der Flexibilität und schnellem Zugriff (Einsparung von Revisionsöffnungen) auf eine abgehängte Decke verzichtet.
Insbesondere moderne Bürogebäude müssen vielfältig nutzbar sein. Nicht immer steht der Nutzer des Gebäudes bei Baubeginn schon fest. Manchmal gibt es noch keinen Hauptmieter oder dieser fällt im Baustadium aus. Trennwände müssen ohne großen baulichen Aufwand an die Nutzung angepasst werden können – vom Einzel- bis zum Großraumbüro.
Ein weiterer Trend, der die Luftführung über eine abgehängte Decke einschränkt, ist die zunehmende Anzahl an Sanierungen oder Revitalisierungen. Alte Gebäude wurden oft ohne eine mechanische Belüftung ausgeführt. Eine einfache, kos­tengünstige Fensterlüftung war ausreichend. Der aktuelle Stand der Technik lässt eine Fensterlüftung aufgrund der Anforderungen an die Behaglichkeit und die Energieeffizienz nicht mehr zu. Die Raumhöhe ist folglich dann nicht sehr hoch, sodass Decken und Böden für eine horizontale Luftführung bzw. eine Lufteinbringung nicht infrage kommen.
Aus den vorgenannten Gründen ergeben sich Herausforderungen an das Lüftungssystem. Die Ziele sind die Bereitstellung der erforderlichen Frischluftrate und die Deckung der Heiz- und Kühlleistungen. Beides an den Bedarf angepasst und unter Einhaltung der thermischen und akustischen Komfortbedingungen im Aufenthaltsbereich.
Um die Ziele zu erreichen, müssen die optimale Strömungsform und die sich daraus ergebende Luftführung bestimmt werden. Bei der Wahl des Einbauortes ist man generell flexibel. Ob Decke, Boden, Wand oder Fassade – für jeden Einbauort gibt es mögliche Strömungsformen. Hierbei unterscheidet man in Mischlüftung, Quelllüftung und Mischquelllüftung. Nicht jede Strömungsform kann in jedem Einbauort genutzt werden. Die optimale Kombination ist von vielen Parametern abhängig, z.B. von den thermischen Lasten, der gewünschten Lüftungseffektivität u.v.m. Allgemein ist bei der Luftführung darauf zu achten, dass Zugerscheinungen vermieden werden.
Mit der Luftführung muss ein schneller Abbau der Temperaturdifferenz und der Luftgeschwindigkeit realisiert werden können. Der beste Weg für die Umsetzung bei Misch- und Mischquelllüftungssystemen ist eine möglichst hohe Induktion, bei der sich die Zuluft schnell mit der Raumluft vermischt. Die maximal zulässigen Luftgeschwindigkeiten für den Aufenthaltsbereich werden durch die DIN EN ISO 7730 (Ergonomie der thermischen Umgebung) festgelegt. Die zulässigen Geschwindigkeiten sind abhängig von der lokalen Raumtemperatur und dem Turbulenzgrad. In der Regel darf die Luftgeschwindigkeit im Aufenthaltsbereich einen Wert von 0,2 m/s bei 26°C nicht überschreiten. An einem durchschnittlichen Dralldurchlass beträgt die Austrittsgeschwindigkeit bis zu 5m/s. Diese Geschwindigkeit muss dann bis zum Eintritt in den Aufenthaltsbereich entsprechend reduziert werden.
Der Aufenthaltsbereich wird definiert durch die DIN EN 13779 (Lüftung von Nichtwohngebäuden). Ein relevantes Maß ist die Höhe des Aufenthaltsbereiches, die üblicherweise zwischen 1,3 und 2,0m liegt. Der Standardwert wurde auf 1,8m (stehende Person) festgelegt. In diesem Bereich sind die Behaglichkeitskriterien der DIN EN ISO 7730 einzuhalten. Besonders kritisch ist der Punkt, an dem zwei Luftstrahlen benachbarter Durchlässe aufeinander treffen und in den Aufenthaltsbereich gelangen. Diese sogenannte Geschwindigkeit vH1 ist ein wichtiges Auslegungskriterium.
In der Regel erfolgt die Luftführung entlang einer abgehängten Decke unter Nutzung des Coanda-Effekts. Dieser Effekt beschreibt die Tendenz eines Luftstrahls, an einer Oberfläche entlangzulaufen anstatt sich abzulösen. So hat der Zuluftstrahl mehr Zeit, um Raumluft zu induzieren, bevor er in den Aufenthaltsbereich gelangt. Betrachtet man den zuvor beschriebenen Trend, dass immer mehr Gebäude ohne abgehängte Decken gebaut werden, ist die Luftführung in solchen Fällen intensiv zu prüfen.
Nutzt man einen üblichen Dralldurchlass nicht deckenintegriert, so besteht bereits bei kleinen Untertemperaturen und üblichen Raumhöhen eine große Gefahr von Zugerscheinungen. Um dem entgegenzuwirken, muss im Nahbereich des Durchlasses eine Decke „simuliert“ werden. Mit einer sogenannten Randverbreiterung erhält der Luftstrahl am Austritt noch eine horizontale Strömungskomponente, sodass dieser erst später in den Aufenthaltsbereich gelangt, wenn Raumluft induziert wurde, um Temperaturdifferenz und Geschwindigkeit zu reduzieren. Wie eine Randverbreiterung ausgeführt werden sollte (Breite, Form, usw.) ist von verschiedenen Parametern abhängig, z.B. die Betriebsparameter Austrittsgeschwindigkeit und Untertemperatur, die Einbausituation und der verwendete Durchlass. Es zeigt sich, dass bei frei hängendem Einbau oft eine Randverbreiterung zu empfehlen ist.
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Trend 2 – Einfluss bedarfsgeregelter Lüftung bzw. Klimatisierung
Die energetische Bewertung der DIN V 18599 (Energetische Bewertung von Gebäuden) stellt anschaulich dar, welche Auswirkung eine bedarfsgeregelte Belüftung auf die notwendigen Außenluftvolumenströme und damit auf die Zuluftvolumenströme hat. Faktoren wie der Teilbetriebsfaktor (FRLT) und die relative Abwesenheit (cRLT) zeigen, in welchen Volumenstrombereichen eine RLT-Anlage und damit auch die Durchlässe funktionieren müssen. Der Teilbetriebsfaktor berücksichtigt die Gebäudebetriebszeit und beeinflusst die gebäudebezogenen Außenluftvolumenströme. Er liegt zwischen 0,5 und 1,0. Die relative Abwesenheit nimmt Einfluss auf den personenbezogen Außenluftanteil und liegt zwischen 0,2 und 0,7. Dieser Wert fällt beispielsweise besonders bei Besprechungsräumen ins Gewicht.
Unter Berücksichtigung der vorgenannten Werte ergibt sich mit dem Gesamt- und Mindestaußenluftvolumenstrom nach DIN EN 15251 (Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden) der mittlere Außenluftvolumenstrom bei bedarfsabhängiger Regelung Vd,c. Dieser Wert kann im Extremfall bis zu 70% unterhalb des Auslegungsvolumenstroms liegen.
Dieser Fakt wird oft bei der Planung nicht berücksichtigt. Es wird angenommen, dass es bei niedrigeren Volumenströmen auch zu niedrigeren Geschwindigkeiten kommt und somit die Behaglichkeit einfacher umzusetzen ist. Das ist ein Irrtum, denn wenn ein Deckenluftdurchlass unterhalb seines minimalen Volumenstromes betrieben wird, führt dies insbesondere bei hohen Untertemperaturen dazu, dass der Zuluftstrahl aufgrund seiner niedrigen Geschwindigkeit den Coanda-Effekt nicht mehr nutzen kann und direkt in den Aufenthaltsbereich „fällt“. Dies führt dann zwangsläufig zu Zugerscheinungen. Es ist also darauf zu achten, dass der Durchlass immer nur innerhalb seiner minimalen und maximalen (begrenzt durch die Akustik) Volumenströme betrieben wird. Dralldurchlässe können in der Regel auf 25 bis 40% des maximalen Volumenstromes heruntergeregelt werden. Schlitzdurchlässe können teilweise auch noch darunter komfortabel betrieben werden.
Der Arbeitsbereich eines Dralldurchlasses ist von mehreren Faktoren wie beispielsweise der Lamellenform abhängig. Ziel ist es, die Untertemperatur zwischen Raum- und Zuluft (bis zu -12 K) möglichst schnell abzubauen und gleichzeitig die Luftgeschwindigkeit zu reduzieren. Der beste Weg dies zu erreichen ist, eine möglichst hohe Induktion zu erzeugen. Für eine effektive Induktion wiederum muss ein einzelner feiner Luftstrahl erzeugt werden, damit die Raumluft von allen Seiten mit der Zuluft vermischt werden kann. Um einen solchen Einzelstrahl zu erzeugen, benö­tigt man eine spezielle Lamellenkontur. Verschiedene CFD-Simulationen zeigen, dass sowohl der An- als auch der Abströmwinkel der Lamellen vom inneren bis zum äußeren Bereich des Durchlasses unterschiedlich angestellt werden muss. Dazu kommt, dass die Länge der Lamelle von innen nach außen in Strömungsrichtung der Luft größer wird. Aufgrund dieser Anforderungen ergibt sich für eine optimale Lamelle eine dreidimensionale Kontur, die in der Regel nicht durch eine gestanzte Durchlassfront aus Stahlblech, sondern nur mit Kunststoff umgesetzt werden kann.
Mit der vorbeschriebenen Technik lassen sich maximale Volumenströme komfortabel in den Aufenthaltsbereich transportieren. Da besonders bei bedarfsgeregelten Lüftungsanlagen die Volumenströme aber auch stark reduziert werden, müssen die Dralldurchlässe auch bei niedrigem Volumenstrom noch funktionieren. Um den nutzbaren Volumenstrombereich zu erweitern, kann man die Anzahl der Lamellen erhöhen. Dadurch erhält man mehr Einzelstrahlen, die Raumluft induzieren. Somit lässt sich der Dralldurchlass auch bei kleineren Volumenströmen nutzen. 
Einen weiteren Effekt auf den nutzbaren Volumenstrombereich hat eine Perforation der Lamellen. In diesem Fall strömt ein kleiner Teil der Zuluft durch die Perforation, während der Hauptteil über die Lamelle strömt. Auf der Abströmseite vermischen sich die Teilvolumenströme wieder und werden mit entsprechendem Drall in den Raum geführt. Insgesamt lässt sich darüber ein höherer Zuluftvolumenstrom bei nahezu gleichen technischen Daten nutzen. Da aus optischen Gründen in der Regel ein perforierter Durchlass nicht akzeptabel ist, wird das Drallelement hinter einer Designfrontplatte verborgen.

Trend 3 - Trennung von Design und Technik
Den zuvor beschriebenen Effekt kann man hervorragend nutzen, um optisch anspruchsvolle Designlösungen umzusetzen. Selbst für frei hängende Einbauten lässt sich dieses Prinzip umsetzen. Beispielsweise mit einem runden Anschlusskasten, der trotzdem einen horizontalen Luftanschluss bietet.
Der Hauptvorteil für Architekt und Bauherrn ist aber das nahezu freie Design der Durchlassfront. Solange ein freier Querschnitt von 40 - 50% eingehalten wird und dieser Querschnitt einigermaßen gleichmäßig über die Front verteilt ist, sind unzählige Designs denkbar: vom Firmenlogo bis zur Streulochung, die einer Standarddeckenplatte ähnelt.
Die Funktion des Anschlusskastens wird besonders bei komplexen Dralldurchlässen häufig unterschätzt. Die Anschlusskästen sind optimal auf den entsprechenden Frontdurchlass abgestimmt. Nur die Kombination garantiert die technischen Daten. Wichtig ist, dass der Anschlusskas­ten den Frontdurchlass gleichmäßig mit Luft beaufschlagt. Bei einer einseitigen Anströmung kann es zu Behaglichkeitsschwierigkeiten kommen. Im Anschlusskasten wird daher ein Luftverteilelement benötigt, das die Strömungsrichtung insbesondere bei horizontalem Anschluss gleichrichtet. Das Luftverteilelement darf dabei aus Energieeffizienzgründen nicht zu viel Druckverlust erzeugen und nicht zu einem Strömungsgeräusch führen. Hier ist es also entscheidend, das richtige Mittelmaß zwischen gleichmäßiger Luftverteilung, niedrigem Druckverlust und geringem Strömungsgeräusch zu finden.
Für die meisten Bauteile in einer RLT-Anlage gelten Anforderungen an die Dichtheit. Bei lüftungstechnischen Komponenten wirkt sich die Dichtheit unter akustischen, hygienischen und wirtschaftlichen Aspekten wesentlich auf die Produktqualität aus. Nicht zuletzt gewinnt die Dichtheit aufgrund der steigenden Energiekos­ten immer mehr an Bedeutung.
Bei Anschlusskästen wird das mit dem Argument, dass die Luft bereits im Raum sei, vernachlässigt. Allerdings will man die aufbereitete Frischluft auch dort hinbringen, wo sie benötigt wird, und nicht zum Beispiel in die Zwischendecke.

Trend 4 - Zuluftführung durch die (Trenn-)Wand
Wenn eine Luftführung über die Decke nicht möglich ist, kann eine Zulufteinbringung durch die Wand direkt aus einer Flur­abkofferung eine einfache und günstige Lösung darstellen. Bei Verwendung eines Mischlüftungssystems spielt die Einbauhöhe eine entscheidende Rolle. Bis zu einem Abstand von der Decke von 30 cm kann in der Regel der Deckeneinfluss (Coanda-Effekt) genutzt werden. Das heißt, der Zuluftstrahl legt sich an die Decke an und induziert Raumluft. Dabei wird der Strahl immer breiter (Strahlwinkel ca. 10°) und baut die Luftgeschwindigkeit und die Temperaturdifferenz ab, bis er in den Aufenthaltsbereich gelangt.
Ab einem Abstand von mehr als 80 cm von der Decke kann der Deckeneinfluss in der Regel nicht mehr genutzt werden. Man spricht von einem Freistrahl, der bei einem linearen Gitter von Ober- und Unterseite des Strahles Raumluft induziert. Somit ergibt sich ein Strahlwinkel von ca. 20°. Will man bei hohen Untertemperaturen verhindern, dass der Freistrahl in den Aufenthaltsbereich gelangt, empfiehlt es sich, die Zuluft leicht in Richtung der Decke anzustellen. Der Anstellwinkel sollte 45° allerdings nicht überschreiten, da ansonsten die Gefahr besteht, dass der Strahl von der Decke abprallt und direkt in den Aufenthaltsbereich gelangt.
In dem Bereich zwischen 30 und 80 cm ist die Nutzung des Deckeneinflusses von den Betriebsparametern abhängig. Er ist z.B. abhängig von der Untertemperatur und dem Volumenstrom.
Eine sinnvolle Lösung stellen Kombidurchlässe dar. Sie bringen die Zuluft in den Raum und saugen gleichzeitig die Abluft wieder ab. Mit Kombidurchlässen können sowohl Quell- als auch Mischluftsys­teme ausgeführt werden. Bei einem Quellluftsystem wird die Zuluft im unteren Teil der Komponente mit niedriger Geschwindigkeit in den Raum eingebracht und im oberen Teil wieder abgesaugt. In diesem Fall ist auf die Behaglichkeitskriterien in der Nähe der Wand zu achten, da es dort durch den Wasserfalleffekt zu erhöhten Geschwindigkeiten kommen kann.
Alternativ kann ein Mischlüftungssys­tem mit Schlitzdurchlässen verwendet werden. Bei diesen Komponenten wird die Zuluft durch den oberen Schlitz mit höherer Geschwindigkeit (2 - 4 m/s) in den Raum eingebracht und die Abluft durch die unteren Schlitze wieder abgesaugt.

Zusammenfassung
Entfällt eine abgehängte Decke und ist eine energieeffiziente, bedarfsgeregelte Belüftung gewünscht, ist besonderes Augenmerk auf die Behaglichkeit im Raum zu legen. Die Funktion der Durchlässe und die sich einstellende Raumströmung sind kritisch zu prüfen. Moderne Durchlässe bieten Lösungen, um beispielsweise einen möglichst großen Volumenstrombereich nutzbar zu machen. Komplexe Detaillösungen – wie spezielle Lamellengeometrien – lassen sich mit Kunststoffbauteilen realisieren. Die aufgezeigten Trends zeigen, dass mit modernen Durchlässen sowohl auf die aktuellen architektonischen und technischen Anforderungen reagiert werden kann, als auch die Ansprüche an ein optisch anspruchsvolles Design bedient werden können.

Autor: Dirk Scherder, Leiter Produktmanagement Raumlufttechnik bei Trox GmbH, Neukirchen-Vluyn

Bilder: Trox

www.trox.de