What you see is what you get!

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• Die Gewährleistung des Luftwechsels von Räumen über ein Kanalnetz ist eine anspruchsvolle Planungsaufgabe. Spätestens zum Optimieren des ­Kanalnetzes ist Softwareunterstützung für eine wirtschaftliche Bearbeitung erforderlich.
• Software zur Luftkanalnetz-Planung ermöglicht eine Auslegung von Luftkanalnetzen anhand unterschiedlicher Parameter und berechnet Druckverluste, Temperaturen, teilweise auch Aufmaße und Schallpegel.
• Gegenüber alphanumerischen Programmen oder der 2D-Planung haben 3D CAD- oder CAE-Lösungen Vorteile, weil die Berechnungsergebnisse unmittelbar sichtbar werden.

Anlagen zur geregelten Raumlüftung setzen sich aus physiologischen, bauphysikalischen und energetischen Gründen immer mehr durch. Moderne Raumlüftungssysteme verbessern das Raumklima, weil Schadstoffe aus der Zuluft herausgefiltert und Emissionen sowie Feuchtigkeit aus dem Raum abgeführt werden. Eine integrierte Wärmerückgewinnung unterbindet zudem durch eine Fensterlüftung unvermeidbare Wärmeverluste und verbessert damit die Energieeffizienz von Gebäuden.

Bei konventionell über Fenster belüfteten Gebäuden ist eine bedarfsgerechte Stoßlüftung kaum durchzuhalten und die Dauer-Kipplüftung weder aus energetischen noch aus sicherheitstechnischen oder versicherungsrechtlichen Gründen sinnvoll. Ein geregeltes System zur Raumlüftung ist deshalb in vielen Fällen unerlässlich, um eine ausreichende Frischluftzufuhr zu gewährleisten und damit Gesundheits- und Gebäudeschäden vorzubeugen.

Daumenregeln sind ungeeignet

Sollen Lüftungssysteme für einen ausreichenden, geregelten, hygienischen und energiesparenden Luftaustausch sorgen, müssen sie sorgfältig ausgelegt (und abgeglichen) werden. Insbesondere kleinere Anlagen werden aus Zeitgründen jedoch lediglich über das zu belüftende Raumvolumen und die Luftwechselrate, respektive über Tabellenwerte ausgelegt. Oder es werden nur Erfahrungswerte herangezogen und auf eine Kanalnetzberechnung wird ganz verzichtet. Das führt häufig zu einer Fehldimensionierung mit Fehlfunktion der Anlagen.

Hygiene- und Komfortprobleme, störende Luftgeräusche, unangenehme Zugerscheinungen oder eine durch zu geringe Luftmengen bedingte schlechte Raumdurchlüftung sind die Folge. Deshalb sind Vorgaben zur Auswahl und Dimensionierung des Lüftungskonzepts, zur Ausführung, Materialbeschaffenheit, Einregulierung und Inbetriebnahme, Wartung und Kontrolle Raumlufttechnischer Anlagen in einer Vielzahl von Normen und Richtlinien definiert.

Während die DIN 1946-6 [1] Anforderungen zur Bemessung, Ausführung und Kennzeichnung kontrollierter Wohnungslüftungsanlagen definiert, ist DIN EN 13779 [2] in Verbindung mit der Arbeitsstättenverordnung [3] richtungweisend für die Planung von Lüftungs- und Klimaanlagen für Nichtwohngebäude. Andere Normen und Richtlinien beschäftigen sich mit Raumlufttechnischen Anlagen in Gebäuden mit spezieller Nutzung wie Krankenhäusern (DIN 1946-4), Laboratorien (DIN 1946-7), Sport- und Mehrzweckhallen (DIN 18032-1), Verkaufsstätten (VDI 2082), Schwimm- und Hallenbädern (VDI 2089-1), Küchen (VDI 2052), Bädern und Toilettenräumen ohne Außenfenster (DIN 18017-3) oder Garagen (VDI 2053) sowie mit technischen Vorgaben für Bauteile im Klima- und Lüftungsbereich [4].

Vor der Kanalnetzberechnung steht die Ermittlung des Luftvolumenstroms. Dieser richtet sich nach Art und Aufgabe der Anlage: Ist es eine Außenluft/Fortluft-, Umluft- oder Abluftanlage, dient sie dem Lüften, Heizen oder Kühlen? Handelt es sich um ein Wohn- oder Nichtwohngebäude etc. Für die Lüftungskonzept-Erstellung und Luftvolumenstrom-Berechnung werden zahlreiche Programme angeboten (z.B. Luft-Volumenstromberechnung (H39VOL) von Solar-Computer oder Lüftungskonzept 1946-6 von Hottgenroth/ETU). Daneben gibt es auch jede Menge herstellerspezifischer Software (FGK-Übersicht von Software zur Auslegung von Wohnungslüftungssystemen: http://www.bit.ly/fgk_wolue_software ).

Was kann Luftkanalnetz-Software?

Ziel einer präzisen Lüftungskanalnetzberechnung ist eine für alle Lastfälle ausreichende Dimensionierung von Anlagenkomponenten, damit im Anlagenbetrieb alle erforderlichen Volumenströme des Außenluft-, Zuluft-, Abluft-, Fortluft-, sowie des Umluft- und Mischluftstroms erreicht werden. Dabei muss jeder Baustein der Anlage auf Grundlage physikalischer Gesetzmäßigkeiten sowie form- und materialabhängiger Werte ausgelegt werden. Zu letzteren hydraulische und formabhängige Widerstandskennwerte (R-Wert) der luftführenden Bauteile und von anderen Anlagenkomponenten, wie Außenluftgitter, Filter, Schalldämpfer, Klappen, Volumenstromregler, Luftauslässe etc.

Prinzipiell können Lüftungskanalnetze nach mehreren Methoden berechnet werden: mit konstantem R-Wert längs des gesamten Kanalsystems, nach einer vorgegebenen Druckdifferenz oder über ein konstantes Druckgefälle oder mit einer bestimmten Luftgeschwindigkeit (um etwa eine übermäßige Geräuschbildung zu vermeiden). Luftkanalnetz-Planungssoftware berechnet Luftkanalnetze nach unterschiedlichen Methoden, beispielsweise auf Basis vorgegebener Luftgeschwindigkeiten, Luftkanalhöhen, -breiten oder -durchmessern oder auf Basis eines definierten R-Wertes.

Wichtig ist, dass diese Vorgabewerte nicht global für die gesamte Berechnung gewählt werden müssen, sondern individuell unterschiedlichen Teilabschnitten zugeordnet werden können. Damit lassen sich nämlich beispielsweise Trassen im Keller für höhere Geschwindigkeiten/R-Werte auslegen, als in den oberen Geschossen bzw. den raumnahen Strecken.

Für die Berechnungen notwendige Daten und Randbedingungen, wie Rauigkeiten, Temperaturen, Wärmeleitzahlen etc. werden entweder als Standardwerte vorgegeben oder es können dem gesamten Kanalsystem, Teilsträngen oder einzelnen Kanalteilen individuelle Werte zugeordnet werden. Berechnet werden Rohr- und Kanaldimensionen, Geschwindigkeiten, Drücke (statisch, Streckendruck, abzudrosselnder Druck), der Ventilatordruck, Luftmengen, Temperaturverläufe und Wärmeverluste sowie teilweise der Schallpegel nach VDI 2081 [6] oder die Luftkanaloberfläche für die Materialbestellung, Fertigung, Dämmung/Isolierung und Abrechnung.

Aufgrund der Ergebnisse der Druckverlust-, Temperatur- und Akustikberechnung lässt sich das Kanalnetz interaktiv durch Änderung der Kanalabmessungen, der Kanalausführung, der Geschwindigkeiten, der Dämmung/Isolierung und anderer Parameter optimieren. Der Konstrukteur kann sowohl in früher Planungsphase als auch bei nachträglichen Änderungen prüfen, ob an allen Auslässen die geforderten Luftmengen und Temperaturen ankommen und ob die Ventilatorleistung ausreicht bzw. die zulässige Ventilatorleistung eingehalten wird. Sind die Bauteile mit Preisen hinterlegt, lässt sich über die Stückliste zudem die kostengünstigste Alternative ermitteln.

Automatismen vereinfachen die Planung

Bei grafisch orientierten Systemen vereinfachen Automatismen die Planung: bei Richtungsänderungen wird selbstständig ein Bogen eingefügt, bei Verzweigungen ein T-Formstück etc. Werden Elemente nachträglich eingefügt oder entfernt, wird das betroffene Teilstück automatisch geöffnet bzw. geschlossen. Funktionen, wie das Kopieren, Drehen, Spiegeln oder Strecken von bereits erstellten Teilstücken verkürzen ebenfalls die Bearbeitungszeit.

Einige Programme prüfen das gesamte Kanalsystem auf Plausibilität – beispielsweise ob unmittelbar benachbarte Bauteile das gleiche Querschnittsprofil aufweisen. Bei Querschnittsveränderungen wird sichergestellt, dass aufeinanderfolgende Bauteile geometrisch zueinander passen. Es wird teilweise auch geprüft, ob ein Kanalstrang entlang einer vorgegebenen Trasse „baubar“ ist – ob beispielsweise mehrere aufeinander folgende Richtungswechsel bei einem vorgegebenen Kanalquerschnitt nicht zu eng sind, beziehungsweise ob dabei benachbarte Objekte tangiert werden. Eine integrierte Kollisionskontrolle sorgt zudem dafür, dass kein Kanalstrang mit einem anderen Objekt des Lüftungsnetzes oder mit der (erfassten) Gebäudestruktur ins Gehege kommt.

Mehrere haustechnische Gewerke umfassende CAD- oder CAE-Systeme prüfen darüber hinaus, ob gegebenenfalls gewerkübergreifende Kollisionen bestehen. Diese werden neben Baufehlern, Verbindungsproblemen oder unvollständig definierten Kanalstücken unmittelbar grafisch oder in einer Liste aufgeführt, was ein langes Suchen erübrigt.

Auch die Einregulierung und Inbetriebnahme des Kanalsystems wird unterstützt: Damit die Lüftungsanlage korrekt funktioniert, müssen die Volumenströme so eingestellt werden, dass jeder Luftauslass nur die in der Kanalnetzberechnung vorgesehene Luftmenge erhält. Dieser Abgleich ist nach VOB, Teil C (ATV DIN 18379 [5]) vorgeschrieben und zwingende Voraussetzung für eine effizient arbeitende Anlage. Mit dem parallel zur Berechnung entstehenden Protokoll lassen sich komplexe Kanalsysteme schneller einregulieren, denn darin sind alle Blendenquerschnitte, Klappeneinstellungen und die an Lüftungsgittern und Auslässen abzudrosselnden Drücke enthalten.

Von 2D nach 3D, von CAD nach CAM

Grundlage für die Planung der Lüftungstechnik sind in der Regel 2D-Architektenpläne und gegebenenfalls ein Raumbuch mit den entsprechenden Raumbezeichnungen und Nutzungsanforderungen. Müssen lediglich Teilstränge oder einfache Anlagen ausgelegt werden, ist aus Kosten-/Nutzenerwägungen die zweidimensionale Planung sinnvoller.

Komplexere Anlagen über mehrere Geschosse und Bauabschnitte sind heute ohne 3D-Planung allerdings nicht wirtschaftlich realisierbar. Liegen keine 3D-Daten und erst recht kein BIM-Modell vor (Wege aus der Sackgasse, TGA 08-2012, Webcode 369732), generiert der Fachplaner deshalb auf Basis der 2D-DXF-Pläne eine einfache 3D-Gebäudestruktur, die alle für die Haustechnikplanung relevanten Wände, Stützen, Träger und Geschossdecken enthält. Das bedeutet zwar zunächst einen Zusatzaufwand, sorgt aber in der weiteren Prozesskette für mehrere Vorteile: Luftleitungen und alle weiteren Bauelemente werden in der richtigen Größe, in der richtigen Einbauhöhe und -lage, so wie sie später montiert werden, konstruiert.

Gerade bei hochinstallierten Gebäuden, wie Krankenhäusern oder Laborgebäuden, spielen Platzprobleme eine große Rolle, weil sich die Lüftungstechnik zusammen mit der restlichen Haustechnik in die Installationsebene einer Gebäudestruktur zwängen muss. Die 3D-Planung klärt die realen Platzverhältnisse frühzeitig und beugt späteren Montageproblemen vor – vorausgesetzt die komplette Haustechnik, inklusive Elektroplanung wird mit demselben CAD-/CAE-Werkzeug geplant oder ist zumindest als Referenzmodell sichtbar.

Die automatische Stücklistenerstellung vereinfacht ferner das Aufmaß, die Kostenermittlung, Materialbestellung, sowie die spätere Fertigung und Dämmung/Isolierung. Eine Schnittstelle zur numerisch gesteuerten Fertigung bilden Stücklisten. Diese werden in Fertigungsprogramme (z.B. viaDuct-3D Factory) eingelesen, kalibriert, mithilfe einer Verschnittoptimierung materialsparend ausgelegt und an CNC-Stanzen, -Pressen oder -Schneideanlagen übergeben. Sogar eine mobile Online-Stücklisteneingabe und -Bestellung von Luftkanalteilen per App ist mittlerweile möglich (z.B. mit _mKlimax).

Das bietet der Markt

Knapp 20 Programme für die herstellerunabhängige Luftkanalnetz-Berechnung und -planung werden offeriert, wobei sowohl die Konzeption als auch der Funktionsumfang der Lösungen sehr unterschiedlich ist. Die Palette reicht vom einfachen tabellarischen Excel-Rechner, über numerische Berechnungsprogramme mit grafischer Darstellung oder CAD-Programme mit aufgesetzten Berechnungsmodulen – bis hin zu CAE-Lösungen mit integrierter Kalkulation.

Auf Tabellenkalkulationsprogrammen basierende Lösungen ermöglichen eine schnelle, überschlägige Auslegung oder die rechnerische Überprüfung vorhandener Kanalstrecken, ohne den Zusatzaufwand einer grafischen Eingabe. Lassen sich einzelne Teilstränge noch relativ gut alphanumerisch beschreiben und lokalisieren, so wird es mit der Komplexität des Leitungssystems zunehmend schwieriger, sich ausschließlich anhand kryptischer Elementbezeichnungen und Baumstrukturen zurechtzufinden.

Grafisch orientierte Lösungen vermeiden solche „Blindflüge“. Während Berechnungsprogramme mit schematischer Leitungssystem-Darstellung lediglich eine gewisse Orientierung ermöglichen, folgen CAD- und CAE-basierende Kanalnetzplaner konsequent dem Prinzip „What you see is what you get“. Zudem bilden sie herkömmliche Planungsabläufe am besten ab: Dabei werden mit einem gut sichtbaren Marker zunächst die Auslässe, anschließend die Trassenführung auf einem über den Grundrissplan gelegten Transparentpapier grob skizziert und anschließend vom Mitarbeiter präzise in den Plan eingezeichnet.

Diesen Prozess optimieren TGA-CAD- (So finden Sie die „Richtige“, TGA 10-2012, Webcode 377088) und CAE-Lösungen (Was ist schneller – CAE oder CAD?, TGA 02-2009, Webcode 235609). Während bei der konventionellen CAD-Planung Leitungs- oder Lüftungsstränge Formstück für Formstück quasi wie bei einem Baukastensystem zusammengesetzt werden, ermöglichen CAE- und einige CAD-Systeme das schnelle und einfache Skizzieren im virtuellen 3D-Raum. Da noch keine Leitungsdimensionen bekannt sind, wird zunächst im Einstrich-Verfahren im Grundriss oder in der Isometrie die Trassenführung mit allen Verzweigungen definiert. Zu jedem Zeitpunkt und in jedem Planungsstadium lässt sich parallel die integrierte Berechnung starten, sodass der komplette Leitungsstrang jederzeit als 3D-Modell generiert und visualisiert werden kann.

Fazit: Es kommt darauf an,…

…was man damit macht! Zweifellos haben rein numerische Programme ihre Berechtigung – vor allem dann, wenn es um kleine Anlagen zur kontrollierten Wohnungslüftung oder um die Überprüfung von Teilsträngen geht. Auch die 2D-Planung kann manchmal sinnvoller sein – vor allem wenn der Aufwand für die Erstellung der 3D-Gebäudestruktur den Nutzen der 3D-Kanalplanung übersteigt. Sind die Anlagen jedoch weit verzweigt und geht es über mehrere Geschosse, überwiegt der Nutzen (Visualisierung, Plausibilitätsprüfung, Kollisionskontrolle, Optimierung, Variantenbildung, Fertigung, Einregulierung, Instandhaltung etc.) den Mehraufwand.

Im Hinblick auf die Berechnungsmethoden und die zugrunde liegenden Algorithmen sind allerdings die Programme nicht immer transparent. Ob Tabellendaten oder exakte Zeta-Werte und andere Parameter, Einzelelemente oder auch Wechselwirkungen berücksichtigt werden oder welche Formeln zugrunde liegen, ist nicht immer unmittelbar ersichtlich, sodass man die Berechnungspräzision nicht einschätzen kann und Berechnungsergebnisse immer auf Plausibilität prüfen sollte. Insgesamt sind Planungs- und Berechnungsprogramme in der Lüftungstechnik aber unverzichtbare Werkzeuge, weil sie eine Berechnung komplexer Anlagen überhaupt erst möglich machen, die Planung rationalisieren und die Planungssicherheit steigern. Marian Behaneck

Literatur; Quellen (Auswahl)

[1] DIN 1946-6 Raumlufttechnik – Teil 6: Lüftung von Wohnungen – Allgemeine Anforderungen, Anforderungen zur Bemessung, ­Ausführung und Kennzeichnung, Übergabe/Übernahme ­(Abnahme) und Instandhaltung. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2009

[2] DIN EN 13779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. Berlin: Beuth Verlag, September 2007

[3] ArbStättV: Verordnung über Arbeitsstätten (Arbeitsstätten­verordnung – ArbStättV) vom 12. August 2004 (BGBl. I S. 2179), zuletzt durch Artikel 4 der Verordnung vom 19. Juli 2010 (BGBl. I S. 960) geändert.

[4] Luft, J.: Luftleitungen in Normen. Die aktuellen Anforderungen in Normen und Richtlinien. Bonn: BHKS-Almanach, Bundesindustrieverband Technische Gebäudeausrüstung, 2008

[5] DIN 18379 VOB Vergabe- und Vertragsordnung für Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) – Raumlufttechnische Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, September 2012

[6] VDI 2081 Blatt 1 Geräuscherzeugung und Lärmminderung in Raumlufttechnischen Anlagen. Berlin: Beuth Verlag, Juli 2001

[7] DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2012

[8] VDI 2087 Luftleitungssysteme – Bemessungsgrundlagen. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2006

[9] VDI 3803 Blatt 1 Raumlufttechnik – Zentrale Raumlufttechnische Anlagen – Bauliche und technische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln). Berlin: Beuth Verlag, Februar 2010

[10] Allgaier, M.: Lüftungs-Leitfaden für Planer. Gütersloh: Bauverlag, TAB 02-2002

[11] Hiller, S.: Simulation in der Lüftungstechnik. Gütersloh, Bauverlag, TAB 04-2011

[12] Trogisch, A.: Planungshilfen Lüftungstechnik. Berlin: VDE Verlag, 2011

[13] http://www.druckverlust.de Druckverlust-Online-Rechner

[14] https://www.fgk.de/ Fachverband Gebäude-Klima

[15] https://wohnungslueftung-ev.de/ Bundesverband für Wohnungslüftung

• Autodesk Building Design Suite / Revit MEP,
• <a href="http://www.autodesk.de" target="_blank">http://www.autodesk.de</a> AX 3000 Lüftung-Klima, <a href="http://www.ax3000.at" target="_blank">http://www.ax3000.at</a>
• ESS AX3000, <a href="http://www.ax3000.de" target="_blank">http://www.ax3000.de</a>
• CADvent / DIMcomfort / DIMsilencer, <a href="http://www.lindab.de" target="_blank">http://www.lindab.de</a>
• DDS-CAD SHKL, <a href="http://www.ddsv.de" target="_blank">http://www.ddsv.de</a>
• dp Luft, <a href="http://www.hls-excel.de" target="_blank">http://www.hls-excel.de</a>
• HT2000-CAE, <a href="http://www.willms.de" target="_blank">http://www.willms.de</a>
• Luftkanalnetz Druckverlust / Abgleich, <a href="http://www.solar-computer.de" target="_blank">http://www.solar-computer.de</a>
• Luftkanalnetz-Berechnung, <a href="http://www.sss2000.de" target="_blank">http://www.sss2000.de</a>
• Lüftung Professional, <a href="http://www.cats-software.com" target="_blank">http://www.cats-software.com</a>
• Lüftungstechnik, <a href="http://www.linearweb.de" target="_blank">http://www.linearweb.de</a>
• MagiCAD Ventilation, <a href="http://www.magicad.com/de" target="_blank">http://www.magicad.com/de</a>
• mh-KanCALC, <a href="http://www.mh-software.de" target="_blank">http://www.mh-software.de</a>
• PHI Rechentool Druckverlust, <a href="http://www.passiv.de" target="_blank">http://www.passiv.de</a>
• pit-cup CAD Lüftung / Klima, <a href="http://www.pit.de" target="_blank">http://www.pit.de</a>
• Plancal nova SSH, <a href="http://www.plancal.de" target="_blank">http://www.plancal.de</a>
• Rucon-Klima, <a href="http://www.tacos-gmbh.de" target="_blank">http://www.tacos-gmbh.de</a>
• TriCAD MS Lüftung, <a href="http://www.triplan.com" target="_blank">http://www.triplan.com</a>
• Ventplan, <a href="http://www.ventplan.com" target="_blank">http://www.ventplan.com</a>

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