Luftleitungen sollten möglichst dicht sein

Kompakt informieren

• Die Undichtheit von Luftleitungssystemen in RLT-Anlagen muss bei der Planung rechtzeitig mit dem Auftraggeber oder Betreiber vereinbart werden, da sie die Auslegung des RLT-Systems und die Investitions- und Betriebskosten maßgeblich beeinflusst.
• Durch (zu große Mengen an) Ex- und Infiltrationsluft kann die Raumluftqualität nachteilig beeinflusst werden.
• Die Berechnung und messtechnische Überprüfung des anteiligen Luftvolumenstroms durch Leitungsleckagen ist im technischen Regelwerk hinterlegt. Auch bei der energetischen Inspektion von Klimaanlagen nach § 12 EnEV ist die Undichtheit von Luftleitungssystemen zu bewerten und gegebenenfalls zu prüfen bzw. zu empfehlen.

2007 wurde über die Energieeinsparverordnung (EnEV) mit § 12 EnEV die Energetische Inspektion von Klimaanlagen in Deutschland rechtsverbindlich eingeführt. Sie umfasst Maßnahmen zur Prüfung von Komponenten, die den Wirkungsgrad einer Klimaanlage beeinflussen. Dazu gehört bei einer Klimaanlage auf der Basis einer RLT-Anlage neben dem Raumlufttechnischen System (RLT-System – häufig als RLT-Gerät bezeichnet) auch das Luftleitungssystem mit seiner Undichtheit.

Im Energieeinsparungsgesetz (EnEG) als Ermächtigungsgrundlage für die EnEV und in der EnEV selbst findet sich keine Definition für den Begriff „Klimaanlage“. Die Einführung der Pflicht zur regelmäßigen energetischen Inspektion von Klimaanlagen basiert auf der Umsetzung der Richtlinie 2010/31/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 19. Mai 2010 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden, kurz EU-Gebäuderichtlinie oder EPBD. Im Sinne dieser Richtlinie bezeichnet der Ausdruck Klimaanlage „eine Kombination der Bauteile, die für eine Form der Raumluftbehandlung erforderlich sind, durch die die Temperatur geregelt wird oder gesenkt werden kann“.

Wenngleich diese Legaldefinition für Klimatechniker unbefriedigend ist, bezieht sie die Undichtheit von Luftleitungssystemen ein, auf die nachstehend unter den Gesichtspunkten Energieeffizienz, Luftqualität und Lufthygiene eingegangen wird. Auf die Undichtheit von RLT-Systemen als Thema mit speziellen Ausprägungen wird hier nicht eingegangen.

Klassifizierung der Undichtheit

Im Gegensatz zu wasser- und gasführenden Medienleitungen dürfen Luftleitungen von RLT-Anlagen nach den Empfehlungen der technischen Regelwerke eine Undichtheit aufweisen. Ausgenommen sind dabei RLT-Anlagen, bei denen von der geförderten Luft ein Gefährdungspotenzial für die Gesundheit des Menschen ausgeht. Die Höhe der Undichtheit wird bei rechteckigen und runden Luftleitungen in die Klassen A bis D unterteilt. Die Klassifizierung und Dichtheitsprüfung ist in DIN EN 1507 [2] für rechteckige Abb. 2 und in DIN EN 12 237 [3] für runde Abb. 3 Luftleitungen beschrieben. Sie gelten für RLT-Anlagen, die im Überdruck oder im Unterdruck betrieben werden. Nach DIN EN 13 779 [4] gilt diese Klassifizierung auch für die weiteren Bauteile im Luftleitungssystem.

Weil der Luftleckagevolumenstrom Abb. 4 ein Parameter für die Auslegung des Ventilators ist, muss bereits in der Planungsphase die Luftdichtheitsklasse zwischen Planer und Betreiber vereinbart werden. Je niedriger die Luftdichtheitsklasse gewählt wird, desto geringer sind die Investitionskosten für das Luftleitungssystem, aber umso höher sind die Kosten für die elektrische Antriebsenergie des Ventilators. Wurde keine Vereinbarung getroffen und sind keine besonderen Anforderungen an das Luftleitungssystem gestellt, sollte als Mindestanforderung die Luftdichtheitsklasse B angenommen werden.

Luftvolumenstrom-Berechnung

Der anteilige Luftvolumenstrom in der Luftleitung (q_vductleak) durch Ex- und Infiltration wird nach DIN EN 15 242 [7] berechnet, siehe Gleichung 1. Dieser muss zusätzlich zum erforderlichen Luftvolumenstrom berücksichtigt (addiert) werden. Weiterhin müssen die anlagenspezifischen Volumenstromanteile durch die Leckage der Luftbehandlungskomponenten des RLT-Systems in Strömungsrichtung nach dem Zuluftventilator, wie Dampfbefeuchtung und vor dem Abluftventilator wie Wärmerückgewinnung (WRG) in die Auslegung des Ventilatorssystems einfließen. Auf diese anlagenspezifischen Volumenstromanteile wird hier jedoch nicht weiter eingegangen.

Gl. 1

q_vductleak anteiliger Luftvolumenstrom durch Leitungsleckagen in m³/h

A_duct Luftleitungsoberfläche (berechnet nach DIN EN 14 239 [5]) in m²

K Luftdichtheit der Luftleitung in m³/(s m² Pa); siehe jeweils Spalte 2 in Abb. 2 für rechteckige und in Abb. 3 für runde Luftleitungen

p_duct Differenzdruck zwischen der Luftleitung und der umgebenden Luft in Pa; für Zuluftleitungen gleich dem Mittelwert aus dem Differenzdruck am Auslass des RLT-Systems und direkt vor dem Luftauslass im Raum; für Abluftleitungen gleich dem Mittelwert aus dem Differenzdruck direkt nach dem Lufteinlass im Raum und vor dem Einlass des RLT-Systems

Berechnungsbeispiel Zuluft

In einem Zuluftleitungssystem wird für die vereinbarte Raumluftqualität im Auslegungsfall 3720 m³/h aufbereitete Luft benötigt. Der betrachtete Luftleitungsabschnitt ist 12 m lang und hat eine nach DIN EN 14 239 berechnete Oberfläche von 85,6 m². Der Auslegungsdifferenzdruck in dem Luftleitungsabschnitt zur umgebenden Luft beträgt 162 Pa.

Die zulässige Undichtheit nach DIN EN 13 779 und DIN EN 16 798-3 [8] wurde nach Gleichung 1 berechnet. Die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Für den Fall, dass die Undichtheit des Luftleitungssystems nach Montage nicht durch eine Messung festgestellt wird, empfiehlt [8] als Standardwert analog zu Abb. 2 und Abb. 3 anzusetzen.

Von dem exemplarischen RLT-System muss durch diese Exfiltration im Auslegungsfall je nach Dichtheitsklasse zwischen 5,4 und 361,9 m³/h mehr Luft aufbereitet und gefördert werden. Wird für die RLT-Anlage angenommen, dass sie 3000 h/a in Betrieb ist, ergibt das für die Dichtheitsklasse B bei konstantem Auslegungsluftvolumenstrom einen Exfiltrationsluftvolumenstrom von 184 900 m³/a.

RLT-Anlagenbetrieb und Energieeffizienz

Mit DIN SPEC 15 240 [6] „Lüftung von Gebäuden – Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden – Energetische Inspektion von Klimaanlagen“ wird ein Verfahren für die Durchführung der Energetischen Inspektion von Klimaanlagen nach § 12 EnEV empfohlen. Danach wird für das Luftleitungssystem eine „visuelle Inspektion auf offensichtliche Leckagen“ durchgeführt. Die messtechnische Überprüfung der Undichtheit ist eine optionale Maßnahme und in Abhängigkeit des Ergebnisses aus der visuellen Inspektion für die Ausarbeitung von Vorschlägen zur Energieoptimierung durchzuführen.

In Anlehnung an DIN EN 15 242 [7] (siehe auch Abb. 2 und Abb. 3) werden für die Bewertung vier Luftdichtheitsklassen vorgegeben Abb. 6 und der Energiekennwert für RLT-Anlagen über einen Leckagefaktor je Bewertungsklasse korrigiert. In der Standardklasse – der niedrigsten Klasse – entspricht das einem Zuschlag von 15 % auf den erforderlichen Luftvolumenstrom zur Aufrechterhaltung der Raumluftqualität. Mit deutlichen Konsequenzen: Der Energieverbrauch des Ventilatorsystems erhöht sich entsprechend dem Volumenstromanteil durch die Undichtheit des Luftleitungssystems in der Standardklasse näherungsweise nach Gleichung 2 und 3 um 52 %.

Gl. 2

P Leistungsaufnahme des Ventilatorsystems in W

Luftvolumenstrom in m ³ /h

Index 1 Zustand ohne Berücksichtigung der Undichtheit des Luftleitungssystems

Index 2 Zustand mit Berücksichtigung der Undichtheit des Luftleitungssystems

Durch Einsetzen von in Gleichung 2 und anschließende Umformung ergibt sich für die Leistungsaufnahme des Ventilatorsystems Gleichung 3: Gl. 3

c_leak Leckagefaktor für die Luftdichtheitsklasse nach Abb. 6

Die Leistungsaufnahme aufgrund der Undichtheit des Luftleitungssystems ergibt sich damit für die Standardklasse zu:

RLT-Anlagenbetrieb und Luftqualität

Grundsätzlich wird für den RLT-Anlagenbetrieb gefordert, dass die Qualität der Zuluft (engl.: supply air, SUP) im Vergleich zur Außenluft durch die RLT-Anlage nicht beeinträchtigt werden darf, damit die vereinbarte Raumluftqualität gewährleistet werden kann. Aufgrund einer Undichtheit des Luftleitungssystems strömt jedoch bei der Infiltration unaufbereitete Luft aus der Umgebung in die Zuluftleitung und kann dadurch zu einer unerwünschten Änderung der Zuluftqualität führen. Für den Fall der Exfiltration kann durch die Emission von Stoffen wie CO₂ und VOC aus dem Raum, belastete Abluft (engl.: extract air, ETA) aus der Luftleitung in die Umgebung ausströmen.

Die Raumluftqualität wird im Wesentlichen über die Staubbelastung, die CO₂-Konzentration und die flüchtigen organischen Verbindungen (engl.: volatile organic compound, VOC) beschrieben. Die Verminderung der Staubbelastung erfolgt über die technische Luftaufbereitung durch Filterung und die der CO₂-Konzentration Abb. 7 sowie der VOCs durch die Größe des Außenluftvolumenstroms. Für die technische Aufbereitung werden in [4] Luftfilterqualitäten in Abhängigkeit der Außen- und Raumluftqualität empfohlen Abb. 8.

Neben den Empfehlungen für die maximale CO₂-Konzentration in den technischen Regelwerken ist auch die Arbeitsstättenrichtlinie (ASR) 3.6 [9] als gesetzliches Regelwerk zu beachten. In der gültigen Fassung werden Maßnahmen beim Überschreiten einer CO₂-Konzentration in der Raumluft von 1000 ppm bzw. 1000 ml/m³ gefordert. Die CO₂-Konzentration der Außenluft hat auf die Größe des angegebenen Grenzwerts keinen Einfluss.

RLT-Anlagenbetrieb und Lufthygiene

Um eine gesundheitliche Gefährdung des Menschen zu vermeiden, darf der Lufthygienezustand durch die Luftbehandlung und die Luftförderung in einer RLT-Anlage nicht unter den der Außenluft absinken. Eine wesentliche Funktion, um die mikrobielle Besiedelung und Vermehrung von Mikroorganismen innerhalb der RLT-Anlage zu minimieren, übernimmt dabei das Luftfiltersystem. Es scheidet Partikel aus der Außenluft ab, die sonst zu organischen Ablagerungen führen und in Verbindung mit Mikroorganismen in der geförderten Luft bei einer Taupunktunterschreitung im Luftleitungssystem einen Biofilm bilden können. Für Mikroorganismen wie Legionellen stellt dieser Biofilm die Nahrungsgrundlage dar.

Bei Infiltration von Umgebungsluft in das Luftleitungssystem und Exfiltration geförderter Luft aus dem Luftleitungssystem sind hinsichtlich der Feuchtebeladung dieser „vagabundierenden“ Leckluftvolumenströme folgende Szenarien möglich:

• bei Infiltration p_D,LEA D,duct die Infiltrationsluft ist Feuchtesenke p_D,LEA > p_D,duct die Infiltrationsluft ist Feuchtequelle
• bei Exfiltration p_D,LEA D,a die Exfiltrationsluft ist Feuchtesenke p_D,LEA > p_D,a die Exfiltrationsluft ist Feuchtequelle

p_D,LEA Wasserdampfpartialdruck der Leckluft (engl.: leakage air, LEA)

p_D,a Wasserdampfpartialdruck der Atmosphäre (Umgebungsluft, engl.: ambient air)

p_D,duct Wasserdampfpartialdruck der behandelten Luft in der Luftleitung

Ist die Infiltrationsluft eine Feuchtequelle gegenüber der Zuluft und gleichzeitig der Luftleckagevolumenstrom groß, steigt der Feuchtegehalt bei der Mischung der Luftvolumenströme in der Luftleitung und der Taupunkt kann sich in einen kritischen Bereich verschieben, sodass es zu Kondensatanfall kommen kann. Wenn die Infiltrationsluft eine Feuchtesenke ist, sinkt der Feuchtegehalt nach der Mischung und die Behaglichkeit im belüfteten Raum (oder Zone) kann abnehmen.

Für den Fall, dass die Exfiltrationsluft eine Feuchtequelle ist, kann es in Abhängigkeit der Oberflächentemperatur, der die Umgebungsluft abgrenzenden Bauteile und der Größe des Luftleckagevolumenstroms zur Taupunktunterschreitung und damit zu Kondensatanfall kommen. Sofern dieser Zustand häufiger vorkommt, kann es auf diesen Bauteiloberflächen zur mikrobiellen Besiedelung und bei Anwesenheit von Personen zu einer Gefährdung ihrer Gesundheit kommen.

Prüfung des Luftleitungssystems auf Undichtheit

Die Prüfung eines Luftleitungssystems auf Undichtheit erfolgt mit einem regelbaren Ventilatorsystem, mit dem ein Prüfdruck über eine Messstrecke aufgebaut werden kann Abb. 9. Der Druck in der Luftleitung und der geförderte Luftvolumenstrom werden mit kalibrierten Messgeräten gemessen.

Das Luftleitungssystem oder der zu prüfende Luftleitungsabschnitt ist über ein Zeitintervall von fünf Minuten mit einem Prüfdruck (statischer Druck im Luftleitungssystem oder -abschnitt), der oberhalb des Auslegungsbetriebsdrucks liegt (p_test  p_design), zu prüfen. Währenddessen darf der Prüfdruck höchstens um ± 5 % vom festgelegten Wert abweichen.

Der gemessene Luftvolumenstrom (q_v,measured), der durch die Leitungsleckage verursacht wird, muss anschließend mit dem maximal zulässigen Luftvolumenstrom der vereinbarten Luftdichtheitsklasse verglichen werden. Sofern bei der Prüfung nicht die Referenzbedingungen nach [2] oder [3] vorherrschen, was häufig der Fall ist, muss der gemessene Wert mit Gleichung 4 nach [3] korrigiert werden.

Gl. (4)

q_v Luftvolumenstrom, durch Leitungsleckage verursacht im m³/s

q_v,measuredgemessener Luftvolumenstrom, durch Leitungsleckage verursacht im m³/s

t Lufttemperatur während der Prüfung in °C

p_a atmosphärischer Druck während der Prüfung (barometrischer Druck der Umgebungsluft) in Pa

Die Prüfung kann während der Montage, unmittelbar oder zusätzlich nach Inbetriebnahme oder auch im Bestand durchgeführt werden. Bei großen und komplexen Luftleitungssystemen müssen die Prüfung abschnittsweise durchgeführt und der zu prüfende Abschnitt vor Beginn der Prüfung gegenüber dem übrigen System abgedichtet werden. Wird eine unzulässige Undichtheit festgestellt, muss das Luftleitungssystem (bzw. der Luftleitungsabschnitt) mit Prüfnebel beaufschlagt und durch Inspektion die Leckagestelle festgestellt werden Abb. 1. Deshalb muss als Voraussetzung für die Durchführung der Prüfung das Luftleitungssystem frei zugänglich sein.

Bei neu montierten Luftleitungen kann für eine orientierende Prüfung zur Bestimmung der Undichtheit ein repräsentativer Luftleitungsabschnitt hinsichtlich der Abmessungen und der Formstücke gewählt werden. Entspricht die Undichtheit des geprüften Luftleitungsabschnitts der vereinbarten Luftdichtheitsklasse, kann die Prüfung des Luftleitungssystems auf weitere repräsentative Luftleitungsabschnitte reduziert bleiben. Für den Fall, dass die vereinbarte Luftdichtheitsklasse nicht erreicht wird und ein systematischer Fehler bei der Herstellung oder der Montage zu vermuten ist, ist es ggf. erforderlich, das gesamte Luftleitungssystem auf Dichtheit zu prüfen.

Fazit

Luftleitungssysteme mit einer höheren Dichtheitsklasse ermöglichen energieeffizientere Gebäude und die Einhaltung der Anforderung in gesetzlichen Regelwerken, wie EnEG oder EnEV. Für Luftleitungsanlagen im Bestand und bei der Errichtung ist eine Prüfung auf Undichtheit nur dann erfolgreich im Abschluss (Verringerung der Undichtheit bzw. Erreichung der vereinbarten Dichtheitsklasse durch Nachbesserungsmaßnahmen), wenn die Leckagestellen inspiziert und durch Vernebelung sichtbar gemacht werden können.

Obwohl durch undichte Luftleitungen große Luftvolumenströme vagabundieren, ist es häufig unwirtschaftlich, für die Inspektion und Nachbesserung geschlossene oder abgehängte Decken und / oder Versorgungsschächte zu öffnen und die gegebenenfalls vorhandene Dämmung der Luftleitungen zu entfernen. Sind jedoch Anforderungen für die Lufthygiene zu beachten oder besteht ein begründeter Verdacht, dass die Lufthygiene aufgrund von Leckagen gefährdet ist, müssen die Prüfung auf Undichtheit und Nachbesserungsmaßnahmen trotzdem ausgeführt werden, weil die Lufthygiene einen höheren Stellenwert als die Wirtschaftlichkeit hat.

Literatur

[1] DIN EN 779 Partikel-Luftfilter für die allgemeine Raumlufttechnik – Bestimmung der Filterleistung. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2012

[2] DIN EN 1507 Lüftung von Gebäuden – Rechteckige Luftleitungen aus Blech – Anforderungen an Festigkeit und Dichtheit. Berlin: Beuth Verlag, Juli 2006

[3] DIN EN 12 237 Lüftung von Gebäuden – Luftleitungen – Festigkeit und Dichtheit von Luftleitungen mit rundem Querschnitt aus Blech. Berlin: Beuth Verlag, Juli 2003

[4] DIN EN 13 779 Lüftung von Nichtwohngebäuden – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen für Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme. Berlin: Beuth Verlag, September 2007

[5] DIN EN 14 239 Lüftung von Gebäuden – Luftleitungen – Messung von Luftleitungsoberflächen. Berlin: Beuth Verlag, April 2004

[6] DIN SPEC 15 240 Lüftung von Gebäuden – Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden – Energetische Inspektion von Klimaanlagen. Berlin: Beuth Verlag, Oktober 2013

[7] DIN EN 15 242 Lüftung von Gebäuden – Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Luftvolumenströme in Gebäuden einschließlich Infiltration. Berlin: Beuth Verlag, September 2007

[8] DIN EN 16 798-3 (Entwurf), Energieeffizienz von Gebäuden – Teil 3: Lüftung von Nichtwohngebäuden – Anforderungen an die Leistung von Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsystemen. Berlin: Beuth Verlag, Januar 2015

[9] ASR 3.6 Lüftung, GMBl 2012, S. 92, geändert durch GMBl 2013, S. 359, Download auf www.baua.de

Regelwerk: Richtlinie, Norm, Vorschrift, Verordnung oder Gesetz / geistige oder naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeit / das gewöhnlich Ein-tretende – im Sinne von vorausschaubar, periodisch, regelmäßig. Quelle: Rechtsanwälte Dr. Dimanski, Kalkbrenner, Schermaul in SBZ 20 2012

Exfiltration: Luftvolumenstrom, der aus dem Luftleitungssystem aufgrund von Undichtheiten der Luftleitungsbauteile und ihrer Verbindungen beim Betrieb von Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) im Überdruck in die Umgebung strömt. Quelle: [4]

Infiltration: Luftvolumenstrom, der aus der Umgebung aufgrund von Undichtheiten der Luftleitungsbauteile und ihrer Verbindungen beim Betrieb von Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) im Unterdruck in das Luftleitungssystem strömt. Quelle: [4]

Der Deutsche Fachverband für Luft- und Wasserhygiene e. V. (DFLW) plant, den energieeffizienten und hygienischen RLT-Anlagenbetrieb in sein umfassendes Schulungsangebot aufzunehmen. Aktuell Arbeitet ein Ausschuss des Verbands an der Entwicklung eines Lehrgangs, der aus fünf Modulen bestehen soll. Die Arbeitsfelder sind:

• TGA-Fachkundiger für Klimamesstechnik
• TGA-Fachkundiger für Hygiene in der Lüftungs- und Klimatechnik
• TGA-Fachkundiger für die energetische Inspektion von Klimaanlagen
• TGA-Fachkundiger für Elektrotechnik
• TGA-Fachkundiger für MSR-Technik und Gebäudeautomation

Jedes der fünf Module soll dabei eine eigenständige Weiterqualifizierung darstellen, für dessen Abschluss eine schriftliche Prüfung angeboten sowie eine entsprechende Teilnahmebescheinigung ausgestellt werden soll.

Um den Titel „TGA-Sachkundiger für Energieeffizienz und Hygiene in der Lüftungs- und Klimatechnik“ zu erlangen, ist der erfolgreiche Abschluss einer schriftlichen Gesamtprüfung über alle fünf Lehrgangsmodule erforderlich, so die Planung des Ausschusses. Dabei sollen bereits vorhandene Weiterqualifizierungen mit Abschlussprüfungen bei anderen Institutionen nach Prüfung auf Gleichwertigkeit anerkannt werden können.

Der DFLW will die fünf Lehrgangsmodule als Gesamtlehrgang frühestens ab Oktober 2015 anbieten. Nähere Informationen dazu erhalten Sie beim Autor und Mitglied des Ausschusses Wolf Rienhardt, Telefon (01 60) 94 41 54 10, bei Winfried Hackl, DFLW-Geschäftsführer, Telefon (01 72) 6 75 68 39 und auf: www.dflw.info

ist seit April 2005 Mitglied des DFLW (Deutscher Fachverband für Luft- und Wasserhygiene e. V.) und gehört dem DFLW-Vorstand an, www.dflw.info. Rienhardt ist seit 1997 selbstständig. An der FH Gießen-Friedberg lehrte er das Fach Anlagenbetrieb und Benchmarking im Studiengang Facility Management und führte das Praktikum Mess-, Steuer- und Regeltechnik im Studiengang Energie- und Wärmetechnik im Lehrauftrag durch. Seit Oktober 2014 beschäftigt er sich mit Planung, Consulting und Training für energieeffiziente Gebäudesystemtechnik und deren Energiemonitoring.