Wie kann passive Gebäudekühlung dazu beitragen, Energie einzusparen und thermischen Komfort zu erzielen?

Mit einer passiven Lüftungsstrategie, also einer nicht-mechanischen oder maschinellen Lüftungslösung, kann der Energieverbrauch um bis zu 50 % verringert werden (CE Klassifikation gemäß EN Norm).

Wie kommt es zur Überhitzung in Gebäuden?

Bei einer Überhitzung ist die Innenraumtemperatur so hoch, dass sich Gebäudenutzer bereits unwohl fühlen. Die Anzahl der Personen im Gebäude, elektronische Geräte, die Beleuchtung, die Außentemperatur oder verglaste Fassaden können zu einer solchen Überhitzung führen.

Wie kann passive Kühlung bzw. natürliche Lüftung dazu genutzt werden, die Innenraumtemperatur und den thermischen Komfort zu steuern?

Wenn die warme Luft nicht abgeführt werden kann, wird der Aufenthalt in einem Gebäude unangenehm. Luftfeuchtigkeit, Kohlendioxidgehalt, Schadstoffe und erhöhte Innentemperaturen können zu höheren Abwesenheitsraten und geringerer Produktivität beitragen. Mit der richtigen Lüftungsstrategie kann die Produktivität jedoch um 10 % gesteigert werden (Olesen, 2010). Aus Berichten geht hervor, dass die Fehlzeiten der Mitarbeiter um bis zu 3,2 % (Sterling) zurückgehen, wenn den Gebäudenutzern ein angenehmes Raumklima geboten wird. Bei der natürlichen Kühlung wird die Außenluft genutzt, um den thermischen Komfort der Gebäudenutzer zu verbessern, wobei im Vergleich zur mechanischen Kühlung wenig oder gar keine Energie verbraucht wird. Es gibt unterschiedliche Arten, eine natürliche Lüftung durchzuführen:

• Einseitige Fensterlüftung  
• Auftriebslüftung (Kamineffekt)  
• Querlüftung  
• Auftriebs & Querlüftung  

Natürliche Lüftungsstrategien verglichen mit mechanischer Lüftung

Übersicht und Erläuterung unterschiedlicher, natürlicher Lüftungsstrategien

Einseitige Fensterlüftung

Die einseitige Fensterlüftung ist eine simple Art der Belüftung, bei der die Öffnungen auf der selben Seite der Fassade oder des Daches platziert sind. Es spielt hierbei keine Rolle, ob sie in der selben oder auf unterschiedlichen Höhen angebracht sind. Diese Methode ist jedoch die am wenigsten effiziente Möglichkeit der natürlichen Belüftung, da ein geringer Luftstrom und somit ein geringer Luftaustausch erzielt wird. Die einseitige Fensterlüftung wird beispielsweise in Räumlichkeiten in mittleren Geschoßen genutzt, die über nur eine Außenwand verfügen. Die Windrichtung, der Standort des Gebäudes und die Art der Fensteröffnung beeinflussen die Belüftung – bei geringen Außentemperaturen, Niederschlag oder hohen Windgeschwindigkeiten bleiben die Fenster oft nur sehr kurz geöffnet.

Querlüftung 

Bei der Querlüftung werden zwei gegenüberliegende Öffnungen im Dach oder der Fassade zur natürlichen Belüftung genutzt. Hierbei werden Luftströmungen genutzt um einen Luftaustausch zu erzielen. Bei höheren Windgeschwindigkeiten kommt es zu einer schnelleren und effektiveren Lüftung. Um Zugluft zu vermeiden sollten die Fenster der windzugewandten Seite jedoch weniger weit geöffnet werden.

Auftriebslüftung (Kamineffekt)

Bei der Auftriebslüftung werden Temperaturunterschiede genutzt, um einen Luftaustausch zu erzielen. Die genutzten Öffnungen müssen dabei in unterschiedlichen Höhen angebracht sein. Die warme Luft steigt nach oben und entweicht durch beispielsweise Oberlichter, während durch die Flächen in unteren Ebenen frische, kühle Luft angesaugt wird.

Öffentliches Gebäude mit Atriumverglasung, anhand dessen die Auftriebslüftung erklärt wird

Häufige Ursachen für Überhitzung in gewerblichen Gebäuden:

• Sonneneinstrahlung  
• Diverse Materialien (z. B. Beton) speichern tagsüber Wärme, die sie nach und nach abgeben
• Die Bausubstanz eines Gebäudes beeinflusst, wie Wärme übertragen und gespeichert wird  
• Außenlufttemperatur  
• Temperaturanstieg durch Aktivitäten wie Kochen, Maschinen und von Menschen abgegebene Wärme  

Wie funktioniert Nachtkühlung?

Bei der Nachtkühlung werden niedrigeren Temperaturen bei Nacht genutzt, um warme, stickige Innenraumluft schnell durch kühlere Außenluft zu ersetzen. Die Außenluft kühlt die thermische Masse eines Gebäudes ab, die tagsüber als Wärmesenke wirkt. In der Nacht wird Wärme aus der Gebäudestruktur freigesetzt, die durch die Nachtkühlung abgeführt werden soll, wodurch das Gebäude schließlich abkühlt. Fenster und Oberlichter sorgen für frische, kühle Luft was durch die Nutzung von Auftriebslüftung und/oder Querlüftung besonders effizient eingesetzt werden kann.

4 zusätzliche Vorteile der Nachtkühlung:

• In beinahe allen Gebäuden einsetzbar
• Eigenständiges, unabhängiges System
• Geringerer CO2-Ausstoß durch den Verzicht auf mechanische Systeme
• Kosteneffizient

Wie effizient diese Lüftungsmethode ist, hängt von der Gestaltung und den thermischen Eigenschaften des Gebäudes sowie von den Außentemperaturen und der Windgeschwindigkeit ab. Natürliche Belüftung kann den Einsatz von mechanischer Kühlung (Klimaanlagen) reduzieren und manchmal sogar ersetzen.

Wie wird die natürliche Belüftung in gewerbliche Gebäude integriert, um den thermischen Komfort zu verbessern und eine nachhaltige Gestaltung zu unterstützen?

Die natürliche Belüftung muss bereits in der Planungsphase eines Gebäudes berücksichtigt werden. Dachfenster und Oberlichter können mit einem Sonnenschutz versehen werden, der die Menge an Sonnenenergie begrenzt, die in das Gebäude eindringen kann. Die Beschattung und die Positionierung der Oberlichter ermöglicht es den Gebäudenutzern, die Innenraumtemperatur durch unterschiedliche Lüftungsstrategien zu steuern.

Oberlichter können zudem mit elektrochromer Verglasung ausgestattet werden. Diese dynamische Verglasung sorgt für bedarfsgerechten Blendschutz, indem die Scheiben je nach Witterung abgedunkelt werden. Somit profitiert man jederzeit von dem richtigen Maß an Sonnenschutz, ohne zusätzliche Installationen oder Wartungsarbeiten. Im Fall des neuen ACTIS Hauptquartiers in Frankreich, konnte der Einsatz von Klimaanlagen um 628 Stunden innerhalb eines Jahres reduziert werden

Modular Skylights im Actis HQ in Limoux, Frankreich

Natürliches Lüftungssystem in der Hessenwaldschule

Die Hessenwaldschule in Deutschland ist ein Beispiel für energieeffiziente, moderne Architektur. Im Zentrum der Schule befindet sich ein dreigeschossiges Atrium mit öffenbaren Oberlichtern. Der Überhitzung in Sommermonaten wird durch den Einsatz thermischer Betonkernaktivierung sowie durch nächtliche Kühlung über Fassadenelemente und des Atriums entgegengewirkt. Das Ergebnis beschreibt Schulleiter Markus Bürger als "ein Wohlfühlklima, geprägt von guter Architektur, Lichtverhältnissen und einer angenehmen Temperatur".

Verbindung des Innen- und Außenraums: Interview mit Alexander Vohl, Partner von wulf architekten

Sollte eine passive Gebäudekühlung genutzt werden?

Passive Kühlstrategien führen zu einem angenehmen Innenraumklima und reduzieren den Energieverbrauch im Vergleich zu mechanischen Kühlsystemen, wie Klimaanlagen.

Bis 2050 wird der weltweite Bedarf an Klimatisierungen in gewerblichen Gebäuden um 275 % steigen (O' & Donovan, 2020). Dies wird zu einem Anstieg der Nachfrage nach Klimaanlagen führen und einen höheren Energieverbrauch sowie einen Anstieg der Kohlendioxidwerte zur Folge haben. Natürliche Belüftung ist ein zuverlässiger Weg, um den Bedarf an Klimaanlagen zu senken, ohne den Komfort der Bewohner zu beeinträchtigen.

Wie kann durch natürliche Belüftung ein angenehmes Innenraumklima und die richtige Raumtemperatur ermöglicht werden?

Bei der Planung einer natürlichen Lüftungsstrategie müssen diverse Faktoren berücksichtigt werden, um die optimale Lösung zu finden. Dazu gehört das örtliche Klima: Außentemperaturen am Tag und in der Nacht, Anzahl der Sonnentage im Jahr, Windgeschwindigkeit und vieles mehr. Auch die Gebäudenutzung, die Materialien, die Platzierung der Öffnungsflächen sowie Sonnenschutzsysteme spielen eine zentrale Rolle.

Erfahren Sie mehr über unsere Tageslicht- und Lüftungslösungen, die als natürliche Lüftungslösungen dazu beitragen, ein angenehmes und gesundes Innenraumklima zu schaffen.

Quellen

FAIA, 2019. Sustainable Workplaces for Human Health and Productivity, Global, FAIA.

O' Donovan, A. et al. 2021. Passive control strategies for cooling a non-residential nearly zeroenergy office: Simulated comfort resilience now and in the future, Cork: Elsevier.

Olesen, B,W 2010. Productivity and Indoor Air Quality, Technical University of Denmark.

Sterling, E & A The Impact of Different Ventilation Levels and Flourescent Lighting Types on Building Illness: An Experimental Study, Canadian Journal of Public Health.