Was ist natürliche Belüftung ?

Allgemeiner Kontext

Die natürliche Belüftung von Gebäuden ist eine Methode, die die natürlichen Kräfte von Wind und Auftrieb (Dichteunterschied zwischen kalter und warmer Luft) nutzt, um frische Luft einzuführen und wirksam zu verteilen, damit ein gesundes, frisches und behagliches Innenraumklima gewährleistet ist.

Sie sichert die Zufuhr ausreichend atembarer Luft, das Abführen von Schadstoffen, die thermische Konditionierung und das Abführen von Feuchte — und fördert zugleich das Wohlbefinden. Damit sie wirksam ist, muss eine enge Beziehung zwischen der Architektur des Gebäudes und dem System der Luftzirkulation hergestellt werden : Form des Gebäudes, Umfeld des Standorts, Innenraumgestaltung.

Die natürliche Belüftung macht sich Kräfte wie den Wind, die Außentemperatur und das Sonnenlicht zunutze, um Räume zu belüften und zu kühlen. Sie trägt dazu bei, den ökologischen Fußabdruck von Gebäuden zu verringern, indem sie eine effiziente Ressourcennutzung fördert und den Energiebedarf senkt.

Dennoch hat das Aufkommen der kontrollierten mechanischen Lüftung sie nach und nach in den Hintergrund gedrängt : Mechanische Systeme bieten eine präzise Steuerung der Volumenströme, erfordern aber einen erheblichen Stromverbrauch und sind nicht für alle Gebäude und Klimazonen geeignet.

Angesichts dieser Herausforderungen ist es wichtig, den Platz der natürlichen Belüftung neu zu denken in neuen Projekten. Indem man sich von überliefertem Wissen und aktuellen technologischen Fortschritten inspirieren lässt, können innovative und nachhaltige Lösungen entwickelt werden, die Komfort, Luftqualität und Umweltschutz miteinander vereinen.

Belüftung durch Fensteröffnung

Die beiden hier vorgestellten Systeme (einseitig und durchströmt) beruhen auf dem Prinzip der natürlichen Konvektion : Frische Luft tritt ein, um die warme Luft zu ersetzen, und erzeugt eine kontinuierliche Luftbewegung durch das Gebäude.

Einseitige Belüftung

Die einseitige Belüftung nutzt eine einzige Fassade, um die Luftbewegung zu begünstigen. Sie beruht auf der Temperatur- und Druckdifferenz zwischen innen und außen : Fenster oder Klappen in der den Hauptwindrichtungen zugewandten Fassade lassen die frische Luft unten eintreten, während die verbrauchte Luft oben abgeführt wird (Auftriebseffekt).

Empfohlen werden daher vertikale Öffnungen, um einen Unterschied in der Luftqualität zwischen unten und oben sicherzustellen. Zu große Räume sind nicht geeignet : Im Allgemeinen wird eine Raumtiefe ≤ 2× der lichten Höhe empfohlen, um die Wirkung zu spüren (nach AREC Île-de-France).

Ihr größter Nachteil ist, dass sie stark von den Außentemperaturen abhängt : Ihre Wirksamkeit ist in warmen und windstillen Phasen, in denen die Temperatur- und Druckunterschiede minimal sind, vermindert. Dann kann der Rückgriff auf eine mechanische Lüftung erforderlich werden. Häufig in Wohn- und Geschäftsgebäuden eingesetzt, in denen Öffnungen über mehrere Fassaden nicht möglich sind, bleibt sie im Allgemeinen wenig wirksam.

Durchströmungsbelüftung

Die Durchströmungsbelüftung nutzt die Druckunterschiede zwischen zwei gegenüberliegenden Öffnungen, um frische Luft eintreten und verbrauchte Luft austreten zu lassen. Sie wird in Klimazonen mit regelmäßigen und starken Hauptwinden begünstigt, da sie einen wirksamen Luftwechsel ermöglicht und zugleich Wärme, Feuchte und Schadstoffe abführt.

Für die Durchströmungsbelüftung konzipierte Gebäude sind so ausgerichtet, dass sie die Hauptwinde einfangen, mit strategisch an gegenüberliegenden Fassaden positionierten Öffnungen. Diese Methode kann wirksam sein, um ein behagliches Innenraumklima aufrechtzuerhalten und zugleich die Abhängigkeit von der mechanischen Lüftung zu verringern — und damit Energie zu sparen — , doch ihre Wirksamkeit schwankt je nach Witterung und Gebäudeeigenschaften.

Vorteile und Nachteile

Belüftung durch Atrium und durch Schornstein

Das Atrium

Atrien sind offene Innenräume, oft über mehrere Geschosse, die als Lichthöfe und Begegnungszonen dienen. Ihre Belüftung stützt sich auf das Phänomen des thermischen Stack-Effekts : Die warme Luft steigt aufgrund des Dichteunterschieds natürlich zum oberen Bereich des Atriums auf und wird über die hoch gelegenen Öffnungen abgeführt, wodurch ein Luftsog entsteht, der frische Luft durch die unteren Öffnungen ansaugt.

Natürliche Belüftung durch Schornstein

Eine alte, aber wirksame Methode : Schornsteine sind vertikale Kanäle, die es der warmen Luft ermöglichen, natürlich zu entweichen, und erzeugen einen Sog, der das Eintreten frischer Luft durch die unteren Öffnungen bewirkt — das ist der thermische Stack-Effekt. Wenn sich die Innenluft erwärmt, wird sie weniger dicht als die Außenluft ; die durch eine untere Öffnung eintretende frische Luft verdrängt die warme Luft durch den Kanal bis zu einer höher gelegenen Öffnung.

Schornsteine können in die Außenwände integriert oder eigenständige Elemente sein, angepasst an unterschiedliche Formen und Größen, um die Wirksamkeit zu maximieren. Ihre Umsetzung muss außerdem mit den Anforderungen an den Brandschutz und die Akustik vereinbar sein.

Windturm und VNAC

Der Windturm

Windtürme schöpfen ihre Inspiration aus den architektonischen Traditionen des Nahen Ostens (die Badgire im Iran). In Form von Türmen oder auf dem Dach montierten Schächten nutzen sie die Luftströmungen in der Höhe, dort, wo die Windgeschwindigkeit höher ist : Indem sie diese frische Luft einfangen und ins Innere leiten, erzeugen sie eine Luftbewegung, die eine natürliche und wirksame Zirkulation begünstigt.

Die dem Wind zugewandte Seite des Turms fängt die frische Luft ein, die im Gebäudeinneren verteilt wird ; die warme Luft wird verdrängt und entweicht über die dem Wind abgewandte Seite. Heute sind die Vorrichtungen weniger mächtig als die Badgire : Man spricht von einem Lüftungsaufsatz für natürliche Belüftung.

Vorteile : geringere energetische Abhängigkeit von Kühlvorrichtungen (Energieeinsparungen, reduzierter CO₂-Fußabdruck), kontinuierlicher Luftwechsel und die Fähigkeit, den Wind aus jeder Richtung einzufangen. Dagegen hängt ihre Wirksamkeit stark von der Geschwindigkeit und Richtung des Windes ab : In Zonen mit schwachen oder unregelmäßigen Winden funktionieren sie möglicherweise nicht optimal, und ihr Entwurf muss die Druckschwankungen und die örtlichen Bedingungen berücksichtigen.

Unterstützte und kontrollierte natürliche Belüftung (VNAC)

Die VNAC vereint die Vorteile der natürlichen und der mechanischen Belüftung. Sie beruht auf intelligenten Sensoren, die die äußeren Bedingungen (Wind, Temperatur, Druck, Sonneneinstrahlung) und die inneren Bedingungen (Temperatur, CO₂, Anwesenheit) messen. Sind die Bedingungen günstig, setzt sie die mechanische Lüftung aus, um die natürliche Belüftung zu nutzen ; andernfalls aktiviert sie die mechanische Lüftung, um den Luftwechsel sicherzustellen.

In Saint-Nazaire (Loire-Atlantique) wurde ein konkretes Beispiel einer VNAC umgesetzt : eine selbstregelnde Einzelstrom-Lüftung mit unabhängiger Abluft je Wohnung. Die verbrauchte Luft wird aus den feuchten Räumen (Küche, Bad, WC) abgesaugt und über Einzelkanäle, die auf dem Dach münden, abgeführt — über große Schornsteine, die als Basis für ausrichtbare Lüftungsaufsätze dienen, welche den thermischen Stack-Effekt und die Windenergie nutzen. Diese Aufsätze wirken zugleich als Solarkamine (verglaste Rahmen, die die Austrittstemperatur erhöhen, um den Auftrieb zu verbessern), und ein Regelungssystem je Wohnung passt die Volumenströme an Bedarf und Klima an.

Auslegung und CFD-Studien

Herausforderungen der CFD-Studien

EOLIOS bietet eine spezialisierte Expertise in der Auslegung und Untersuchung per CFD von Kanälen und Schornsteinen für die natürliche Belüftung. Unsere Leistungen — Erstentwurf, Leistungsanalyse oder Optimierung bestehender Systeme — setzen fortschrittliche Werkzeuge der numerischen Modellierung ein, um die Leistung und Effizienz der Belüftungssysteme zu optimieren.

Untersuchung verschiedener Schornsteintypen

Hier ein Beispiel für CFD-Studien, die durchgeführt wurden, um zu bestimmen, welcher Schornsteintyp am wirksamsten ist. Nach einer Auslegung der Kanäle (unter Berücksichtigung des abzuführenden Luftvolumenstroms und der Gebäudevolumina) wurden verschiedene Typen von Luftaustritten getestet. Vor jeder Simulation wird eine klimatische Untersuchung des Standorts durchgeführt, um die häufigsten Windrichtungen und deren Intensität abzuschätzen — wesentlich, um wirklichkeitsgetreue Ergebnisse zu erhalten.

Die verschiedenen Schornsteinaustritte werden in 3D modelliert, um per CFD getestet zu werden : Ziel ist es, die passendste Form zu bestimmen, indem die je nach Konfiguration abgeführten Volumenströme verglichen werden. Die Einfangflächen und die Kanalgröße sind für jede Untersuchung gleich, um ausschließlich den Wirkungsgrad des natürlichen Auftriebs zu vergleichen.

Je nach den Anforderungen des Projekts und den klimatischen Bedingungen sind manche Schornsteine geeigneter als andere. Die Rolle von EOLIOS besteht darin, abzuschätzen, welcher Luftaustritt am besten geeignet ist, mit einer Kanalauslegung, die den Anforderungen des Projekts entspricht.

Natürliche Belüftung durch Einzelkanäle

In dieser Untersuchung hat EOLIOS Einzelkanäle ausgelegt, um jedes Geschoss wirksam zu belüften. Die folgenden Abbildungen zeigen die Luftgeschwindigkeiten im Gebäude und in den Kanälen für zwei Schornsteintypen (klassisch fest und beweglich) sowie die Durchströmungsbelüftung über die Fassadenöffnungen.

Fazit

Die natürliche Belüftung bietet wirksame und nachhaltige Lösungen, um eine angemessene Luftzirkulation sicherzustellen. Jedes System hat seine eigenen Vorteile und Nachteile, doch alle tragen dazu bei, ein gesundes und behagliches Innenraumklima zu schaffen. Sie verbessert die Luftqualität und bleibt zugleich energetisch sparsam — und damit umweltfreundlich.

Sie fügt sich in einen nachhaltigen Ansatz des Bauens ein, indem sie die verfügbaren natürlichen Ressourcen nutzt und nahezu keine Wartung erfordert ; sie verringert die Abhängigkeit von elektrischen Technologien und den CO₂-Fußabdruck der Gebäude. Ihr wichtigster Nachteil bleibt die Abhängigkeit von den klimatischen Bedingungen (insbesondere von der Windstärke), woraus eine je nach Klima und Geografie variable Wirksamkeit folgt.

Deshalb bringt EOLIOS seine Expertise in die Auslegung und Umsetzung der natürlichen Belüftung ein : Die CFD-Simulation, einfach bereits in der Entwurfsphase einzusetzen, ermöglicht es, das wirksamste System zu wählen.