Neues Buch führt Hausbesitzer in die Grundlagen mechanischer Systeme und Lüftungssysteme ein

May 28, 2023

Um mehr über die Luftqualität in Innenräumen in „Pretty Good House: A Guide to Creating Better Homes“ zu lesen, besuchen Sie die Website des Autors.

Der Planet erwärmt sich schneller, als wir dachten. Als dieses Kapitel im Jahr 2021 Gestalt annahm, brach der pazifische Nordwesten der USA nicht nur Hitzerekorde, sondern zerstörte sie sogar. In Portland, Oregon, wurden 113 °F erreicht. Die Temperaturen in Portland, Maine, lagen im Juni weit über 90 Grad, was selten vorkommt. Historisch gesehen tragen in Maine die Meeresbrise, die Berge, der Baumbestand und natürlich der nördliche Breitengrad dazu bei, dass die Sommer mild bleiben. Selbst im August erreichen die durchschnittlichen Höchsttemperaturen in Portland selten 90 °F und die durchschnittlichen Tiefsttemperaturen liegen oft unter 60 °F. Aber Warnungen vor sommerlicher Hitze werden immer häufiger.

Dies weist offensichtlich darauf hin, dass sofortige Maßnahmen gegen die globale Erwärmung erforderlich sind, bedeutet aber auch, dass viele von uns Klimaanlagen (AC) in ihre Projekte einbeziehen oder nachrüsten, oft zum ersten Mal.

Wie beim Erhitzen besteht die beste erste Reaktion bei einem PGH darin, die Belastung zu verringern (weitere Informationen finden Sie in Kapitel 4). Überdachungen, die die Sommersonne blockieren, aber die Wintersonne in einem niedrigeren Winkel hereinlassen, Laubbäume oder Weinreben, die die Sonne nur blockieren, wenn Blätter vorhanden sind, eine durchdachte Verwendung von Fenstern, Jalousien und Low-E-Beschichtungen und natürlich Isolierung und Luftabdichtung halten alle Ihre Kühllast niedrig. Einfache Dinge helfen: nachts die Fenster öffnen, um das Haus mit kühlerer Luft zu spülen, und sie dann tagsüber schließen, um die heißere Luft draußen zu halten; Wählen Sie in heißen Klimazonen eine hellere Dachfarbe, um die Wärme zu reflektieren. und die Verwendung von Ventilatoren zur Abkühlung einzelner Personen statt des ganzen Hauses.

Wenn es tagelang (und nachts) richtig heiß ist, wird selbst ein PGH früher oder später unangenehm heiß. Wenn Sie mit Luft- oder Erdwärmepumpen heizen, verfügen Sie bereits über eine Klimaanlage. Im Wesentlichen kehren Sie lediglich den Betrieb des Systems um, indem Sie die Wärme von innen auffangen und nach außen abgeben. Wie beim Heizen muss auch ein Kühlsystem auf die Last abgestimmt ausgelegt werden, wobei die Auslegungskriterien möglicherweise nicht dieselben sind.

Bei allen AC-Geräten handelt es sich tatsächlich um Wärmepumpen. Die großen Außengeräte, die Sie gewohnt sind, leisten im Wesentlichen die gleiche Arbeit wie die Außengeräte eines Mini-Splits. Ihre Effizienz hat sich im letzten Jahrzehnt deutlich verbessert. Sie lassen sich gut mit Warmluftsystemen kombinieren, die das gleiche Kanalsystem verwenden. Die Systeme, die keine Wärmepumpen sind, werden typischerweise Verdunstungskühler (oder Sumpfkühler) genannt und nutzen den Kühleffekt der Verdunstung von Wasser anstelle von Kühlung. Sie sind einfacher, billiger und effizienter als Wärmepumpen in trockenen Klimazonen (und lassen sich relativ leicht selbst herstellen), sind aber viel weniger effektiv und können die Luftfeuchtigkeit verschlechtern.

Wenn Sie nur einen Raum kühlen müssen (z. B. ein Arbeitszimmer oder ein Schlafzimmer), kann ein Fenstergerät sinnvoll sein. Achten Sie, wie bei anderen Systemen auch, auf eine gute Luftabdichtung und wechseln oder reinigen Sie die Filter. Der Energy Star der EPA ist ein guter Leitfaden für die Effizienz von Einheiten.

Wie auch immer Sie Ihr PGH kühlen, achten Sie auf die Luftfeuchtigkeit. Wie wir aus dem klassischen Beispiel der Sommerkondensation auf einer Getränkedose wissen, kondensiert warme, feuchte Luft auf einer kalten Oberfläche. Die magische Zahl hier ist der Taupunkt. Der Taupunkt ist eine Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur und die Temperatur, bei der Wasserdampf auf einer Oberfläche zu Flüssigkeit kondensiert. Und wir wissen, dass Kondensation in Ihrem Haus alle möglichen Probleme verursachen kann, darunter vor allem Schimmel und Fäulnis.

Um über dem Taupunkt zu bleiben, können Sie entweder das Haus ausreichend warm halten (über der Taupunkttemperatur) oder die Luftfeuchtigkeit senken (und so den Taupunkt senken). In einem heißen, feuchten Klima kann der Taupunkt im Sommer über 70 °F liegen, und bei 90 °F und 72 % relativer Luftfeuchtigkeit (was in feuchten Teilen der USA im Sommer vorkommen kann) beträgt die Taupunkttemperatur 80 °F .

Darüber hinaus ist feuchte Luft am wärmeren Ende des vom Menschen bevorzugten Temperaturbereichs weitaus unbequemer als trockene Luft bei gleicher Temperatur. Wir kühlen unseren Körper durch Schwitzen: In trockenerer Luft ist es für unseren Körper viel einfacher, den Schweiß durch Verdunstung loszuwerden. „Es liegt nicht an der Hitze, sondern an der Luftfeuchtigkeit“ ist tatsächlich genau richtig.

Ein Pretty Good House versucht größtenteils, Hochleistungsgebäude durch die Bereitstellung von Faustregeln und Richtlinien zu vereinfachen. Bei Heiz- und Kühlsystemen funktionieren Faustregeln jedoch nicht besonders gut. Eine Form der Energiemodellierung ist erforderlich. Bauvorschriften verlangen in der Regel ASHRAE Manual J-Berechnungen, um den Wärmeverlust von Raum zu Raum zu bestimmen. Die Ergebnisse können genau sein, die Berechnungen werden jedoch oft manipuliert, um es dem Lieferanten oder Auftragnehmer einfacher zu machen. Eine Überdimensionierung von Geräten ist oft nicht wünschenswert, da Wärmepumpen in der Nähe ihrer maximalen Kapazität am effizientesten arbeiten und ihre Effizienz bei Überdimensionierung drastisch abnimmt. Überdimensionierte Klimaanlagen können die Luft nicht effektiv entfeuchten.

Unabhängig davon, für welches System Sie sich zum Heizen, Kühlen oder Lüften entscheiden, ist die sorgfältige Gestaltung des Systems von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie über genügend Wärmekapazität verfügen, um die absolut kälteste Temperatur zu bewältigen, die Sie jemals erreichen werden, was möglicherweise nur 15 Stunden pro Jahr der Fall ist, ist Ihr System für die anderen 364 Tage und 9 Stunden überdimensioniert. Stattdessen verwenden wir eine sogenannte Entwurfstemperatur. Dabei handelt es sich typischerweise um eine Temperatur, die mit einem Prozentsatz des Jahres verknüpft ist, in dem sie auftritt.

Im ASHRAE-Handbuch werden beispielsweise die Auslegungstemperaturen für die Heizung in Portland, Maine, mit -1,7 °F (-18,7 °C) / 99,6 % und 3,2 °F (-16 °C) / 99 °C aufgeführt. Das bedeutet, dass die Temperatur im Durchschnitt 99,6 % des Jahres über -1,7 °F und 99 % des Jahres über 3,2 °F liegt. Einige Diagramme enthalten auch die Zahl für 98 %. Für die Kühlung liegen unsere Zahlen bei 86,7 °F (30,4 °C) / 0,4 % und 83,3 °F (28,5 °C) / 1 %, was wiederum bedeutet, dass die Temperaturen für diese prozentualen Anteile des Jahres über diesen Temperaturen liegen.

Am anderen Ende des Designs steht die Sicherstellung, dass Ihre Systeme wie geplant funktionieren. Laufen die Wärmepumpen mit der erwarteten Geschwindigkeit? Fördert die Belüftung die erwartete Luftmenge? Dieser Schritt wird oft übersehen, ist aber von entscheidender Bedeutung, insbesondere in einem leistungsstarken Zuhause, wo die Effizienz aufgrund schlecht funktionierender Geräte leicht verloren gehen kann. Was dazu gehört, behandeln wir im Detail in Kapitel 10 zur Verifizierung und Kundenschulung.

Die Überprüfung, ob die Ausrüstung wie geplant funktioniert, wird als „Inbetriebnahme“ bezeichnet und kann von den Auftragnehmern, die die Ausrüstung installiert haben, vom Hersteller oder von einem externen Prüfer durchgeführt werden. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, dass dies geschieht und die Ergebnisse aufgezeichnet werden. Es ist auch ein guter Zeitpunkt, um sicherzustellen, dass der Hausbesitzer Dinge wie Wartungspläne, Filterwechsel oder -reinigung versteht und weiß, an wen er sich für Wartungs- oder Reparaturarbeiten wenden kann. Stellen Sie sicher, dass Sie einen Plan für die Inbetriebnahme haben, bevor Sie die auszuführenden Arbeiten in Auftrag geben. Wenn der Installateur dies nicht vorhat, sagen Sie ihm, dass Sie es planen, und er muss Korrekturen vornehmen, wenn das Gerät nicht den Spezifikationen entspricht.

Die Entfeuchtung ist eine wesentliche Ergänzung zur Kühlung in feuchten Klimazonen. Die meisten Klimaanlagen, einschließlich Wärmepumpen, können die Luft entfeuchten. Sie blasen einfach die warme, feuchte Luft über die kalten Spulen (dies erzeugt die Tropfen, die unweigerlich auf Ihren Kopf fallen, wenn Sie unter einem Gerät hindurchgehen). Zentrale Klimaanlagen können über zusätzliche Luftentfeuchtereinheiten verfügen (und auch über Befeuchtungseinheiten für trockene Klimazonen oder für die Heizperiode in kalten Klimazonen).

Wie bei Kurzzyklen in einem Heizsystem besteht ein potenzielles Problem bei einem PGH darin, dass Ihr Kühlsystem nicht lange genug läuft, um die Luft zu entfeuchten. Dadurch kann das Gerät in den „Trocken“-Modus versetzt werden, wodurch die Temperatur der Spulen stark sinkt, um mehr Wasserdampf aus der klimatisierten Luft zu kondensieren und dabei viel Energie zu verbrauchen. Sie können auch einen eigenständigen Luftentfeuchter verwenden, dieser muss jedoch entleert oder an einen Abfluss angeschlossen werden und entfeuchtet normalerweise gut den unmittelbaren Bereich, aber nicht das ganze Haus. Viele ältere Häuser in Maine haben feuchte Keller, und es ist nicht ungewöhnlich, dass dort fast das ganze Jahr über ein Luftentfeuchter läuft. Luftentfeuchter können einen erheblichen Energieverbraucher verursachen. Informieren Sie sich daher sorgfältig, wenn Sie sich für diesen Weg entscheiden. Wenn Sie das Haus häufig entfeuchten müssen, ist ein separates System mit eigenen Leitungen wesentlich effektiver und effizienter.

Feuchtigkeit kann natürlich das ganze Jahr über ein Problem sein. Abgesehen von Wasser, das von außen eindringt, ist die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen die zerstörerischste Feuchtigkeitsquelle und muss bekämpft werden. Ein Großteil davon entsteht durch die einfache Beschäftigung im Haus – Kochen, Baden, Putzen, Gießen von Pflanzen, Haustieren und einfach Atmen. Preiswerte digitale Hygrometer (Geräte zur Messung der relativen Luftfeuchtigkeit) können Ihnen bei der Überwachung der Luftfeuchtigkeit helfen. Typischerweise wird in Häusern eine relative Luftfeuchtigkeit von 30 % bis 50 % am besten gehalten. Im Winter kann ein Unterschreiten von 30 % zu allen Problemen trockener Luft (rissige Haut, blutige Nasen usw.) führen. Im Sommer kann ein Anstieg über 60 % zu Kondensation und Komfortproblemen führen. Ein zu trockenes Haus ist nicht so gefährlich für die Struktur wie ein zu feuchtes.

Die Belüftung ist der letzte Teil der HVAC-Gleichung. Wir möchten zu jeder Jahreszeit so schnell wie möglich überschüssige Feuchtigkeit aus unserem Haus entfernen, bevor sie Probleme verursachen kann. In einer Küche oder einem Badezimmer ist es relativ einfach und üblich, eine Dunstabzugshaube und einen Badventilator zu installieren. Diese Geräte sollten nach außen entlüftet werden – Umluft-Dunstabzugshauben ohne Abzug oder Badventilatoren, die in den Dachboden entlüftet werden, sind im besten Fall wirkungslos, im schlimmsten Fall schädlich für Ihr Haus oder Ihre Gesundheit. Ventilatoren sollten über wirksame Dämpfer verfügen, um zu verhindern, dass Außenluft einströmt, wenn die Ventilatoren nicht laufen.

Die Forschung zur Raumluftqualität (IAQ) war in den letzten ein bis zwei Jahrzehnten eine große Hilfe für Bauherren und Designer. Der am häufigsten verwendete Standard für die Belüftung heißt ASHRAE 62.2. ASHRAE ist die American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, und der Standard 62.2 trägt den Titel Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality in Residential Buildings. Es ist die Grundlage für die meisten Lüftungsanforderungen der Bauvorschriften.

Im Vorwort heißt es: „Die Norm beschreibt die Mindestanforderungen, um durch die Belüftung von Wohneinheiten eine akzeptable Raumluftqualität zu erreichen ... Die Belüftung von Wohneinheiten soll die unvermeidbaren Schadstoffemissionen von Menschen, Materialien und Hintergrundprozessen verdünnen.“

Die Küche trägt wesentlich zu einer schlechten Raumluftqualität bei. Wenn Sie einen Gasherd haben, sind die Verbrennungsabgase (einschließlich Kohlenmonoxid und Formaldehyd) ein Problem, bevor Sie überhaupt mit dem Kochen beginnen. Wir empfehlen oft Induktionsherde, da sie alle elektrisch, sehr sicher und energieeffizient sind.

Auch ohne Verbrennung entstehen beim Kochen Feinstaub (Objekte, die klein genug sind, um durch die Lunge in den Blutkreislauf zu gelangen), Kohlenwasserstoffe in der Luft (von denen einige krebserregend sind) und andere Schadstoffe. Wir haben drei wirksame Strategien gefunden: Dunstabzugshauben, Salate und Essen zum Mitnehmen.

Vorausgesetzt, Sie werden die beiden letztgenannten irgendwann satt haben, konzentrieren wir uns auf Dunstabzugshauben. Es gibt zwei Teile, um zu messen, wie gut sie absaugen: Luftbewegung und Fangbereich. Die erste wird in Kubikfuß pro Minute (cfm) gemessen. Für die Dimensionierung dieser Lüfter gibt es verschiedene Faustregeln. In einem PGH empfehlen wir einen Ventilator mit einer Kapazität von 300 cfm, der stark genug ist, um zu belüften, aber nicht zu stark ist.

In einem einigermaßen luftdichten Zuhause gibt es noch eine weitere Komplikation. Sofern es nicht irgendwo ein Loch gibt, das so viel Luft hineinlässt, wie Sie ablassen möchten, wird Ihre Dunstabzugshaube oder Ihr Badewannenventilator nicht viel bewirken. In einem zugigen Haus gibt es viele Stellen, an denen Frischluft eindringen kann, aber in einem PGH muss man dafür planen.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Frischluft bereitzustellen, aber immer häufiger verwenden wir eine relativ einfache Methode, die sich bei Nichtgebrauch gut abdichtet. Es handelt sich um einen Außenkanal mit elektrischer Klappe. Es ist so verkabelt, dass es sich beim Einschalten der Dunstabzugshaube öffnet und beim Ausschalten schließt. Wo diese Luft reingebracht werden soll, ist natürlich Gegenstand einiger Debatten. Manche plädieren dafür, die Luft in die Nähe der Dunstabzugshaube zu bringen, damit nicht der ganze Raum ausgekühlt wird. Andere plädieren dafür, es unter den Kühlschrank zu stellen, um die Spulen abzukühlen und für einen besseren Betrieb zu sorgen. ASHRAE empfiehlt derzeit, 60 % über die Küche einzubringen, den Rest von anderen Orten im Haus. Dies ist ein weiterer Forschungsbereich; Hoffentlich haben wir bald genauere Informationen.

Immer mehr Hersteller von Dunstabzugshauben bieten mittlerweile Nachluft-Sets an, was die Planung und Installation erheblich vereinfacht. (Beachten Sie, dass die Bauvorschriften keine Zusatzluft erfordern, es sei denn, der Ventilator bewegt sich mehr als 400 cfm – was die meisten Badventilatoren ausschließt.)

Eine weitere Überlegung ist, wie effektiv eine Dunstabzugshaube Luftschadstoffe auffängt. Wenn die beim Kochen entstehenden Schadstoffe nicht in die Dunstabzugshaube gelangen, saugt der Ventilator lediglich frische, klimatisierte Luft ab. Der effektive Auffangbereich ist eine Funktion der Lüftergeschwindigkeit, der Form der Haube, des Abstands von der Herdoberfläche und der Größe des Ofens.

Die beste Haube wäre in alle Richtungen einen Fuß breiter als der Herd und etwa 10 Zoll über den Brennern. Das würde das Kochen allerdings etwas erschweren, also gehen wir Kompromisse ein. Je kleiner die Haube und je weiter vom Herd entfernt ist, desto wirkungsloser ist sie.

Dies gilt insbesondere für Inselhauben, die Luft von allen vier Seiten ansaugen müssen und keine Rückwand oder flankierende Oberschränke haben, um die Luft in die Haube zu leiten.

Badewannenventilatoren sind einfacher, erfordern aber dennoch einige Überlegungen. Insbesondere in einem kalten Klima kann die warme, feuchte Abluft Ihrer Dusche leicht in den Abluftkanälen kondensieren, und Sie möchten sicherstellen, dass kaltes Kondensat nicht auf Ihr frisch gewaschenes Haar zurücktropft oder sich in den Kanälen sammelt und Schimmel bildet oder Schimmel. Stellen Sie bei einem Gerät, das durch eine Wand entlüftet, sicher, dass die Rohrleitungen leicht nach außen geneigt sind, damit Kondensat entweichen kann. Montieren Sie außerdem die Kanäle so, dass die Anschlüsse das Wasser aus dem Haus leiten.

Schwieriger wird es, wenn Ihre einzige Option die Vertikale ist, entweder durch das Dach oder mit einer deutlichen Steigung, bevor Sie in die Horizontale wechseln. Am besten stellen Sie durch sorgfältige Isolierung und Luftabdichtung sicher, dass die Rohrleitungen warm (und damit über dem Taupunkt) bleiben. Ein leistungsstärkerer Motor oder ein zusätzlicher Inline-Lüfter näher an der Außenseite können dazu beitragen, dass sich die Abluft weiter bewegt und die Gefahr einer Kondensation geringer ist.

Nachdem wir uns nun um die Hauptquellen von Luftschadstoffen und Feuchtigkeit gekümmert haben, wie sieht es mit dem Rest des Hauses aus? Wir haben alle gehört, dass ein Haus atmen muss, oder? Na ja, falsch. Ein Haus ist kein lebender Organismus und braucht daher nicht zu atmen. Was es tun muss, ist trocken zu bleiben. Die Bewohner hingegen müssen atmen. Bei beidem hilft eine hausweite Lüftungsanlage.

In den meisten älteren Häusern besteht das Lüftungssystem darin, dass die Luft durch Zugluft in das Haus und aus dem Haus strömt. Sie wissen nicht wirklich, woher die Ansaugluft kommt oder wohin die Abluft geht, daher kann die Luftqualität gut oder schlecht sein, je nachdem, aus welcher Richtung und Stärke der Wind weht. Zieht es Luft von der Wiese nebenan oder aus dem schimmeligen Kriechkeller? Drückt es nach außen oder in einen Wand- oder Deckenhohlraum?

Sobald Sie anfangen, eine bessere Luftabdichtung zu erzielen, sei es bei einem PGH oder einem Pretty Good Reno, müssen Sie bewusster vorgehen. In Schlafzimmern kann sich das CO2 aus der Atmung über Nacht leicht auf ein ungesundes Niveau ansammeln. Während der vielen Stunden am Tag, in denen weder der Badventilator noch die Dunstabzugshaube laufen, gibt es in Innenräumen Schadstoffe, die verdünnt und Feuchtigkeit abgeführt werden müssen. Dem lässt sich durch ein gut konzipiertes Belüftungssystem entgegenwirken. Die wesentlichen Elemente sind, dass das System:

Es gibt einen Haken: Es gibt einen Energienachteil. Bei schönem Wetter kann das Öffnen der Fenster für ausreichende Belüftung sorgen. Sobald das Wetter jedoch so heiß, kalt oder feucht ist, dass Sie die Fenster schließen, beinhaltet jede Belüftung per Definition einen Austausch von klimatisierter Luft (gekühlt, erwärmt oder entfeuchtet) mit unkonditionierter Luft. Sobald die klimatisierte Luft erschöpft ist, muss die einströmende Luft erwärmt, gekühlt oder entfeuchtet werden. Das Ziel sollte also eine ausreichende, aber keine Überlüftung sein. ASHRAE 62.2 oder was auch immer Ihre Bauvorschriften erfordern, ist ein guter Ausgangspunkt. Ein einfacher Luftqualitäts- oder CO2-Monitor kann bei der Anpassung des Systems helfen, sobald es installiert ist.

Die gebräuchlichsten Systeme zur ausgewogenen Belüftung sind Ventilatoren mit Wärme- und Energierückgewinnung. Wärmerückgewinnungsventilatoren (HRVs) verfügen über Wärmeaustauschkerne, die bis zu 90 % der Wärme im Luftstrom auffangen und sowohl im Winter als auch im Sommer wirksam sind. Mit einem Energierückgewinnungsventilator (ERV) wird auch Feuchtigkeit übertragen, wodurch trockene Außenluft im Winter feuchter und feuchte Außenluft im Sommer weniger feucht wird. Es gibt einige Systeme, die zwischen den beiden Funktionen umschalten können.

Die meisten Systeme werden von einer zentralen Einheit zu den Haupträumen im Haus geleitet, um Bereiche abzusaugen, die Feuchtigkeit und Gerüche erzeugen, und die Wohn- und Schlafbereiche zu versorgen. Andere sind Punktventilatoren, das heißt, sie belüften einzelne Räume. Welches System das beste ist, hängt von vielen Faktoren ab, darunter dem Klima, der Belegung und der Frage, ob die Badezimmer an dasselbe System angeschlossen sind wie der Rest des Hauses.

Einige Häuser verwenden eine reine Abluftlüftung, sodass ein Badventilator im Wesentlichen kontinuierlich auf niedriger Geschwindigkeit läuft. Dies spart in der Regel zunächst Geld, aber die durch ausgewogene Belüftung eingesparte Energie zahlt sich schließlich aus, und da die einströmende Luft gefiltert wird und nicht durch zufällige Lücken in der Struktur eindringt, sollte auch die Raumluftqualität besser sein.

Es wurde viel (virtuelle) Tinte darüber verschwendet, ob und wo ein HRV oder ein ERV verwendet werden soll, aber am Ende überwiegt die Qualität des Geräts selbst sowie die Installation und Wartung des Geräts und der Rohrleitungen alle Vorteile ein System über das andere.