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Anlass:
Um die in den Simulationsrechnungen getroffenen Annahmen hinsichtlich des äußeren Luftwechsels abzusichern, wurde im Rokokosaal eine weitere Messung der Außen- Luftwechselrate mit dem Tracergas-Verfahren durchgeführt. Die Untersuchungen sollten weiterhin aufzeigen, inwieweit die Hohlräume hinter den Holzverkleidungen am Luftwechsel partizipieren und ob die Leckagen im Dach den Luftwechsel maßgeblich beeinflussen.

Methode:
Der Luftwechsel unter natürlichen Randbedingungen (Fugen, Leckagen, Meteorologie, Topographie) kann mit der Tracergas-Methode ( Indikatorgas) bestimmt werden. Eine bestimmte Menge Indikatorgas wird in einen Raum eingebracht und mit der Raumluft intensiv vermischt, so dass eine homogene Durchmischung gewährleistet ist. Die Konzentration wird mit einem IR-Gasanalysator gemessen. Durch von außen oder aus anderen Gebäudebereichen in den Messraum eindringende Luft und Abtransport des Luft-Tracergas-Gemisches erfolgt ein Konzentrationsabfall, der in Form von Konzentrations-Zeit- Messwertpaaren aufgezeichnet wird. Aus dem Konzentrations- Zeit-Verlauf lässt sich der Luftwechsel im Raum berechnen. Als Tracergas kommen N2O oder SF6 zum Einsatz. Mittlerweile haben sich vereinfachte Messmethoden mit konfektionierten Gasemittenten und Absorberboxen etabliert, die eine Durchführung ohne Spezialisten ermöglichen. Nach der Messung werden die Boxen mit der Post versandt und im Labor ausgewertet. Durch eine mehrwöchige Messung ist eine gute Mittelwertbildung möglich. Wie Recherchen im Projekt ergaben, kann diese Technik in einem Großraum wie dem Rokokosaal anscheinend noch nicht zuverlässig eingesetzt werden.
In Weimar erfolgten die Untersuchungen der Luftwechselrate gemäß der VDI Richtlinie 4300 Blatt 7 "Messen von Innenraumluftverunreinigungen: Bestimmung der Luftwechselzahl in Innenräumen". Um eine möglichst hohe Validität der Daten zu erreichen, wurden Messungen sowohl nach der "Konzentrationsabklingmethode" als auch nach der "Konstant-Injektionsmethode" durchgeführt: Im Rokokosaal wurden mehrere Messpunkte eingerichtet, um eine gleichmäßige Verteilung des Tracer-Gases in der Raumluft dokumentieren zu können. Eine weitere Dokumentation der gleichmäßigen Verteilung wird durch die zeitlich eng folgende Ermittlung der Messwerte im Abstand von jeweils einer Minute erreicht. Die Konstant-Injektionsmethode wurde zusätzlich gewählt, da die VDI Richtlinie diese Methode insbesondere für große komplexe Räume empfiehlt. Nachteil der Methode ist die lange Messzeit bis zum Einstellen einer konstanten Tracer- Gas-Konzentration, so dass mit dieser Methode nur ein Wert für den Luftwechsel bestimmt werden konnte. Parallel erfolgte die Messung der Differenzdrücke zwischen innen und außen über den gesamten Messzeitraum sowie der zugehörigen Klimawerte.

Ergebnis und Wertung:
Die Messdaten zeigen, dass die Luftwechsel im Tagesverlauf abhängig vom Differenzdruck - also den Windverhältnissen und dem Temperaturunterschied zwischen innen und außen - in einem Bereich zwischen 0,14 und 0,73 je Stunde liegen. Der mittlere Luftwechsel liegt zwischen 0,3 und 0,4 je Stunde. Da die Messperiode Zeiträume mit deutlicher Variation der Windverhältnisse von praktisch windstill bis hin zu Windspitzen von über 50 km/h sowie ausgeprägte Unterschiede zwischen Tag- und Nachttemperatur und damit deutliche Variationen in der Temperaturdifferenz aufwies, dürften diese Resultate auch die Verhältnisse außerhalb der Messperiode einigermaßen zuverlässig abbilden. Wenn in der kalten Jahreszeit eine Beheizung des Gebäudes stattfindet, werden die während der Nacht festgestellten erhöhten Luftwechsel auch im Tagesverlauf auftreten.
Der Vergleich mit den gemessenen Temperaturen zeigt, dass die Unterschiede während der Nachtzeiten hauptsächlich durch die Temperaturunterschiede und den daraus resultierenden thermischen Auftrieb bzw. tagsüber durch den stark schwankenden Winddruck geprägt sind. Die Messwerte zeigen ebenfalls, dass die untersuchten Hohlräume signifikant am Luftwechsel teilhaben. Da aus den Messergebnissen eindeutig hervorgeht, dass der Luftwechsel entscheidend durch thermische Effekte geprägt ist, ist davon auszugehen, dass bei einer Sanierung und Abdichtung des Daches der thermisch bedingte Anteil des Luftwechsels deutlich zurückgehen wird. Da dieser über die Nachtstunden sehr wirksame Anteil bisher entscheidend den Gesamtluftwechsel beeinflusst hat, ist nach einer Abdichtung des Dachstuhles zumindest mit einer Halbierung des mittleren Luftwechsels auf Werte zwischen 0, 15 und 0,2 zu rechnen. Da die Undichtheiten des Dachstuhles nicht nur Bedeutung für den thermisch bedingten Luftwechsel haben, ist damit zu rechnen, dass die letztendliche Reduktion des Luftwechsels durch die Abdichtung des Daches noch höher sein wird.

Folgerung und Konsequenz:
Ein Nachteil der Ermittlung des Luftwechsels über die Tracergas- Methode liegt darin, dass aus der Einzelmessung keine allgemein gültige Aussage über den Luftwechsel in einem Gebäude oder Gebäudeteil gemacht werden kann, da das Ergebis sehr stark von den sich verändernden und nicht vorausberechenbaren Randbedingungen abhängt, wie Windrichtung und -geschwindigkeit, Innenraum- und Umgebungstemperatur. Der aus den Tracergas-Messungen abgeleitete Luftwechsel stellt somit eine Momentaufnahme dar.
Das Verfahren liefert sehr genaue Werte für den Zeitraum der Messperiode. Das Blower Door-Verfahren ist durch den Aufbau eines künstlichen Prüfdruckes relativ klimaunabhängig ( starker Wind während der Messung ist allerdings nicht zulässig), jedoch beinhaltet die Ableitung eines mittleren natürlichen Luftwechsels aus den Messergebnissen unter Prüfdruck einen erheblichen Unsicherheitsfaktor. Beide Methoden bieten keinen direkten Aufschluss über die Strömungsrichtung im Rokokosaal. Über die Lage der maßgeblichen Leckagen bzw. die parallelen Druckmessungen können allenfalls indirekte Hinweise zur Raumströmung gewonnen werden.
Das eigentlich Bemerkenswerte an der Tracergas Messung ist der eindeutige Nachweis, dass die Raumlüftung kurzzeitig stark schwankenden Verhältnissen unterworfen ist. Es existiert ein ausgeprägtes Tag-Nacht-Profil. Der thermische Auftrieb (Kamineffekt) im Rokokosaal funktioniert offensichtlich im Falle einer Übertemperatur im Gebäude sehr effektiv. Diese Verhältnisse sind im Sommer und den Übergangsjahreszeiten während der Nacht und im Winter zeitweise während des ganzen Tages gegeben. Während einer Umkehrung der Temperaturverhältnisse (innen kälter als außen) kommt die thermisch bedingte Lüftung, zumindest während der großen Hitze zum Zeitpunkt der Tracergas Messung, fast völlig zum erliegen. Die Verteilung der Zu- und Abluftöffnungen mit der großen Undichtheit in der Mansarde befördert eindeutig die natürliche "Übertemperatur-Lüftung" (Zuluft unten / Abluft oben, Prinzip der Schachtlüftung mit Abluft über Dach). Diese Verhältnisse korrespondieren auch mit den gemessenen vertikalen Temperaturprofilen, die sich vom Sommer zum Winter umkehren.
Wie die Klimamessungen eindeutig belegen treten im Winter die größten Temperaturunterschiede zwischen Saal und Außenluft auf, so dass hier auch der größte thermisch bedingte Luftwechsel zu erwarten ist. Auch ohne direkte Beheizung der Bibliothek kommt es im Winter zu einer deutlich stärkeren "Schachtlüftung".
Dazu kommt der Einfluss der Windkräfte. Thermisch bedingte und durch Wind verursachte Lüftung überlagern sich und sind nicht eindeutig zu trennen. Die während der Tracergas-Messung vorherrschenden Windverhältnisse können nicht als repräsentativ für den Jahresdurchschnitt angesehen werden. Die höchsten Windgeschwindigkeiten treten erfahrungsgemäß im Herbst und Frühjahr auf. Für die Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit von der Jahreszeit und damit von der Außenlufttemperatur gilt für den mitteleuropäischen Raum die Tendenz, dass bei maximalen und minimalen Außenlufttemperaturen niedrige und bei mittleren (Übergangszeit) höhere Windgeschwindigkeiten auftreten. Der Mittelwert der Windgeschwindigkeit über den Zeitraum der Tracergas-Messung lag bei 1,6 m/s. Nach einer Auskunft vom DWD, Station Weimar, erreicht die mittlere jährliche Luftgeschwindigkeit in Weimar einen Wert von ca. 3,2 m/s. Diese Größenordnung ist typisch für alle Thüringer "Talstationen" (Erfurt, ca. 3,4 m/s etc.). Die mittlere jährliche Windgeschwindigkeit ist also doppelt so hoch wie während des Messzeitraumes. Unter Berücksichtigung dieser Hinweise sind für den mittleren Jahreswert höhere Luftwechselraten anzunehmen. (han)