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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Optimierung des Klangbildes von Lüftungsanlagen mit hoher Schall-Dynamik zur Nutzer-Akzeptanzsteigerung und zur Sicherstellung der Lüftungsaufgabe.
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Motivation: Nach der aktuellen Energieeinsparverordnung 2014 („EnEV“) sind Gebäude dauerhaft luftundurchlässig zu errichten und der Mindestluftwechsel zum Zwecke der Gesundheit, Beheizung und zum Bautenschutz sicher zu stellen. Ein Lüftungskonzept ist zu erarbeiten. Zukünftig wird die Lüftung durch den Luftaustausch über Undichtheiten in der Gebäudehülle („Infiltration“) nicht mehr zum Feuchteschutz nach DIN 1946-6:2009-05 („1946-6“) ausreichen. Die Differenz zum Mindestluftwechsel nach EnEV ist zu erklären, wobei das Fensterlüften mit dem damit verbundenen Wärmeverlust als Option immer mehr an Bedeutung verliert. Automatisiertes Lüften über ventilatorgestützte Lüftungsanlagen („Lüftungsanlage“) wird zur Regel werden. Die 1946-6 gibt auch für das Lüften Außenluftvolumenströme in 4 Stufen vor. Bei der Entscheidung für eine ventilatorgestützte Lüftung ist nach 1946-6 auf Nennlüftung auszulegen. Diese Luftmenge werden die Lüftungsanlagen zunehmend vollständig aufbringen müssen. Systeme mit Wärmerückgewinnung sind hier von Vorteil, da dieser energetische Rückgewinn in die Bilanzen unter Auflagen eingerechnet wird. Alle lüftungsbezogenen Daten sind dem Nutzer zu übergeben und zu erklären. Er bestimmt durch sein Verhalten letztlich die erwartete Lüftungswirkung und das Erreichen der EnEV-Ziele. Hier gibt es deutliche Reserven.
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Stand der Technik
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1. Das Lüften wurde zu einer komplexen interdisziplinären Herausforderung und betrifft: Bauphysik, Normen, Geräte-Systeme, Verfahren, Hygiene, individuelles Wohlbefinden u. v. a. m. Lüftungsanlagen an sich sind Teil der Technischen Gebäudeausrüstung. Sie sorgen für einen ausreichenden Luftaustausch und werden nach 1946-6 auf Nennlüftung ausgelegt. Die Zuluft kann dabei auch hinsichtlich Feuchteanteil und Temperatur konditioniert werden. Jeder Bauherr wird also mit Lüftung konfrontiert werden und muss diese verstehen, um die Möglichkeiten für sich zu nutzen. Für den Nutzer sind neben den Design- und Gebrauchseffekten vor allem der ausreichende Luftvolumenstrom und die damit verbundene Geräuschentwicklung von primärer Bedeutung. Er möchte sich auch „wohlfühlen“ - frische Luft ist gleich gesunde Luft, so der Anspruch. Untersuchungen haben aber gezeigt, dass das Verständnis der Lüftung dennoch sehr oft nicht umfassend ist und die Akzeptanz deutlich erhöht werden muss. Was nützt die beste Lüftungsanlage, wenn der Nutzer sie nur ungenügend nutzt und sie für sich nicht akzeptiert - diese gar abstellt? Oft ist sie ihm zu laut - hier ist die Motivation für diese Offenbarung.
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2. Zum Luftvolumenstrom: Im Grundsatz gibt es zwei dominante Lüftungszustände:
- A: „Basis“-Lüftung zum Gebäudeschutz und zur Senkung des Schimmelrisikos im Innern
- B: erhöhte Lüftung ergänzend bei Anwesenheit von Personen
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Max von Pettenkofer entdeckte bereits im 19. Jh. die Rolle des CO2-Gehaltes beim Wohlfühlen und erkannte, dass der Sauerstoffgehalt in der Luft weniger wichtig ist. Jeder Mensch atmet CO2 in einer solchen Konzentration aus, dass sie in einem abgeschlossenen Raum tödlich auf ihn wirken würde - er erstickt. Die Luft ist durch Frischluft also so zu verdünnen, dass ungefährliche 1000 ppm des CO2-Gehaltes nicht überschritten werden. Dafür werden ca. 30 m3/h Frischluft pro Person benötigt - dieser „Pettenkofer-Wert“ hat sich bis heute so erhalten und wird bei der Lüftungsauslegung mit beachtet. Auch die Nennlüftung nach 1946-6 berücksichtigt dieses und entspricht in etwa dem Lüftungszustand A und B. Beide Anteile sind notwendig und führen so auch zum EnEV-Mindestluftwechsel. In der Praxis werden diese Luftvolumenströme oft nicht eingehalten und die Lüftungsaufgabe also nicht erfüllt.
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3. Zu den Zulassungen: Der Einbau von Lüftungsanlagen stellt einen gewichtigen Eingriff in die Gebäudehülle dar. Sie sind nach dem Stand der Technik werksseitig zu bauen und vor Ort zu errichten. Das Deutsche Institut für Bautechnik („DIBt“) bescheinigt dies durch die sogenannte DIBt-Zulassung in Verbindung mit der Verpflichtung an die Hersteller und Installationsbetriebe zur Übereinstimmung, also der Fertigung und Montage „nach Ü-Zeichen zum geprüften Muster“. Zudem werden die Lüftungsanlagen nach vorgegebenen Normen geprüft, die Ergebnisse durch Label und Datenblätter dokumentiert und so vergleichbar dargestellt. Eine DIBt-Zulassung zu erhalten ist mit hohem Aufwand verbunden und gilt als Qualitätsmerkmal.
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4. Zu den Lüftungsanlagen: Es gibt verschiedenste Lüftungsanlagen und allein in Deutschland über 100 Hersteller. In den letzten 20 Jahren haben spezielle Lüftungssysteme mit reversierenden Luftstromrichtungen ihren Platz auf dem Markt in der Sanierung und im Neubau gefunden. Sie arbeiten nach dem sogenannten Pusch-Pull-Prinzip, deren Eigenschaften aufgrund der hohen Klangbild-Schall-Dynamik hier besonders betrachtet werden. 1 zeigt einen solchen typischen Lüfterbau bestehend aus einer Innenblende (1) auf der Rauminnenwand (2), eine die Außenwand durchdringende Wandeinbauhülse (4) als Rohr oder Kanal ausgebildet, in dem eine Reversierventilatoranordnung (3) und ein Regenerativ-Wärmespeicher (5) untergebracht sind, und einer Außenhaube als Wetterabschluss (7) auf der Außenwand (6). 1a zeigt die Luftströmung im Abluftbetrieb. 1b zeigt den Zuluft-Modus. Die Innenblende (1) ist hier bereits verstärkt ausgeführt, um den Durchgangsschall zu reduzieren. In der Literatur werden solche Geräte ausführlich beschrieben in:
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Zwei im Gegentakt angesteuerte Einzelgeräte sind zu Einzelraumlüftungsgeräten kombinierbar:
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Besonderheiten der Arbeitsweise über die Querlüftung zeigen:
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Diese Geräte überzeugen durch einfachen und übersichtlichen Aufbau, ein verständliches Prinzip, eine hohe Wärmerückgewinnung über regenerativ wirkende Wärmespeicher und letztlich den Preis für Kauf und Montage. Die Eigenleistungsaufnahme ist zudem „energetisch vorbildlich“. Kein Licht ohne Schatten: Diese vergleichsweise kleinen Lüfter werden in der Außenwand integriert. Sie sind durch die Nähe hörbar im Raum und werden oft subjektiv - besonders nachts - als störend empfunden. Es stören die Betriebsgeräusche an sich und die hohe Dynamik im Klangbild besonders beim Umschalten.
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5. Der Hersteller-Service wird befragt. Er kann kaum helfen - Änderungen können zum Ü-Zeichen-Verstoß führen und so die Zulassung gefährden. Im wesentlichen zielen die Vorschläge auf den Einbau von Schall„schluck“maßnahmen (Kulissen, Blenden, Dämm-Einlegermatten, ...) ab, Beispiele dafür siehe:
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Die Nachteile sind offensichtlich: Der Außenluftvolumenstrom sinkt, der Lüftungserfolg bleibt aus und die Unzufriedenheit sinkt weiter. Noch immer wird gern empfohlen, die Regler-Lüftungsstufe auf „leise“ oder „öko“ zumindest nachts einzustellen. Oder: Der Nutzer begrenzt den Luftvolumenstrom auf ein für ihn „erträgliches Geräusch“. Beides ist bedenklich, weil die CO2-Absenkung ungenügend stattfindet, der Feuchteaustrag reduziert und die Lüftungsaufgabe so nicht erfüllt wird.
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6. Zum Schall: Im Vordergrund hier ist die Schallimmission der Lüfter, die wahrgenommen wird. Der Schall ist ein wichtiger Parameter für fest installierte Geräte im Gebäude und wird normativ als dB(A)-Schalldruckpegel angegeben. Dieser A-bewertete Wert wird aus spektralen Einzel-Schalldruckwerten unter Umrechnung nach der „A-Vorgabe“ als Korrektur auf das „menschliche Durchschnittsohr“ ermittelt. Hier relevant: Die tiefen Frequenzen werden niedriger bewertet - spektrale Lüfter-Besonderheiten dabei im resultierenden dB(A)-Gesamtwert unterdrückt. Fazit: Geräte mit gleichem dB(A)-Wert werden subjektiv unterschiedlich je nach Person, Stimmung und auch Tages-Nacht-Zeit wahrgenommen. Die Hersteller werben mit niedrigen Werten - sie sollten also zu keiner Beanstandung führen. Dennoch sind Reklamationen die Regel, die Lüfter grundsätzlich zu laut und auf spektrale Sensibilitäten wird nicht eingegangen.
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Die Reversierventilatoranordnungen haben folgende Schall-relevante Zustände:
- - Geräusch-stabile aber in der Regel ungleich klingende Zu- bzw. Abluftphasen
- - Brems- und Anlaufphasen
- - Stopp-Phasen ohne Eigengeräusch
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Die Brems-Stopp-Anlaufphasen, die bis zu 16 Sekunden lang sein können, sind die Ursache für die hohe Schall-Dynamik im Klangbild bei Pusch-Pull-Systemen. Es ist inhomogen - selbst wenn einzelne Phasen als angenehm empfunden werden. Die Schallpegelwerte nach Hersteller-Deklaration berücksichtigen nicht die dynamischen Besonderheiten als Quelle für ein subjektives Stör-Empfinden.
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Aufgabe
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Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, den Schalleindruck von Lüftungsanlagen mit hoher Schall-Dynamik so zu verbessern, dass die Akzeptanz des Nutzers zur Lüftungsanlage steigt, die Lüftungsaufgabe so erfüllt werden kann und die Einhaltung zulassungsbezogener Übereinstimmungsverpflichtungen gewährleistet bleibt.
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Lösung
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Die vorgenannte Aufgabenstellung wird nach Schutzanspruch 1 zunächst dadurch erreicht, dass in einem solchen Lüftungsgerät, bestehend aus einer rauminnenseitigen Blende (1) für den Luftdurchlass für Abluft und Zuluft, einer Wandeinbauhülse (4) mit verbauter reversierender Strömungsmaschine (3) und mit optionalem Regenerativ-Wärmespeicher (5) sowie einer Wetterschutzhaube (6) außen (7) im Innenbereich ein Schallgeber so eingebracht wird, dass in den Umschaltphasen sowie im Stillstand ein Überbrückungsgeräusch ausgesendet wird. Dieses Geräusch senkt die Dynamik im Geräuschbild und erhöht so die Akzeptanz des Nutzers. Durch aktive Analyse des Geräuschbildes nach Anspruch 3 kann dieses Überbrückungsgeräusch zeitlich im Verlauf sowie in der Amplitude an die aktuellen Verhältnisse gemäß Taktzeit und Lüftungsstufe zusätzlich angepasst werden. Die aktive Schall-Analyse kann weiter entwickelt nach Anspruch 5 mit Hilfe des Gegenschall-Prinzips spektrale und subjektiv empfundene Amplituden von Störfrequenzen reduzieren und so zu einer weiteren Harmonisierung des Gesamtklangbildes über alle Lüftungsphasen führen. Diese Eingriffe haben keinen Einfluss auf die Ü-Zeichen-Verpflichtung der Hersteller und reduzieren nicht den Luftvolumenstrom.
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Grundlage dieser Erfindung ist die Erkenntnis, dass die Störgeräusche aus der Ventilatordrehzahl selbst ableitbar und somit individuell sind. Die Drehfrequenz f aktueller Ventilatoren ist im Bereich von 15-35 Hz bzw. 900-2100 RPM. Über Flügelanzahl und Statorstützenzahl sind die energetisch bedeutenden und subjektiv störenden Hauptstörer-Anteile im Bereich von 80-400 Hz ableitbar:
| f * 2 | f-m | Magnet - Polzahl (meist auch Tacho-Signalfrequenz) |
| f * (2) * Flügelzahl | f-fl | mit Oberwellen |
| f * (2) * Statorstützenzahl | f-st | mit Oberwellen |
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Hier setzen die Vorschläge über 2 Ansätze an:
- Ansatz 1: Mit einfachen technischen Mitteln kann zunächst die Dynamik des Gesamtklangbildes reduziert werden. Ein über Multivibratoren oder Controller generierbares Rechteck-Signal, eingestellt auf f oder f-m, erzeugt energetisch bedeutsame Oberwellen gemäß FourierTransformation im Bereich bis ca. 400 Hz. Als Schallgeber können kleine und preiswerte Lautsprecher eingesetzt werden, die als Bandpass wirkend diesen Frequenzbereich abstrahlen können. Mit diesen Mitteln ist also ein in Zeit und Amplitude angepasstes Geräusch in den Umschaltphasen der Ventilatoren einblendbar. Das Signal für den Start kann aus der Lüftersteuerung selbst, z. B. durch Erkennen einer Spannungsunterschreitung bzw. aus Tastverhältnis-Analysen über Schwellwertschalter generiert werden. Das Geräusch kann aber auch als beliebige Audiodatei abgespeichert sein und eingespielt werden. Solche zum Beispiel MP3-Module sind auf dem Markt verfügbar. Der Aufbau der Ansteuerelektronik, bestehend aus Umschaltsensor, Schallgenerator und Verstärker, passt auf die Fläche eines Schallwandlers / Lautsprechers und ist so mit ihm zusammen als Modul realisierbar. Die Spannungsversorgung für diese Baugruppe erfolgt idealerweise aus der Ventilatorversorgung.
- Ansatz 2: Durch die Ergänzung dieser Anordnung mit einem / mehrerer Mikrofon(e) und der spektralen Analyse der Lüftergeräusche, deren Klassifikation nach Amplitude und Spektrum, die Aufbereitung in speziellen Audio-Controllern können über einen Verstärker und dem Schallwandler neben der schon beschriebenen Geräuschüberbrückung auch aktiv die Phasen durch sogenannten Gegenschall beeinflusst werden. Eine einfache Form einer Lüfter-Schallsteuerung wird in DE 202012103045 U1 beschrieben. Die Offenbarungen:
zeigen Weiterführungen über das Gegenschallprinzip auf. Der Vorteil der Anwendung von Gegenschall im Rahmen dieser Erfindung ist aus dem Ziel ableitbar, dass nicht eine maximale Schallreduzierung erreicht werden sondern spektrale Teilbereiche insgesamt subjektiv angenehmer gestaltet werden sollen. Dies reduziert die Anforderungen an die Algorithmen und Hardware.
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Ausgestaltung
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Der Grundaufbau eines Lüfters mit hoher Schall-Dynamik wurde bereits in 1 erklärt. Die Innenblende (1) ist verstärkt ausgeführt, um den Durchgangsschall zu reduzieren. Die störenden Geräusche werden aber vorrangig über die Luft transportiert in und gegen die Luftströmungsrichtung. Zur Hamonisierung der Geräusche ist also dieser Schallweg geeignet zu beeinflussen ohne Beeinträchtigung der Zulassung. In den folgenden Bildern 2 bis 4 sind die Luftströmungsrichtungen zusammengelegt. Sie folgen stets der Abfolge wie weiter vorn beschrieben in sequentieller und periodischer Weise.
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2 zeigt den Ansatz nach Anspruch 1. Neu eingeführt wird der Lüfterregler (8), der die Leistungsvorgabe und die Drehrichtung bereit stellt. Dieser Regler steuert also den Ventilator und leitet die Umschaltung der Luftförderrichtung ein. Das Signal für den Start kann aus der Lüftersteuerung, z. B. durch Erkennen einer Spannungsunterschreitung bzw. aus Tastverhältnis-Analysen über Schwellwertschalter generiert werden. Das Geräusch kann selbstverständlich auch als Audiodatei abgespeichert sein und eingespielt werden über (9). Dieses technisch einfache Verfahren ist anpassbar auf eine Standard-Einstellung am Lüfter. Die Umschalt- und Geräuschverhältnisse sind dann bekannt und das Überbrückungsgeräusch darauf abstimmbar. Nach Anspruch 2 kann dieses Überbrückungsgeräusch zeitlich und in der Amplitude an mehrere Umschaltphasen angepasst sein. Der Aufwand an die interne Steuerung steigt, da hier die momentane Leistung und die zeitlichen Abläufe mit erfasst werden müssen.
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Nach 3 und Anspruch 3 kann dieses Überbrückungsgeräusch durch ein Empfänger (10) - zum Beispiel ein Mikrophon - ausgelöst werden.
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4 zeigt einen noch flexibleren Ansatz bei Geräuschanalyse und aktiver -beeinflussung nach Anspruch 4. Der technische Aufwand ist deutlich höher: Ein Empfänger (10) sendet seine Signale aus der Ventilatorumgebung kommend an einen Audio-Controller (11). So kann das Geräusch analysiert, bewertet und gegenphasig dem Lüftergeräusch über (9) zugeführt werden. Als Folge ändert sich das resultierende Klangbild in beabsichtigtet positiver Weise. Ebenso kann die Umschaltpause mit jetzt optimierten Überbrückungsgeräuschen beaufschlagt werden.
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Nach Anspruch 5 kann der Audio-Controller (11) in 4 über einstellbare spektrale Eigenschaften und somit individuelle Soll-Wertvorgaben das Geräusch auf spezifische Frequenzanteile analysieren, bewerten und gegenphasig dem Lüftergeräusch über (9) zuführen. Die Wirkung der Klangbildoptimierung ist so auf den Nutzer und die räumlichen Gegebenheiten individualisierbar - ähnlich der Anpassung von Hörgeräten an Patienten mit verminderten Hörfähigkeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3613942 A1 [0007]
- DE 29801917 U1 [0007]
- EP 000003168544 A1 [0007]
- CN 000102705950 B [0007]
- US 020150198342 A1 [0008]
- DE 102016009790 B3 [0008]
- DE 102015118475 A1 [0009]
- DE 202014011129 U1 [0009]
- DE 202012008029 U1 [0011]
- DE 102012014292 A1 [0011]
- DE 202017100927 U1 [0011]
- DE 000010121940 C1 [0011]
- DE 102008020941 A1 [0011]
- DE 202008016563 U1 [0011]
- AT 000000377843 B [0011]
- DE 202012103045 U1 [0019]
- US 020100310083 A1 [0019]
- DE 102012212843 A1 [0019]
- DE 102012103607 A1 [0019]
- DE 000019818925 C2 [0019]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 1946-6:2009-05 [0002]
