Impact of ventilation patterns on indoor humidity and energy demand : a simulation-based study using a model single-family house

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Wechselwirkungen zwischen Fensterlüftung, Raumluftqualität, Feuchtigkeitsbelastung und Energiebedarf am Beispiel eines Einfamilienhauses, wobei der Fokus auf dem Einfluss dieser Faktoren auf die Energieeffizienz und das Raumklima liegt. Dazu werden verschiedene Lüftungsstrategien simuliert, um ihre Auswirkungen auf wichtige Raumparameter wie die CO2-Konzentration, die relative Luftfeuchtigkeit und den Heizbedarf zu analysieren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Vergleich der modernen luftdichten Bauweise mit der historischen Gründerzeitarchitektur sowie der Bewertung der Folgen von Sanierungsmaßnahmen, wie dem Austausch von Fenstern. Die Ergebnisse zeigen, dass herkömmliche Lüftungspraktiken, wie das zweimalige Öffnen der Fenster für 10 bis 20 Minuten pro Tag, in modernen luftdichten Gebäuden nicht ausreichen, um die empfohlenen Grenzwerte für CO2 und Feuchtigkeit über den Tag hinweg einzuhalten. Zwar reduziert häufigeres Lüften den CO2-Gehalt wirksam, doch nimmt der Nutzen mit jedem zusätzlichen Lüftungszyklus ab. Für die Feuchtigkeit sind kurze Lüftungsintervalle kaum ausreichend, da die Feuchtigkeitspufferung in Baumaterialien und Einrichtungsgegenständen die Trocknung erheblich verzögert. Eine kontinuierliche Spaltlüftung erwies sich als die effektivste Strategie in Bezug auf die Luftqualität, führte jedoch auch zu einem erheblichen Anstieg des Heizbedarfs.Sanierungsmaßnahmen wie der Austausch von Fenstern in historischen Gebäuden reduzierten den Heizbedarf um etwa 20 %. Ohne Änderungen im Lüftungsverhalten verstärkten sie jedoch die Kondensations- und Schimmelrisiken, insbesondere an kälteren Oberflächen wie Wärmebrücken. Worst-Case-Szenarien zeigten darüber hinaus, dass sich die Raumluftbedingungen ohne Belüftung schnell verschlechtern, da CO2- und Feuchtigkeitswerte innerhalb kurzer Zeit kritische Werte erreichen. Insgesamt verdeutlicht die Studie den grundlegenden Konflikt in natürlich belüfteten Gebäuden zwischen der Reduzierung des Energiebedarfs und der Aufrechterhaltung einer ausreichenden Kontrolle der Raumluftfeuchtigkeit. Insbesondere bei Sanierungsfällen unterstreichen die Ergebnisse die Notwendigkeit, die Belüftungsmuster an die neue Luftdichtheit des Gebäudes anzupassen. Für die Praxis bedeutet dies, dass Sanierungen immer mit einer klaren Kommunikation und Aufklärung der Nutzer einhergehen müssen, um sicherzustellen, dass Änderungen an der Gebäudehülle auch angepasste Lüftungsgewohnheiten nach sich ziehen. Nur durch die Einbeziehung des Nutzerbewusstseins in Sanierungsstrategien kann ein gesundes, energieeffizientes und dauerhaftes Innenraumklima erreicht werden.

This thesis investigates the interactions between window ventilation, indoor air quality, moisture loads and energy demand in a single-family house model. Different ventilation strategies are simulated to analyse their effects on key indoor parameters such as CO2 concentration, relative humidity and heating demand. The study placed particular emphasis on comparing modern airtight construction with historic Gründerzeit architecture and on assessing the consequences of retrofit measures such as window replacement.The results show that conventional ventilation practices, such as opening windows twice a day for 10 to 20 minutes, are insufficient in modern airtight buildings to maintain recommended thresholds for CO2 and humidity throughout the day. While more frequent airing effectively reduces CO2, the benefit diminishes with each additional cycle. For humidity, short ventilation intervals are hardly sufficient, as moisture buffering in building materials and furnishings significantly delays drying. Continuous gap ventilation was found to be the most effective strategy in terms of air quality, but it also led to a considerable increase in heating demand.Retrofit measures such as window replacement in historic buildings reduced heating demand by about 20 %. However, without changes in ventilation behaviour they intensified condensation and mould risks, especially on colder surfaces, such as thermal bridges. Worst-case scenarios further demonstrated the rapid deterioration of indoor conditions without ventilation, with CO2 and humidity levels reaching critical values within a short time.Overall, the study highlights the fundamental conflict in naturally ventilated buildings between reducing energy demand and maintaining sufficient indoor humidity control. Especially in retrofit cases, the results underline the necessity of adapting ventilation patterns to the new airtightness level of the building. For practice, this means that retrofits must always be accompanied by clear communication and user education, ensuring that changes in the building envelope are matched by adapted ventilation habits. Only by integrating user awareness into retrofit strategies can healthy, energy-efficient and durable indoor environments be achieved.