IRL2024 - A09 | Umweltbundesamt

Disclaimer: Dieser Artikel ist ein Beitrag im Rahmen der Konferenz "Innenraumluft 2024" und spiegelt nicht die Meinung des Umweltbundesamtes wider. Für die Inhalte sind die genannten Autoren und Autorinnen verantwortlich.

Autor*innen
Felix Held¹, Philipp Krimmel¹, Prof. Olaf Zeidler¹, Wolfram Müller², Kathrin Richter-Kowalewski², Prof. Birgit Müller¹

¹Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Berlin, Wilhelminenhofstraße 75A, 12459 Berlin

²Berlin Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Bauen und Wohnen, Gruppe VI MI 3, Prüfung und Genehmigung von Planungsunterlagen für Anlagen der Technischen Ausrüstung und Ingenieurbauwerke, Baufachliche Grundsatzangelegenheiten, 10707 Berlin

Empfohlene Zitierweise: Held, F., Krimmel, P. Zeidler, O., Müller, W., Richter-Kowalewski, K., Müsser, B. (2024). CO2⁠-Messungen in Innenräumen - Schulen mit unterschiedlichen Lüftungsvarianten. Beitrag A09 zur Fachtagung „Innenraumluft 2024 - Messen, Bewerten und Gesundes Wohnen“, 6.-8. Mai 2024, Dessau-Roßlau. https://www.umweltbundesamt.de/irl2024-a09

CO2⁠-Messungen in Innenräumen - Schulen mit unterschiedlichen Lüftungsvarianten

Erste Ergebnisse zu einer ⁠CO2⁠ Langzeitstudie in Berliner Schulen mit unterschiedlichen Lüftungsvarianten werden vorgestellt. Reichen die verschiedenen Lüftungsvarianten aus, um den vorgegebenen CO2-Leitwert in den Schulen einzuhalten? Der Einfluss des Montageortes, Art des Sensors, sowie die Übertragung und Visualisierung der Daten bei den CO2 Messungen werden vorgestellt.

Einleitung

Bereits 1858 wurde von Pettenkofer eine ⁠CO2⁠ Konzentration von 1000 ⁠ppm⁠ als Zeichen für eine gute Luftqualität bestimmt [1]. Dieser Wert hat noch heute Bestand und wird immer wieder stark in der Anwendung diskutiert. Für den Schulbau gelten seit längerer Zeit Standards, in denen die Einhaltung des vom Umweltbundesamt vorgegebenen CO2-Leitwertes festgeschrieben wurde [2].
Diese Vorgaben gewannen insbesondere während der SARS-CoV-2-Pandemie an Bedeutung, da hier der Wert einer CO2 Konzentration von 1000 ppm als wichtiger Parameter galt, um das Ansteckungsrisiko zu reduzieren [3]. Dies führte auch dazu, dass der Wert während der Pandemie in weitere Vorschriften aufgenommen wurde [4], [5].
Aus diesen Rahmenbedingungen ergibt sich das Erfordernis deren Umsetzung und Einhaltung zu untersuchen. Da die Vorgaben ferner den Weg zur Erreichung des Zielwerts von 1000 ppm für die CO2 Konzentration bewusst offenlassen, stellt sich zusätzlich die Frage mit welcher Lüftungsart dies am effektivsten umgesetzt werden kann.
Um diese Fragestellungen zu beantworten sollen Berliner Schulen mit unterschiedlichen Lüftungsvarianten in einer CO2 Langzeitstudie untersucht werden.

Vorgehensweise und erste Ergebnisse der CO2 Messungen in Berliner Schulen

Zur Durchführung der ⁠CO2⁠ Langzeitstudie in Berliner Schulen ist zunächst ein Auswahlprozess erforderlich. Dabei werden Schulen mit unterschiedlichen Lüftungskonzepten ausgewählt, welche zusätzlich eine gute Vergleichbarkeit ermöglichen. Das bedeutet, dass die Schulen in etwa baugleich sind und sich nur bezüglich ihrer Lüftungsart unterscheiden. Aktuell sind vier Schulen ausgewählt, von denen jeweils eine mittels Fensterlüftung und eine mittels maschineller Lüftung durch eine raumlufttechnische Anlage (RLT) belüftet werden. Die beiden weiteren Schulen werden jeweils durch eine Hybridlüftung, bestehend aus einer Kombination von Fensterlüftung mit motorischer Fensterlüftung, belüftet. Im Rahmen des Projekts werden zukünftig noch weitere Schulen untersucht.

In den Schulen werden anschließend Sensoren installiert, um die CO2 Konzentration sowie die Raumtemperatur und die relative Luftfeuchte im Raum zu messen. Als Sensortyp ist dafür bislang die CO2-Ampel DEOS SAM ausgewählt [6]. Zusätzlich werden Fensterkontakte an den öffnungsfähigen Fenstern und Türen angebracht, um das Lüftungsverhalten erfassen zu können, wobei die Verwendung von zwei solcher Kontakte pro Fenster noch die Unterscheidung zwischen Kippen und Öffnen ermöglicht. Bei Schulen mit RLT Anlage wird darüber hinaus der Zuluftvolumenstrom gemessen.

Bei zwei der im Projekt untersuchten Schulen handelt es sich um Grundschulen, bei denen die Besonderheit besteht, dass auch der Flur für den Unterricht genutzt wird, weshalb hier weitere Messungen im Flur durchgeführt werden.

In [Abbildung 1] und [Abbildung 2] sind exemplarisch zwei der zu untersuchenden Unterrichtsräume und die jeweils ausgewählten Messkonzepte dargestellt.

Für die Bewertung der Luftqualität ist eine Unterrichtseinheit als relevanter Messzeitraum anzusehen. Um diesen Messzeitraum aussagekräftig zu untersuchen ist es erforderlich mindestens einen Messwert pro Minute zu erfassen. Dies führt dazu, dass die eingesetzten Sensoren eine direkte elektrische Stromversorgung benötigen, weil batteriebetriebene Sensoren zur Energieeinsparung generell für längere Abtastraten ausgelegt sind. Da die hierfür benötigten Steckdosen jedoch häufig in Fensternähe platziert sind ist bei der Montage darauf zu achten, dass der Sensor nicht direkt von der Außenluft angeströmt wird. Dies ist bei einer der am Projekt beteiligten Schulen nicht möglich, weshalb hier ein noch auszuwählender Kanalsensor im Abluftkanal der Lüftungsanlage installiert wird, wie in [Abbildung 1] dargestellt.

Die gemessenen Daten werden anschließend über das Internet, oder das Funknetz zur HTW Cloud übertragen, von wo sie weiterverarbeitet werden können. Bei der Übertragung über das Internet senden die Sensoren die Werte zu einem DDC-Controller, für den es im Router der Schule entsprechende Portfreigaben geben muss, sodass ein Senden zur HTW Cloud erfolgen kann. Dieser Übertragungsweg ist in [Abbildung 1] dargestellt. Für eine Übertragung über das Funknetz werden die von den Sensoren ermittelten Messwert zu einem LoRaWAN Gateway übertragen, welches mit einer SIM Karte ausgestattet wird, sodass eine Übertragung der Daten zur HTW Cloud erfolgen kann. Dieser Übertragungsweg ist in [Abbildung 2] dargestellt.

Nachdem die Daten auf die HTW Cloud übertragen sind, erfolgt die Datenauswertung. Diese besteht zunächst in einer Visualisierung der CO2 Konzentration als eine Zeitreihe. Da sich die Rahmenvorgaben [4], [5] auch auf die Einhaltung von Mittelwerten pro Unterrichtseinheit beziehen, werden im weiteren Projektverlauf zusätzliche Visualisierungen erarbeitet, welche zusätzlich zur Bewertung der Luftqualität anhand von Momentanwerten Bewertungen pro Unterrichtseinheit ermöglichen. Dies ist beispielsweise durch die Ermittlung des sogenannten Überschreitungsindex möglich [7]. Dabei wird zum einen ermittelt wie stark die CO2 Konzentration in einem Raum vom vorgegebenen Grenzwert von 1000 ⁠ppm⁠ abweicht und wie lange dies der Fall ist. Der Überschreitungsindex ergibt sich als Produkt dieser beiden Anteile und ermöglicht somit Aussagen über die Höhe und die Dauer eventueller Überschreitungen.

Fazit

Aus den Vorgaben zur Einhaltung einer ⁠CO2⁠ Konzentration von 1000 ⁠ppm⁠ pro Unterrichtseinheit in Berliner Schulen ergibt sich das Erfordernis deren Umsetzung und Einhaltung zu untersuchen. Dazu werden mehrere Berliner Schulen im Rahmen einer CO2 Langzeitstudie mit der vorgestellten Vorgehensweise untersucht. Da die ausgewählten Schulen unterschiedliche Lüftungsarten aufweisen ermöglicht das vorgestellte Projekt Aussagen inwiefern die Lüftungskonzepte für die Einhaltung des vorgeschriebenen CO2-Leitwertes geeignet sind.

Literatur

• [1] Pettenkofer, M. v. (1858) Über den Luftwechsel in Wohngebäuden. München: I.G. Cotta
• [2] -. (2008) Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft. Bundesgesundheitsbl. 51, 1358–1369. https://doi.org/10.1007/s00103-008-0707-2
• [3] Kriegel, M., et al. (2022) SARS-CoV-2 Aerosol Transmission Indoors: A Closer Look at Viral Load, Infectivity, the Effectiveness of Preventive Measures and a Simple Approach for Practical Recommendations. In. J. Environ. Res. Public Health 19(1), 220. https://doi.org/10.3390/ijerph1901022
• [4] Bek der SenBildJugFam und SenStadtWohn (12.2018) Standards für den Neubau von Schulen, 19. https://www.berlin.de/schulbau/neubau/baufachliche-standards/standards_neubau_von_schulen_web.pdf
• [5] Bek der SenBildJugFam und SenStadtWohn (09.2020) Leitfaden für die Sanierung von Schulen, 30. https://www.berlin.de/schulbau/_assets/service/downloadcenter/publikationen/leitfaden-fur-die-sanierung-von-schulen.pdf
• [6] DEOS AG (2024) https://www.deos-ag.com/de/produkte/sensoren-thermostate/lorawan/raumluftampel-deos-sam/
• [7] Niedersächsiches Landesgesundheitsamt (Mai 2003) Ein Modell zur Simulation der Qualität der Innenraumluft am Beispiel von ⁠CO2⁠ – Handbuch zum Programm QUIRL/CO2 Version 1.0.