IRL2024 - A17 | 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
Claudia Kopic, Ruben Makris, Lukas Schumann, Martin Kriegel
Hermann-Rietschel-Institut
Technische Universität Berlin
Marchstr. 4, 10587 Berlin

Empfohlene Zitierweise: Kopic, C., Makris, R., Schumann, L., Kriegel, M. (2024). Überschrift / Titel
Maximale Länge: 65 Zeichen inkl. Leerzeichen, sollte identisch oder nahezu gleichlautend mit Menüpunkt sein
Wirksamkeit der Entfernung von luftgetragenen Kontaminationen – Ein Vergleich zwischen Quell- und Mischlüftung. Beitrag A17 zur Fachtagung „Innenraumluft 2024 - Messen, Bewerten und Gesundes Wohnen“, 6.-8. Mai 2024, Dessau-Roßlau. https://www.umweltbundesamt.de/irl2024-a17

Wirksamkeit der Entfernung von luftgetragenen Kontaminationen – Ein Vergleich zwischen Quell- und Mischlüftung

Durch die Nutzung von Quelllüftung statt Mischlüftung kann die lokale Lüftungswirksamkeit, und dadurch der Infektionsschutz, erhöht und der Energieverbrauch gesenkt werden. Die am Hermann-Rietschel-Institut dazu durchgeführten Experimente und deren Ergebnisse werden im folgenden Text erläutert.

Abstract

Die Verdünnung von Kontaminationen in der Innenraumluft durch die Steigerung des Zuluftvolumenstroms hat sich als wirksame Maßnahme zur Erhöhung des Infektionsschutzes gegen luftgetragene Erreger erwiesen. Gleichzeitig bedeutet diese Steigerung ein erhöhter Energieaufwand. Quelllüftung (QL) hat sich gegenüber Mischlüftung (ML) als Strömungsform mit einer höheren lokalen
Lüftungswirksamkeit erwiesen. Am Hermann-Rietschel-Institut der TU Berlin wurden in einem Prüfstand Experimente mit beiden Strömungsformen und mit einem horizontalen Hindernis durchgeführt, um zu testen, wie hoch die Lüftungswirksamkeit in der Inhalationszone und an anderen definierten Positionen im Raum ist. Die Ergebnisse zeigten vor allem in der Inhalationszone eine deutliche Überlegenheit der QL gegenüber der ML. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass beim Wechsel von ML auf QL Energie eingespart oder ein erhöhter Infektionsschutz erzielt werden kann.

Einleitung

Die Verbesserung des Innenraumklimas, der Raumlufthygiene und somit gleichzeitig des Infektionsschutzes ist ein Thema, dessen Relevanz in den letzten Jahren immer weiter zugenommen hat. Internationale und nationale Organisationen und nationale Ämter und Behörden veröffentlichten im Zuge der COVID-19-Pandemie Richtlinien zur Minimierung des Infektionsrisikos durch den luftgetragenen Erreger SARS-CoV-2 [1–4]. Diese lassen sich allgemeingültig auf andere luftgetragene Erreger übertragen. Durch die Erhöhung der Frischluftzufuhr wird die Konzentration an Kontaminationen und somit an Krankheitserregern und ⁠CO2⁠ in der Raumluft verdünnt [2, 4]. Gleichzeitig hat diese Erhöhung einen relevanten Einfluss auf den Energieverbrauch, der zur Förderung der benötigten Luftmengen nötig ist.

Mechanische Lüftungssysteme können unterschiedliche Strömungsformen ausbilden. Hierbei ist die Mischlüftung (ML) bisher die am häufigsten verwendete, bei der die Beseitigung von Schadstoffen durch das Verdünnungsprinzip erreicht wird. Bei der Quelllüftung (QL) wird die Zuluft bodennah mit geringem Impuls (maximal 0,25 Meter pro Sekunde) und einer kleinen Untertemperatur von etwa zwei ⁠Kelvin⁠ in den Raum eingebracht. Es bildet sich ein Frischluftsee aus, dessen Höhe vom Frischluftvolumenstrom abhängig ist. Durch thermischen Auftrieb wird die saubere Luft an Wärmequellen nach oben befördert [5], verdrängt somit luftgetragene Kontaminationen aus der Luft in den Deckenbereich und wird dort abgesogen.

Die Lüftungswirksamkeit ist ein Maß dafür, wie gut ein Lüftungssystem in der Lage ist, Schadstoffe aus der Raumluft zu entfernen. Sie wird bei der ML mit 0,8 bis eins, bei QL wird sie je nach Studie oder Richtlinie mit Werten zwischen 1,2 und fünf angegeben [6–10]. Die tatsächliche Lüftungswirksamkeit hängt von verschiedenen Randbedingungen und den betrachteten Raumbereichen ab. Zur Bestimmung der Lüftungswirksamkeit an einem Punkt wird die lokale Lüftungswirksamkeit (LLW) genutzt. Sie setzt die Schadstoffkonzentration der Abluft ins Verhältnis zur lokalen Schadstoffkonzentration an einem Punkt im Raum.

In verschiedenen Studien wurde die LLW der beiden Strömungsformen speziell in der Atemzone untersucht. Einige der Studien zeigten, dass die QL hierbei der ML überlegen ist [10, 9, 11–13]. Speziell der Einfluss der thermischen Auftriebsfahne durch die Wärmeabgabe des Menschen wurde hierbei als positiver Faktor benannt. Andere Studien wiederum zeigten, dass es aufgrund der ⁠Schichtung⁠ der Raumluft eine nachteilige Wirkung auf die LLW in der Inhalationszone haben kann [14–16].

Die hier gezeigten Versuche sollen zum einen die widersprüchlichen Ergebnisse der zuvor aufgeführten Studien überprüfen. Zum anderen wurden die Experimente oft nur mit einem vorgegebenen Volumenstrom durchgeführt, der nicht variiert wurde. Aus diesen Gründen wird hier ein Transmissionsereignis mit zwei Personen nachgebildet, bei der eine Person als infizierte lokale Emissionsquelle fungiert. Die LLW in der Inhalationszone, aber auch an anderen Punkten des Raumes, soll dabei ermittelt werden. Der Volumenstrom wird zwischen 36 Kubikmetern pro Stunde und Person und 50 Kubikmeter pro Stunde und Person variiert.

Material und Methoden

Versuchsaufbau und -durchführung

Ein Besprechungsszenario mit zwei in einem Raum sitzenden Personen wurde am Hermann-Rietschel-Institut (HRI) der Technischen Universität (TU) Berlin durchgeführt. Das Raumströmungslabor mit den Abmaßen 5,2 Meter mal 4,4 Meter mal 2,9 Meter (Länge mal Breite mal Höhe) kann über eine Klimaanlage sowohl per Mischlüftung als auch per Quelllüftung belüftet werden. Abbildung 1 zeigt die Lufteinlässe und –auslässe für beide Fälle. Im Mischlüftungsfall wird die Zuluft durch einen an der Decke liegenden Dralldurchlass (sa3 (swirl)) in den Raum eingebracht. Im Quelllüftungsfall gelangt die Zuluft über sechs weit geöffnete Tellerventile (sa1 und sa2) in Bodennähe in den Raum.

In den Versuchen wurden zwei beheizbare Personendummies mit einem Mindestabstand von 1,5 Metern zueinander im Raum positioniert. Ein Dummy fungierte während der Experimente als Emitter. Vor seinem Mund-Nasen-Bereich wurde sieben-prozentige Kochsalzlösung (NaCl) durch einen Aerosolgenerator Typ ATM 225 der Firma Topas vernebelt. Zusätzlich wurde in einigen Messungen ein horizontales Strömungshindernis in Form von zwei Tischen zwischen die beiden Dummies gestellt. Die Dummies wurden dabei mit in einem Abstand von einem Zentimeter zu je einem Tisch sitzend platziert (siehe Abbildung 2, rechtes Bild).

An insgesamt 17 Messpunkten wurde die Partikelkonzentration nacheinander mittels eines optischen Partikelzählers Typ Solair 3100E und einem Messstellenumschalter Typ UM-II Manifold der Firma Lighthouse in fünf verschiedenen Partikelgrößen zwischen 0,3 Mikrometer und fünf Mikrometer ermittelt. Die Zeitdauer eine Einzelmessung pro Messpunkt betrug hierbei 20 Sekunden. Zusätzlich zu den 15 Messpunkten, die an drei Messbäumen installiert wurden (siehe Abbildung 2), befanden sich je ein Messpunkt am Gesamt-Zulufteinlass und Gesamt-Abluftauslass. Die Messpunkte am mittleren Messbaum waren in einer Höhe von 0,3 Metern bis 2,1 Metern in Abständen von 30 Zentimetern angebracht. Über den Dummies befanden sich die Messpunkte in den Höhen 1,5 Meter, 1,8 Meter und 2,1 Meter. Zusätzlich wurde in der Inhalationszone des nicht-emittierenden Dummies in einem Abstand von einem Zentimeter zum Mund-Nasen-Bereich sowie 20 Zentimeter vor dem emittierenden Dummy auf einer Höhe von 1,05 Metern gemessen.

Messvarianten und Randbedingungen

Es sollte in verschiedenen Messvarianten die LLW in der gesamten betrachteten Zone sowie in der Inhalationszone bei unterschiedlichen Volumenströmen ermittelt werden. Dabei wurden Fälle mit und ohne horizontalem Hindernis (Tisch) unterschieden. Die Messvarianten sind Tabelle 1 zu entnehmen. Insgesamt wurden die acht verschiedenen Varianten mit jeweils mindestens zwei Wiederholungsmessungen durchgeführt. In allen Messungen betrug die Raumlufttemperatur in der Halle, in der sich das Strömungslabor befindet, 21 Grad Celsius. Die Temperatur der Zuluft wurde mit 19 Grad Celsius als konstant angenommen.

Ergebnisse

Zur Ermittlung der LLW an den verschiedenen Messpunkten im Labor wurden die Messwerte der Wiederholungsmessungen der jeweiligen Varianten gemittelt.

In Abbildung 3 ist die LLW der Messvarianten mit einem personenbezogenen Volumenstrom von 36 Kubikmetern pro Stunde und Person als Konturplot in der vertikalen Schnittebene durch die beiden Dummies dargestellt. Es ist zu erkennen, dass für die LLW bei ML Werte zwischen 0,5 und 1,2, bei QL zwischen 0,5 und 2,8 erreicht werden. Bei beiden Strömungsformen ist ein Einfluss des Tisches auf die LLW zu sehen. Die Kontaminationsbelastung im Nahbereich des Emitters ist erhöht. Die QL hat im Nahbereich des nicht-emittierenden Dummies, vor allem in der Inhalationszone und unterhalb des Tisches, sowie oberhalb des Emitters, einen positiven Einfluss auf die LLW.

Diskussion und Fazit

Erregerbeladene Aerosolpartikel sind in der Größenordnung 0,25 bis fünf Mikrometer zu finden [17–19]. NaCl ist ein Surrogat, das nach dem Vernebeln eine ähnliche Partikelgrößenverteilung besitzt. Das macht es zu einem geeigneten Ersatz zur Ausatemluft in den experimentellen Versuchen. In folgenden Experimenten sollte beachtet werden, dass das Aerosol erwärmt wird, um den Temperaturgradienten zwischen Ausatem- und Raumluft nachzubilden.

Bei den Untersuchungen mit dem Tisch als Strömungshindernis wurden die Dummies immer sehr nah an den Tisch platziert und die Abstände wurden nicht verändert. In folgenden Studien könnte betrachtet werden, ob sich die LLW in der Inhalationszone mit zunehmendem Abstand zum Tisch verändert.

Strömungshindernisse, wie der hier untersuchte Tisch, an welchem Personen sitzen, beeinflussen die LLW bei QL nur geringfügig. Bei den Mischlüftungsfällen zeigt sich eine negative Auswirkung auf den Nahbereich des Emitters. Scheinbar verringert der Tisch die Vermischung der Kontamination im Nahbereich des Emitters mit sauberer Raumluft. Trotzdem ist die Kontaminationsbelastung im Nahbereich des Emitters in den Mischlüftungsszenarien ohne Tisch niedriger als bei den Quelllüftungsfällen. Eine erhöhte Belastung des Nahbereichs des Emitters bei Quelllüftungssystemen wurde auch in anderen Studien festgestellt [20, 1]. Die Einhaltung von Mindestabständen ist demnach nicht nur wegen größerer Tröpfchen, sondern auch bezüglich der Ausbreitung von Aerosolen bedeutend, insbesondere bei Quelllüftungssystemen. Bei Distanzen von mehr als einem Meter zum Emitter zeigt das Quellluftsystem in den untersuchten Fällen eine deutlich höhere LLW als ML.

Für die Nutzung von QL kann folgendes zusammengefasst werden: QL zeigt in jeder Messvariante eine bessere LLW als ML. Thermische Auftriebsfahnen an Menschen haben einen positiven Einfluss auf die LLW in der Inhalationszone. Um den gleichen Infektionsschutz zu erzielen, kann der Volumenstrom bei QL geringer als bei ML sein. Hierbei ergibt sich ein Energieeinsparpotential durch die erhöhte LLW. Gleichzeitig kann es jedoch vorteilhaft sein, die sich ergebenden gesundheitlichen Vorteile für die Raumnutzenden beizubehalten, indem auf eine Volumenstromreduktion verzichtet wird. Es muss also stets neu beurteilt werden, welcher Nutzen verfolgt und höher gewichtet werden soll, da sowohl der Infektionsschutz als auch die Energieeinsparungen bei Nutzung von QL erhöht werden können.

Förderung

Die hier dargestellten Untersuchungen wurden im Projekt „MinInfekt – Notwendige Luftmengen zur Minderung des Infektionsrisikos über ⁠Aerosole⁠ effektiv und energieeffizient bereitstellen“ durchgeführt, das im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWK) gefördert wurde.

Literatur

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