IRL2024 - P03 | 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
Hannes Grünewald¹, Diana Altendorf², Florian Berger², Jörg Dehnert³, Michal Duzynski⁴, Louis Weber⁵, Ralf Trabitzsch², Holger Weiß²

¹inVENTer GmbH, Ortsstraße 4a, 07751 Löberschütz
²Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ, Department Umweltinformatik, Permoserstraße 15, 04318 Leipzig
³Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), Referat 54 Strahlenschutz – Altlasten, Radon, Notfallschutz, Pillnitzer Platz 3, 01326 Dresden
⁴SARAD GmbH, Wiesbadener Straße 10, 01159 Dresden
⁵Bergsicherung Schneeberg GmbH & Co. KG, Kobaltstraße 42, 08289 Schneeberg

Empfohlene Zitierweise: Grünewald, H., Altendorf, D., Berger, F., Dehnert, J., Duzynski, M., Weber, L., Trabitzsch, R., Weiß, H. (2024). RadonVENT- dezentrale Lüftung als nachhaltige Radonschutzmaßnahme. Beitrag P03 zur Fachtagung „Innenraumluft 2024 - Messen, Bewerten und Gesundes Wohnen“, 6.-8. Mai 2024, Dessau-Roßlau. https://www.umweltbundesamt.de/irl2024-p03

RadonVENT- dezentrale Lüftung als nachhaltige Radonschutzmaßnahme

Das Edelgas Radon-222 kann durch das Ansammeln in Innenräumen zum Gesundheitsrisiko für Bewohner und Nutzer werden. Im Projekt RadonVENT wird deshalb eine gesundheitlich und energetisch nachhaltige Lösung für dieses Problem entwickelt. Diese basiert auf einem sensorgesteuerten, dezentralen Lüftungssystem. In ersten Versuchen konnte damit eine Reduzierung um bis zu 83 Prozent erreicht werden.

Einleitung

Das natürlich im Untergrund vorkommende Edelgas Radon-222 (Rn) hat eine ⁠Halbwertszeit⁠ von 3,8 Tagen und wird durch die radioaktiven Zerfallsprozesse in der Uran-238 Reihe kontinuierlich neu gebildet. An die Erdoberfläche gelangt es durch konvektive und diffusive Prozesse. Befinden sich an der Oberfläche Gebäude, kann das farb-, geruch- und geschmacklose Gas in die Innenräume eindringen und sich dort in Abhängigkeit vom vorhandenen Luftwechsel ansammeln [1].

Die ⁠Exposition⁠ mit Rn und dessen Tochternukliden kann Lungenkrebs verursachen. Eine gesundheitliche Belastung resultiert jedoch nicht erst bei der Überschreitung eines einzelnen Grenzwertes, sondern ist sowohl abhängig von der Höhe als auch der Dauer der Exposition [2]. Aus diesem Grund wurde mit dem Strahlenschutzgesetz (StrlSchG) [3] vom 27. Juni 2017 ein Referenzwert der über das Jahr gemittelte Radon - Aktivitätskonzentration (Radonkonzentration) von 300 Bq/m³ für Aufenthaltsräume und Arbeitsplätze in Innenräumen festgelegt. Dieser Referenzwert kann in Innenräumen im Keller- und Erdgeschoss, aber ebenso in Aufenthaltszonen in höheren Etagen erreicht und überschritten werden.

Soll eine erhöhte Radonkonzentration reduziert werden, stehen dafür in der Regel bau- und lüftungstechnische Maßnahmen zur Verfügung. Erstere sind besonders im Bestand mit einem hohen Aufwand verbunden, weshalb der Einsatz von Lüftungssystemen eine einfache und kostengünstige Alternative darstellt [4]. Durch die Kombination dieser Lüftungssysteme mit passender Sensorik sowie einer gezielten Steuerung kann ein effizientes System zur Reduzierung der Radonkonzentration in Innenräumen [1] und der Verbesserung der Innenraumluftqualität generell geschaffen werden. Um die spezifischen Probleme bei der Radonsanierung zu adressieren, sind für die Entwicklung eines gesundheitlich und energetisch effizienten Systems umfangreiche Versuche notwendig. Diese können zum Teil durch den Einsatz von Simulationssoftware unterstützt oder ersetzt werden.

Auf Basis solcher praktischen und simulativen Untersuchungen wird im Projekt RadonVENT ein dezentrales, alternierendes und sensorgesteuertes Lüftungssystem entwickelt, welches als effiziente Gegenmaßnahme bei einer Radonbelastung eingesetzt werden kann.

Versuchswohnung

Die Feldversuche zur Validierung verschiedener Lüftungsszenarien finden in einer Wohnung im Erdgeschoss eines zweistöckigen Wohngebäudes statt. Das Haus befindet sich am Fuß einer Halde im sächsischen Bad Schlema. Die Stadt ⁠Aue⁠ - Bad Schlema ist seit dem 31. Dezember 2020 ein ausgewiesenes Radonvorsorgegebiet [5]. Die Versuchswohnung umfasst ein Bad, eine Küche, ein Schlafzimmer, einen Flur und ein Wohnzimmer mit Balkon. Der Fußboden der Wohnung ist erdberührt mit Ausnahme des Wohnzimmers, unter welchem sich ein Keller befindet. Die komplette Wohnung ist beheizt jedoch leerstehend und unmöbliert.

Die Radonkonzentration wird in allen Räumen sowie auf dem Balkon und im Kellerabteil unterhalb des Wohnzimmers erfasst. Die dazu verwendeten Radon Scout Plus - Messgeräte der Firma SARAD GmbH speichern die arithmetisch gemittelten Messwerte in einem Intervall von einer Stunde. Zur Erfassung des Differenzdrucks über die Gebäudehülle sind an den zwei Außenwänden des Wohnzimmers jeweils ein Druckmesspunkt und ein Universal - Klimamessgerät testo400 installiert. Die lokalen Wetterbedingungen werden mit Hilfe der Station Vantage Pro2 von Davis Instruments aufgezeichnet, welche auf dem Dach des Wohngebäudes installiert wurde. Das eingesetzte Lüftungssystem der inVENTer GmbH setzt sich aus vier iV14-Zero sowie einem iV-Twin+ und einem spezifischen Versuchsregler zusammen. Dabei sind die einzelnen Lüftungsgeräte in der Art zu Einheiten kombiniert, dass die Wohnung in drei unabhängig regelbare Lüftungszonen unterteilt wird. Diese Aufteilung basiert auf den üblichen Einsatzmöglichkeiten der dezentralen, alternierenden Lüftungsgeräte. Für die Regelung der Lüftung in einer Zone werden die Messwerte eines ebenfalls in dieser Zone platzierten Radon Scout Plus an den Regler übermittelt. Zusätzlich wird der Wert des Radonsensors auf dem Balkon erfasst und abgeglichen. Der Grundriss sowie die Position aller Mess- und Lüftungsgeräte sind in Abbildung 1 A dargestellt. In dieser sind ebenfalls die Lüftungszonen farbig markiert.

Ein dezentrales, alternierendes Lüftungssystem besitzt in der Regel drei etablierte Betriebsmodi. Diese sind Aus, Durchlüftung und Wärmerückgewinnung. In der Betriebsweise Wärmerückgewinnung, welche in Abbildung 1 B schematisch dargestellt ist, wechseln die Lüftungsgeräte einer Einheit synchron und entgegengesetzt circa alle 70 Sekunden die Förderrichtung. Durch diesen Rhythmus wird der in jedem Gerät verbaute Wärmespeicher be- und entladen, wodurch die Wärme der Abluft zu einem großen Teil an die Zuluft übergeben wird. Diese Wärmerückgewinnung wird im Modus Durchlüftung nicht genutzt, da jedes Gerät einer Einheit eine zuvor definierte Förderrichtung einstellt und beibehält. Dieser Modus wird in der Darstellung in Abbildung 1 C skizziert. Bei beiden Betriebsmodi wird durch die Abstimmung der Geräte in einer Einheit respektive einer Zone sichergestellt, dass die Fördermengen von Zu- und Abluft ausgeglichen sind und somit kein Differenzdruck durch die Lüftung erzeugt wird. Diese Balance des Zu- und Abluftvolumenstroms kann in den Feldversuchen zur Lüftung zum Radonschutz bewusst außer Kraft gesetzt werden. Dies geschieht derart, dass ein gegenüber dem Abluftvolumenstrom erhöhter Zuluftvolumenstrom eingestellt wird. Diese unausgeglichenen Luftvolumenströme einer Einheit können sowohl mit als auch ohne Wärmerückgewinnungsmechanismus genutzt werden. Somit entstehen die zusätzlichen Betriebsmodi Überdruck mit Wärmerückgewinnung und Überdruck mit Durchlüftung.

Simulation

Aufgrund des hohen zeitlichen und materiellen Aufwandes von Feldversuchen und der eingeschränkten Kontrolle über die Randbedingungen bei diesen, wurde im Zuge des Projektes RadonVENT ebenfalls ein maßstabsgetreues 3D - Modell der Wohnung im Simulationsprogramm COMSOL Multiphysics v6.1 erstellt [6]. In diesem werden auch die Innenblenden der Lüftungsgeräte an den entsprechenden Positionen berücksichtigt, um die charakteristischen Strömungsformen der Zu- und Abluft nachzustellen. Die jeweilige Simulation der Lüftungszonen erfolgte in zwei Schritten. Zunächst wurde mit einem stationären Modell das Strömungsfeld ermittelt. Als Beispiel wird das Ergebnis für die Lüftungszone II in Abbildung 2 dargestellt. Anschließend wurde der Radontransport durch die Strömung auf Basis dieses Feldes simuliert. Die Berechnungen beruhen auf der in COMSOL Multiphysics implementierten Finite - Elemente - Methode unter Annahme eines turbulenten Strömungsfeldes in der Wohnung und einer inkompressiblen Strömung generell. Basierend darauf wird zur Lösung der Navier - Stokes - Gleichung ein k - ε - Modell verwendet. Als Randbedingungen können eine Radoneintrittsrate, zur Abbildung des konvektiven und diffusiven Eintritts von Rn in die Wohnung, die Strömungsgeschwindigkeit in den Lüftungsgeräten und die Radonkonzentration der Außenluft und somit Zuluft variiert werden. Die Gebäudehülle und die Trennungen der Lüftungszonen werden als luftdicht angenommen.

Ergebnisse

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse von 22 Lüftungsversuchen vorgestellt, welche in der Wohnung in Bad Schlema im Zeitraum vom 19.05.2020 bis 11.05.2021 stattgefunden haben [7]. Ein Überblick der in diesem Zeitraum aufgezeichneten Verläufe der Radonkonzentration in den Räumen der Versuchswohnung ist in Abbildung 3 dargestellt. Zur Orientierung wurde ebenfalls der deutsche Referenzwert der jährlich gemittelten Radonkonzentration eingezeichnet.

Um eine Beeinflussung der Lüftungsversuche untereinander auszuschließen, wurde zwischen den jeweils einwöchigen Versuchen die Lüftung für eine Woche deaktiviert. Daraus resultiert weiterhin eine Datenbasis von 21 Wochen mit einem unbeeinflussten Zustand der Versuchswohnung. Wird dieser Zeitraum betrachtet, sind deutliche tages- und jahreszeitliche Schwankungen der Radonkonzentration ersichtlich. Diese korrelieren mit den Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel der Außentemperatur oder Druckdifferenz zwischen Außen- und Innenraumluft. Die Auswirkung der externen Einflüsse unterscheidet sich dabei für die einzelnen Lüftungszonen deutlich, wenn diese getrennt wurden. Eine Abgrenzung wurde dabei durch das Verschließen der Zimmertüren zwischen den Zonen erreicht und nur durch geringfügige Abdichtungsmaßnahmen ergänzt, welche den Effekt einer allseitig abgedichteten Innentür entsprechen.

Dieses zonenspezifische und sogar raumspezifische Verhalten bildet sich ebenfalls in den Verläufen der Radonkonzentration während der verschiedenen Lüftungsversuche heraus. Dabei konnte die Radonkonzentration durch den Betrieb des Lüftungssystems generell reduziert werden, wie anhand der drei beispielhaft gewählten Räume in Tabelle 1 sichtbar wird. Zum Vergleich sind in dieser Tabelle die arithmetisch gemittelten Radonkonzentration über alle unbeeinflussten Zeiträume und Intervalle mit Lüftungsversuch gegenübergestellt. Der Effekt verschiedener Einstellungen des Lüftungssystems, wie zum Beispiel die Variation der geförderten Luftmenge, der Höhe des Zuluftüberschusses oder die Höhe des Schwellwertes der Radonkonzentration, bei welchem die Radonlüftung aktiviert wird, spiegeln sich ebenfalls in den Ergebnissen wider. So ist zum Beispiel im Winter, mit hohen Ausgangskonzentrationen des Rn im Innenraum, die Wirkung der Lüftung deutlicher von der Menge der geförderten Luft abhängig als im Sommer. Beim Vergleich der vier Modi mit aktiver Luftförderung wird deutlich, dass die Lüftung im Überdruckmodus am wirksamsten ist. Dies gilt sowohl für die Kombination mit Wärmerückgewinnung als auch Durchlüftung. Zudem kann unter Anwendung dieses Modus die Fluktuation der Radonkonzentration deutlich reduziert werden, wodurch eine stabile Absenkung möglich wird. Die begleitende Druckmessung über die Fassade zeigt, dass der notwendige Überdruck hierfür mit bis zu fünf Pascal sehr niedrig ist.

Bevor das Simulationsmodell für die weiterführende Untersuchung von Lüftungskonfigurationen und den Einfluss variierender externer Einflüsse genutzt werden kann, muss eine Kalibrierung und Validierung durchgeführt werden. Dazu wurde der Versuch mit dem Lüftungsmodus Durchlüftung und der höchsten Luftvolumenstromförderrate der Geräte gewählt. In diesem Versuch konnte beispielsweise die Radonkonzentration im Schlafzimmer von circa 2750 Bq/m³ vor Beginn des Versuches auf circa 150 Bq/m³ nach sechs Stunden mit aktivierter Lüftung reduziert werden. Die Vereinfachungen, die zum Teil bei der Erstellung eines digitalen Modells notwendig sind, können die Darstellung der realen Eigenschaften der Versuchswohnung verfälschen. Aus diesem Grund wurden in einem iterativen Prozess die zuvor theoretisch ermittelten Randbedingungen der Radoneintrittsrate und der Luftgeschwindigkeit in den Lüftungsgeräten erfolgreich angepasst. Die Radonkonzentration der Außenluft wurde durch die Verwendung der tatsächlichen Messwerte berücksichtigt. In der Folge konnte eine sehr gute Übereinstimmung des simulierten und gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration für die einzelnen Räume der Versuchswohnung erreicht werden.

Fazit

Die Feldversuche zeigen einen generell positiven Einfluss des eingesetzten dezentralen, alternierenden Lüftungssystems auf die Radonkonzentration in Innenräumen und bestätigen somit dessen Potenzial als nachhaltige Radonschutzmaßnahme. Dieser Effekt konnte in dem erstellten 3D - Modell erfolgreich reproduziert und somit bestätigt werden. Es wird allerdings ebenfalls deutlich, dass eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten bei der Steuerung des Lüftungssystems bestehen. Diese und die Variabilität der externen Einflüsse führen zu messbaren Unterschieden zwischen den einzelnen Lüftungsversuchen. Deshalb wird nicht mit allen Konfigurationen eine zuverlässige Reduktion der Radonkonzentration unter den deutschen Referenzwert erzielt. Ebenso wurde beobachtet, dass trotz abgestimmten Einstellungen zwischen den Lüftungszonen unterschiedlich starke Auswirkungen innerhalb der unterschiedlichen Räume derselben Wohnung auftraten.

Auf dieser Basis wird geschlussfolgert, dass für eine breit anwendbare Steuerung des Lüftungssystems ein differenzierterer Ansatz nötig ist. Dieser sollte die spezifischen und individuellen Randbedingung einer Radonsanierung durch Flexibilität und ⁠Anpassungsfähigkeit⁠ berücksichtigen können. Als Grundlage für die Entwicklung werden daher weitere Feldversuche mit differenzierteren Regelungen durchgeführt. Um den Aufwand dieser zu reduzieren, steht künftig ebenfalls das validierte 3D - Modell der Versuchswohnung zur Verfügung.

Literatur

• [1] Bundesamt für Strahlenschutz, Hrsg.; Radon-Handbuch Deutschland; Salzgitter; 2019; [Online]; Verfügbar: https://www.bfs.de/SharedDocs/Downloads/BfS/DE/broschueren/ion/radon-handbuch.html
• [2] S. Darby et al.; Radon in homes and risk of lung cancer: collaborative analysis of individual data from 13 European case-control studies; BMJ; Bd. 330, Nr. 7485; S. 223; Jan. 2005; doi: 10.1136/bmj.38308.477650.63
• [3] Bundesregierung Deutschland; Gesetz zur Neuordnung des Rechts zum Schutz vor der schädlichen Wirkung ionisierender Strahlung vom 27. Juni 2017, Bundesgesetzblatt Jahrgang 2017 Teil I Nr. 42 vom 3. Juli 2017; Bundesanzeiger Verlag, Köln; 2017;
• [4] H. Zeeb et al.; ⁠WHO⁠ handbook on indoor radon: a public health perspective; 2009; Zugegriffen: 17 März 2023, [Online]; Verfügbar: https://apps.who.int/iris/handle/10665/44149
• [5] Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie; Allgemeinverfügung zur Festlegung von Gebieten zum Schutz vor Radon-222 in Innenräumen nach § 121 Absatz 1 Satz 1 des Strahlenschutzgesetzes vom 19. November 2020, Sächsisches Amtsblatt Nr. 49/2020 vom 3. Dezember 2020; 31 Dez. 2020;
• [6] D. Altendorf et al.; Successful reduction of indoor radon activity concentration via cross-ventilation: experimental data and CFD simulations; Isotopes Environ. Health Stud.; Bd. 60, Nr. 1; S. 74–89; Jan. 2024; doi: 10.1080/10256016.2023.2282686
• [7] D. Altendorf et al.; Decentralised ventilation efficiency for indoor radon reduction considering different environmental parameters; Isotopes Environ. Health Stud.; Bd. 58, Nr. 2; S. 195–213; März 2022; doi: 10.1080/10256016.2022.2047960