IRL2024 - P08 | 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
S. Nehr, L. Baus und H. Çınar
APPEAL Engineering UG (haftungsbeschränkt)
Oppenhoffallee 143
52066 Aachen

Empfohlene Zitierweise: Nehr, S., Baus, L., Çınar, H. (2024). Gute Luft – Ein teurer Spaß? Beitrag P08 zur Fachtagung „Innenraumluft 2024 - Messen, Bewerten und Gesundes Wohnen“, 6.-8. Mai 2024, Dessau-Roßlau. https://www.umweltbundesamt.de/irl2024-p08

Gute Luft – Ein teurer Spaß?

Das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Projekt "LUMUMBA" (Luftqualitätsmanagement und Umweltmanagement in Bildungs- und Ausbildungseinrichtungen) zielt darauf ab, praktische Lösungen bereitzustellen, die Gebäudebetreibern dabei helfen, ein zufriedenstellendes Niveau der Raumluftqualität bei gleichzeitiger Optimierung der hierzu erforderlichen Energiebedarfe sicherzustellen.

Einleitung

Wo auch immer mehrere Personen über längere Zeit einen nicht ausreichend gelüfteten Raum belegen ist beeinträchtigte Raumluftqualität wahrnehmbar. Unter diesen hygienisch auffälligen Luftqualitätsbedingungen steigt das Infektionsrisiko durch Einatmen luftgetragener Krankheitserreger [1]. Zudem leiden die Raumnutzer im Durchschnitt häufiger unter Kopfschmerzen, Müdigkeit, Aufmerksamkeitsstörungen und Schwindel [2, 3]. Der Grund dafür ist nicht, wie häufig angenommen, eine Senkung der Konzentration von Sauerstoff (O2), sondern die Anreicherung von ⁠Kohlendioxid (CO2)⁠ und Luftfeuchtigkeit aus der Atemluft der Raumnutzer. Während der Mensch nicht in der Lage ist, festzustellen, ob die O2-Konzentration in der Luft 20 % oder 21 % beträgt, ist die Anreicherung von weniger als 0,2 % (2000 ⁠ppm⁠ (parts per million)) CO2 für den Menschen wahrnehmbar und verursacht die beschriebenen Symptome. Die CO2-Konzentration ist der wichtigste Parameter zur Beurteilung der Raumluftqualität. Gemäß den Empfehlungen des Umweltbundesamtes (⁠UBA⁠) ist Raumluft von hoher Qualität (hygienisch unbedenklich) mit einer vorherrschenden CO2-Konzentration von bis zu 1000 ppm, von mittlerer Qualität (hygienisch auffällig) mit einer vorherrschenden CO2-Konzentration zwischen 1000 ppm und 2000 ppm und von geringer Qualität (hygienisch inakzeptabel) mit einer vorherrschenden CO2-Konzentration von mehr als 2000 ppm [4]. Um das Problem weniger abhängig vom persönlichen Empfinden und der individuellen Toleranzschwelle zu bewerten, gilt die messtechnische Erfassung der absoluten CO2-Konzentration als wichtiger Raumluftqualitätsparameter [5].

Lüftungssituation und Raumluftqualität in deutschen Schulen

Etwa 90 % der deutschen Schulen verfügen über Klassenzimmer, die passiv, d.h. ausschließlich über Fenster, gelüftet werden [6], [7]. Die Erfahrung von Schulgebäudebetreibern zeigt, dass die Bereitstellung einer hygienisch unbedenklichen Raumluftqualität durch passive Lüftung eine strikte Fensteröffnung erfordert, die von den Raumnutzern häufig als störend empfunden und daher unzureichend durchgeführt wird. Die Senkung der ⁠CO2⁠-Konzentration in Räumen durch Verdünnung mit der Umgebungsluft mittels passiver oder mechanischer Belüftung führt auch zu einer Verdünnung der Konzentrationen anderer luftgetragener Spurenstoffe (z. B. Feinstaub (particulate matter (PM)), Summe flüchtiger organischer Verbindungen (total volatile organic compounds (TVOC)), Geruchsstoffe und Luftfeuchtigkeit). Passives Lüften im erforderlichen Maße [6], d. h. mindestens alle 20 Minuten für 3-5 Minuten, ist ohne Störung des Schulunterrichts nicht durchführbar und führt häufig dazu, dass die hygienisch erforderlichen Luftwechselraten nicht eingehalten werden, was sich in erhöhten CO2-Konzentrationen zeigt [8]-[11]. Darüber hinaus sind Lärmbelästigung und das Eindringen von Außenluftschadstoffen (z. B. Stickoxide (NOx), Ozon (O3), TVOC, allergene Pollen) durch geöffnete Fenster – je nach Standort des Schulgebäudes – zusätzliche Probleme im Zusammenhang mit der passiven Fensterlüftung. Daher empfiehlt der „Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen (AMEV)“ eine ausreichend dimensionierte und bedarfsgesteuerte mechanische Lüftung für Schulen, um hygienische Luftwechselraten zu gewährleisten [12]. Der AMEV empfiehlt, dass eine mechanische Belüftung erforderlich ist, wenn die Ziele der Raumluftqualität durch passive Belüftung nicht erreicht werden können. Obwohl im typischen deutschen Klassenzimmer die AMEV-Anforderungen an die Raumluftqualität durch passive Lüftung nicht erfüllt werden können, werden deutsche Schulen mehrheitlich passiv gelüftet. Daraus ergeben sich zwei wichtige Konsequenzen:

1.  Die vorherrschenden Raumklimabedingungen entsprechen nicht den Anforderungen für Schulen, die in der aktuellen europäischen Norm DIN EN 16798-1 über die Energieeffizienz und Belüftung von Gebäuden festgelegt sind, was sich direkt auf die Gesundheit und das Wohlbefinden von Lernenden und Lehrenden auswirkt und zu einem hohen Krankenstand sowie Fehlzeiten führt und damit das nationale Gesundheitssystem belastet [13, 14].
2. Die Heizenergieverluste durch Fensterlüftung im Winter verursachen erhöhte Betriebskosten für die Zentralheizungsanlagen und damit eine ökologische Belastung aufgrund des zusätzlichen Verbrauchs an meist fossilen Brennstoffen [15]

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist bekannt, dass Luft „schlecht und für einen beständigen Aufenthalt […] ungeeignet“ ist, wenn der Gehalt von CO2 über 1000 ⁠ppm⁠ liegt [16, 17]. Trotz dieses Wissens ist auch noch im 21. Jahrhundert die Überschreitung des Leitwerts für die Raumluftqualität mehrheitlich der Normal- und nicht der Ausnahmezustand in passiv gelüfteten Schulen [18-24]. Dies verdeutlicht Abb. 1 mit einem Tagesgang der CO2-Konzentration in einem Klassenraum (55 m² Grundfläche, 153 m³ Volumen) eines Gymnasiums in Nordrhein-Westfalen, der mit 32 Schülern belegt ist.

In diesem Klassenraum werden die Lüftungsempfehlungen des ⁠UBA⁠ [6] weitgehend korrekt umgesetzt. Trotzdem kommt es regelmäßig zu deutlichen Überschreitungen der Leitwerte für ⁠CO2⁠ gemäß DIN EN 16798-1 [13], Pettenkofer [16] und UBA [4]. Dass dieses Lüftungsschema auch außerhalb einer angekündigten Messkampagne mit der erforderlichen Regelmäßigkeit im Schulalltag umgesetzt wird, darf zumindest bezweifelt werden.
Die Gründe für zu hohe Raumbelegungen bei gleichzeitig schlechter Belüftbarkeit von Klassenräumen sind vielschichtig.

Die Wahl zwischen Gesundheitsschutz und Gebäudeenergieeffizienz

Bauliche Gegebenheiten in Schulgebäuden bedingen oftmals eine ausschließliche Fensterlüftung, die in Bezug auf Luftqualitätsziele ineffektiv sein kann – insbesondere, wenn nicht genug Fensteröffnungsfläche bereitgestellt werden kann oder wenn die Räume durch zu viele Personen genutzt werden. Klassische Beispiele sind Fenster, die sich nur kippen lassen oder Räume, die für eine viel geringere Anzahl an Raumnutzern geplant wurden und nun wesentlich größere Personengruppen beherbergen. Eine nachträgliche Vergrößerung der Fensteröffnungsflächen oder gar der Einbau weiterer Fenster ist oft unmöglich. Ebenso ist zumeist die Belegung der Räume mit weniger Personen nicht möglich. In diesen und ähnlichen Fällen wäre es hilfreich, die unter realen Schulunterrichtsbedingungen vorherrschenden Lüftungsbedarfe messtechnisch zu erfassen und geeignete Lüftungsmaßnahmen abzuleiten. Dieser Weg wird aufgrund befürchteter hoher Investitionskosten in die technische Gebäudeausrüstung selten beschritten. Betreiber von Schulgebäuden treffen dann vermeintlich die Wahl zwischen dem Gesundheitsschutz für Lernende und Lehrende und dem energieeffizienten Gebäudebetrieb. Bei diesen beiden Optionen fällt die Wahl meistens auf die Fensterlüftung, um weitreichende Investitionen in technische Infrastruktur zu vermeiden.

Die Wahl zwischen guter Luftqualität und thermischen Wohlbefinden

Hat der Betreiber eines Schulgebäudes die Entscheidung für eine ausschließliche Fensterlüftung getroffen, liegt nun die Verantwortung zur Bereitstellung einer guten Raumluftqualität beim Raumnutzer. Am Lehr- und Lernort Schule bedeutet dies, dass Lehrer und Schüler nun im Sommer die Wahl haben zwischen „guter“ Luft bei geöffneten Fenstern und resultierenden zu hohen Temperaturen im Klassenzimmer durch konvektiven Wärmeeintrag von außen und „schlechter“ Luft bei geschlossenen Fenstern und resultierenden erträglichen Temperaturen durch weniger konvektiven Wärmeeintrag von außen (siehe rötliche Datenpunkte in Abb. 2). Im Winter hingegen können die Raumnutzer wählen zwischen „guter“ Luft bei geöffneten Fenstern und resultierenden zu niedrigen Temperaturen im Klassenzimmer durch konvektiven Wärmeverlust nach außen und „schlechter“ Luft bei geschlossenen Fenstern und resultierenden erträglichen Temperaturen durch weniger konvektiven Wärmeverlust nach außen (siehe bläuliche Datenpunkte in Abb. 2).

Hierdurch wird offensichtlich, dass eine gute Lehr- und Lernumgebung im Klassenzimmer nicht ausschließlich von der Raumluftqualität abhängt, sondern zusätzlich auch vom thermischen Wohlbefinden. Die Fensterlüftung führt hierbei in besonders warmen oder kalten Jahreszeiten dazu, dass die wünschenswerte Kombination aus thermischer Behaglichkeit und akzeptabler Raumluftqualität praktisch nicht erreicht werden kann.

Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass manuelle Lüftungsprotokolle – wie zum Beispiel vom Umweltbundesamt empfohlen [6] – ineffektiv in Bezug auf das Luftqualitätsziel sein können und ineffizient in Bezug auf resultierende Lüftungsenergieverluste in der Heizperiode. Typische Klassenräume können durch Lüftungsenergieverluste von bis zu 1000 kWh pro Jahr charakterisiert sein [25]. Bei großen Schulen mit entsprechender Anzahl an Klassenräumen resultiert ein immenser Kostenblock für den Gebäudebetrieb. Dabei sei hervorgehoben, dass die ⁠UBA⁠-Empfehlungen keineswegs ineffektiv oder falsch sind. Vielmehr stellen diese Lüftungsprotokolle bereits das beste verfügbare Mittel zur Verbesserung der Situation in fenstergelüfteten Schulräumen dar. Sie sind damit Argument für die Notwendigkeit moderner Lösungen zur Erreichung akzeptabler Raumluftqualität, Behaglichkeit und Gebäudeenergieeffizienz im aktuellen Schulalltag.

Aufklärung über reale Lüftungsbedarfe erforderlich

Das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Forschungsprojekt LUMUMBA (Förderkennzeichen 39229/01-25) stellt einen Lösungsansatz für die hier beschriebene Problematik dar. Im Rahmen des Projektes werden eingangs in den Räumlichkeiten der teilnehmenden Bildungs- und Ausbildungseinrichtungen Daten zur real vorherrschenden Luftqualität und zur Lüftungssituation messtechnisch erfasst. Aus diesen Daten werden anschließend mittels moderner Software zur Gebäudesimulation Verbesserungspotentiale analysiert und technische Maßnahmen abgeleitet. Auch die Realisierung technischer Lösungen in Modellräumen ist Teil des Projekts. Übergeordnetes Ziel ist es hierbei, eine dezentrale Lüftungslösung für besonders problematische Räume umzusetzen, die die bestehende Fensterlüftung bedarfsorientiert unterstützt. Dieser minimalinvasive Ansatz ist verhältnismäßig schnell und mit kleinem Budget realisierbar. Eine wochenlange Sperrung ganzer Schultrakte ist nicht erforderlich. Nach erfolgter Realisierung der baulichen Maßnahmen wird das neue Lüftungskonzept messtechnisch auf Effektivität und Effizienz geprüft, sodass die Quantifizierung der reduzierten Heizenergieverluste und die Berechnung von Amortisationszeiten ermöglicht werden. Während der gesamten Projektphase werden die interessierten Parteien der Bildungseinrichtung und der kommunalen Gebäudebetreiber in partizipativen Workshops begleitet. Somit erhält das Projekt für alle Teilnehmer den Charakter eines Reallabors. In den Workshops erfolgt eine Einführung in die Bedeutung der Raumluftqualität und des energieeffizienten Gebäudebetriebs, eine Einführung in die messtechnische Erfassung sowie die Bewertung der Messergebnisse, eine Vermittlung möglicher technischer Verbesserungsansätze unter Verwendung kostenfreier Software, eine Evaluation der technischen Lösungen auf Basis eigener Messdaten und letztendlich eine Verstetigung des Wissens durch eine Handreichung zur Implementierung eines integralen Gebäudemanagementsystems. Falls auch Ihre Bildungseinrichtung an diesem Projekt interessiert ist, senden Sie gerne eine Kontaktanfrage an info[at]appealengineering.com.

Literatur

• [1] H. Dai, B. Zhao, Association of the infection probability of COVID-19 with ventilation rates in confined spaces, Building Simulation, 13 (2020) 1321-1327.
• [2] U. Satish, M. J. Mendell, K. Shekhar, T. Hotchi, D. Sullivan, Is ⁠CO2⁠ an indoor pollutant? Direct effects of low-to-moderate CO2 concentrations on human decision-making performance, Environmental Health Perspectives, 120 (2012) 1671-1678.
• [3] J. G. Allen, P. MacNaughton, U. Satish, S. Santanam, J. Vallarino, J. D. Spengler, Associations of cognitive function scores with carbon dioxide, ventilation, and volatile organic compound exposure in office workers: a controlled exposure study of green and conventional office environments, Environmental Health Perspectives, 124 (2016) 805-812.
• [4] Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der Innenraumlufthygiene-Kommission des Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden, Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft, Bundesgesundheitsblatt – Gesundheitsforschung – Gesundheitsschutz, 52 (2008) 1358-1369.
• [5] M. Schell, D. Inthout, Demand control ventilation using CO2, ASHRAE Journal. 43 (2001) 18-24.
• [6] Umweltbundesamt, Richtig Lüften in Schulen. https://www.umweltbundesamt.de/richtig-lueften-in-schulen, 2021.
• [7] J. Vorländer, Marshallplan für die Schullüftung, SBZ, 1 (2021) 8-10.
• [8] F. Villanueva, A. Notario, B. Cabañas, P. Martín, S. Salgado, M. F. Gabriel, Assessment of CO2 and aerosol (PM2.5, ⁠PM10⁠, UFP) concentrations during the reopening of schools in the COVID-19 pandemic: The case of a metropolitan area in Central-Southern Spain, Environmental Research, 197 (2021) 111092.
• [9] P. Wargocki, J. A. Porras-Salazar, S. Contreras-Espinoza, W. Bahnfleth, The relationships between classroom air quality and childrens’s performance in school, Building and Environment, 173 (2020) 106749.
• [10] L. Schibuola, M. Scarpa, C. Tambani, Natural ventilation level assessment in a school building by CO2 concentration measures, Energy Procedia 101 (2016) 257-264.
• [11] Y. Hou, J. Liu, J. Li, Investigation of indoor air quality in primary school classrooms, Procedia Engineering 121 (2015) 830-837.
• [12] Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen des Bundes ministeriums für Wohnen, Stadtentwicklung und Bauwesen, RLT-Anlagen – Hinweise zur Planung, Ausführung und Betrieb von Raumlufttechnischen Anlagen für öffentliche Gebäude, Empfehlung Nr. 166 (2023).
• [13] Deutsches Institut für Normung e.V., DIN EN 16798-1, 2021.
• [14] Y. Awe, J. Nygard, S. Larssen, H. Lee, H. Dulal, R. Kanakia, Clean air and healthy lungs. Enhancing the World Bank’s approach to air quality management, The World Bank Group: Washington, United States, 2015.
• [15] European Commission, Department: Energy, Energy efficiency in buildings. Available under https://commission.europa.eu/news/focus-energy-efficiency-buildings-2020-02-17_en, 2020.
• [16] M. von Pettenkofer, Über der Luftwechsel in Wohngebäuden, 1858.
• [17] L. E. Holt, The care and feeding of children, 1884.
• [18] S. S. Korsavi, A. Montazami, D. Mumovic, Indoor air quality (IAQ) in naturally-ventilated primary schools in the UK: Occupant-related factors, Building and environment, 180 (2020) 106992.
• [19] J. Zemitis, R. Bogdanovics, S. Bogdanovica, The study of CO2-concentration in a classroom during the Covid-19 safety measures, E3S Web of Conferences 246 (2021) 01004.
• [20] C. Cai, Z. Sun, L. B. Weschler, T. Li, W. Xu, Y. Zhang, Indoor air quality in schools in Beijing: Field tests, problems and recommendations, Building and Environment, 205 (2021) 108179.
• [21] M. Gil-Baez, J. Lizana, J. A. Becerra Villanueva, M Molina-Huelva, Natural ventilation in classrooms for healthy schools in the COVID era in Mediterranean climate, Building and Environment, 206 (2021) 108345.
• [22] A. Sánchez-Fernández, E. Coll-Aliaga, V. Lerma-Arce, E. Lorenzo-Sáez, Evaluation of different natural ventilation strategies by monitoring the indoor air quality using CO2 sensors, International Journal of Environmental Research and Public Health, 20 (2023) 6757.
• [23] C. C. Vassella, J. Koch, A. Henzi, A. Jordan, R. Waeber, R. Iannaccone, R. Charrière, From spontaneous to strategic natural window ventilation: Improving indoor air quality in Swiss schools, International Journal of Hygiene and Environmental Health, 234 (2021) 113746.
• [24] V. F. McNeill, R. Corsi, J. A. Huffmann, C. King, R. Klein, M. Lamore, D. Y. Maeng, S. L. Miller, N. L. Ng, P. Olsiewski, K. J. G. Pollitt, R. Segalman, A. Sessions, T. Squires, S. Westgate, Room-level ventilation in schools and universities, Atmospheric Environment: X, 13 (2022) 100152.
• [25] S. Nehr, L. Baus, H. Çınar, I. Elsen, T. Frauenrath, Energy demands for the provision of high-quality indoor environmental conditions in passively ventilated classrooms in Germany, Submitted for publication, 2024.