Schulräume pandemiegerecht lüften

Sinnvolle Lüftungs- und Wärmerückgewinnungssysteme für Schulklassen, unter Pandemiebedingungen

Die Covid 19-Pandemie hat mittlerweile deutlich gezeigt, dass die Schulen wenig bis gar nicht auf eine nachhaltige Raumlüftung vorbereitet sind. Ausschreibungen für Nachrüstungen kommen nur schwer in Fahrt. Dabei sind die Notwendigkeit und der Nutzen längst bekannt. Soll doch das pandemiegerechte Lüften u. a. die Infektionswahrscheinlichkeit durch Aerosole verringern. Welche Luftmengen dafür erforderlich sind, welche Luftführung geeignet ist und wie es dabei um die Behaglichkeit steht, das wird im folgenden Artikel erläutert. Immer auch mit einem Blick auf die Raumluftfeuchte, die vor allem unter energetischen und gesundheitlichen Aspekten berücksichtigt werden muss.

In der Gebäudetechnikbranche ist man sich einig, dass nur Systeme mit einer Außenluftversorgung und Wärmerückgewinnung energetisch nachhaltig sind. Sie minimieren einerseits das Risiko der Krankheitsübertragung und verringern zusätzlich die müde machende CO₂-Konzentration kontinuierlich und sind energetisch effizient. Zur Auslegung der richtigen Luftmenge ist für die Infektionsgefahr der PIRA-Index maßgeblich.

Was sagt der PIRA-Wert aus?

Die DIN EN 16798 Teil 1 gibt vor, dass die CO₂-Raumluftkonzentration bei einem Grenzwert von 1.000 ppm mittels Außenluftvolumenströme verdünnt werden muss. Das erfolgt häufig über eine Mischlüftung. Auf dieser Grundlage hat das Hermann-Ritschel-Institut einen weiterführenden Kennwert entwickelt, der das Infektionsrisiko an SARS-CoV-2 beschreibt: den PIRA-Index (Predicted Infection Risk for Aerosol Transmission of SARS-CoV-2/1/). Die zu Grunde gelegten Fakten, sind die Antworten auf folgende Fragen:

• Wie viele Schafstoffe (Aerosole) stößt eine an SARS-CoV-2 erkrankte Person aus?
• Wie viel davon darf eine gesunde Person einatmen, ohne zu erkranken?

PIRA ist damit ein erster Index für das Infektionsrisiko z. B. in Schulklassen. Der Wert wurde auf 10 festgelegt, so dass eine 90 % Vermeidung der Übertragung gegeben ist. Sollte es also eine erkrankte Person in einem Raum geben, müssen ca. 750 m³/h unbelastete Außenluft oder gefilterte Umluft zugeführt werden, um für die Dauer von einer Stunde die Übertragung von SARS-CoV-2 auf andere im Raum befindliche Personen um 90 % zu verringern.

Welche Außenluftmenge muss für ein erfolgreiches Lernen eingeführt werden?

In der TGA-Branche gibt es Planungsansätze für zu belüftende Räume (auf Basis der aktuellen Vorgaben der DIN EN 16798 Teil 1 und den seit Juli 2021 gemachten Vorschlägen für Deutschland).

Einem typischen Klassenraum müssten

• für eine gute Raumluftqualität (Kategorie II) 1.000 m³/h bzw.
• für eine noch ausreichende Raumluftqualität (Kategorie III) 550 m³/h

unbelastete Außenluft zugeführt werden.

Prof. Dr.-Ing. Bernd Boiting
FH Münster, Fachbereich Energie,
Gebäude, Umwelt, Steinfurt

Prof. Dr.-Ing. Boiting von der FH Münster schildert: „Die Werte sind keine neuen Erkenntnisse. Sie entsprechen grob den Planungsansätzen für zu belüftende Räume, die die TGA-Branche seit Jahrzehnten für unsere Schulräume fordert.“

Umluftsysteme führen dagegen keine Außenluft ein und auch das Prinzip der Fensterlüftung ist kein adäquates Mittel um Covid- oder Grippewellen zu bekämpfen. Eine kontrollierte Belüftung der Räume ist jedoch wichtig, um vor allem auch Feinstaubgrenzen einzuhalten und die Raumluftfeuchte auf ein gesundes Maß zu halten.

Wie kann eine hohe Feinstaubbelastung minimiert werden?

Das Feinstaub gefährlich für den Menschen ist, ist hinlänglich wissenschaftlich erwiesen. Es besteht aus festen und flüssigen Partikeln und wird abhängig von deren Größe in unterschiedliche Fraktionen und europaweit geltenden Grenzwerten eingeteilt:

• PM10 (PM, particulate matter) mit einem max. Durchmesser von 10 Mikrometer (µm). Der Tagesgrenzwert liegt bei 50 µg/m³ und darf nicht öfter als 35mal im Jahr überschritten werden. Der zulässige Jahresmittelwert beträgt 40 µg/m³.
• PM2,5 und ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser < 0,1 µm. Hier gilt seit 2008 europaweit ein Zielwert von 25 µg/m³ im Jahresmittel.

Eine zu hohe Feinstaubkonzentration über einen längeren Zeitraum hat gesundheitsschädigende Auswirkungen, insbesondere auf Kinder, Menschen mit vorgeschädigten Atemwegen und ältere Personen. Um die Gefahr durch Feinstaub zu beschränken, wurden in der TGA neue Filternormen für die Nutzung in raumlufttechnischen Anlagen eingeführt, wie die DIN EN ISO 16890. Ein Filter der Klasse ISO ePM1 85 % kann theoretisch mehr als 99 % der relevanten Aerosolgrößen filtern. Eine unkontrollierte Fensterlüftung schafft das nicht und wäre hier kontraproduktiv.

Wie hoch sollte die Raumluftfeuchte im Winter sein?

Neben der Einhaltung von Feinstaubgrenzen ist auch darauf zu achten, dass die Raumluftfeuchte auf einem gesundheitszuträglichen Niveau liegt. Die optimale relative Raumluftfeuchte (r.F.) beträgt 40 bis 60 %. Gerade im Winter ist auf eine Einhaltung dieser Werte zu achten, denn eine entsprechende Raumluftfeuchte schützt die Mund- und Nasenschleimhäute der Schüler und stellt durch den gesunden, feuchten Zustand bereits eine starke körpereigene Virenabwehr dar. Die Fließgeschwindigkeit der Schleimhaut in den Atemwegen ist dann so hoch, dass Viren, die durch die Luft aufgenommen wurden, schnell abgeführt werden. Bei geringer Raumluftfeuchte z. B. im Winter mit einer Außentemperatur von 0 °C beträgt die Raumluftfeuchte nicht selten 20 % r.F. bei einer Raumtemperatur von 21 °C. Die Folge: Schleimhäute trocknen aus, Krankheitserreger, die in Form belasteter Aerosole eingeatmet werden, können dann leicht zu einer Infektion führen.

Wie kann eine Schullüftung nachhaltig betrieben werden?

Die Nutzung der Raumluftfeuchte spielt auch eine besondere Rolle im Kampmann Schullüftungsgerät WZA. Hier kommt ein sogenannter Enthalpie-Tauscher zum Einsatz. Dieser sorgt sowohl für eine effiziente Wärme- und Kälterückgewinnung als auch für die Feuchterückgewinnung aus der Abluft/Fortluft und überträgt diese gewonnene Wärme und den Wasserdampf auf die Zuluft, natürlich ohne dabei Aerosole und damit z. B. SARS-CoV-2-Viren zu übertragen. Ein Enthalpie-Tauscher minimiert damit Energieverluste und dank ausreichend feuchter Raumluft trocknen die Schleimhäute nicht aus.

Simulierter Verlauf der Raumluftfeuchte im hier betrachteten typischen Klassenraum
Blau: Verlauf der Raumluftfeuchtigkeit bei Einsatz eines Enthalpietauschers
Rot: Verlauf der Raumluftfeuchtigkeit bei Einsatz eines üblichen Wärmerückgewinnungssystems, ohne Feuchteübertragung

In Lüftungsgeräten in denen z. B. nur ein Rotationswärmetauscher verbaut ist, findet eine ganzjährige Feuchterückgewinnung nicht statt, d. h. die Feuchte der Raumluft und damit die Energie geht ungenutzt verloren. Diese Technologie ist außerdem anfällig für Leckagen und aufgrund bewegter Teile wartungsintensiv.

Welche Möglichkeit der Lufteinbringung in den Klassenraum gibt es?

Das dezentrale Schullüftungsgerät WZA funktioniert nach dem Prinzip der Mischlüftung, um die Zuluft in den Raum einzubringen. Der WZA führt die Luft durch einen Auslass an der Geräteoberseite in den Raum ein. Dabei strömt sie mit hoher Induktion entlang der Raumdecke, außerhalb des Aufenthaltsbereichs der Personen. Der sich einstellende Coandaeffekt sichert eine hohe Eindringtiefe der frischen und sauberen Luft in den Klassenraum, und das zugluftfrei. Die Mischlüftung ist damit geeignet für eine schnelle Vermischung großer Luftmengen mit der Raumluft. Im Regelbetrieb wird eine Zuluftmenge von 800 m³/h eingebracht. Dadurch können CO₂- und Aerosolkonzentrationen sicher auf das geforderte Maß verdünnt werden.

Dezentrales Schullüftungsgerät WZA

Bei einer Quelllüftung verteilt sich die eingebrachte Luft sehr langsam am Raumboden und steigt dann nach oben. Die Quelllüftung funktioniert nur dann, wenn die Zuluft kälter ist als die Raumluft.

Diese Technologie ist eher geeignet für Räume in Bürogröße von etwa 4 bis 6 Personen, nicht für einen vollbesetzten Klassenraum. Gerade Räume mit einer hohen Anzahl von Personen auf relativ geringem Raum erzeugen durch die körpereigene Wärme eine so große Thermik im Raum, dass die für die Quelllüftung typische Luftschichtung stark gestört wird. Diese Störung führt dann zu einer Lüftungseffizienz ähnlich der Mischlüftung, wodurch der Vorteil der Quelllüftung nicht mehr gegeben ist. Gleichzeitig ist bei diesen hohen Personenbelastungen nicht gesichert, dass der gesamte Raum durchspült und z.B. Aerosolkonzentrationen sicher verdünnt werden.

In Summe erfüllt der WZA eine Vielzahl von Vorteilen, hier die Wichtigsten im Überblick:

• Schnelle Nachrüstung und einfache Installation, bauliche Maßnahmen nur im Aufstellungsraum erforderlich
• Einfache Anbindung an die Stromversorgung, das Gerät ist „steckerfertig“, es wird kein Elektriker benötigt
• Unkomplizierte Außen- und Abluftbindung
• CO₂-Abfuhr, ein CO₂-Sensor kontrolliert die einzubringenden Luftmengen für eine hohe Raumluftqualität
• Feinstaubfilterung für eine gesunde Raumluft
• Raumluftfeuchtigkeit, keine künstliche Nachbefeuchtung im Winter erforderlich
• Raumakustik: Dämmkulissen im Grundgerät sorgen für geringe Schallemissionen und einen leisen Betrieb
• Wärmerückgewinnung durch Einsatz eines Enthalpie-Tauschers, Rückgewinnung der Raum-Luftfeuchtigkeit und der Wärme aus der Abluft/Fortluft
• Behagliche Lufteinbringung durch den Einsatz von Mischlüftung bei einer hohen Personendichte in verhältnismäßig kleinen Räumen

Prof. Dr.-Ing. Boiting fasst dies nochmal sehr gut zusammen: „Bei Einhaltung des PIRA-Wertes kann mit Lüftungs- und Umluftfiltersystemen in Schulklassen einer Krankheitsübertragung sehr gut entgegen gewirkt werden. Allerdings müssen neben einem ausreichenden Volumenstrom, dessen Einbringung und im Falle der zu bevorzugenden Außenluft, auch die Art der Wärme- und Feuchterückgewinnung beachtet werden.“ Nur dann erzeugt ein Raumlüftungsgerät ein nachhaltiges, gesundes Raumklima, auch nach der Pandemie.