Dezentrale Lüftung in Schulen: Warum es um mehr geht als um Infektionsschutz

Maschinelle Lösungen zur Be- und Entlüftung der Unterrichtsräume in Schulen galten lange Zeit als zu teuer. Das hat sich durch die Corona-Pandemie gewandelt. Der Einsatz von Lüftungsgeräten findet aktuell mehr Aufmerksamkeit.

Viele Jahre war sie das erste Mittel der Wahl, wenn es darum ging, die Investitionskosten beim Neubau oder der Sanierung von Schulen zu senken: Das Streichen von maschinellen Lösungen zur Be- und Entlüftung der Unterrichtsräume. Dies hat sich durch die Corona-Pandemie gewandelt. Das Thema, das aus Sicht von Lüftungsexperten eigentlich schon immer deutlich mehr Beachtung verdient hätte, findet aktuell die nötige Aufmerksamkeit.

Nicht zuletzt aufgrund von neuen Förderprogrammen des Bundes investieren Schulträger vermehrt in maschinelle Lösungen und statten die Gebäude mit einem Standard aus, der langfristig nicht nur hinsichtlich des Infektionsschutzes empfehlenswert ist. Über welches Potenzial in diesem Zusammenhang die dezentrale Lüftung verfügt, berichtet die Wildeboer Bauteile GmbH, Weener. Das Unternehmen hat mit dem System „WiVent“ und den dazu gehörenden „WiVent-B“-Lüftungsgeräten Lösungen entwickelt, die sowohl beim Neubau als auch bei der Sanierung von Gebäuden wie Schulen Einsatz finden. Das System mit Brüstungsgeräten bietet nach Unternehmensangaben entscheidende Vorteile gegenüber alternativen Lüftungsmöglichkeiten.

Lüftungsgeräte lassen sich optisch ansprechend in ein Lüftungsband entlang der Fensterfront
Abbildung 1: Das „WiVent-B“ im Lüftungsband: Die Lüftungsgeräte lassen sich optisch ansprechend in ein Lüftungsband entlang der Fensterfront integrieren. (Abb. Wildeboer)

Fensterlüftung nicht ausreichend

Bereits 2017 und somit lange Zeit vor dem Ausbruch der Corona-Pandemie veröffentlichte das Umweltbundesamt seinen Leitfaden „Anforderungen an Lüftungskonzeptionen in Gebäuden Teil I: Bildungseinrichtungen“. In den Zielvorgaben dieses Leitfadens wurden die CO2-Konzentration der Raumluft, die relative Feuchte, Zugluftfreiheit, Hygieneanforderungen und Wartung von Lüftungsanlagen, sowie die Themen Schallschutz und Nutzerkomfort betrachtet. Resümierend schreibt das UBA in seinem Leitfaden:
„Nach dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik und bestätigt durch zahlreiche Messungen und Simulationsberechnungen ist die alleinige Fensterlüftung nicht in der Lage, diese Anforderungen ganzjährig unter Gewährleistung einer angemessenen Temperatur und ohne Zuglufterscheinungen zu erfüllen. Zur Gewährleistung des Gesundheitsschutzes ist es aus Sicht des Arbeitskreises daher notwendig, neben optimal gestalteten Fenstern, eine zusätzliche bedarfsgeregelte technische Lüftung einzuplanen.“

Diese Bewertung gewinnt gerade in Zeiten der Pandemie an Bedeutung. Zwar waren es seinerzeit Themen wie Volatile Organic Compounds (VOC) oder CO2, vor deren Hintergrund der Leitfaden in erster Linie entstanden ist. Heute jedoch weiß man durch eine Vielzahl von Untersuchungen, dass Lüften analog zur Abfuhr von VOC und CO2 ebenfalls hilfreich ist, um vor einer durch Aerosole hervorgerufenen Infektion zu schützen.

Fensterlüftung: Zahlreiche zu berücksichtigende Aspekte

Beim Lüften geht es in der Pandemie, wie auch bei anderen Maßnahmen wie zum Beispiel dem Filtern der Luft, immer darum, eventuell entstehende Konzentrationen von infektiösen Partikeln so gering zu halten, dass diese nicht ausreichend sind, um eine Infektion hervorzurufen. Aber nur das Lüften führt neben Aerosolen auch CO2 und weitere unerwünschte Luftbestandteile sowie Gerüche mit der durch Außenluft ausgetauschten Raumluft ab. Eine Lüftung lässt sich einerseits über die bereits erwähnte Fensterlüftung oder über eine maschinelle Lüftung realisieren.

Die Fensterlüftung ist die wohl noch immer gängigste Methode. Wenn die Fenster in einem Gebäude geöffnet werden können, lässt sich diese Lüftungsmöglichkeit schnell verwirklichen. Es lassen sich so Lüftungsergebnisse erzielen, die die Situation im Zusammenhang mit dem Infektionsschutz deutlich verbessern können – zumindest, wenn die Bedingungen passen.

Die Qualität der Ergebnisse einer Fensterlüftung ist nämlich von mehreren Faktoren abhängig. Zunächst einmal muss es überhaupt möglich sein, die Fenster zu öffnen. Ist dies gegeben, so sind mit der Querlüftung, also gegenüberliegenden, geöffneten Fenstern, die besten Ergebnisse zu erwarten. Bei dieser Form der Fensterlüftung wird dem Raum viel Außenluft zugeführt und gleichzeitig belastete Luft abgeführt. Querlüftung ist allerdings in den wenigsten Schulen aufgrund der Bauweise möglich.
Eine weitere Möglichkeit ist das so genannte Stoßlüften. Dabei werden alle Fenster für einen empfohlenen Zeitraum ganz geöffnet. Bei diesem Vorgehen ist bereits ein geringerer Luftaustausch im Raum zu erwarten.
Interessant ist im Zusammenhang mit der Fensterlüftung die jahreszeitabhängige unterschiedlich empfohlene Dauer der Lüftung. So wird in der warmen Jahreszeit generell eine deutlich verlängerte Lüftungsdauer empfohlen (10 bis 20 min) als im Winter (3 bis 5 min). Hintergrund dafür ist der im Sommer als deutlich geringer zu erwartende Temperaturunterschied zwischen Raumluft und Außenluft: denn je kleiner der Temperaturunterschied ausfällt, desto geringer wird grundsätzlich die thermische Antriebskraft für den Luftaustausch. Um im Sommer also ein ähnliches Ergebnis wie im Winter zu erreichen, ist eine längere Lüftungsdauer notwendig.

Somit stößt eine reine Fensterlüftung, selbst mit zyklischer Stoßlüftung, auch aufgrund der thermischen Behaglichkeit und aus energetischen Gesichtspunkten schnell an Grenzen. Sie erfolgt unkontrolliert und undosiert, verursacht Lüftungswärmeverluste, Zugerscheinungen und Untertemperaturen.

behagliches, sowie stabiles Innenraumklima mit guter Luftqualität
Abbildung 2: Die Grenzen der Fensterlüftung: Unter Einhaltung der energetischen Anforderungen werden mit dem Lüftungssystem „WiVent“ die Grenzen der Fensterlüftung überwunden und ein angenehmes, behagliches, sowie stabiles Innenraumklima mit guter Luftqualität geschaffen. (Abb. Wildeboer)

Maschinelle Lüftung: Zentrale vs. Dezentrale Lösungen

Eine maschinelle Lüftung lässt sich über zwei unterschiedliche Ansätze realisieren: die zentrale und die dezentrale Lüftung, wobei der Standort des Lüftungsgeräts selbst für die Einordnung ausschlaggebend ist.

Bei einer zentralen Lösung befindet sich in der Regel ein Lüftungsgerät an einem zentralen Ort im Gebäude, fördert gefilterte und ggf. konditionierte Außenluft in das Gebäude und verteilt diese über ein das gesamte Gebäude durchdringendes Luftkanalsystem und Luftdurchlässe als Zuluft in die Räume. Ebenso wird Abluft aus allen Räumen über ein weiteres Kanalnetz als Fortluft zentral abgeführt.

Im Vergleich dazu erhält bei einer dezentralen Lüftung jeder zu belüftende Raum im Gebäude mindestens ein eigenständiges Lüftungsgerät. Der Installationsaufwand für diese Lösung ist schon allein aufgrund der fehlenden Luftkanalsysteme gegenüber einer zentralen Anlage deutlich geringer, insbesondere bei einer Nachrüstung im Bestand. Räume können nacheinander mit einer dezentralen Lüftung versehen werden, ohne ganze Gebäude in der Nutzung einzuschränken. Weiterhin wird jeder Raum separat betrachtet. So wird es schließlich möglich, individuell auf die Bedürfnisse des einzelnen Raumes und dessen Nutzung und Nutzer einzugehen.

Vergleichend betrachtet zeigt die dezentrale Lüftung insbesondere ihre Stärke in der Sanierung. Bezieht man diesen Vorteil auf die Situation in den Schulen, von denen ein Großteil ohne Lüftungsanlagen errichtet wurde, spricht oft Vieles für eine Nachrüstung mit dezentraler Lüftungstechnik. Generell lässt sich somit resümieren, dass eine maschinelle dezentrale Lüftung nicht nur in Gebäuden neuester Bauart einen hohen Nutzen aufweist, sondern gerade auch Bestandsgebäude von einer Nachrüstung profitieren.

Sowohl bei Neubau als auch bei Bestandsgebäuden kommt es neben einer guten Raumluftqualität auch auf den langfristigen Erhalt der Bausubstanz und auf das Ausschöpfen von Energieeinsparpotenzialen an, was durch die Regulierung der Temperaturverhältnisse erreicht wird. In der warmen Jahreszeit sorgt zum Beispiel eine Nachtauskühlung dafür, dass kühlere Außenluft in das Gebäude gebracht wird, um es zu kühlen. Diese Außenluft steht kostenlos zur Verfügung und ersetzt damit das aktive Herunterkühlen in dieser Zeit. Dadurch werden Temperaturschwankungen im Gebäude reduziert, die sonst energieintensiv ausgeglichen werden müssten.

Bedarfsabhängige Regelung für eine gute Raumluftqualität

Auch das Gewährleisten einer stimmigen Luftfeuchtigkeit ist ein nicht zu vernachlässigender Faktor, der für den Einsatz einer maschinellen Lüftung spricht. Während eine zu hohe Luftfeuchtigkeit einen negativen Einfluss auf das menschliche Wohlbefinden (Schwüle) und auf die Bausubstanz haben kann, kann sich eine zu niedrige Luftfeuchtigkeit negativ auf die menschliche Gesundheit auswirken. Sinkt die Luftfeuchtigkeit in der kühlen, trockenen Jahreszeit in Innenräumen auf unter 40 %, führt dies zur Austrocknung der Schleimhäute und einer damit erhöhten Anfälligkeit für Erkältungskrankheiten der Raumnutzer. Hier kann eine maschinelle Lüftung Abhilfe schaffen. Stehen eine aktive Be- und Entfeuchtung im Lüftungsgerät nicht zur Verfügung, so kann zumindest über spezielle Enthalpie-Wärmetauscher neben Wärme auch Feuchtigkeit zurückgewonnen und wieder der Raumluft zugeführt werden. Darüber hinaus führt eine bedarfsabhängige Regelung der Luftvolumenströme – meist über die Führungsgröße des CO2-Gehalts in der Raumluft – dazu, dass der Luftaustausch genau den Erfordernissen entspricht und nicht „überdosiert“ wird. Somit wird auch Feuchtigkeit nicht übermäßig aus der Raumluft abgeführt.

Eine maschinelle Lüftung bringt weiterhin den Vorteil mit sich, dass Außenluft, die in ein Gebäude eingebracht werden soll, entsprechend aufbereitet werden kann. Die omnipräsenten Debatten über Feinstaubbelastung in Städten zeigen deutlich, dass die Außenluftqualität lange nicht an allen Orten ausreicht, um eine gute Raumluftqualität sicherzustellen. Dabei kann eine Filterung der Außenluft im Lüftungsgerät zur immensen Anhebung der Luftqualität beitragen und diese dauerhaft überwacht sicherstellen.

Die wichtige Rolle von CO2 in der Lüftungstechnik

Ebenso bedeutsam für die Raumluftqualität wie VOC ist CO2. Verglichen mit VOC, die durch ihren Geruch durchaus unangenehm auffallen können, ist CO2 ein geruch- und farbloses Gas, das in geschlossenen Räumen durch Menschen abgegeben wird. CO2 wurde lange Zeit ausschließlich als Indikator für die Konzentrationen weiterer Substanzen in der Raumluft genutzt, da diese sich analog zur Konzentration von CO2 entwickeln. Mittlerweile ist allerdings bekannt, dass CO2 nicht „nur“ ein Indikator, sondern auch ein Gas mit erheblichen Auswirkungen auf den menschlichen Organismus ist. Es beeinträchtig die Konzentrationsfähigkeit und führt in höheren Konzentrationen zu Müdigkeit. CO2 lässt sich über entsprechende Sensorik erfassen und spielt in der Lüftungstechnik als Regelgröße zur Luftqualität eine entscheidende Rolle. Somit ist eine maschinelle Lüftungsanlage in der Lage, die Raumluftqualität in Gebäuden entscheidend zu verbessern, indem sie belastende Stoffe in der Raumluft zunächst durch Zuluft (Außenluft) verdünnt und schließlich über die Abluft abführt.

Eine hohe Raumluftqualität steht in direkter Verbindung mit der Raumlufthygiene. Schon bei der Konstruktion von Lüftungsgeräten stellen eine geeignete Materialauswahl und ein hygienisches Design sicher, dass innerhalb der Lüftungsanlage keine Nahrungsgrundlagen für Mikroorganismen entstehen können, deren Stoffwechselprodukte über die Zuluft in den Raum gelangen und zu einer gesundheitlichen Beeinträchtigung des Menschen führen könnten. Ein solcher Ansatz ist auch bei der Planung und Installation einer gesamten Lüftungsanlage weiterzuführen. Die Vorgaben entsprechender Regelwerke, allen voran der VDI 6022 „Hygiene in der Raumlufttechnik“ als anerkannte Regel der Technik, sind zu berücksichtigen und sowohl vom Hersteller als auch vom Errichter der Gesamtanlage über spezielle Erklärungen nachzuweisen, wenn der betrachtete Teil der Lüftungsanlage die Zuluft eines Raumes beeinflusst. Alle Anforderungen dienen dazu, auszuschließen, dass Luft aus einer Lüftungsanlage zu einer Quelle für gesundheitsgefährdende Stoffe wird.

Effizienter Betrieb und thermischer Bypass: Stufenlose Dosierung bedeutsam

Die Gebäudeeffizienzrichtlinie EPBD enthält Mindestanforderungen an die Energieeffizienz von gebäudetechnischen Systemen wie Anlagen der Raumlufttechnik. Umgesetzt finden sich diese Anforderungen in nationalen Regelwerken wie dem Gebäudeenergiegesetz GEG. Dieses verlangt beispielsweise für Zu- und Abluftanlagen die bedarfsabhängige Luftvolumenstromregelung gemäß den Teilen 7 und 10 der DIN V 18599 „Energetische Bewertung von Gebäuden“, wenn die Luftvolumenströme über 9 m³/hm² betragen. Auch die DIN EN 16798 Teil 3 „Lüftung von Nichtwohngebäuden“ formuliert ergänzende Leistungsanforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen.

Eine bedarfsabhängige Regelung des Luftvolumenstroms beginnt zwar bereits mit einer manuell geregelten Schaltung, eröffnet aber erst mittels Gassensoren (beispielsweise für CO2) das volle Potential zur Verringerung des Energieverbrauchs. Ist die CO2-Konzentration aufgrund von Personen im Raum als Indikator für dessen Raumluftqualität geeignet, so sollte in jedem Raum ein entsprechender Raumluftsensor das System ergänzen. Dieser sollte neben dem Raumluftparameter CO2 auch die Raumtemperatur erfassen und beide Parameter einer Steuerung zur Verfügung stellen. Damit kann eine Regelung raumweise autark, automatisch, bedarfsabhängig und effizient funktionieren.

Des Weiteren ist auch die Ökodesign-Richtlinie zu berücksichtigen. Diese hat unter anderem zum Ziel, den Energieverbrauch von Produkten kontinuierlich zu senken. Hinsichtlich der Anforderungen an Lüftungsgeräte ist dabei die EU-Verordnung Nr. 1253/2014 maßgeblich. Wesentlich darin sind Forderungen nach einem Mehrstufen- oder geregelten Antrieb, einem Mindestübertragungsmaß und thermischen Bypass der Wärmerückgewinnung, einer Begrenzung der spezifischen Ventilatorleistung sowie der Notwendigkeit eines Hinweises zum Filterwechsel.

Von besonderer Bedeutung ist dabei der thermische Bypass. Dieser sollte nicht nur ein- oder ausgeschaltet, sondern stufenlos dosiert werden können. Damit können die Außen- und Abluftvolumenströme, die einen Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung durchströmen, automatisch reguliert werden und es kann in einem großen Bereich der Außenlufttemperatur auch ohne zusätzliche Heizenergie stets eine passende Zulufttemperatur erreicht werden. Nur an kalten Tagen bleibt der Bypass geschlossen, so dass die volle Wärmerückgewinnung genutzt wird. Ein Heizregister hat dann lediglich die fehlende Zusatzheizleistung zu erbringen.

Wirkungsvoll und wirtschaftlich dank automatisierter Betriebsweise

Dezentrale Lüftungssysteme sorgen raumweise und autark für eine bedarfsabhängige Be- und Entlüftung sowie Temperierung von Räumen. Sie sollten grundsätzlich über einen Automatikbetrieb verfügen, in dem typische Tages- und Wochenverläufe sowie Abwesenheiten aufgrund von Urlaubs- oder Ferientagen hinterlegt werden können. Steht erst einmal ein Ablaufplan aus verschiedenen Betriebsarten sowie Tages- und Wochenverläufe fest, ist dies in Kombination mit einer bedarfsabhängigen Betriebsweise die beste Voraussetzung für einen wirkungsvollen und wirtschaftlichen Lüftungsbetrieb.

Damit Raumnutzer sich einem Lüftungssystem jedoch auch nicht ausgeliefert fühlen, sollten diese die Möglichkeit zum Nutzereingriff erhalten und damit auf das Lüftungssystem einwirken können. Dies erhöht die Akzeptanz eines Lüftungssystems deutlich. Sinnvoll ist es, die Freigabe eines solchen Nutzereingriffs über einen möglichen Passwortschutz abzusichern. Der Eingriff in den Automatikbetrieb sollte dabei so ermöglicht werden, dass auf Wunsch des Raumnutzers (in einzelnen Betriebsarten) Sollwert-Vorgaben wie die Raumtemperatur und/oder der Luftvolumenstrom übersteuert werden können. Ebenso sollten ausgewählte Betriebsarten als Zwangssteuerungen ausgelöst werden können, beispielweise ein Sekundärluftbetrieb bei störenden Gerüchen von außen.

Wichtig bei Nutzereingriffen ist jedoch ein Rücksetzen, das beispielsweise auch die DIN EN 15232 Teil 1 „Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement“ fordert. Damit ist gemeint, dass ein System am Ende einer übersteuerten oder geänderten Betriebsart vollständig in den Automatikmodus mit den dazu hinterlegten Betriebseinstellungen zurückkehrt. Dies stellt einen effizienten Betrieb sicher. Durch die Einbindung in ein Netzwerk gelingt zudem der in DIN EN 15232 Teil 1 geforderte zentrale Zugriff auf alle im Gebäude installierten Lüftungsgeräte. Sehr komfortabel wird dies mit einer Visualisierung, die eine Möglichkeit zur Erstellung individueller Software- und System-Ansichten beinhaltet. Zur Inbetriebnahme oder Analyse vor Ort sollte ein Zugriff auf das System aber auch immer lokal, also direkt vor Ort im Raum erfolgen können.

Warum Betriebsarten und Strömungsformen besonders ausschlaggebend sind

Die Aufgabe von Lüftungssystemen ist es, den Raumnutzern auch bei unterschiedlicher Belegung und wechselnden Lasten ein stabiles Innenraumklima mit guter Luftqualität zur Verfügung zu stellen. Hierzu stehen in der Regel unterschiedliche Betriebsarten mit unterschiedlichen Funktionsweisen und mit flexibler Ablaufgestaltung zur Verfügung.

Eine Notwendigkeit zur Lüftung bei Anwesenheit von Personen im Raum ist selbstverständlich. Aber um diesen Personen auch von Beginn der Raumbelegung an eine gute Luftqualität zur Verfügung zu stellen, sind Betriebsarten notwendig, die es erlauben, einen Raum für die anschließende Nutzung vorzubereiten. Dazu gehören beispielsweise: Grund- und Nachtlüften, Aufheizen oder Bereithalten und eine Pausenlüftung.

Für diese Betriebsarten bietet sich oft eine Mischluftströmung an. Der erhöhte Strömungsimpuls der Zuluft sorgt für die Ausbildung von stabilen Raumluftwalzen. Diese ermöglichen beispielsweise ein schnelles und effektives Aufheizen eines Raumes.

Von besonderem Interesse sind jedoch die Betriebsarten, bei denen sich Personen im Raum befinden. Hierzu zählen beispielsweise ein Komfort- und ein Außenluftbetrieb. Neben guter Luftqualität ist dabei auch stets das Einhalten der Kriterien für die Behaglichkeit gefordert. Bei erhöhter Personenzahl, wie sie in Klassenräumen oder Konferenzräumen vorkommt, bietet sich für die Zuluft die Form einer Quellluftströmung an. Diese Strömungsform führt gegenüber einer Mischluftströmung zu einer erhöhten Lüftungseffektivität, die letztlich auch einem verbesserten Infektionsschutz zugutekommt. Mit geringem Strömungsimpuls und minimaler Untertemperatur verteilt sich die Zuluft dabei turbulenzarm und großflächig am Boden und bildet einen Frischluftsee im gesamten Raum. An Wärmequellen wie Personen steigt die Luft auf und sichert diesen somit eine gute Luftqualität.

Dezentrale Lüftung in Schulen
Abbildung 3: Die Lüftungsgeräte „WiVent-B“ sind in der Lage, über eine spezielle Umschaltklappe zwei Strömungsformen zu realisieren. Der Betrieb mit Mischluftströmung ermöglicht im Heizfall, bei geschlossener Umschaltklappe und damit verkleinertem Ausströmquerschnitt, einen erhöhten Strömungsimpuls für die zuverlässige Ausbildung von stabilen Raumluftwalzen. Bei offener Umschaltklappe wird durch den gesamten zur Verfügung stehenden Ausströmquerschnitt eine Quellluftströmung realisiert. Diese dient mit dem ihr eigenen, geringen Strömungsimpuls der Bildung eines Frischluftsees im gesamten Raum. (Abb. Wildeboer)

Zusammenfassung

Gegenwärtig erhält das Thema Lüftung die gebührende Beachtung. Insbesondere dort, wo die Jüngsten in unserer Gesellschaft, inhaltlich auf das Leben vorbereitet werden, findet das Thema Anklang. In dieser Form nie dagewesene Förderprogramme ermöglichen es den Schulträgern, in entsprechende maschinelle Lösungen zu investieren.

Speziell die dezentrale Lüftung ist für die Anwendung in Bestandsschulgebäuden prädestiniert. Ein ausgewogenes Zusammenspiel aus Regelung und Nutzung unterschiedlicher Strömungsformen sichert eine optimale Raumluftqualität für den Raumnutzer, bei gleichzeitig deutlich erhöhtem Infektionsschutz. Die Anwendung unterschiedlicher Betriebsarten garantiert eine optimale Anpassung an jedes Raumnutzungsprofil und ermöglicht in Verbindung mit energieeffizienten Komponenten im Lüftungsgerät einen effizienten Betrieb.

Autor des Beitrags ist Dennis Schwarz, Produktmanager der Wildeboer Bauteile GmbH, Weener

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