Lüftungsanlagen schützen zuverlässiger als Fensterlüftung vor Aerosolen

• Außenbedingungen beeinflussen Effizienz der Fensterlüftung
• Eingeschränkte Fensterlüftung
• Geringe Ansteckungsgefahr durch Lüftungsgeräte
• Flexibilität bei der Positionierung des Lüftungsgerätes im Raum
• Effizient und nachhaltig

Im Vergleich zum Betrieb eines Lüftungsgeräts mit konstant hohen Luftleistungen ist die Be- und Entlüftung eines Klassenzimmers per Fensteröffnung zur Abführung von Viren und Aerosolen stark abhängig von aktuellen Wetter- und Windverhältnissen.

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Die Fensterlüftung gilt als wichtige Maßnahme, wenn es um die Infektionsvermeidung in Klassenzimmern geht. Eine neue Studie des Steinbeis-Forschungszentrums Virtual Testing im Auftrag der Wolf GmbH zeigt aber, dass je nach äußeren Gegebenheiten die Effizienz der Fensterlüftung stark variieren kann. Bei ungünstigen Wetterlagen können geöffnete Fenster hohe Konzentrationen potenziell infektiöser Aerosolpartikel in der Raumluft nicht in ausreichendem Maße verringern. Im Gegensatz dazu sind dezentrale Lüftungsgeräte mit Außenluftzufuhr in der Lage, kontinuierlich ein gesundes Raumklima sicherzustellen.

Außenbedingungen beeinflussen Effizienz der Fensterlüftung

Mit einem Simulationsmodell hat das Steinbeis-Forschungszentrums Virtual Testing das Ausbreitungsverhalten von submikronen Aerosolen in einem Klassenzimmer untersucht. Simuliert wurde ein Klassenzimmer, in dem sich eine Lehrkraft und 18 Schüler aufhalten, von denen eine Person Corona-Aerosole an die Raumluft abgibt. Dabei wurden verschiedene Szenarien betrachtet. Der Schwerpunkt lag darauf festzustellen, welchen Einfluss Windgeschwindigkeit, Anströmrichtung sowie Unterschiede der Innen- und Außentemperatur auf die Effizienz der Fensterlüftung haben. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Parameter den Luftaustausch und damit die Partikel- und Aerosolkonzentration im Raum erheblich beeinflussen.

Eingeschränkte Fensterlüftung

Bereits in Übergangszeiten kann der Luftaustausch bei Fensterlüftung deutlich eingeschränkt sein. Während beispielsweise die Aerosolkonzentration im Raum nach 5 min Fensterlüftung bei einem frontal anströmenden Wind von 6 km/h auf die weit geöffneten Fenster um rund 90 % abnimmt, sinkt diese nach 5 Minuten Fensterlüftung bei seitlich vorbeiziehendem Wind von nur 2 km/h nur noch um 45 % (Abb. 2). Zusätzlich beeinflusst auch die Differenz zwischen Außen- und Raumtemperatur die Lüftungseffizienz. In der Simulation wurde bei einer Raumtemperatur von 22 °C bei schwachem Wind eine Außentemperatur von 18 °C und bei starkem Wind von 12 °C angenommen.

„Während einer Unterrichtstunde steigt die Konzentration von infektiösen Aerosolpartikeln in der Raumluft konstant an. Die Außenluftzufuhr über die Fenster lässt die Konzentration rapide sinken. Die Simulation zeigt jedoch deutlich, dass es hier erhebliche Unterschiede gibt – Fensterlüftung ist nicht gleich Fensterlüftung. Äußere Einflüsse können die Effizienz maßgeblich verändern. Ein kontinuierlicher Außenluftstrom über ein Lüftungsgerät in den Raum ist deutlich zuverlässiger in der Lage, konstant geringe Partikel- und Aerosolkonzentrationen zu gewährleisten“, erklärt Prof. Uwe Janoske, Leiter des Steinbeis-Forschungszentrums Virtual Testing.

Geringe Ansteckungsgefahr durch Lüftungsgeräte

Zum Vergleich mit der Fensterlüftung wurde die Entwicklung der Aerosolkonzentration im selben Klassenraum, ausgestattet mit einem Wolf Comfort-Großraum-Lüftungsgerät „CGL edu“ mit einem Außenluftvolumenstrom von 800 m³/h, verglichen. Die Simulation zeigt, dass die Partikelkonzentration im Klassenraum durch den Betrieb des Lüftungsgeräts in 45 min auf maximal 250 Partikel pro m³ ansteigt. Ohne Lüftungsgerät liegt die Partikelkonzentration bei geschlossenen Fenstern bereits nach 20 min bei über 300 und nach 45 min sogar bei etwa 700 (Abb. 3).

Diese Erkenntnis bestätigt auch eine andere Studie von Wolf, die mit Unterstützung der TU Berlin durchgeführt wurde. In dieser Untersuchung wurde bereits nachgewiesen, dass sich während einer Unterrichtsstunde trotz Lüftung über die Fenster potenziell infektiöse Aerosolpartikel in teils sehr hohen Konzentrationen im Klassenraum anreichern, siehe hier (www.wolf.eu/covid-19-studie).
Die aktuelle Studie zeigt deutlich, dass sich beim Betrieb des Lüftungsgeräts im Raum nur sehr wenige Bereiche mit lokal hoher Partikelkonzentration bilden. Damit sinkt die Ansteckungsgefahr, die von einer infizierten Person ausgeht, auch für die Personen im direkten Umfeld. Im Vergleich zur Fensterlüftung können Lüftungsgeräte somit eine deutlich zuverlässigere und konstante Senkung der Partikelkonzentration erzielen. Die von geöffneten Fenstern unabhängige Außenluftzufuhr vermeidet darüber hinaus hohe CO2-Konzentrationen im Raum und reduziert weitere Schad- und Geruchsstoffe sowie Staubpartikel. Zudem wird auch unerwünschte Luftfeuchtigkeit abgeführt.

Flexibilität bei der Positionierung des Lüftungsgerätes im Raum

Die Simulation untersuchte ebenfalls den Einfluss unterschiedlicher Positionierungen des Lüftungsgeräts auf die Durchmischung der Raumluft sowie auf die Verringerung der Aerosolkonzentration (Abb. 4). Um die Frage nach dem optimalen Standort beantworten zu können, wurden drei Positionen des Geräts im Raum simuliert und verglichen. Im Ergebnis zeigte sich, dass die Unterschiede zwischen einer Installation an verschiedenen Wänden und selbst in einer Eckposition nur sehr gering waren. In allen drei Fällen verhinderte der Betrieb des Lüftungsgeräts zuverlässig einen Anstieg der potenziell gefährlichen Partikel über den Wert von 250 pro m³.

Betrachtet wurden auch die durch das Lüftungsgerät entstehenden Luftgeschwindigkeiten im Klassenraum. Diese wurden auf einer angenommenen Kopfhöhe der sitzenden Schüler von einem Meter untersucht und erreichten positionsunabhängig maximal 0,6 m/s. Die Höhe des Lüftungsgeräts von mehr als 2 m sowie der oben positionierte Luftauslass verhindern damit, dass ein unangenehmer Luftzug entsteht.
Die Auswertung der Simulation zeigt, dass eine effiziente und komfortable Lüftung mit dem eingesetzten Lüftungsgerät CGL edu unabhängig von der Positionierung im Klassenraum erfolgen kann. Auf diese Weise können auch unterschiedliche bauliche Gegebenheiten berücksichtigt werden. Somit sind in Absprache mit dem Denkmalschutz anstelle von Wanddurchführungen ebenso flexible Lösungen über die Oberlichter möglich.

Effizient und nachhaltig

Der Einsatz von Lüftungsgeräten stellt mit Blick auf die Klimaschutzziele für 2030 eine wichtige Technologie dar. Mit effizienter Wärmerückgewinnung über Hochleistungs-Gegenstromwärmeübertrager bei einem Wirkungsgrad bis 90 % entsteht sowohl ein ökologischer als auch ein wirtschaftlicher Mehrwert gegenüber der Fensterlüftung. Schließlich wird unterbunden, dass Wärmeenergie ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird. Zudem erzeugt das Lüftungsgerät bei dem eingestellten Luftvolumenstrom von 800 m³/h einen Schalldruckpegel von lediglich 41 dB(A) (1 m Abstand).
„In vielen Schulen und Kitas besteht weiterhin starker Verbesserungsbedarf. Die Simulation des Steinbeis-Forschungszentrums zeigt, dass die alleinige Konzentration auf die Fensterlüftung weder einen optimalen Schutz bietet noch eine nachhaltige Lösung darstellt. Eine Möglichkeit zur schnellen Nachrüstung bietet unser Comfort-Großraum-Lüftungsgerät, das speziell für Räume in Bildungseinrichtungen konstruiert wurde. Das Gerät wird mit 100 % Außenluft betrieben und ist eine langfristige und nachhaltige Lösung für ein gesundes Raumklima. Darüber hinaus erfüllt das Kompaktgerät alle Kriterien der Bundesförderung für einen Zuschuss von bis zu 80 %“, sagt Dr. Thomas Kneip, Geschäftsführer der Wolf GmbH.

Der von der Wolf GmbH für cci Wissensportal zur Verfügung gestellte Beitrag wurde von Dr. Manfred Stahl redigiert (Stand: Oktober 2021)

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