Lufthygiene in Schulen
Gute Raumluft für mehr Wohlbefinden und Konzentration
Gute Luft ist für Menschen unerlässlich. Bei der Atmung wird Sauerstoff ein- und Kohlendioxid (CO2) ausgeatmet. In vollbesetzten Unterrichtsräumen kommt es dadurch schnell zu schlechter, stickiger Luft mit hohem CO2-Gehalt. Die Kinder und Jugendlichen können sich schlechter konzentrieren, sind weniger leistungsfähig, werden schneller müde und bekommen Kopfschmerzen. Eine ständige Außenluftzufuhr fördert die Aufmerksamkeit und das Wohlbefinden aller Personen im Raum. Das bewirkt eine angenehmere Lernatmosphäre und bessere Leistungen.
Grundlagen zur Innenraumluft
Für die Nachrüstung dezentraler Lüftungsgeräte wurden in den Räumen der Grundschule Eibenstock in jedem Raum zwei Kernlochbohrungen (für Zu- und Abluft) durch die Außenwand geführt.
Quelle: Vallox
Die Luftqualität in der Schule wird anhand der Kohlendioxidkonzentration bewertet. Beim Atmen geben die Menschen pro Person und Stunde rund 15 l CO2 ab. In einem Klassenraum mit einer Grundfläche von 8 x 8 m und einer Raumhöhe von 3 m, in dem sich 30 Schülerinnen und Schüler aufhalten, steigt bei geschlossenem Fenster die CO2-Konzentration schon nach 25 Minuten auf 1.500 ppm (Abbildung 1). Eine dauerhafte Fensterlüftung während des Unterrichts ist aufgrund von Lärm-, Schmutz- und Pollenbelastungen problematisch und wegen des Wärmeverlusts im Winter nicht sinnvoll. Die Fensterlüftung in den Pausen bringt nur eine kurzfristige Verbesserung der Raumluftqualität. Sie ist somit nicht ausreichend.
Maschinelle Lüftung
Für Unterrichtsräume ist generell eine ventilatorgestützte Lüftung zu empfehlen. Hierbei ist zwischen der zentralen und der dezentralen Lösung zu unterscheiden. Zentrale Raumlufttechnische Anlagen mit einer Luftverteilung durch Deckenkanäle werden vor allem in Neubauten und bei Umbauarbeiten installiert. Sie ermöglichen es, alle Betriebsarten und Klimafaktoren zu berücksichtigen.
Abbildung 1: In einem Klassenzimmer mit 30 Schülern steigt bei geschlossenem Fenster die CO2-Konzentration bereits nach 25 Minuten auf 1.500 ppm.
Quelle: FGK
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Luftzufuhr über eine zentrale Versorgung (links oben) sowie über verschiedene dezentrale Lüftungssysteme.
Quelle: FGK
Abbildung 3.1: Mischlüftung
Abbildung 3.2: Quelllüftung
Dezentrale Lüftungsanlagen werden raumweise integriert, die Leitungen für Zu- und Abluft werden ebenfalls raumweise durch die Fassade geführt. Diese Lösung eignet sich besonders für die Nachrüstung von Bestandsgebäuden. Da nicht alle Räume gleichzeitig nachgerüstet werden müssen, lassen sich individuelle Randbedingungen leicht beachten.
Beide Systeme arbeiten witterungsunabhängig und können bei ausreichender Dimensionierung dauerhaft einen Grenzwert von 1.000 ppm CO2 in der Raumluft einhalten. Dadurch können die Fenster geschlossen bleiben, sodass Straßenlärm und Verschmutzungen der Außenluft draußen bleiben. Mit Bedarfsregelung und Wärmerückgewinnung wird zudem Heizenergie eingespart.
Die Übersicht in Abbildung 2 zeigt die Luftverteilung für zentrale (links oben) und dezentrale (rechts oben, unten) Luftversorgung. Für die dezentrale Lüftung werden Deckengeräte (rechts oben), Standgeräte (unten) und Brüstungsgeräte angeboten. Wird die Zuluft mit niedrigem Impuls in Bodennähe eingebracht (links unten) bildet sich im Raum eine Quellluftströmung aus. Beim Einbringen in Deckennähe (rechts unten) entsteht eine Mischlüftung.
Bei der Neuplanung und bei umfassender Sanierung ist der Einbau eines zentralen Lüftungssystems in Erwägung zu ziehen.
Tipps für die Planung und Installation von Lüftungssystemen
In der Planungsphase ist zu prüfen, wie hoch der Platzbedarf für das Lüftungssystem ist und wo es aufgestellt werden soll. Bei der Dimensionierung der Kanäle vom Lüftungsgerät zu den Luftauslässen einer zentralen Lüfungsanlage sind Druckverluste zu berücksichtigen. Zudem müssen brand- und schallschutztechnische Anforderungen beachtet werden. Die Lüftungsanlagen sollten nach DIN EN 16798-1 „Energetische Bewertung von Gebäuden – Lüftung von Gebäuden – Teil 1: Eingangsparameter für das Innenraumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden bezüglich Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik; Deutsche Fassung EN 16798-1:2019“ ausgelegt werden. Die Norm gibt Grenzwerte für die Raumluftqualität und die Luftmengenauslegung an. Der FGK empfiehlt für Klassenräume Kategorie II einzuhalten.
Bei der Wahl der Lüftungsgeräte, hier für das Paul-Spiegel-Berufskolleg in Warendorf, sind auch die räumlichen Gegebenheiten entscheidend.
Quelle: Trox
Entscheidende Faktoren für die Dimensionierung des Lüftungssystems sind die abzuführenden Lasten. Während die Zahl der Personen im Raum und ihrer Aktivität die CO2-Emissionen beeinflusst, hängen die VOC-Emissionen von den Materialien der Inneneinrichtung ab. Eine bedarfsgeregelte Führung nach CO2 liefert in Unterrichtsräumen eine optimale Balance zwischen Energiebedarf und Luftqualität.
An bautechnischen Rahmenbedingungen sollten unbedingt der Standort des Gebäudes und seine Ausrichtung in die Planung einbezogen werden. Für die Wahl des Lüftungssystems ist auch von Bedeutung, ob es sich um einen Neubau handelt, ob ein Bestandsgebäude umfassend saniert wird oder ob sich die Maßnahme auf die Nachrüstung von Lüftungstechnik beschränkt. Abmessungen und Gewicht der RLT-Anlage sind beim Aufstellort und auch beim Transport der Geräte in das Gebäude zu berücksichtigen. Je nach den räumlichen Gegebenheiten können dezentrale Lüftungsgeräte als Decken- oder Standgeräte eingesetzt werden. Im Falle einer Sanierung sind sowohl die Traglast der Decken als auch der der elektrische Anschluss zu prüfen.
Wichtig ist auch, die RLT-Anlagen bei der Inbetriebnahme einzuregulieren. Außerdem sollten Veränderungen in der Nutzung oder Belegungsdichte angepasst werden können. Für die Auswahl der Filter sind unbedingt die Außenluftqualität sowie die Anforderungen der Betreiber bzw. der Nutzer zu beachten. Auf die erforderlichen Filterwechsel müssen die Betreiber explizit hingewiesen werden.
Zusammenfassend bleibt zu betonen, dass eine sorgfältige Planung viel Zeit und Diskussionen im Nachgang erspart.
Strömungsformen der Raumluft
Mischlüftung
Bei der Mischlüftung (Abbildung 3.1) wird die Zuluft mit hohem Impuls in den Raum eingebracht. Die Zuluftdurchlässe liegen für diese Strömungsform meist im Deckenbereich, außerhalb der Aufenthaltszone. Thermische Lasten werden durch das Vermischen der Raumluft mit kälterer Zuluft und Schadstoffe durch das Verdünnen der Raumluft abgeführt. Die Zuluft kann mit einer deutlichen Untertemperatur von bis zu -10 K und hohen Geschwindigkeiten von bis zu 10 m/s in den Raum eingebracht werden. Durch das schnelle Vermischen der Zuluft mit der Raumluft kann eine nahezu gleiche Verteilung von Geschwindigkeit, Temperatur und Schadstoffkonzentration in jedem Punkt des Raumes erreicht werden.
Quelllüftung
Die Quelllüftung (Abbildung 3.2) basiert auf der freien Konvektion der im Raum befindlichen Wärmequellen. Die Zuluft wird mit einer Untertemperatur gegenüber der Raumtemperatur und mit niedrigen Geschwindigkeiten in den Raum eingebracht. Vertikale Temperatur- und Dichteunterschiede bewirken eine stabile Schichtung im Raum. Die Luftgeschwindigkeiten am Luftaustritt sollten auf 0,25 m/s begrenzt werden, um Zugerscheinungen zu vermeiden und den Quelllüftungseffekt sicherzustellen. Sind die Wärmequellen gleichzeitig die Schadstoff- bzw. CO2-Quellen im Raum, steigt die belastete Luft aufgrund der Konvektionsströme nach oben. Die Struktur der Raumluftströmung wird von der Konvektion an den im Raum befindlichen Wärmequellen bestimmt.
Weitere Informationen zur Lufthygiene in Schulen
www.lebensmittel-luft.info, Menüpunkt Schullüftung -> Dokumente/Literatur
Status-Report 22: Lüftung von Schulen – Raumluftqualität, Leistungsfähigkeit, Systeme; FGK, Juni 2022, https://t1p.de/FGK-Status-Report-22
Lüftung unter Pandemiebedingungen; Arbeitskreis Klimatechnik, Januar 2022, https://t1p.de/AK-Klimatechnik-220130
TGA-Report 9: Planungsleitfaden zur maschinellen Luftführung in Klassenräumen; Anders Berg et al., Mai 2022, https://t1p.de/23-TGA-Report-9
Nachgebohrt
SHK Profi: Wie schätzen Sie die aktuelle Situation in den Schulen ein?
Dr.-Ing. Claudia Kandzia: Natürlich sind für ein ausgezeichnetes Lernumfeld in erster Linie die Lehrkräfte verantwortlich. Nicht zu unterschätzen sind aber auch die Schulgebäude und deren Ausstattung. Dieser Punkt darf auch in politisch und wirtschaftlich schwierigen Zeiten nicht außer Acht gelassen werden. Schließlich sind die Kinder und Jugendlichen unsere Zukunft. Aus mehreren Studien ist bekannt, wie stark schlechte Luft Lernen und konzentriertes Arbeiten beeinträchtigt. Dennoch sind kaum Schulen mit raumlufttechnischen Anlagen ausgestattet.
Um stressfreies, optimales Lernen zu fördern und die gesundheitliche Belastung der Anwesenden möglichst gering zu halten, muss eine hohe Raumluftqualität im Unterrichtsraum sichergestellt werden. Der vieldiskutierte Ansatz der Fensterlüftung auf Basis einer CO2-Ampel stellt die Lehrkräfte zusätzlich zu ihren eigentlichen Aufgaben vor weitere Herausforderungen. Insbesondere in Grundschulen können sie diese Aufgabe nicht an die Kinder abgeben, sondern müssen sie selbst übernehmen. Dass die Lehrkraft neben dem Unterrichten die CO2-Werte permanent im Blick hat, ist kaum konsequent umzusetzen.
SHK Profi: Was empfiehlt der FGK?
Dr.-Ing. Claudia Kandzia: Der FGK spricht sich ganz klar für die ventilatorgestützte Lüftung mit Wärmerückgewinnung aus. Sie begrenzt automatisch die CO2-Werte in der Raumluft und sorgt so ohne Unterbrechungen für eine gute Raumluftqualität. Außerdem wird Wärme aus der Abluft auf die Zuluft übertragen und so Heizenergie eingespart.
SHK Profi: Haben Sie beim Einsatz der ventilatorgestützten Anlage Bedenken im Hinblick auf die Akustik?
Dr.-Ing. Claudia Kandzia: Nein, überhaupt nicht. Tatsächlich sind die Geräusche, die in Unterrichtsräumen entstehen, deutlich lauter als die einer RLT-Anlage. Messungen in Klassenzimmern zeigen regelmäßig durchschnittliche Lärmpegel zwischen 60 und 80 dB (A). Doch auch wenn im Klassenzimmer ruhig gearbeitet wird, habe ich keine Bedenken. Im Gegenteil: Weil die Fenster geschlossen bleiben können, gelangen störende Außengeräusche nicht in den Raum.
SHK Profi: Welche Möglichkeiten gibt es für die Nachrüstung?
Dr.-Ing. Claudia Kandzia: Dezentrale Lüftungsgeräte sind hervorragend für die Nachrüstung geeignet. Sie zeichnen sich sowohl durch niedrige Investitions- als auch geringe Betriebskosten aus. Es gibt zahlreiche standardisierte Geräte, sodass Planung und Installation sich einfach umsetzen lassen. Weiterhin beanspruchen die Geräte nur wenig Platz und es sind keine oder nur geringe brandschutztechnische Anforderungen zu erfüllen.
