Aus für dicke Luft im Klassenzimmer

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• Fensterlüftung ist nicht geeignet, die CO₂-Konzentration in Klassenräumen während des Unterrichts in einem akzeptablen Rahmen zu halten. Zudem ist sie kaum geeignet, hohe Feinstaubbelastungen zu verringern.
• Zur Lösung des Lüftungsproblems in den Schulen, gibt es eigentlich nur ein Mittel: kontrollierte Lüftung durch raumlufttechnische Anlagen.
• Bei der Nachrüstung sind dezentrale Lösungen mit Wärmerückgewinnung im Vorteil. Zudem bieten sie die beste Möglichkeit für eine raumweise Regelung nach dem tatsächlichen Bedarf.

In Deutschlands Schulen herrscht dicke Luft, und die ist auch mit gut gemeinten Bildungsreformen nicht aufzulösen. Nein, die dicke Luft in deutschen Klassenzimmern ist durchaus wörtlich zu verstehen: Die lufthygienische Qualität ist schlicht verheerend. Jeder kennt die Situation aus seiner eigenen Schulzeit oder kann sie sich von seinen Kindern bestätigen lassen: Klassenräume sind in aller Regel schlecht belüftet. Bei geöffneten Fenstern beginnen die außen sitzenden Schüler schon zu frieren, während die in der Tiefe des Raums sitzenden noch nach Luft japsen. Von einem Lüftungskonzept kann bei den meisten der gut 40000 Schulen in Deutschland, die vornehmlich in den 1960er- und 1970er-Jahren errichtet wurden, keine Rede sein Abb. 2. Was kaum einer weiß: Wir waren schon einmal weiter.

Vorbild 19. Jahrhundert

„Die Luft der Schulzimmer ist sorgfältig geprüft worden, um festzustellen, in wieweit vielfach laut gewordene Klagen über die schlechte Luftbeschaffenheit begründet seien.“ Dieser Satz stammt aus dem Artikel „Ventilation von Schulzimmern betreffend““ erschienen im Schweinfurter Tagblatt am 2. November 1871. Der fränkische Architekt Werner Haase hat jüngst bei einem Passivhaus-Kongress in Stuttgart aus diesem Beitrag zitiert. Aber Haase, dessen Büro sich mit der energetischen Sanierung von Schulen einen Namen gemacht hat, fördert noch mehr interessantes Archivmaterial zutage. Etwa § 9 eines schulamtlichen Erlasses der königlichen Regierung der Oberpfalz aus dem Jahr 1884. Dort heißt es: „Zur Erzielung der notwendigen Lufterneuerung sind Ventilationskamine herzustellen.“ Und weiter: „Der Luftkamin muss zur Ableitung der verbrauchten Luft im Schulzimmer zwei Öffnungen haben: die eine zunächst dem Fußboden, die andere zunächst der Decke.“ Ähnliche Verordnungen gab es auch in anderen deutschen Ländern.

Konkret: Schon Ende des 19. Jahrhunderts wusste man – zumindest in Teilen Deutschlands – dass eine ausreichende Lüftung der Klassenzimmer allein über die Fenster nicht möglich ist und stattete neue Schulen deshalb mit einer raumweisen Belüftung über Luftkamine aus Abb. 2. Ausgelöst hatte dies alles ein Mann: Max von Pettenkofer (vgl. Info-Kasten). Er hatte mit seinen Forschungen zur Luftqualität auch die Schullüftung verbessert, allerdings nur kurzfristig, denn im 20. Jahrhundert wurden seine Erkenntnisse zumindest bei Schulbauten ignoriert, spielen nun aber wieder ein zunehmend wichtige Rolle.

Situation heute

Der von Pettenkofer festgelegte Grenzwert für die CO₂-Konzentration in Innenräumen von 1000 ppm gilt – anders als in anderen Teilen Europas, insbesondere in den skandinavischen Ländern – in Deutschland nicht mehr. Hierzulande hat man das Lüftungsproblem dadurch versucht zu lösen, dass kein Grenzwert definiert wurde und stattdessen eine maximale CO₂-Konzentration von 1500 ppm festgelegt wurde. In einer Bekanntmachung des Umweltbundesamtes von 2008 kam dieses aber zum vagen Schluss, dass dies möglicherweise zu hoch angesetzt ist.

Eine Reihe von Studien hatte erschreckende Erkenntnisse gebracht. So wurden etwa in einer Berliner Schule CO₂-Spitzenkonzentrationen von 6000 ppm gemessen. Im Schnitt lag die CO₂-Konzentration bei 1600 ppm, das heißt, selbst der großzügige deutsche Richtwert wurde überwiegend überschritten. 80 % der Unterrichtszeit saßen die Schüler in einer Raumluft, die über der Pettenkofer-Zahl von 1000 ppm lag. Ähnliche Ergebnisse gab es bei Untersuchungen in Bayern, Baden-Württemberg und Thüringen. Bei einer großen Studie in sieben Schulen aus Stadt und Umland von Hannover wurde im Winter 89 % des Unterrichts unter lufthygienischen Bedingungen abgehalten, die über dem laxen Grenzwert von 1500 ppm lagen. Aber auch im Sommer, wenn Fensterlüftung kein Problem ist, müssen Deutschlands Schüler zu etwa einem Drittel ihrer Schulzeit in „zu dicker Luft“ sitzen.

Betrachtet man alle veröffentlichten Messungen zur Luftqualität an deutschen Schulen, lässt sich grob zusammenfassen: Im Jahresmittel ist die Luft in den Unterrichtsräumen überwiegend zu schlecht: Selbst frisch gelüftete Klassenzimmer überschreiten die Pettenkofer-Zahl schon kurze Zeit nach Unterrichtsbeginn. Nach der Hälfte der Unterrichtszeit ist auch der großzügige deutsche Grenzwert von 1500 ppm überschritten. In Grundschulen ist die Situation besser, in weiterführenden Schulen deutlich schlechter; 30 Zweitklässler produzieren weniger Kohlenstoffdioxid als 30 Teenager.

Luftdichte Hülle verstärkt das Problem

Wenn die erforderlichen Luftwechselraten in den bestehenden Schulgebäuden durch Fensterlüftung schon nicht sichergestellt werden können, verschärft sich die Lage bei neuen Schulgebäuden und bei der dank Konjunkturprogramm aktuell häufigen energetischen Sanierung von Bestandsschulen. Bei starker Dämmung und hochwertigen Fenstern verringert sich die frühere Infiltration der Außenluft aufgrund von Undichtigkeiten der Gebäudehülle auf ein Minimum. Gab es früher noch einen Luftaustausch durch „atmende Wände“, der dafür sorgte, dass auch bei geschlossenen Fenstern die Konzentration der Luftschadstoffe langsamer anstieg, verringert sich diese Infiltration bei modernen und energetisch sanierten Schulen durch die Anforderungen an die Dichtheit der Gebäudehülle auf ein Minimum.

Luftqualität und PISA-Studie

Dabei ist CO₂ nicht das einzige lufthygienische Problem. Kritisch ist häufig auch die Feinstaubbelastung, die durch mangelnde Reinigung ansteigt, durch tobende Kinder in den Pausen verstärkt wird und unglücklicherweise durch die regelmäßige Fensterlüftung verschärft werden kann, wenn ungefilterte Großstadtluft ins Klassenzimmer strömt. Problematisch sind auch noch andere Werte: Was die Fachwelt als VOC (Volatile Organic Compounds: flüchtige organische Verbindungen) bezeichnet, nennt der Laie Mief. Es handelt sich dabei vor allem um Ausdünstungen der Menschen im Raum, aber auch von Bauteilen, Mobiliar und Textilien.

Auch die Formaldehyd-Emissionen von Schulmöbeln und Bodenbelägen sind häufig problematisch hoch. Schon Max von Pettenkofer hat allerdings beschrieben, dass die VOC-Konzentration stark mit der des CO₂ korreliert, deshalb beschränkt man sich bei Messungen zur Lufthygiene in der Regel auf das leicht nachweisbare Kohlenstoffdioxid und betrachtet die Ergebnisse als Maßstab für die Luftqualität im Allgemeinen.

Was aber ist so problematisch, wenn die CO₂-Konzentration in Klassenzimmern auf über 1000 oder über 1500 ppm ansteigt? Die Forschungsergebnisse sprechen eine klare Sprache: Konzentrationsschwächen, Müdigkeit, Kopfschmerzen und Belästigung durch Körpergerüche sind die Folge. Umgekehrt ist erwiesen, dass das Lernvermögen und die Konzentrationsfähigkeit von Kindern sich deutlich und nachhaltig verbessert, wenn die Luftqualität in den Klassenräumen optimal ist. Eine Hypothese geistert durch die Fachwelt, die auf wissenschaftliche Bestätigung wartet: Dass die skandinavischen Länder bei den PISA-Studien besser als Deutschland abschneidet, könnte auch damit zusammen hängen, dass dort höhere Anforderungen an die Luftqualität in Schulen gestellt werden als hierzulande. Anders als in Deutschland werden dafür in Skandinavien seit Langem auch Lüftungsanlagen eingesetzt.

Kontrollierte Lüftung als Königsweg

Zur Lösung des Lüftungsproblems in den Schulen gibt es eigentlich nur ein Mittel: kontrollierte Lüftung durch raumlufttechnische Anlagen. Dies gilt insbesondere und uneingeschränkt für Neubauten. Im Vorgriff auf die EU-weite Verpflichtung, öffentliche Gebäude ab 2019 als „Nahe-Nullenergie-Gebäude“ auszuführen, erstellen viele Städte und Gemeinden heute schon neue Schulen im Passivhausstandard, dann ist die kontrollierte Be- und Entlüftung ohnehin fester Bestandteil des Konzepts. Aber auch bei schlechteren Effizienzstandards (für die es erfahrungsgemäß keine ökonomisch haltbare Begründung geben kann) und bei energetischen Sanierungen führt kein vernünftiger Weg an der Lüftungsanlage vorbei. Die luftdicht ausgeführten Gebäude lassen sich über Fenster allein nur noch theoretisch ausreichend belüften – in der Praxis ist die notwendige Konsequenz nicht mit dem Schulalltag kompatibel. Wenig hilfreich sind dabei auch günstige und gut gemeinte technische Hilfsmittel wie die Lüftungsampel, ein CO₂-Messgerät, das die Schadstoffkonzentration in der Raumluft anzeigt und gegebenenfalls zum Lüften auffordert. Die Praxis zeigt zwar verbessertes Lüftungsverhalten, aber auch einen Gewöhnungseffekt und eine seltene Einigkeit bei Lehrern und Schülern: Im Verlauf einer Doppelstunde Mathematik ist die Jugend zwar dankbar für jede Unterbrechung, Lust auf Stoßlüftung im 20-Minuten-Takt hat sie aber so wenig wie die Lehrkraft. Der Königsweg muss also lauten: ventilatorgestützte Lüftung ist der freien Lüftung unbedingt vorzuziehen.

Zentral oder dezentral

Ist die Entscheidung pro Lüftungstechnik gefallen, stellt sich die Frage, ob eine Abluftanlage reicht, oder ob Systeme zur Be- und Entlüftung installiert werden. Die Vorteile der Abluftanlage liegen im geringeren Planungs-, Installations- und Investitionsaufwand. Nachteilig ist, dass es Außenluftdurchlässe geben muss, durch die ein Kaltlufteinfall erfolgt – und dies in jedem einzelnen Klassenzimmer. Energetisch interessanter sind Anlagen zur Be- und Entlüftung, dann erst ergeben sich die Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung und zur Vorerwärmung der Außenluft durch Erdwärmeübertrager. Reine – fast schon traditionelle – Abluftsysteme können in einzelnen Gebäudebereichen wie in den Toiletten interessant sein, zur Belüftung von Klassenräumen sollte trotz erhöhtem Aufwand der Be- und Entlüftung der Vorzug gegeben werden.

Die Frage nach zentraler oder dezentraler Belüftung ist spannender. Bei der zentralen Lüftungsanlage sind Lehrer- und Klassenzimmer über ein gemeinsames Kanalnetz an eine oder mehrere zentrale Lüftungsanlagen angeschlossen. Bei der dezentralen Lösung wird jeder Klassenraum mit einer eigenen Lüftungsanlage versorgt.

Ein wesentlicher Vorteil der zentralen Lösung liegt in der Regel im geringeren Energiebedarf. Vor allem aber ist das zentrale System interessant beim Einsatz von hocheffizienten Wärmerückgewinnungstechniken, insbesondere bei der Abluftwärmenutzung durch eine Wärmepumpe. Die Nutzung von Erdwärme für die Zulufterwärmung macht nur bei einem Zentralgerät Sinn. Außerdem kann es auch zur Erwärmung eines zentralen Wasserspeichers genutzt werden.

Die zentrale Be- und Entlüftung bringt aber auch handfeste Probleme mit sich. Im Hinblick auf Schall- und Brandschutzanforderungen ist das verzweigte Kanalnetz oft schwierig. Die Installation von Brandschutzklappen kann eine Lösung sein, der Einsatz mehrerer Geräte, die abschnittsweise installiert werden ebenfalls. Ein großer Nachteil aber ist, dass eine bedarfsgerechte Lüftung und Temperierung der einzelnen Räume nicht oder kaum machbar ist. Zwangsweise werden bei der zentralen Lösung unbenutzte oder schwach besetzte Klassenräume mitbelüftet. Für Schulen häufig interessanter sind deshalb dezentrale Lösungen mit Wärmerückgewinnung. Dies gilt insbesondere bei Sanierungen, wenn ein aufwendiges Kanalnetz im Bestandsgebäude schwierig zu realisieren ist.

Beispiel LTM

Es gibt eine ganze Reihe von Lüftungstechnikherstellern, die geeignete dezentrale Lüftungsgeräte für Schulen herstellen. Erfahren in diesem Bereich sind etwa Aerex, Energenio, Helios und LTM.

Wie ein interessantes Schullüftungsgerät aussehen kann, soll am Beispiel LTM (Lüf­tungstechnik Meinerzhagen) gezeigt werden.

Schon der Name des Geräts „LTM dezent“ Abb. 3 zeigt, wofür es steht: Für dezentrale Lüftung aber auch für einen unauffälligen, dezenten Betrieb, der in Schulen, wo es auf konzentriertes Arbeiten ankommt, unerlässlich ist. Wie bei ­allen anderen Herstellern ist es auch bei dem LTM-Gerät völlig unerheblich, ob es in Neu­bauten oder bei Sanierungen eingesetzt wird, im Bestand spielt das System den Vorteil der unkomplizierten Installation besonders deutlich aus. Das Gerät, das es in drei verschiedenen Leistungsklassen gibt, wird üblicherweise an der Zimmerdecke mit Anschluss an eine ­Außenwand montiert.

Für besondere Einbausituationen können Zu- und/oder Abluft auch über Luftkanäle angeschlossen werden. Üblicherweise wird mit einem optimalen Luftvolumenstrom von 20 m³/h pro Schüler gerechnet. Die gut 100 kg schwere Geräte-Variante LTM dezent 600 mit einer normalen Kapazität von 600 m³/h ist damit für die meisten Klassenräume die Maschine der Wahl. Selbst in der Ecke montiert, werden alle Schüler mit Frischluft versorgt; die Eindringtiefe in den Raum liegt bei 12 m. Unter Volllast hat das Gerät eine elektrische Leistungsaufnahme von 130 W. Die Ausstattung der Schullüftungsgeräte unterschiedlicher Hersteller ist grundsätzlich ähnlich, LTM als langjährig erfahrener Hersteller bietet ein quasi idealtypisches Portfolio:

• ein Vorheizregister gewährleistet Frostschutz der Anlage bei vollem Betrieb an sehr kalten Wintertagen
• motorisch schließende Klappen für Außenluft und Fortluft verhindern im ausgeschalteten Zustand ein Auskühlen des Raums
• ein F5-Außenluftfilter (wahlweise F7) scheidet rund die Hälfte (bei F7 bis zu 90 %) der Feinstaubpartikel ab
• ein hoher Wärmerückgewinnungsgrad von bis zu 94 % macht das Nachheizen im belegten Klassenzimmer überflüssig <b>Abb. 4</b>
• eine Bypassklappe umgeht bei warmen Außentemperaturen die Wärmerückgewinnung und kann in den frühen Morgenstunden die Innentemperatur senken
• ein optionales Nachheizregister sorgt auch im tiefen Winter und bei gering belegten Räumen für Komforttemperaturen

Bedarfsgerechte Steuerung

Interessant ist die dezentrale Schullüftung vor allem, weil sie eine bedarfsgerechte Belüftung einzelner Räume zulässt und Klassenzimmer nur dann belüftet, wenn sie tatsächlich belegt sind. Denkbar dafür sind Ein-/Aus-Schalter, die allerdings, wie die Fensterlüftung, der Mitarbeit von Lehrkräften oder Schülern bedarf – sinnvoller sind automatische Regelungen. Dazu gehört etwa ein CO₂-Sensor, der die Konzentration an Kohlenstoffdioxid im Raum erfasst und den Volumenstrom der Lüftungsanlage bedarfsgerecht anpasst.

Für die LTM dezent gibt es auch einen optionalen VOC-Sensor, der flüchtige organische Verbindungen, die dem CO₂-Sensor verborgen bleiben, registriert und ebenfalls den Volumenstrom steuert. Kombiniert werden können die Sensoren auch mit einem Bewegungsmelder: dieser übernimmt die Einschaltfunktion, sobald Personen im Raum sind, die Sensoren sind für das Finetuning des Volumenstroms verantwortlich. Über die bedarfsgerechte Steuerung lässt sich zum einen der Energiebedarf der eingesetzten Lüftungsgeräte deutlich reduzieren; zum anderen verhindert das Prinzip „so wenig Lüftung wie möglich, so viel Lüftung wie nötig“ auch ein zu starkes Austrocknen der Raumluft im Winter.

Neben der bedarfsgeregelten Steuerung sollten dezentrale Lüftungsgeräte immer auch durch den einzelnen Nutzer individuell bedient werden können, andererseits auch zentral gesteuert werden können. Über das Bedienteil im Raum kann z.B. die Temperatur verändert werden. Zentral können bei LTM bis zu 20 Geräte zusammengeschaltet und gemeinsam programmiert werden. So wird etwa der Mindestluftwechsel am Wochenende oder während der Ferienzeit organisiert.

Fazit

Die meisten der 40000 Schulen in Deutschland werden unseren heutigen Ansprüchen an Leistung und die dafür notwendige Arbeitsumgebung nicht gerecht, weil die Belüftungssituation – vor allem im Winter – katastrophal ist. Für zuverlässige Abhilfe sorgt insbesondere bei luftdicht ausgeführten Sanierungen oder Schulneubauten einzig der Einsatz von kontrollierter Be- und Entlüftung. Dezentrale, bedarfsgesteuerte Lüftungsanlagen mit hoher Wärmerückgewinnung senken den Energieverbrauch erheblich und machen nachhaltig Schluss mit dicker Luft im Klassenzimmer. •

Mehr Infos zum Thema im TGA dossier Wohnungslüftung: Webcode 729

Der bayerische Chemiker und Hygieniker wirkte vor allem in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Er ist Namensgeber der Pettenkofer-Zahl, dem Grenzwert für lufthygienisch unbedenkliche CO₂-Konzentration in der Innenraumluft. „Ich bin auf das Lebendigste überzeugt, dass wir die Gesundheit unserer Jugend wesentlich stärken würden, wenn wir in den Schulräumen […] die Luft stets so gut und rein erhalten würden, dass ihr Kohlensäuregehalt nie über 1 Promille anwachsen könnte“, formulierte Pettenkofer 1858. Er sah den Grenzwert bei 0,1 Vol.-% CO₂-Konzentration, bzw. bei 1000 ppm (parts per million). Zum Vergleich: Die CO₂-Konzentration der Außenluft liegt bei etwa 400 ppm.

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