Die Coronavirus-Pandemie hat die Welt verändert. In den Schulen gibt es aber noch viel zu tun, insbesondere in Sachen Lüftungstechnik. Bisher werden nur wenige Klassenräume über eine Lüftungsanlage belüftet. Und wo eine mechanische Lüftung vorhanden ist, verteilt fast immer das Mischlüftungsprinzip punktuell eingetragene Viren unkontrolliert im Raum. Nun hat weisstechnik mit „Vindur LayVent“ die in der Industrie seit vielen Jahren erprobte Schichtlüftung mit ausgereifter Systemtechnik auf die Belüftung von Unterrichtsräumen übertragen.
Weiss Technik GmbH
Kompakt zusammengefasst
■ Gegenüber einem Mischlüftungssystem kann ein Schichtlüftungssystem die potenzielle Virenlast im Aufenthaltsbereich von Klassenräumen und Räumen mit ähnlicher Nutzung signifikant reduzieren.
■ Mit dem Frischluft-Schichtlüftungsgerät „Vindur LayVent“ hat weisstechnik die in der Industrie seit vielen Jahren bewährte Schichtlüftung auf Klassenräume übertragen.
■ Mit 100 % Frischluftanteil wird auch eine niedrige CO2-Konzentration eingehalten.
■ Die Premium-Version der intelligenten Steuerung ermittelt die benötigten Luftmengen eigenständig über die im Raum freigesetzte CO2-Menge und überwacht auch kontinuierlich die Schichtungsqualität.
Ganz gleich, ob Covid-19, Grippe oder andere Infektionskrankheiten: Wenn über zwanzig Kinder in einem schlecht belüfteten Klassenraum sitzen, haben Viren, die auf dem Luftweg übertragen werden können, ein leichtes Spiel. Das gilt allerdings auch für Klassenzimmer, die bereits über ein Lüftungssystem verfügen. Denn in der Vergangenheit wurden fast ausschließlich Mischlüftungssysteme installiert, die mit der Coronavirus-Pandemie an ihre Grenzen gestoßen sind.
Selbst mit nachgerüsteten Schwebstofffiltern (H14, HEPA-Filter), wie sie auch in vielen Luftreinigern eingesetzt werden, verbleibt trotz des Virenabscheidegrads von bis zu 99,995 % beim Vorhandensein einer oder mehrerer Quellen (infizierte Person) schon nach kurzer Zeit eine erhebliche Konzentration virushaltiger Partikel / Aerosole in der Raumluft.
Denn nach dem Prinzip der Mischlüftung (auch: Verdünnungslüftung) konzipierte Lüftungssysteme bringen planmäßig die Luft im gesamten Raum stark und unkontrolliert in Bewegung. Das verteilt unweigerlich in der Luft verbliebene und neu eingebrachte Erreger im Raum. Das Infektionsrisiko für eine einzelne Person lässt sich dann analog zum örtlichen Verdünnungseffekt verringern, wobei oft (zur Vereinfachung) eine Gleichverteilung im Raum angenommen wird. In jedem Volumenanteil Luft befindet sich mit dieser Vereinfachung die gleiche Anzahl an Viren. Mehrere Veröffentlichungen auf der Basis einer simulierten Partikelverteilung haben jedoch gezeigt, dass dies insbesondere den Nahbereich um die Quelle nicht richtig abbildet.
Darüber hinaus sind HEPA-Filter teuer und müssen für den ordnungsgemäßen Betrieb von qualifiziertem Fachpersonal regelmäßig qualitätsgesichert erneuert werden.
Lufthoheit ist das oberste Ziel
Wenn sich eine Krankheit wie Covid-19 über Aerosole in der ausgeatmeten Luft verbreitet, kann das für die Lüftungstechnik nur bedeuten, dass die Atemluft möglichst so abgeführt werden muss, dass sie weder Sitznachbarn noch andere Personen im Raum erreicht.
Ein Kompromiss hierfür wäre eine konsequente Dauerlüftung, die durch die kontinuierliche und erhebliche Verdünnung der Raumluft mit Außenluft zu einer Reduzierung der Infektionsgefahr führen würde.
Das ist aber weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll: Einerseits reicht der Temperaturunterschied zwischen innen und außen als Antrieb zum Luftaustausch der klassischen Fensterlüftung mit gekippten Fenstern nicht bei jeder Wetterlage aus, um die benötigte hohe Luftwechselrate zu erzielen. Andererseits ist Unterricht bei dauerhaft voll geöffneten Fenstern spätestens im Winter nicht realisierbar.
Deshalb ist statt der horizontalen Querlüftung über Lösungen mit vertikaler Luftführung nachzudenken. Dabei wird schnell klar, dass eine Luftführung von oben nach unten den Grundsätzen der Thermik widerspricht und nur mit großem Aufwand möglich wäre.
Somit bleiben Systeme, die eine Luftführung von unten nach oben realisieren, um belastete Atemluft schnell vom Sitznachbarn weg nach oben zu führen und von dort aus nach außen zu leiten.
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Schichtlüftung in Industrie bewährt
Einen geeigneten Weg hierfür bietet die Schichtlüftung. Sie wird seit vielen Jahren in Industriebetrieben eingesetzt, wenn Mitarbeitende zu schützen und gesundheitsgefährdende Stoffe vom Arbeitsplatz abzuführen sind. Um eine Schichtlüftung auch in Klassenräumen zu realisieren, muss man ihre Wirkungsweise verstehen.
Ein typisches Einsatzgebiet für die Schichtlüftung sind Produktionshallen mit Dreh- und Fräszentren. Hier entstehen am Arbeitsplatz durch Schmier- und Kühlstoffe hohe Emissionen von Gefahrstoffen. Ohne entsprechende Lüftungstechnik würden die zulässigen MAK-Werte schnell überschritten werden.
In vielen Fällen realisieren Schichtlüftungssysteme das Einhalten der zulässigen MAK-Werte: Durch die prozessbedingt hohen Temperaturen der Maschinengehäuse gibt es einen starken thermischen Auftrieb (Quellluft-Prinzip). Durch die meist hohen Räume kann die mit Schadstoffen belastet Luft ohne zu verwirbeln aufsteigen und deckennah abgesaugt und anschließend gefiltert und kontrolliert nach außen abgeleitet werden.
Mischen impossible – Schichten erwünscht
Bei der Entwicklung einer innovativen Lüftungslösung für Schulklassen und Räume mit ähnlichem Nutzungsprofil, etwa Seminarräume, Büros und Wartebereiche, hat weisstechnik eng mit dem Lüftungsspezialisten Dr. Volkhard Nobis, Energy Systems Engineering, zusammengearbeitet.
Das Ziel der Zusammenarbeit war es, die thermodynamischen Vorgänge in Produktionshallen auf Schulklassen zu übertragen und daraus eine technische Lösung zu entwickeln. Das Ergebnis ist das Frischluft-Schichtlüftungsgerät Vindur LayVent. Es verbindet die Vorteile der Schichtlüftung mit 100 % Frischluftanteil und einer intelligenten Steuerung. Es ermöglicht, im Klassenraum eine stabile Schichtlüftung zu erzeugen, die auch in Zeiten der Coronavirus-Pandemie [in der Kombination mit anderen Maßnahmen, beispielsweise gegen ballistische Aerosole] einen sicheren Unterricht mit sehr geringem Infektionsrisiko erlaubt.
Nobis: „Mit der ‚Vindur LayVent‘-Technologie ist es gelungen, auch auf begrenzter Raumhöhe hervorragende Schichtungsqualitäten für voll- und teilbesetzte Räume zu erhalten. Querströmungen, Verwirbelungen und Raumluftwalzen werden, anders als bei der Mischlüftung, vermieden.“
Mit 100 % Außenluft bietet das Frischluft-Schichtlüftungsgerät einen wichtigen Zusatznutzen: Es sorgt für eine niedrige CO2-Konzentration in der Aufenthaltszone und hilft dadurch – auch nach dem Abklingen der Pandemie – die Aufmerksamkeit der Schüler dauerhaft zu erhalten, beziehungsweise zu steigern.
Geführte Luft in Klassenräumen
Kernidee von Vindur LayVent ist, die Körperwärme der Schüler zur Erzeugung der erforderlichen Konvektionsströmung zu nutzen. Ausgehend von der Wärme, die Schüler abgeben, und unter Verwendung luftfremder Stoffe als Versuchsersatzviren war dafür in aufwendig angelegten Versuchsreihen die optimale Quellluftzufuhr zu ermitteln.
Die Quellluftzufuhr muss einerseits ausreichend groß sein, um einen stetigen Auftrieb zu sichern, andererseits muss sie so gering wie möglich sein, um Verwirbelungen und Querströmungen zu vermeiden. Um das zu erreichen, wird bei Vindur LayVent Quellluft bodennah in den Klassenraum eingeleitet, sodass dort eine Frischluftschicht entsteht.
An den Schülern erwärmt steigt die Luft hoch und transportiert die ausgeatmete Atemluft inklusive luftgetragener Aerosole, Partikel und Viren in Richtung Decke. Dort – und das ist ein zentrales Unterscheidungskriterium zu anderen Schichtlüftungssystemen – wird die Luft abgesaugt und nach außen geleitet, ohne dass im Raum Verwirbelungen entstehen.
Mit diesem Verfahren ist es in Kombination mit dem bedarfsgeführten Luftwechsel möglich, die luftgetragene Virenlast in Klassenräumen nahezu vollständig zu eliminieren. Gleichzeitig zahlt sich ein weiterer Effekt der Schichtlüftung positiv aus: Bei der Auswertung des Konzentrationsprofils für das Ersatzvirus wurde deutlich, dass die verbleibende, minimale Restkonzentration mit der Raumhöhe ansteigt, sodass insbesondere sitzende Raumnutzer mit Vindur LayVent von einem hervorragenden Infektionsschutz profitieren.
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Bedarfsgerechte Abstimmung
Anders als beispielsweise manche Luftreiniger sind Schichtlüftungssysteme keine Plug-and-Play-Lösungen. Sie müssen zunächst genau auf den Raum und die Nutzung abgestimmt werden. Für ihre richtige Auslegung ist dabei zunächst die Raumgröße ein wichtiger Indikator. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, wieviel Personen sich darin aufhalten und was sie darin tun. Beispielsweise hat eine Grundschulklasse ein anderes Nutzungsprofil als eine Abendschulklasse.
Ist die Anlage richtig dimensioniert, ist innerhalb von 6 bis 10 min nach der Raumbelegung eine stabile Schichtlüftung hergestellt. Sitzen die Schüler ruhig, ist dies natürlich von Vorteil. Aber selbst wenn sich der Lehrer durch den Raum bewegt oder ein Schüler zur Tafel geht, werden die Luftschichten nur marginal gestört und es stellt sich schnell wieder ein stabiler Zustand ein.
Überwachungsfunktion
Technisch sind die Vindur-LayVent-Geräte einfach und robust aufgebaut. Sie bestehen aus einem Frischluftkanal mit Feinfilter und EC-Ventilator. Die an der Decke befindliche Absaugung ist mit einem Grobfilter und ebenfalls mit einem energieeffizienten EC-Ventilator ausgestattet. Die Wärmerückgewinnung erfolgt über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager.
Die Steuerung mit Touch-Bedienfeld intelli.4 ist in zwei Ausführungen erhältlich. In der Basis-Version gibt die Lehrkraft zum Unterrichtsbeginn die Anzahl der Personen im Raum manuell ein und die Elektronik berechnet die erforderliche Belüftung.
In der Premium-Version entfällt dieser Schritt und das System ermittelt die benötigten Luftmengen eigenständig über die im Raum freigesetzte CO2-Menge, was die Anzahl der Personen und ihren tatsächlichen Aktivitätslevel berücksichtigt. Da bei einer angenommenen Quellenstärke die Virusbelastung in der Raumluft mit dem CO2-Wert korreliert, kann LayVent die Systemleistung dynamisch anpassen und optimale Sicherheit bei minimiertem Energiebedarf realisieren.
In der Premium-Version bietet Vindur LayVent eine weitere Innovation: Die intelligente Steuerungs- und Regelungstechnik ermittelt und überwacht auch kontinuierlich die Schichtungsqualität. Den Raumnutzern wird über das Bedienfeld das Erreichen des erforderlichen Schutzes angezeigt, sodass sie wissen, wann die optimale Schichtung hergestellt ist.
Planung und Auslegung
Die Erfolgsformel für eine stabile Schichtlüftung ist das optimale Verhältnis von Temperatur und Volumenstrom bei geringstmöglichen Impulsen im Raum. Um Fremdeinflüsse zu erkennen und auszuschließen empfiehlt es sich, den zu belüftenden Raum zuvor einem Check zu unterziehen. Das Vindur-LayVent-System ist für 7 bis 15 Personen und eine Fläche von bis zu 60 m2 ausgelegt.
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Bei Bedarf können bis zu vier Geräte zusammengeschlossen und als Systemlösung für Räume von 28 bis 60 Personen und bis zu 240 m2 genutzt werden. Je nach Detaillierungsgrad der Planung können die thermodynamischen Besonderheiten von Fensterflächen, Heizkörpern und der Dämmstatus des Gebäudes berücksichtigt und über eine entsprechend angepasste Systemleistung ausgeglichen werden.
Darüber hinaus ist es über die intelligente Steuerung möglich, unterschiedliche Nutzungsprofile und Nutzergruppen des Raumes zu berücksichtigen. So kann der Raum beispielsweise morgens für den Schulunterricht optimiert belüftet und am Abend für die Erwachsenenbildung eingestellt werden.
CE-zertifiziert und VDI-6022-konform
Die hinter einer Verkleidung zu platzierenden Vindur-LayVent-Schichtlüftungsgeräte sind CE-zertifiziert und konform mit VDI 6022. Sie eignen sich für Neubauten ebenso wie für Sanierungen oder Umbauten von Klassenräumen. Dabei sind vorhandene Dämmungen unproblematisch. Zur Installation sind zwei Bohrungen in der Außenwand für die Zuführung der Außenluft und die Ableitung der belasteten Raumluft erforderlich.
Der integrierte Gegenstrom-Wärmeübertrager sorgt für eine sehr gute Wärmerückgewinnung mit einer Rückwärmezahl > 80 % (gemäß EU-Verordnung Nr. 1253/2014). Mit dem Geräte-Energielabel A werden die Bedingungen der ErP(Ökodesign)-Richtlinie und die Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes erfüllt.
Sind keine Personen im Raum, schaltet das System in der Premium-Version über die Bedarfsführung automatisch in einen Stand-by-Modus, der lediglich den Grundlüftungszustand erhält.
Vindur LayVent realisiert einen Luftvolumenstrom von 250 bis 1200 m3/h bei einem Schalldruckpegel von maximal 35 dB(A). Damit liegt es deutlich unter dem Geräuschpegel der meisten gängigen Lüftungssysteme.
Angesichts der attraktiven Bundesförderung1) und der zusätzlichen Möglichkeit, ein Vindur-LayVent-Lüftungssystem im Rahmen einer ohnehin geplanten energetischen Gebäudesanierung zu realisieren, ist jetzt für Schulen und Schulträger der ideale Zeitpunkt, sich für ein zukunftsweisendes Schichtlüftungssystem zu entscheiden.
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Richtlinie für die Bundesförderung Corona-gerechte stationäre raumlufttechnische Anlagen und Zu-/Abluftventilatoren vom 1. September 2021, BAnz AT vom 09. September 2021 B2, www.tga-fachplaner.dehttps://www.tga-fachplaner.de/tags/corona-rlt-richtlinie
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Schichtlüftungsgerät Vindur LayVent
