Wie verbreiten sich Aerosole in einem typischen Klassenzimmer, in dem eine Person das Coronavirus in sich trägt? Mit welchen lüftungstechnischen Maßnahmen kann die Aerosolkonzentration und damit das Ansteckungsrisiko minimiert werden? Eine Studie von Wolf mit Unterstützung der TU-Berlin zeigt, dass es trotz Fensterlüftung zu hohen Aerosolkonzentrationen im Klassenzimmer kommen kann.
Während einer Unterrichtstunde reichern sich trotz Lüftung über die Fenster potenziell infektiöse Aerosolpartikel in teils sehr hohen Konzentrationen in einem normal belegten Klassenraum an. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie von Wolf, einer der führenden Anbieter von Klima- und Lüftungstechnik in Europa, die mit Unterstützung des an der TU-Berlin angesiedelten Hermann-Rietschel-Instituts (HRI) durchgeführt wurde.
Untersucht: Übertragungswege und Verweilzeit des Virus
Das HRI forscht seit Jahren im Bereich des Ausbreitungsverhaltens luftgetragener Verunreinigungen in Innenräumen. Mit dem Ausbruch von Covid-19 wurden unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel mögliche Übertragungswege und die Verweilzeit des Virus unter verschiedenen Bedingungen untersucht.
Ausreichendes Stoßlüften beeinflusst Unterricht
Kriegel: „Luftgetragene Partikel breiten sich schnell im Raum aus und ihre Anzahl kann im Hinblick auf Fensterlüftung nur mit regelmäßiger Stoßlüftung effektiv reduziert werden. Dies würde bei angemessener Durchführung den Unterricht in mehrfacher Hinsicht beeinflussen.“
Partikelkonzentration: So lässt sie sich deutlich senken
Im direkten Vergleich zur alltagstypischen Variante der untersuchten Fensterlüftung kann dies durch ein Lüftungsgerät verhindert und gleichzeitig eine deutliche Senkung der Partikelkonzentration gegenüber gekipptem Fenster erzielt werden.
Aerosolausbreitung untersucht
Bild: Wolf GmbH
und Lüftungsgerät.
Konkret wurde das Ausbreitungsverhalten von Aerosolen in einem typischen Klassenzimmer (ca. 60 m2), an einem Vormittag im Sommer bei einer Außentemperatur von ca. 20 °C untersucht. In dem Raum befinden sich eine Lehrkraft und 24 Schüler, von denen eine Person das Coronavirus in sich trägt.
So wie es von führenden Wissenschaftlern empfohlen wird, sah die Simulation dauerhaft gekippte Fenster sowie nach 20 Minuten für 5 Minuten komplett geöffnete Fenster vor. Bei einer Emission von 50 Aerosolpartikeln pro Sekunde – verursacht allein durch Nasenatmung, beim Sprechen, Niesen und Husten sind deutlich höhere Werte anzunehmen – sind bereits nach 5 Minuten Partikel einer infizierten Person im gesamten Raum vorhanden.
In der Simulation wurde mit einem fiktiven Gas gerechnet, welches ideal der Luftbewegung folgt und somit die Ausbreitung luftgetragener Partikel (Aerosole) abbildet. Je weiter entfernt die Partikelemission von einem gekippten Fenster stattfindet, desto größer wird das kontaminierte Raumvolumen, welches mehr als 900 infizierte Partikel pro m3 beinhalten kann.
Stoßlüftung wirkt, aber nur kurzzeitig
Sobald alle Fenster komplett geöffnet werden, herrscht in den 5 Minuten zwar ein derart großer Luftwechsel (LW 15/h), dass die Partikelkonzentration bis unter 100 Partikel/m3 sinkt und somit das Ansteckungsrisiko auf ein Minimum reduziert wird.
Anschließend steigt die Partikelkonzentration allerdings wieder im selben Muster an. „Es zeigt sich, dass die Lüftung über gekippte Fenster nur einen geringen Luftaustausch zulässt und der Effekt komplett geöffneter Fenster effektiver ist“, erläutert Kriegel.
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Großer Einfluss der Randbedingungen
Bei den Ergebnissen dieser Simulation ist allerdings zu berücksichtigen, dass jegliche kleine Änderungen der Randbedingungen, z. B. Windstille, Jahreszeit oder geringe Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Raumtemperatur einen großen Einfluss auf den Verlauf der Partikelkonzentration haben, sodass auch höhere Belastungen möglich sind.
Zudem sind in einigen Klassenzimmern die Fenster vor allem in den oberen Stockwerken aus Sicherheitsgründen nicht ohne Aufsichtsperson vollständig zu öffnen.
Zum jetzigen Zeitpunkt gibt es noch keine gesicherten Erkenntnisse darüber, wie hoch genau die Konzentration an virushaltigen Partikeln sein muss, damit sich eine Person über die Atemwege ansteckt.
Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass das Infektionsrisiko mit der Partikelkonzentration proportional ansteigt.
Maschinelle Lüftung hat viele Vorteile
Die Studie erhob zudem Vergleichsdaten für einen mit einem RLT-Gerät von Wolf ausgestatteten Klassenraum unter gleichen Voraussetzungen, jedoch mit permanent geschlossenen Fenstern. Hierbei handelt es sich um ein Gerät, das sich mit relativ wenig Aufwand nachrüsten lässt.
In diesem Szenario wurden dem Raum durch das Lüftungsgerät 800 m3/h Frischluft über an der Decke angeordnete Ventile zugeführt und Raumluft kontinuierlich, zentral am Sockel des Lüftungsgeräts, abgeführt. Damit wird die Raumluft im Klassenzimmer (rechnerisch) 4,44-mal pro Stunde ausgetauscht (LW 4,44/h).
Die Lüftungsanlage sorgt durchgehend für eine gleichmäßige Erneuerung der Raumluft und für eine deutliche Reduzierung der Bereiche mit hoher Partikelkonzentration. Eine Störung des Unterrichts durch Stoßlüften und damit verbundene thermische Unbehaglichkeiten sowie das Einfliegen von Insekten durch geöffnete Fenster sind praktisch ausgeschlossen.
Hohe CO2-Konzentrationen …
Neben den Aerosolen betrachtete die Studie auch die Entwicklung der CO2-Konzentration sowie der Temperatur im Klassenraum innerhalb einer Unterrichtsstunde.
Während die Außenluft eine CO2-Konzentration von etwa 400 ppm aufweist, gelten Werte im Innenbereich bis zu 1000 ppm als unbedenklich. Bei höheren Konzentrationen nehmen jedoch Müdigkeit, Konzentrationsschwäche und Unwohlsein zu. Ab 2000 ppm beginnt der laut Umweltbundesamt hygienisch inakzeptable Bereich.
Für die Simulation wurde pro Person eine CO2-Abgabe von 0,016 m3/h angenommen. Während die kontinuierliche Frischluftzufuhr des Lüftungsgerätes den CO2-Gehalt innerhalb von 45 Minuten auf maximal 950 ppm steigen lässt, wurden in dem untersuchten Szenario der Fensterlüftung bis zu 1300 ppm festgestellt.
… hohe Raumtemperatur im Sommer …
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Durch die Personen, aber auch die Gegenstände im Raum, wurde eine dauerhaft anstehende Wärmelast von 2500 W berücksichtigt. Somit steigt auch die Temperatur trotz gekippter Fenster innerhalb kurzer Zeit auf bis zu 24 °C. Werden dann für 5 Minuten die Fenster komplett geöffnet, stellt sich für die fensternahen Positionen eine hohe Unbehaglichkeit (kalter Luftzug) gepaart mit gehinderter Sicht und eingeschränkter Akustik ein.
Bei gesteigerter Aktivität im Klassenzimmer oder erhöhter Außentemperatur kann dieser Wert deutlich ansteigen. In dieser Simulation wurde durch das Lüftungsgerät lediglich Frischluft mit Außentemperatur (20 °C) zugeführt, um die Temperatur angenehm konstant zu halten. Für eine aktive Temperierung der Zuluft kann ein RLT-Gerät auch mit Heiz- oder Kühlregister ausgestattet werden. Der Integrationsaufwand ist dann allerdings höher, er kann jedoch zeitlich versetzt zur Installation und Inbetriebnahme des RLT-Geräts erfolgen, weil die Lüftungsfunktion davon unabhängig ist (kurzzeitige Ausnahme eventuell bei Frostschutzbetrieb). In beiden Varianten kann der Klassenraum im Sommer nachts mit kühlerer Außenluft ohne Sicherheitsrisiken durch geöffnete Fenster „vorgekühlt“ werden.
… hohe Energiekosten im Winter
In den Herbst- und Wintermonaten stellt das Lüften die Schulen vor zusätzliche Herausforderungen. Während es bei warmen Außentemperaturen eher schwerfällt, die Innentemperatur auf das angenehme Maß von 20 °C zu senken, ist in kalten Monaten bei Fensterlüftung mit eingeschränkter Behaglichkeit zu rechnen. Außerdem ist ein starker Anstieg der Heizkosten bei erhöhtem Luftwechsel über die Fenster unvermeidbar.
Hier bieten Lüftungsgeräte ein hohes Energieeinsparpotenzial. Mit effizienter Wärmerückgewinnung bei einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % entstehen wirtschaftliche und ökologische Vorteile gegenüber der Fensterlüftung.
Luftreiniger lösen CO2-Problem nicht
Mobile Raumluftreiniger stehen als mögliche Alternative zur Diskussion. Diese filtern bzw. deaktivieren mit verschiedenen Technologien mögliche Viren im Umluftverfahren aus der Raumluft.
Ein (Um)Luftreiniger ersetzt allerdings weder die herkömmliche Fensterlüftung, noch nimmt das Gerät Einfluss auf die Qualität der Raumluft. Sowohl Temperatur, CO2-Konzentration als auch die relative Feuchtigkeit können auf diese Weise nicht reguliert oder positiv beeinflusst werden.
Bernhard Steppe, aus der Wolf-Geschäftsführung Vertrieb: „Die Studie belegt sehr deutlich, dass die erforderlichen Luftwechselraten, um insbesondere in der aktuellen Situation für eine hygienische Raumluft zu sorgen, mit der empfohlenen Fensterlüftung nur mit erhöhtem Aufwand und weiteren Einbußen umzusetzen ist.
Durch den Einsatz einer Lüftungsanlage, mit einem entsprechenden Luftaustausch, kann sowohl das CO2-Niveau als auch die Aerosolbelastung auf ein vernünftiges Maß reduziert werden. Solange die Forschung zu Covid-19 noch andauert, kann zusätzlich mit Stoßlüftung während der Stundenwechsel unterstützt werden.“
Ausreichende Lüftung ein Muss
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Die Notwendigkeit ausreichender Lüftung in Unterrichtsräumen war schon lange vor der Covid-19-Pandemie wissenschaftlich belegt. Je mehr frische Außenluft durch ein Lüftungsgerät oder die Fensterlüftung in den Raum strömt, desto besser wird das Raumklima. Meistens ist eine maschinelle Lüftung die einzige Lösung, um alle Kriterien einzuhalten. So konnte Wolf in den vergangenen zwölf Monaten bundesweit rund 300 Bildungseinrichtungen mit hochwertigen raumlufttechnischen Geräten ausrüsten.
Die Broschüre „Anforderungen an Lüftungskonzeptionen in Gebäuden. Teil I: Bildungseinrichtung“ mit Empfehlungen des Arbeitskreis Lüftung (AK Lüftung) am Umweltbundesamt (November 2017) hat folgende Kernbotschaften:
· Die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Innenraumluft von Unterrichtsräumen darf im Mittel einer Unterrichtseinheit eine Konzentration von 1000 ppm nicht überschreiten.
· Eine Lüftung über Fenster allein reicht zum Erreichen einer guten Innenraumluftqualität während des Unterrichts in Schulgebäuden nicht aus. Eine Konzeption bestehend aus Grundlüftung über mechanische Lüftungsanlagen und Zusatzlüftungsmöglichkeit über Fenster in den Pausen (hybride Lüftung) wird vom AK Lüftung dringend empfohlen.
· Für jedes Unterrichtsgebäude (Schulen, Kitas, Universitäten) ist ein Lüftungskonzept zu erstellen, das sowohl Aspekte für die Planung und Ausführung von Neubauten und Sanierungsarbeiten im Bestand als auch für den täglichen Betrieb umfasst.
· Lüftungskonzepte sind raumweise – unabhängig von der Lüftungsart (mechanische Lüftung oder über Fenster) – für den Sommer- und den Winterbetrieb getrennt zu erstellen.
· Lüftung muss funktional, bedarfsgerecht und wirtschaftlich (Investition und Betrieb) sein. Die Planung hierzu ist zwischen den beteiligten Fachplanern und -ingenieuren, Bauherrn und Nutzern abzustimmen.
· Die Lüftungssysteme sollen über Wärme- und Feuchterückgewinnung verfügen und bedarfsgerecht regelbar sein. Neben der CO2-Konzentration stellt die relative Feuchte der Luft ein weiteres Kriterium für gute bzw. angemessene Innenraumluftqualität dar. Sie soll vorzugsweise im Bereich zwischen 30 bis 60 % liegen.
· Eine sorgfältige Inbetriebnahme ist Voraussetzung für den Betrieb. Den Nutzern ist eine Einweisung in das jeweilige Lüftungskonzept mit klar verständlichen schriftlichen Handlungsempfehlungen zu übergeben.
· In Schulbestandsbauten, die nicht sogleich mit einer Lüftungstechnik versehen werden können, ist auch während einer Unterrichtseinheit eine Lüftung über die Fenster unbedingt erforderlich. Die Verwendung eines CO2-Sensors (Lüftungsampel) kann Hilfestellung geben, um eine Verbesserung der Fensterlüftung zu erreichen.
· In der Betriebsphase sind vorhandene technische Anlagen regelmäßig zu überprüfen und zu reinigen, um ihre ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit zu gewährleisten. Dazu gehört auch der Nachweis auf die Einhaltung des oben genannten CO2-Leitwertes unter realen Nutzungsbedingungen.
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Dieser Artikel ist eine Überarbeitung des Artikels „Partikelverbreitung in einem Klassenzimmer“, erschienen in 10-2020.
