Für Klassenräume ist der Einsatz einer Lüftungsanlage optimal

Am Institut für Verfahrenstechnik, Energietechnik und Klimaschutz (IVEK) der Hochschule Hannover (HsH) wurden neben anderen Luftsystemen eine Lüftungsanlage und ein Luftfilter der Firma Vallox vermessen und deren Wirkungen auf die Luftqualität ermittelt. Ergebnis: Optimal ist der Einsatz einer Lüftungsanlage mit CO2-Steuerung und Wärmerückgewinnung. Der Einsatz von Luftfiltern ist angezeigt, wenn eine automatisierte Lüftung nicht möglich oder keine regelmäßige Frischluftzufuhr gewährleistet ist. Erste Vergleichsrechnungen haben zudem ergeben, dass die Mehrkosten für die Installation von raumlufttechnischen Anlagen mit Wärmerückgewinnung gegenüber Raumluftfiltern mit Stoßlüftung sehr schnell durch die Einsparungen bei den laufenden Energiekosten eingeholt werden können.

Die Luftqualität in Klassen- und Seminarräumen wird insbesondere seit Beginn der Corona-Pandemie stark diskutiert. Lüftungsanlagen und Luftfilter sind nahezu täglich im Gespräch. Neben einer möglichen eingeschleppten Krankheitserregerlast durch Personen im Raum ist aber auch die Luftqualität durch zu geringen Luftaustausch und damit einer erhöhten CO2-Konzentration ein wichtiges und lange vernachlässigtes Thema. Die Folge des mangelhaften Luftaustausches ist klar belegt. Immer wieder werden Argumente wie hohe Anschaffungskosten, Geräteeffizienz und -wirkungsgrad ins Feld geführt, um pro oder contra der eingesetzten Anlagen zu argumentieren und das für und wider abzuwägen. Am Institut für Verfahrenstechnik, Energietechnik und Klimaschutz (IVEK) der Hochschule Hannover (HsH) wurden neben anderen Luftsystemen eine Lüftungsanlage und ein Luftfilter der Firma Vallox vermessen und deren Wirkungen auf die Luftqualität ermittelt. In dieser Veröffentlichung werden die Wirkungsweisen der Systeme der Firma Vallox in einer Musteranordnung gegenübergestellt und analysiert.

Versuchsanordnung und -bedingungen

In der Untersuchung werden zwei Typen von Lufttechnischen System gegenübergestellt.

Die Anlage vom Typ Vallox Aircare 1750 ist eine Luftreinigungsanlage mit einem dreistufigen Filtersystem inklusive Hepa-14 Filter (Abbildung 1).

Als raumlufttechnische Alternative wurde die deckenhängende Lüftungsanlage vom Typ Vallox Vario 650 CC als Zu- und Abluftgerät mit Wärmerückgewinnung eingesetzt (Abbildung 2).

Die Lüftungsanlage des Typs Vario 650 wurde in einem Vorlesungssaal der HsH als Deckengerät installiert.

Die Luftreinigungsanlage wurde in einem baugleichen Raum der Hochschule mit ähnlichen Nutzerbedingungen eingesetzt.

In Abhängigkeit von der Belegung werden zunächst der CO₂-Anteil der Luft sowie Temperatur und Feuchte ermittelt. Dazu wurden selbst konstruierte und programmierte Messstationen eingesetzt, die über den Raum verteilt positioniert wurden. Die Aufstellpositionen resultieren aus einer Raumanalyse, um die relevanten, kritischen Messpunkte zu ermitteln.

Die Messmodule sind mit einem Meter Abstand zur Wand und in 1 bis 1,5 Meter Höhe aufgestellt worden. Messungen wurden ohne Sonneneinfluss und nicht im Wirkungskreis von Heizsystemen und Zugluft durchgeführt (DIN EN ISO 1600-1 Abs. 8, 2006, S. 14). Es wurden in dem Raum 8 Messmodule verteilt aufgebaut.

Die folgenden Darstellungen der Messmodulpositionierungen sind nicht maßstabsgetreu, zeigen aber qualitativ den Messaufbau. Abbildung 3 zeigt den Messaufbau mit einem Luftreinigungsgerät, welches an der Rückwand eines Hörsaals angeordnet wurde.

Abbildung 4 zeigt den Messaufbau mit einer unter der Decke installierten Lüftungsanlage mit Außenluftanschluss und Wärmerückgewinnung. Die Lufteinlässe und Luftauslässe wurden der Belegungsanordnung angepasst.

Die Untersuchungen wurden bei unterschiedlichen Luftleistungen der Anlagen und verschiedenen Personen-Raumbelegungen durchgeführt. Die Räume haben eine Grundfläche von ca. 72 m² und ein Raumvolumen von ca. 183 m³. Vor jeder Messung wurde der Raum über Nacht nicht belegt und mit einer Stoßlüftung von 15 Minuten auf Außenluftbedingungen bezüglich des CO₂-Gehaltes gebracht. Da die Nutzerakzeptanz von Lüftungsgeräten auch in hohem Maße von der ausgehenden Geräuschkulisse abhängt wurden die Schalltechnischen Bedingungen ebenfalls berücksichtigt. Die Anlagen wurden jeweils auf einen Schalldruckpegel von ca. 40 dB eingeregelt.

Neue Auswertemethodik zur Optimierung im Feldeinsatz

Ein grundsätzliches Problem der anhaltenden Diskussionen um Lüftungsanlagen sind die hohen Kosten für die Anschaffung von zuverlässigen Aerosolmessgeräten, um in der Feldanwendung auch die Effizienz und Parametrierung der Anlagen in Bezug auf die jeweilige Raumorientierung und Raumnutzung zu ermitteln. Die erzielte Wirkung der jeweiligen Anlage kann nicht einfach gemessen werden, da die im Umlauf befindlichen Messgeräte für flächendeckende Messungen nicht zur Verfügung stehen. Daher wird an der Hochschule Hannover eine alternative Methode zur Ableitung entsprechender Aussagen erprobt. Dafür werden die Luftfeuchtigkeit und die CO₂-Entwicklung bzw. deren Veränderung in den ersten fünf Minuten einer Vorlesung gemessen und als sogenannte Impulsantwortmessung aufgenommen. Nach Ende der Vorlesung bzw. der Veranstaltung wird der jeweilige Raum gut gelüftet und der Versuch wiederholt. Aus den Ergebnissen lassen sich zuverlässige Rückschlüsse auf die Wirkungsweise und Effizienz der eingesetzten Anlagen schließen und eine optimale Betriebsweise für die Nutzer ableiten.

Viele Krankheitserreger werden über die Atemluft übertragen. Sie haften häufig an den ausgeatmeten Aerosolen (kleinen Feuchtigkeitströpfchen) an. Wird durch einen Luftreiniger der Krankheitserreger z.B. an einem Hepafilter bzw. Aktivkohlefilter abgeschieden, wird die Luft von den Krankheitserregern zu einem sehr hohen Prozentsatz gereinigt. Bei Lüftungsanlagen erfolgt die Reduzierung der Krankheitserreger durch den Luftaustausch im Raum.

Je nach Anlagentypus sind unterschiedliche Messgrößen für die Optimierung der Betriebsweisen notwendig. Bei Lüftungsanlagen ist für die Raumluftqualität hauptsächlich der CO₂-Gehalt der Luft ausschlaggebend. Die Aerosole und damit daran anhaftende Krankheitserreger werden durch den Luftaustausch automatisch und deutlich reduziert. Bei Luftreinigungsanlagen kann der wird der CO2-Gehalt der Luft nicht reduziert, wohl aber die Anzahl an Krankheitserregern. Geht man nun davon aus, dass die Krankheitserreger hauptsächlich an Aerosolen anhaften, und würde ein Luftreiniger Aerosole vollständig abscheiden, gibt es einen direkten Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit (erzeugt durch die Raumnutzer) und Krankheitserregerlevel. Da bei dem eingesetzten Luftreiniger nur in der Anfahrphase (Stoßartige Belastung des Raumes mit Nutzern, erste ca. 5 Minuten) eine kurzzeitige Reduzierung der Luftfeuchtigkeit hinter dem Gerät zu messen ist, können die Daten für eine Optimierungsbetrachtung nur aus dieser Anfahrphase herangezogen werden.

Für eine gesicherte Verwendung des methodischen Ansatzes sind noch umfangreiche weitere Messprogramme erforderlich. Die ersten Ergebnisse lassen aber ein großes Anwendungsfeld und eine einfache eigenverantwortliche Verwendung durch die Gerätenutzer zu. Referenzmessungen werden in den kommenden Wochen durch das IVEK der Hochschule Hannover durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

In Abhängigkeit von einem einheitlichen Schalldruckpegel in den Versuchsräumen von ca. 40 dB ergeben sich bei den jeweiligen Anlagentechniken unterschiedliche Luftmengen, die umgesetzt werden. Bei der Lüftungsanlage Vario 650 CC ergibt sich bei ca. 300 m³/h eine Luftwechselrate von 1,65. Die Luftreinigungsanlage Aircare 1750 kommt bei einem Schalldruckpegel von ca. 40 dB auf einen Luftdurchsatz von ca. 400 m³/h und damit einer Luftdurchsatzrate bezogen auf das Raumvolumen von 2,19.

In einer Referenzmessung wurden der CO₂-Anstieg und der Anstieg der relativen Feuchte in dem Versuchsraum ermittelt, ohne jeglichen Anlagenbetrieb oder Lüftungsaktivitäten. Dabei erfolgt der CO₂ Ausstoß nur durch eine Person. Die Messung ist als Vergleichsmessung wichtig, da hierüber das raumspezifische Verhalten ermittelt wird (Abbildung 5).

Exemplarisch sind für die Messungen der beiden Anlagentypen Messergebnisse in der Abbildung 6 und der Abbildung 7 aufgeführt. Am Ende jeder Rampe des CO₂-Messwertes findet eine Stoßlüftung statt.  Bei dem Luftreinigungsgerät sind mehrere Stoßlüftungen zur Einhaltung des gesetzten Grenzwertes von 800 ppm CO₂-Anteil in der Luft erforderlich. Bei der Lüftungsanlage ist nur eine Stoßlüftung notwendig. Anzumerken ist, dass die jeweiligen Geräte nur mit eingeschränkter Leistung gefahren werden, um bezüglich des Schalldruckpegels vergleichbar zu sein. Höhere Schalldruckpegel wurden von den Nutzern in den jeweiligen Versuchsräumen als störend empfunden und wären nur kurzzeitig zu akzeptieren.

Weiterhin ist die Lüftungsanlage als Deckenanlage in offener Ausführung aufgebaut. Bei einer Integration in die Deckenkonstruktion würde der Schalldruckpegel deutlich sinken und die Leistung der Anlage könnte verdoppelt werden, bei gleichbleibendem Schalldruckpegel. Schon bei einer geringen Anhebung der Leistung der Lüftungsanlage ist eine Stoßlüftung nicht mehr erforderlich.

Als spezifische Messergebnisse werden die auf das Gesamtvolumen des Versuchsraumes emittierten CO₂ Beladungen, die jeweils von einer Person emittiert werden (normierter Datenbezug), berechnet. So lassen sich verallgemeinerte Aussagen bezüglich der Effizienz und Wirkungsweise der Anlagen treffen (Tabelle 1).

Tabelle 1: Messung	CO2 Belastung pro Person
Ohne Anlage (1 Person)	1,44 ppm CO2/min.
VALLOX airCARE 1750 (1 Person)	0,92 ppm CO2/min.
VALLOX airCARE 1750 (Mehrere Personen)	1,62 ppm CO2/min.
VALLOX Vario 650 CC (Mehrere Personen)	0,37 ppm CO2/min.

Die besten Ergebnisse in den Versuchen erzielt aufgrund des Luftaustausches die Vallox Vario 650 CC mit 0,37 ppm CO₂/min. Die Vallox Aircare 1750 scheint bei einer geringen Personenzahl eine Reduzierung der CO₂ Belastung (0,92 ppm CO₂/min.) zu erzielen, kommt aber bei einer höheren Anzahl an Personen im Raum schnell an ihre Grenzen (1,62 ppm CO₂/min.). Die CO₂ Belastung in der Messung mit der Vallox Aircare 1750 und einer Belegung von 13 Personen war höher als die Belastung einer Person ohne Lüftungsgerät (1,44 ppm CO₂/min.).

Da die Luftreinigungsanlage keine CO₂ Ab- oder Adsorption beinhaltet ist zunächst eine Reduzierung der CO2-Konzentration im Raum durch den Anlagenbetrieb nicht möglich. Eine plausible Erklärung für diese niedrigen Messergebnisse kann zum einen in der guten Luftvermischung über alle Raumebenen liegen und zum anderen in der durch die technische Raumluftbewegung verbesserten Luftaustausch mit angrenzenden Gebäudeteilen.

Setzt man die Antwortreaktion der Luftfeuchtigkeitsveränderung im Raum bei der Reinigungsanlage in Bezug zu einer möglichen Krankheitserregerlast – in den Hepafiltern für die Sprungantwortfunktion kann eine Feuchtigkeitsaufnahme bis zur Gleichgewichtsfeuchte nachgewiesen werden – kann aus den Messergebnissen gefolgert werden, dass die Erregerlast in der gefilterten Luft deutlich reduziert ist.

Zusammenfassung

Raumlufttechnische Anlagen in Form von Luftreinigungsanlagen oder Lüftungsanlagen mit technisch bedingtem Luftwechsel und Wärmerückgewinnung stellen eine sinnvolle Alternative zu manuellem, ungeregeltem Lüftungsverhalten dar.

Aus vielen anerkannten Forschungsarbeiten, wie auch aus den Ergebnissen dieser Studie lässt sich schließen, dass der Einsatz einer Lüftungsanlage gegenüber dem Einsatz eines Luftfilters grundsätzlich zu präferieren ist. Der CO₂-Gehalt in der Luft kann durch Luftfilter wegen fehlenden Luftaustauschs nicht reduziert werden, eine Reduktion der Schadstofffracht ist aber sehr wohl möglich. Deshalb muss bei Luftreinigungsanlagen zusätzlich eine Stoßlüftung zur Gewährleistung eines ausreichenden Luftaustausches durchgeführt werden. Die Lüftungsanlage sorgt für einen gleichmäßigen, stetigen Luftaustausch und somit für einen geringen CO₂-Wert. Gleichzeitig werden Luftfeuchtigkeit und Temperatur reguliert. Aerosole werden nach außen getragen und die Luftqualität gesteigert. Optimal ist der Einsatz einer Lüftungsanlage mit CO₂-Steuerung und Wärmerückgewinnung. Ein permanenter Betrieb ist damit nicht erforderlich, Lärmemissionen werden minimiert. Insbesondere im Winter werden zusätzlich Wärmeverluste durch die Wärmerückgewinnung vermieden. Damit wird die zugeführte Frischluft vorgewärmt und der Luftzug wird verringert.

Der Einsatz von Luftfiltern ist angezeigt, wenn eine automatisierte Lüftung nicht möglich oder eine regelmäßige Frischluftzufuhr gewährleistet ist. Durch die Bindung von Aerosolen wird die Schadstoffbelastung minimiert. Ein Luftfilter sollte zusammen mit einer CO₂-Ampel in Lehr- und Lernräumen standardmäßig eingesetzt werden, um eine gute Luftqualität bezüglich der Sauerstoffversorgung durch Stoßlüftung zu gewährleisten. Der Nachteil von Luftfiltern ist die fehlende Wärmerückgewinnung. Durch das erforderliche regelmäßige, quasi unkontrollierte Lüften entstehen unerwünschte Wärmeverluste.

Erste Vergleichsrechnungen haben ergeben, dass die Mehrkosten für die Installation von Raumlufttechnischen Anlagen mit Wärmerückgewinnung gegenüber Raumluftfiltern mit Stoßlüftung sehr schnell durch die Einsparungen bei den laufenden Energiekosten eingeholt werden können.

Die ersten Analogierechnungen über die Sprungantworten von Feuchtedaten bei Luftreinigungsanlagen und Lüftungsanlagen zeigen sehr vielversprechende Möglichkeiten zur Optimierung der Betriebsparameter der Anlagen und damit zur Kosteneinsparung im Betrieb. Insbesondere die Reduzierung der Erregerlasten erfordern zur Verifizierung weiterer Vergleichsmessungen und zusätzlicher biotechnologischer Untersuchungen.