Lüften von Unterrichtsräumen optimiert

Forscher der THM stellen Konzept für einen Corona-sicheren Lehrbetrieb vor

Viel Aufmerksamkeit hat eine Untersuchung von Prof. Dr. Hans-Martin Seipp und Prof. Dr. Thomas Steffens, Fachbereich Life Science Engineering an der Technischen Hochschule Mittelhessen (THM), im vergangenen Herbst verursacht:[1] Medizinerinnen und Lehrer, Eltern und Behörden, Firmenvertreter wie Hobby-Bastler meldeten sich zu Wort, mit Kritik ebenso wie mit positiven Anregungen. Einige davon fanden Eingang in umfangreiche Ergänzungsuntersuchungen, die die anfänglichen Ergebnisse bestätigten: Klassenräume mit Abluftventilatoren zu stoßlüften entfernt demnach potenziell virenhaltige Aerosole deutlich effektiver als der dauerhaft lärmbelastende, mit hohen Folgekosten versehene Betrieb mobiler Luftreiniger. Diese sind zudem nicht in der Lage, ermüdendes CO2 zu entfernen und eine ausreichende Zufuhr von Sauerstoff zu ermöglichen.

Der Aufwand korrekten manuellen Lüftens jedoch ist im laufenden Unterricht verhältnismäßig hoch. Doch wie störungsarmes Lüften funktioniert, weiß Dr. Alfred Mennekes aus dem Münsterland, der mit einer Idee für eine günstige und wirksame Lüftungsanlage an die Professoren der THM herantrat. Sie untersuchten und optimieren die Strömungen und entwickelten eine Steuerung, nach deren Installation während des Unterrichts kein Ein- und Ausschalten mehr nötig ist. „Unser Ziel war es, die belastete Luft rasch aus den Räumen zu befördern, ohne dass im Winter einströmende, kalte Luft in Fensternähe zu Unbehaglichkeit führt“, so Seipp.

Dieses Ziel wird durch eine kolbenartige Durchströmung erreicht: Die frische Luft strömt an nur einem gekippten Fenster in den Raum ein und wird am weit-entferntesten Fenster durch einen Abluftventilator abgesaugt. „Dabei wirkt das Kippfenster wie eine Rampe oder Düse und wirft die beschleunigt einströmende Frischluft in einem Bogen an die Raumdecke, über die Köpfe der Schüler hinweg auf die gegenüberliegende Wandseite“, sagt Seipp. Die belastete Luft wird dadurch in der Raumbreite zum gegenüberliegenden, geräuscharmen Abluftventilator geführt. Zahlreiche Messungen in Schulen im Münsterland und in Seminarräumen der THM in Gießen haben gezeigt, dass die CO2-Last in üblichen Klassenräumen – etwa 55 Quadratmeter – in zwei bis drei Minuten um jeweils rund 50 Prozent reduziert wird.

Den CO2-Gehalt der Raumluft bezeichnet Steffens als guten Indikator für die Luftqualität, der anzeigt, dass nicht hinreichend gelüftet wurde. Ihn zu nutzen, könne dazu beitragen, eine potenzielle Corona-Virenlast in belasteter Raumluft zu reduzieren. Dass zu viel CO2 in der Raumluft die geistige Leistungsfähigkeit mindere, sei wissenschaftlich belegt. Daher nutzt das von Seipp und Steffens mit Mennekes entwickelte System den CO2-Wert als Regelgröße zur automatisierten Frischluftversorgung mit einem Fensterventilator. Manuelles Eingreifen wird dadurch unnötig. Während Frischluft einen CO2-Gehalt von etwa 400 ppm hat, stuft die Innenraumluftkommission des Umweltbundesamtes für Lehr- und Arbeitsräume Werte unter 1000 ppm als „hygienisch unbedenklich“ ein. Die Arbeitsstättenregel A3.6 schlägt vor, ab 1000 ppm den Außenluftvolumenstrom zu erhöhen und ab 2000 ppm, verstärkt zu lüften oder die Personenzahl im Raum zu reduzieren.

An diesen Größen orientiert sich das entwickelte System. Es aktiviert ab einer Raumluftkonzentration von 1000 ppm CO2 selbsttätig einen elektrischem Kipp-Fensteröffner und den installierten Abluftventilator. „Der von uns genutzte Ventilator schafft 4000 Kubikmeter in der Stunde“, sagt Seipp: „Das entspricht nach drei Minuten Laufzeit dem Wechsel des gesamten Luftvolumens eines üblichen Klassenraumes“. Marktübliche mobile Luftreiniger, die überhaupt kein CO2 entfernen, müssen mindestens 1200 Kubikmeter in der Stunde umwälzen, um im Raum überhaupt eine minimale Wirksamkeit im Umfeld einer Virenquelle zu erzeugen. Dabei werden die Personen im Raum über die gesamte Unterrichtszeit einem Dauerlärmpegel ausgesetzt, der bei Fensterventilatoren im Winterbetrieb nur wenige Minuten auftrete.

Auch lässt sich das System, je nach genutzter Automatisierungstechnik, an die unterschiedlichen Anforderungen im Sommer und Winterbetrieb anpassen. Im Winter werden die Kippfenster nur für die kurzen Intervalle der Stoßlüftung geöffnet. „In den Pilotklassen im Münsterland laufen die Abluftventilatoren während des Frühjahr- und Sommerbetrieb einfach durchgehend auf niedrigster Stufe“, weiß Seipp zu berichten – dabei werde keine Schallbelästigung mehr wahrgenommen. Inzwischen liegen den Beteiligten Erfahrungen aus mehr als 200 Klassenräumen im Münsterland (Legden / Kreis Borken) vor.

Abhängig von Automatisierungsgrad und gewähltem Ventilator entstehen für das Umrüsten von Klassenräumen Investitions- und Montagekosten von etwa 1500 bis 3500 Euro pro Klassenraum, so Prof. Dr. Hans-Martin Seipp. „Die sind zwar unverständlicherweise nicht förderfähig“, lägen damit jedoch weit unterhalb der Investitionen für förderfähige Anlagen, für die meist mehr als 12000 Euro zu veranschlagen seien. Als besonderen Vorteil ihres Fenster-Abluftventilatorsystems sehen die Forscher, dass keine Folgekosten für Filter oder spezielle UV-Leuchtmittel anfallen. Die Leistungsaufnahme des Ventilators von 0,12 bis 0,26 kW, gepaart mit sehr geringen Laufzeiten, sorge für minimale Betriebskosten. Auch ist keine Installation von Luftabsaugungen und -Leitungen an der Raumdecke erforderlich, wie dies für andere Lösungsansätze benötigt wird.

„Wir nutzen nur etablierte Industrietechnik“, sagt Steffens, die sei robuste, langlebige und kurzfristig gut verfügbare Massenware von vielen Anbietern. Damit spart das System Platz im Klassenraum und dient der Frischluft-Versorgung nachhaltig auch nach der Pandemie. „Es ist unstrittig, dass Schulgebäude zukünftig effiziente und an den Bedarf angepasste Lüftungstechnik benötigen“, sagt Prof. Seipp. In vielen Bestandsgebäuden aber sei diese „Brückentechnologie“ eine schnell verfügbare, verlässliche, effiziente und hinsichtlich des zunehmenden CO2-Problems nachhaltige Alternativlösung.

Foto: THM