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Luftqualität in Schulen

Einführung

Bereits im Protokollband zum Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Nr. 23 wurde auf die Notwendigkeit der kontrollierten Lüftung und die hohe Bedeutung für Raumluftqualität und Raumlufthygiene detailliert eingegangen [AKKP 23] . Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag damals auf der Wohnungslüftung. Betrachtet man Versammlungsräume, d.h. Räume mit besonders hoher Personenbelegungsdichte, so nimmt die Raumlufthygiene eine besonders hohe Priorität ein.

Die Notwendigkeit der kontrollierten Lüftung insbesondere in Versammlungsräumen wurde von Dr. David Boswell Reid (1805-1863) schon sehr früh erkannt. Im Rahmen des Wiederaufbaus des Londoner House of Commons (nach dem Brand von 1834) sorgte er dafür, dass im Boden des Versammlungsraumes Lüftungsöffnungen und in der Decke Steigleitungen für die kontrollierte Be- und Entlüftung vorgesehen wurden. Da zu dieser Zeit noch keine Ventilatorsysteme zur Verfügung standen, musste der Unterdruck über ein Feuer mittels Kaminzug erzeugt werden [Roberts 2003] .

Diese Zusammenhänge zwischen Belegungsdichte und Raumluftqualität wurden bereits vor über 140 Jahren vom Hygieniker Pettenkofer (1858) erkannt, er schlug schon damals das Kohlendioxid als Leitsubstanz für die Bewertung der Lufthygiene vor.

Über die Geruchs- und Botenstoffe aus Stoffwechselprodukten der Nutzer hinaus spielen auch Schadstoffe aus Baustoffen und Einrichtungen eine Rolle für die Raumluftqualität, welche allerdings nicht über CO2-Messung erfassbar sind.

In diesem Beitrag werden die Ergebnisse zahlreicher Studien und Untersuchungen aufgearbeitet, welche die dringende Notwendigkeit der kontrollierten Be- und Entlüftung insbesondere bei Schulräumen belegen. Gute Erfahrungen aus bereits über 10 Passivhausschulen zeigen, welch hohes Komfortniveau bei Zu- und Abluftanlagen mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung heute erreicht wird.

Belastungen der Raumluft

Die Belastungen der Raumluft in Schulen setzen sich im Wesentlichen aus den folgenden Bereichen zusammen:

  • Außenluftbelastung
  • Stoffwechselprodukte der Nutzer
  • Emissionen aus Baustoffen, Einrichtung und Arbeitsmitteln (Werken, Chemie)
  • Radonbelastung
  • Mikroorganismen (MVOC)

Auf die genannten Quellen der Raumluftbelastung sowie die Möglichkeiten für deren Minimierung insbesondere mit Hilfe einer kontrollierten Lüftung wird in den folgenden Abschnitten jeweils kurz eingegangen. Für eingehendere Beschäftigung mit dem Thema Innenraumlufthygiene sei z. B. auf [Moriske 2005] bzw. ergänzende Fachliteratur verwiesen.

Außenluftbelastung

Hinsichtlich der Außenluftbelastung sind die Hinweise der [VDI 6022] für die Anordnung der Außenluftansaugung zu beachten (Abstand zu Abfallsammelstellen, Parkplätzen etc., Ansaughöhe, Vermeidung von Rezirkulation).

Stoffwechselprodukte der Nutzer

Mit zunehmender Konzentration der stoffwechselbedingten Luftbeimengungen (CO2, Geruchs- und Botenstoffe, Feuchte) stellen sich Befindlichkeitsstörungen, wie z. B. Geruchsbelästigung und gegebenenfalls Konzentrationsstörungen ein. Da diese Befindlichkeitsstörungen nicht monokausal einer Substanz oder einer Stoffgruppe zuzuordnen sind, wird die CO2-Konzentration, welche relativ leicht und reproduzierbar messtechnisch zu erfassen ist, als Leitgröße für die durch menschliche Aktivität verursachte Luftbelastung herangezogen. Während Feuchtigkeit primär das Gebäude schädigt und erst sekundär, z. B. über Schimmelbildung zu einer Belastung der Menschen führen kann, wird CO2 nicht als direktes Schadgas angesehen. Pettenkofer schrieb schon 1858:

…der Kohlensäuregehalt allein macht die Luftverderbnis nicht aus, wir benutzen ihn bloß als Maßstab, wonach wir auch noch auf den größeren und geringeren Gehalt an anderen Stoffen schließen, welche zur Menge der ausgeschiedenen Kohlensäure sich proportional verhält[Pettenkofer 1858] .

Der im Hinblick auf eine toxikologische Vorsorge am Arbeitsplatz orientierte MAK-Wert von CO2 ist mit 5000 ppm (über 8 h) festgelegt. Es muss jedoch betont werden, dass die für gesunde, exponierte Arbeitnehmer ausgelegten MAK-Werte nicht für die Beurteilung der Luftqualität in Wohn- und Aufenthaltsräumen oder gar in Schulen anzuwenden sind.

Rein durch die CO2-Belastung bedingte gesundheitliche Auswirkungen sind ab Konzentrationen von 15.000 ppm beschrieben (siehe z. B. [EPA 2002] ). Untersuchungen zeigen jedoch [ECA 1992] , dass etwa 25 % der Probanden die Luftqualität schon bei einer CO2-Konzentration von 0,1 %, das entspricht 1000 ppm, als nicht befriedigend einstuften. Bei höheren Konzentrationen können vereinzelt Müdigkeit, Konzentrationsschwächen etc. auftreten [UBA 2000] . Für Arbeits- und Versammlungsräume, die über raumlufttechnische Anlagen verfügen, legt die [DIN 1946] , Teil 2 in ihren gesundheitstechnischen Anforderungen daher fest, dass der Luftaustausch so geregelt sein muss, dass die CO2-Konzentration in Gebäuden den hygienischen Höchstwert von 0,15 %, das entspricht 1500 ppm, nicht überschreitet.

Für Schulräume wurde vom Umweltbundesamt [UBA 2000] gefordert, dass der hygienische Richtwert von 0,15 Vol % (1500 ppm) nicht dauerhaft überschritten wird. Dies deckt sich in etwa mit den Vorgaben in anderen Ländern. In den USA setzt die ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) einen Richtwert für die CO2-Innenraumkonzentration von 0,1 % fest. Eine Übersicht der Grenzwerte in Richtlinien und Normen gibt die nachfolgende Tabelle (Tabelle 1).

ASHRAE1000 ppm
DIN 1946 Teil 21500 ppm
Entwurf DIN EN 15251 Juli 2005Maximale CO2-Konzentration über der Konzentration im Freien
Kategorie A 350 ppm
Kategorie B 500 ppm
Kategorie C 800 ppm
EN 13779CO2-Gehalt über dem Gehalt der Außenluft
RAL 1 ≤ 400 ppm
RAL 2: 400 - 600 ppm
RAL 3: 600 - 1000 ppm
RAL 4 > 1000 ppm

Tabelle 1: Übersicht der CO2-Grenzwerte und -Bereiche in Richtlinien und Normen

Emissionen aus Baustoffen, Oberflächen und Arbeitsmitteln im Innenraum

Bei Emissionen aus Baustoffen, Einrichtungsgegenständen und Arbeitsmitteln spielen im Wesentlichen folgende Stoffgruppen in Schulgebäuden eine Rolle:

  • Anorganische Gase: z. B. Ozon, CO2
  • Flüchtige organische Verbindungen (VOC Volatile Organic Compounds): z. B. Alkane, Aromate, Terpene etc.
  • Formaldehyd
  • Schwerflüchtige organische Verbindungen (SVOC Semi-Volatile Organic Compounds): z. B. PCB, Lindan

Auch hier gilt grundsätzlich das Vermeidungsprinzip. Zwar können die Schadstoffkonzentrationen durch ausreichenden Luftwechsel weitgehend reduziert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Vermeidbare Belastungen, wie z. B. aus gesundheitsschädlichen Holzschutz- oder Reinigungsmitteln sowie ausgasenden Fußbodenbelägen lassen sich durch gezielte Produktauswahl reduzieren. Bastelmaterialien (Farben, Lacke und Klebstoffe) z. B. für den Werkunterricht sollten ebenfalls hinsichtlich ihrer Schadstoffbelastung ausgewählt werden.

Dennoch wurden insbesondere auch im Neubaubereich immer wieder Fälle mit erhöhten Schadstoffkonzentrationen beobachtet. So wurden beispielsweise die PCBKonzentrationen im Rahmen des Erhebungs- und Messprogramms Oberösterreich [OÖ 2003] untersucht. In zwei der untersuchten Schulgebäude wurden sogar die in Deutschland gültigen Richtwerte II (Interventionswert nach Bundesgesundheitsamt 1997) für Pentachlorphenol (PCB) überschritten (siehe Abbildung 1). Die Raumluftkonzentrationen an Lindan lagen in allen untersuchten Räumen unter 0,1 μg/m³ und damit im unauffälligen Bereich.

Abbildung 1: PCB- und Lindanbelastung der Luft. Quelle: Erhebungs- und
Messprogramm Oberösterreich, 4/2003


In 11 der 49 untersuchten Räume (22 %) zeigten sich Gesamtkonzentrationen an VOC, die als deutlich erhöht zu bezeichnen sind. In diesen Räumen wurde der Wert überschritten, der in dauernd benutzten Räumen laut Vorgaben des deutschen Umweltbundesamtes nicht überschritten werden sollte“ ([OÖ 2003] , Seite 54).

Die Verteilung der VOC-Konzentration ist in Abbildung 2 als Übersicht dargestellt.

Als Empfehlung wird angegeben, die Verwendung lösungsmittelhaltiger Produkte bei Bau und Renovierung von Schulen nach Möglichkeit einzuschränken. Bei der Auswahl von Oberflächenbeschichtungen, Klebern und Bautenanstrichen wäre auf lösungsmittelarme, wasserverdünnbare Produkte zurückzugreifen und dies auch in der Ausschreibung zu erücksichtigen.

Abbildung 2: VOC-Belastung der Luft. Quelle: Erhebungs- und Messprogramm
Oberösterreich, 4/2003


Radonbelastung der Raumluft

Neben der Minimierung von chemischen Innenraumschadstoffen ist es ein umwelthygienisches Anliegen, krebserzeugende Substanzen, insbesondere die Radonbelastung in Schulräumen zu reduzieren, da die in Entwicklung stehende Lunge von Kindern als empfindlicher angesehen wird. Bei einer Untersuchung von 368 Schulen in Oberösterreich wurde der Richtwert der Österreichischen Strahlenschutzkommission (1993) mit einem Jahresdurchschnittswert der Rn-222-Aktivitätskonzentration von 400 Bq/m³ bei 64 Schulen überschritten.

Wie Abbildung 3 anhand von Messergebnissen eines Klassenraumes aus dem Messprogramm [OÖ 2003] zeigt, korreliert die CO2-Konzentration mit der Radonkonzentration in Zeiten bei Schulbelegung relativ gut, d.h. mangelhafter Luftwechsel bei Fensterlüftung geht in Risikogebieten häufig auch mit erhöhter Radonbelastung einher.

Abbildung 3: CO2 und Radon Belastung bei Fensterlüftung
Quelle: Erhebungs- und Messprogramm Oberösterreich, 4/2003


Mikroorganismen (MVOC)

Zu den Mikroorganismen zählen Schimmelpilze und Bakterien. Diese Organismen können biogene Allergene absondern und sind verantwortlich für eine Vielzahl von allergischen Erkrankungen. Schimmelpilze bilden Mycotoxine, welche für Haut- und Schleimhautreizungen sowie für Erkrankungen der Atemwege verantwortlich sind. Schimmelpilzwachstum wird durch erhöhte Feuchtigkeit im Raum begünstigt. Durch kontrollierte Lüftung kann dies wirksam vermieden werden, der durch Feuchtequellen (Personen, Topfpflanzen etc.) eingebrachte Wasserdampf wird zuverlässig abgeführt. Schimmelpilzwachstum kann bereits ab ca. 80 % relativer Feuchte an Oberflächen auftreten. Eine Gebäudehülle im Passivhausstandard sorgt für hohe Oberflächentemperaturen an Außenwandflächen und Bauteilen (Fenster etc.). Der Grundsatz des wärmebrückenfreien Konstruierens trägt wesentlich zur Schimmelpilzvermeidung bei.

Zum Wachstum benötigen Bakterien sehr feuchte Bedingungen. An der Luft überleben sie meist nur eine kurze Zeit. Jedoch sind sie in der Raumluft in geringen Konzentrationen vorhanden. Ideale Brutstätten für Bakterien sind Luftbefeuchter oder Räume, in denen eine höhere Luftfeuchte bedingt durch einen Wasserschaden vorliegt [MORISKE 2005] .

Passivhaus-Lüftungsanlagen sind keine Klimaanlagen, sie führen lediglich frische Außenluft über einen Wärmeübertrager, die Luft wird dadurch lediglich erwärmt. Die relative Luftfeuchte nimmt daher ab, Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen sind demnach innerhalb der Anlage nicht gegeben.

Bei Schulgebäuden wird die Lüftungsanlage üblicherweise intermittierend betrieben, d.h. die Anlage läuft im Wesentlichen während des Schulbetriebs, nicht aber nachts und am Wochenende bzw. in den Schulferien. Deshalb ist darauf zu achten die Außenluftfilter auch in den Stillstandszeiten möglichst trocken zu halten. An Außenluftfiltern sollte die relative Luftfeuchte bei Temperaturen über 0 °C nicht dauerhaft höher als 80 % sein [VDI 6022] .

Eine Taupunktsunterschreitung im Bereich der Luftfilter - insbesondere bei Stillstand der Anlage - ist auf jeden Fall zu verhindern.

Als Möglichkeit zur Filtertrocknung in Schulgebäuden bietet sich der Umluftbetrieb mittels Zu- bzw. Abluftrückführung an. Die Zuluftrückführung ist aus hygienischer Sicht zu bevorzugen. Durch Schließen der Außenluftklappe wird der Außenluftfilter vor (konvektiv) einströmender Außenluft in den Stillstandszeiten geschützt, der Filter sollte immer innerhalb des warmen Gebäudebereichs angeordnet werden. Ansonsten ist eine Beheizung der Filterkammer notwendig.

Abbildung 4: Zuluftrückführung zur Filter-
trocknung, Lüftungszentralgerät der Grund-
schule Frankfurt Riedberg


Abbildung 5: Einfachste Form der Filtertrocknung durch Umluftbetrieb
(Quelle: Menerga)



Zuluftrückführung über Ansaugung aus dem
Aufstellraum, Nachströmung über Überström-
öffnung in den Aufstellraum

Zuluftrückführung, Aufstellraum wirkt als „offener
Kanal“

Zuluftrückführung über Bypass zwischen Zu- und
Außenluft

Umluft über Bypass zwischen Abluft und Außenluft
Abbildung 6: Möglichkeiten der Filtertrocknung durch Umluftbetrieb mittels Zu- bzw. Abluftrückführung


Weiterhin ist die Durchfeuchtung von Luftfiltern durch Ansaugen von Flugschnee oder Regentropfen zu vermeiden. Dies lässt sich wirksam mittels Tropfenabscheidern vor dem Filter erreichen.

Die Ansaughöhe von 3 Metern über Grund sorgt dafür, dass die Außenluft außerhalb der Vegetationszone angesaugt wird. Dies trägt dazu bei, die angesaugte Mikroorganismen- und Sporenkonzentration möglichst gering zu halten.

Zusammenfassung zu Raumluftbelastungen in Schulgebäuden und deren Vermeidung bzw. Minimierung

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich Belastungen in der Raumluft von Klassenräumen aus unterschiedlichen, aber nur zum Teil vermeidbaren Quellen zusammensetzen. Nur durch ausreichende Be- und Entlüftung können Befindlichkeitsstörungen bis hin zu chronischen Krankheitserscheinungen vermieden werden.

Passivhaus-Lüftungsanlagen stellen keine Klimaanlagen mit entsprechenden Feuchtbereichen wie Luftbefeuchter oder Kühler dar. Hinsichtlich der Raumlufthygiene muss allerdings auf Filterhygiene (Filterwechsel mindestens einmal jährlich, Filtertrocknung in den Stillstandszeiten) sowie regelmäßige Inspektion und Reinigung der Kondensatwanne geachtet werden.

Neben dem Vermeidungsprinzip, also der gezielten Auswahl von Baustoffen, Einrichtungsgegenständen und Arbeitsmitteln, stellt das geeignete Lüftungskonzept die wichtigste Maßnahme für die Sicherstellung der Innenraumlufthygiene dar. Auf letztere wird im nachfolgenden Abschnitt detaillierter eingegangen.

Lüftungskonzepte in Schulen

Randbedingungen und Auslegungsgrößen

Die in Schulen eingesetzten Lüftungskonzepte gliedern sich im Wesentlichen in folgende Gruppen:

  • Fensterlüftung (manuell bzw. teilweise automatisch)
  • Querlüftung natürlich bzw. mech. gestützt
  • Zentrale mechanische Lüftung
  • Dezentrale mechanische Lüftung

Bei der Überlegung zu geeigneten Lüftungskonzepten in Schulen und der damit verbundenen Auswirkung auf die Raumluftqualität in den Klassenräumen spielt die besonders hohe Belegungsdichte im Vergleich zu Wohn- und Bürogebäuden eine wesentliche Rolle.

Die Maximalbelegung der Unterrichtsräume in Deutschland liegt bei 0,66 Personen/m², die Ö-Norm EN 13779 begrenzt die Belegung auf 0,4 Personen/m² Klassenraum. Vergleicht man diese Situation mit Bürogebäuden, so liegt man hier bei 0,1-0,2 Arbeitsplätzen pro Quadratmeter Bürofläche.

Die hohe Belegungsdichte macht entsprechend hohe Außenluftvolumenströme notwendig, welche aber nur zeitweise innerhalb relativ geringer Nutzungszeiten erforderlich sind (ca. 5-7 Stunden an Schultagen). Während der Urlaubs- und Wochenendzeiten sind praktisch keine internen Lasten durch Personen zu erwarten, andererseits fallen auch in diesen Zeiten Grundbelastungen der Raumluft z. B. aus Einrichtungen und Fußbodenbelägen an, welche sich über die Zeit anreichern können. Vor Schulbeginn ist daher eine ausreichend lange Spülphase einzuhalten, wenn Lüftungsanlagen außerhalb des regulären Schulbetriebes abgeschaltet werden (Spülzeit bei zweifachem Luftwechsel ca. eine Stunde (DIN EN 15251 [prEN 15251] , Juli 2005), nach dem Wochenende ca. 2 h).

Die CO2-Abgabe des Menschen hängt von Körpergröße, Alter, Geschlecht und Aktivität ab und liegt bei Schülern etwa bei 10 bis 15 l/h, bei Erwachsenen ca. bei 20 l/h. In Tabelle 2 sind die Auslegungsgrößen für durchschnittliche Klassenräume angegeben, der notwendige Luftaustausch beträgt demnach 2 bis 3 Luftwechsel pro Stunde. Der Luftwechsel bei einseitig gekippten Fenstern beträgt aber nur ca. 0,5 bis 1,5 1/h. Betreibt man regelmäßige Stoßlüftung über 5 Minuten in den Pausen, so erreicht man nur 200 bis 400 m³/h, das ist nicht einmal bei geringen Klassenstärken ausreichend. Schon diese einfache überschlägige Berechnung zeigt, dass Fensterlüftung keine geeignete Lüftungsstrategie für Klassenräume darstellt. Dies bestätigen auch die im nachfolgenden Abschnitt dargestellten Messergebnisse.

Auslegungsgröße
CO2-Emission pro Schüler10 – 15 l/h, je nach Alter und Aktivität
CO2-Emission pro Lehrerca. 20 l/h
Frischluftbedarf pro Schüler
(allein aufgrund von Stoffwechselprodukten)
12 bis 19 m³/h
Frischluftbedarf pro Lehrer
(allein aufgrund von Stoffwechselprodukten)
25 m³/h
Frischluftbedarf pro Schüler inkl.
Abtransport sonstiger Schadstoffe
15 m³/h für bis 10-jährige, 20 m³/h für über 10-jährige
Frischluftbedarf pro Lehrer inkl.
Abtransport sonstiger Schadstoffe
30 m³/h
Frischluftbedarf bei Klasse
mit 25 Schülern + Lehrer
405 bis 530 m³/h
Frischluftbedarf bei Klasse
mit 30 Schülern + Lehrer
480 bis 630 m³/h
Übliches Klassenraumvolumenca. 200 m³
Luftwechselrate erforderlich2 bis 3 1/h

Tabelle 2: Auslegungsgrößen für den Frischluftbedarf in Klassenräumen. Die Werte können noch
etwas reduziert werden, wenn man annimmt, dass die Schüler in den Pausen (ca. 13 % der
Unterrichtszeit) nicht in den Klassenräumen verweilen bzw. einzelne Stunden in Facharbeits-
räumen (Musik, Sport etc.) verbringen (ca. 20 % der Unterrichtszeit).


Wie Versuche in österreichischen Schulen mit der sogenannten „Lüftungsampel“ (CO2-Messung mit Hinweisen für die Nutzer), also der sogenannten „motivierten Lüftung“ gezeigt haben, lässt sich die Situation zwar verbessern, die Fensterlüftung bringt aber dennoch keine Lösung des Problems. Die Antriebskräfte der freien Lüftung, also Windkräfte sowie Dichteunterschiede aufgrund von Temperaturdifferenzen stehen nicht immer zur Verfügung und sind häufig nicht an den Bedarf angepasst. In den Wintermonaten wird die Behaglichkeit in den Klassenräumen durch die Fensterlüftung zum Teil erheblich eingeschränkt, Zuglufterscheinungen und Temperaturabsenkungen schränken die Akzeptanz der Fensterlüftung ein. In den Sommermonaten kann die Fensterlüftung aber gezielt zur Einhaltung akzeptabler Raumtemperaturen eingesetzt werden (Nachtlüftung). Wesentlich effizienter als die einseitige Fensterlüftung ist eine Querlüftung, diese setzt aber darauf zugeschnittene bauliche Gegebenheiten voraus.

Mechanische Lüftungsanlagen ermöglichen dagegen gezielt zeit- und bedarfsgeführt den aus raumlufthygienischer Sicht notwendigen Außenluftvolumenstrom in die Klassenräume zu fördern. Dies ist sowohl bei zentralen wie auch bei dezentralen Lösungen möglich. Hocheffiziente Passivhaus-Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung ermöglichen darüber hinaus sogar ohne Nacherwärmung die Zuluft ohne Gefahr von Zugerscheinungen in den Aufenthaltsbereich zu fördern. Bei entsprechender Qualität der Gebäudehülle kann die Luft auch zur Verteilung der Heizwärme genutzt werden (vgl. den Beitrag von Oliver Kah in diesem Protokollband).

Erfahrungen und Messergebnisse zur Raumluftqualität in Schulen bei unterschiedlichen Lüftungskonzepten

Fensterlüftung

Wie bereits erwähnt, sind die über Fensterlüftung erreichbaren Luftwechsel von Außentemperatur und Windgeschwindigkeit abhängig, entsprechend fallen die Werte in den Sommermonaten deutlich geringer aus. Dies zeigen auch die Messergebnisse aus [OÖ 2003] (siehe Abbildung 7). Die gemessenen Luftwechselraten bei gekipptem Fenster lagen bei lediglich rund 1,0 1/h, im Winter sogar unter 1 1/h.

Die Messwerte bei unterschiedlicher Art der Fensterlüftung in den Pausen zwischen den Unterrichtsstunden sind in Abbildung 8 aufgelistet. Die personenbezogenen Zuluftvolumenströme sind dabei in allen Fällen zu gering.

Abbildung 7: Luftwechselraten bei Fensterlüftung.
Quelle: Erhebungs- und Messprogramm Oberösterreich, 4/2003


Abbildung 8: Personenbezogene Luftwechselraten bei Fensterlüftung, Messergebnisse.
Quelle: Erhebungs- und Messprogramm Oberösterreich, 4/2003


Der zeitliche Anstieg der CO2-Konzentration im Klassenraum erfolgt nicht sprunghaft, sondern allmählich. Aufgrund der kontinuierlichen Verschlechterung der Raumluftqualität wird die Situation von den Nutzern häufig gar nicht wahrgenommen. Abhilfe soll hier die sogenannte „motivierte“ Fensterlüftung schaffen. Hierbei wird die Raumluftqualität mittels Warnlämpchen an einer sogenannten „Lüftungsampel“ (CO2-Messgerät mit Schaltausgang für Signallämpchen) visualisiert und die Nutzer werden so auf rechtzeitiges Lüften hingewiesen.

Abbildung 9: Messergebnisse bei Fensterlüftung (Bundesgymnasium Dornbirn).
Quelle: Muss, 2004 [Muss 2004]


Wie in Abbildung 9 dargestellt, verbessert sich die Situation gegenüber der „normalen“ Fensterlüftung, bei welcher am Ende der Schulstunde regelmäßig eine Überschreitung von 2000 ppm CO2 festgestellt werden konnte. Dennoch ist auch bei der „motivierten“ Fensterlüftung der Grenzwert von 1500 ppm nicht einzuhalten.

Im Winter stößt die Fensterlüftung bei geringen Außenlufttemperaturen darüber hinaus häufig auf Akzeptanzprobleme, es stellt sich damit auch die Frage, inwieweit die „motivierte“ Fensterlüftung auch auf Dauer zu einer Verbesserung führt.

Abbildung 10: Volksschule Riedlingsdorf, Bj. 1972


Wie die Auswertung der Messergebnisse an der Volksschule Riedlingsdorf (A) im Schuljahr 2003/2004 zeigt, wurde der Grenzwert von 1500 ppm in bis zu 66 % der Unterrichtszeit überschritten. Diese Auswertung zeigt auch, dass insbesondere in den Wintermonaten von der Fensterlüftung durch die Nutzer nur eingeschränkt gebrauch gemacht wird. Dies hat je nach Belegungsdichte oft unakzeptable Raumluftqualität zur Folge.

Abbildung 11: Messergebnisse bei Fensterlüftung (Volksschule Riedlingsdorf,
Bj. 1972) Quelle: [Muss 2004]


Daraufhin wurde eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung für den Klassenraum installiert. Die Luftmenge pro Schüler betrug dann ca. 16 m³/h. Der CO2-Gehalt lag daraufhin nie über dem Richtwert von 1500 ppm, Maximalwerte von 1300 ppm traten auf, die Grenze der Luftfeuchte von 60 % wurde nicht unterschritten.

Eindeutige Aussagen zur Lüftung in Schulgebäuden werden auch aus den Messergebnissen und Untersuchungen des Forschungsprojektes [ISOTEG 2000] vom Bayerischen Zentrum für angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) abgeleitet: „Reine Fensterlüftung in Klassenräumen ist unzureichend. Nach den Erfahrungen des Projektes ist die Installation von Lüftungsanlagen in Klassenräumen somit aus hygienischer und psychologischer Sicht empfehlenswert“. Dabei wurden nicht nur Ergebnisse der Raumluftqualitätsmessung (Mikrobiologie der Universität Würzburg) sondern auch die von den Schülern ausgefüllten Fragebögen (vom Psychologischen Institut der Universität Augsburg) ausgewertet.

Der Zusammenhang zwischen der Konzentrationsfähigkeit der Schüler und der Raumluftqualität wurde darüber hinaus in der Studie von [Myhrvold, Olsen] an statistisch relevanten Kontrollgruppen durchgeführt.

Ähnliche Ergebnisse zeigen auch die Untersuchungen aus dem Nidersächsischen Schulmessprogramm, welches vom Niedersächsischen Landesgesundheitsamt durchgeführt wurde ([Grams 2004] ). Dabei wurden insgesamt 7 niedersächsische Schulen mit Schwerpunkt im Raum Hannover mit und ohne Lüftungsanlage ausgewertet. Dabei wurde die Überschreitungshäufigkeit des DIN-Grenzwertes von 1500 ppm bei fenstergelüfteten Klassenräumen im Sommer zu 32 %, im Winter zu 89 % der Unterrichtszeit bestimmt. Bei den Messungen in Seminarräumen mit kontrollierter Lüftung wurden dagegen keine Überschreitungen festgestellt. Der Zeitverlauf der gemessenen CO2-Konzentration ohne bzw. mit kontrollierter Lüftung ist exemplarisch in Abbildung 12 und Abbildung 13 dargestellt.

Untersuchungsreihe des Niedersächsischen Landesgesundheitsamtes (Schulen
in Hannover). Quelle: Niedersächsisches Landesgesundheitsamt


Abbildung 13: Messergebnisse der CO2-Konzentration in einem Seminarraum
mit kontrollierter Lüftung, Untersuchungsreihe des Niedersächsischen
Landesgesundheitsamtes (Schulen in Hannover).
Quelle: Niedersächsisches Landesgesundheitsamt


Die positiven Erfahrungen mit der Raumluftqualität in Schulräumen mit kontrollierter Lüftung drücken sich auch in den Rückmeldungen der Lehrkräfte und Schüler aus. Treten dennoch Probleme mit Geruchsbelastungen auf, so sind diese häufig auf eine falsche Anordnung der Außenluftansaugung zurückzuführen. So wurde beispielsweise in der Volksschule Hermagor eine Kurzschlusströmung zwischen Außenluftansaugung und Fortluftauslass festgestellt [Heiduk 2005] .

Abbildung 14: Volksschule Hermagor Kurzschlussströmung
Quelle: Heiduck, FH Technikum Kärnten


Messergebnisse aus Passivhaus-Schulen

Passivhaus-Schule Waldshut

Abbildung 15: Passivhaus Schule Waldshut


Das Passivhaus Schulgebäude in Waldshut wird mit einer zentralen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung versorgt. Der Auslegungsvolumenstrom betrug hier 20 m³/h pro Schüler. Abbildung 16 zeigt einen exemplarischen Tagesverlauf der CO2-Messwerte in einem Klassenraum. Als Extremwerte werden gerade 1500 ppm erreicht. Die Belegungsdichte der Klassenräume wurde mit 30 Schülern bei einem durchschnittlichen Raumvolumen von 200 bis 250 m³ angenommen.

Abbildung 16: Messergebnisse bei mechanischer Lüftung


Passivhaus Anbau Realschule und Gymnasium Mölln

Abbildung 17: Passivhaus Anbau Realschule Mölln


Das Gebäude stellt einen Passivhaus-Anbau (Erweiterungsgebäude) an ein bestehendes Schulgebäude dar [Kaupert 2003] . Im Altbau wird ausschließlich über Fenster gelüftet. Im Passivhaus Schulgebäude ist eine zentrale Lüftungsanlage mit 1800 m³/h im Flur des Erdgeschosses für insgesamt 6 Klassenräume installiert. Der Volumenstrom ist mit ca. 10 m³/h pro Schüler relativ gering nur als Unterstützung während der Unterrichtsstunden ausgelegt. Diese sollte über Stoßlüftung in den Pausen ergänzt werden. Wie sich in der Praxis jedoch herausgestellt hat, unterbleibt diese insbesondere in den Wintermonaten häufig aus Behaglichkeitsgründen.

Im Rahmen eines von der Energiestiftung Schleswig-Holstein geförderten Messprogramms wurde in 2 Klassenräumen (Süd, West) unter anderem auch die CO2-Konzentration gemessen. Zum Vergleich dienen die bereits in den Klassenräumen des angrenzenden Schulgebäudes mit reiner Fensterlüftung durchgeführten Messungen. Diese zeigen, dass die 1500 ppm-Grenze deutlich überschritten wird. Es wurden Werte bis 4000 ppm gemessen.

Im Erweiterungsbau wurden verschiedene Lüftungsstrategien ausprobiert. Die Messergebnisse zeigten, dass der durch mechanische Grundlüftung erreichte Luftwechsel von 1,7 1/h ohne zusätzliche Fensterlüftung nicht ausreichte. Erst durch Stoßlüftung in den Pausen konnte die 1500 ppm-Grenze unterschritten werden.

Abbildung 18: Lüftungsschema, Grundriss EG
mit zentraler Lüftungsanlage für insgesamt 6
Klassenräume


Abbildung 19: CO2-Konzentration bei reiner Fensterlüftung im alten Gebäude
des Gymnasiums Mölln. Quelle: Kaplus-Ingenieurbüro Vollert


Abbildung 20: CO2-Konzentration bei mechanischer Lüftung und ergänzender
Fensterlüftung, Passivhaus-Anbau Gymnasium Mölln.
Quelle: Kaplus-Ingenieurbüro Vollert


Passivhaus Schule Frankfurt a. M. (Riedberg)

Abbildung 21: Passivhaus-Schule Frankfurt-Riedberg


Das Passivhaus-Schulgebäude mit angegliederter KiTa in Frankfurt a.M. (am Riedberg) wird vollständig mittels kontrollierter Lüftung mit Wärmerückgewinnung beund entlüftet.

Im Rahmen eines von der DBU geförderten Messprogramms werden neben zahlreichen anderen Messgrößen in 4 Klassenräumen folgende Größen der Raumluft gemessen:

  • Raumlufttemperatur
  • Raumluftfeuchte
  • CO2
  • VOC

Da das Schulgebäude erst Ende 2004 fertiggestellt wurde, sind noch nicht alle Klassenräume belegt. Die vorgestellten Messergebnisse sind erst vorläufig, eine Auswertung der Messergebnisse erfolgt erst nach dem Schuljahr 2005/2006. Dennoch geben die Messungen bereits einen ersten Eindruck zur Raumluftqualität.

Bei dem hier exemplarisch vorgestellten Klassenraum handelt es sich um eine Grundschulklasse mit 22 Schülern. Die Unterrichtszeit beträgt nur vier Schulstunden, von 8:00 Uhr bis 11:30 Uhr. Abbildung 22 zeigt das Wochenprogramm der GLT, welches für die Steuerung der Lüftungsanlage verantwortlich ist. Die Spülzeiten, also die Vorlaufzeit der Lüftungsanlage beträgt eine Stunde mit Ausnahme des Montags, hier wird zwei Stunden vor Schulbeginn die Anlage in Betrieb genommen, um etwaige Schadstoffanreicherungen vom Wochenende ausreichend abführen zu können. Der Abschaltzeitpunkt der Anlage wird entsprechend dem jeweiligen Stundenplan angepasst, in diesem Beispiel mit Schulschluss 13:00.

Abbildung 22: Wochenprogramm der GLT


Abbildung 23: CO2-Konzentration der Raumluft (Vorläufige Messergebnisse)


Der gemessene CO2-Konzentrationsverlauf zeigt einen entsprechenden Abfall am Ende der Schulstunden. Die tatsächlich jeweils im Klassenraum anwesende Personenzahl war nicht bekannt, die normale Belegung beträgt 22 Schüler und ein Lehrer. Ob die Schüler in den Pausen den Raum vollständig verlassen haben ist ebenfalls unklar. Nach Schulende verläuft der Gradient der CO2-Konzentration relativ flach, mit einem ca. 30-minütigen Nachlauf hätte man die CO2-Konzentration bereits in den Nachmittagsstunden fast wieder auf Außenluft-Konzentration gebracht. Es bleibt zu untersuchen, ob eine solche „Nachspülzeit“ vorteilhaft bzw. ratsam ist. Für eventuelle Nutzungen einzelner Klassenräume in den Nachmittagsstunden wäre es sicherlich mit erhöhter Raumluftqualität verbunden. Unstrittig ist allerdings, dass eine Vorspülzeit notwendig ist, um Raumluftbelastungen abzuführen, welche sich während der Stillstandszeit der Lüftungsanlage in der Raumluft angereichert haben. Dies geht schon aus den ersten Ergebnissen der VOC-Messung hervor: In den Nachmittags- bzw. Nachtstunden verhalten sich CO2-und VOC-Konzentration gegenläufig. Während die CO2-Werte aufgrund der fehlenden Quelle (Abwesenheit der Schüler) fällt, steigen die VOC-Wert an, weil sich die Luftwechselrate auf die natürliche Infiltration beschränkt. Nur durch eine Spülphase vor Schulbeginn lässt sich die VOC-Konzentration schon in der ersten Schulstunde auf vernachlässigbar geringe Werte senken.

Zusammenfassung

Subjektive Erfahrungen zeigen ebenso wie die Ergebnisse umfangreicher Messkampagnen in Klassenräumen mit Fensterlüftung häufig unzureichende Raumluftqualität. Diese kann sich in Konzentrationsschwäche und Befindlichkeitsstörungen, aber auch bis hin zu chronischen Erkrankungen auswirken. Der Grund liegt in der unzureichenden Belüftung bei hoher Belegungsdichte. Die Antriebskräfte (Windgeschwindigkeit und Temperaturdifferenz) reichen häufig nicht einmal für den hygienischen Mindestluftwechsel. Versuche der „motivierten“ Fensterlüftung helfen zwar zeitweise die Situation etwas zu verbessern, lösen aber das prinzipielle Problem nicht.

Erst durch die kontrollierte Lüftung kann der notwendige Luftwechsel unabhängig von den Witterungsbedingungen jederzeit sichergestellt werden. Aus theoretischen Simulationsrechnungen sowie aus entsprechenden Messergebnissen kann ein Außenluftvolumenstrom von 15 bis 20 m³/h pro Schüler als Dimensionierungsrichtlinie empfohlen werden. Anlagen mit Wärmerückgewinnung haben sich insbesondere aufgrund der hohen Behaglichkeit gut bewährt und sorgen für eine definierte Be- und Entlüftung in den Klassenräumen. Bei Passivhaus-Schulgebäuden sind hocheffiziente Wärmerückgewinnungsgeräte selbstverständlicher Bestandteil des Gebäudekonzeptes, sie empfehlen sich aber ebenso für die Nachrüstung in Bestandsschulen.

Siehe auch

Übersicht zu den Passipedia-Artikeln zum Thema „Nichtwohngebäude“

Übersicht zu den Passipedia-Artikeln zum Thema „Passivhaus Schulen - wie geht das?“

Passivhaus-Schulen Beispiele

Passivhaus-Schule am Riedberg in Frankfurt am Main

Planung von Passivhaus Schulen

Literatur

[Pettenkofer 1885] Pettekofer, Max von(1858): Über den Luftwechsel in Wohngebäuden, Literarisch- artistische Anstalt der Cotta´schen Buchhandlungen, München 1858.

[AKKP 23] Protokollband Nr. 23: Einfluss der Lüftungsstrategie auf die Schadstoffkonzentration und -ausbreitung im Raum, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser Phase III, Darmstadt, Juli 2003; hier: Beitrag von W. Feist, „Konsequenzen für die Wohnungslüftung, S. 63-84.

[DIN 1946] DIN 1946 Teil 2: Raumlufttechnik, Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln), Januar 1994.

[ECA 1992] ECA (1992): COST Project 613 – Report No.11 –, Guidelines for ventilation requirements in buildings, 1992.

[EPA 2002] Epa (2002): Indoor Air Quality Tools for Schools, Appendix E - Typical Indoor Air Pollutants / Indoor Air Pollutant - Carbon Dioxide (CO2). http://www.epa.gov/iaq/schools/tfs/guidee.html, 2002.

[Grams 2004] Grams, H.; Hehl, O.; Dreesmann, J.: Niedersächsisches Schulmessprogramm, Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Raumluftqualität in Klassenräumen sowie Modellierung von Kohlendioxidverläufen, NLGA, 2004.

[Heiduk 2005] Heiduk, E.: Schulklassen – Luftqualität bei kontrollierter Lüftung –, Erste Messergebnisse aus der neuen Volksschule Hermagor.

[ISOTEG 2000] Weinländer, H; Beck, A; Fricke, J.: Demand Controlled Ventilation in Schools – Energetic and Hygienic Aspects, Proceedings 21st AIVC Annual Conference, „Innovations in Ventilation Technology„, 26-29 September 2000, paper 6.

[Kaupert 2003] Kaupert, M.; Vollert, S.: Erweiterung der Realschule Mölln im Passivhaus-Standard, Architektonische und technische Umsetzung – erste Betriebserfahrungen, Tagungsband zur 7. internationalen Passivhaustagung, Hamburg 2003.

[Moriske 2005] Handbuch für Bioklima und Raumlufthygiene, Hrs. Moriske, ecomed-Verlag, Landsberg, 2005.

[Muss 2004] Muss, C.: Internationaler Kongress: Gesunde Raumluft, Erfahrung mit kontrollierter Raumbelüftung an Schulen, IBO-Verlag, Wien (2004).

[Myhrvold, Olsen] Myhrvold, A.N.; Olsen, E. and Lauridsen, ∅.: Indoor Environment in Schools – Pupils Health and Performance in Regard to CO2-Concentrations, 7th international conference on indoor air quality, Vol 4 369-374, RF-Rogaland Research, Stavanger, Norway.

[OÖ 2003] Innenraumsituation in OÖ, Pflichtschulen, Berufsschulen und Landwirtschaftlichen Fachschulen, Erhebungs- und Messprogramm, Endbericht, April 2003.

[prEN 15251] Entwurf DIN EN 15251: Bewertungskriterien für den Innenraum einschließlich Temperatur, Raumluftqualität, Licht und Lärm, Deutsche Fassung pr EN 15251:2005.

[Roberts 2003] Roberts, B.: Building Services Heritage, erschienen im Rahmen der Edinburgh Conference der Building Engineering Services Heritage Group, September 2003.

[UBA 2000] Leitfaden für die Innenraumlufthygiene in Schulgebäuden, erarbeitet von der Innenraum-Lufthygienekommission des Umweltbundesamtes, Berlin, Juni 2000.

[VDI 6022] VDI 6022 Blatt 1 (E): Hygiene-Anforderungen an Raumlufttechnische Anlagen, Februar 2005.

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