Die Lüftung über Fenster gilt als die wichtigste Maßnahme, wenn es um die Infektionsvermeidung in Klassenzimmern geht. Eine Studie des Steinbeis-Forschungszentrums Virtual Testing im Auftrag der Wolf GmbH zeigt jedoch, dass je nach äußeren Gegebenheiten die Effizienz der Fensterlüftung stark variieren kann.
Bei ungünstigen Wetterlagen können geöffnete Fenster die teils sehr hohen Konzentrationen potenziell infektiöser Aerosolpartikel nicht in ausreichendem Umfang reduzieren. Im Gegensatz dazu sind dezentrale Lüftungsgeräte mit Frischluftzufuhr in der Lage, kontinuierlich für eine geringe Aerosolkonzentration und ein gesundes und stabiles Raumklima zu sorgen.
Bild: Wolf / Quelle: Steinbeis-Forschungszentrum Virtual Testing
Bild: Wolf / Quelle: Steinbeis-Forschungszentrum Virtual Testing
Außenbedingungen beeinflussen Effizienz der Fensterlüftung
Mit einem Simulationsmodell wurde das Ausbreitungsverhalten von submikronen Aerosolen untersucht, d. h. die Verbreitung von (ballistischen) Tröpfchen beim Niesen wurde nicht betrachtet. Simuliert wurde ein typisches Klassenzimmer, in dem sich neben einer Lehrkraft 18 Schüler aufhalten, von denen eine Person das Coronavirus in sich trägt.
Dabei wurden verschiedene Szenarien betrachtet. Das Hauptaugenmerk lag darauf, welchen Einfluss Windgeschwindigkeit, Anströmrichtung sowie Unterschiede bei der Innen- und Außenlufttemperatur auf die Effizienz der Fensterlüftung haben. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Parameter den Luftaustausch und damit die Partikelkonzentration deutlich beeinflussen.
Bereits in der Übergangszeit kann der Luftaustausch über die Fenster deutlich eingeschränkt sein. Während beispielsweise die Aerosolkonzentration nach 5 min Fensterlüftung bei einem frontal anströmenden Wind von 6 km/h auf die weit geöffneten Fenster um rund 90 % deutlich abnimmt, reduziert sich diese nach 5 min Fensterlüftung bei einem seitlich vorbeiziehenden Wind von nur 2 km/h nur noch um 45 %. Zusätzlich beeinflusst die Differenz zwischen Außen- und Raumlufttemperatur die Lüftungseffizienz. In der Simulation wurde eine Raumlufttemperatur von 22 °C und bei schwachem Wind eine Außenlufttemperatur von 18 °C bzw. bei starkem Wind von 12 °C angenommen (Bild 2).
„Während einer Unterrichtstunde steigt die Konzentration infektiöser Aerosolpartikel in der Raumluft konstant an. Die Frischluftzufuhr über die Fenster lässt die Konzentration rapide sinken. Die Simulation zeigt jedoch deutlich, dass Fensterlüftung nicht gleich Fensterlüftung ist. Äußere Einflüsse können die Effizienz maßgeblich verändern.
Ein kontinuierlicher Frischluftzustrom über ein Lüftungsgerät ist deutlich zuverlässiger in der Lage, konstant geringe Partikelkonzentrationen zu gewährleisten“, erklärt Prof. Dr.-Ing. Uwe Janoske, Leiter des Steinbeis-Forschungszentrums Virtual Testing (Bild 3).
Geringe Ansteckungsgefahr bei RLT-Geräten und Frischluftzufuhr
Zum Vergleich mit der Fensterlüftung wurde die Entwicklung der Aerosolkonzentration im selben Klassenraum, ausgestattet mit einem Comfort-Großraum-Lüftungsgerät CGL Edu von Wolf, untersucht. Das Gerät tauscht in diesem Szenario bis zu 800 m3/h (bis zu 42 m3/(h ∙ Pers)) Raumluft gegen frische Außenluft aus.
Die Simulation zeigt, dass die Partikelkonzentration im Klassenraum mit dem Lüftungsgerät innerhalb von 45 min auf maximal 250 Partikel/m3 ansteigt. Ohne Lüftungsgerät liegt die Partikelkonzentration bei geschlossenen Fenstern bereits nach 20 min bei über 300 und nach 45 min sogar bei ca. 700 Partikel/m3.
Diese Erkenntnis bestätigt auch eine frühere Studie von Wolf, die mit Unterstützung der TU Berlin durchgeführt wurde. In dieser Untersuchung wurde nachgewiesen, dass sich während einer Unterrichtsstunde trotz Lüftung über die Fenster potenziell infektiöse Aerosolpartikel in teils sehr hohen Konzentrationen im Klassenraum anreichern (SBZ 16/20, → www.bit.ly/sbz035).
Die aktuelle Studie zeigt deutlich, dass sich mit einem Lüftungsgerät nur sehr wenige Bereiche mit lokal hoher Partikelkonzentration innerhalb des Raumes bilden. Damit sinkt die Ansteckungsgefahr, die von einer infizierten Person ausgeht – auch für die Personen im direkten Umfeld der infizierten Person.
Im direkten Vergleich zur Fensterlüftung können Lüftungsgeräte eine deutlich zuverlässigere und gleichmäßigere Senkung der Partikelkonzentration erzielen. Die von geöffneten Fenstern unabhängige Frischluftzufuhr vermeidet darüber hinaus effizient hohe CO2-Konzentrationen im Raum und reduziert weitere Schad- und Geruchsstoffe sowie Staubpartikel (auch aus der Außenluft). Zudem wird unerwünschte Luftfeuchtigkeit
abgeführt.
Flexible Positionierung des Lüftungsgeräts im Raum
Die Simulation untersuchte ebenfalls den Einfluss unterschiedlicher Positionierungen des Lüftungsgeräts auf die Durchmischung der Raumluft und auf die Senkung der Aerosolkonzentration. Um die Frage nach dem optimalen Standort beantworten zu können, wurden drei Positionen im Raum simuliert und verglichen.
Im Ergebnis zeigte sich, dass die Unterschiede zwischen einer Installation an verschiedenen Wänden und selbst in einer Eckposition nur sehr gering waren. In allen drei Situationen verhinderte die Belüftung mit dem Lüftungsgerät CGL Edu gleichmäßig und zuverlässig einen Anstieg der potenziell gefährlichen Partikel über den Wert
250 Partikel/m3.
Durch die kontinuierliche Zufuhr an frischer Außenluft und den intelligenten Geräteaufbau kommt es standortunabhängig zu einer effizienten Durchströmung des gesamten Raums, was zu einem deutlich reduzierten Infektionsrisiko führt (Bild 4).
Bild: Wolf / Quelle: Steinbeis-Forschungszentrum Virtual Testing
Betrachtet wurden zudem die durch das Lüftungsgerät entstehenden Luftgeschwindigkeiten innerhalb des Klassenraums. Diese wurden auf einer angenommenen Kopfhöhe der sitzenden Schüler von 1 m untersucht und erreichten positionsunabhängig maximal 0,6 m/s. Die Höhe des Lüftungsgeräts von mehr als 2 m sowie der oben positionierte Luftauslass verhindern, dass ein unangenehmer Luftzug entsteht.
Die Auswertung der Simulation zeigt somit, dass eine effiziente und komfortable Lüftung mit dem Gerät CGL Edu unabhängig von der Positionierung im Klassenraum erfolgen kann. So können unterschiedliche bauliche Gegebenheiten berücksichtigt werden. Zudem sind in Absprache mit dem Denkmalschutz anstelle von Wanddurchführungen ebenso flexible Lösungen über die
Oberlichter möglich.
Nicht nur effizient, auch nachhaltig
Der Einsatz von Lüftungsgeräten ist auch mit Blick auf die Klimaschutzziele eine richtungsweisende Lösung. Mit der Wärmerückgewinnung über einen Gegenstrom-Wärmeübertrager bei einem Wirkungsgrad von bis zu 90 % entsteht sowohl ein ökologischer als auch ein wirtschaftlicher Mehrwert gegenüber der Fensterlüftung. Schließlich wird so unterbunden, dass investierte Wärmeenergie ungenutzt an die Umwelt abgegeben wird.
„In vielen Schulen und Kitas besteht weiterhin starker Verbesserungsbedarf. Die Simulation des Steinbeis-Forschungszentrums zeigt, dass die alleinige Konzentration auf die Fensterlüftung weder einen optimalen Schutz bietet noch eine nachhaltige Lösung darstellt“, resümiert Dr. Thomas Kneip, Geschäftsführer der Wolf GmbH.
„Eine Möglichkeit zur schnellen Nachrüstung bietet unser dezentrales Comfort-Großraum-Lüftungsgerät, das speziell für Räume in Bildungseinrichtungen konstruiert wurde. Es wird mit 100 % frischer Außenluft betrieben und ist eine langfristige und nachhaltige Lösung für ein gesundes Raumklima.“
