Lüftungsanlagen schützen besser vor Aerosolen als Fensterlüftung
Die Lüftung über Fenster gilt als die wichtigste Maßnahme, wenn es um die Infektionsvermeidung in Klassenzimmern geht. Eine neue 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 Maße reduzieren. Im Gegensatz dazu sind dezentrale Lüftungsgeräte mit Frischluftzufuhr in der Lage, kontinuierlich für ein gesundes Raumklima zu sorgen.
Außenbedingungen beeinflussen Effizienz der Fensterlüftung
Mit einem Simulationsmodell wurde das Ausbreitungsverhalten von submikronen Aerosolen untersucht, d. h. die Verbreitung von 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 Außentemperatur 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 Minuten Fensterlüftung bei einem frontal anströmenden Wind von 6 km/h auf die weit geöffneten Fenster um rund 90 Prozent deutlich abnimmt, reduziert sich diese nach 5 Minuten Fensterlüftung bei einem seitlich vorbeiziehenden Wind von nur 2 km/h nur noch um 45 Prozent. Zusätzlich beeinflusst die Differenz zwischen Außen- und Raumtemperatur die Lüftungseffizienz. In der Simulation wurde eine Raumtemperatur von 22 °C und bei schwachem Wind eine Außentemperatur von 18 °C bzw. bei starkem Wind von 12 °C angenommen.
"Während einer Unterrichtstunde steigt die Konzentration von infektiösen Aerosolpartikeln 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.
Geringe Ansteckungsgefahr durch Lüftungsgeräte mit konstanter Frischluftzufuhr
Zum Vergleich mit der Fensterlüftung wurde die Entwicklung der Aerosolkonzentration im selben Klassenraum, ausgestattet mit einem Wolf-Comfort-Großraum-Lüftungsgerät CGL edu, untersucht. Das Gerät tauscht in diesem Szenario pro Stunde bis zu 800 Kubikmeter verbrauchte Raumluft gegen frische Außenluft aus. Die Simulation zeigt, dass die Partikelkonzentration im Klassenraum mit einem CGL edu innerhalb von 45 Minuten auf maximal 250 Partikel pro Kubikmeter ansteigt. Ohne Lüftungsgerät liegt die Partikelkonzentration bei geschlossenen Fenstern bereits nach 20 Minuten bei über 300 und nach 45 Minuten sogar bei circa 700.
Diese Erkenntnis bestätigt auch eine andere Studie, die mit Unterstützung der TU Berlin durchgeführt wurde. In dieser Untersuchung wurde bereits nachgewiesen, dass sich während einer Unterrichtsstunde trotz Lüftung über die Fenster potenziell infektiöse Aerosolpartikel in teils sehr hohen Konzentrationen im Klassenraum anreichern.
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 durch eine infizierte Person ausgeht, auch für die Personen im direkten Umfeld. 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. Zudem wird unerwünschte Luftfeuchtigkeit abgeführt.
Maximale Flexibilität bei der Positionierung des Lüftungsgerätes im Raum
Die Simulation untersuchte ebenfalls den Einfluss unterschiedlicher Positionierungen des Lüftungsgerätes auf die Durchmischung der Raumluft sowie 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 Fällen verhinderte der Wolf CGL edu gleichmäßig und zuverlässig einen Anstieg der potenziell gefährlichen Partikel über den Wert von 250 pro Kubikmeter.
Durch die kontinuierliche Zufuhr an frischer Außenluft und den intelligenten Geräteaufbau kommt es standortunabhängig zu einer effizienten Durchströmung des gesamten Raumes, was zu einem deutlich reduzierten Ansteckungsrisiko führt. Betrachtet wurden zudem die durch das Lüftungsgerät entstehenden Windgeschwindigkeiten innerhalb des Klassenraums. Diese wurden auf einer angenommenen Kopfhöhe der sitzenden Schüler von einem Meter untersucht und erreichten positionsunabhängig maximal 0,6 Meter pro Sekunde. Die Höhe des Lüftungsgerätes von mehr als zwei Metern sowie der oben positionierte Luftauslass verhindern damit, dass ein unangenehmer Luftzug entsteht.
Die Auswertung der Simulation zeigt, dass eine effiziente und komfortable Lüftung mit dem Wolf CGL edu unabhängig von der Positionierung im Klassenraum erfolgen kann. Auf diese Weise 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, sondern auch nachhaltig
Der Einsatz von Lüftungsgeräten stellt mit Blick auf die Klimaschutzziele für 2030 eine richtungsweisende Technologie dar. Mit effizienter Wärmerückgewinnung über Hochleistungs-Gegenstromwärmetauscher bei einem Wirkungsgrad von bis zu 90 Prozent entsteht sowohl ein ökologischer als auch ein wirtschaftlicher Mehrwert gegenüber der Fensterlüftung. Schließlich wird unterbunden, dass die 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. Eine Möglichkeit zur schnellen Nachrüstung bietet unser neues Wolf-Comfort-Großraum-Lüftungsgerät, das speziell für Räume in Bildungseinrichtungen konstruiert wurde. Das dezentrale Lüftungsgerät CGL edu wird mit 100 Prozent frischer Außenluft betrieben und ist eine langfristige und nachhaltige Lösung für ein gesundes Raumklima. Darüber hinaus erfüllt das Kompaktgerät alle Kriterien der Bundesförderung für einen Zuschuss von bis zu 80 Prozent", sagt Dr. Thomas Kneip, Geschäftsführer der Wolf GmbH.
