Neues Lüftungskonzept für Bildungseinrichtungen

Grundlegende Problematik des Wechsels zwischen Unterricht und Pause

Legt man für die Unterrichtszeit den Volumenstrom aus, so ist bei dem instationären Verfahren ein CO₂-Anfangszustand vor Unterrichtsbeginn festzulegen. Dieser kann im ersten Schritt mit 400-450 ppm als Außenluftwert angenommen werden. Wird in der folgenden kürzeren Pause mit dem gleichen Volumenstrom gelüftet, so gilt diese Annahme nicht mehr, da i. d. R. die Pausenzeit nicht ausreicht, den CO₂-Anfangszustand für den nächsten Unterricht wieder herzustellen. Das Umweltbundesamt empfiehlt daher eine unterstützende, intensive Fensterlüftung in den Pausen, damit für die nächste Schulstunde wieder Außenluftqualität vorliegt. Das ist aber aus organisatorischen Gründen nicht immer möglich, z. B., wenn Schüler und Lehrer die Klassenzimmer in der Pause verlassen bzw. wechseln und somit die Zuständigkeit nicht klar ist. Außerdem muss im Lüftungskonzept nachgewiesen werden, dass eine zusätzliche Fensterlüftung in den kurzen Pausen ausreichend ist.

Es ist daher naheliegend, Unterrichtszeit und Pause im Wechsel zusammen zu betrachten. Dabei wird der CO₂-Endwert der Pause als CO₂-Anfangswert der Unterrichtszeit eingesetzt. Das wird so lange fortgesetzt, bis sich ein gemeinsamer Volumenstrom für Unterricht und Pause nicht mehr ändert, welcher die CO₂-Anforderung im Unterricht dauerhaft erfüllt. Dieser Volumenstrom bildet die Auslegungsgrundlage für eine Lüftungsanlage oder für eine Fensterlüftung unter Beachtung von Wind und Thermik.

Bild 3 stellt ein Berechnungsbeispiel für diese Problematik grafisch dar. Für die Unterrichtszeit wird ein Luftvolumenstrom von 583 m³/h für die Bedingung 1000 ppm CO₂ im Mittel von 45 min. ermittelt. In der anschließenden Pause von 10 min. sinkt die CO₂-Konzentration bei gleichem Volumenstrom, da keine Personen mehr im Klassenzimmer vorhanden sind. Der CO₂-Endwert beträgt nach der Pause ca. 930 ppm. Läuft der Betrieb in den folgenden Unterrichtszeiten mit dem gleichen Volumenstrom weiter, so kann sich die CO₂-Konzentration im Tagesablauf aufschaukeln. 1000 ppm in den Unterrichtszeiten sind somit nicht mehr gewährleistet.

Bild 3: Zeitverlauf der CO₂-Konzentration in Unterricht und Pause mit unterschiedlichen Volumenströmen.
Bild: Nadler

Programmtechnische Lösung

Tabelle 1: Auslegung der Schullüftung für das Beispiel in Bild 3 mit MindLW 10.
Bild: Nadler

Mit dem Programm MindLW [6] in der Version 10 ist eine schnelle Planungslösung gelungen, die jeweils für Unterricht und Pause die CO₂-Belastung getrennt für Schüler und Lehrer ermittelt. Dazu wurde ein weiteres Register „Schule“ (Tabelle 1) eingefügt, um die frühere Handiteration für die genannte Problematik mit den beiden Registern „HygAusl“ und „Simu“ zu umgehen. Mit dem von MindLW errechneten Volumenstrom von ca. 799 m³/h (+37 %) wird erreicht, dass der CO₂-Endwert der Pause dem CO₂-Anfangswert des Unterrichts entspricht. D.h. für die folgenden Unterrichtszeiten gelten die gleichen Anfangsbedingungen von 762 ppm. Zudem ist der CO₂-Endwert des Unterrichts deutlich geringer als bei der Auslegungsmethodik ohne Einbeziehung der Pause (Bild 3).

Die Unterrichtszeit beträgt normalerweise 45 min., bei Blockunterricht 90 min. Die kleine Pause ist mit 5 bis 10 min. anzunehmen, die große Pause mit 15 bis 25 min. Bei der für die Berechnung festzulegenden Pausenzeit ist zu beachten, dass der erforderliche Volumenstrom mit kürzeren Pausenzeiten zunimmt. Hier muss also eine Festlegung erfolgen, die mit dem Auftraggeber abzustimmen ist. Die Simulation der Abfolge eines Stundenplanes für einen Tag kann aber entfallen. Da die CO₂-Produktion und damit der erforderliche Volumenstrom mit dem Alter zunimmt, empfiehlt sich das jeweilige höchste Alter je nach Schulart (Grundschule, Oberschule, Gymnasium) bzw. KITA/Hort zu wählen (Tabelle 2).

Tabelle 2: Wahl des Alters für verschiedene Schularten.
Tabelle: Nadler

Für Unterricht und Pause können unterschiedliche Lüftungssysteme angenommen werden, welche sich durch die Lüftungseffektivität unterscheiden, z. B. zusätzliche Fensterlüftung nur in der Pause. Es ist auch eine freie Eingabe von gewählten Volumenströmen getrennt für Unterricht und Pause möglich, mit der man die sich einstellende CO₂-Konzentration überprüfen kann. Optional sind beide o. g. Berechnungsvarianten für die CO₂-Produktion einschließlich der Temperatur-/Druck-Umrechnung implementiert. So werden auch höhere Ortslagen durch einen niedrigeren Luftdruck berücksichtigt. Für einen Luftdruck von 910 hPa ergibt sich bei beiden Berechnungsvarianten eine Steigerung des erforderlichen Volumenstroms um ca. +12 %. Der Einfluss einer höheren Raumlufttemperatur fällt dagegen deutlich geringer aus (ca. 1-3 %).

Möchte man auf eine maximale CO₂-Konzentration von 1000 ppm in der Unterrichtszeit begrenzen, ist ebenfalls ein höherer Volumenstrom notwendig (ca. +16 %). Dieses Ergebnis könnte z. B. bei einer automatischen CO₂-Regelung von Interesse sein, wenn der Regler nur auf Momentanwerte reagiert. In der Tabelle zur ­CO₂-Produktion wird bei der Belastung zwischen Unterricht (U) und Pause (P) sowie zwischen Schüler und Lehrer unterschieden. Damit wird berücksichtigt, dass auch in der Pausenzeit noch Personen anwesend sein können, z. B. in einer kurzen Pause von 5 min.

Sollten andere Körperdaten als die aus Bild 1 Verwendung finden, oder ist die CO₂-Produktionsrate aus anderen Quellen bekannt, so besteht mit Hilfe der Spalte „CO₂Set/Kommentar“ die Möglichkeit, diese mit einem Kommentar in der Spalte „CO₂-Prod“ einzugeben. Im Reiter „HygAusl“ sind ebenfalls beide Berechnungsvarianten implementiert und man kann optional eigene Daten für Gewicht und Größe dort eintragen. Die in „HygAusl“ errechnete CO₂-Produktionsrate [6] wäre dann in die Tabelle zu übernehmen. Mit diesem Tool kann man schnell durch Parametervariationen ein Worst-Case-Szenario ermitteln, um im Anschluss mit den Ergebnissen den Auftraggeber zu beraten und mit ihm die gewünschten Parameter (Alter der Schüler, Pausenzeit, Anwesenheiten in der Pause, usw.) zu vereinbaren. Damit wird der Forderung aus [1, Infobox 1, S. 242] Rechnung getragen, dass das Lüftungskonzept auf Praxistauglichkeit der Lüftung rechnerisch nachzuweisen ist. Auch in der neuen AMEV-Richtlinie [2, Abschn. 3.2.1] muss die Funktionsfähigkeit eines projektspezifischen Lüftungskonzeptes überprüft werden. Eine solche Überprüfung ist mit der Verwendung einer pauschalen Personenluftrate nicht möglich.

Vergleich der Volumenströme

In der VDI 6040-2 [5, Anh. C] wird ein Beispiel für die CO₂-Konzentration im Unterrichtsraum angegeben. Der Raum hat ein Luftvolumen von 186 m³. Er wird von 30 Schülern (Jahrgangsstufe 5 bis 13) und einem Lehrer für 8 Unterrichtszeiten á 45 min. belegt. Die Dauer der kleinen Pausen betragen jeweils 5 min. Es gibt eine große Pause mit 15 min., in der noch 15 Schüler anwesend sind. Tabelle 3 enthält eine Zusammenstellung der Ergebnisse für die o.g. Berechnungsverfahren im Vergleich mit der VDI 6040-2. Der CO₂-Konzentrationsverlauf ist in der VDI 6040-2 für die Zeit von 8 bis 16 Uhr bei einem Volumenstrom von 926 m³/h dargestellt. Dabei wurden für Schüler und Lehrer 18,9 l CO₂/(h · Person) angesetzt. Setzt man die gleiche CO₂-Produktionsrate für nur eine Unterrichtszeit von 45 min. und nur eine Pause von 5 min. in MindLW ein, ergibt sich das fast gleiche Ergebnis von 931 m³/h. Damit ist belegt, dass eine Simulation über einen ganzen Schultag nicht notwendig ist.

Tabelle 3: Volumenströme im Unterrichtsraum nach verschiedenen Berechnungsverfahren für das Beispiel in der VDI 6040-2 [5, Anh. C].
Tabelle: Nadler

Bezüglich der Mittelwertbildung des CO₂-Konzentrationsverlaufes ist anzumerken, dass in dem Beispiel der VDI 6040-2 ein laufender Mittelwert über den ganzen Schultag einschließlich der Pausen gebildet wird. Dies entspricht nicht der Forderung aus [1] nach einem Mittelwert von 1000 ppm nur in der Unterrichtszeit. Ein laufender Mittelwert wird sich rechnerisch von diesem Mittelwert unterscheiden. Wird die CO₂-Produktionsrate nach den beiden o. g. Berechnungsvarianten ermittelt, erhält man abweichende Ergebnisse. Dabei wurde angenommen, dass die 15 Schüler in der Pause einen höheren Aktivitätsgrad von 1,6 met haben.

Zusammenfassung

Die Gesundheitsämter verweisen im Rahmen des Bauantrages für die Planung der Schullüftung auf die Anforderungen des Umweltbundesamtes in [1]. Hierin wird in der Infobox 7 das Rechentool zur VDI 6040 und das CO₂-Onlinemodell des Niedersächsischen Landesgesundheitsamtes als Planungsunterstützung benannt. Auch in der AMEV-Richtlinie [2] werden die Ausführungshinweise der VDI 6040-2 empfohlen. In beiden Empfehlungen erfolgt die Volumenstromberechnung anhand der instationären CO₂-Konzentration im Unterrichtsraum. Im vorstehenden Beitrag wurden die erforderlichen Luftvolumenströme für eine vorgegebene mittlere CO₂-Konzentration während der Unterrichtszeit dargestellt.

Hierfür wurde zunächst auf die Ermittlung der CO₂-Produktionsraten von Personen in Gebäuden eingegangen. Dies ist für jüngere Schüler bzw. Kinder von besonderem Interesse, da eine hohe Abhängigkeit vom Alter besteht. Zu der bisherigen Berechnungsmethodik nach DIN EN ISO 8996 werden die Ergebnisse mit einer neuen Methode nach Persily und de Jonge verglichen. Ab einem Alter von ca. 15 Jahren ergeben sich große Unterschiede, wobei die ISO-Methode i. d. R. höhere CO₂-Produktionsraten liefert und damit zu höheren Volumenströmen führt. Man liegt daher mit der ISO-Methode lüftungstechnisch zwar auf der sicheren Seite, muss dies aber mit einem erhöhten Heizaufwand erkaufen.

Es bleibt abzuwarten, ob die Methodik von Persily und de Jonge aus Gründen der Energieeinsparung normativ übernommen wird, weshalb sie im MindLW-Tool als Option enthalten ist. Ein neues Konzept für die Berechnung des notwendigen Volumenstromes in Bildungseinrichtungen für eine vorgegebene mittlere CO₂-Konzentration während der Unterrichtszeit wird vorgestellt. Dabei wird von einem permanenten Wechsel zwischen einem Unterricht und einer Pause ausgegangen. Legt man den Volumenstrom nur für die Unterrichtzeit aus, kann die CO₂-Konzentration über den Tag auf inakzeptable Werte ansteigen. Unter Einbeziehung der Pause ergibt sich zwar ein höherer Volumenstrom aber der Planer erhält damit auch die Information, mit welchem Volumenstrom in der Pause zu lüften ist.