Bewertung und Optimierung der Luftführung in Klassenräumen bei maschineller Lüftung

Luftführungskonzepte in Schulen zur Verbesserung der Innenraumluftqualität, Behaglichkeit und Energieeffizienz

Die Lüftung von Klassenräumen in Deutschland erfolgt derzeit üblicherweise über Fensterlüftung, die jedoch nur sehr eingeschränkt den erforderlichen Außenluftstrom für eine adäquate Raumluftqualität bereitstellen und zu Behaglichkeitsdefiziten führen kann. Eine unzureichende Raumluftqualität bzw. zu niedrige Raumtemperaturen wirken sich negativ auf das Lernvermögen, die Leistungsfähigkeit und die Gesundheit der SchülerInnen aus [1, 2]. Die nach VDI 6040 Blatt 1 [3] während einer Unterrichtsstunde empfohlene maximale mittlere CO2-Konzentration von 1.000 ppm lässt sich ganzjährig nur mit maschinellen Lüftungssystemen erreichen. Da eine Übersicht und Bewertung verschiedener Luftführungssysteme hinsichtlich Lüftungseffektivität und Energieeinsparpotentialen bei Einhaltung der thermischen Behaglichkeit fehlt, wird ein Planungsleitfaden für Fachplaner mit Fokus auf die Luftführung im Raum zur Auswahl geeigneter Systeme erarbeitet.

Im Forschungsvorhaben „Untersuchungen zur Optimierung maschineller Luftführungskonzepte in Schulen zwecks Verbesserung der Innenraumluftqualität, Behaglichkeit und Energieeffizienz“ (OLiS) wird eine systematische Untersuchung typischer Luftführungskonzepte für Klassenräume durchgeführt. Das Vorhaben wird von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU, FKZ: 34900/01) gefördert und von den beiden Projektpartnern Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE) der Universität Stuttgart und LTG Aktiengesellschaft bearbeitet sowie vom Fachverband Gebäude-Klima e.V. (FGK) beratend unterstützt.

Festlegung eines Referenzklassenraums

Am Beispiel eines Referenzklassenraums, der den energetischen Standard des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) erfüllt, werden verschiedene Luftführungskonzepte anhand von Strömungssimulationen und exemplarischen Laborversuchen untersucht. Bild 1 zeigt den in Zusammenarbeit mit dem Schulverwaltungsamt der Landeshauptstadt Stuttgart festgelegten Referenzklassenraum sowie die Anordnung der SchülerInnen bei der Grundvariante mit Frontalunterricht und Vollbelegung (30 SchülerInnen und 1 Lehrkraft). Weitere Variationen in der Untersuchung berücksichtigen abweichende Tischanordnungen (z.B. Inselbelegung) und eine Teilbelegung mit der Hälfte der SchülerInnen. In Tabelle 1 sind die Angaben zur Belegung und Belüftung des Referenzklassenraums zusammengefasst. Für den Referenzklassenraum werden die in Bild 2 aufgeführten Luftführungskonzepte als Beispiele für typische maschinelle Lüftungsvarianten anhand von Strömungssimulationen untersucht. Die Konzepte enthalten sowohl zentrale als auch dezentrale Lüftungssysteme sowie unterschiedliche Strömungsformen wie Mischströmungen, Quellströmungen und Misch-/Quellströmungen.

Auslegung der Außenluftvolumenströme

Die Anforderungen für den im Aufenthaltsbereich (Anforderungszone) von Personen zuzuführenden Außenluftvolumenstrom werden nach DIN EN 16798-1 ermittelt [4]. Für den Referenzklassenraum ist die Anforderungszone exemplarisch in Bild 1 orange im Grundriss dargestellt, für die Höhe werden in entsprechenden Raumnutzungen üblicherweise 1,80 m angesetzt. Bei den Standardwerten für die Außenluftvolumenströme wird von einer vollständigen Durchmischung der Schadstoffe in der Raumluft ausgegangen, wobei die Strömungsform und deren Wirkung in der Anforderungszone unberücksichtigt bleiben. Aus diesem Grund kann die jeweilige Lüftungseffektivität die Bemessung der erforderlichen Außenluftvolumenströme beeinflussen, so dass diese entsprechend angepasst werden können. Gemäß DIN EN 16798-3 [5] lässt sich der geforderte Außenluftvolumenstrom für die Belüftung von Räumen durch die Luftdurchlässe nach Gleichung (1) berechnen. Die Lüftungseffektivität ε ist dabei wesentlich von der Luftführung im Raum abhängig:

VAU = ⇥(1)

wobei VAU der Außenluftvolumenstrom und VAZ der Außenluftvolumenstrom in der Anforderungszone ist.

Die Lüftungseffektivität ε (siehe Gleichung (2)) beschreibt den Zusammenhang zwischen der Schadstoffkonzentration (z.B. CO2-Konzentration) in der Abluft (cAB) und der Anforderungszone (cAZ) in Abhängigkeit der Schadstoffkonzentration der Zuluft (cZU):

ε = ⇥(2)

Bei vollständiger Durchmischung (Mischströmung) entspricht die Schadstoffkonzentration in der Abluft der des Raums (ε = 1), bei einer Schichtlüftung hingegen ist ε ≥ 1.

Auswertungsmethodik zur Bewertung der Behaglichkeit

Zur Bewertung der Raumzustände nach thermischen und lufthygienischen Gesichtspunkten werden die Vorgaben nach DIN EN 16798-1 herangezogen, sodass für Klassenräume die Kategorie II (normales Maß an Erwartungen) eingehalten werden soll. Hierzu werden die entsprechenden Behaglichkeitsparameter mittels dreidimensionalen numerischen Strömungssimulationen entweder global (zonenweise Betrachtung) oder lokal (örtliche Betrachtung) aufgelöst ermittelt. So werden neben den globalen Parametern wie CO2-Konzentration im Aufenthaltsbereich und Predicted Mean Vote (PMV, erwartete mittlere Beurteilung des thermischen Raumklimas durch eine größere Personengruppe) auch das Zugluftrisiko (Draught Rating, DR) sowie der vertikale Temperaturunterschied ΔTK-F (zwischen Fuß- und Kopfbereich) für alle Personen im Raum als lokale Parameter ermittelt. Daraus lässt sich – wie in Bild 3 exemplarisch für die dezentrale Lüftungsvariante DZ-2a dargestellt – für jeden Sitzplatz bzw. jede Person eine individuelle Bewertung und Einordnung in die jeweilige Kategorie (I…>IV) nach DIN EN 16798-1 vornehmen, die dem Schlechtwert der genannten Kriterien entspricht. Mit dieser Vorgehensweise werden die in Bild 2 aufgeführten Luftführungskonzepte verglichen.

Randbedingungen und Ergebnisübersicht der Strömungssimulation

Für den Referenzklassenraum werden unterschiedliche Außenbedingungen (z.B. Sommer- und Winterfall) sowie Belegungsvarianten (Voll- und Teilbelegung) betrachtet; exemplarisch wird im Folgenden der Winterfall mit einer Außentemperatur von -3°C und ohne solare Einträge dargestellt. Die maschinelle Lüftung verfügt über eine Wärmerückgewinnung mit einer Rückwärmzahl von ф = 0,8, sodass eine Zulufttemperatur von 16 °C angenommen wird.

In Bild 4 ist beispielhaft für die dezentrale Variante DZ-2a (Quellströmung) die Verteilung der Zulufttemperatur im Klassenraum dargestellt. Je näher die SchülerInnen an den Zuluftöffnungen sitzen, desto geringer ist die Zulufttemperatur; mit zunehmendem Abstand zu den Zuluftöffnungen nehmen die Temperaturen zu.

Bild 5 zeigt die Ergebniszusammenfassung für alle betrachteten Luftführungskonzepte bei Frontalunterricht mit Voll- und Teilbelegung. Hierbei werden die für die einzelnen Personen erreichten Anteile der jeweiligen Behaglichkeitskategorien dargestellt, wobei die Gesamtkategorie des Klassenraums aus der niedrigsten Behaglichkeitskategorie (Schlechtwert) ermittelt wird. Weiterhin werden die Lüftungseffektivitäten der einzelnen Varianten als Kreise dargestellt.

Ergebnisse zu den Luftführungskonzepten mit Schichtströmung

Die Varianten mit Schichtströmung (DZ-2a, DZ-2b, DZZ, Z-2a, Z-2b und Z-2c) erreichen bei Vollbelegung Lüftungseffektivitäten zwischen 1,4 und 1,9; bei Teilbelegung sind diese meist geringer. Die Ergebnisse in Bild 5 zeigen insbesondere bei Vergleich der einzelnen Varianten zwischen Voll- und Teilbelegung, dass die Lüftungseffektivität wesentlich abhängig von der Position und Anzahl der Wärmequellen im Raum ist. Darüber hinaus zeigt sich, dass die thermische Behaglichkeit im Raum mit Schichtströmung teilweise nur niedrige Kategorien erreicht. Dies ist im Wesentlichen auf eine zu hohe vertikale Temperaturdifferenz zwischen Kopf- und Knöchelbereich für die Personen im Nahbereich der Zuluftöffnungen zurückzuführen.

Durch die Wärmerückgewinnung wird die -3°C kalte Außenluft zwar auf 16°C erwärmt, jedoch besteht weiterhin eine Unbehaglichkeit für die SchülerInnen, die nahe der Zuluftöffnungen sitzen. Eine weitere Untersuchung mit Nacherwärmung der Zuluft weist zwar eine verbesserte Situation für die Personen im Nahbereich der Zuluftöffnung auf, jedoch führt dies in anderen Raumbereichen zu einer Überwärmung. Für die Situation mit Teilbelegung reduziert sich die Anzahl an Personen in den Kategorien III bis IV, weil zum einen der mittlere Abstand zwischen der Zuluftöffnung und den Personen zunimmt und zum anderen der Zuluftvolumenstrom und damit die Luftgeschwindigkeit abnimmt. Bei Variante Z-2c ist die Zuluftöffnung im hinteren Bereich des Klassenraums und dadurch der Abstand der Lüftung zu den SchülerInnen bei Teilbelegung (alle SchülerInnen befinden sich im vorderen Bereich des Klassenraums) am größten. Deshalb nimmt die Gesamtbehaglichkeit der einzelnen Personen im Raum bei Teilbelegung (Kategorie II) gegenüber der Vollbelegung (Kategorie IV) deutlich zu.

Ergebnisse zu den Luftführungskonzepten mit Mischströmung

Die Luftführungskonzepte mit Mischströmung (DZ-1a, DZ-1b, DZ-1c, Z-1a, Z-1b, und Z-1c) erzielen Lüftungseffektivitäten von 0,9…1,1. Die Lüftungseffektivität variiert nur in geringem Maße zwischen Voll- und Teilbelegung sowie bei Veränderungen der Belegung im Raum (abweichende Positionen und Anzahl an Wärmequellen). Daher sind diese Luftführungskonzepte im Vergleich zu den Schichtströmungsvarianten als robuster anzusehen, wobei auch die Behaglichkeitskategorien im Raum höher sind. Bei den Varianten DZ-1a, DZ-1c und Z-1a liegt die Kategorie für die Personen im Raum immer über der Kategorie III bei Vollbelegung und über der Kategorie II bei Teilbelegung. Für die Varianten DZ-1b, Z-1b und Z-1c liegt die Behaglichkeit sowohl bei der Voll- als auch bei der Teilbelegung mindestens in Kategorie II.

Validierung der Strömungssimulation anhand von Laborversuchen

Im Raumluftströmungslabor der LTG AG wird ein Klassenraum in Anlehnung an den Referenzklassenraum aufgebaut. Mit dem Aufbau ist es möglich, sowohl Behaglichkeits- als auch Spurengasmessungen durchzuführen und so anhand der Messungen die numerischen Strömungsberechnungen für exemplarische Luftführungsvarianten und Belegungen zu validieren. Betrachtete Parameter sind hierbei u.a. die Luftgeschwindigkeiten, Raumlufttemperaturen und Spurengaskonzentrationen. Bild 6 zeigt den Aufbau der Spurengasmessungen für Variante Z-1a, in denen Lachgas mit definierter Konzentration über die Zuluft zugeführt wird. Die Spurengaskonzentration wird an vier Messstellen im Raum bei einer Höhe von 1,10 m und 1,70 m (Kopfhöhe von sitzenden bzw. stehenden Personen) gemessen und mit den Stoffkonzentrationen aus den numerischen Strömungssimulationen verglichen. Die Messungen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Strömungssimulationen.

Zusammenfassung

Die Untersuchungen anhand von Strömungssimulationen und Laborversuchen zur Luftführung in Klassenräumen zeigen, dass eine maschinelle Lüftung – im Gegensatz zu einer Fensterlüftung – in der Lage ist, die erforderliche Raumluftqualität in Klassenräumen über das gesamte Jahr einzuhalten. Grundsätzlich lassen sich unter Voraussetzung der Einhaltung einer adäquaten Raumluftqualität (CO2-Konzentration von maximal 1.000 ppm) auch energetische Einsparungen durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnung gegenüber der Fensterlüftung erreichen. Mit einer maschinellen Mischlüftung kann sowohl die Raumluftqualität als auch die thermische Behaglichkeit unabhängig von der Belegung sichergestellt werden.

Mit einer maschinellen Schichtlüftung kann eine hohe Raumluftqualität erreicht werden; bezüglich der thermischen Behaglichkeit ist insbesondere darauf zu achten, dass im Nahbereich der Zuluftöffnungen keine zu hohen Temperaturgradienten zwischen Kopf- und Knöchelbereich für die Personen auftreten. Eine Nacherwärmung der Zuluft kann bei der Schichtlüftung zu einer Verbesserung der thermischen Behaglichkeit nahe der Zuluftöffnungen führen – allerdings gleichzeitig zu einer Überwärmung in anderen Raumbereichen. Die mit diesen Konzepten prinzipiell erreichbaren energetischen Vorteile durch Lüftungseffektivitäten von ε>1, die eine Verringerung der Außenluftströme ermöglichen, sind somit im betrachteten Winterfall nur bedingt nutzbar.

Für den Sommerfall liegen bei sämtlichen Simulationen aufgrund der zu hohen Raumtemperatur (und dem damit einhergehenden PMV-Index) thermische Behaglichkeiten der Kategorie III oder IV vor, die unter anderem mit der hohen Wärmeabgabe durch die Personen zu begründen sind. Aus diesem Grund sollte eine Zuluftkühlung zur Vermeidung einer Überwärmung im Raum zukünftig in Betracht gezogen werden.

Die Erkenntnisse aus den simulativen und labortechnischen Untersuchungen werden in einen Leitfaden zur Planung der Luftführung für Klassenräume überführt und bieten damit für Fachplaner eine übersichtliche Bewertung der verfügbaren maschinellen Luftführungskonzepte.

Quellen

[1] Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der IRK/AOLG. Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft. Bundesgesundheitsblatt, Gesundheitsforschung, Gesundheitsschutz. 2008, Jg. 51, Nr. 11, S. 1358–1369.

[2] Kajtár, L. und Herczeg, L. Influence of carbon-dioxide concentration on human wellbeing and intensity of mental work. Időjárás. 2012, Jg. 116, Nr. 2, S. 145–169.

[3] VDI 6040 Blatt 1:2011-06, Raumlufttechnik - Schulen - Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln, VDI-Schulbaurichtlinien).

[4] DIN EN 16798-1:2021-04 - Energetische Bewertung von Gebäuden - Lüftung von Gebäuden - Teil 1: Eingangsparameter für das Innenraumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden bezüglich Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik.

[5] DIN EN 16798-3:2017-11, Energetische Bewertung von Gebäuden - Lüftung von Gebäuden - Teil 3: Lüftung von Nichtwohngebäuden - Leistungsanforderungen an Lüftungs- und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme (Module M5-1, M5-4).

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