Raumluftmanagement in der Architektur: Herausforderungen und Lösungen

Umgangssprachlich „gute Luft“ – oder fachlich korrekt: Lufthygiene. Innerhalb geschlossener Räume war sie lange ein kaum beachtetes Randthema in der Architektur. Unter dem Begriff „Sick Building Syndrom“ poppte das Thema der Belastung aufgrund interner Schadstoffquellen, wie beispielsweise Formaldehyd oder Feinstaubemissionen von Kopierern und Druckern in Büroräumen gelegentlich auf. Dann wurden zielgerichtet entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet. Gelegentlich wurden einige stark emittierende Bauprodukte verbannt.

Ansonsten spielte beispielsweise bei längeren Sitzungen die Frage der Luftqualität nur in den Sitzungspausen eine Rolle. Dann wurden alle Fenster geöffnet. War die Pause vorbei, beeilte man sich die Fenster so schnell wie möglich wieder zu schließen. Seit den Verschärfungen der Energieeinsparverordnung trat sogar ein gesetzlich verankertes Schutzziel, die Energieeffizienz, in Konkurrenz mit den Belangen der Lufthygiene.

Dies galt auch in Schulen und Hochschulen: Schnelles Lüften in den Pausen, ansonsten machte man es sich lerntechnisch im eigenen Mief gemütlich.
Auch bei den Bauprojekten fand das Thema Lufthygiene in den zurückliegenden Jahren nicht statt. Fragestellungen, die mit einer nachhaltigen Lufthygiene zu tun haben, gab es in der Regel in den Pflichtenheften nicht. Im Mittelpunkt auch der raumlufttechnischen Fragestellungen stand vor allem das Thema „Energieeinsparung“. Das Ergebnis sind energetisch hocheffiziente Gebäude, in denen die Raumluft deutlich schlechter ist als draußen vor der Tür, oder umgangssprachlich formuliert: Neubau erstellt, Energie gespart, Mief produziert.

Die Herausforderung: Trockene Raumluft

Viele Nutzer moderner Gebäude klagen über die schlechte Raumluft, finden für ihre Klagen aber kaum Gehör. Ein ganz signifikanter Qualitätsmangel in modernen Gebäuden ist die extreme Lufttrockenheit. Der Luftfeuchtegrad ist ein ganz wesentlicher Wohlfühlfaktor und zugleich auch ein Treiber bei der Verbreitung von Bioaerosolen und deren Aufnahme.. Zu trockene Schleimhäute sind ein ideales Einfallstor für Viren und andere Krankheitserreger.
In modernen Wohnräumen sind es oftmals die Konzepte der kontrollierten Lüftung, die bei den Nutzern wenig Anklang finden. Einmal abgesehen von der Tatsache, dass diese Systeme oft ein angepasstes Verhalten der Nutzer voraussetzen und teilweise einer Schulung bedürfen, empfinden viele Menschen permanent laufende Lüftungsgeräte in ihren Wohnräumen als störend.

Der Zielkonflikt im Raumluftmanagement: Heizkosten sparen oder Raumklima optimieren durch regelmäßiges Lüften

Mit der Corona-Pandemie und der damit verbundenen Diskussion um die Lufthygiene in geschlossenen Räumen ist zugleich in Architektur und Gebäudebetrieb ein Zielkonflikt zwischen Energieeinsparung und gesunder Raumluft entstanden. . Die einfachste Möglichkeit, eine gesunde Raumluft sicherzustellen, , ist das regelmäßige Lüften und – soweit nötig –der Einsatz von Luftbefeuchtern. Dieses regelmäßige Lüften kann zu Energieverlusten führen, die dem Ziel eines energetisch optimierten Gebäudes entgegenstehen. Im Interesse einer gesunden Raumluft sind diese Energieverluste allerdings hinzunehmen.

Filtersysteme sind eine neue Herausforderung

Ebenso verändern sich durch die Pandemie auch bei Systemen kontrollierter Lüftung oder Raumklimatisierung die Zielstellungen. Soweit Lüftungssysteme nicht mit effektiven Filtern oder Systemen zur Vernichtung von Krankheitserregern ausgestattet sind, müssen hier die Betriebsparameter radikal verändert werden, um eine sichere und gesunde Raumluft zu gewährleisten. Konkret: Ein sicherer Betrieb maschineller Belüftungssysteme ohne Filter kann dann gewährleistet werden, wenn der Mischluftbetrieb ausgesetzt wird und Abluft zu 100% durch Frischluft ersetzt wird, ohne dass die ausgeatmete Luft einer infektiösen Person ungefiltert in den Aufenthaltsbereich anderer Personen gelangen kann. Damit verbunden ist, dass der Energieverbrauch im Gebäude entsprechend ansteigen wird, soweit keine Wärmetauscher vorhanden sind, bei denen die Wärme der Abluft der Erwärmung der Frischluft dient.

Raumluftmanagement bleibt auch nach Corona aktuell

Die mit der Corona-Pandemie begonnene Diskussion zum Thema Lufthygiene in geschlossenen Räumen wird auch nach der Pandemie von Bedeutung sein. Der Anspruch, in Räumen mit gesunder Luft zu leben und zu arbeiten, wird bleiben. Für die Architektur und die Gebäudeplanung ergeben sich neue Herausforderungen, die mit dem Ziel einer nachhaltigen Energieeinsparung beim Betrieb, der Sanierung und dem Neubau von Gebäuden verbunden werden müssen. Ein Gebäude wird zukünftig als nachhaltig zu bewerten sein, wenn es hohe Energieeffizienz mit gesunden Raumluftbedingungen verbindet und somit den Zielkonflikt zwischen der Lufthygiene und der Energieeffizienz auflöst.

Fünf Lösungsansätze für ein energieeffizientes, gesundes Raumluftmanagement

Die Aufenthaltszeit in potenziell belasteten Räumen zu reduzieren ist effektiv und in den zurückliegenden Monaten der Pandemie der am häufigsten umgesetzte Lösungsansatz. Jedoch sollten mit Blick in die Zukunft, und mit dem Wunsch auf eine schnelle Rückkehr des normalen gesellschaftlichen Lebens, die Schließung von öffentlichen Gebäuden und das Vermeiden menschlicher Kontakte nicht die einzigen Mittel sein, die im Kampf gegen das Coronavirus eingesetzt werden. Im Folgenden werden Lösungen genannt, die Menschen ohne große Einschränkungen vor einer gegenseitigen Ansteckung in Gebäuden bewahren.

1. Zuverlässige Abführung der ausgeatmeten Luft

Möchte man belebte Räume mit vielen gleichzeitig anwesenden Personen langfristig öffnen, muss sichergestellt werden, dass eine Übertragung der ausgeatmeten Krankheitserreger verhindert wird. Zuverlässig funktioniert dies nur unter großem technischem Aufwand. In Operationssälen wird dies zum Beispiel durch eine sogenannte Verdrängungslüftung erreicht. Dabei wird eine laminare Luftströmung von der Decke zum Boden erreicht und die waagerechte Strömung im Raum und zwischen den anwesenden Personen verhindert. Egal wo im Raum eine infektiöse Person Viren ausatmet, werden diese durch die erzwungene laminare Strömung erfasst und direkt zu Boden geleitet und dort aus dem Raum abgeführt. Jedoch ist dieser Aufwand in den wenigsten öffentlichen Gebäuden technisch realisier- und wirtschaftlich tragbar.

2. Quelllüftung

Einen ähnlichen Ansatz realisiert die sogenannte Quelllüftung. Hierbei wird frische, kühle Luft im unteren Bereich in den Raum eingeleitet. Die dabei langsam in den Raum quellenden Luftmassen sind um einige Größenordnungen geringer als bei der Verdrängungslüftung eines OP-Saals. Der technische und finanzielle Aufwand ist weitaus kleiner. Durch das behutsame Einleiten der frischen Zuluft bildet sich auf dem Boden ein Kaltluftsee aus. Personen, Geräte und sonstige Wärmequellen im Raum bewirken eine Erwärmung der Luft und dadurch ein Aufsteigen der Frischluft an der eigenen Thermik in Richtung Decke.
Vereinfacht ausgedrückt, beziehen die Personen ihre Atemluft direkt aus dem Frischluftsee, in dem Sie stehen, sitzen oder „waten“. Nachdem sie die Luft wieder ausatmen, steigt diese erwärmt in Richtung Decke. Durch Abluftauslässe, die verteilt über den Raum angeordnet sind, wird die belastete Luft aus dem Gebäude abgeleitet.

Die Wahrscheinlichkeit einer Infektion anderer Personen im Raum kann durch diese passive Luftlenkung effektiv reduziert werden. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass sie unter den Zu- und Abluftsystemen mit einem vergleichsweise geringen technischen Aufwand betrieben werden kann. Eine Wärmerückgewinnung lässt sich leicht integrieren und solche Systeme sind in vielen Fällen auch im Bestand nachrüstbar. Der Nachteil ist jedoch, dass die beschriebene passive Luftlenkung recht labil ist. Durch schnelle Bewegungen und Querströmungen im Raum wird die zuverlässige Ableitung der belasteten Luft behindert. Lösungen zur Quelllüftung können überall dort eingesetzt werden, wo sich Personen im Raum ruhig verhalten und keine großen thermischen Lasten neben den Personen vorhanden sind. Diese Randbedingungen treffen beispielsweise in Vorlesungssälen oder einigen Büros zu.

3. Verdünnung der ausgeatmeten Luft mit frischer Außenluft – Mischlüftung

Beim Konzept der Mischlüftung wird die belastete ausgeatmete Luft mit einer großen Frischluftmenge im Raum verdünnt oder vermischt. Auch bei starken Verwirbelungen durch Bewegungen und Querströmungen im Raum und großen thermischen Lasten kann bei einer ausreichenden Dimensionierung und korrekten Positionierung der Zu- und Abluftöffnungen, eine kritische Konzentration an Krankheitsträgern schnell so stark verdünnt werden, dass die Wahrscheinlichkeit einer Infektion anderer Personen deutlich reduziert wird.

Die umzuwälzenden Luftvolumenströme und der dafür erforderliche Energieaufwand bei einer Mischlüftung sind deutlich größer als bei der zuvor diskutierten Quelllüftung. Eine Wärmerückgewinnung ist auch bei der Mischlüftung möglich.

Für eine weitere Reduzierung der Viruspartikelkonzentration in der Raumluft können zum Konzept der Mischlüftung auch Luftreiniger im Umluftprinzip ergänzt werden. Diese saugen in einem Teil des Raumes die Luft an und blasen diese um Viren und andere Aerosole bereinigt wieder in denselben Raum zurück.

Da bei der idealen Mischlüftung eine vollständige und ständige Durchmischung der Raumluft vorliegt, ist der Punkt des Ansaugens und Ausblasens der Umluftfiltergeräte theoretisch frei wählbar. Tatsächlich ist in den meisten realen Räumen mit Mischlüftung keine vollständige Durchmischung der Raumluft zu beobachten, sodass sich auch hier Zonen mit höherer und niedriger Luftbelastung ausbilden. Die nachträgliche Installation einer Mischlüftungsanlage ist in vielen Fällen mit sogenannten dezentralen Raumlüftungsgeräten die an der Fassade Außenluft ansaugen und Abluft fortblasen mit mittlerem technischem Aufwand möglich.

4. Reduzierung der Virenlast in der Raumluft durch Umluftfilter und Sterilisierung

Umluftfiltergeräte lassen sich in fast allen denkbaren Aufenthaltsräumen nachrüsten und sind per „plug-and-play“ einsatzbereit. Sie saugen die Raumluft auf der einen Geräteseite an, führen diese durch einen Filter und geben sie wieder in denselben Raum ab. Dabei erreichen einige Geräte eine Filtereffektivität nahe 100 Prozent. Dies bedeutet, dass fast alle in der angesaugten Raumluft enthaltenen Krankheitsträger im Gerät herausgefiltert oder zumindest unschädlich gemacht werden.

Wichtig hierbei ist die Aufstellposition der Geräte. Werden die Geräte bei Räumen mit Quelllüftung oder natürlicher Lüftung in Bodennähe aufgestellt, saugen sie die ohnehin nur gering belastete kühle Frischluft an und führen durch das impulsive Ausblasen in den Raum dazu, dass unter Umständen die stärker belastete Luft unter der Decke verwirbelt wird und zurück in den Aufenthaltsbereich der Personen strömt. Abhängig von der Raumgröße, der Form, der Nutzung und dem installierten Lüftungskonzept ist die Positionierung der Umluftfiltergeräte entsprechend zu wählen.

5. Freie Fensterlüftung

Beinahe alle Aufenthaltsräume verfügen über Fenster nach außen und in den meisten Fällen, zumindest wenn keine Lüftungsanlage installiert ist, auch über zu öffnende Fenster.

Bei der freien Fensterlüftung wird zwischen der permanenten Kipplüftung und der wiederkehrenden Stoßlüftung unterschieden. Die freie Fensterlüftung ist eine der relevantesten Lüftungskonzepte. Sie ist aber in ihrer Wirkung von sehr vielen Einflussfaktoren abhängig, zum Beispiel von der Fenstergröße, von der Ausrichtung, der Temperatur und vom Wind. Es ist gar nicht so einfach, richtig zu lüften.

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