UNTERSUCHUNGEN ZUR BELÜFTUNG VON SCHULEN. M. Eng. Simone Steiger, Dipl.-Ing. Florian Nöske, Matthias Kersken, Dr.-Ing. Runa T.

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1 UNTERSUCHUNGEN ZUR BELÜFTUNG VON SCHULEN M. Eng. Simone Steiger, Dipl.-Ing. Florian Nöske, Matthias Kersken, Dr.-Ing. Runa T. Hellwig Fraunhofer Institut für Bauphysik Abteilung Raumklima und Klimawirkungen Fraunhoferstraße 10, Valley Kurzfassung Fast alle Schulräume werden in Deutschland ausschließlich über Fenster mit Außenluft versorgt. Messungen habe gezeigt, dass die Belüftung der Schulräume vor allem in der kalten Jahreszeit unzureichend ist. Hybride Lüftungssysteme mit einer automatischen Unterstützung der Fensterlüftung könnten eine Möglichkeit bieten, die Häufigkeit schlechter Innenluftqualität in Schulen zu minimieren. Hierbei ist die Anordnung der dezentralen Zuluftöffnungen in den Fassaden eine der kritischsten Systemkomponenten und es besteht gerade bei Schulgebäuden weiterer Untersuchungs- und Optimierungsbedarf. Nach einer Analyse bestehender Fassadentypen mit Öffnungsgeometrien in Schulräumen wird derzeit in einem Freilandversuchsstand die Auswirkung und Anordnung der Zuluftöffnungen auf die thermische Behaglichkeit und die Luftqualität in Klassenräumen untersucht. Nach der Auswahl geeigneter Anordnungen der Zuluftöffnungen sollen Regelungskonzepte für die automatische Fensteröffnung entwickelt werden. Dies soll eine in Schulen praktizierbare, motorisch unterstütze freie Lüftung ermöglichen, die zudem Behaglichkeitseinschränkungen auf ein Minimum reduziert. Stichwörter: Fensterlüftung, hybride Lüftung, Schullüftung, Luftqualität, Messungen im Freilandversuchsstand.

2 1. Einleitung Kohlendioxidmessungen in Schulen in Bayern [1], Niedersachsen [2], und Berlin [3] haben gezeigt, dass die üblichen Grenzwerte als Indikator für gute Luftqualität (1000 oder 1500 ppm) in den meisten Fällen weit überschritten werden. Die höchsten Werte und die häufigsten Überschreitungen treten dabei immer im Winter auf. Da in den meisten Schulen in Deutschland nur über Fenster gelüftet wird, und es dabei gerade im Winter zu Problemen mit der thermischen Behaglichkeit kommt, ist es nicht überraschend, dass die Fenster in den meisten Klassenräumen nicht ausreichend geöffnet werden. Zudem hat sich gezeigt, dass reines Stoßlüften während der Pausen nicht ausreichend für gute Luftqualität ist. Bestätigt werden diese Probleme durch eine Untersuchung aus Schweden [4], bei die Lehrer an verschieden Schulen zum Lüftungsverhalten in den Klassenräumen befragt wurden (siehe Bild 1). Die meistgenannten Gründe für das Öffnen der Fenster waren, dass es im Klassenzimmer zu stickig oder zu warm war. Die wichtigsten Gründe für das Schließen der Fenster waren zu kalte Außenluft oder zu starker Lärm im Außenbereich. Bild 1: Lüftungsverhalten an schwedischen Schulen nach [4]. Dies zeigt, dass es im Bereich der Belüftung von Schulen noch viel Verbesserungsbedarf gibt. Hybride Lüftungssysteme mit einer automatischen Unterstützung der Fensterlüftung könnten eine Möglichkeit zur Verbesserung bieten. Deswegen werden die folgenden Untersuchungen im Rahmen des Verbundprojektes Heizenergieeinsparung, thermische Behaglichkeit und gute Luftqualität in Schulgebäuden durch hybride Lüftungstechnik, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Projektträger Jülich, durchgeführt.

3 2. Untersuchungen in realen Schulen und experimentelle Untersuchungen 2.1 Schulbegehungen im Landkreis Miesbach Um typische Bauarten und Fenstertypen in Schulen zu erfassen, wurden sämtliche Schulen im Landkreis Miesbach nach folgenden Faktoren untersucht. Klassengrößen Fläche der Klassenzimmer Orientierung der Klassenzimmer Fensterfläche Fenstertypen Verglasungstypen Sonnenschutz ( Nutzbarkeit außerhalb Unterrichtszeiten) Lüftungssystem ( Nutzbarkeit außerhalb Unterrichtszeiten) Heizungssystem Bauart (schwer, leicht) u.a. Aufgrund ihrer Bedeutung für die folgenden experimentellen Untersuchungen wird hier nur ein Auszug der Ergebnisse dargestellt. Die meisten Klassenräume im Landkreis haben einen Fensterflächenanteil von 30 bis 60% (siehe Bild 2). Es gibt nur wenige Klassenräumen deren gesamte Fassade verglast ist. Der Anteil mit sehr geringer Verglasung ist erstaunlich hoch. Dabei handelt es sich meist um Räume, die ursprünglich nicht für Unterrichtszwecke vorgesehen waren, jetzt aber aus Platzmangel doch dazu verwendet werden. Bild 2: Fensterflächenanteil bei Klassenräumen im Landkreis Miesbach.

4 Die Fenstertypen, die am häufigsten vorgefunden wurden, sind Fenster mit Kipp- bzw. Drehkippflügeln und Fenster mit Schwingflügeln (siehe Bild 3). Auffällig ist auch ein relativ hoher Anteil an Festverglasung. Bild 3: Fenstertypen bei Klassenräumen im Landkreis Miesbach. 2.2 Messungen im Freilandversuchsstand zur Belüftung von Klassenräumen Bei den bisher gelaufenen Versuchen wurden Kippfenstern in verschiedenen Höhen in Bezug auf akzeptable Luftqualität und akzeptable Bedingungen für thermische Behaglichkeit verglichen. Das Testgebäude besitzt dazu drei Reihen von Kippfenstern übereinander (siehe Bild 4). Dahinter befinden sich zwei identische Räume mit den typischen Maßen eines Klassenzimmers. Die Fassaden können dabei ohne großen Aufwand ausgetauscht werden.

5 Bild 4: Ansicht Freilandversuchsstand zur Belüftung von Klassenräumen am IBP in Holzkirchen. In den Räumen werden Lufttemperatur, Oberflächentemperatur, Strömungsgeschwindigkeit und Kohlendioxidgehalt der Raumluft an verschiedenen Messstellen erfasst (siehe Bild 5). Die Lasten werden durch je Raum durch 24 Dummies, die Wärme und Kohlendioxid abgeben, nachgebildet. Bild 5: Ansicht Klassenraum im Freilandversuchsstand zur Belüftung von Klassenräumen am IBP in Holzkirchen.

6 Die Versuche fanden bei Außentemperaturen von 2 bis 20 C statt. Eine Analyse der Außentemperaturen der letzten 10 Jahre in Holzkirchen zu Schulzeiten (8:00 bis 16:00 Uhr) zeigt, dass 90% der Außentemperaturen zwischen -5 und 25 C liegen (siehe Bild 6). Damit decken die Versuche in etwa den relevanten Außentemperaturbereich ab. Versuche bei Außentemperaturen unter 0 C werden noch folgen. Bild 6: Außentemperaturen zu Schulzeiten in Holzkirchen während der letzten 10 Jahre. Bei den Versuchen wurden verschiedene Öffnungsvarianten verglichen (siehe Bild 7). Die Raumheizung war bei den Versuchen ausgeschaltet. Bild 7: Untersuchte Öffnungsvarianten (bei grau hinterlegten Feldern sind die Fenster nur halb gekippt).

7 Die Variante 10, die als Standard angesehen werden kann (große Kippflügel auf mittlerer Höhe gekippt) wurde sehr oft wiederholt. Daraus lassen sich Zusammenhänge von Kohlendioxidgehalt und Raumlufttemperatur zur Witterung (Windgeschwindigkeit und richtung, Außenlufttemperatur) ableiten. Beim Kohlendioxidgehalt sieht man trotz einseitiger Fensterlüftung sehr deutlich die Tendenz zu niedrigeren Konzentrationen bei höheren Luftgeschwindigkeiten (siehe Bild 8). Allerdings ist die Varianz sehr groß. Bild 8: Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Kohlendioxidgehalt der Raumluft (3 große Fenster auf mittlerer Höhe geöffnet). Die Raumlufttemperatur zeigt einen sehr deutlichen Zusammenhang zur Außenlufttemperatur, zur Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Hier sind exemplarische die Korrelationsgeraden für die Windrichtung NO dargestellt (siehe Bild 9). Die Grafik zeigt deutlich, dass die Innentemperaturen umso niedriger liegen, je niedriger die Außenlufttemperaturen und je höher die Windgeschwindigkeiten sind. Die Raumlufttemperatur zeigt damit auch einen deutlichen Zusammenhang zum Luftwechsel. Wie erwartet, sinkt der Einfluss der Luftgeschwindigkeit und damit des Luftwechsels mit steigender Außentemperatur.

8 Bild 9: Zusammenhang zwischen Außenlufttemperatur und Raumlufttemperatur bei vier verschiedenen Windgeschwindigkeiten (3 große Fenster auf mittlerer Höhe geöffnet). Aufgrund dieser Feststellungen und den Häufigkeiten der Witterungsbedingungen wurden die restlichen Daten mit dichotomer Aufteilung nach der Witterung untersucht (siehe Tabelle 1). Tabelle 1: Dichotome Aufteilung der Messdaten nach den Außenbedingungen. Außentemperatur 10 C > 10 C Windgeschwindigkeit ohne Wind ( < 1 m/s) mit Wind Windrichtung NO SW Solare Einstrahlung ohne SE (< 100 W/m²) mit SE Beim Vergleich der Varianten bei den verschiedenen Gruppierungen zeigt zwar einen Unterschied in den absoluten Kohlendioxidkonzentrationen, die Lage der Varianten zueinander verändert sich aber kaum, ganz egal nach welcher Bedingung die Daten gruppiert werden (vgl. als Beispiele Bild 10, 11 und 12).

9 Bild 10: Kohlendioxidgehalt der Raumluft bei verschiedenen Öffnungsvarianten (Windgeschwindigkeit > 1m/s). Bild 11: Kohlendioxidgehalt der Raumluft bei verschiedenen Öffnungsvarianten (Windgeschwindigkeit < 1m/s).

10 Bild 12: Kohlendioxidgehalt der Raumluft bei verschiedenen Öffnungsvarianten (Außentemperatur > 10 C). Ein ausreichende Luftqualität in der Aufenthaltszone können dabei nur die Varianten 13 und 16 bieten (unter manchen Bedingungen auch noch die Variante 14), bei denen immer zwei Fenster übereinander voll geöffnet sind. Absolut schlechte Luftqualität liefert Variante 12, bei der nur eine Fensterreihe nahe der Aufenthaltszone geöffnet ist. Auffällig bei den gemessenen Werten ist auch, dass bei den Varianten 10, aber vor allem bei den Varianten 11 und 12 die Schwankungsbreite sehr groß ist. Es wird vermutet, dass sich bei den anderen Varianten, bei denen immer zwei Fenster übereinander geöffnet sind, eine stabilere Raumluftströmung einstellt. Vergleicht man die Variante in Bezug auf die Raumlufttemperatur zeigt sich ein etwas anderes Bild. Liegen die Außentemperaturen unter 10 C kristallisieren sich sowohl gut als auch schlechte Varianten heraus (siehe Bild 13). Steigen die Temperaturen aber über 10 C liegen die Raumlufttemperaturen bei allen Varianten auch ohne zusätzliche Heizung in einem akzeptablen Bereich (siehe Bild 14).

11 Bild 13: Raumlufttemperatur bei verschiedenen Öffnungsvarianten (Außentemperatur < 10 C). Bild 14: Raumlufttemperatur bei verschiedenen Öffnungsvarianten (Außentemperatur > 10 C).

12 Eine akzeptable Raumlufttemperatur ohne Raumheizung bieten bei tiefen Außentemperaturen nur die Varianten 12, 15 und 17. Da bei den Varianten 11, 18 und 19 die Raumlufttemperaturen nicht wesentlich unter 18 C fallen, könnten auch diese Varianten eingesetzt werden, wenn eine zusätzliche Raumheizung eingeschaltet ist. 3. Schlussfolgerungen Vergleicht man die Ergebnisse bezüglich Kohlendioxidkonzentration und Raumlufttemperatur lässt sich keine optimale Variante finden. Varianten die bei der Luftqualität besonders gut abgeschnitten haben, sind bei der Bewertung der Raumlufttemperatur auch besonders schlecht. Einen Kompromiss bei kalten Außenlufttemperaturen könnten die Varianten 15, 17, 18 und 19 bilden, bei denen die Kohlendioxidkonzentrationen bei noch akzeptabler Raumlufttemperatur immerhin unter 2000 ppm bleiben. Das ist jedenfalls ein besserer Wert als in den meisten realen Klassenzimmern im Winter gemessen wurde. Bei Temperaturen über 10 C könnte man dann eine Variante wählen, die die Luftqualität optimiert (z.b. Variante 13). Die Versuche zeigen jedoch, dass eine möglichst variable Fassade mit Öffnungen in mehreren Höhen notwendig ist, um Fensterlüftung auch im Winter effektiv einsetzen zu können. Die in vielen Schulen anzutreffende Standardvariante (ein Fensterreihe mit großen Drehkippfenstern) ist jedenfalls nicht optimal dafür geeignet, sie sehr abhängig von den Witterungsbedingungen und liefert weder akzeptable Luftqualität noch akzeptable Raumlufttemperaturen. Als weitere Versuche sind noch Messungen mit Schwingflügeln vorgesehen, sowie eine Wiederholung der Versuch mit Kippflügeln bei Temperaturen unter 0 C. Da bei den Varianten, die relativ gute Raumlufttemperaturen bei noch akzeptabler Raumluftqualität gezeigt haben, immer auch die Öffnungsweite variiert war, werden noch weiter Versuche in dieser Richtung in Kombination mit unterschiedlichen Regelungskonzepten folgen. 4. Zusammenfassung Untersuchungen an realen Schulen im Landkreis Miesbach haben gezeigt, dass in den meisten Schulen über Fenster gelüftet wird. Die Fenster sind in den meisten Fällen mit Drehkippflügeln oder Schwingflügeln ausgestattet. Zudem gibt es einen relativ hohen Anteil an Festverglasung. Bei experimentellen Versuchen mit Kippflügeln in verschiedenen Höhen zeigte sich, dass es durchaus von Vorteil ist, eine möglichst variable Fassade zu haben, da es keine optimale Öffnungsvariante für alle Witterungsbedingungen gibt. Grundsätzlich schneiden Varianten, die gute Luftqualität liefern, bei der Raumlufttemperatur eher schlecht ab, und umgekehrt. Die übliche Variante mit nur einer Reihe großen Kippfenstern bringt in den wenigsten Fällen akzeptable Ergebnisse, vor allem bei sehr kalten Außenluftbedingungen. Gute Raumlufttemperaturen bei gerade noch akzeptabler Raumluftqualität liefern vor allem Varianten, bei denen die Öffnungsweite variiert wurde. Deswegen werden in diesem Bereich noch weitere Versuche folgen.

13 Allgemein wird es bei Fensterlüftung und kalten Außenlufttemperaturen aber wohl kaum ein Optimum bei Raumluftqualität und Raumlufttemperatur zur gleichen Zeit geben. Trotzdem ist es nicht notwendig, Fensterlüftung auch bei -10 C oder noch kälter zu ermöglichen. Eine Auswertung der Wetterdaten in Holzkirchen über die letzten zehn Jahre hat ergeben, dass sich zu 90% der Schulzeiten die Außentemperaturen zwischen -5 und 25 C bewegen. Bei Außentemperaturen über 10 C reichte die Wärmeabgabe der Dummies ohne zusätzliche Raumheizung aus, um Lüftungswärmeverluste bei jeder hier untersuchten Öffnungsvariante auszugleichen. Bei diesen Außentemperaturen kann also die Fensterlüftung rein auf eine optimale Raumluftqualität ausgerichtet werden. 5. Literaturverzeichnis [ 1] Fromme, H., Dietrich, S., Kiranoglu, M., Twardella, D., Schierl, R., Nowak, D., Heitmann, D., Körner, W., Frische Luft an bayerischen Schulen. Untersuchungen zur Verbesserung der Luftqualität, Vorläufige Zusammenfassung, Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit, München, 2006 [ 2] Grams, H., Hehl, O., Dreesman, J., Niedersächsisches Schulmessprogramm: Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Raumluftqualität in Klassenräumen sowie Modellierung von Kohlendioxid-Verläufen, Niedersächsisches Landesgesundheitsamt, Projektbericht 2002 und Ergänzungen 2004 [ 3] Institut für Lebensmittel, Arzneimittel und Tierseuchen Berlin (ILAT) und Landesamt für Arbeitsschutz, Gesundheitsschutz und technischer Sicherheit Berlin: Dicke Luft im Klassenzimmer? Innenraumluftqualität in Berliner Schulen. Untersuchungen im Berliner Stadtgebiet 2002/2003, Ohne Jahresangabe, [ 4] Nordquist, B., Vädring av skolor - ett komplement till normal ventilation?, Stockholm, 1998