Luftqualität in Schulräumen

Flexible und nachhaltige Lösungen für saubere Luft in Klassenzimmern

Beitrag von #ProtectTheKids, v1.21 (22.09.2022).

Copyright 2022, #ProtectTheKids (Schweiz).

Für eine gesunde Raumluft zu sorgen und gleichzeitig Energie zu sparen ist je nach Gebäudestandard und Aussentemperatur eine Herausforderung. Flexible Lösungen für saubere Raumluft, welche beide Ziele erreichen, lassen sich durch eine geeignete Kombination von Ventilation/Lüften und Filtration bzw. Deaktivierung von Aerosolen realisieren. Mobile Luftreiniger ermöglichen eine rasche Umsetzung in Räumen ohne Lüftungssystem und in Gebäuden, deren Lüftungssysteme nicht kurzfristig saniert werden können.

Insbesondere im Hinblick auf den Winter 2022/23, aber auch mit einer längerfristigen Sicht, widmen wir uns folgenden Fragestellungen:

  • Welche Konzepte ermöglichen eine rasche Verbesserung der Luftqualität in Schulhäusern bzw. Schulräumen, welche aktuell über kein Raumklimasystem verfügen, und welche eignen sich für Schulhäuser, welche nach dem Minergie-Standard gebaut wurden oder mit einem veralteten Raumklimasystem ausgerüstet sind?
  • Wie lässt sich ein Lüftungkonzept, welches die CO2-Konzentration in einem gesundheitlich akzeptablen Bereich hält und gesundheitsgefährdende Aerosole soweit als möglich entfernt, sowohl ökonomisch als auch energieeffizient realisieren?
  • Angesichts der vorhersehbaren Energiekrise im Winter 2022/23 und auch längerfristig im Interesse nachhaltiger Lösungen: Wie können Ventilation und HEPA-Filtration für eine sehr gute Reduktion der respiratorischen Aerosole bei bestmöglicher Energieeffizienz kombiniert werden?

Inhaltsverzeichnis

  1. Lüften alleine reicht nicht
  2. Mechanische Ventilation
  3. Gesunde Raumluft und Energieeffizienz: Wie erreichen wir beides?
  4. Effektive Methoden zur Verbesserung der Raumluft

1. Lüften alleine reicht nicht

Regelmässiges Lüften durch Öffnen der Fenster garantiert leider nicht zuverlässig und nachhaltig eine ausreichende Luftqualität. Das oft gepriesene Stosslüften kann zwar kurzfristig Abhilfe schaffen, führt jedoch zu hohen Peaks in der Konzentration von CO2 und Aerosolen. Bei ungünstigen Bedingungen wie tiefen/hohen Aussentemperaturen, zu viel Wind (Durchzug), Lärm, Feinstaub/Smog in städtischen Gebieten etc. ist Stosslüften einem angenehmen Raumklima nicht förderlich.

Für CO2-Konzentrationen unter 1000 ppm müssen Klassenzimmer ohne Raumklimasystem bei einer Belegung mit ca. 25 Personen je nach Aktivität bis zu drei Mal pro Stunde gelüftet werden, was die Lektionsgestaltung erheblich stören kann. In der Folge wurden die CO2-Sensoren mancherorts kurzerhand ausser Betrieb gesetzt. Ein Klassenzimmer drei Mal pro Stunde zu lüften ist weder bei tiefen Aussentemperaturen (wesentlich unter 10 Grad Celsius ⇒ grosser Wärmeverlust und grosse Schwankungen der Raumtemperatur) noch in Hitzeperioden (Aussenluft wärmer als Raumluft) praktikabel.

Insbesondere bei geringer Temperaturdifferenz zur Aussenluft und bei Windstille ergibt freies Fensterlüften keine ausreichende Luftqualität, auch nicht bei mehrmaligem Öffnen der Fenster pro Stunde; die Luft wird sogleich wieder stickig. Auch in Schulhäusern, welche nach dem Minergie-Standard gebaut wurden, haben die Klassenzimmer häufig eine unzureichende Frischluftzufuhr; in manchen Gebäuden lassen sich nicht einmal die Fenster öffnen. Ein unzureichender Luftaustausch macht sich durch eine rasch steigende CO2-Konzentration bemerkbar.

Das Delegieren der Verantwortung ausschliesslich an die Lehrpersonen ist nicht ausreichend und zielführend, weil ohne technische Hilfsmittel wie mechanische Ventilation und Filtration eine gute Luftqualität in dicht belegten Klassenzimmern nicht erreichbar ist.

Eine ausreichende Reduktion der Aerosol- und CO2-Konzentrationen in Schulräumen ist unerlässlich für ein gesundes Schulklima, erfolgreiches Lernen und zum Schutz von Schülerinnen, Schülern und Lehrpersonen. Konkrete Massnahmen für eine deutliche Verbesserung der Luftqualität in Schulräumen sind längst überfällig.

Die Gemeinden stehen in der Verantwortung bei den Schulgebäuden der Volksschule, aber die Kantone tragen eine Mitverantwortung und können es nicht alleine den Gemeinden überlassen, ob und wie sie dies angehen und umsetzen.

#ProtectTheKids setzt sich dafür ein, dass die Kantone Richtlinien für eine bessere Luftqualität in Schulräumen erlassen, welche zweckmässige und wirkungsvolle Lösungen in den Gemeinden fördern.

2. Mechanische Ventilation

Wenn keine Möglichkeit für eine Querlüftung besteht, kann unter Umständen nur mit Hilfe von Ventilatoren ein ausreichender Luftaustausch erzielt werden.

In der italienischen Region Marche wurde in einer Kohorten-Studie (siehe Increasing ventilation reduces SARS-CoV-2 airborne transmission in schools) mit Beteiligung von über 10’000 Klassenzimmern der Zusammenhang zwischen mechanischer Ventilation und der Übertragung von SARS-CoV-2 untersucht. Für Klassenzimmer, welche mit mechanischer Ventilation ausgerüstet sind, fand die Studie eine Reduktion des relativen Infektionsrisikos bei zunehmender Ventilationsrate: Eine Rate im Bereich von 10 bis 14 Litern pro Sekunde pro Person reduzierte die Infektionswahrscheinlichkeit für Schülerinnen und Schüler um 80 % gegenüber Klassenzimmern mit ausschliesslich natürlicher Belüftung. Jede weitere Erhöhung der Ventilationsrate um 1 Liter pro Sekunde pro Person reduzierte das relative Infektionsrisiko um 12 bis 15 %.

3. Gesunde Raumluft und Energieeffizienz: Wie erreichen wir beides?

Grundsätzlich gibt es für eine gesunde Raumluft mehrere Methoden, welche kombiniert werden können und sollen, nämlich

  1. Ventilation/Lüften (Frischluft zuführen und Abluft wegführen – O2-Konzentration erhöhen, CO2-Konzentration reduzieren und Aerosole verdünnen)
  2. Aerosole filtern (mit HEPA-Filtern in mobilen Luftreinigern oder Lüftungssystemen mechanisch aus der Umluft entfernen) und
  3. Infektiöse Aerosole deaktivieren (in der Umluft mittels UV-C unschädlich machen).

Dieses Vorgehen deckt sich mit der Strategie «Saubere Luft für pandemiegerechte Gebäude» [Riediker-2022b] (siehe White Paper «Clean air for pandemic-proof buildings» [Riediker-2022c]) der Schweizer Expertengruppe für pandemiegerechte Gebäude – insbesondere mit der Phase 1 («Einführung und Begleitung temporärer Massnahmen für saubere Luft») dieser Strategie.

Auch CDC, die US-Behörde für öffentliche Gesundheit, propagiert in «Reducing SARS-CoV-2 in Shared Indoor Air» das Kombinieren dieser Methoden.

Alle drei Methoden reduzieren die Konzentration gesundheitsgefährdender Aerosole in der gemeinsam genutzten Raumluft. Gemäss «Mask Use and Ventilation Improvements to Reduce COVID-19 Incidence in Elementary Schools» war die Inzidenz von COVID-19 bei einer Studie mit 169 Primarschulen im Staat Georgia (USA) 35 % tiefer in 39 Schulen, welche alleine mit Lüften arbeiteten, und 48 % tiefer in 31 Schulen, welche Lüften und Filtern kombinierten.

Anhand eines Simulationsmodells wurde in «Efficacy of portable air cleaners and masking for reducing indoor exposure to simulated exhaled SARS-CoV-2 aerosols – United States, 2021» für ein Konferenz-/Klassenzimmer gezeigt, dass Filterung mit zwei mobilen HEPA-Luftreinigern die Belastung der Anwesenden mit den Partikeln einer infektiösen Person um 65 % reduzierte, in Kombination mit dem Tragen von Masken um 90 %. Auch FFP2- oder FFP3-Masken filtern Aerosole – mit dem Vorteil, dass infektiöse Partikel bereits an der Quelle grösstenteils eliminiert werden.

Wenn die Belüftung aus energetischen Gründen Umluftanteile enthält, dann müssen diese mit HEPA-Filtern gefiltert oder mit UV-C desinfiziert werden, bevor sie dem Raum zugeführt werden. Hier fokussieren wir auf die Methoden 1 und 2.

Das mehrmalige Lüften pro Stunde ist im Laufe der Pandemie mancherorts zum Standard geworden. Doch während der Heizperioden und an Hitzetagen ist auch die Energieeffizienz ein äusserst wichtiges Kriterium.

HEPA-Luftfiltergeräte (siehe Mobile Luftreiniger für Schulen und Betreuungseinrichtungen) oder auch Lüftungssysteme, welche mit HEPA-Filtern ausgerüstet sind, entfernen potenziell virenbeladene Aerosole aus der Raumluft. HEPA-Filtration ist für die Lufthygiene besonders wichtig in der kalten Jahreszeit, wenn das Lüften häufiger unterbleibt, und sie ist zwingend notwendig für rezirkulierte Luft. Raumluft, welche mit genügend Aerosol-reduzierenden Luftwechseln pro Zeiteinheit erneuert wird, ist gesundheitlich unbedenklich, auch wenn sie eine gegenüber der Aussenluft erhöhte CO2-Konzentration bis zu einem Richtwert von ca. 1400 ppm aufweist.

Mobile Luftreiniger sind besonders geeignet für Räume ohne Lüftungssystem und ermöglichen auch eine kostengünstige, schnell umsetzbare Übergangslösung für Räume mit einem Lüftungssystem, welches nur im Rahmen einer Sanierung mit HEPA-Filtern ausgestattet werden kann. Bei Neubauten und Sanierungen empfiehlt es sich, die Lüftungssysteme mit HEPA-Filtern der Klasse 13 oder 14 auszurüsten.

4. Effektive Methoden zur Verbesserung der Raumluft

Aerosole werden sowohl durch Ventilation als auch durch HEPA-Filtration aus der Raumluft entfernt. Die Volumenströme von Ventilation (Qventilation) und Filtration (Qfiltration), welche in Kubikmetern pro Stunde gemessen werden, tragen somit beide zur Reduktion der Aerosole bei.

Sowohl Ventilation als auch Filtration führt normalerweise durch Vermischung der eingeführten Luft mit der restlichen Raumluft zu einer Verdünnung der Aerosole (sog. Verdünnungslüftung oder Mischlüftung). Zur Bestimmung, wie schnell Aerosole verdünnt werden, ist es nützlich, die Volumenströme in Relation zum Raumvolumen V zu betrachten. Man verwendet dazu Luftwechselraten oder Air Change Rates

ACRventilation = Qventilation / V
ACRfiltration = Qfiltration / V

mit der Einheit “Luftwechsel pro Stunde”. Wie schnell Aerosole verdünnt werden, wird durch die Aerosol-reduzierende Luftwechselrate [Riediker-2020]

ACRaerosol = ACRventilation + ACRfiltration

bestimmt. In Gegenwart einer infizierten Person, welche kontinuierlich mit einer Rate Rv (Anzahl Virionen pro Stunde) Viren emittiert, ergibt sich bei Mischlüftung und einer gegebenen Luftwechselrate ACRaerosol im stationären Zustand (welcher sich einstellt, wenn Viren-Emission und Luftwechsel im Gleichgewicht sind) eine Aerosol-Konzentration in Virionen pro m3 von

caerosol = Rv / (V × ACRaerosol).

Ventilation und Filtration werden somit zur Reduktion der Aerosol-Konzentration mit Vorteil kombiniert. Dies gilt ungeachtet der Tatsache, dass die CO2-Konzentration nur durch Ventilation reduziert werden kann. Es gilt insbesondere auch für Schulhäuser nach Minergie-Standard sowie allgemein für Schulräume mit Lüftungsanlagen, in welchen zugunsten der Energieeffizienz mit Umluftanteilen gearbeitet wird. Die Erfahrungen mit zahlreichen SARS-CoV-2-Superspreading-Ereignissen zeigen, dass rezirkulierte Raumluftanteile durch HEPA-Filtration gereinigt werden müssen, sei es mit mobilen Luftreinigern oder durch Nachrüsten der Lüftungsanlage, wie die Expertengruppe für pandemiegerechte Gebäude in ihrer Strategie festhält [Riediker-2022b].

Bei dicht belegten Schulräumen in Standardgrösse (Fläche 72 m2, Volumen ca. 200 m3) mit 25 Jugendlichen wird für eine wirksame Entfernung und Verdünnung respiratorischer Aerosole eine Luftwechselrate ACRaerosol von 5 bis 6 Luftwechseln pro Stunde empfohlen [Riediker-2022c].

Beim Kombinieren von Ventilation und Filtration sind Luftwechsel infolge Ventilation bis zu einem gewissen Punkt austauschbar mit Luftwechseln, welche durch Filtration erzielt werden. Solange nämlich die CO2-Konzentration in einem mittleren, akzeptablen Bereich unter ca. 1’400 ppm verbleibt, kann ACRventilation reduziert und ACRfiltration entsprechend erhöht werden, ohne dass sich die Aerosol-Gleichgewichtskonzentration ändert.

Wie die folgenden Abbildungen 1 bis 3 zeigen, kann eine Kombination von Ventilation und Filtration mit massvoller Reduktion der Ventilation um 33 % und grosszügig bemessener Filtration bei verbesserter Energiebilanz sogar eine wesentlich tiefere Aerosol-Gleichgewichtskonzentration erreichen als eine reine Ventilationslösung.

Abb. 1 zeigt den Wärmebedarf pro Person im Klassenzimmer bei Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA) [MPIC-2022], einer reinen Ventilationslösung. Der Wärmebedarf wurde für einen günstigen Fall bezüglich Frischluftzufuhr und einen ungünstigen Fall mit reduziertem Volumenstrom berechnet, wobei die gleichen Volumenströme wie in Tabelle 1 von [MPIC-2022] verwendet wurden. Unter Berücksichtigung des gesamten Volumenstroms für Ventilation und der Wärmeproduktion durch die anwesenden Personen entsteht bei Aussentemperaturen unter der Heizgrenze von 14.8 Grad Celsius (bei grossem Volumenstrom) bzw. unterhalb von 12.4 Grad Celsius (bei reduziertem Volumenstrom) ein Heizbedarf (Temperatur-gesteuerte Heizung).

Abb. 1: Wärmebedarf pro Person im Klassenzimmer bei Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA).

Abb. 2 zeigt den Wärmebedarf pro Person, wenn Ventilation mit Filtration kombiniert wird (FLA+Filtration). Hier wurden die Volumenströme bei der Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA) gegenüber Abb. 1 um 33 % reduziert. Die Heizgrenze, also die Aussentemperatur, welche das Einschalten der Heizung erforderlich macht, liegt bei 12.4 Grad Celsius (bei grossem Volumenstrom) bzw. bei 9.0 Grad Celsius (bei reduziertem Volumenstrom).

In dieser Kombination kommen drei mobile Luftreiniger zum Einsatz, welche bei 50 % der Maximalgeschwindigkeit betrieben werden und dabei eine effektive CADRtotal (total Clean Air Delivery Rate) von 800 m3/h erreichen. Die totale Leistungsaufnahme der drei Luftreiniger (ca. 60 Watt auf mittlerer Stufe) ist gegenüber der eingesparten Heizleistung vernachlässigbar.

Abb. 2: Wärmebedarf pro Person im Klassenzimmer bei Kombination von Ventilation und Filtration (FLA+Filtration). Bei der Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA) wurden die Volumenströme gegenüber Abb. 1 um 33 % reduziert.

Abb. 3 zeigt nun den eingesparten Wärmebedarf pro Klassenzimmer, wenn wir die Kombination FLA+Filtration in Abb. 2 mit der reinen Ventilationslösung in Abb. 1 vergleichen. Die grössere Steilheit im Bereich von 9 bis 15 Grad Celsius kommt dadurch zustande, dass die Heizgrenzen in Abb. 2 (Volumenstrom der Lüftung um 33 % reduziert) deutlich tiefer liegen als in Abb. 1.

Zum Beispiel neigt sich die rote Kurve (leistungsfähige mechanische Ventilation mit 1200 m3/h) im Bereich zwischen 12 und 15 Grad Celsius stärker, denn bei einer Reduktion des Lüftungsvolumenstroms um 33 % muss die Heizung erst bei einer Aussentemperatur von 12 Grad Celsius eingeschaltet werden, d. h. die Heizgrenze verschiebt sich um 3 Grad nach unten.

Das Bild zeigt die eingesparte Heizleistung pro Klassenzimmer in Abhängigkeit der Aussentemperatur, wenn man eine mechanische Lüftung mit Filtration kombiniert.
Abb. 3: Eingesparte Heizleistung pro Klassenzimmer bei Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA) in Kombination mit Filtration (mobile Luftreiniger).

Tabelle 1 zeigt zwei verschiedene Methoden der Ventilation, Dauerlüften mit Kippfenstern (DLK) sowie Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA) [MPIC-2022] zuerst ohne, dann in Kombination mit Filtration durch mobile Luftreiniger. Bei den kombinierten Varianten ist die Ventilation um 33 % reduziert.

Tabelle 1: Übersicht der analysierten Methoden für Luftqualität (siehe Beschreibung im Text), mit Wirksamkeit betreffend Reduktion von CO2 und Aerosolen (inhalierte Virendosis) sowie Angabe des eingesparten Energiebedarfs für Wärme. Jede Methode/Kombination wurde für zwei Fälle analysiert:
1.   Ungünstiger Fall mit weniger Lüftungsvolumen (obere Zeile)
2. Günstiger Fall mit mehr Lüftungsvolumen (untere Zeile)

Die Berechnungen für Tabelle 1 wurden analog zu [MPIC-2022] durchgeführt, und zwar für die Methoden Dauerlüften mit Kippfenstern (DLK) sowie Fensterlüftung mit Abluftventilatoren (FLA), jedoch zusätzlich auch in Kombination mit Filtration. Die Wärmeproduktion der anwesenden Personen wurde dabei berücksichtigt.

Quellluft-Effekte können die Schadstoffbelastungen leicht reduzieren [MPIC-2022], werden aber hier bei keiner Methode berücksichtigt, da diese Effekte von Eigenheiten des Raums abhängen und nur unter günstigen Bedingungen zum Tragen kommen.

Infizierte Menschen tragen unterschiedlich viele Viren in sich. Zudem emittieren einige mehr, andere weniger Aerosole. Dies führt zu grossen Unterschieden in der Emission (Freisetzung) von Virionen. Man spricht daher von unterschiedlich hohen Emittenten. Das SARS-CoV-2 Virus ist gekennzeichnet durch eine sehr grosse Virenproduktion [Riediker-2022a]. Bei Omikron sind rund 50 % bis 75 % der Infizierten “Hohe Emitter” und 20 % bis 30 % sogar “sehr hohe Emitter”. Die “Virendosis” entspricht der mit PCR-Tests nachgewiesenen Zahl von Virus-RNA-Kopien. Bei Omikron besteht bei einer Dosis über 100 Viruskopien ein realistisches Ansteckungsrisiko.

Die inhalierte Virendosis wurde mit dem Viren-Tool [SCOEH-2021] des Schweizerischen Zentrums für Arbeits- und Umweltgesundheit (SCOEH) berechnet für einen Schultag mit 5 Lektionen à 45 Minuten, wobei die Lüftung / Filtration in den Pausen aktiviert bleibt. Siehe die untenstehenden Parameter für einen Viren-Emitter und exponierte Personen.

Wie Tabelle 1 zeigt, ermöglicht das Kombinieren von mobilen Luftreinigern und mechanischer Ventilation flexible, rasch einsetzbare und nachhaltige Lösungen, welche bei akzeptablen CO2-Werten die Aerosole stärker reduzieren als reine Ventilationslösungen und dabei eine bessere Energiebilanz erzielen.

Lufthygienische Richtlinien für Aerosole und CO2 sollen in die kantonalen Volksschulverordnungen aufgenommen werden mit dem Ziel, die Luftqualität in Schulräumen durch HEPA-Filterung und mechanische Lüftungsanlagen nachhaltig zu verbessern, insbesondere bei Neubauten und Sanierungen von Schulräumen.

Verwendete Methoden

  • DLK: Dauerlüften mit Kippfenster-Paaren [MPIC-2022]
  • FLA: Fensterlüftung mit Abluftventilatoren [MPIC-2022]
  • Filter: Filtration mit mobilen Luftreinigern

Verwendete Parameter

  • Klassenzimmer: 200 m3, mit 1 LP und 24 SuS (≥ 10 Jahre)
  • Filter: 3 mobile Luftreiniger, welche bei 50 % der Maximalgeschwindigkeit eine effektive CADRtotal (total Clean Air Delivery Rate) von 800 m3/h erreichen, mit totaler Leistungsaufnahme ca. 60 Watt.
  • Viren-Emitter (Parameter für Viren-Tool [SCOEH-2021])
    • Emission: ‹Hoch› sowie ’sehr hoch›
    • Keine Maske
    • Aktivitäten: Ruhend (90 %), leicht (10 %)
    • Lautstärke: Ruhig (50 %), normal (40 %), laut (10 %)
  • Exponierte Personen (Parameter für Viren-Tool [SCOEH-2021])
    • Keine Masken

Quellen

[MPIC-2022] Helleis F, Klimach T, Pöschl U, Vergleich verschiedener Lüftungsmethoden gegen die Aerosolübertragung von COVID-19 und für erhöhte Luftqualität in Klassenräumen: Fensterlüften, Abluftventilatoren, Raumlufttechnik und Luftreiniger. 11.02.2022, Max-Planck-Institut für Chemie, https://zenodo.org/record/6049289#YsnPL3YzY2w.

[Riediker-2020] Cruz M, Riediker M et al., Guide for ventilation towards healthy classrooms. Dec. 2020, https://scoeh.ch/wp-content/uploads/2021/01/Guide-for-ventilation_Indairpollnet.pdf.

[Riediker-2022a] Riediker M et al., Higher viral load and infectivity increase risk of aerosol transmission for Delta and Omicron variants of SARS-CoV-2. 06.01.2022, https://doi.org/10.4414/smw.2022.w30133.

[Riediker-2022b] Riediker M et al., Saubere Luft für pandemiegerechte Gebäude. Eine Strategie präsentiert durch die Expertengruppe «Pandemiegerechte Gebäude» in Form eines White Papers. 21.06.2022, https://scoeh.ch/de/saubere-luft-fur-pandemiegerechte-gebaude/.

[Riediker-2022c] Riediker M et al., Clean air for pandemic-proof buildings. A strategy presented by the expert group on «Pandemic-proof buildings». June 2022,
https://scoeh.ch/wp-content/uploads/2022/06/2022-06-21b_Clean_air_for_pandemic-proof_buildings.pdf.

[SCOEH-2021] Riediker M, Viren-Tool zur Berechnung der Virendosis und des CO2 in Räumen, v2.2.3, Aug. 2021.  Schweizerische Zentrum für Arbeits- und Umweltgesundheit, https://scoeh.ch/de/tools/.

[Umwelt-BA-2008] Gesundheitliche Bewertung von Kohlendioxid in der Innenraumluft: Mitteilungen der Ad-hoc-Arbeitsgruppe Innenraumrichtwerte der Innenraumlufthygiene-Kommission des Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden.
https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/pdfs/kohlendioxid_2008.pdf.