Einfluss hoher Lüftungsraten auf die CO₂ Konzentration und den Energieverbrauch

Die während der Corona-Pandemie von Behörden und Verbänden aufgestellten Lüftungsempfehlungen können erste Richtwerte für eine gute Lüftungsstrategie zum allgemeinen Infektionsschutz geben. Im Einzelfall muss jedoch in Abhängigkeit der baulichen Situation, der Fensteröffnungsmöglichkeiten, der Wetterlage und der Raumbelegung die richtige Vorgehensweise gefunden werden. Denn sowohl der Infektionsschutz als auch die thermische Behaglichkeit und der Energieverbrauch sind hierbei zu berücksichtigen.

Mit Hilfe der dynamisch thermischen Gebäudesimulation können vor allem die unterschiedlichen Lüftungskonzepte energetisch bewertet werden - sowohl für einzelne extreme Wetterbedingungen als auch für die gesamte Winterhalbjahr-Heizperiode. Um innerhalb des Klassenzimmers die Bereiche mit eingeschränktem Komfort zu detektieren und Verbesserungsmaßnahmen zu untersuchen, kann die 3D Strömungssimulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) eine wertvolle Hilfestellung bieten.      

Vorgaben / Randbedingungen für Simulation

• Typisches Klassenzimmer mit 72 m² Grundfläche und 3 m Raumhöhe, eine längsseitige Fensterfront, besetzt mit 20 Personen. Guter Dämmstandard des Gebäudes.
• Vergleich unterschiedlicher Lüftungsmaßnahmen hinsichtlich CO₂-Konzentration und Heizbedarf in Abhängigkeit der Luftaustauschrate.
• 3D-Visualisierung der CO₂-Konzentration während einer Schulstunde mit Dauerkippstellung und Stoßlüftung. Lokalisierung kritischer Bereiche. 
• Annahme: bei einer CO₂ Außenluftkonzentration von 400 ppm soll eine mittlere CO₂ Konzentration von 800 ppm nicht überschritten werden, um eine möglicherweise Sars-CoV2 kontaminierte Aerosolkonzentration ausreichend niedrig zu halten.

Simulation

• Dynamisch thermische Gebäudesimulation des Klassenzimmers mit angrenzenden Räumen und Korridoren. Auswahl typischer Wintertage und Bewertung des Heizbedarfs in den Wintermonaten.
• Modellierung Fensterlüftung und mechanische Lüftung mit und ohne Wärmerückgewinnung. Bewertung von Querlüftungsszenarien.
• 3D CFD Simulation des Klassenzimmers während einer Schulstunde, Berücksichtigung der Fensteröffnungsvariationen. Personen im Klassenzimmer als Wärme- und CO₂-Quellen.  Detektion von Bereichen mit hohem Zugluftrisiko oder hoher CO₂-Konzentration.
• 3D CFD Simulation mit unterschiedlich positionierten Luftreinigungsgeräten. Bewertung der Positionierung und der „Aerosolreduktionsfähigkeit“.

Ergebnisse/Empfehlung

• Um die geforderte mittlere CO₂-Konzentration im Klassenzimmer nicht zu überschreiten, sind Luftwechselraten von 4-6 pro Stunde notwendig. Dies ist meist nur mit einer Kombination von mechanischer und freier Lüftung erreichbar.
• Hohe Luftaustauschraten erfordern einen hohen Heizbedarf. Der Einsatz von mechanischer Lüftung mit Wärmerückgewinnung hat hier großes Potenzial. Auch optimierte Querlüftungsszenarien können unterstützen. Diese sind neben den baulichen Voraussetzungen jedoch stark abhängig von den aktuellen Außentemperaturen und Windverhältnissen.  
• Bei einer guten Positionierung von Raumlüftungsgeräten ist eine Reduktion des erforderlichen Luftaustausches erreichbar, was zu entsprechender Verringerung des Heizbedarfs führt.  
• Prinzipiell können mit Dauerkippstellung und regelmäßiger Stoßlüftung bei entsprechend variablen Fenstern die geforderten Luftaustauschraten bzw. CO₂-Konzentrationen eingehalten werden. Mithilfe der 3D CFD Simulation können Bereiche und Zeiten mit starken Komforteinbußen (niedrige Temperatur, Zugluft) detektiert und Optimierungsmaßnahmen bewertet werden.