So steigern Belüftungssysteme verlässlich die Raumluftqualität

Insights

September 2021

In der Arbeitswelt steigt der Anteil der Tätigkeiten in Innenräumen wie Büros oder Hallen ständig an. Gleichzeitig wächst auch das Bewusstsein für die Emissionsbelastung der Raumluft und Qualität am Arbeitsplatz. Die Covid19Pandemie hat zusätzlich dafür sensibilisiert, wie wichtig eine unbelastete und in manchen Fällen sogar sterile Arbeitsumgebung ist. Der Schlüssel hierzu sind verlässliche Belüftungssysteme. Helbling hilft, diese optimal auszulegen und zu konzipieren unter anderem durch komplexe Strömungssimulationen.

Die Luftqualität wird von diversen Quellen beeinflusst

Gut konzipierte Lüftungssysteme für Innenräume sind heutzutage in Gebäuden unabdingbar. Das gilt nicht nur, aber gerade für solche Bauten, die im Sinne der Nachhaltigkeit nach dem energiesparenden Minergie-Standard erstellt wurden. Hier entfällt einerseits durch die verbesserte thermische Isolation die natürliche Fensterlüftung durch Spalte, wie man sie von älterem Gebäudebestand kennt. Andererseits wird die Raumluft häufiger umgewälzt und weniger Frischluft zugeführt, um Energie zu sparen. Als Konsequenz dieses Luft-Recyclings können Fremdstoffquellen wie Baumaterialien, Einrichtungsgegenstände und Geräte die Raumluftqualität stärker negativ beeinflussen.

Bei den Luftverunreinigungen wird typischerweise zwischen gasförmigen Stoffen wie Gerüchen oder irritierenden Substanzen und Partikeln wie Staub oder Viren unterschieden. Auch der Mensch selbst trägt mit seinen Aktivitäten wie Kochen oder Reinigen zur Verschlechterung der Raumluftqualität bei. Es reicht aber auch einfach seine blosse Anwesenheit: Bei der Atmung werden Kohlendioxid, Wasserdampf sowie kleinste Flüssigkeitströpfchen, sogenannte Aerosole, an die Umgebungsluft abgegeben und verteilen sich so im Innenraum.

Während beim Kochen in einer älteren Liegenschaft ständig Luft aufgeheizt werden muss, da die belastete Luft nach aussen abgeführt wird (links), wird diese in einem Raum nach Minergie-Standard im Umluft-Verfahren ständig wiederverwendet (rechts). [Bildquelle BORA]

Das Aerosol als Transportmittel genutzt

Durch die vom Menschen emittierten Aerosole können Krankheiten übertragen werden. Besonders relevant ist dies dort, wo sich viele Menschen in einem Raum befinden und die Luft nicht gereinigt, ausgetauscht oder erneuert wird. Auch im Falle von SARS-CoV2 erfolgt die Virenübertragung überwiegend über Aerosole oder die sogenannte Tröpfcheninfektion. Entscheidend ist dabei die Verweilzeit der Tröpfchen in der Raumluft, welche stark von ihrer aerodynamischen Grösse abhängt. Grosse Tropfen sedimentieren relativ schnell und fallen somit bereits innerhalb einer kurzen Wegstrecke zu Boden. Kleine bis mittelgrosse Aerosole hingegen können im Mikrometer-Bereich über mehrere Stunden in der bewegten Raumluft mittransportiert werden, ohne dass wesentliche Sedimentationseffekte auftreten.

Sedimentationszeit verschiedener Aerosolpartikel geordnet nach deren aerodynamischer Grösse.

Entsprechend steigt dadurch auch die Gefahr einer Krankheitsübertragung zwischen den Menschen, die sich im Raum befinden und sich nicht aktiv schützen. Durch den Luftaustausch mit der äusseren Umgebung kann dieser Gefahr entgegengewirkt werden, da eine aktive Zumischung von Frischluft die Aerosol-Konzentration im Innenraum reduziert.

Mittels Simulation den Luftaustausch voraussagen

Dabei machen sie sich die Eigenschaften der Aerosole zunutze: Da diese sich in kleiner Tropfengrösse mit der ausgestossenen Atemluft mitbewegen, kann die Konzentration des ausgeatmeten Kohlendioxids analysiert werden. Die Verteilung des Gases im Innenraum ist auch in der Realität über kostengünstige Sensoren gut messbar. Das kann als Indikator für die Raumluftqualität herangezogen werden und ermöglicht die Beurteilung der auszutauschenden Menge verbrauchter Luft. Dieser Sachverhalt wird bei Helbling für akkurate Vorhersagen herangezogen dabei dienen reale Messwerte der Simulation als Modellvalidierung.

Idealerweise wird dies bereits in der Planungsphase von Gebäuden angewandt – dann kann gleich zu Beginn mit gezielten Massnahmen eine bestimmte Luftqualität am Arbeitsplatz erreicht werden. Mittels geeigneter Strömungssimulation, sogenannten CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics), kann die räumliche Verteilung der CO2-Konzentration unter verschiedenen Belegungsszenarien effizient abgebildet werden.

Analyse berücksichtigt die Bewegung im Raum

Gerade zur Definition von Lüftungsszenarien sind zeitliche Abläufe von Interesse. In diesem Falle können transienten, also zeitabhängige Simulationen durchgeführt werden. In transienten Simulationen kann etwa das Atmen von Personen, das Öffnen von Fenstern, können sogar sich durch die Räumlichkeiten bewegende Mitarbeiter abgebildet werden. Somit werden für den Arbeitsplatz typische Bewegungsszenarien bereits in der Planungsphase berücksichtigt. Im abgebildeten Beispiel wird die zeitabhängige Ausbreitung der Atemluft in Büroräumen dargestellt.

Zeitabhängige Evolution der Konzentration von Kohlendioxid in Büroräumen verursacht durch zwei Mitarbeiter.

Zusammenfassung: Optimierung der Innenraumluft durch Simulation und Messung

Luftqualität an Arbeitsplätzen in Innenräumen gewinnt nicht zuletzt durch die Covid19-Pandemie immer grössere Bedeutung. Um diese zu optimieren, machen sich Experten die Transporteigenschaften von Aerosolen zunutze. Dadurch wird die Luftqualität mittels Strömungssimulationen auf effiziente Art und Weise analysiert. Der Einsatz geeigneter Software-Tools wie Ansys oder COMSOL ermöglicht somit eine Auslegung von Arbeitsplätzen mit optimaler Luftqualität. Helbling besitzt das entsprechende Fachwissen und unterstützt Sie gern bei der Analyse. Letztlich stehen Helbling-Experten auch bei der Konzeption neuer, innovativer Systeme zur Optimierung der Innenraumluft zur Seite – etwa mithilfe neuer Technologien wie der UV-Photokatalyse oder Plasma-Reinigung.

 

Autoren : Reto Wäger / Christian Seiler