Richtig Lüften
Lüften, Lueften, Wärmeaustauch, Stoßlüften, Querlüften, Fenster auf Kipp,
Spätestens seit der Corona-Pandemie hat sich das regelmäßige Lüften in den meisten Klassenräumen durchgesetzt. Aber welches Ziel hat das Lüften? Wie lüften wir richtig und effektiv?
Ziel des Lüftens
Beim Lüften soll ein Luftaustausch zwischen der „verbrauchten“ Innenluft und der „frischen“ Außenluft erfolgen. Dadurch, dass sich viele Menschen in dem Raum befinden, erwärmt sich die Luft und auch der CO2 Gehalt der Raumluft steigt. Das führt u.a. zu Müdigkeit und verringerter Konzentration.
Je mehr Menschen sich in einem Raum befinden, desto stärker reichert sich die Luft mit Keimen an.
Die Bilder ►02 a-c zeigen ein CO2 Messgerät, wie es in vielen Schulen und Büros zu finden ist.
ppm steht für parts per million, also Teile pro Million. Ppm ist eine Einheit, die die Konzentration eines Stoffes angibt. 400 ppm bedeutet also, dass in einer Stoffmenge von 1.000.000 Teilchen, 400 Teilchen des benannten Stoffs enthalten sind.
In Prozente umgerechnet steht:
- 1.000.000 ppm für 100%
- 1.000 ppm für 0,1%
- 100 ppm für 0,01%
- 1 ppm für 0,0001%
Innenluft und radioaktive Belastung
Ein weiterer, häufig unterschätzter Punkt ist, dass der Anteil an radioaktivem Radon in der Innenluft deutlich höher ist (s. natürliche Strahlenbelastung).
Luftaustausch – Zufuhr von frischer Luft
Wie passiert der Luftaustausch eigentlich?
Wenn zwischen der Außen- und der Innenluft ein Temperaturunterschied existiert, dann nennt man das in der Physik einen Temperaturgradienten. Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik strömt die warme Luft in Richtung der kalten Luft. ►03
Im Winter sollte das Fenster für ca. 2 min weit geöffnet sein (Stoßlüften). Idealerweise sollte die Heizung während dieser Zeit abgeschaltet werden. Am schnellsten erfolgt der Luftaustausch, wenn auch noch Türen und Fenster der Nachbarräume geöffnet werden. Wenn wir Stoßlüften, dann reicht die Zeit von ca. 2 min aus, um einen großen Luftaustauch vorzunehmen.
Längeres Lüften hat dann kaum noch einen Effekt. Wenn sich die Temperaturen von Außenluft und Innenluft angleichen, dann findet kein Austausch der Luft mehr statt, da der Temperaturgradient fehlt. In der Folge werden der Raum und das Mauerwerk auskühlen und wir heizen nur noch für die Außenluft.
Wenn sich viele Menschen in einem Raum befinden, dann ist auch deren Wirkung auf die Raumtemperatur nicht zu unterschätzen.
Die Frage lässt sich pauschal nicht beantworten. Dabei spielen verschiedene Faktoren, wie Körpermasse, Körperoberfläche und Bewegung eine Rolle. Wenn ihr körperlich schwere Arbeit verrichtet, dann gibt auch euer Körper mehr Wärme ab. Wir beschränken uns hier auf den Grundumsatz.
Dabei können wir einen Normwert von ca. 100 W pro Person annehmen.
Fehler beim Lüften
Häufig kann man beobachten, dass die Fenster über einen langen Zeitraum auf Kipp gestellt werden. ►04 Dabei treten gleich mehrere Probleme auf. Der Luftaustausch erfolgt hier über einen längeren Zeitraum und ist nicht effektiv. Die Wärme, die von der Heizung abgegeben wird, gelangt direkt in die Außenluft, beheizt also die Außenluft statt den Raum.
Wenn die Fenster auf Kipp gestellt sind, dann dauert der Luftaustausch des Raumes, je nach Größe und Anzahl der geöffneten Fenster, bis zu einer Stunde oder länger. Je stärker die Räume austrocknen, desto kleiner wird der Temperaturgradient zwischen Innen- und Außenluft. Der Luftaustauch wird zunehmend weniger. Bei einem Temperaturgradienten von 0 K würde kein Luftaustausch mehr stattfinden. Es würde nur noch die warme Luft der Heizung nach draußen abgeführt werden.
Beim Stoßlüften ►05/11 hingegen erfolgt der Luftaustauch innerhalb weniger Minuten. Die Zeit, die hier zwischen 2 Minuten und 5 Minuten liegen kann, hängt neben der Anzahl der geöffneten Fenster maßgeblich vom Temperaturgradienten ab.
Noch effektiver ist das Querlüften ► 11. Hierbei werden auch die Türen geöffnet. Wenn das gleichzeitig auch in den Nachbarräumen passiert, dann gibt es zusätzlich eine Luftströmung, die den Luftaustausch beschleunigt.
Temperaturgradient gibt das Gefälle zwischen zwei Temperaturen an. Dabei gilt: Der Temperaturgradient ist das Verhältnis von Temperaturdifferenz ΔT und der Distanz d zwischen de Punkten, auf die sich der Temperaturunterschied bezieht.
{\large {{{T}_{Gradient}}=\frac{\Delta T}{d}} \\ \\;\;\;\;\left[ {{T}_{Gradient}} \right]\,=\,1\frac{K}{m} \\ }
Dabei ist der Temperaturgradient eine vektorielle Größe, die die Richtung des Wärmeaustauschs angibt. In den im folgenden beschriebenen Fällen reduzieren wir auf die Differenz zwischen der Innen- und Außentemperatur ΔT.
Dabei ist der Temperaturgradient eine vektorielle Größe, die die Richtung des Wärmeaustauschs angibt. In den im folgenden beschriebenen Fällen reduzieren wir auf die Differenz zwischen der Innen- und Außentemperatur ΔT.
Probleme beim falschen Lüften / Fenster über lange Zeit auf Kippstellung
Zu 1. schlechte Energiebilanz
Bei einem Temperaturunterschied von ca. 15 K (bzw. 15°) von Innen- und Außenluft, strahlt ein Raum der Größe 80 m3 ca. 800 W als Wärme über ein angekipptes Fenster an die Umgebung ab.
Ein Unterrichtsraum hat mehr als das doppelte Volumen. Damit können wir bei zwei angekippten Fenstern in einem Unterrichtsraum von einer Wärmeabstrahlung von ca. 1,5 kW bis 2,0 kW ausgehen. Bei einem Gaspreis von ca. 12 ct/kWh verursacht das Kosten von ca. 20 ct pro Stunde. Das sieht erstmal nicht viel aus, aber summiert über 40 Unterrichtsräume und einen 6-stündigen Schultag sind das schon 48 € pro Tag. Wenn dann einige Fenster nach der 6. Stunde nicht geschlossen werden, was man häufig beobachten kann, dann sind 60 € pro Unterrichtstag (500 kWh) schnell erreicht.
Neben den unnötigen Kosten, ist aber auch die CO2 Bilanz nicht zu vernachlässigen.
Bei diesen Berechnungen wurden Effekte der Auskühlung der Innenräume (Flure, Hallen, …) nicht berücksichtigt. Die tatsächlichen Kosten liegen also deutlich höher.
CO2 Bilanz
Bei der Verbrennung in einer Gasheizung werden pro 1 kWh ca. 200 g CO2 emittiert. Im Vergleich dazu, emittiert ein neuerer Verbrenner PkW ca. 100 g CO2 pro gefahrenem Kilometer. Bei Elektrofahrzeugen, die in Deutschland ihren Strom zu einem signifikanten Teil aus Kohle- und Gaskraftwerken beziehen, liegt die CO2 Emission dadurch etwa gleich hoch.
Zu 2. Auskühlen des Mauerwerks
Wenn wir einen Raum stoßlüften ►05, dann erfolgt ein schneller Austausch der Luft. Sind die Fenster jedoch über einen langen Zeitraum geöffnet, dann kühlt auch das Mauerwerk aus. ►06
Kalksandstein hat eine spezifische Wärmekapazität {\large \displaystyle {{c}_{Kalksandstein}}=\ 1,7\,\frac{kJ}{kg\cdot K}}
Im Vergleich dazu ist die spezifische Wärmekapazität von Luft {\large {{c}_{Luft}}=\ 1,0\,\frac{kJ}{kg\cdot K}}
Die Dichte von Kalksandstein ist ca. 1300-mal höher als die von Luft.
{\large {{\rho }_{Luft}}=1,29\,\frac{kg}{{{m}^{3}}}\ ;\quad {{\rho }_{Kalksandstein}}=1700\,\frac{kg}{{{m}^{3}}}\quad ;\ \frac{{{\rho }_{Kalksandstein}}}{{{\rho }_{Luft}}}=1318 }
Damit speichert 1 m3 Mauerwerk die Wärme 1300-mal besser als die Luft. Es muss also sehr viel Energie aufgewendet werden, um auch das Mauerwerk wieder auf die ursprüngliche Raumtemperatur zu erwärmen.
Bei der folgenden Rechnung werden wir eine Idealisierung vornehmen. Wir gehen davon aus, dass die thermische Hülle (Mauerwerk, Decke, Boden) sich auf Kalksandstein beschränkt. Dabei werden wir die Raumfläche umlaufend mit einer Hülle der Stärke 20 cm einhüllen.
Raumvolumen
Raumvolumen:
{\large {{V}_{Raum}}=a\cdot b\cdot c}
{\large{{V}_{Raum}}=4m\,\cdot \,5m\,\cdot \,2,5m \\}
{\large {{V}_{Raum}}=50{{m}^{3}} }
Volumen des Mauerwerks
Wir sind von einer umlaufenden Mauerschicht – Kalksandstein 20 cm ausgegangen. Dabei vereinfachen wir auf 2 x 3 umlaufende Quader.
Quader 1/2/3:
{\large {{{V}_{Wan{{d}_{1,2,3}}}}=Grundfl\ddot{a}che\cdot h} \\}
{\large {{{V}_{Wan{{d}_{1}}}}=5\,m\cdot 4\,m\cdot 0,2\,m=\,4\,{{m}^{3}}} \\}
{\large {{{V}_{Wan{{d}_{2}}}}=5\,m\cdot 2,5\,m\cdot 0,2\,m=\,2,5\,{{m}^{3}}} \\}
{\large {{{V}_{Wan{{d}_{3}}}}=4\,m\cdot 2,5\,m\cdot 0,2\,m=\,2,0\,{{m}^{3}}} \\}
{\large {{V}_{Wan{{d}_{ges}}}}=2\cdot {{V}_{Wan{{d}_{1}}}}\,+\,2\cdot {{V}_{Wan{{d}_{2}}}}\,+\,2\cdot {{V}_{Wan{{d}_{3}}}}\,=\,17\,{{m}^{3}}\, \\ }
Rechnung zur Wärmekapazität
a) Die Luft im Raum soll um 5° bzw. 5 K erhöht werden
b) Raumluft und Temperatur des Mauerwerks müssen um 5° bzw. 5 K erhöht werden
zu a) Erwärmung der Luft
{\large E\,=\,m\cdot {{c}_{Luft}}\,\cdot \,\Delta T \\ }
{\large\\ {{m}_{Luft}}=\,{{\rho }_{Luft}}\,\cdot \,{{V}_{Luft}} \\ }
{\large {{m}_{Luft}}=\,1,23\,\frac{kg}{{{m}^{3}}}\,\cdot \,50\,{{m}^{3}}\,=\,61,5\,kg \\ \\ }
{\large E\,=\,m\cdot {{c}_{Luft}}\,\cdot \,\Delta T \\ }
{\large E\,=\,61,5\,kg\,\cdot \,1\,\frac{kJ}{kg\,\cdot \,K}\cdot 5\,K=\,307,5\,kJ \\ }
Um die Raumluft (50 m3) um 5 K zu erwärmen, benötigen wir eine Energie von 307,5 kJ (ca. 0,086 kWh).
zu b) Erwärmung des Mauerwerks
{\large E\,=\,m\cdot {{c}_{Stein}}\,\cdot \,\Delta T \\ }
{\large {{m}_{Stein}}=\,{{\rho }_{Stein}}\,\cdot \,{{V}_{Stein}} \\ }
{\large {{m}_{Stein}}=\,1700\,\,\frac{kg}{{{m}^{3}}}\,\cdot \,17\,{{m}^{3}}\,=\,28900\,kg \\ }
{\large E\,=\,m\cdot {{c}_{Stein}}\,\cdot \,\Delta T \\ }
{\large E\,=\,28900\,kg\,\cdot \,1\,\frac{kJ}{kg\,\cdot \,K}\cdot 5\,K=\,144.500\,kJ \\ }
Um das Mauerwerk (20 cm Stärke) um 5 K zu erwärmen, benötigen wir eine Energie von 144.500 kJ (40 kWh). Dabei haben wir die Raumluft noch nicht berücksichtigt. Das ist 470 mal mehr, als die Energie, die wir zur Erwärmung der Luft benötigten.
Die Berechnungen zeigen, dass wir deutlich mehr Energie für die Erwärmung des Mauerwerks aufwenden müssen, als für die Erwärmung der Luft. In dem Beispiel betrug der Faktor ca. 470. Auch wenn die Berechnung nur sehr grob erfolgte, so zeigt sie doch, wie wichtig es ist, beim Lüften den Fokus auf den schnellen Luftaustausch zu legen.
Zu 3. Schimmelbildung
Die vorherigen Überlegungen haben gezeigt, warum aus energetischer Sicht ein schneller Luftaustausch durch Stoßlüften oder Querlüften sinnvoll ist. Es gibt aber noch weitere Gründe, die die Raumqualität stark beeinflussen.
Wenn bei der Lüftung bei gekipptem Fenster das Mauerwerk auskühlt, dann schlägt sich am kalten Mauerwerk Feuchtigkeit nieder. Diese Feuchtigkeit sammelt sich im Mauerwerk. Wird das Fenster wieder geschlossen und der Raum beheizt, dann kommt es zur Schimmelbildung. ►07a-c
Richtig Lüften
Hier hört man häufig den Begriff Stoßlüften, das ist auch absolut korrekt und beschreibt das Ziel des Lüftens. In kurzer Zeit soll ein effektiver Luftaustausch erfolgen. Das kann am auf zwei Arten erreichen:
- Stoßlüften
- Querlüften
Stoßlüften
Beim Stoßlüften werden ein oder mehrere Fenster weit geöffnet. In Abhängigkeit von der Außentemperatur sollte die Zeit hierbei zwischen 2 min und 5 min liegen. ►10
Beim Stoßlüften kann das Mauerwerk kaum auskühlen, da es in dieser Zeit nur sehr wenig Wärmeenergie an die Umgebung abgeben kann. ►11
Querlüften
Beim Querlüften werden nicht nur die Fenster weit geöffnet, sondern auch die Raum Tür. Wenn das auch in den Nachbarräumen passiert, dann entsteht ein noch stärkerer Luftstrom, der Luftaustausch kann noch schneller erfolgen.
