Forschungsprojekt „Sicheres Klassenzimmer“: Zwischenergebnisse zur Lüftungskonzepten vorgestellt

Wie steht es mit der Luftqualität in Klassenzimmern? Mit welchen Lüftungskonzepten kann das Infektionsrisiko für SARS-CoV-2 nachhaltig reduziert werden? Forschende stellen Zwischenergebnisse des Projektes „Sicheres Klassenzimmer“ vor.

Das Projekt wurde im Juli dieses Jahres an der Hochschule München (HM) gestartet. Inzwischen nehmen 233 Klassenzimmer in 52 Schulen im Großraum München sowie in der Stadt Mainz an dem Projekt teil. Der Projektleiter und Initiator des Forschungsprojektes, Prof. Christian Schwarzbauer, erhebt mittels Sensoren die Luftqualität in den Klassenräumen während des gesamten Schuljahres. Inzwischen liegen die ersten Ergebnisse vor: „Wir haben dazu die Daten von über 7000 Unterrichtstagen ausgewertet,“ sagt Schwarzbauer.

CO2-Konzentration: Ein Indikator für die Ansteckungsgefahr mit SARS-CoV-2

Für die Bewertung der Luftqualität wurde unter anderem die Kohlendioxid(CO2)-Konzentration untersucht. Die ausgeatmete Luft und das darin enthaltenen CO2 verbreiten sich in einem abgeschlossenen Raum relativ schnell. „Die CO2-Konzentration ist deshalb ein gutes Maß für den Anteil der ausgeatmeten Luft im Klassenzimmer“ erklärt Schwarzbauer. Neben CO2 enthält die ausgeatmete Luft jedes Menschen auch Aerosole, die eine wichtige Rolle bei der Infektion mit dem Coronavirus SARS-CoV-2 spielen.

Vor diesem Hintergrund empfiehlt das Umweltbundesamt (UBA) während des Unterrichts alle 20 Minuten mit weit geöffneten Fenstern zu lüfteten (Stoßlüftung). „Unsere Daten zeigen, dass diese Empfehlung in der Praxis kaum umgesetzt wird: Der Anteil der regelmäßig alle 20 Minuten gelüfteten Klassenzimmer lag unter acht Prozent,“ sagt Schwarzbauer. „In den meisten Klassenzimmern wurde in der Regel nur nach jeder Unterrichtsstunde oder lediglich während der Pausen gelüftet.“ Entsprechend der Einschätzung des UBA ist ein Raum ausreichend belüftet, wenn die CO2-Konzentration während einer Unterrichtsstunde im Mittel bei 1000 ppm oder kleiner gehalten wird.

Lüftungskonzepte im Vergleich: Fensterlüftung und Luftreiniger

Bei der klassischen Fensterlüftung wurde der CO2-Grenzwert an 25,3 Prozent der Unterrichtstage überschritten. In Klassenzimmern mit CO2-Monitoren wie etwa CO2-Ampeln lag der Wert etwas niedriger bei 22,4 Prozent. Der höchste Wert von 34,2 Prozent ergab sich nach Schwarzbauer in Klassenzimmern mit mobilen Luftreinigern: „Offenbar wurde in diesen Klassenzimmern im Durchschnitt weniger gut gelüftet. Diese Geräte entfernen zwar schädliche Aerosole aus der Luft, nicht aber das CO2. Wichtig ist deshalb, dass zusätzlich ausreichend gelüftet wird. Dauerhaft erhöhte CO2-Konzentrationen haben einen direkten Einfluss auf das Wohlbefinden und die kognitive Leistungsfähigkeit der Schüler und Schülerinnen.“

Unbemerkte Ausfallzeiten: Verminderte Wirksamkeit von raumlufttechnischen Anlagen

In Klassenzimmern, die mit raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) ausgestattet sind, lag der Anteil der Unterrichtstage mit Grenzwertüberschreitung bei 22,8 Prozent. „Dieses Ergebnis ist schon erstaunlich,“ sagt Schwarzbauer, „denn RLT-Anlagen gelten weitläufig als Goldstandard bei der Belüftung von Innenräumen.“

„Anhand der Daten konnten wir sehen, dass viele der untersuchten RLT-Anlagen für den Betrieb in Coronazeiten nicht richtig eingestellt waren. Auch bei der Zuverlässigkeit gab es Probleme,“ sagt Schwarzbauer. Teilweise wurden mehrtägige Ausfälle mit stark erhöhten CO2-Werten beobachtet, in einem Fall stieg dabei die CO2-Konzentration auf über 4700 ppm. „Vermutlich wird ein Ausfall nicht immer sofort von der Lehrkraft bemerkt, weil diese Anlagen in der Regel sehr leise laufen. Man verlässt sich auf die Anlage, die Fenster bleiben geschlossen. Die CO2-Konzentration und damit auch die Aerosol-Konzentration steigen dann schnell auf hohe Werte und das Infektionsrisiko ist damit stark erhöht,“ erklärt Schwarzbauer die Folgen.

Dezentrale Lüftungsanlagen und Abluftventilatoren zeigen die beste Wirksamkeit

Deutlich bessere Ergebnisse wurden mit dezentralen Lüftungsanlagen erzielt. Der Anteil der Unterrichtsstunden, bei denen der UBA-Grenzwert überschritten wurde, lag hier bei nur 4,0 Prozent. Ähnlich gut, mit einem Wert von 4,6 Prozent schnitten ventilatorgestüzte Fensterlüftungssysteme ab, wie etwa die Basisversion des „Mainzer-Lüftungssystems“, welches vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz konzipiert wurde.

Modellierung der Viruskonzentration in einem virtuellen Klassenzimmer

Untenstehendes Liniendiagramm zeigt den theoretischen Verlauf der Virus-Konzentration während einer Unterrichtszeit von 90 Minuten für vier verschiedene Lüftungsszenarien. Für die Berechnung wurde angenommen, dass eine Schülerin oder ein Schüler infektiös ist. Wird das Klassenzimmer, wie vom UBA empfohlen, alle 20 Minuten gelüftet, so ergibt sich eine deutlich niedrigere Virus-Konzentration, als wenn lediglich nach jeder Unterrichtsstunde, also alle 45 Minuten, gelüftet wird. Mit Lüftungsanlagen oder mobilen Luftreinigern kann die Virus-Konzentration dauerhaft auf einem niedrigen Niveau gehalten werden, wenn das Drei- bis Sechsfache des Raumvolumens pro Stunde gegen Frischluft ausgetauscht beziehungsweise gereinigt wird.

Berechnung des Infektionsrisikos in realen Klassenzimmern

Aus den erhobenen Daten wird das Forscherteam um Schwarzbauer mithilfe eines biophysikalischen Modells auch Aussagen zum tatsächlichen Infektionsrisiko in den teilnehmenden Klassenzimmern ableiten: „Wir gehen davon aus, dass wir die entsprechenden Zwischenergebnisse innerhalb der nächsten drei bis vier Wochen vorstellen können.“

Das Forschungsprojekt “Sicheres Klassenzimmer” ist eine Initiative der HM in Kooperation mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Technischen Universität München, der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Max-Planck-Institutes für Chemie in Mainz.