Wie viel Luft muss es sein?

Bereits seit vielen Jahrhunderten ist bekannt, dass Lüftungsfehler in Gebäuden weitreichende Folgen für die Bewohner und die Bausubstanz haben können. Angefangen bei einem Gefühl des Unwohlseins über körperliche Beeinträchtigungen bis hin zu schweren chronischen Erkrankungen reicht die Palette menschlicher Beschwerden weit. Ähnliches auf der Gebäudeseite: Von leichten Schimmelflecken bis hin zu durchfeuchteten Wänden können gravierende Bausubstanzschäden entstehen. Die zweiteilige Artikelserie beschreibt im ersten Teil die Auswirkungen sowie Einflussfaktoren verschiedener Luftsituationen und gibt Hinweise für die Mindestanforderungen für die Lüftung von Wohnungen. Im zweiten Teil des Beitrags in einer der nachfolgenden Ausgaben wird die Mindestlüftung von Wohnungen im Kontext zu Gesetzen, Verordnungen und Regelwerken betrachtet und allgemeingültige Kennwerte abgeleitet.

Das Fragen der ausreichenden Lüftung von (Wohn-)Gebäuden und die Diskussion der Konsequenzen von Lüftungsfehlern kein Thema ausschließlich unserer Zeit sind, ist weitreichend bekannt und lässt sich durch folgende Zitate belegen:

• Pettenkofer 1858 [1] [3]. „... einen fernern Grund, auf reine Luft in den Wohnungen strenge zu halten, haben wir in der Erfahrung, dass schlechte Luft die Quelle vieler chronischer Leiden ist“,
• Flügge 1922 [2] [3]. „Eine belästigende Ansammlung dieser Gerüche ist am häufigsten in den Schlafräumen zu beobachten ... die anhaltend acht bis zehn Stunden besetzt sind, ohne dass irgendein Luftwechsel stattfand. Die üble Beschaffenheit der Luft in solchen Schlafräumen fällt jedem auf, der gegen Morgen den Raum betritt“,
• Rietschel 1948 [4]. „Von besonderer Bedeutung ist für uns die Luftverschlechterung, die durch den Menschen selbst hervorgerufen wird. Infolge physiologischer Vorgänge beim Lebensprozess gibt der Mensch dauernd Wärme, Kohlensäure, Wasserdampf und die sogenannten Riech- oder Ekelstoffe an die ihn umgebende Luft ab. ... Es ist darum nicht berechtigt, wenn manche Siedlungsverwaltungen zum Zwecke der Brennstoffersparnis von den Mietern verlangen, dass sie im Winter morgens nur 1/4 Stunde lüften dürften.“

Auch im Hinblick auf die Festlegung der erforderlichen Mindestlüftung¹⁾ lohnt sich ein Blick in die Vergangenheit, wie Bild 2 zeigt. Die Entwicklung wurde dabei nicht nur durch Wissenszuwachs, sondern oft auch durch politische bzw. marktwirtschaftliche Rahmenbedingungen be­stimmt, wie z.B. die drastische Reduzierung der Anforderungen im Ergebnis der ersten Ölpreiskrise zeigt. Unabhängig davon zeugt der weite Bereich der Anforderungen zwischen 4 und 85 m³/(h · Pers.) in Bild 2 von unterschiedlichsten Denkansätzen und einer offensichtlich weitgehenden Unsicherheit bezüglich der „richtigen“ Mindestlüftung.

Luftwechsel oder Luftvolumenstrom?
Für die Beschreibung des Lüftungseffektes hat sich der sogenannte Luftwechsel (mitunter auch als Luftwechselrate bezeichnet) als anschaulich und praktikabel erwiesen. Dieser bezieht den Luftvolumenstrom auf das zugehörige Luftvolumen des Raumes bzw. Gebäudes.
Das diese Darstellung dann nicht problemlos ist, wenn – wie beispielsweise bei der energetischen Bilanzierung nach DIN V 4701-10 [6] praktiziert – auf eine Differenzierung der Angaben nach Wohnungsgröße bzw. Belegungsdichte verzichtet wird, zeigt Tabelle 1 am Beispiel eines 4-Personen-Haushaltes.
Sind die Belastungen der Raumluft maßgeblich anthropogen bestimmt, würde im Beispiel die Fixierung des Luftwechsels für das Einfamilienhaus (EFH) zu mehr als einer Verdopplung des personenbezogenen Luftvolumenstromes gegenüber der Wohnung im Mehrfamilienhaus (MFH) führen. Selbst im Rahmen üblicher Nutzung und unter Beachtung der Tatsache, dass im EFH wegen der größeren Anzahl verfügbarer Räume auch etwas höhere personenbezogene Luftvolumenströme realisiert werden sollten²⁾, sind also ungewollt signifikante Unterschiede hinsichtlich der Raumlufthygiene zu erwarten.
Folglich sollte auf die alleinige, pauschale Festlegung von Luftwechselwerten ohne Angabe der Randbedingungen zukünftig verzichtet werden. Folgende Optionen bieten sich alternativ an:

• Einführung einer zusätzlichen Klassifizierung der Lüftungsanforderungen nach der Wohnungsgröße bzw. Personenzahl, 
• Verwendung von personenbezogenen Luftvolumenströmen wie bei der Auslegung von Klimaanlagen in öffentlichen Gebäuden,
• Angabe eines Bereiches für den Luftwechsel, der die üblichen Wohnverhältnisse (Wohnfläche pro Person und Raumhöhe) berücksichtigt.

Nachfolgend soll die 3. Option favorisiert werden, da die konkrete Belegungszahl in Wohnungen im Regelfall bei der Planung nicht bekannt ist. Um die in Deutschland typischen Wohnverhältnisse abzubilden, werden zwei Fälle unterschieden:

• Wohnfläche 20 m²/Person und Raumhöhe 2,50 m (–> 50 m³/Person) und
• Wohnfläche 50 m²/Person und Raumhöhe 3,00 m (–> 150 m³/Person).

Mit diesen Randbedingungen ist auch die Nutzung der 2. Option möglich, da Luftwechselangaben in personenbezogene Luftvolumenströme umgerechnet werden können.
Ergänzend bleibt anzumerken, dass der Luftwechsel bzw. die Luftvolumenströme generell auf die Raumlufttemperatur bezogen werden sollten, um erhebliche dichtebedingte Unterschiede zu vermeiden. Wird eine Raumtemperatur von 20°C um nicht mehr als 4K über- oder unterschritten, ist die resultierende Dichte- und Volumenstromdifferenz von weniger als ±2% vernachlässigbar. Würde hingegen – wie vielleicht durch den Begriff „Außenluftwechsel“ suggeriert – ein Bezug auf den Außenluftzustand erfolgen, wären im Winterfall kaum tolerierbare Abweichungen der Luftvolumenströme von bis zu 15% gegenüber den raumluftbezogenen Werten die Folge!

Luftfeuchte und mikrobiologische Belastungen
Die Luftfeuchte ist für die Bewertung der Raumluftqualität von zentraler Bedeutung, da sie:

• bei Unterschreitung des Taupunktes an Bauteiloberflächen Bauschäden verursachen kann,
• bei zu geringen Werten Reizungen der Atemwege und Schleimhäute oder bei zu hohen Werten (Schwülegrenze) die thermische Behaglichkeit bzw. die Gesundheit negativ beeinflussen kann und
• bei zu hohen Werten das Schimmelpilz- und Milbenwachstum begünstigt und damit mittelbar durch erhöhtes Allergierisiko die Gesundheitssituation der Bewohner verschlechtern kann.

Die Feuchtesituation in Wohnungen und die daraus resultierenden mikrobiologischen Belastungen durch Schimmelpilze und Hausstaubmilben unterliegen vielfältigen Einflüssen, wesentlich sind:

• Lüftungssituation, ggf. einschließlich lüftungstechnischer Maßnahmen, 
• Wärmeschutz, insbesondere im Bereich potenzieller Wärmebrücken,
• Nutzergewohnheiten (Lüften und Heizen) sowie
• Feuchtequellen.

Neben der damit beschriebenen nutzungsbedingten Feuchtesituation können Schäden auch durch Baufeuchte vor allem in Neubauten sowie durch aufsteigende Nässe oder Leitungswasserschäden auftreten. Dies bedarf gesonderter Maßnahmen („Trockenwohnen“, Trockenlegung, Schadensbeseitigung). Der Schimmelpilzbefall ist in der öffentlichen Wahrnehmung sowie im Ergebnis einer Studie [7] von zentraler Bedeutung (Tabelle 2, Bild 3).
Schimmelpilzbefall ist zu erwarten, wenn an der Umfassungskonstruktion (insbesondere an Wärmebrücken) Anforderungen an Luftfeuchte, Temperatur, Vorhandensein von Luftsauerstoff, pH-Wert und ein ausreichendes Nährstoffangebot erfüllt werden. Als maßgeblich erweist sich dabei die Luftfeuchte, da die weiteren angeführten Punkte unter wohnüblichen Nutzungsbedingungen für Schimmelpilzwachstum in aller Regel ausreichend gegeben sind.
Obwohl Feuchtelasten häufig unregelmäßig stark auftreten (z.B. Duschen, Kochen, aber auch Anwesenheit von Personen) sind aufgrund der für Wasserdampf typischen Sorptionsvorgänge (Ein- und Ausspeicherung in Wänden und Einrichtungsgegenständen) tendenziell eher lüftungstechnische Lösungen mit kontinuierlichem Luftwechsel zu empfehlen. Unbenommen davon kann das Abführen von Lastspitzen durch Stoßlüftung (z.B. Fens­teröffnen nach dem Duschen) oder eine Bedarfsführung des Anlagenluftvolumenstroms mit geeigneten (Feuchte-)Sensoren empfohlen werden.

Kohlendioxid
Kohlendioxid (CO₂) ist ein farbloses Gas, dessen Anteil in der natürlichen Außenluft mit einer Konzentration von ca. 350 bis 400 ppm sehr gering ist. In der Luft von Industriestädten kann dieser Wert durchaus auf 700 ppm steigen. Diese Konzentrationen sind weit davon entfernt, eine toxische Wirkung auf den menschlichen Organismus auszuüben; so wird die maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) mit 5000 ppm festgelegt. Eine tödliche Wirkung tritt erst bei (längerem) Einatmen von Luft mit mehr als 8% (80.000 ppm) CO₂-Gehalt ein.
Während Feuchtigkeit primär das Gebäude schädigt und sekundär über diese Schädigung und zusätzliche Mechanismen, z.?B. durch die Förderung der Allergenproduktion, auch den Menschen belas­tet, wird Kohlendioxid nicht als eigentlich schädigende Agens angesehen. CO₂ ist jedoch ein brauchbarer Indikator für anthropogen bedingte Geruchsbelastungen.
Die vom Menschen ständig abgegebene CO₂-Menge (in der Ausatemluft ca. 4 bis 5%) war der Grund für den Mediziner Max von Pettenkofer, bereits Mitte des 19. Jahrhunderts CO₂ als Indikator für die Raumluftqualität anzusehen. Er definierte einen Anforderungswert von 1000 ppm, der auch heute noch als Maßstab für gute Raumluftqualität angesehen wird. Daraus hat Pettenkofer in Abhängigkeit von der Aktivität und dem Alter (Kinder oder Erwachsene) der Personen einen erforderlichen Luftvolumenstrom von 20 bis 30 m³/(h · Pers.)³⁾ abgeleitet, der bis heute als Größenordnung des erforderlichen Luftvolumenstroms für Räume mit hauptsächlich anthropogenen Geruchsbelastungen gilt.
In Bild 4 werden die Verhältnisse beispielhaft für einen Raum mit ruhenden Personen verdeutlicht. Die ungünstigste Konstellation und damit das größte Risiko stellt ein sehr dicht ausgeführter Raum dar, der trotz anwesender Personen nicht zusätzlich belüftet wird (z.B. Schlafzimmer mit nachts geschlossenen Fenstern). Bei niedrigem Infiltrationsluftwechsel und hoher Belegungsdichte wird die Pettenkofer-Grenze (1000 ppmCO₂) sehr schnell überschritten und auch der MAK-Wert (5000 ppmCO₂) erreicht. Toxische Konzentrationen (>20?000 ppmCO₂) und damit eine eindeutige Gesundheitsgefährdung werden jedoch praktisch nicht erreicht. Selbst bei höherem Luftwechsel (gekipptes Fens­ter) und geringer Belegungsdichte kann nach einer gewissen Zeit ein raumlufthygienisch nicht optimaler Zustand (Überschreiten der Pettenkofer-Grenze) zu verzeichnen sein.

Flüchtige organische Komponenten (VOC)
Unter den VOC (volatile organic compounds) wird eine Vielzahl von flüchtigen organischen Substanzen zusammengefasst. Wesentlich für die Raumluftqualität sind dabei Emissionen aus Baumaterial und Interieur sowie Emissionen durch die Raumnutzung.
Während die Festlegung von Obergrenzen bei den Emissionen von Baumaterial und Interieur im Vordergrund steht, muss hinsichtlich der Raumnutzung durch im Haus angewendete Reinigungs- und Desodorierungsmittel (z.B. halogenierte Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Essigsäure) sowie bei Materialien für Hobbytätigkeiten (z.B. Klebe- und Bindemittel) zusätzlich eine gezielte Information des Nutzers zum Umgang mit denselben erfolgen.
Die Gesamtheit der in der Raumluft enthaltenen flüchtigen Kohlenwasserstoffe kann als eine entsprechende Summenkonzentration (TVOC – total volatile organic compound) angegeben werden, für die eine maximale Konzentration von 0,2 mg/m³ empfohlen wird. Befindlichkeitsstörungen (Geruchsbelästigungen, Kopfschmerzen, Übelkeit) treten ab ca. 3 mg/m³ auf, mit Reizungen von Augen, Nase und oberen Atemwegen ist ab ca. 8 mg/m³ zu rechnen.
Neben der – wie schon ausgeführt – primär zu verfolgenden Begrenzung der Emissionen kann die Einhaltung eines kontinuierlichen Luftwechsels durch geeignete Lüftungskonzepte wirksam zur Reduzierung der VOC-Konzentrationen beitragen. Die Festlegung eines allgemeingültigen Mindestluftwechsels sollte hingegen nicht auf Basis von VOC-Belastungen erfolgen, da

• bei Verwendung emissionsarmer Materialien nicht in allen Wohnungen überhaupt kritische VOC-Belastungen auftreten müssen oder
• Maßnahmen zur Emissionsvermeidung bereits für nur noch geringe und unkritische VOC-Konzentrationen sorgen können.

Radon
Radon ist ein radioaktives Edelgas. Es ist farb-, geschmack- und geruchlos. Die Konzentration von Radon in der Luft wird üblicherweise in Bq/m³ angegeben. 1 Becquerel entspricht einer radioaktiven Umwandlung pro Sekunde, also einem Radon­atom, das „zerfällt“.
Heute wird in Bezug auf Radon davon ausgegangen, dass bereits geringe Radon-Konzentrationen ab etwa 150 Bq/m³ das Lungenkrebsrisiko deutlich erhöhen und Radon deshalb als Luftschadstoff einzuordnen ist. In Europa ist vor diesem Hintergrund im Strahlenschutzgesetz ein Referenzwert von 300 Bq/m³ festgelegt worden, der durch die Mitgliedstaaten bis 2018 in nationales Recht umzusetzen ist.
In einigen Gebieten der Bundesrepublik Deutschland (z.B. Bergbauregionen im Erzgebirge, das Dresdner-Freitaler Gebiet sowie Regionen im Fichtelgebirge) treten erhöhte Bodenkonzentrationen von Radon auf, die über erdreichberührte Bauteile insbesondere in die Keller von Gebäuden eindringen können.
Dies kann überwiegend durch Konvektion über Leckagen (Risse, Fugen, Rohrdurchführungen) und in meist wesentlich geringerem Maße durch Diffusion über Bauteile in das Gebäude gelangen. Weitere mögliche Radonquellen können belastete Baustoffe sowie in seltenen Fällen Außenluft oder auch Leitungs- oder Grundwasser sein. Über Verbindungen zwischen den Geschossen (z.B. offenes Treppenhaus) gelangt das Radon dann in darüber liegende (Wohn-)Bereiche.
Zum Schutz der Bewohner vor unzulässig hohen Radonkonzentrationen können bauliche und lüftungstechnische Maßnahmen ergriffen werden. Aus baulicher Sicht steht die Abdichtung des Bauwerks gegen das Erdreich im Vordergrund, aber auch die Schaffung eines Unterdrucks im umgebenden Erdreich durch sogenannte Radondrainagen oder Radonbrunnen ist möglich. Im Gebäudebestand sind bauliche Maßnahmen oft schwierig zu realisieren und deshalb meist kostenintensiv. Aus lüftungstechnischer Sicht können zwei Lösungsansätze verfolgt werden: die Erhöhung des Luftwechsels oder die Veränderung der Druckverhältnisse.
Die Erhöhung des Luftwechsels ist dabei nur bei vergleichsweise geringen Ausgangswerten des Luftwechsels im Gebäude ein probates Mittel. Eine generelle Ableitung eines Mindestluftwechsels anhand der Radonbelastung ist unter diesen Umständen nicht angezeigt.

Weitere Luftschadstoffe
Zu weiteren möglichen Schadstoffbelas­tungen im Raum zählen z.B. Tabakrauch, Abgase von Verbrennungsprozessen (Gasherde), Ozon und Staub. Für allgemeingültige raumluftqualitative Festlegungen – wie beispielsweise eines Mindestluftwechsels – sind sie allerdings wegen  ihrer Abhängigkeit von den Rand- und Nutzungsbedingungen nur eingeschränkt von Interesse. Trotzdem muss auch bei diesen Schadstoffen das Risiko einer Gesundheitsgefährdung vermindert bzw. möglichst ausgeschlossen werden.

Ausblick
Im zweiten Teil des Beitrages wird zunächst der Stellenwert der Mindestlüftung von Wohnungen in aktuellen europäischen und nationalen Gesetzen, Verordnungen und Normen beleuchtet. Auf Basis von – im Rahmen der üblichen Nutzung von Wohnungen – „unvermeidbaren“ Lasten wird dann der Versuch unternommen, möglichst allgemeingültige Kennwerte für die Mindestlüftung abzuleiten.

Literatur:
[1]    Pettenkofer. Über den Luftwechsel in Wohn­gebäuden, Literarisch-Artistische Anstalt der J. G. Cotta’schen Buchhandlung, München,  1858
[2]    Flügge. Untersuchungen über Lüftungs­ein­richtungen in Kleinhäusern, Zeitschrift für Hygiene und Infektionskrankheiten, 96. Band,
Berlin, 1922
[3]    Eicke-Hennig. Wohnungslüftung, Feuchte und Schimmel in Wohnungen – ein neues Pro­blem? Gesundheits-Ingenieur, Olden­bourg In­dus­trieverlag, München, Heft 2/2000
[4]    Gröber. Rietschels Lehrbuch der Heiz- und Lüftungstechnik, 12., verbesserte Auflage, Springer-Verlag, 1948
[5]    Witthauer, Horn, Bischof. Raumluftqualität – Belastung, Bewertung, Beeinflussung, C. F. Müller Verlag, 1993
[6]    DIN V 4701-10, Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen, Vornorm – Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung
[7]    Brasche. Vorkommen, Ursachen und gesund­heit­­liche Aspekte von Feuchteschäden in
Woh­nungen – Ergebnisse einer repräsen­tativen Wohnungsstudie in Deutschland, Bun­des­gesundheitsblatt 46, 2003

Autor: Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartmann, ITG Ins­titut für Technische Gebäudeausrüstung Dresden Forschung und Anwendung GmbH

1) Hier und nachfolgend ist damit immer das Ersetzen von Raumluft durch Außenluft gemeint.
2) Dies gilt für konventionelle Lüftungskonzepte, nicht jedoch für bedarfsgeführte Lüftungsanlagen.
3) In Abhängigkeit von den Randbedingungen reichten seine Forderungen sogar bis zu 60 m³/(h · Pers.), wie Bild 2 zeigt.