Höherer CO2-Gehalt der Atmosphäre führt zu schlechterer Luft oder längerem Lüften in Klassenzimmern

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Der CO2-Gehalt unserer Atmosphäre steigt von Rekord zu Rekord; kürzlich hat er 150 Prozent des normalen, vorindustriellen Wertes überschritten. Ein bislang kaum beachteter Effekt davon: dies beeinträchtigt auch die Luftqualität in Räumen, in denen viele Menschen zusammen kommen, und erfordert längeres Lüften. Gastbeitrag von Felix Schweikhardt.

Die Auswirkungen des anthropogenen CO2-Ausstoßes auf das Weltklima wurden bereits mannigfaltig erforscht und diskutiert. Auch Folgen eines höheren CO2-Gehalts auf die Vegetationsentwicklung wurden betrachtet. Für den Menschen hingegen spielt bei der Atmung der höhere CO2-Anteil noch keine Rolle. Ein Effekt in diesem Zusammenhang ist jedoch weitgehend unbeachtet und bildet gleichzeitig auch einen – wenngleich im Vergleich zum Schmelzen des Permafrosts oder dem Abschmelzen des arktischen Meereises sicherlich eher vernachlässigbaren – positiven Rückkopplungseffekt für einen beschleunigten Klimawandel.

Für die Luftqualität in Innenräumen spielt die CO2-Konzentration eine bedeutsame Rolle. Studien wie die von Donald Sigrist („Mehr Luft!“ in faktor Schulbauten 3/04: 36ff.) zeigen eindeutig, dass bei zunehmendem CO2-Spiegel die Konzentration und Arbeitsleistung deutlich zurückgehen. Ein besonderes Gewicht kommt dieser Größe in Räumen zu, die von vielen Menschen frequentiert werden und in denen der Aufmerksamkeit eine wichtige Rolle zukommt (z.B. Klassenzimmer oder Hörsäle). Mit Hilfsmitteln wie Lüftungs- oder Luftgüteampeln versuchen beispielsweise Lehrer am Ursulinengymnasium Mannheim festzustellen, wann und wie lange gelüftet werden muss. Entscheidende Messgröße dafür ist die CO2-Konzentration, die durch die Ausatemluft in den Räumen kontinuierlich zunimmt.

Anstieg des atmosphärischen CO2-Gehalts

Für den Erfolg des Lüftens ist jedoch entscheidend, was für ein Luftgemisch hereinkommt. Mit Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre nähert sich deren CO2-Wert immer stärker dem maximal gewünschten Level im Innenraum an. Die berühmte Keeling-Kurve der CO2-Messungen auf Hawaii zeigt einen Anstieg von gut 300 ppm zu Beginn der 1960er-Jahre auf mittlerweile mehr als 410 ppm. Ein Anstieg auf 500 ppm und mehr ist in den nächsten Jahrzehnten zu erwarten.

Ergebnis ist, dass sich die Dauer des Lüftens verlängern muss, um auf den gewünschten Pegel im Innenraum herunterzukommen. Ein unbegrenztes Lüften ist jedoch nicht immer möglich, da beispielsweise die Pausenzeiten in Schulen begrenzt sind oder die Temperatur in Kindergartengruppen nicht allzu stark absinken darf.

Unabhängig davon führt ein längeres Lüften zu einer stärkeren Auskühlung der Räume und der Notwendigkeit eines stärkeren Aufheizens, wenn nicht sogar während des Lüftens geheizt werden muss, um die Temperatur nicht allzu stark fallen zu lassen.

Doch handelt es sich hierbei nur um eine theoretische Überlegung oder tatsächlich einen messbaren Effekt? Dazu soll ein Beispiel mit vereinfachten Annahmen dienen. Bei einem Klassenzimmer-Volumen von 100 m3, der Einströmung von 30 m3 Außenluft pro Minute bei geöffneten Fenstern, einem Anfangswert von 1500 ppm CO2 zu Beginn des Lüftens und einem Zielwert von 600 ppm CO2 am Ende kommt man unter der vereinfachten Annahme, dass sich einströmende und bereits vorhandene Raumluft jede Minute einmal vollständig durchmischt zum Ergebnis, dass der CO2-Anteil in der Außenluft einen durchaus merklichen messbaren Effekt hat. Während der CO2-Wert bei 300 ppm in der Atmosphäre innerhalb der 5-Minuten-Pause im Klassenraum auf 502 ppm absinkt und bei 400 ppm noch bei akzeptablen 585 ppm landet, wird schon bei 500 ppm in der Atmosphäre mit 668 ppm am Ende der Pause der Zielwert nicht mehr erreicht; die Konzentration und Arbeitsfähigkeit leidet. Bei größeren Räumen mit kleineren Fensteröffnungen verschärft sich der Effekt entsprechend.

Alternativ muss länger gelüftet werden, falls dies möglich ist. Während im Beispiel bei 300 ppm in der Außenluft der gewünschte Wert schon nach vier Minuten erreicht ist, dauert es bei 400 ppm fünf Minuten und bei 500 ppm sieben Minuten.

Durch die längere Lüftungsdauer müssen im vorliegenden Fall im Winter 90 weitere Kubikmeter Luft auf Zimmertemperatur erwärmt werden. Bei einer Wärmekapazität der Luft von 0,34 Wh/(m3*K) bedeutet das bei 5°C Außen- und 20°C Innentemperatur einen zusätzlichen Heizenergiebedarf von 459 Wh für jedes Klassenzimmer und jede Pause. Bei Lüften nach jeder Stunde und einem sechsstündigen Schultag ergibt sich bei einer Schule mit 25 Klassenräumen unter diesen Annahmen ein Mehrverbrauch von 69 kWh pro Tag durch das verlängerte Lüften. Bezogen auf eine Heizperiode mit vielleicht 100 Schultagen ergäbe sich ein Mehrverbrauch von 6.900 kWh beziehungsweise etwa 2 t CO2 bei Beheizung mit Öl oder Gas. Hochgerechnet auf alle Gebäude der Welt handelt es sich hierbei um einen erheblichen Effekt. Sollte die CO2-Konzentration unwahrscheinlicherweise bei 400 ppm stagnieren, käme der Mehrverbrauch gegenüber 300 ppm nur zu etwa einem Drittel zum Tragen. Die Minderung der Lüftungswärmeverluste durch eine höhere Außentemperatur in Folge des Klimawandels ist demgegenüber eher vernachlässigbar.

Felix Schweikhardt ist Dipl.-Geograph. Er studierte Geographie, Geowissenschaften, Politikwissenschaften und VWL an den Universitäten Tübingen, Maynooth (Irland) und Bonn. Nach Praktika unter anderem am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und beim Umweltprogramm der Vereinten Nationen arbeitet er für die Evangelische Landeskirche in Baden an der Umsetzung von deren Klimaschutzkonzept.

Weblinks

“In Taiwan, Norwegen und Portugal ist die CO2-Konzentration in Räumen per Gesetz auf 1000 ppm limitiert. Studien aus Kalifornien und Madrid zeigen, dass dieser Wert in Klassenzimmern jedoch regelmäßig überschritten wird. Wo die Werte hoch sind, fällt es den Menschen schwer, sich zu konzentrieren, außerdem gibt es mehr Krankheitstage.”

Aus spektrum.de, Warum Innenräume noch immer Covid-Hotspots sind

Stefan Rahmstorf ist Klimatologe und Abteilungsleiter am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung und Professor für Physik der Ozeane an der Universität Potsdam. Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf Klimaänderungen in der Erdgeschichte und der Rolle der Ozeane im Klimageschehen.

11 Kommentare

  1. Tolle Sache, die Luftgüteampel. Sollten in allen Gebäuden Standart werden, hochgerechnet auf alle Gebäude der Welt kommt da schon was zusammen. Vielleicht kann Herr Schweikhardt dafür sorgen, dass die Weihwasserkesselchen in den Kirchen gegen Luftgüteampeln getausch werden, dies wäre ein sichtbares Zeichen der Kirchen für mehr Klimaschutz.

  2. Das Umweltbundesamt hat ein Dokument mit Untersuchungen und Empfehlungen zur Raumluftqualität bzgl. CO2-Gehalt herausgegeben:
    https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/pdfs/kohlendioxid_2008.pdf
    Es wurde in Wohnungen, Kitas, Schulen, Büroräumen und Verkehrsmitteln gemessen. Interessant sind die Zahlen, wie abhängig von der Personenzahl und der Lufttemperatur sich der CO2-Gehalt der Luft über die Zeit ändert.
    Die Empfehlungen sind in der Tabelle 4 enthalten: unter 1000 ppm gelten als hygienisch unbedenklich, über 2000 ppm als hygienisch inakzeptabel.

    Aus obigem Text geht nicht hervor, wie unterschiedlich die Lüftungszeiten abhängig von der Differenz zwischen Innen- und Außentemperatur ausfallen, denn da gibt es ganz große Unterschiede. Ein ebenso wichtiger Faktor ist, ob die Lüftung durch nur eine einzige Öffnung ins Freie erfolgt oder ob es mehrere Öffnungen gibt, wie groß diese sind und ob die Öffnungen von der Anordnung her einen Durchzug ermöglichen.

    Den Einfluss des CO2-Gehalts der Außenluft, der ja auch noch jahreszeitlich deutlich schwankt, halte ich gegenüber den andern Faktoren für relativ gering.

    • Dieser Beitrag, mit dem üblichen pseudowissenschaftlichen Anstrich versehen, vernebelt das Wesentliche: Wenn alle anderen Einflussfaktoren gleich bleiben, verschlechtert eine höhere CO2 Konzentration die Qualität der Atemluft deutlich. Sei es im unbelüfteten Grossraumbüro, oder im Freien, sei es im Sommer oder im Winter. Dass Sie das nicht so schlimm finden ist schon klar, schliesslich betrifft auch dieser ständig und ungebremst zunehmende Effekt verstärkt nachfolgende Generationen. Er betrfft Menschen, die sich ihre Lebens- und Arbeitsbedingungen nicht aussuchen können und nicht zuletzt auch Menschen mit Atemwegs und Lungenerkrakungen.

  3. Welchen Einfluss haben denn Corona-Masken auf den CO2-Gehalt der eingeatmeten Luft? Wenn diese Korrekt aufgesetzt sind, kommt es zu einer erheblichen Anreicherung von CO2 in der Maske. Bis Corona mußte man sich an einem Arbeitsplatz die Verwendung der FFP2-Maske durch den Betriebsarzt genehmigen lassen und war auch auf eine Stunde am Stück begrenzt.

    • Dr. Martin Weber
      13.04.2021, 13:47 Uhr

      … Bis Corona mußte man sich an einem Arbeitsplatz die Verwendung der FFP2-Maske durch den Betriebsarzt genehmigen lassen und war auch auf eine Stunde am Stück begrenzt.

      _______________________________________________

      Mag sein. Aber jetzt HABEN wir Corona.

    • Wenn diese Korrekt aufgesetzt sind, kommt es zu einer erheblichen Anreicherung von CO2 in der Maske.

      Sie sagen, dass wir das geringe Volumen zwischen Mund und Maske zu einer Anreicherung führt. Das Restvolumen von Mund und “Hals” bis zu den ersten Lungenbläschen können wir genauso wenig komplett ausatmen. Dennoch führt auch das zu keinen Erstickungen oder Anreicherungen von CO2.

      Warum sollten die vielleicht 50 ml Volumen (das ist schon ein aufblasen), die wir unter einer Maske wieder einatmen, dann ein Problem darstellen? Wenn ich dennoch einmal ausrechne, wie hoch der C02-Gehalt der eingeatmeten Luft ist, wenn ich ein zusätzliches Volumen von 50 ml annehme, erhalte ich mit 4 % CO2 in der ausgeatmeten Luft und den 0,04 % CO2 in der Umwelt sowie einem Atemvolumen von einem halben Liter:
      (0,04 * 50 + 0,004 * 500)/550=0,007, also 0,07 % CO2.
      Für einen Ausgleich sorgt vermutlich eine geringe Erhöhung von Atemfrequenz und Volumen.

  4. @Richter
    Mit Ihrem letzten Satz irren Sie sich gewaltig. Eigentlich ist es offensichtlich: wenn schon die Luft im Raum vor Betreten einen höheren CO2-Gehalt hat, dann steigt er nach Betreten mehrerer Menschen deutlich höher an und erreicht schneller die 1000er Marke. In ungelüfteten Klassenzimmern besonders im Winter können es durchaus 5000ppm werden.

    Dazu habe ich eine ausführliche Studie von 2014 gefunden:
    Beurteilung der CO2-Konzentration in Klassenräumen

    • @anton reutlinger
      Die verlinkte Studie habe ich durchgelesen, aber keine Aussage zur CO2-Konzentration in der Außenluft und deren Auswirkung auf die Thematik gefunden.
      Ja, Sie haben recht, meine Aussage am Schluss war nicht ganz richtig, aber “gewaltig” geirrt habe ich mich doch wohl auch nicht.
      Es ist natürlich richtig, dass von einem Minimalwert von 400 ppm aus der Grenzwert von z.B. 1000 ppm schneller erreicht wird als von einem Minimalwert von 300 ppm aus. Nach meiner überschlägigen Rechnung dauert die Zunahme des CO2-Gehalts der Luft von 300 ppm auf 1000 ppm ca. 17% (der Zeit) länger als von 400 ppm auf 1000 ppm, was umgekehrt dann auch für die Reduzierung des CO2-Gehalts durch Lüftung gilt. Das heißt z.B., dass man bereits nach 50 Minuten (bei 400ppm) statt nach 60 Minuten lüften müsste, wenn zwischendurch keinerlei Luftaustausch stattgefunden hat.

      Der sich daraus ergebende Einfluss auf die Lüftungsmaßnahmen, um unterhalb eines Grenzwertes zu bleiben, ist der, dass etwas häufiger gelüftet werden muss oder bei Dauerlüftung der Luftstrom etwas erhöht werden muss.

  5. “Die berühmte Keeling-Kurve der CO2-Messungen auf Hawaii zeigt einen Anstieg von gut 300 ppm zu Beginn der 1960er-Jahre auf mittlerweile mehr als 410 ppm.” Der CO2-Gehalt wird auf hohen Bergen weitab von der Zivilisation gemessen, weil der CO2-Gehalt in Wohngebieten stark schwanken kann. Vor 1957 kann deshalb der CO2-Gehalt in Städten auch schon sehr groß gewesen sein. Im Vergleich zu früher gibt es heute aber ausgezeichnete und preiswerte CO2-Messgeräte für schlechte Raumluft.

  6. Es ist schön, so einen Artikel zu lesen, nachdem ich mir solche Gedanken ohne nähere Konkretisierung schon lange gemacht habe. Ich muss aber einen Aspekt ergänzen, der mir als Haustechnikplaner wohl besser bewußt ist als einem Aussenstehenden:
    Das CO2 ist in der Innenluftqualitätsbeurteilung neben dem tatsächlichen Schadpotential (z.B. Ermüdung) vor allem ein Leitgas, das stellvertretend für andere Luftschadstoffe gemessen wird. Wenn also die saubere Luft schon mehr CO2 ebthält, dann können die Grenzwerte für schlechte Luft bzgl. CO2 geringfügig angepasst werden, weil die Beladung mit weiteren Schastoffen, dann bei einem gewissen CO2-Wert nicht mehr so hoch ist wie früher. Daher ist der Effekt leicht unterpropritonal, wenngleich in der Sache weiter richtig.

  7. Mir ist ubegreiflich, wieso man den CO2-Gehalt überhaupt erst auf 1500 ppm ansteigen lässt. Verglichen damit ist die Differenz von 502 ppm zu 668 ppm ja geradezu lächerlich.
    Ich kann mich noch gut daran erinnern, wie unerträglich es war, zu lange in ungelüfteten Klassenräumen sitzen zu müssen, auch wenn das schon lange her ist (und der CO2-Gehalt in der Atmosphäre noch wesentlich geringer, und das hier dargestellte Problem daher auch).

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