Komplexes Zusammenwirken gesundheitsbeeinflussender Raumluftparameter – Teil 1

Indoor Air Quality: Luft und ihre Bestandteile

Die Innenraumluftqualität (IAQ: Indoor Air Quality) spielt eine äußerst wichtige Rolle für das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen. Das wird verständlich, wenn man sich bewusst macht, dass die Luft in Innenräumen von Gebäuden bis zu 8-mal stärker verschmutzt ist als die Außenluft. Hinzu kommt, dass die Mehrheit der modernen Menschen sich deutlich länger im Inneren von Gebäuden, in Büros, Werkhallen, Wohnungen usw. aufhält als im Außenbereich. Aber auch die dort vorzufindende „frische Luft“ verdient dieses Prädikat oft nicht. Mit zunehmender Häufigkeit übersteigen besonders in den verkehrsreichen Innenstädten Feinstaub- und Stickstoffdioxidwerte die amtlichen Grenzwerte. In der Regel jedoch hat die IAQ die stärkeren Auswirkungen auf die Gesundheit. Weil für eine hohe IAQ das Zusammenwirken zahlreicher Faktoren eine Rolle spielt, ist deren Erfassung und Umsetzung in charakterisierende Kenngrößen notwendig.

Bestandteile der Luft

Idealerweise besteht eine schadstoffarme atmosphärische Luft aus den gasförmigen Bestandteilen Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Edelgase, Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H) (Bild 1). Eine detailliertere Aufstellung ist Bild 2 zu entnehmen. Neben den in der Tabelle genannten Gasen enthält die Luft noch:

Die Tabelle in Bild 3 gibt eine Übersicht über die durchschnittlichen Hintergrundkonzentrationen in Europa. Diese natürlichen Bestandteile der sauberen Außenluft sind zwar mengenmäßig äußerst gering, einige von ihnen können jedoch bei intensiverem Auftreten in der Innenraumluft mehr oder weniger starke Auswirkungen auf die Gesundheit des Menschen haben.

Eine qualitativ hochwertige Atemluft ist durch die An- bzw. Abwesenheit bestimmter Stoffe gekennzeichnet. Diese können in Form von Gasen oder Stäuben vorliegen und haben charakteristische Grenzwerte, bei denen die Verträglichkeit für den Menschen endet.
Die Einflüsse der Raumluft auf eine gesunde, behagliche Umgebung sind vielfältig. Die meisten auf dem Markt befindlichen Messgeräte erfassen nur einen kleinen Teil der Qualitätskriterien, vorwiegend Temperatur, Luftfeuchte und CO2-Gehalt. Daneben beeinflussen insbesondere flüchtige organische Verbindungen (VOCs) und Schwebstoffe in der Luft (Staub) in zunehmender Konzentration Gesundheit und Wohlbefinden des Menschen, der sie einatmet. Anders beim Sauerstoff (O2). Dieser ist in normaler Atemluft mit einem Anteil von knapp 21 Vol.-% enthalten und sollte nach Möglichkeit 18 Vol.-% nicht unterschreiten. Die Folgen geringerer O2-Konzentrationen sind in Bild 4 zusammengefasst.

Dagegen sind erhöhte Sauerstoffkonzentrationen bis zu 50–60 Vol.-% bei Normaldruck für Erwachsene unbedenklich. In der Medizin wird Patienten mit schwacher Lungenleistung im Rahmen von Sauerstofftherapien Atemluft mit erhöhtem Sauerstoffgehalt zugeführt, um ihnen Erleichterung zu verschaffen.

„Ein gesundheitsverträgliches Wohnen und damit eine geringe Innenraumbelastung mit Schadstoffen sollte heutzutage geprägt sein durch die richtige Wahl der Bauprodukte, eine geeignete Be- und Entlüftung von Räumen und dem Benutzen von möglichst schadstofffreien Wohngegenständen.“

Diese Forderung des Bundesumweltamts bringt es auf den Punkt. Übrigens ist der Sauerstoffgehalt „verbrauchter“ Luft nicht signifikant gesenkt. „Frische“ Luft ist also nicht durch das Vorhandensein von deutlich mehr Sauerstoff gekennzeichnet, sondern durch die Abwesenheit oder vernachlässigbare Konzentration von Schadstoffen. Es ist anzumerken, dass eine Gefährdung der Gesundheit meistens nicht von einem kurzen Schadstoffspitzenwert ausgeht, sondern vom längerfristigen Verweilen in einer anhaltend hohen Schadstoffkonzentration. Ein höherwertiges Messgerät sollte deshalb nicht nur den Momentanwert des betreffenden Luftbestandteils anzeigen, sondern dessen chronologischen Verlauf abspeichern, um daraus energiesparende, adaptive Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Der ideale Sensor

Weil die Qualität der Atemluft über ein hochkomplexes Zusammenwirken ihrer vielfältigen Bestandteile bestimmt wird, die je nach Typ und Konzentration mehr oder weniger schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben, wäre für die Analyse der Atemluft eine Vielzahl von selektiven Sensoren und die Auswertung derer Messergebnisse erforderlich. Ideal wäre eine Sensorbank mit auf die kritischen Atemluftverunreinigungen spezialisierten Fühlern ohne Querempfindlichkeit gegenüber anderen Stoffen. Algorithmen müssten dann die Sensorsignale gewichten, um den von ihnen verursachten schädlichen Auswirkungen gezielt entgegenzuwirken zu können.

Die menschliche Nase in Verbindung mit dem Gehirn kommt mit ihren etwa 350 Chemorezeptortypen (Bild 5) einem derartigen Messsystem schon recht nahe. Sie lässt uns rund 10.000 Gerüche und damit eng verbundene Geschmackseindrücke unterscheiden, kann aber viele geruchlose und dennoch gefährliche Atemluftkomponenten nicht detektieren (z. B. das hochgiftige Kohlenmonoxid). Für den Ablauf des Riechvorgangs müssen die Riechzellen die Duftmoleküle in der Luft chemisch erkennen und in elektrische Signale zur Weiterleitung an das Gehirn umwandeln, wo sie zu einem komplexen Dufteindruck zusammengefasst werden. Ein derart ausgefeiltes Detektions- und Analysesystem ist mit den Möglichkeiten der heutigen Technik (noch) nicht realisierbar, schon gar nicht mobil. Noch ist also ein portables Analyseinstrument, das zwischen Hunderten von VOCs selektiv unterscheiden kann, Zukunftsmusik.

VOC: Flüchtige organische Verbindungen in der Luft

Mit dem Kürzel VOC (Volatile Organic Compound) werden gas- und dampfförmige Ausscheidungen organischer, also kohlenstoffhaltiger fester oder flüssiger Substanzen zusammenfassend benannt. Sie verflüchtigen sich wegen ihres hohen Dampfdrucks bereits bei niedrigen Temperaturen (Raumtemperatur) und werden zum meist unerwünschten Bestandteil der Umgebungsluft. So können viele hundert verschiedene Einzel-VOCs in der Luft gemeinsam auftreten. Die Gesamtheit der Konzentrationen sämtlicher VOCs wird durch den TVOC-Wert (Total Volatile Organic Compounds) beschrieben. In der Regel wird das Gas Methan (CH4) nicht zu den VOCs gezählt, was sich in der ebenfalls üblichen Abkürzung NMVOCs (Non Methane VOCs) widerspiegelt. Die WHO (World Health Organization – Weltgesundheitsorganisation) hat die organischen Verbindungen in der Innenraumluft wie in Bild 6 dargestellt klassifiziert.

Zwar sind in der Außenluft im Lauf der letzten Jahrzehnte die VOC-Emissionen insbesondere durch Verbesserungen auf den Sektoren Verkehr und Kraftwerke deutlich zurückgegangen (Bild 7), was aber nicht direkt auf die Situation bei der Rauminnenluft übertragbar ist. Hier wirken sich die Energiesparbemühungen bei Wohngebäuden ungünstig aus. Dicht schließende Fenster verhindern das Eintreten der unbelasteten Außenluft und damit eine natürliche Grundlüftung. Hinzu kommt, dass Isoliermaterialien als zusätzliche VOC-Quellen auftreten.

VOCs werden bei einer Vielzahl anthropogener (vom Menschen verursachter) und biogener (von Lebewesen verursachter) Prozesse in die Umwelt emittiert. Pflanzen, Tiere, Böden und Meere sind natürliche VOC-Quellen, Verkehr, Kraftwerke und industrielle Lösemittelanwendungen gehören zu den wichtigsten anthropogenen VOC-Quellen. VOCs können Reizungen hervorrufen und bei relativ hohen Konzentrationen die menschliche Gesundheit negativ beeinflussen. Das sogenannte Sick Building Syndrome (SBS; Gebäudekrankheit) wird als Folge eines langen Aufenthalts in Gebäuden mit Schadstoffen in der Innenraumluft bewertet. Dementsprechend werden giftige VOC-Ausdünstungen der Baumaterialien besonders von Boden- und Teppichklebern, Lacken, Farben, Anstrichen, Dämmmaterialien, Schädlingsbekämpfungsmitteln und Reinigungsprodukten besonders in neu errichteten Gebäuden als unangenehm empfunden. Unwohlsein, Mattigkeit und Schlaflosigkeit sind eher leichte Symptome des SBS. In schwereren Fällen leiden die Betroffenen unter Allergien, Kopfschmerzen, Reizungen der Augen und Atemwege bis hin zu Schädigungen des Immunsystems sowie Störungen der Nieren- und Leberfunktion. So können VOCs die Lebensqualität der Nutzer eines Gebäudes mehr oder weniger stark einschränken und sind deshalb so weit wie möglich zu vermeiden.

Kohlendioxid

In der Vergangenheit wurde also bei der Bewertung der Innenraumluftqualität deren Kohlendioxidgehalt die maßgebliche Rolle zugeordnet und dabei unberücksichtigt gelassen, dass es zahlreiche andere Luftqualitätskriterien gibt, die realistischere Bedrohungsszenarien für die menschliche Gesundheit darstellen. Aus Bild 10 wird ersichtlich, dass zumindest bei kurzfristiger CO2-Exposition von 10.000 ppm nicht mit Beeinträchtigungen der Körperfunktionen zu rechnen ist. Dennoch wurde für Kohlendioxid ein Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 5000 ml/m3 (ppm) entsprechend 0,5 Vol.‑%. festgelegt. Damit ist ein ausreichender Abstand zur Grenze der Gesundheitsschädlichkeit gewährleistet. So werden heute noch CO2-Konzentrationswerte in der Raumluft als Kriterium für die Notwendigkeit einer Lüftung (im Sinne eines Austauschs der belasteten Raumluft durch Außenluft mit einer Grundbelastung von ca. 400 ppm) herangezogen.

Vielmehr sind es die VOCs aus 2 Quellen, die das Wohlbefinden und die Konzentrationsfähigkeit der im Raum befindlichen Personen herabsetzen:

1. Durch Atmung, Transpiration und Verdauung freigesetzte Stoffwechselprodukte (Metabolismus) und
2. Ausdünstungen von Baustoffen, Einrichtungsgegenständen, Deodorantien, Reinigungsmittelrückstände usw. (Materialemissionen). Im Einzelnen kann es zu Augenreizungen, trockenen Schleimhäuten, Kopfschmerzen bis hin zu Schwindelattacken und Müdigkeit kommen.

CO2-Äquivalente

Weil bei der Gebäudeklimatisierung (englisch HVAC: Heating, Ventilation, Air Conditioning; deutsch HLK: Heizung, Lüftung, Klimatechnik) immer noch häufig die relativ einfach zu messende CO2-Konzentration als maßgebliches Lüftungskriterium dient, hat man sich Gedanken darüber gemacht, wie sich aus den Messwerten eines VOC-Sensors äquivalente CO2-Konzentrationen ableiten lassen.

Die heute meist verwendeten Metalloxid-Semiconductor-Sensoren (MOS) erzeugen ein unspezifisches Messsignal, das keine Rückschlüsse auf die konkrete organische Verbindung zulässt, die es verursacht. Dennoch haben Untersuchungen der Veränderung der Raumluft in dicht besetzten, geschlossenen Räumen ergeben, dass eine deutliche Korrelation der VOC-Mischgaskonzentration (gemessen mit einem MOS-Sensor) mit der CO2-Konzentration (selektiv gemessen mit einem NDIR-Sensor; NDIR: Nondispersive Infrared) besteht (Bild 12).

Es fällt auf, dass der VOC-Verlauf durch die Überlagerung der vom Menschen erzeugten Anteile sowie zusätzlich auftretender Geruchsereignisse geprägt wird, wogegen der CO2-Verlauf ausschließlich vom Menschen herrührt. Ein entsprechender Algorithmus ebnet nun die wellige VOC-Kurve ein und skaliert das Resultat so, dass eine weitgehende Ähnlichkeit mit der CO2-Kurve entsteht. Das Ergebnis ist die gestrichelte blaue Kurve in Bild 12. Abhängig vom CO2- und VOC-Verlauf sowie dem Umrechnungsalgorithmus können die berechneten äquivalenten CO2-Werte in der Praxis aber erheblich von den tatsächlichen CO2- Werten abweichen.

In einem praktischen Beispiel (Bild 13) werden die Eigenheiten des CO2-Äquivalenzverfahrens demonstriert (Quelle: AppliedSensor). In der linken Grafik sind der von einem Luftgütesensor (AppliedSensor IAQ-100) ermittelte äquivalente CO2-Verlauf (blau) und der von einem parallel betriebenen NDIR-Sensor gemessene reine CO2-Verlauf (rot) in einem gut belegten Fitnessstudio abgebildet. Die Korrelation beider Kurven kann als gut bezeichnet werden. Die rechte Grafik zeigt den konstant niedrigen CO2-Wert (rot) in einer nur gelegentlich frequentierten Toilette. Zwei singuläre Geruchsereignisse (VOC-Emissionen) werden vom CO2-Sensor nicht erfasst, wohl aber vom IAQ-Sensor (blau). In diesem Fall ist dies von Vorteil, weil sich daraus ein klares Schaltsignal zum Auslösen von Lüftungsmaßnahmen gewinnen lässt.