Masterarbeit Anton Rößler - Fachverband für Strahlenschutz eV

Entwicklung eines effizienten Messverfahrens zur
Bestimmung der Radonkonzentration als Indikator
für die Qualität der Innenraumluft
Masterarbeit
im Studiengang Medizinische Physik
am Fachbereich
Krankenhaus- und Medizintechnik, Umwelt und Biotechnologie
der Technischen Hochschule Mittelhessen
vorgelegt von:
Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
Matrikel-Nr.: 752989
Referent:
Korreferent:
Prof. Dr. Joachim Breckow
Prof. Dr. Jürgen Koch
Gießen, den 24. Juni 2013

Zusammenfassung
Die Energiesparverordnung (EnEV) sieht für Neubauten, aber auch für Altbausanierungen
Obergrenzen für den Jahres-Primärenergiebedarf vor. Die hierzu erforderlichen
Maßnahmen können mit einem Herabsetzen der Luftwechselrate einhergehen
und somit zu einer Verschlechterung der Raumluftqualität führen. Einige der existierenden
Methoden zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft nutzen unterschiedliche
Indikatoren (z.B. Luftfeuchtigkeit oder CO 2 ). Aufgrund spezifischer Beeinflussungen
dieser Indikatoren durch die Raumnutzung kann die Beurteilung der Qualität
der Innenraumluft jedoch verfälscht werden. Andere Methoden gehen von der Luftwechselrate
aus, da diese einen direkten Einfluss auf die Qualität der Innenraumluft
besitzt. Diese Methoden können allerdings nur unter Prüfbedingungen oder bei konstanter
Luftwechselrate erfolgen. Eine Berücksichtigung der Raumnutzung als wichtiger
Einfluss auf die Luftwechselrate ist dabei nicht möglich.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ergänzend zu diesen Methoden ein Verfahren
vorgestellt, dass die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft unter Alltagsbedingungen
ermöglicht. Hierzu wird Radon ( 222 Rn) als Indikatorgas verwendet. Vor
Beginn einer Langzeitmessung der Radonkonzentration wird zur Charakterisierung
des zu untersuchenden Raumes in einer Initialmessung die Radonquellstärke ermittelt.
Über mathematische Modellbildungen wird zunächst aus dem zeitlichen Verlauf
der Radonkonzentration und aus der ermittelten Radonquellstärke der zeitliche Verlauf
der Luftwechselrate berechnet. Im Weiteren erfolgt die Berechnung des zeitlichen
Verlaufs flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) über die Verwendung des
rekonstruierten Verlaufs der Luftwechselrate und der ebenfalls ermittelten VOC-
Quellstärke. VOC werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit als Beispielschadstoffe
herangezogen. Das aktive Einbringen eines Indikators ist bei dieser Methode nicht
notwendig, so dass Langzeitmessungen unter Alltagsbedingungen erfolgen können.
Lediglich die Initialmessung zur Bestimmung der Radon- und VOC-Quellstärke erfordert
Prüfbedingungen. Durch Versuchsreihen in einer für diesen Zweck errichteten
Messkammer konnten die vorgenommenen Modellierungen praktisch bestätigt werden.
Erste Messungen in Wohngebäuden zeigen realistische Ergebnisse, die in zukünftigen
Untersuchungen weiter überprüft werden sollen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
II

Inhalt
1 Einleitung ........................................................................................................... 1
2 Grundlagen ........................................................................................................ 3
2.1 Qualität der Innenraumluft ............................................................................. 3
2.1.1 Luftschadstoffe im Innenraum ................................................................. 5
2.1.2 Beurteilung der Qualität der Innenraumluft ........................................... 11
2.2 Flüchtige organische Verbindungen (VOC) ................................................. 13
2.2.1 Gesundheitsrisiken ............................................................................... 14
2.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von VOC ........................ 15
2.2.3 Messung von VOC ................................................................................ 17
2.3 Luftwechselrate ........................................................................................... 19
2.3.1 Anforderungen an die Luftwechselrate ................................................. 19
2.3.2 Messung der Luftwechselrate ............................................................... 21
2.4 Radon .......................................................................................................... 24
2.4.1 Herkunft und Vorkommen des Radons ................................................. 24
2.4.2 Radon in Wohngebäuden ..................................................................... 29
2.4.3 Gesundheitsrisiken durch Radon .......................................................... 30
2.4.4 Messung des Radons ........................................................................... 32
2.4.5 Radonschutz ......................................................................................... 37
2.4.6 Eignung des Radons als Indikatorgas ................................................... 40
2.5 Filterung von Messsignalen ......................................................................... 41
2.5.1 Tiefpassfilterung .................................................................................... 41
2.5.2 Filterung über Fensterfunktionen .......................................................... 42
2.6 Modellbildung als Beschreibung eines Systems .......................................... 43
2.6.1 Beschreibung über die mathematische Faltung .................................... 44
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
III

2.6.2 Beschreibung über Differentialgleichungen........................................... 49
3 Methode ............................................................................................................ 50
3.1 Modellbildung Radonkonzentration - Luftwechselrate ................................. 51
3.1.1 Ansatz 1 - mathematischen Faltung ...................................................... 51
3.1.2 Modellbildung über eine Differentialgleichung....................................... 54
3.1.3 Überprüfung der mathematischen Faltung auf Anwendbarkeit (Ansatz 1)
.............................................................................................................. 57
3.1.4 Ansatz 2 - Berechnung des Systems über die Differentialgleichung ..... 57
3.1.5 Ermittlung der Radonquellstärke ........................................................... 59
3.2 Filterung ...................................................................................................... 62
3.3 Modellbildung Luftwechselrate - VOC ......................................................... 64
3.3.1 Ermittlung der VOC-Quellstärke ............................................................ 65
3.3.2 Temperaturkorrektur ............................................................................. 66
3.4 Übertragung des Modells auf reale Gebäude .............................................. 67
3.4.1 DGL-System als Mehr-Raum-Modell .................................................... 67
3.4.2 Modifiziertes Ein-Raum-Modell ............................................................. 71
3.5 Grenzen der Methode .................................................................................. 72
4 Experimentelles Vorgehen ............................................................................. 74
4.1 Laborversuche - Messkammer .................................................................... 74
4.1.1 Messkammer ........................................................................................ 76
4.1.2 Lüftersteuerung ..................................................................................... 77
4.1.3 Aktivkohlefilter ....................................................................................... 81
4.1.4 Radonquellen ........................................................................................ 82
4.1.5 VOC-Quelle ........................................................................................... 83
4.1.6 VOC-Messgerät .................................................................................... 84
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
IV

4.1.7 Radonmonitore ..................................................................................... 85
4.2 Feldversuche - reale Messobjekte ............................................................... 86
4.2.1 Messobjekt 1 ......................................................................................... 87
4.2.2 Messobjekt 2 ......................................................................................... 88
4.3 Aufbereitung der Messdaten in Excel .......................................................... 92
4.4 Auswertung der Messreihen in Mathcad ..................................................... 96
4.4.1 Einlesen der Messdaten ....................................................................... 96
4.4.2 Berechnung der Radonquellstärke ........................................................ 97
4.4.3 Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen Luftwechselrate
........................................................................................................ 98
4.4.4 Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration .............. 99
4.4.5 Rekonstruktion der Luftwechselrate .................................................... 100
4.4.6 Berechnung der VOC-Quellstärke ...................................................... 101
4.4.7 Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate ............ 102
5 Ergebnisse ..................................................................................................... 103
5.1 Laborversuche - Messkammer .................................................................. 104
5.1.1 Berechnung Radonkonzentration - Luftwechselrate ........................... 104
5.1.2 Berechnung Luftwechselrate - VOC .................................................... 117
5.1.3 Berechnung Radonkonzentration - VOC ............................................. 124
5.2 Feldversuche - reale Messobjekte ............................................................. 131
6 Diskussion ..................................................................................................... 138
7 Ausblick ......................................................................................................... 142
8 Anhang ........................................................................................................... 144
Literaturangaben ....................................................................................................... i
Formelzeichen ....................................................................................................... viii
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
V

Einleitung
Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................... x
Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... xii
Tabellenverzeichnis.............................................................................................. xvii
Eidesstattliche Erklärung .................................................................................... xviii
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
VI

Einleitung
1 Einleitung
In Mitteleuropa halten sich Erwachsene 80 bis 90 % des Tages in Innenräumen auf
[1]. Dies führt dazu, dass sie einer Vielzahl an Luftschadstoffen ausgesetzt sind, die
sich in der Innenraumluft anreichern können. Allein die Anwesenheit des Menschen
führt zu Emissionen von z.B. CO 2 oder Ausdünstungen. Durch Bauprodukte, Möbel
und weitere Gegenstände des täglichen Gebrauchs werden Stoffe wie flüchtige organische
Verbindungen (VOC) abgegeben [2]. Eine hohe Luftfeuchtigkeit in Innenräumen
kann zur Bildung von Schimmel führen, der wiederum Sporen und Allergene
emittiert [3]. Das radioaktive Edelgas Radon kann sich ebenfalls in der Innenraumluft
anreichern und eine Gesundheitsgefährdung bedeuten.
Die Konzentrationen dieser Luftschadstoffe hängen zum einen von den jeweiligen
Emittenten und zum anderen von der Belüftung des Raumes ab [4]. Eine gute Belüftung
und somit eine hohe Luftwechselrate sorgt dafür, dass sich die Luftschadstoffe
im Innenraum nicht anreichern können und deren Konzentration auf einem
niedrigen Niveau bleibt. Die Energiesparverordnung sieht jedoch für Neubauten, aber
auch für Altbausanierungen Obergrenzen für den Jahres-Primärenergiebedarf vor [5].
Zur Senkung des Energieverbrauchs ist es notwendig, die Gebäudeaußenhülle stärker
zu dämmen und dicht schließende Türen und Fenster einzusetzen. Dies kann zu
einem Herabsetzen der Luftwechselrate führen, was wiederum eine Erhöhung des
Schadstoffniveaus zur Folge haben kann [6, 7]. Um dies zu vermeiden, bestehen
gewisse Anforderungen an die Belüftung des Gebäudes, die durch aktive Lüftungsanlagen
oder ein angepasstes Lüftungsverhalten der Raumnutzer (passives Lüften)
erfüllt werden können. Aktive Lüftungsanlagen sind in der Regel geeignet, eine Erhöhung
des Schadstoffniveaus zu vermeiden. Bei Anwendung des passiven Lüftens
besteht jedoch eine große Abhängigkeit vom Nutzerverhalten. Wird das passive Lüften
nur unzureichend betrieben, kann dies zu einer Erhöhung des Schadstoffniveaus
führen.
Bisher bestehen einige Ansätze zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft anhand
unterschiedlicher Indikatoren. Hierzu zählen beispielsweise die Luftfeuchtigkeit
und die CO 2 -Konzentration. Der Nachteil dieser Verfahren besteht jedoch darin, dass
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 1

Einleitung
die Raumnutzung einen individuellen Einfluss auf den verwendeten Indikator aufweisen
kann. So kann beispielsweise durch Kochen oder Duschen die Luftfeuchtigkeit
oder durch erhöhte körperliche Aktivität die CO 2 -Konzentration im Innenraum erhöht
werden. Andere für die Qualität der Innenraumluft relevanten Schadstoffe können
durch diese Raumnutzung unberührt bleiben, so dass ein Heranziehen dieser Indikatoren
die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft verfälschen kann [8, 9]. Andere
Betrachtungen basieren auf der Ermittlung der Luftwechselrate. Diese besitzt
einen direkten Einfluss auf die Qualität der Innenraumluft. Daher ist die Kenntnis der
Luftwechselrate zur Abschätzung der Raumluftqualität von zentraler Bedeutung. Bisherige
Verfahren zur Ermittlung der Luftwechselrate können allerdings nur unter
Prüfbedingungen oder bei konstanter Luftwechselrate erfolgen. Eine Berücksichtigung
der normalen Raumnutzung als wichtiger Einfluss auf die Luftwechselrate ist
dabei nicht möglich [8, 9].
Ergänzend zu diesen Methoden wird in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren vorgestellt,
das die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft unter Verwendung der Radonkonzentration
als Indikator ermöglicht. Hierzu wird zunächst mit Hilfe eines
mathematischen Modells der zeitliche Verlauf der Luftwechselrate aus dem zeitlichen
Verlauf einer Langzeitmessung der Radonkonzentration berechnet. Da ein aktives
Einbringen eines Indikators nicht notwendig ist und Radon fast ausschließlich zur
Luftwechselrate Korrelationen zeigt, kann während des Messzeitraums eine uneingeschränkte
Raumnutzung gewährleistet werden. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren
ist somit die Ermittlung der Luftwechselrate unter Alltagsbedingungen möglich.
Über weitere Modellbildungen können aus dem zeitlichen Verlauf der Luftwechselrate
die zeitlichen Verläufe einzelner Luftschadstoffe berechnet werden, was bei einer
Auswahl repräsentativer Luftschadstoffe die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft
ermöglicht.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 2

Grundlagen
2 Grundlagen
2.1 Qualität der Innenraumluft
Um zunächst den Begriff „Innenraum“ abzugrenzen, wird im Folgenden eine Definition
des Rates der Sachverständigen für Umweltfragen gegeben [10]:
„Der Rat von Sachverständigen für Umweltfragen (SRU) definiert „Innenräume”
als Wohnungen mit Wohn-, Schlaf-, Bastel-, Sport- und Kellerräumen, Küchen
und Badezimmern, außerdem Arbeitsräume in Gebäuden, die im Hinblick auf
gefährliche Stoffe nicht dem Geltungsbereich der Gefahrstoffverordnung
(GefStoffV) unterliegen, wie etwa Büroräume. Innenräume in öffentlichen Gebäuden
(Krankenhäuser, Schulen, Kindertagesstätten, Sporthallen, Bibliotheken,
Gaststätten, Theater, Kinos und anderen öffentlichen Veranstaltungsräumen) sowie
das Innere von Kraftfahrzeugen und öffentlichen Verkehrsmitteln zählen
ebenfalls dazu.“
Somit fallen unter den Begriff „Innenraum“ sämtliche Wohnräume, öffentliche Gebäude
und Büroräume, sowie ein Teil anderer Arbeitsräume und das Innere von
Fahrzeugen und öffentlichen Verkehrsmitteln.
Die Innenraumluft weist häufig eine höhere Konzentration an Luftschadstoffen auf als
die Außenluft, da in geschlossenen Räumen bereits geringe Stoffmengen ausreichen
können, um gegenüber der Außenluft eine erhöhte Konzentration an Luftschadstoffen
zu bewirken. Ungenügendes Lüftungsverhalten der Raumnutzer und Energiesparmaßnahmen,
die zu einer Reduzierung des passiven Luftwechsels führen, können
diesen Effekt verstärken. Ist der Mensch einer erhöhten Schadstoffkonzentration
ausgesetzt, kann dies zu unterschiedlichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen
führen. Hierzu zählen akute Symptome wie beispielsweise Atembeschwerden, Kopfschmerzen
oder Reizungen der Schleimhäute aber auch chronische Erkrankungen
wie z.B. Allergien, Asthma oder Krebserkrankungen. Oft werden Beschwerden und
Krankheitsbilder, die mit dem Aufenthalt in Innenräumen zusammenhängen können,
als „Sick-Building-Syndrom“ bezeichnet. Als Ursachen kommen physikalische, chemische
und biologische, aber auch psychologische Faktoren in Frage.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 3

Grundlagen
Die Qualität der Außenluft unterliegt in Mitteleuropa einer strengen Überwachung. In
Gesetzen und Verordnungen sind für den Großteil der Luftschadstoffe Grenz- oder
Richtwerte festgelegt, wobei flächendeckende Messnetze für eine Überwachung der
Außenluftqualität sorgen. Der Begriff „Innenraum“ wird über die oben genannte Definition
hinaus in Wohn- und Arbeitsbereiche unterteilt. Besonders für Wohnbereiche
ist eine Überwachung der Luftqualität, wie sie für die Außenluft erfolgt, nicht bzw. nur
eingeschränkt möglich. Durch ad-hoc-Gruppen der Innenraumlufthygiene-Kommission
des Umweltbundesamtes (Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit) und der obersten Landesgesundheitsbehörden
wurde jedoch eine Reihe an Richtwerten für einige Luftschadstoffe erarbeitet,
die sich auf die jeweilige Konzentration in der Innenraumluft beziehen. Für einzelne
Schadstoffe bestehen eigene Richtlinien, wie z.B. die Asbestrichtlinie, die PCB- und
die PCP-Richtlinie oder die DIN 68800 für die Anwendung von Holzschutzmitteln.
Diese Richtlinien leiten sich aus dem Baurecht ab und sind "Regeln der Technik, die
der Sicherung der baupolizeilichen Anforderungen dienen" [11]. Die Richtwerte der
ad-hoc-Gruppen, aber auch die der einzelnen Richtlinien gelten als Stand der Technik
und werden zu Bewertungen der Schadstoffbelastung herangezogen. Wenn notwendig,
können durch diese entsprechende Maßnahmen veranlasst werden, wie beispielsweise
Nutzungseinschränkungen, fortlaufende messtechnische Überwachungen
oder Sanierungen.
Als Schadstoffquellen kommen u.a. Bauprodukte in Frage. Durch die Bauprodukteverordnung
(bis April 2013 Bauprodukterichtlinie) werden u.a. hinsichtlich der Emission
gesundheitsgefährdender Stoffe Anforderungen an Bauprodukte gestellt. Diese
Anforderungen sollen über eine Reihe harmonisierter Produkt- und Prüfnormen erfüllt
werden. Die Anwendung der harmonisierten Normen ist nicht bindend, allerdings die
Erfüllung der Bauprodukteverordnung. Somit bestehen für einige Schadstoffe bereits
Regelungen hinsichtlich der Schadstoffquellen und der Schadstoffkonzentrationen in
der Innenraumluft. Mit Blick auf die Vielfalt der Luftschadstoffe wird jedoch deutlich,
dass nur ein Teil aller Luftschadstoffe mit diesen Regelungen abgedeckt ist. Zur besseren
Nachvollziehbarkeit wird im folgenden Abschnitt ein grober Überblick über das
Spektrum der Luftschadstoffe im Innenraum gegeben.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 4

Grundlagen
2.1.1 Luftschadstoffe im Innenraum
Im Innenraum kann sich eine Vielzahl an Schadstoffemittenten befinden. Hierbei
kann neben der gesondert betrachteten Radon-Thematik (siehe Abschnitt 2.4) grundsätzlich
zwischen chemischen und biologischen Belastungen unterschieden werden.
Chemische Luftschadstoffe
Chemische Luftschadstoffe werden von einer Vielzahl an Produkten, die sich im Innenraum
befinden, emittiert. Als Emittenten chemischer Luftschadstoffe kommen insbesondere
folgende Produkte in Frage [12]:
- Bauprodukte
- Einrichtungsgegenstände
- Putz-, Reinigungs- und Pflegemittel
- Holzschutzmittel (Biozide)
- Mittel zur Ungezieferbekämpfung
- Alte Thiokol-Dichtungsmassen (PCB)
- Spanplatten aus älteren Fertigbauten (Formaldehyd und Chlornaphthalin)
- Dämmstoffe (Mineralfasern)
- Spanplatten und Möbel (Formaldehyd)
- Teppichböden und Fußbodenkleber
- Parkettkleber auf Teerbasis (PAK)
- Farben, Lacke, Kleber, Spachtel- und Dichtungsmassen
- Gebrauchsartikel und Produkte des Heimwerker-, Hobby- und Bastelbereiches
Diese Auflistung spiegelt die Vielfalt und Komplexität der möglichen Schadstoffemittenten
wider. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang auch, dass sich im Laufe
der Jahre das Spektrum der eingesetzten Substanzen permanent ändert. So wurden
beispielsweise früher häufig eingesetzte Substanzen wie Tetrachlorethen oder zahlreiche
aromatische Kohlenwasserstoffe durch andere Substanzen ersetzt. Dabei
kommt insbesondere Substanzgruppen wie z.B. Glykolen, monocyclischen Terpenen
oder Siloxanen zunehmende Bedeutung zu, wobei sich auch innerhalb dieser Gruppen
über die Jahre Veränderungen hinsichtlich der anzutreffenden Verbindungen
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 5

Grundlagen
ergeben. Je nach Emittent und Schadstoff erfolgt die Freisetzung entweder begrenzt
über einen bestimmten Zeitraum oder sie kann als konstant betrachtet werden. Beispielsweise
besteht die Möglichkeit, dass ein Schadstoff von einer Primärquelle emittiert
wird und sich dann an Oberflächen ablagert. Diese Oberflächen können infolgedessen
als Sekundärquellen den Schadstoff mit einem anderen zeitlichen Verhalten
wieder abgeben. Durch Temperatur, Luftfeuchte oder Wechselwirkung mit anderen in
der Innenraumluft befindlichen Stoffen kann die Freisetzungsrate eines Schadstoffs
beeinflusst werden. Werden Schadstoffe in die Innenraumluft freigesetzt, spielt neben
der Freisetzungsrate die Luftwechselrate eine große Rolle, die von dem Vorhandensein
einer aktiven oder der durch die Raumnutzung bestimmten passiven Lüftung
abhängt. Bei einer ungenügenden Belüftung des Raumes können sich Schadstoffe
bereits bei geringen Freisetzungsraten in der Innenraumluft anreichern und so zu
einer erhöhten Schadstoffexposition der Raumnutzer führen.
Die Wirkung chemischer Luftschadstoffe auf das Befinden und die Gesundheit des
Raumnutzers verhält sich ebenfalls sehr komplex. Je nach Schadstoff zeigen sich
unterschiedliche Symptome, wobei darüber hinaus sensibilisierende, kanzerogene,
mutagene sowie reproduktionstoxische Wirkungen auftreten können. Unter den
durch chemische Luftschadstoffe hervorgerufenen Symptomen kann es sich beispielsweise
um folgende Störungen des Wohlbefindens handeln [13]:
- Augen: Augenbrennen, Bindehautreizung
- Nase: Nasen- und Nebenhöhlenreizung, Rhinitis
- Rachen: Halskratzen, Heiserkeit
- Lunge: Bronchitis, Asthma
- Haut: Trockenheit, Brennen, Ausschlag
- ZNS: Kopfschmerz, Müdigkeit, Konzentrationsstörung
Nach Bezug eines Neubaus oder nach Sanierungsmaßnahmen, aber auch nach dem
Einbringen neuer Möbel und Einrichtungsgegenstände in den Innenraum berichten
Raumnutzer häufig von o.g. Symptomen, aber auch von unspezifischen Überempfindlichkeiten
und Unwohlsein [12].
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 6

Grundlagen
Folgende Tabelle zeigt einen Überblick über Schadstoffe, die im Innenraum zu finden
sein können:
Schadstoff
Emissionsquellen
Asbest
Bauprodukte, alte Wand- und Deckenverkleidungen, alte
Bodenbeläge (bis 1982), alte Dachbedeckungen, Außenluft
DDT
Holzschutzmittel bis 1972, in der DDR bis in die 80er Jahre
Flammschutzmittel (z. B. die
Phosphorsäureester TCPP, TCEP und
TDCPP, bromierte Flammschutzmittel
Möbel, Textilbezüge, Polster, Matratzen, Gehäuse etc. aus
Kunststoffen; TCEP auch in Möbeln und Parkettpolituren
(PBDPE, PBBP oder TBBA))
Flüchtige organische Verbindungen
(VOC)
Bauprodukte, Lösemittel, Möbel, Lacke, Farben,
Tabakrauch, Heimwerken
Formaldehyd
Spanplatten, Möbel, Lacke, Tabakrauch
Isocyanate
Lacke, Kleber, PU-Schäume, Spanplatten
Kohlendioxid (CO 2 ),
Kohlenmonoxid (CO)
Ofenheizung, Tabakrauch, Außenluft
Künstliche Mineralfasern
Bauprodukte
Lindan Holzschutzmittel bis 1977
Mikrobielle Verunreinigungen
Feuchteschäden, menschliche Aktivitäten, Luftbefeuchter,
Raumlufttechnische Anlagen, Duschaerosole, Außenluft
Mykotoxine, Pilzsporen, MVOC
( = leicht flüchtige organische
Schimmelpilze
Verbindungen)
Pentachlorphenol (PCP) Holzschutzmittel bis 1989
Phthalate
Weich-PVC-Produkte, z.B. Bodenbeläge,
Kabelummantelungen, Spielzeuge
Polychlorierte Biphenyle (PCB),
Dichtungsfugen, Parkettkleber aus dem Zeitraum 1955-1975,
Polychlorierte Terphenyle (PCT),
Akustikdeckenplatten bis 1971, Kondensatoren u.a.
Chlorparaffine (CP)
Polyzyklische aromatische
Kohlenwasserstoffe (PAK) und
oxidierte PAK
Pyrethroide
Radon
Schwebstaub
Schwefeldioxid (SO 2 )
Schwerflüchtige organische
Verbindungen (SVOC)
Schwermetalle
Staubniederschlag
Stickstoffdioxid (NO 2 )
Styrol
Toluol
Teerhaltige Produkte, z.B. alte Parkettkleber (50er Jahre);
Tabakrauch, offener Kamin, Autoabgase, Außenluft
Mottenschutzmittel, z.B. in Teppichböden
Gesteinsschichten (regional)
Tabakrauch, Ofenheizung, Heimwerken, Außenluft
Außenluft, Ofenheizung (Braunkohle)
Bauprodukte, Inventar, Heimwerken, Tabakrauch
Farben, Lacke, Tabakrauch, Außenluft
Tabakrauch, Ofenheizung, Heimwerken und andere
menschliche Aktivitäten, Außenluft
Gasherd, Gasheizung, Ofenheizung, Außenluft
Hartschaumprodukte
Lösemittel, z.B. in Lacken, Klebern
Tabelle 1: Übersicht über ausgewählte Schadstoffe in Innenräumen mit deren Quellen [12]
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 7

Grundlagen
Tabelle 1 stellt nur einen kleinen Ausschnitt der im Innenraum vorkommenden
Schadstoffe dar. Einige Schadstoffe stellen jeweils erst ab einer bestimmten Konzentration
in der Innenraumluft ein Gesundheitsrisiko dar. Unter einem solchen
Schwellenwert erfolgt keine Beeinflussung des Wohlbefindens und der Gesundheit
des Raumnutzers durch den jeweiligen Schadstoff. Andere Schadstoffe sind jedoch
in der Lage, sensibilisierende, kanzerogene, mutagene oder reproduktionstoxische
Prozesse in Gang zu setzen. Hierzu zählen beispielsweise Asbest, Formaldehyd
oder einige VOC wie Benzol oder Naphthalin. Für diese Schadstoffe besteht kein
Schwellenwert, da auch geringste Spuren zu einer Erhöhung des Gesundheitsrisikos
führen. Welcher Schadstoff auf welche Art und Weise auf den Raumnutzer einwirkt
ist noch nicht vollständig erforscht. Auch über einige Emissionsquellen ist bisher wenig
bekannt. Einige Schadstoffe und deren Quellen wurden in den letzten Jahren und
Jahrzehnten allerdings intensiv erforscht, so dass auf Basis dieser Kenntnisse bereits
reagiert werden konnte. Als Beispiel sei Asbest zu nennen, das in großem Umfang
als Bauprodukt verwendet wurde. Die Fasern asbesthaltiger Materialien können
durch Einatmen in die Alveolen der Lunge gelangen und so bereits bei geringer Belastung
Asbestose verursachen, was zu einem Lungenkarzinom führen kann. Aufgrund
dieser Gesundheitsgefährdung wurde die Verwendung von Asbest 1993 in
Deutschland endgültig verboten. Die Herstellung und Verwendung zahlreicher
schwachgebundener Asbestprodukte wurde bereits vorher schrittweise untersagt.
Über andere Stoffe, wie beispielsweise einige VOC, ist weit weniger bekannt. Zwar
wurden die Quellen und die Wirkung einzelner VOC bereits erforscht, jedoch bleiben
Kenntnisse über einige andere VOC bisher unzureichend, was hinsichtlich der Komplexität
des VOC-Spektrums nicht verwundert. So gelangen durch neue Materialien
und neue Herstellungsverfahren z.B. von Bauprodukten auch Stoffe in den Innenraum,
über deren Gesundheits- und Umweltrisiko bisher wenig bekannt ist.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 8

Grundlagen
Biologische Luftschadstoffe
Bei biologischen Luftschadstoffen handelt es sich im Wesentlichen um Verunreinigungen
durch Schimmelpilze und Bakterien.
Schimmelpilze
Schimmelpilz ist der Sammelbegriff für Pilze, die typische Pilzfäden und Sporen ausbilden
können. Sie sind an der Zersetzung organischen Materials beteiligt und sind
somit ein natürlicher Bestandteil der Umwelt. Zur Vermehrung und Verbreitung bilden
Schimmelpilze Samen, die sogenannten Sporen. Die meisten Schimmelpilzsporen
haben einen Durchmesser von unter 10 µm [14]. Sie können daher mit dem Wind in
der Luft auch weite Strecken zurücklegen, in den Innenraum eindringen und vom
Menschen eingeatmet werden. Neben der Möglichkeit, dass Schimmelpilze aus der
Außenluft in den Innenraum gelangen, kann die Quelle auch im Innenraum selbst
liegen. Hierzu benötigen sie ein bestimmtes Nährstoffangebot, wobei beispielsweise
folgende Materialien als Nährstoffquellen dienen können [14]:
- Holz, Spanplatten
- Papier, Pappe, Karton (auch Gipskarton)
- Tapeten, Tapetenkleister
- Kunststoffe, Gummi, Silikon, Folien
- Teppichböden, Kleber für Fußbodenbelag
- Farben, Lacke
- Leder
Auch auf Materialien, die keine Nährstoffquellen bieten, können Schimmelpilze wachsen,
wenn sich dort organische Partikel oder Staub absetzen. Zusätzlich spielt die
Temperatur eine große Rolle. In Innenräumen liegt sie meist in einem für das
Schimmelwachstum günstigen Bereich.
Grundvoraussetzung für das Auftreten von Schimmelpilzen in Innenräumen ist aber
eine hohe Luftfeuchtigkeit. Besonders Gebäude (Neu- und sanierte Altbauten), die
den Passivhaus- oder Niedrigenergiehausstandard erfüllen, besitzen eine sehr dichte
Außenhülle und können bei einer ungenügenden Belüftung (fehlende aktive Lüf-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 9

Grundlagen
tungsanlage, unzureichendes Lüftungsverhalten) eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit
aufweisen. Neben dem Lüftungsverhalten beeinflusst auch der Raumnutzer durch
Aktivitäten wie Kochen, Wäschetrocknen oder Duschen die Luftfeuchtigkeit. Weitere
Gründe für eine erhöhte Luftfeuchtigkeit sind bauliche Mängel. Beispielsweise kann
durch Undichtigkeiten im Dach oder Mauerwerk Feuchtigkeit in das Gebäude eindringen.
Werden im Zuge einer energetischen Sanierung Wärmedämmungen falsch
angebracht, können Wärmebrücken in der Außenhülle entstehen, die zu Tauwasserbildung
im Innenraum führen können. Weitere Ursachen in Form baulicher Mängel
stellen unentdeckte oder unzureichend reparierte Wasserschäden dar.
Werden Schimmelpilz-Sporen oder Stoffwechselprodukte über die Luft eingeatmet,
können allergische und reizende Reaktionen hervorgerufen werden, wobei Symptome
wie Bindehaut-, Hals- und Nasenreizungen, Husten, Kopfschmerzen oder Müdigkeit
auftreten können. Einige Schimmelpilze sind in der Lage, Mykotoxine zu produzieren,
die beim Menschen sehr wirksam sind. Diese können ebenfalls zu Erkrankungen
führen, wenn das Immunsystem geschwächt sein sollte.
Der typische Schimmelgeruch wird durch flüchtige organische Verbindungen erzeugt,
die der Schimmelpilz produziert. Diese werden MVOC (Microbial Volatile Organic
Compounds) genannt, wobei es sich um ein Gemisch aus Stoffen wie Alkoholen,
Terpenen oder Aldehyden handelt. Eine Exposition der Raumnutzer mit MVOC kann
in seltenen Ausnahmefällen zu Schleimhautreizungen und Kopfschmerzen führen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 10

Grundlagen
Bakterien
Bei einer erhöhten Luftfeuchtigkeit im Innenraum besteht nicht nur das Risiko der
Schimmelbildung. Bedingt durch eine Vielzahl an Mikroorganismen bestehen auch
weitere mikrobiologische Risiken. Beispielsweise handelt es sich bei Actinomyceten
um Bakterien, die schimmelpilzartig wachsen und dabei Toxine und Antibiotika produzieren.
Diese Toxine und Antibiotika können eine Gesundheitsgefährdung der
Raumnutzer darstellen, rheumatoide Beschwerden der Raumnutzer können die
Folge sein [15]. Amöben, andere Eukaryoten und verschiedene Bakterien kommen
ebenfalls bei einer erhöhten Luftfeuchtigkeit vor. Hier besteht beispielsweise eine
Gesundheitsgefahr durch Krankheitserreger, die einige Mikroorganismen beherbergen.
2.1.2 Beurteilung der Qualität der Innenraumluft
Die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft erfolgt auf unterschiedliche Weise. Die
folgenden Verfahren beziehen sich auf bestimmte Parameter, die als Leitgröße herangezogen
werden.
Luftfeuchtigkeit als Leitgröße
Die Luftfeuchtigkeit spielt für das Vorkommen mikrobiologischer Gesundheitsrisiken
eine große Rolle, wir Abschnitt 2.1.1 zu entnehmen ist. Eine Luftfeuchtigkeit auf einem
Niveau von unter 65 % bis 70 % gilt allgemein als akzeptabel [14]. Unterschreitet
die Luftfeuchtigkeit dauerhaft einen Wert von 35 %, so kann dies zu Funktionsbeeinträchtigungen
der oberen und unteren Atemwege führen. Eine hohe Luftfeuchtigkeit
kann in Kombination mit einer niedrigen Lufttemperatur rheumatische Erscheinungen
bewirken [16]. Somit ist die Überwachung der Luftfeuchtigkeit sinnvoll und
kann als Leitparameter für das Risiko des Auftretens mikrobiologischer Gesundheitsrisiken
herangezogen werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 11

Grundlagen
CO 2 -Konzentration als Leitgröße
In Unterrichtsräumen von Schulen kommen häufig CO 2 -Ampeln zum Einsatz. Besonders
hier ist es sinnvoll, die CO 2 -Konzentration zu überwachen, da diese durch eine
große Personenanzahl in einem verhältnismäßig kleinen Raum hohe Werte erreichen
kann. Als Richtwert wird eine CO 2 -Konzentration von 1500 ppm angegeben, wobei
90 % der Unterrichtsräume ohne aktive Lüftungsanlage diesen Wert überschreiten
und Werte bis 5000 ppm erreichen können [10]. Eine CO 2 -Ampel visualisiert die CO 2 -
Konzentration nach dem Ampelprinzip. Leuchtet die grüne LED, so befindet sich die
CO 2 -Konzentration in einem akzeptablen Bereich, leuchtet die rote LED, so wird eine
Raumlüftung erforderlich.
Nach einer Bewertung der Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Innenraumrichtwerte“
der Innenraumlufthygiene-Kommission des
Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden
gelten CO 2 -Konzentrationen über 2000 ppm
in Unterrichtsräumen als inakzeptabel [10]. Da dieser Wert
in Unterrichtsräumen rasch überschritten werden kann, gewährleistet
hier möglicherweise eine CO 2 -Ampel ein sinnvolles
Lüftungsverhalten gewährleisten.
Im Wohnbereich können ebenfalls CO 2 -Konzentrationen
über 2000 ppm auftreten [17]. Da sich hier jedoch üblicherweise
weniger Personen aufhalten, sind die Werte im
Vergleich zu Unterrichtsräumen von Schulen eher niedriger.
Abbildung 1: CO 2-Ampel [18]
VOC-Konzentration als Leitgröße
Da die Verwendung flüchtiger organischer Verbindungen als Indikator für die Beurteilung
der Qualität der Innenraumluft im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine zentrale
Rolle einnimmt, wird im nächsten Abschnitt gesondert auf diesen Punkt eingegangen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 12

Grundlagen
2.2 Flüchtige organische Verbindungen (VOC)
VOC (Engl: Volatile Organic Compounds) ist eine Abkürzung für flüchtige organische
Verbindungen. Hierbei handelt es sich um einen Sammelbegriff für organische Verbindungen,
deren Grundgerüst aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht. Sie besitzen
die Eigenschaft, dass sie flüchtig sind, also leicht verdunsten und somit bereits
bei Raumtemperaturen gasförmig vorliegen. Nach [19] und [20] handelt es sich bei
einem VOC um „eine organische Verbindung, die bei 293,15 K einen Dampfdruck
von 0,01 kPa oder mehr hat oder unter den jeweiligen Verwendungsbedingungen
eine entsprechende Flüchtigkeit aufweist“. VOC werden von der Weltgesundheitsorganisation
WHO abhängig von ihrer Flüchtigkeit wie folgt klassifiziert:
Beschreibung
Sehr flüchtige
organische
Verbindungen
Flüchtige
organische
Verbindungen
Schwerflüchtige
organische
Verbindungen
Staubgebundene
organische
Verbindungen
Abkürzung
Siedepunktbereich Sättigungsdampfdruck
von (°C) bis (°C) (kPa)
VVOC < 0 50 bis 100 > 15
VOC 50 bis 100 240 bis 260 > 10 -2
SVOC 240 bis 260 380 bis 400 10 -2 bis 10 -8
POM > 380
Tabelle 2: Klassifizierung von organischen Verbindungen nach [21]
Pro Jahr werden bedingt durch den Menschen ca. 100 Mio. t VOC emittiert. Über den
Umfang natürlicher VOC-Emissionen besteht bisher noch Unklarheit [22]. Im Innenraum
kommt eine Vielzahl an Emissionsquellen in Frage. So lassen sich in der Innenraumluft
weit über 100 unterschiedliche VOC nachweisen, die aus verschiedenen
Quellen abgegeben werden können [23].
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 13

Grundlagen
Grundsätzlich lassen sich VOC in sechs Klassen unterteilen [24]:
- Kettenartige Kohlenwasserstoffe wie n-Alkane oder Isoalkane
- Cycloalkane, - Aromatische Kohlenwasserstoffe
- Chlorierte Kohlenwasserstoffe
- Terpene
- Carbonyle
- Alkohole
Kettenartige Kohlenwasserstoffe, Terpene oder Alkohole sind häufig in Bauholz oder
Holzparkett zu finden. Hier sind insbesondere Terpene zu erwähnen, da diese trotz
ihres allergenen Potentials häufig als natürlicher Ersatz in Holzpolituren oder -lacken,
die mit einem Biosiegel versehen sind, vorkommen. Durch Feuerstätten, Kerzen oder
Lampenöle können u.a. Alkane, Alkene, Alkohole oder aromatische Verbindungen
freigesetzt werden. Möbel, Einrichtungsgegenstände, Wandverkleidungen oder Bodenbeläge,
Klebstoffe oder Behandlungsmittel können u.a. Alkane, Carbonyle oder
Terpene emittieren. Zu unregelmäßigen aber unter Umständen kurzzeitig sehr starken
Erhöhungen der VOC-Freisetzung können Haushaltsmittel wie Reinigungs- oder
Desinfektionsmittel beitragen. Hier kommt es möglicherweise zur Freisetzung von
Alkanen, Alkoholen, Glykolen, Estern, Ketonen oder chlorierten Kohlenwasserstoffen.
Durch die Anwesenheit von Menschen und Haustieren können u.a. körpereigene
Geruchsstoffe, Stoffwechselprodukte oder die Anwendung von Kosmetika eine VOC-
Freisetzung bedingen. Wie bereits erwähnt, können Mikroorganismen wie Schimmelpilze
ebenfalls VOC emittieren. Eine weitere bedeutende VOC-Quelle stellt schließlich
der Tabakrauch dar [24].
2.2.1 Gesundheitsrisiken
Über die Wirkung einzelner VOC und deren Konzentrationen in Innenräumen ist, wie
in Abschnitt 2.1.1 bereits dargestellt, oft nur wenig bekannt. Häufig beobachtete gesundheitliche
Beschwerden, die sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auf erhöhte VOC-
Konzentrationen zurückführen lassen, sind beispielsweise Reizungen der Schleimhäute
an Augen, Rachen und Nase, Ermüdungserscheinungen, Kopfschmerzen und
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Grundlagen
erhöhte Infektionsanfälligkeit im Bereich der Atemwege, sowie unangenehme Geruchs-
und Geschmackswahrnehmungen, etc. [23]. Darüber hinaus können VOC-
Verbindungen kanzerogene Eigenschaften aufweisen oder Allergien verursachen
[24].
2.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von VOC
Eine einheitliche Beschreibung der physikalischen und chemischen Eigenschaften
von VOC ist hinsichtlich der Vielfalt der zu dieser Stoffgruppe zählenden Verbindungen
prinzipiell nicht möglich. Dies liegt insbesondere daran, dass einzelne VOC ein
unterschiedliches Temperaturverhalten besitzen. Im Folgenden soll jedoch zum besseren
Verständnis das grundlegende Verhalten von VOC dargestellt werden.
Die interessanteste Frage ist, bei welchen Bedingungen die einzelnen VOC in welcher
Größenordnung aus den VOC-Emittenten austreten. Die Emission von VOC
erfolgt in erster Linie durch den Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige
Phase (auch Phasenübergänge von der festen Phase in die flüssige Phase sind
möglich). Dieser Phasenübergang erfolgt durch Verdampfung, indem einzelne Moleküle
die Anziehungskräfte an der Oberfläche der Flüssigkeit überwinden und diese
somit verlassen. Einzelne Moleküle, die durch Verdampfung von der flüssigen in die
gasförmige Phase übergehen, treffen wieder auf die Flüssigkeit (Kondensation). Wie
viele Moleküle die Flüssigkeit verlassen, hängt von der Temperatur ab. Da die einzelnen
Moleküle bei höheren Temperaturen mehr Energie besitzen, um die Anziehungskräfte
in der Flüssigkeit zu überwinden, nimmt die Verdampfung mit steigender
Temperatur zu.
Der Partialdruck, den die VOC-Moleküle in der gasförmigen Phase auf die Umgebungsluft
des VOC-Emittenten ausüben, ist abhängig von dem Verhältnis der Verdampfung
zur Kondensation. Dieser Partialdruck wird als Dampfdruck bezeichnet.
Mit steigender Temperatur nimmt der Dampfdruck zu, da sich mehr VOC-Moleküle in
der gasförmigen Phase befinden. Bei flüchtigen Stoffen, wie VOC, werden schon bei
gewöhnlichen Temperaturen (um 20 °C) hohe Dampfdrücke erreicht [25]. Ist die Umgebungsluft
an VOC-Molekülen gesättigt, stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Kon-
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Luftdruck
Grundlagen
densation und Verdampfung ein. Der Dampfdruck, der in dieser Situation vorliegt,
wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet. Entspricht der Dampfdruck dem Umgebungsdruck,
so ist der Siedepunkt erreicht und die gesamte Flüssigkeit beginnt zu
verdampfen. Dieses Verhalten wird in Phasendiagrammen verdeutlicht, welche die
Abhängigkeit der Phasenübergänge von Temperatur und Umgebungsdruck darstellen
(siehe Abbildung 2). Die Linien, welche die Phasenübergänge von der flüssigen
zur gasförmigen Phase (Dampf) markieren, stellen den von der Temperatur abhängigen
Sättigungsdampfdruck dar (die Ordinate ist nicht mit dem Dampfdruck zu verwechseln,
da es sich hierbei um den Atmosphärendruck handelt).
Feststoff
Flüssigkeit
Dampf
Temperatur
Abbildung 2: Allgemeine Darstellung des Phasendiagramms eines einzelnen Stoffs
In Wohnräumen erreichen VOC in der Regel nicht den Sättigungsdampfdruck, da
sich die Temperaturen um einen Wert von 20 °C bewegen und bedingt durch den
Luftwechsel mit der Außenluft immer offene Systeme vorliegen, die einen teilweisen
Abtransport des VOC-Dampfes gewährleisten. Die Berechnung dieser offenen Systeme
ist sehr komplex, da u.a. Diffusions-, Konvektions- und Absorptionsprozesse
berücksichtigt werden müssen. Die Komplexität nimmt bei Stoffgemischen, wie der
Gruppe aller VOC, weiter zu. Mathematische Beschreibungen sind in diesem Zusammenhang
nur als Näherung praktikabel.
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Grundlagen
2.2.3 Messung von VOC
Photoionisationsdetektoren
Diese Detektoren basieren auf dem Prinzip der Photoionisation und dienen der Ermittlung
der Summenkonzentration aller detektierbaren organischen Verbindungen.
Hierzu wird die Umgebungsluft über eine Pumpe in eine Messkammer befördert. In
der Messkammer werden die in der angesaugten Luft vorhandenen flüchtigen organischen
Verbindungen über das UV-Licht einer Gasentladungslampe mit Energien
von 10,6 oder 11,7 eV ionisiert. Über eine Hochspannung, die in der Messkammer an
Elektroden angelegt ist, werden die Ionen abgesaugt. Der an den Elektroden messbare
Ionisationsstrom ist ein Maß für die Konzentration der flüchtigen organischen
Verbindungen in der Umgebungsluft.
Photoionisationsdetektoren sind kompakte Geräte, die für den mobilen Einsatz geeignet
sind. Sie werden häufig z.B. bei der Leckage-Suche, bei der Überwachung
von gesundheitsschädlichen Stoffen in geschlossenen Räumen oder im Katastrophenschutz
verwendet.
Flammenionisationsdetektor
Im Gegensatz zu Photoionisationsdetektoren ermöglichen Flammenionisationsdetektoren
die selektive Ermittlung flüchtiger organischer Verbindungen. Für eine Messung
wird zunächst mittels eines Messröhrchens, das ein Trägermedium enthält, eine
Luftprobe der zu analysierenden Umgebung genommen, indem über eine Pumpe
Luft durch das Messröhrchen angesaugt wird. Im Labor werden die im Messröhrchen
gebundenen organischen Verbindungen ausgespült und in einen Gaschromatographen
gegeben. Hier werden die unterschiedlichen organischen Verbindungen über
eine Trennsäule geleitet, wo eine Sortierung der organischen Verbindungen über die
Zeit erfolgt, da sich große Moleküle mit einer geringeren Geschwindigkeit durch die
Trennsäule bewegen und diese somit erst später verlassen als kleinere Moleküle.
Anschließend erfolgt mittels einer Knallgasflamme eine thermische Ionisation der
organischen Verbindungen. Die so produzierten Ionen werden im Massenspektro-
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Grundlagen
meter analysiert. Das Messsignal, aufgetragen über die Zeit, stellt ein Maß für die
Zusammensetzung der organischen Verbindungen dar.
Obwohl diese Messmethode den Vorteil der selektiven Ermittlung flüchtiger organischer
Verbindungen ermöglicht, ergeben sich auch Nachteile und Probleme. Zum
einen kann keine Langzeitmessung durchgeführt werden, da die eigentliche Messung
nach der Probenahme in einem Labor erfolgt. Eine „live-Messung“ ist dadurch
ebenfalls nicht möglich. Zum anderen ergeben sich Probleme bei der Vergleichbarkeit
unterschiedlicher Messungen. Die Messröhrchen beinhalten unterschiedliche
Trägermedien (z.B. Aktivkohle oder Tenax), die bei der Aufnahme flüchtiger organischer
Verbindungen ein unterschiedliches Verhalten aufweisen. Eine Variation der
Luftdurchsatzmenge bei den Probenahmen kann ebenfalls zu einer Variation der im
Messröhrchen aufgenommenen Menge an organischen Verbindungen führen. Diese
Messmethode dient somit in erster Linie einer qualitativen, nicht jedoch einer zeitaufgelösten,
quantitativen Analyse der organischen Verbindungen.
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Grundlagen
2.3 Luftwechselrate
Für die Qualität der Innenraumluft spielt die Luftwechselrate eine große Rolle. Unter
der Luftwechselrate wird der Anteil des Raumvolumens verstanden, der pro Zeiteinheit
ausgetauscht wird. Sie ist somit ein Maß für die Belüftung eines Raumes. Über
folgenden Zusammenhang kann sie als ein auf das Raumvolumen normierter Volumenstrom
(sowohl der ein-, als auch der ausströmenden Luft) verstanden werden.
(2.1)
So hängen die Luftfeuchtigkeit, die CO 2 -Konzentration, die VOC-Konzentration und
eine große Zahl weiterer Luftschadstoffe stark von der Luftwechselrate ab. Ist die
Luftwechselrate zu gering, können sich Luftschadstoffe in der Raumluft anreichern,
was zu einer Gesundheitsgefährdung der Raumnutzer führen kann.
2.3.1 Anforderungen an die Luftwechselrate
In Teil 2 der DIN 4108 [26] wird für Gebäude, deren Innenräume als Aufenthaltsräume
dienen und die auf eine normale Innentemperatur (19 °C) beheizt werden, ein
Mindestluftwechsel von 0,5 h -1 gefordert. Zu diesen Gebäuden zählen u.a. Wohngebäude,
Büros, Schulen, Krankenhäuser und Geschäfte. Anlage 4 der Energieeinsparverordnung
[5] gibt dagegen eine Obergrenze für die Luftwechselrate an. So darf
aus energetischen Gründen der sogenannte n 50 -Wert bei Gebäuden mit raumlufttechnischen
Anlagen einen Wert von 1,5 h -1 und bei Gebäuden ohne raumlufttechnische
Anlagen einen Wert von 3 h -1 nicht überschreiten. Bei dem n 50 -Wert handelt es
sich um die Luftwechselrate, die bei einem Differenzdruck innen-außen von 50 Pa
besteht. Dieser n 50 -Wert wird im Wesentlichen durch das Differenzdruck-Messverfahren
bestimmt (siehe Abschnitt 2.3.2). Während die Obergrenze der Luftwechselrate
Zwecken der Energieeinsparung dient, ist die Mindestluftwechselrate für die Qualität
der Innenraumluft ausschlaggebend. Die Selbstlüftung (Luftwechselrate bei geschlossenen
Fenstern und Türen) kann im Rahmen einer energetischen Sanierung,
wie beispielsweise dem Einbau dichterer Fenster, erheblich abgesenkt werden. So
kann beispielsweise bei energetisch nicht sanierten Gebäuden die Selbstlüftung bei
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 19

Grundlagen
ca. 1 h -1 und bei energetisch sanierten Gebäuden bei ca. 0,15 h -1 liegen [16]. Während
im genannten Beispiel die Mindestluftwechselrate bei dem nicht energetisch
sanierten Gebäude gewährleistet wird, sind bei dem energetisch sanierten Gebäude
weitere Lüftungsmaßnahmen notwendig, um eine ausreichende Qualität der Innenraumluft
zu gewährleisten.
Lüftungsmaßnahmen zur Gewährleistung der Qualität der Innenraumluft können aktiv
oder passiv erfolgen. Aktive Lüftungsmaßnahmen erfolgen durch raumlufttechnische
Anlagen, die eine Zwangslüftung bewirken. Bei passiven Lüftungsmaßnahmen handelt
es sich um Fenster- oder Schachtlüftung. Da diese ohne menschliches oder
technisches Zutun ausschließlich durch natürliche Luftströmungen erfolgt, wird sie
auch als „natürliche Lüftung“ bezeichnet.
Erfolgen die Lüftungsmaßnahmen durch passives Lüften, so ist das Erreichen des
Mindestluftwechsels in erster Linie vom Nutzerverhalten (Nutzung der Räume und
das damit verbundene Lüftungsverhalten) abhängig. Die passive Lüftung wird durch
zwei Hauptformen repräsentiert: der Dauerlüftung und der Stoßlüftung [16]. Eine
Dauerlüftung kann über einen längeren Zeitraum auch ohne die Anwesenheit von
Personen erfolgen („Kippfenster“). Der Nachteil, besonders im Winter, besteht in der
Auskühlung der Räume (Wände, Inventar) und damit in einem erhöhten Schimmelpotential.
Die Stoßlüftung erfolgt über kurze Zeiträume und stellt eine Erhöhung der
Luftwechselrate durch ein maximales Öffnen von Fenstern oder anderen Öffnungen
dar. Je nach Art der Stoßlüftung (Quer-, Diagonal- oder einseitige Lüftung) können
Luftwechselraten von bis zu 40 h -1 erreicht werden [27]. Dauer und Form der Lüftung
und somit die Gewährleistung des Mindestluftwechsels hängen direkt vom Raumnutzer
ab. Auf welche Art und Weise der Raumnutzer die Lüftung betreibt, hängt wiederum
von mehreren Indikatoren ab. Bei Indikatoren, die den Raumnutzer zu der
Durchführung einer Lüftung veranlassen, kann es sich beispielsweise um unangenehme
Gerüche (Essen, Ausdünstungen, Zigarettenrauch) oder um eine erhöhte
CO 2 -Konzentration, die sich durch erhöhte Müdigkeitserscheinungen äußert, handeln.
Außentemperaturen (Kälte im Winter, Hitze im Sommer), Lärmbelastung außerhalb
des Gebäudes oder starke Sonneneinstrahlung können Gegenindikatoren
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 20

Grundlagen
einer Lüftung sein. Ein weiterer Parameter stellt die Anwesenheit der Raumnutzer
dar, da diese zur Durchführung einer Stoßlüftung vorausgesetzt ist.
Mit einer aktiven Lüftung des Gebäudes kann die geforderte Mindestluftwechselrate
gewährleistet werden. Eine hierzu notwendige raumlufttechnische Anlage bedarf einer
regelmäßigen Wartung, da sich ansonsten Mikroorganismen in der Anlage anreichern
können, was eine erhöhte Schadstoffbelastung der Raumnutzer bedeuten
kann. Da raumlufttechnische Anlagen in der Regel im automatischen Betrieb für den
Erhalt der Mindestluftwechselrate sorgen, spielt das Nutzerverhalten hier eine untergeordnete
Rolle.
2.3.2 Messung der Luftwechselrate
Indikatorgasverfahren
Ein bisher übliches Verfahren zur Ermittlung der Luftwechselrate stellt das Indikatorgasverfahren
nach DIN EN ISO 12569 [28] dar. Hierbei wird in den zu untersuchenden
Raum ein Indikatorgas (z.B. SF 6 ) aktiv eingebracht. Die Luftwechselrate bewirkt
eine Konzentrationsabnahme des Indikatorgases. Über empfindliche Gasanalysatoren
wird diese Konzentrationsabnahme gemessen und hieraus die Luftwechselrate
berechnet. Die hohen Ansprüche an die Gasanalysatoren bedeuten einen hohen
Messaufwand. Das aktive Einbringen eines Indikatorgases führt dazu, dass die
Raumnutzer den Raum nicht in gewohnter Weise nutzen können, obwohl die Raumnutzung
eine bedeutende Beeinflussung der Luftwechselrate darstellt. Darüber hinaus
wird das für eine Messung einmalig in den Raum eingebrachte Indikatorgas, bedingt
durch den Luftwechsel, innerhalb einer kurzen Zeit verdünnt, so dass der
Messzeitraum reduziert wird.
Das Indikatorgasverfahren dient somit in erster Linie dazu, die Dichtheit der Gebäudehülle
oder den Wirkungsgrad einer Lüftungsanlage zu beurteilen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 21

Grundlagen
Differenzdruck-Messverfahren
Das in DIN EN 13289 [29] geregelte Differenzdruck-Messverfahren dient ebenfalls in
erster Linie der Beurteilung der Gebäudedichtheit. Zur Durchführung einer Differenzdruck-Messung
wird in ein Fenster oder eine Tür eine Blende eingesetzt, die einen
Ventilator und ein Druckdifferenzmessgerät beinhaltet. Über den Ventilator wird Luft
in das Gebäude hinein oder aus dem Gebäude heraus transportiert. Die Förderleistung
des Ventilators wird so geregelt, dass zwischen Gebäudeinnerem und -äußerem
ein Differenzdruck von mindestens 10 Pa (bzw. das 5-fache des natürlichen Differenzdrucks,
wenn dieser einen größeren Wert als 10 Pa aufweist) besteht. Die Förderleistung
des Ventilators wird anschließend schrittweise erhöht, bis ein Differenzdruck
von mindestens 50 Pa (empfohlen: 100 Pa) erreicht wird. Bei jedem eingestellten
Differenzdruck wird schließlich über den jeweiligen Volumenstrom, der sich aus
der Förderleistung des Ventilators ergibt, und aus dem Volumen des Gebäudes die
Luftwechselrate berechnet. Die berechneten Werte der Luftwechselrate gelten jedoch
nur bei Erreichen des jeweiligen Differenzdruckes. Beispielsweise wird bei einem
Differenzdruck von 50 Pa der n 50 -Wert der Luftwechselrate aufgenommen. Es
kann jedoch vorkommen, dass durch den angelegten Über- oder Unterdruck die
Dichtheit der Gebäudehülle verändert wird (z.B. Aufdrücken von Dichtungen). Daher
sollten Differenzdruck-Messverfahren sowohl bei Über- als auch bei Unterdruck erfolgen.
Auch wenn das Differenzdruck-Messverfahren die Berechnung einer Luftwechselrate
erlaubt, dient es nicht der Ermittlung der natürlichen Luftwechselrate unter Normalbedingungen,
da sie nur durch einen aktiven Eingriff gemessen werden und somit primär
der Beurteilung der Gebäudedichtheit für z.B. energetische Fragestellungen dienen
kann.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 22

Grundlagen
CO 2 als Indikator
Eine Möglichkeit, die Luftwechselrate zu bestimmen, ohne künstlich ein Indikatorgas
in den Innenraum einzubringen und ohne den Innenraum mit Differenzdrücken zu
beaufschlagen, ist die Verwendung von CO 2 als Indikator [9]. Der Vorteil besteht hier
darin, dass die Raumnutzer den Innenraum ohne Einschränkungen in gewohnter
Weise nutzen können. Ist eine gegenüber der Außenluft erhöhte CO 2 -Konzentration
im Innenraum vorhanden, so kann bei bekannter CO 2 -Quellstärke die Luftwechselrate
berechnet werden. Da jedoch der Raumnutzer die Hauptquelle des CO 2 in Innenräumen
darstellt, ergeben sich auch gewisse Unsicherheiten und Einschränkungen
für das Verfahren. So wird nach [9] für einen Raumnutzer eine mittlere CO 2 -
Emission von 18 L/h angenommen, die jedoch je nach Anzahl und körperlicher Aktivität
der Raumnutzer deutlich schwanken kann. Die Verwendung ist daher, wie bei
dem bereits erläuterten Indikatorgasverfahren, hauptsächlich zur Ermittlung der Luftwechselrate
bei Abwesenheit der Raumnutzer geeignet, stellt dem gegenüber jedoch
eine kostengünstigere Variante dar.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 23

Grundlagen
2.4 Radon
Radon ist ein farb-, geschmack- und geruchsloses radioaktives Edelgas, das natürlicherweise
im Gestein und im Erdreich vorkommt. Durch Undichtigkeiten in erdberührenden
Teilen von Gebäuden kann es in den Wohnraum eindringen und dort zu einer
Strahlenexposition der Hausbewohner führen. Mit etwa 1,1 mSv pro Jahr macht es
etwa 50 % der natürlichen Strahlenexposition in Deutschland aus. Es stellt somit die
Hauptursache der natürlichen Strahlenexposition dar.
Medizin:
2 mSv
Radon:
1,1 mSv
Kosmische
Strahlung:
0,3 mSv
Inkorporation:
0,3 mSv
Terrestrische
Strahlung:
0,4 mSv
Abbildung 3: Anteil des Radons an der jährlichen Strahlenexposition
2.4.1 Herkunft und Vorkommen des Radons
Radon stammt aus den Zerfallsreihen der sehr langlebigen Radionuklide Uran ( 238 U)
und Thorium ( 232 Th), die sich natürlicherweise in Spuren im Gestein und im Erdreich
befinden. Die Zerfallsreihen stellen Abfolgen radioaktiver Zerfälle unter Aussendung
von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung dar, die von 238 U und 232 Th, den Mutternukliden,
ausgehen und eine Vielzahl an Folgeprodukten durchlaufen, bis schließlich ein
stabiles Endnuklid erreicht wird. Radon stammt aus dem radioaktiven Zerfall des Radiums
und stellt in der Abfolge der Zerfallsreihe des Urans (Uran-Radium-Reihe,
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 24

Grundlagen
siehe Abbildung 4) und der Zerfallsreihe des Thoriums (Thorium-Reihe) das einzige
Folgeprodukt dar, das nicht als Schwermetall, sondern als Edelgas vorliegt.
α
214 Pb
26,8 Minuten
α
218 Po
3,05 Minuten
β - 214 Bi
β -
19,9 Minuten
β -
α
206 Pb
stabil
222 Rn
3,825 Tage
214 Po
164 µs
α
210 Pb
α
22,3 Jahre
α
210 Po
138 Tage
α
234 Th
24 Tage
β - 234 Pa
β -
α
α
230 Th
75.380 Jahre
214 Po
164 µs
β -
226 Ra
1.600 Jahre
210 Bi
5 Tage
238 U
4,5 Mrd. Jahre
6,7 Stunden 234 U
245.500 Jahre
Abbildung 4: Uran-Radium-Zerfallsreihe
Mit der Eigenschaft eines Edelgases geht Radon keine chemischen Verbindungen
ein, kann somit aus dem Gestein austreten und in den Porenraum des geologischen
Untergrundes eindringen. Durch Konvektion und Diffusion gelangt es an die Erdoberfläche.
Bis Radon an die Erdoberfläche steigt und dort austreten kann, vergeht
eine gewisse Zeit, so dass die Halbwertszeit des Radons für seine Bedeutung ausschlaggebend
ist. Das Radon, welches aus der Thorium-Reihe stammt und daher oft
als „Thoron“ bezeichnet wird ( 220 Rn), besitzt eine Halbwertszeit von 55,6 Sekunden.
Bevor es die Erdoberfläche erreichen kann, ist ein großer Teil des Thorons daher be-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 25

Grundlagen
reits wieder zerfallen. Thoron spielt in erster Linie dann eine Rolle, wenn zum Bau
eines Wohngebäudes Thorium-haltiges Baumaterial, wie beispielsweise Lehm, verwendet
wird. Radon, das aus der Uran-Radium-Reihe stammt ( 222 Rn), besitzt gegenüber
dem Thoron eine deutlich größere Halbwertszeit von 3,8 Tagen. Diese Zeit
reicht aus, damit ein relevanter Teil der 222 Rn-Nuklide die Erdoberfläche erreichen
und dort austreten kann. Einige Baumaterialien können auch als Radonquelle dienen,
was jedoch gegenüber dem Radoneintrag aus dem geologischen Untergrund
vernachlässigbar ist. Mit der längsten Halbwertszeit aller Radonisotope stellt 222 Rn
das stabilste Radonisotop dar und besitzt somit die größte Bedeutung bei Radonuntersuchungen.
Wie viel Radon im geologischen Untergrund gebildet wird, an die Erdoberfläche
steigt und dort austreten kann, ist regional sehr unterschiedlich. Dies hängt in erster
Linie von der Geologie hinsichtlich des Urananteils und der Durchlässigkeit für Radon
ab. Im Gegensatz beispielsweise zum Muschelkalk findet sich ein hoher Urananteil
hauptsächlich im Granit und in vulkanischen Gesteinen. Wie viel Radon tatsächlich
aus dem Erdreich austreten und in die Atmosphäre oder in Wohngebäude eindringen
kann, hängt darüber hinaus von der Durchlässigkeit des geologischen Untergrundes
ab. So wird beispielsweise durch eine hohe Porosität, durch Verwerfungen im Gestein
oder andere Wegsamkeiten die Durchlässigkeit des Bodens erhöht. Radon
kann im Grundwasser gelöst werden, was zu einer erhöhten Mobilität in wasserführenden
geologischen Strukturen führt. Bedingt durch bergbauliche Aktivitäten im geologischen
Untergrund kann die Mobilität des Radons ebenfalls erhöht werden.
Durch eine hohe Mobilität kann Radon schneller an die Erdoberfläche gelangen, so
dass ein geringerer Anteil bereits im Boden zerfällt. Abbildung 5 verdeutlicht schematisch
die Wegsamkeiten des Radons im geologischen Untergrund.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 26

Grundlagen
Abbildung 5: Radontransport im geologischen Untergrund [30]
Als Maß für das Radonpotential, das aussagt, wie viel Radon aus dem Erdreich austreten
und in die Atmosphäre bzw. in Wohngebäude eindringen kann, dient die Aktivitätskonzentration
in 1 m Tiefe, die sogenannte Bodenluftkonzentration. Dieses Radonpotential
kann je nach geologischen Gegebenheiten stark variieren. So können
nur wenige Meter voneinander entfernte Punkte im Erdreich stark abweichende Aktivitätskonzentrationen
in der Bodenluft aufweisen. Einen Überblick verschafft die Bodenluftkarte
in Abbildung 6, wobei anzumerken ist, dass die Karte der groben Orientierung
dient und keine Aussagen über einen individuellen Standort erlaubt.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 27

Grundlagen
Abbildung 6: Aktivitätskonzentration des Radons in der Bodenluft [31]
Wie viel Radon tatsächlich aus dem Boden austritt, hängt darüber hinaus von den
meteorologischen Bedingungen ab. In Deutschland beträgt die Radonkonzentration
in der Außenluft ca. 5 Bq/m³ bis ca. 30 Bq/m³ [30].
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 28

Grundlagen
2.4.2 Radon in Wohngebäuden
Der Ursprung des Radons, das in den Wohnraum eindringt, liegt sowohl im geologischen
Untergrund als auch in uran- oder thoriumhaltigen Baumaterialien. Radon aus
dem Baumaterial spielt jedoch gegenüber dem Radon aus dem geologischen Untergrund
eine untergeordnete Rolle.
Das Radon aus dem geologischen Untergrund steigt an die Erdoberfläche und tritt
dort einerseits in die Atmosphäre aus, gelangt aber andererseits durch Undichtigkeiten
im Kellergeschoss oder in anderen erdberührenden Hausbereichen in das Gebäudeinnere.
Als mögliche Undichtigkeiten kommen z.B. Durchbrüche für Rohrleitungen,
Kabeldurchführungen oder Risse im Mauerwerk in Frage. Der Radoneintritt
hängt somit stark vom Alter und baulichem Zustand des Wohngebäudes ab.
Ausgehend vom Gebäudeuntergrund verteilt sich das Radon im Gebäude, wobei die
Aktivitätskonzentration mit steigendem Stockwerk abnimmt, zum einen bedingt durch
den radioaktiven Zerfall des Radons mit einer Halbwertzeit von 3,8 Tagen und zum
anderen durch die Belüftung der Wohnräume. Je nach Luftwechselrate reichert sich
Radon im Gebäude an, was zu einer gegenüber der Außenluft erhöhten Radonkonzentration
führt. Die Luftwechselrate in Gebäuden hängt vom baulichen Zustand des
Gebäudes und vom Lüftungsverhalten der Raumnutzer ab. So können bauliche
Energiesparmaßnahmen in Verbindung mit einem unzureichenden Lüftungsverhalten
zu einer deutlichen Reduktion des Luftwechsels und somit zu einer Erhöhung der
Radonkonzentration führen. Darüber hinaus werden Radoneintritt und -ausbreitung
durch Witterungsbedingungen beeinflusst. So wird beispielsweise durch warme aufsteigende
Luft ein Unterdruck im Keller erzeugt (Kamineffekt), der den Radoneintritt
aus dem Gebäudeuntergrund begünstigt. In den meisten Gebäuden sind daher je
nach Jahreszeit unterschiedliche Radonkonzentrationen vorzufinden.
Abbildung 7 verdeutlicht die Eintritts- und Ausbreitungswege des Radons und zeigt
eine exemplarische Aktivitätsverteilung im Gebäude.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 29

Grundlagen
Abbildung 7: Eintritts- und Ausbreitungswege des Radons im Gebäude [30]
Durchschnittlich ergibt sich in Deutschland in Wohnräumen eine Radonkonzentration
von 50 Bq/m³, wobei die vorzufindenden Werte von ca. 10 bis über 1000 Bq/m³ variieren.
In ungefähr 5 bis 10 % der Wohnräume treten Werte von über 100 Bq/m³ und
in ungefähr 0,04 % der Wohnräume treten Werte von über 1000 Bq/m³ auf [30]. Die
tatsächlich vorzufindende Radonkonzentration kann von Gebäude zu Gebäude auch
in unmittelbarer Nachbarschaft stark schwanken, da eine große Abhängigkeit vom
baulichen Zustand des Gebäudes und vom geologischen Untergrund besteht.
2.4.3 Gesundheitsrisiken durch Radon
Radon zerfällt unter Aussendung von Alphastrahlung in weitere Folgeprodukte, bei
denen es sich um Schwermetalle handelt. Die Folgeprodukte lagern sich an Oberflächen
und an Aerosolen wie z.B. Staub oder Zigarettenrauch an. Je nach Aerosolgehalt
der Luft kann der Anteil der in der Luft verbleibenden und somit im Wohnraum
mobilen Folgeprodukte variieren, so dass z.B. eine Erhöhung des Aerosolgehaltes
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 30

Grundlagen
eine Erhöhung der Aktivitätskonzentration der Folgeprodukte bewirkt. Atmet der
Mensch Radon und dessen Folgeprodukte ein, so verbleiben ca. 10 - 20 % der Folgeprodukte
in der Lunge. Radon wird fast vollständig wieder ausgeatmet. Die Folgeprodukte
dagegen zerfallen hauptsächlich unter Aussendung von Alpha- und Betastrahlung,
was eine Strahlenexposition der Lunge zur Folge hat. Durch diese Strahlenexposition
können Lungenzellen geschädigt und somit die Entstehung eines Lungenkarzinoms
begünstigt werden.
In epidemiologischen Studien wurde der Zusammenhang zwischen erhöhten Radonkonzentrationen
und einem erhöhten Auftreten von Lungenkrebs untersucht. Diese
ergaben, dass bei einem Anstieg der Radonkonzentration um 100 Bq/m³ das
Lungenkrebsrisiko um 10 % anstieg, wobei erst ab einem Wert von 140 Bq/m³ eine
signifikante Erhöhung zu beobachten ist [32, 33]. Neben der Radonexposition wurde
unter anderem das Rauchverhalten der Raumnutzer berücksichtigt, da Rauchen der
mit Abstand bedeutendste Risikofaktor ist. Dies ist wichtig, da Rauchen auch das
durch Radon bedingte Risiko, an Lungenkrebs zu sterben, erhöht, was sich auch in
folgender Grafik zeigt:
18%
16%
14%
12%
10%
8%
6%
0 Bq/m³
800 Bq/m³
4%
2%
0%
Lebenslange
Nichtraucher
Raucher (bis zum
30. Lebensjahr)
Raucher (bis zum
50. Lebensjahr)
Raucher (bis zum
75. Lebensjahr)
Abbildung 8: Absolutes Risiko, bis zum Alter von 75 Jahren an Lungenkrebs zu sterben (zur Berechnung
des Risikos von Rauchern wird von einem Konsum von 15 bis 24 Zigaretten pro Tag ausgegangen)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 31

Grundlagen
In Abbildung 8 wird der Einfluss einer erhöhten Radonkonzentration (hier: 800 Bq/m³)
auf das Risiko, an Lungenkrebs zu sterben, bei unterschiedlichem Rauchverhalten
gegenübergestellt. Die Erhöhung des Risikos durch eine Erhöhung der Radonkonzentration
liegt bei Nichtrauchern bei 0,3 %, während sie bei Rauchern (bis zum 75.
Lebensjahr) bei 6,5 % liegt. Die Gesundheitsgefährdung durch Radon ist somit
hauptsächlich eine Gesundheitsgefährdung für Raucher und spielt für Nichtraucher
eine eher untergeordnete Rolle.
2.4.4 Messung des Radons
Aufgrund der Vielzahl an Einflüssen auf die Radonkonzentration in Gebäuden kann
die Situation in einem individuellen Gebäude nicht anhand der Situation in Nachbargebäuden
oder anhand der Bodenluftkarte aus Abbildung 6 beurteilt werden. Eine
sinnvolle Beurteilung ist daher nur anhand einer Messung der Radonkonzentration
möglich. Hierzu steht eine Vielzahl an Messverfahren zur Verfügung. Welches Messverfahren
ausgewählt wird, hängt von mehreren Parametern ab wie z.B. der geforderten
Genauigkeit, der Notwendigkeit einer zeitaufgelösten Messung oder der Wirtschaftlichkeit.
Im Folgenden soll ein Überblick über die wichtigsten Radonmessverfahren
gegeben werden:
Passive Messung
Passive Messverfahren werden häufig zur Ermittlung der mittleren Radonkonzentration
in Gebäuden genutzt. Die hierzu notwendigen Messgeräte werden nicht elektrisch
betrieben. Sie sind zwar kompakt und preisgünstig, bieten jedoch keine Möglichkeit
einer zeitaufgelösten Messung, da sie über den Messzeitraum integrierend
messen. Erst nach Abschluss einer Messung werden die Messgeräte ausgelesen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 32

Grundlagen
Aktivkohleverfahren
Dieses Verfahren nutzt verschließbare Behälter, wie z.B. Röhrchen oder Dosen, die
mit Aktivkohle und Trockenmittel gefüllt sind. Der Behälter wird während der Messung
geöffnet, so dass Radon eindringen kann. Die Aktivkohle nimmt nun Radon aus
der Umgebungsluft auf. Die Messung wird beendet, indem der Behälter wieder luftdicht
verschlossen wird. Das Radon wird nicht direkt in der Aktivkohle detektiert,
sondern gespeichert und erst nach Ende des Messzeitraums in einem Labor detektiert.
Da die Aktivkohle das aufgenommene Radon innerhalb weniger Stunden wieder
abgibt, wäre ein Messzeitraum von mehreren Tagen nutzlos. Aktivkohleverfahren
werden daher primär zu Übersichtsmessungen mit Messzeiten von ein bis maximal
drei Tagen angewendet [34].
Kernspurverfahren
Ein Kernspurdetektor besteht aus einer Diffusionskammer, in der sich ein Kernspurfilm
befindet. Vor Beginn der Messung ist der Kernspurdetektor gasdicht verpackt.
Die Messung beginnt mit dem Öffnen der Verpackung. Über einen Filter, der die Folgeprodukte
des Radons zurückhält, diffundiert Radon in die Kammer. Durch den
Zerfall des Radons und dessen in der Kammer entstandenen Folgeprodukte werden
Alphateilchen emittiert. Diese Alphateilchen hinterlassen unsichtbare Spuren auf dem
Kernspurfilm, bei dem es sich beispielsweise um eine strahlungsempfindliche Kunststofffolie
handelt.
Abbildung 9: Kernspurdosimeter - Links ist die Unterseite des Dosimeters mit der Kammer und rechts die
Oberseite mit Kammeröffnung und Filter zu sehen
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 33

Grundlagen
Nach Abschluss der Messung erfolgt die Auslesung in einem Labor, indem die
unsichtbaren Spuren in der Folie durch ein Ätzverfahren sichtbar gemacht und so
ausgezählt werden können. Über die Dichte der Spuren kann die über die Messzeit
integrierte Radonkonzentration am Messort bestimmt werden. Dieses Verfahren eignet
sich somit für Bewertungsmessungen des Radonniveaus, die über lange Zeiträume
(bis zu mehreren Monaten) erfolgen können [34].
Passive Radonexposimeter mit automatischer Schaltung
Bei diesem Messgerät, das sich in der Erprobungsphase befindet, handelt es sich um
eine Kombination eines Kernspurdetektors mit einer Mikrocontroller-Steuerung. Über
einen Verschluss, der über den Mikrocontroller angesteuert wird, kann der Kernspurfilm
abgedeckt und so die Integrationszeit beschränkt werden. Dies kann dazu dienen,
die Integrationszeit auf bestimmte Tageszeiten zu beschränken, was besonders
in der Personen- oder Ortsdosimetrie an Arbeitsplätzen relevant ist. Ein integrierter
Beschleunigungssensor ermöglicht eine Beschränkung der Integrationszeit auf die
Tragezeit in der Personendosimetrie [36, 35]. Darüber hinaus ist eine Verwendung
mehrerer Geräte denkbar, die zu unterschiedlichen Tageszeiten geschaltet werden,
um über den gesamten Messzeitraum einen mittleren Tagesgang der Radonkonzentration
zu erhalten.
Abbildung 10: Automatisiertes Radonexposimeter - au.raex
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 34

Grundlagen
Elektretverfahren
Hierbei handelt es sich um Kammern, an deren Boden eine elektrisch aufgeladene
Folie, das sogenannte Elektret, angebracht ist, wodurch im Inneren ein elektrisches
Feld erzeugt wird. Durch einen Filter, der die Folgeprodukte des Radons zurückhält,
diffundiert Radon in die Kammer. Hier findet nun ein radioaktiver Zerfall statt, dessen
emittierte Strahlung zu Ionisationsereignissen in der Kammerluft führt, so dass es
durch die entstandenen Ladungsträger zu einer Entladung des Elektrets kommt. Die
Ladungsänderung des Elektrets ist somit ein Maß für die Radonkonzentration am
Messort. Das Auslesen ist mit einem mobilen Gerät möglich und muss nicht in einem
Labor erfolgen. Bei Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch zu beachten, dass auch
die Umgebungsstrahlung registriert wird [34].
Aktive Messung
Aktive Messungen erfolgen mit elektrisch betriebenen Messgeräten. Als Detektorsysteme
kommen Ionisations- und Szintillationskammern, sowie alphaspektrometrische
Systeme und Halbleiterdetektoren zum Einsatz [34]. Dieser Einsatz aktiver Messsysteme
ermöglicht zeitaufgelöste Messungen mit wählbaren Messintervallen, was
nicht nur eine Beurteilung des Radonniveaus, sondern auch des zeitlichen Verhaltens
der Radonkonzentration ermöglicht.
Radonmonitore
Das bei Radonmonitoren am häufigsten zur Anwendung kommende Detektorsystem
ist die Ionisationskammer. Über einen Filter, der die Folgeprodukte des Radons zurückhält,
diffundiert Radon in die Ionisationskammer oder wird über eine Pumpe aktiv
eingebracht. Der in der Kammer stattfindende radioaktive Zerfall emittiert Strahlung
und führt zu Ionisationsereignissen in der Kammerluft, so dass an der Messkammer
ein Stromimpuls gemessen werden kann. Aus der Impuls-Zählrate und dem Kammervolumen
kann direkt die Radonkonzentration am Messort berechnet werden. Die
Messunsicherheit ist geringer, je größer das Kammervolumen ist. Übliche Kammer-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 35

Grundlagen
volumina liegen bei 0,5 L bis 1 L. Radonmonitore sind auch bei einer Zeitauflösung
von weniger als einer Stunde zur Messung kleinerer Radonkonzentrationen geeignet.
Aktive Radonexposimeter
Das Einsatzgebiet aktiver Radonexposimeter liegt bei der Orts- und Personendosimetrie.
Über einen Filter, der die Folgeprodukte des Radons zurückhält, diffundiert
Radon in die Messkammer, in der sich ein Halbleiterdetektor befindet. Die Messkammer
besitzt ein relativ kleines Volumen. Ein aktives Radonexposimeter ist für
Zeitauflösungen unter einer Stunde bei einer Radonkonzentration von unter
100 Bq/m³ nicht geeignet. Es dient in erster Linie der Überwachung der Radonexposition
an Arbeitsplätzen mit einer erhöhten Radonkonzentration von über
1000 Bq/m³. Aktive Radonexposimeter sind im Gegensatz zu Radonmonitoren handlich
und kostengünstig.
Messunsicherheit
Der von einem Messgerät ausgegebene Wert, der Anzeigewert, entspricht in der Regel
nicht genau dem tatsächlichen Wert. Der Anzeigewert ist einer Messunsicherheit
unterworfen, die aus unterschiedlichen Unsicherheitsquellen stammt. Bei einem Anzeigewert
handelt es sich somit um einen Schätzwert der Messgröße, wobei eine
Abschätzung der Unsicherheit eine Beurteilung der Qualität dieses Schätzwertes erlaubt.
Zur Abschätzung der Messunsicherheit ist es notwendig, in einer Messunsicherheitsanalyse
die Unsicherheitsbeiträge zu identifizieren und zu quantifizieren.
Aus den einzelnen Unsicherheitsbeiträgen kann über die Gauß’sche Fehlerfortpflanzung
die Standardunsicherheit des Messwertes berechnet werden. Ein wichtiger Unsicherheitsbeitrag
bei einer Radonmessung liegt in der Zählstatistik, also im statistischen
Charakter der Radioaktivität. Für die Standardabweichung einer Radioaktivitätsmessung
kann folgender Zusammenhang herangezogen werden:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 36

Grundlagen
(2.2)
: Standardabweichung der Normalverteilung
: gezählte Impulse
Unter der einschränkenden Annahme, dass die Unsicherheit der Messung der Aktivitätskonzentration
des Radons allein auf der Zählstatistik basiert, ergeben sich folgende
Zusammenhänge für das Ansprechvermögen eines Radonmonitors:
Besitzt ein Radonmonitor ein Kammervolumen von beispielsweise 1 L, so entsprechen
6 Imp/min einer Radonkonzentration von 100 Bq/m³ (unter der Annahme, dass
alle gemessenen Impulse ausschließlich aus dem Radonzerfall stammen). Erfolgt die
Messung beispielsweise über 10 min, so sind 60 Impulse messbar. Die nach Gleichung
2.2 berechnete Standardabweichung entspricht schließlich 7,5 Impulsen, was
einer relativen Unsicherheit von 12,5 % entspricht.
In der Praxis existieren neben der Zählstatistik jedoch noch weitere Unsicherheitsquellen.
Hierzu gehören beispielsweise die Unsicherheit des Nullefektes, aber auch
Linearitätsabweichungen oder Unsicherheiten in der Kalibrierung. Diese unterscheiden
sich von Gerätetyp zu Gerätetyp oder von Einzelgerät zu Einzelgerät und werden
daher hier nicht weiter aufgeführt. Eine genaue Kenntnis der typenspezifischen
Kenngrößen des verwendeten Messgerätes ist daher zur Minimierung der Messunsicherheit
von großer Bedeutung [37].
2.4.5 Radonschutz
Gesetzliche Regelungen
In Deutschland gibt es bislang keine gesetzlichen Regelungen für einen verbindlichen
Grenzwert. Jedoch wurden von mehreren Institutionen Empfehlungen veröffentlicht,
die Richtwerte für die Radonkonzentration in Wohnräumen beinhalten. Hier
kommen unterschiedliche Institutionen zu unterschiedlichen Bewertungen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 37

Grundlagen
Im Radonhandbuch der Weltgesundheitsorganisation WHO wird folgende Empfehlung
ausgesprochen [38]:
“To limit the risk to individuals, a national reference level of 100 Bq/m³ is recommended.
Wherever this is not possible, the chosen level should not exceed
300 Bq/m³.”
Es wird somit ein Eingreifwert von 100 Bq/m³ (Jahresmittelwert) empfohlen, ab dem
Maßnahmen zur Reduzierung der Radonkonzentration ergriffen werden sollten. Es
wird darüber hinaus empfohlen, Maßnahmen so durchzuführen, dass eine Radonkonzentration
von 300 Bq/m³ als Jahresmittelwert nicht überschritten wird.
Auf europäischer Ebene empfiehlt die EU, in bereits bestehenden Gebäuden ab einem
Wert von 400 Bq/m³ Sanierungsmaßnahmen zur Senkung der Radonkonzentration
zu ergreifen (Richtwert). Neue Gebäude sollten dagegen so geplant werden,
dass eine Radonkonzentration von 200 Bq/m³ nicht überschritten wird [39].
Die internationale Strahlenschutzkommission ICRP empfiehlt in der ICRP-Empfehlung
115 einen Richtwert von 300 Bq/m³ [40] die deutsche Strahlenschutzkommission
SSK von 250 Bq/m³ [41].
Die Radonexposition an Arbeitsplätzen ist durch die Strahlenschutzverordnung geregelt
[42]. In Teil A der Anlage XI erfolgt eine Auflistung der Arbeitsplätze, bei welchen
erheblich erhöhte Radonexpositionen auftreten können. Hierzu zählen untertägige
Bergwerke, Schächte und Höhlen einschließlich Besucherbergwerke, Radon-Heilbäder
und -Heilstollen, sowie Anlagen der Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung.
Für Personen, die an diesen Arbeitsplätzen tätig sind, muss gewährleistet
werden, dass eine effektive Dosis von 20 mSv im Kalenderjahr nicht überschritten
wird. Zur Umrechnung der effektiven Dosis in eine Radonkonzentration wird davon
ausgegangen, dass eine Radonkonzentration von 0,32 MBq/m³ pro Stunde einer effektiven
Dosis von 1 mSv entspricht. Bei einer jährlichen Arbeitszeit von 2000 Stunden
muss somit gewährleistet werden, dass die Radonkonzentration einen Jahresmittelwert
von 3200 Bq/m³ nicht übersteigt.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 38

Grundlagen
Maßnahmen
Zur Reduktion der Radonkonzentration in Innenräumen sind häufig bereits einfache
Maßnahmen wie intensives Lüften der Wohnräume ausreichend. Soll die Radonkonzentration
weiter reduziert werden, so empfehlen sich Sanierungsmaßnahmen, die
auf zwei Hauptwegen erfolgen können [43]:
- Durch bauliche Maßnahmen kann das Gebäude gegen den Radoneintritt
abgedichtet werden.
- Durch technische Einrichtungen wie Lüftungsanlagen oder sonstige
Luftabsaugeinrichtungen kann die Radonkonzentration abgesenkt werden.
Zu den baulichen Maßnahmen zählt in erster Linie das Abdichten von Rissen, Fugen
und Rohrdurchführungen in Kellerräumen und anderen erdberührenden Gebäudeteilen.
Hierzu können radondichte Folien oder radondichte Dichtmassen eingesetzt
werden. Eine Abdichtung der Kellertür kann in einigen Fällen ausreichen, wenn die
Kellerräume nicht als Aufenthaltsräume dienen.
In vielen Fällen ist eine Abdichtung des Kellers und der erdberührenden Gebäudeteile
nicht oder nur mit einem hohen Aufwand möglich (beispielsweise aufgrund der
Gebäudesubstanz). In diesen Fällen können Ventilatoren zum Einsatz kommen.
Dient der Keller nicht dem dauerhaften Aufenthalt der Gebäudenutzer, so kann in
diesem über einen Ventilator ein Unterdruck gegenüber dem Wohnbereich erzeugt
werden, wodurch der Radoneintritt in den Wohnbereich reduziert wird.
Soll die Radonkonzentration auch im Keller reduziert werden, so kann ein sogenannter
Radonbrunnen angelegt werden. Hierbei wird ein Schacht in der Bodenplatte
des Gebäudes angelegt, in dem über einen Ventilator ein Unterdruck erzeugt wird.
Die radonhaltige Luft aus dem Gebäudeuntergrund in der Umgebung des Radonbrunnens
kann somit abgesaugt werden. Bei einem lockeren Gebäudeuntergrund
kann diese Maßnahme bereits ausreichend sein. Je nach Beschaffenheit des Untergrundes
können auch mehrere Radonbrunnen zum Einsatz kommen.
Um bei einem Neubau Maßnahmen zum Radonschutz durchzuführen, ist es oft ausreichend,
das Gebäude mit einer „Weißen Wanne“ auszustatten, die eine gute Abdichtung
gegenüber dem Baugrund darstellt. Wichtig dabei ist, dass der Neubau
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 39

Grundlagen
baulich korrekt ausgeführt wird. Zur weiteren Vorsorge kann in der Bauphase eine
Drainage vorgesehen werden, die unter der Bodenplatte des Gebäudes verlegt wird.
Diese Drainage besteht aus einem Rohrsystem, das an einen Ventilator angeschlossen
wird. Die radonhaltige Luft aus dem Gebäudeuntergrund kann somit abgesaugt
und in die Atmosphäre abgeführt werden.
An Arbeitsplätzen nach Teil A der Anlage XI der Strahlenschutzverordnung [42] können
häufig keine baulichen Maßnahmen durchgeführt werden. Die wichtigsten Maßnahmen
bestehen bei Bergwerken und sonstigen untertägigen Bauwerken sowie bei
Wasserwerken in der Bewetterung, also der Belüftung der Bauwerke mit Frischluft
und in der Begrenzung der Aufenthaltszeit.
2.4.6 Eignung des Radons als Indikatorgas
Radon eignet sich aufgrund mehrerer Eigenschaften zu einer Verwendung als Indikatorgas.
Es besitzt eine permanente Anwesenheit. Es ist als Edelgas chemisch und
thermisch stabil und geht normalerweise keine Verbindungen mit anderen Stoffen
ein, was dazu führt, dass die Aktivitätskonzentration neben dem radioaktiven Zerfall
von einem zeitabhängigen Parameter, der Luftwechselrate, abhängt. Darüber hinaus
bedarf die messtechnische Erfassung keines großen Aufwands.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 40

Grundlagen
2.5 Filterung von Messsignalen
Messsignale sind in der Regel einem gewissen Rauschen als Störgröße unterworfen.
Der Grund hierfür kann zum einen am statistischen Charakter der Messgröße (z.B.
Radioaktivität) oder am Signalverarbeitungssystem (z.B. Verstärkerrauschen bei
schwachen Messsignalen) liegen. Unter Rauschen kann ein unspezifisches Frequenzspektrum
verstanden werden, welches das Frequenzspektrum des Nutzsignals
überlagert. Über Filter können die durch das Rauschen verursachten Signalanteile
abgeschwächt oder unterdrückt werden. Die Filterung stellt somit ein wichtiges Werkzeug
bei der Verarbeitung von Messsignalen dar.
Für die Durchführung einer Filterung steht eine Vielzahl an Filtersystemen zur Verfügung.
Im Folgenden sollen zwei Arten der Filterung kurz erläutert werden:
2.5.1 Tiefpassfilterung
Mit einem Tiefpassfilter werden die hochfrequenten Anteile des Messsignals abgeschwächt
bzw. unterdrückt. Die Tiefpassfilterung kann somit als Glättungsfilter verstanden
werden. In seiner einfachsten Ausführung werden alle Signalanteile oberhalb
einer gewählten Grenzfrequenz eliminiert, während die Signalanteile unterhalb
dieser Grenzfrequenz den Tiefpassfilter ungehindert passieren können. Da Rauschen
in der Regel aus hochfrequenten Anteilen besteht, kann über die Tiefpassfilterung
das Rauschen reduziert werden. Das Problem besteht jedoch darin, dass auch
hochfrequente Anteile des Nutzsignals unterdrückt werden können. Die Grenzfrequenz
muss daher individuell nach der jeweiligen Messsituation gewählt werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 41

Grundlagen
2.5.2 Filterung über Fensterfunktionen
Die Filterung von Messsignalen über Fensterfunktionen findet Anwendung in der digitalen
Signalverarbeitung. Sie erfolgt über folgende Einzelschritte:
1. Dem Messsignal werden durch das sogenannte „zero-padding“ Nullen angefügt,
so dass dessen Länge mit der Länge der Fensterfunktion übereinstimmt.
2. Das aus dem ersten Schritt resultierende Signal wird über die Fourier-
Transformation in den Frequenzbereich überführt.
3. Das resultierende Spektrum wird mit einer Fensterfunktion multipliziert, wodurch
eine unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Frequenzanteile erfolgt.
Welche Frequenzanteile welche Gewichtung erhalten, hängt von der Wahl der
Fensterfunktion und deren Breite ab.
4. Das Signal wird durch die inverse Fourier-Transformation wieder in den Zeitbereich
transformiert.
Um eine möglichst effiziente Filterung ohne Verlust der Signalmerkmale zu realisieren,
spielt bei diesem Filterungsvorgang die Wahl der geeigneten Fensterfunktion
und deren Breite eine große Rolle. Hier stehen beispielsweise Rechteck-, Hamming-,
Hanning- oder Blackmanfenster zur Verfügung. Der Vorteil dieser Vorgehensweise
besteht darin, dass das Nutzsignal effizienter vom Störsignal getrennt werden kann.
[44]
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 42

Grundlagen
2.6 Modellbildung als Beschreibung eines Systems
Zur Herstellung eines Zusammenhangs zwischen der Radonkonzentration und der
Luftwechselrate soll das System über ein geeignetes Modell beschrieben werden.
Eine erste Modellvorstellung erfolgt über das in Abbildung 11 dargestellte Schema.
Eingangssignal
(Luftwechselrate)
System
Raum,
„Blackbox“
Ausgangssignal
(Radonkonzentration)
Abbildung 11: System als Übertragungsglied mit Eingangs- und Ausgangssignal
Der zu untersuchende Raum wird als System in Form eines Übertragungsgliedes
betrachtet und stellt sich zunächst als „Blackbox“ dar, d.h. die genauen Vorgänge
sind zunächst unbekannt. Wird ein Eingangssignal auf das System gegeben, so wird
das System darauf in Form eines Ausgangssignals reagieren [45]. Als Eingangssignal
dient im vorliegenden Fall die Luftwechselrate. Wird sie auf das System gegeben,
so reagiert dieses mit einem Ausgangssignal, im vorliegenden Fall mit der Radonkonzentration.
Zur genauen Beschreibung ist es sinnvoll, das System mit Eingangs- und Ausgangssignal
sowie allen wichtigen Einfluss- und Störgrößen über mathematische Gleichungen
oder ggf. Differentialgleichungen zu modellieren.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 43

Grundlagen
2.6.1 Beschreibung über die mathematische Faltung
Eine Möglichkeit, ein System zu modellieren, besteht mit Hilfe der mathematischen
Faltung. Die Systembeschreibung erfolgt über die sogenannte Impulsantwort .
Das Ausgangssignal dieses Systems ergibt sich aus der Faltung des Eingangssignals
mit der Impulsantwort.
Eingangssignal
Impulsantwort
Ausgangssignal
Abbildung 12: Systembeschreibung über die Impulsantwort
Für die Berechnung des Ausgangssignals wird das Eingangssignal mit der Impulsantwort
gefaltet. Die Faltung wird über den Faltungsoperator gekennzeichnet und
erfolgt über folgendes Faltungsintegral:
y (2.3)
Zur Berechnung des Ausgangssignals muss die Impulsantwort vorliegen. Darüber
hinaus besteht die Bedingung, dass das System LTI-Eigenschaften aufweist [45].
LTI-System
Ein LTI-System (engl.: linear time-invariant system) besitzt die Eigenschaften der
Linearität und der Zeitinvarianz.
Ein System zeigt lineares Verhalten, wenn die Antwort auf eine Linearkombination
von Eingangssignalen der entsprechenden Linearkombination der einzelnen
Ausgangssignale entspricht [46]. Folgender Zusammenhang zeigt eine Linearkombination,
bestehend aus zwei Eingangsgrößen:
(2.4)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 44

Grundlagen
Dieser Zusammenhang wird auch Superpositionsprinzip genannt. Die Proportionalitätsfaktoren
werden in Gleichung 2.4 mit den Formelzeichen beschrieben.
Folgende Abbildung zeigt ein System, das Linearität aufweist.
Σ
1(t)
Σ
)
Abbildung 13: Linearität eines Systems nach [46]
Ein System zeigt zeitinvariantes Verhalten, wenn die Antwort auf ein verzögertes Eingangssignal
einem entsprechend verzögerten Ausgangssignal entspricht.
(2.5)
Die Antwort des Systems auf ein Eingangssignal ist somit unabhängig von dessen
Zeitpunkt, die Systemeigenschaften bleiben zeitlich konstant.
Impulsantwort
Zur Ermittlung der Impulsantwort wird das System am Eingangssignal mit einer Impulsfunktion
als Testsignal beaufschlagt. Bei einer Impulsfunktion handelt es sich um
einen Dirac-Impuls mit folgenden Eigenschaften.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 45

Grundlagen
Die Impulsantwort ergibt sich aus dem Ausgangssignal des Systems.
Abbildung 14: Ermittlung der Impulsantwort
In der Praxis ist es jedoch häufig nicht oder nur in grober Näherung möglich, eine
Impulsfunktion zu erzeugen. Daher ist es sinnvoll, eine Sprungfunktion mit folgenden
Eigenschaften als Testsignal zu verwenden:
Hierbei steht für einen Skalierungsfaktor, der eine Anpassung der Sprungfunktion
ermöglicht. Dieses Testsignal stellt somit einen einfachen Sprung von 0 auf einen
definierten Wert dar, der technisch realisiert werden kann. Über die erste Ableitung
hängt die Impulsfunktion mit der Sprungfunktion zusammen.
Dieser Zusammenhang gilt ebenfalls für die Impuls- und Sprungantwort.
(2.6)
Somit kann über die technisch realisierbare Sprungantwort die Impulsantwort ermittelt
und das System beschrieben werden, wobei folgende Vorgehensweise gilt:
1. Erzeugung einer Sprungfunktion am Systemeingang
2. Messung der Sprungantwort am Systemausgang
3. Differenzierung der Sprungantwort
4. Erhalt der Impulsantwort
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 46

Grundlagen
Berechnung des Systems
Ist das System über die Impulsantwort charakterisiert, so können über Gleichung 2.3
Systemein- und -ausgang ineinander umgerechnet werden. Die Anwendung des Faltungsintegrals
ist jedoch häufig mit einem hohen Aufwand verbunden. Daher empfiehlt
es sich, Eingangssignal und Impulsantwort zunächst vom Zeitbereich in den
Frequenzbereich zu überführen. Dies kann beispielsweise über die Fourier-Transformation
erfolgen [45]. Im Frequenzbereich ergibt sich die Faltung durch folgende
einfache Multiplikation:
Zeitbereich:
Frequenzbereich:
Die inverse Faltung, also die Berechnung des Eingangssignals über Impulsantwort
und Ausgangssignal, ergibt sich im Frequenzbereich durch einfache Division:
Zeitbereich:
Frequenzbereich:
Die nächste Abbildung verdeutlicht die Berechnung eines Systems im Zeit- und im
Frequenzbereich:
Eingangssignal
Impulsantwort
Ausgangssignal
Zeitbereich
Frequenzbereich
Abbildung 15: Berechnen eines Systems über die mathematische Faltung
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 47

Grundlagen
Zur Berechnung des Ausgangssignals kann somit folgende Vorgehensweise genutzt
werden:
1. Messung des Eingangssignals
2. Überführen des Eingangssignals in den Frequenzbereich über Fourier-
Transformation →
3. Überführen der Impulsantwort in den Frequenzbereich über Fourier-
Transformation → (wird auch Systemfunktion genannt)
4. Multiplikation des Frequenzspektrums des Eingangssignals mit der
Systemfunktion → Frequenzspektrum des Ausgangssignals
5. Inverse Fourier-Transformation des Frequenzspektrums des Ausgangssignals
→ Ausgangssignal
Äquivalent kann über folgende Vorgehensweise das Eingangssignal bei vorliegendem
Ausgangssignal berechnet werden:
1. Messung des Ausgangssignals
2. Überführen des Ausgangssignals in den Frequenzbereich über Fourier-
Transformation →
3. Überführen der Impulsantwort in den Frequenzbereich über Fourier-
Transformation → (wird auch Systemfunktion genannt)
4. Division des Frequenzspektrums des Ausgangssignals mit der
Systemfunktion → Frequenzspektrum des Eingangssignals
5. Inverse Fourier-Transformation des Frequenzspektrums des Eingangssignals
→ Eingangssignal
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 48

Grundlagen
2.6.2 Beschreibung über Differentialgleichungen
Viele Naturgesetze lassen sich über Differentialgleichungen ausdrücken, indem die
Veränderung einer physikalischen Größe in Abhängigkeit von weiteren physikalischen
Größen betrachtet wird. Die Herleitung einer solchen Differentialgleichung
stellt eine mathematische Modellierung eines Systems dar. Hierzu ist eine gründliche
Systemanalyse notwendig, in der zunächst geklärt werden muss, welche physikalischen
Vorgänge modelliert werden sollen. Daraufhin müssen die physikalischen
Größen, die den physikalischen Prozess beeinflussen, identifiziert und miteinander in
Beziehung gebracht werden. Hängt die sich daraus ergebende Differentialgleichung
lediglich von einer Variablen ab, so handelt es sich um eine gewöhnliche Differentialgleichung.
Bei Abhängigkeit von mehreren Variablen handelt es sich um eine partielle
Differentialgleichung. Die Lösbarkeit einer Differentialgleichung hängt vom Typ,
von der Linearität und dem Vorliegen konstanter Koeffizienten ab. So lassen sich
einige Differentialgleichungen sehr einfach auf analytischem Wege, andere jedoch
nur sehr aufwändig auf numerischem Wege lösen. Zur Reduzierung des Aufwandes
können Differentialgleichungen unter bestimmten Bedingungen auch vereinfacht werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 49

Methode
3 Methode
Die im Folgenden vorgestellte Methode setzt sich aus einer Kombination mehrerer
Modellierungen zusammen, die eine schrittweise Abschätzung der Raumluftqualität
ermöglichen soll. Hierzu wird die Luftwechselrate als zentrales Bindeglied verwendet.
Die grundlegende Vorgehensweise zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft
sieht zwei Hauptschritte vor:
Im ersten Schritt wird aus dem Verlauf der Radonkonzentration der Verlauf der Luftwechselrate
berechnet, wobei ein mathematisches Modell verwendet wird. Auf Basis
dieser berechneten Luftwechselrate sollen im zweiten Schritt einzelne Schadstoffkonzentrationen
abgeschätzt werden. Dies erfolgt über weitere mathematische Modelle,
die für jeden einzelnen Luftschadstoff erstellt werden. Exemplarisch wird die mathematische
Beziehung zwischen der Luftwechselrate und der Konzentration von VOC
modelliert. Eine Auswahl repräsentativer Luftschadstoffe soll schließlich die Beurteilung
der Qualität der Innenraumluft ermöglichen [47], [48].
Messung der Radonkonzentration
Modell 1
Berechnung der Luftwechselrate
Modell 2 Modell 3 Modell ...
Abschätzung einzelner
Schadstoffkonzentrationen
Abbildung 16: Abschätzung einzelner Schadstoffkonzentrationen aus der Radonkonzentration
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 50

Methode
3.1 Modellbildung Radonkonzentration - Luftwechselrate
Zur Herstellung eines mathematischen Zusammenhangs zwischen der Radonkonzentration
und der Luftwechselrate werden zwei Ansätze erprobt:
3.1.1 Ansatz 1 - mathematischen Faltung
Der ursprüngliche Ansatz zur Rekonstruktion des Verlaufs der Luftwechselrate aus
einem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration besteht in der Anwendung der
in Abschnitt 2.6.1 beschriebenen Zusammenhänge der mathematischen Faltung [49].
Ermittlung der Impulsantwort
Als Eingangssignal dient im vorliegenden System die Luftwechselrate. Eine Luftwechselrate
in Form eines Dirac-Impulses ist in der Praxis nicht realisierbar. Als
Testfunktion soll daher eine Sprungfunktion realisiert werden, wobei ein sprunghafter
Wechsel der Luftwechselrate erzeugt und als Ausgangssignal die Radonkonzentration
gemessen wird. Wird die Luftwechselrate von einem hohen auf einen geringen
Wert abgesenkt, ergibt sich als Sprungantwort eine Sättigungskurve der Radonkonzentration,
die einem Exponentialverlauf folgt:
Abbildung 17: Beispiel einer gemessenen Sprungantwort mit Ausgleichskurve [49]
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 51

Methode
Die hier dargestellte Sättigungskurve entspricht folgendem funktionalen Zusammenhang
[49]:
(3.1)
Nach Gleichung 2.6 kann die Impulsantwort aus der Ableitung der Sprungantwort
berechnet werden, wobei sowohl die numerische als auch die analytische Ableitung
verwendet werden kann. Die analytische Ableitung nach Gleichung 2.6 ergibt für die
Impulsantwort somit folgenden funktionalen Zusammenhang:
(3.2)
Als Impulsantwort ergibt sich schließlich eine abfallende Exponentialfunktion:
Abbildung 18: Errechnete Impulsantwort [49]
Eine Einschränkung bei der Ermittlung der Impulsantwort über die beschriebenen
Zusammenhänge stellt die Tatsache dar, dass nur Sprungantworten herangezogen
werden können, die bei einer Radonkonzentration nahe
starten oder gegenüber
dem Sättigungswert vernachlässigbar sind. Im vorliegenden Beispiel stellt das kein
Problem dar, da ein sehr hoher Sättigungswert erreicht wird. Ein Anfangswert im Bereich
der Radonkonzentration in der Außenluft ist daher vernachlässigbar und kann
gleich null gesetzt werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 52

Methode
Durchführung der inversen Faltung
Nach den in Abschnitt 2.6.1 beschriebenen Zusammenhängen soll über die Impulsantwort
und den Verlauf der Radonkonzentration als Ausgangssignal die Luftwechselrate
als Eingangssignal rekonstruiert werden. Hierzu soll die inverse Faltung in
folgenden Einzelschritten zur Anwendung kommen [49]:
1. Ermittlung der Impulsantwort über die oben dargestellten Zusammenhänge.
2. Anwendung des sogenannten zero-Paddings. Dieser Schritt ist notwendig, um
die Impulsantwort und das Signal der Radonkonzentration auf eine gleiche
Datenlänge zu bringen, da der verwendete FFT-Algorithmus periodisch
verläuft und ansonsten Überlappungsfehler auftreten können.
3. Fourier-Transformation des Signals der Radonkonzentration und der
Impulsantwort über den FFT-Algorithmus.
4. Inverse Faltung im Frequenzbereich über Division des Frequenzspektrums der
Radonkonzentration mit dem Frequenzspektrum der Impulsantwort.
5. Die inverse Fourier-Transformation des Faltungsergebnisses soll schließlich
die rekonstruierte Luftwechselrate ergeben.
Die Umsetzung dieser Einzelschritte erfolgt in einem Computeralgebrasystem. Wichtig
für die Anwendbarkeit dieser Vorgehensweise ist die Erfüllung der Voraussetzung,
dass das vorliegende System LTI-Eigenschaften besitzt. Dies ist dann der Fall, wenn
das System nach weiterer Untersuchung über eine lineare Differentialgleichung mit
konstanten Koeffizienten beschrieben werden kann [46]. Daher soll im Folgenden
zunächst eine Differentialgleichung erstellt und deren Eigenschaften untersucht werden:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 53

Methode
3.1.2 Modellbildung über eine Differentialgleichung
Abbildung 19 zeigt eine schematische Darstellung der wichtigsten Parameter. Als
Radonquellen sind hier das Erdreich und das Baumaterial aufgeführt. Der radioaktive
Zerfall sorgt für einen Verlust an Radonkonzentration. Zur Herstellung des Zusammenhangs
zwischen Luftwechselrate und Radonkonzentration ist die Luftwechselrate
mit Zu- und Abluft dargestellt.
Radioaktiver Zerfall
Luftwechselrate
Radonquelle:
Erdreich
Radonquelle:
Baumaterial
Abbildung 19: Einflussgrößen der Radonkonzentration im Rauminneren
Radioaktiver Zerfall
Die Abnahme der Radonkonzentration pro Zeiteinheit ist proportional zur
Radonkonzentration zum Zeitpunkt :
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 54

Methode
Nach Einsetzen der Zerfallskonstante
als Proportionalitätsfaktor ergibt sich
folgender Ausdruck:
bzw. (3.3)
Diese Differentialgleichung beschreibt das Zerfallsgesetz und somit die Abhängigkeit
des zeitlichen Verlaufs der Radonkonzentration von der Halbwertzeit.
Radonquellen
Das in der Raumluft vorhandene Radon stammt aus diversen Radonquellen mit bestimmten
Quellstärken. Die Radonquellstärke sagt aus, wie viel Aktivität pro
Zeiteinheit von einer Quelle emittiert wird:
Nach Einsetzen der Radonkonzentration
ergibt sich für diesen Zusammenhang:
,
Bzw. nach
umgestellt
(3.4)
beschreibt die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke.
In Abbildung 19 sind das Erdreich und das Baumaterial als Radonquellen aufgeführt,
werden aber in der Differentialgleichung in einer einzelnen Variablen berücksichtigt.
Luftwechselrate
Die Luftwechselrate bewirkt, dass durch die Abluft Radon aus dem Raum herausgetragen
und durch die Zuluft Radon aus der Außenkonzentration hereingetragen wird.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 55

Methode
Sowohl die Zuluft als auch die Abluft können zunächst als zeitabhängige Radonquellen
betrachtet werden:
Unter der Annahme von
ergeben sich für Zu- und Abluft
mit und folgende Ausdrücke:
Zur Darstellung der Luftwechselrate
wird der Zusammenhang
bzw.
verwendet. Die Zuluft wird über folgenden Ausdruck berücksichtigt:
(3.5)
Für die Abluft gilt:
(3.6)
Die Luftwechselrate kann schließlich zusammengefasst definiert werden:
(3.7)
Zusammenfügen der Differentialgleichung
Die Gleichungen 3.3, 3.4 und 3.7 lassen sich schließlich zu folgender Differentialgleichung
addieren:
(3.8)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 56

Methode
3.1.3 Überprüfung der mathematischen Faltung auf Anwendbarkeit
(Ansatz 1)
Wie in Abschnitt 3.1.1 erwähnt, muss ein System über eine lineare Differentialgleichung
mit konstanten Koeffizienten beschrieben werden, um als LTI-System behandelt
werden zu können. Die vorliegende Differentialgleichung (Gleichung 3.8) weist
jedoch mit und nicht-konstante Koeffizienten auf, wodurch die für ein
LTI-System geforderte Eigenschaft der Linearität nicht gegeben ist. Es liegt somit
kein LTI-System vor. Dies führt dazu, dass bei unterschiedlichen Luftwechselraten
unterschiedliche Impulsantworten vorliegen. Eine sinnvolle Berechnung des Systems
ist somit nicht möglich. Der erste Ansatz, das System über die mathematische Faltung
zu berechnen, wird daher verworfen.
3.1.4 Ansatz 2 - Berechnung des Systems über die Differentialgleichung
Dieser Ansatz beruht darauf, das System auf analytischem Wege zu berechnen, indem
die Differentialgleichung zugrunde gelegt wird.
Lösen der Differentialgleichung
Da sich die Differentialgleichung (Gleichung 3.8) mit und als nicht-konstante
Koeffizienten in dieser Form nur sehr schwer lösen lässt, wird für eine vereinfachte
Lösung zunächst von einer konstanten Luftwechselrate
und einer
konstanten Radonquelle
ausgegangen. Somit liegt eine gewöhnliche
Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten in folgender Form vor:
(3.9)
Mit der Anfangsbedingung
lautet die Lösung:
(3.10)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 57

Methode
Diese Gleichung kann zur Berechnung der Radonkonzentration aus einer Luftwechselrate
angewendet werden, mit der Bedingung, dass sich die Luftwechselrate und
die Radonquellstärke im Betrachtungszeitraum nicht ändern ( und
im Intervall von bis ). Um unter Berücksichtigung dieser Bedingung
mit zeitabhängigen Luftwechselraten und zeitabhängigen Radonquellen
rechnen zu können, ist es notwendig, den Betrachtungszeitraum auf ein
Intervall zu reduzieren. Hierbei handelt es sich z.B. um das Intervall zeitdiskreter
Werte. Wird nun jedes Intervall gesondert betrachtet, bleibt die Bedingung einer konstanten
Luftwechselrate und einer konstanten Radonquellstärke während des jeweiligen
Betrachtungszeitraums erfüllt. Als Startwert wird bei jedem Schritt der
zuletzt berechnete Radonkonzentrationswert eingesetzt. Die Berechnung erfolgt somit
iterativ nach folgender diskreter Gleichung:
(3.11)
Diese Gleichung ermöglicht die Berechnung eines Radonkonzentrationsverlaufs aus
einem beliebigen Verlauf der Luftwechselrate.
Ermittlung einer Differenzengleichung
Der über Gleichung 3.11 dargestellt Zusammenhang ermöglicht die Berechnung des
Verlaufs der Radonkonzentration aus dem Verlauf einer Luftwechselrate .
Dies ist sinnvoll, um eine bei bestimmter Luftwechselrate gegebene Radonkonzentration
abzuschätzen, führt jedoch nicht zum Ziel, die Luftwechselrate aus der Radonkonzentration
zu berechnen. Da ein direktes Umstellen der Gleichung 3.11 nach der
Luftwechselrate nicht möglich ist, muss ein weiterer Lösungsansatz herangezogen
werden. Hierzu kommt zunächst die ermittelte Differentialgleichung 3.7 zur Anwendung
und wird in eine Differenzengleichung überführt:
(3.12)
Mit diskreter Schreibweise ergibt sich folgende Form:
(3.13)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 58

Methode
Diese Gleichung kann nach der Luftwechselrate
umgestellt werden:
(3.14)
Mit dieser Gleichung steht nun das Grundwerkzeug zur Rekonstruktion der Luftwechselrate
aus der Radonkonzentration zur Verfügung.
3.1.5 Ermittlung der Radonquellstärke
Zur Anwendung von Gleichung 3.14 ist die Kenntnis einiger Parameter notwendig.
Die Zerfallskonstante ist als physikalische Konstante bekannt. Bei einer Halbwertszeit
von liegt der Wert der Zerfallskonstante bei . Die
messtechnisch zugängliche Radonaußenkonzentration kann üblicherweise
ebenfalls als konstant angenommen werden. Die Berücksichtigung einer Zeitabhängigkeit
der Radonaußenkonzentration in Form von ist durch eine separate
Messung in der Außenluft möglich. Komplizierter gestaltet sich jedoch die Ermittlung
der Radonquellstärke.
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke stellt die vollständige
Charakterisierung eines zu untersuchenden Raumes dar. Sie kann unter der Annahme
einer konstanten Radonquellstärke über die Aufnahme einer Sättigungskurve
der Radonkonzentration ermittelt werden, wobei durch eine Erhöhung der Luftwechselrate
(passives oder aktives Lüften) zunächst die Radonkonzentration im Gebäudeinneren
auf Werte nahe der Radonaußenkonzentration gesenkt wird. Anschließend
wird die Luftwechselrate wieder abgesenkt (Beenden der „Lüftungssituation“),
was zu einem erneuten Aufbau der Radonkonzentration führt und somit eine Sättigungskurve
liefert, die unter Gewährleistung einer möglichst konstanten Luftwechselrate
einem Exponentialverlauf folgt. Diese Sättigungskurve wird mit einem Radonmonitor
aufgezeichnet. Durch Anwendung des Levenberg-Marquardt-Algorithmus
werden die Zeitkonstante , die Anfangskonzentration und die Sättigungskonzentration
an folgende Funktion angepasst:
(3.15)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 59

Radonkonzentration (Bq/m³)
Methode
2500
Kurvenanpassung (Radon)
2000
1500
1000
500
0 5 10 15
Zeit (h)
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)
Radonkonzentration (angepasst)
Abbildung 20: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve mit eingezeichneter Anpassungskurve
Für die Berechnung der Radonquellstärke werden im Weiteren die Zeitkonstante
und die Sättigungskonzentration herangezogen.
Zur Herleitung wird zunächst aus Gleichung 3.10 die Sättigungskonzentration ermittelt,
indem die Zeit gegen unendlich läuft:
(3.16)
Hierbei gilt:
Da der Ausdruck
und
gleich 0 ergibt, gilt für die Sättigungskonzentration:
(3.17)
Diese Gleichung kann problemlos nach der Radonquellstärke umgestellt werden:
(3.18)
Die Parameter , und stehen bereits zur Verfügung. wird über
die Anpassungsfunktion 3.15 ermittelt,
bekannte physikalische Konstante und
ist als Zerfallskonstante des Radons eine
ist messtechnisch verfügbar. Zur Ermitt-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 60

Methode
lung der konstanten Luftwechselrate wird die Zeitkonstante herangezogen. Für die
Zeitkonstante gilt der Zusammenhang:
(3.19)
stellt hierbei den Anfangswert der Radonkonzentration dar. Zur Ermittlung von
wird die erste Ableitung nach der Zeit von Gleichung 3.10 bestimmt:
(3.20)
Nach einsetzen von
ergibt sich hieraus:
(3.21)
Die Zeitkonstante resultiert nun durch Einsetzen der Gleichungen 3.11 und 3.14 in
Gleichung 3.15:
(3.22)
Die Luftwechselrate kann unter Annahme einer Sättigungskurve berechnet werden:
(3.23)
Nach Einsetzen von Gleichung 3.22 ergibt sich aus Gleichung 3.17 für die Radonquellstärke
folgender Ausdruck, der als Charakterisierung des Raumes dient:
(3.24)
Hierbei sei anzumerken, dass zunächst von einer konstanten Radonquellstärke ausgegangen
wird. In realen Wohngebäuden sind jedoch Schwankungen der Radonquellstärke
zu erwarten. Kurzzeitige Schwankungen im Bereich von wenigen Stunden
können je nach gewünschter Zeitauflösung als unkritisch betrachtet werden, da
trotzdem zumindest eine Beurteilung der mittleren Luftwechselrate möglich ist. Langzeitschwankungen
im Bereich von mehreren Tagen können zu einem Drift der rekonstruierten
Luftwechselrate führen und bei Langzeitmessungen das Ergebnis verfälschen.
Je nach Ausprägung dieser Langzeitschwankung ist eine wiederholte Ermittlung
der Radonquellstärke im Abstand von wenigen bis mehreren Tagen notwendig.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 61

Radonkonzentration (Bq/m³)
Methode
3.2 Filterung
Bei Berechnung der Luftwechselrate nach Gleichung 3.14 bestehen hohe Anforderungen
an das Radon-Messsignal. Durch den Term
besteht
eine hohe Rauschempfindlichkeit, da zur Berechnung immer Radon-Messwerte-
Paare herangezogen werden. Dies kann mit Hilfe von Abbildung 21 veranschaulicht
werden, die den Beispiel-Verlauf aus Abschnitt 3.1.5 behandelt. Dieses Messsignal
weist ein Rauschen auf, das im Vergleich mit einer eingezeichneten Anpassungskurve
gut sichtbar wird. Bei Betrachtung benachbarter Radonmesswerte können
durch das Rauschen bedingte Differenzen von z.B.
auftreten, wo gemessen an der Anpassungskurve eine Differenz
von ca.
vorliegt. Wird die durch das Rauschen beeinflusste Differenz zur
Berechnung der Luftwechselrate
nach Gleichung 3.14 herangezogen, können
große Abweichungen in der berechneten Luftwechselrate auftreten.
2500
Beispiel einer Sättigungskurve
2000
1500
1000
500
0 5 10 15
Zeit (h)
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)
Radonkonzentration (angepasst)
Abbildung 21: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve (blaue Punkte) mit eingezeichneter
Anpassungskurve (roter Verlauf). Der hervorgehobene Bereich zeigt ein Beispiel einer durch das
Rauschen bedingten Abweichung. Die grün markierten Punkte stellen benachbarte Radonmesswerte dar.
Ihre Differenz liegt bei
. Bei Betrachtung der zugehörigen Anpassungskurve wird
ersichtlich, dass die tatsächliche Differenz an dieser Stelle jedoch bei
liegt.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 62

Methode
Aufgrund dieser Rauschempfindlichkeit ist es notwendig, das Messsignal mit geeigneten
Filtern zu bearbeiten. Der Einsatz von Fensterfunktionen erweist sich hier als
gut geeignet [44]. Die Vorgehensweise erfolgt in vier Schritten:
1. Die Datenreihe des Messsignals wird mittels des sogenannten „zeropaddings“
mit Nullen erweitert, so dass dessen Datenlänge mit der
Datenlänge der Fensterfunktion übereinstimmt.
2. Die erweiterte Datenreihe wird über die Fouriertransformation in den
Frequenzbereich transformiert.
3. Das Frequenzspektrum wird mit einer passenden Fensterfunktion multipliziert.
4. Schließlich erfolgt eine inverse Fouriertransformation, um das gefilterte
Frequenzspektrum wieder in den Zeitbereich zu transformieren.
Um eine optimale Filterung mit möglichst wenig Verlust von Nutzsignalen zu erreichen,
ist eine passende Wahl der Filterfunktion und der Fensterbreite von großer Bedeutung.
Diese Auswahl hängt individuell vom Frequenzspektrum des gemessenen
Signals ab. Die so gefilterte Datenreihe kann schließlich für die Rekonstruktion der
Luftwechselrate herangezogen werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 63

Methode
3.3 Modellbildung Luftwechselrate - VOC
Nachdem über die in den Abschnitten 3.1 und 3.2 hergeleiteten Zusammenhänge die
Luftwechselrate beschrieben ist, soll exemplarisch der mathematische Zusammenhang
zwischen der Luftwechselrate und der Summenkonzentration der VOC hergeleitet
werden.
Die im Folgenden vorgestellte Methode dient nicht dazu, den tatsächlich vorliegenden
Verlauf der VOC-Konzentration zu berechnen. Vielmehr dient sie der Abschätzung
des Verlaufs der VOC-Konzentration bei einer bestimmten, zuvor ermittelten
VOC-Quelle. Diese Quelle soll das VOC-Potential widerspiegeln, das durch konstante
VOC-Freisetzungen von Bauprodukten und Einrichtungsgegenständen bedingt
wird. Es wird somit primär die Frage behandelt „wie würde sich die VOC-Konzentration
bei einem zuvor ermittelten VOC-Potential verhalten?“.
Zur Ermittlung des mathematischen Zusammenhangs zwischen der Luftwechselrate
und der VOC-Konzentration wird äquivalent zur Vorgehensweise in Abschnitt 3.1
eine Differentialgleichung erstellt. Im Wesentlichen entspricht sie dem in Gleichung
3.8 dargestellten Zusammenhang zwischen der Luftwechselrate und der Radonkonzentration.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass VOC keinem radioaktiven Zerfall
unterworfen sind und somit keine Zerfallskonstante in die Gleichung eingeht.
(3.25)
Äquivalent zur Vorgehensweise in Abschnitt 3.1.4 lässt sich die Differentialgleichung
zu folgendem Ausdruck lösen:
(3.26)
Diese Gleichung ermöglicht die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate.
Der Zusammenhang setzt zunächst noch eine Konstanz der Klimaparameter,
insbesondere der Temperatur voraus.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 64

VOC-Konzentration (mg/m³)
Temperatur (°C)
Methode
3.3.1 Ermittlung der VOC-Quellstärke
Äquivalent zu der in Abschnitt 3.1.5 dargestellten Vorgehensweise zur Ermittlung der
Radonquellstärke erfolgt die Ermittlung der VOC-Quellstärke. Hierzu wird zunächst
eine Sättigungskurve der VOC-Konzentration aufgenommen (siehe Abbildung 22).
Über den Zeitraum der VOC-Quellstärkenbestimmung sollte eine möglichst konstante
Temperatur vorliegen.
150
Kurvenanpassung (VOC)
140
130
20
120
10
110
100
0
0 5 10 15 20
Zeit (h)
VOC-Konzentration (Auswahl, gemessen)
VOC-Konzentration VOC-Konzentratino (angepasst)
Temperatur (gemessen)
Abbildung 22: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve der VOC-Konzentration
An dieser Sättigungskurve erfolgt eine Kurvenanpassung mit dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus.
Mit den Anpassungsparametern und kann über folgende
Gleichung die VOC-Quellstärke berechnet werden:
(3.27)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 65

Methode
3.3.2 Temperaturkorrektur
Wie in Abschnitt 2.2.2 erwähnt, ist die VOC-Emission komplexen mathematischen
Zusammenhängen unterworfen. Da eine exakte Korrektur aller Einflussgrößen nicht
berücksichtigt werden kann, soll eine näherungsweise Korrektur der Temperatur erfolgen,
die als wichtigste Einflussgröße angesehen wird. Nach der Clausius-
Clapeyron-Gleichung besteht eine exponentielle Temperaturabhängigkeit des
Dampfdrucks [25]. Der Anwendungsbereich liegt bei Temperaturen, die in Innenräumen
vorzufinden sind, also bei ca. 15 °C bis ca. 30 °C. Auf Basis empirischer Daten
kann für diesen Bereich eine lineare Abhängigkeit der VOC-Quellstärke von der
Temperatur angenommen werden. Zur Korrektur des Temperatureinflusses wird somit
für jeden errechneten Wert der VOC-Konzentration die Temperatur
durch die mittlere Temperatur im Zeitraum der VOC-Quellstärkenbestimmung
dividiert:
(3.28)
Um eine sinnvolle Korrektur durchführen zu können, ist es notwendig, dass die Temperatur
über den Zeitraum der VOC-Quellstärkenbestimmung möglichst konstant
gehalten wird.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 66

Methode
3.4 Übertragung des Modells auf reale Gebäude
Die in den Abschnitten 3.1 und 3.3 hergeleiteten Zusammenhänge stellen ein „Ein-
Raum-Modell“ dar. Zur Anwendung der Methode auf reale Wohngebäude ist es notwendig,
das Ein-Raum-Modell zu modifizieren, da zwischen einzelnen Räumen eine
Vielzahl an Wechselwirkungen stattfindet, die bei Betrachtung eines einzelnen Raumes
nicht berücksichtigt werden können. Ein Ansatz besteht in dem Versuch, das
Ein-Raum-Modell in ein Mehr-Raum-Modell zu übertragen, in dem die Wechselwirkungen
zwischen den Räumen mit berücksichtigt werden. Ein weiterer Ansatz behandelt
das Ein-Raum-Modell in einer modifizierten Form, die das gesamte Gebäude
als einen einzelnen Raum betrachtet.
Folgende Ansätze beziehen sich zunächst auf das Modell zur Beschreibung des Zusammenhangs
zwischen der Radonkonzentration und der Luftwechselrate.
3.4.1 DGL-System als Mehr-Raum-Modell
Komplexe Systeme können häufig über Differentialgleichungssysteme beschrieben
werden [45]. Dies kann auch für die Beschreibung des mathematischen Zusammenhangs
zwischen der Radonkonzentration und der Luftwechselrate in einem System
aus mehreren Räumen genutzt werden.
Besteht ein Gebäude aus mehreren Räumen, so kann jeder Raum über eine eigene
Differentialgleichung berücksichtigt werden. Bei einer Anzahl an Räumen ergibt
sich somit ein DGL-System aus Differentialgleichungen. Für jeden Raum müssen
alle bestehenden Luftwechsel zu Nachbarräumen oder zur Außenluft und alle vorhandenen
Radonquellen berücksichtigt werden. Im Folgenden werden exemplarisch
ein Zwei-Raum- und ein Drei-Raum-Modell erstellt:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 67

Methode
Beispiel: Zwei-Raum-Modell
Abbildung 23 zeigt, dass im Gegensatz zum Ein-Raum-Modell zusätzliche Luftwechsel
im Gebäudeinneren auftreten, im vorliegenden Beispiel zwischen Raum 1 und
Raum 2. Diese Luftwechsel kommen beispielsweise durch Zimmertüren zustande.
Jeder einzelne Raum besitzt darüber hinaus einen eigenen Luftwechsel mit der Außenluft.
Raum 1 Raum 2
Abbildung 23: Darstellung eines Zwei-Raum-Modells
Für die einzelnen Räume ergeben sich folgende Differentialgleichungen:
(3.29)
(3.30)
Für das Zwei-Raum-Modell ergibt sich ein System aus zwei Differentialgleichungen,
die gegenüber der Differentialgleichung des Ein-Raum-Modells um je einen Term
modifiziert sind. Bei Gleichung 3.29, die den Raum 1 beschreibt, handelt es sich um
und bei Gleichung 3.30, die den Raum 2 beschreibt, um
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 68

Methode
. Über diese Terme wird somit der Luftwechsel zwischen
Raum 1 und Raum 2 berücksichtigt.
Aus den Differentialgleichungen können nun, wie unter 3.1.4 beschrieben, Differenzengleichungen
erstellt werden:
(3.31)
(3.32)
Für die Herstellung eines Zusammenhanges zum Gesamtluftwechsel aller Räume
des Gebäudes mit der Außenluft werden Gleichung 3.31 nach und Gleichung
3.32 nach umgestellt.
(3.33)
(3.34)
Der Gesamtluftwechsel des Gebäudes mit der Außenluft ergibt sich durch Addition
der Luftwechsel der einzelnen Räume mit der Außenluft.
(3.35)
Das Problem besteht an dieser Stelle jedoch darin, dass der Luftwechsel
zwischen
Raum 1 und Raum 2 nicht bekannt ist.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 69

Methode
Beispiel: Drei-Raum-Modell
Soll nun ein Drei-Raum-Modell erstellt werden, so erhält jede Differentialgleichung
noch einen weiteren Term, der den Luftwechsel mit dem dritten Raum berücksichtigt.
Raum 3
Raum 1 Raum 2
Abbildung 24: Darstellung eines Drei-Raum-Modells
Für die einzelnen Räume ergeben sich folgende Differentialgleichungen:
(3.36)
(3.37)
(3.38)
Hier wird ersichtlich, dass mit einer zunehmenden Anzahl an Räumen die Anzahl der
in den einzelnen Differentialgleichungen herangezogenen Terme steigt. Unter der
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 70

Methode
Annahme, dass das Baumaterial als Radonquelle vernachlässigt werden kann, kann
bei Räumen, die keine Anbindung an das Erdreich besitzen, die Radonquelle in der
zugehörigen Gleichung unberücksichtigt bleiben. Bei den oben aufgeführten Differentialgleichungen
wurde daher unter Gleichung 3.38 die Radonquelle nicht mit einbezogen.
Ein Problem dieses Mehr-Raum-Modells liegt darin, dass die Anzahl der unbekannten
Luftwechsel immer größer als die Anzahl der Gleichungen im DGL-System ist. Es
dient somit in erster Linie dem Verständnis der mathematischen Zusammenhänge in
einem Mehr-Raum-Modell. Eine praktikable Möglichkeit zur Berechnung einzelner
Luftwechsel ist allerdings nicht gegeben.
3.4.2 Modifiziertes Ein-Raum-Modell
Aufgrund der Vielzahl an unbekannten Parametern ist die vollständige Berechnung
eines Mehr-Raum-Modells nicht möglich. Somit ist das Mehr-Raum-Modell zur Abschätzung
der Qualität der Innenraumluft ungeeignet. Als praktikabler erweist sich
die Betrachtung des gesamten Innenraums eines Gebäudes als ein Raum, dessen
Begrenzung die Außenhülle des Gebäudes darstellt. Zur Berechnung kommt das
Ein-Raum-Modell zum Einsatz, wobei die hierzu herangezogenen Werte aus den
Mittelwerten jeweils mehrerer Werte ermittelt werden. Dies kann je nach gegebener
Raumsituation auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Soll die Qualität der Innenraumluft im gesamten Gebäude beurteilt werden, so müssen
in allen Räumen Radonmessungen durchgeführt werden. Die Radonquellstärke
ergibt sich aus dem Mittelwert über alle Räume. Zur Rekonstruktion der mittleren
Luftwechselrate des gesamten Gebäudes werden in allen Räumen Radonkonzentrationen
gemessen, aus denen ein mittlerer Verlauf gebildet wird. Bei der Mittelwertbildung
zur Bestimmung der Radonquellstärke und zur Bestimmung des mittleren
Radonkonzentrationsverlaufs zur Rekonstruktion der Luftwechselrate ist eine Gewichtung
nach den Raumvolumina der einzelnen Räume durchzuführen. Über die
rekonstruierte Luftwechselrate kann schließlich über einzelne Luftschadstoffe die
mittlere Luftqualität im gesamten Innenraum des Gebäudes abgeschätzt werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 71

Methode
3.5 Grenzen der Methode
Wie in Abschnitt 2.4.4 erwähnt, ist die Messung des Radons mit einer Messunsicherheit
behaftet. Besonders bei kleinen Messwerten im Bereich kleiner 100 Bq/m³ steigt
die Unsicherheit mit sinkender Zählrate an. Daraus ergeben sich gewisse Anforderungen
und somit auch Einschränkungen für die Anwendung der Methode in der
Praxis. Änderungen der Radonkonzentration können bei kleinen Messwerten aufgrund
der hohen Messunsicherheiten nur schwer aufgelöst werden. Bei Messwerten
in dieser Größenordnung ist eine Rekonstruktion der Luftwechselrate nur mit sehr
hohen Unsicherheiten möglich. Ist das Nutzsignal komplett vom Rauschen des Untergrundes
überlagert, dann ist die Rekonstruktion der Luftwechselrate sogar unmöglich.
Je nach Anforderung an die Unsicherheit der rekonstruierten Luftwechselrate
ergibt sich daraus eine Begrenzung in der maximalen Luftwechselrate, die noch rekonstruiert
werden kann. Diese Grenze hängt im Wesentlichen von der Radonquellstärke
ab.
Je geringer die Radonquellstärke, desto weniger Radon wird in der Innenraumluft
bereitgestellt. Dies führt dazu, dass bereits kleine Luftwechselraten zu einer Absenkung
der Radonkonzentration in der Innenraumluft auf das Niveau der Außenluft führen.
Eine Rekonstruktion von höheren Luftwechselraten ist somit nicht möglich, da
diese mit einer ansteigenden Unsicherheit einhergehen. Die Messunsicherheit der
Radonkonzentration kann aber mit einer höheren Integrationszeit verringert werden.
Dadurch ist es möglich, bei niedrigen Radonkonzentrationen eine Rekonstruktion zu
ermöglichen, auch wenn dies zu einer verringerten Zeitauflösung führt. Hier muss
abgewogen werden, welche Zeitauflösung gewünscht wird und welche Messunsicherheit
akzeptiert werden kann.
Darüber hinaus spielt die Konstanz der Radonquellstärke eine große Rolle. Hierbei
besteht eine proportionale Abhängigkeit der rekonstruierten Luftwechselrate von der
Schwankung der Radonquellstärke. Weicht die tatsächliche von der ermittelten Radonquellstärke
um beispielsweise 30 % ab, so wird die rekonstruierte Luftwechselrate
ebenfalls um 30 % abweichen. An dieser Stelle muss abgewogen werden, welche
Abweichungen in der Praxis auftreten und akzeptiert werden können, und ob die
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 72

Methode
Schwankungen der Radonquellstärke durch wiederholte Quellstärkenermittlungen
ausgeglichen werden können.
Die Quantifizierung dieser Grenzen ist nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeit, soll
jedoch in künftigen Untersuchungen in Form einer Simulation behandelt werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 73

Experimentelles Vorgehen
4 Experimentelles Vorgehen
4.1 Laborversuche - Messkammer
Zur praktischen Überprüfung des erstellten Modells ist es notwendig, Messungen in
einer Messkammer vorzunehmen, die das Ausschalten von Störgrößen, das Schaffen
kontrollierter Bedingungen und somit den Erhalt reproduzierbarer Ergebnisse ermöglicht.
Für eine adäquate praktische Umsetzung einer solchen Messkammer müssen
einige Anforderungen, sowohl an die Messkammer selbst, als auch an die Messtechnik,
erfüllt werden. Die erste Grundvoraussetzung besteht darin, dass die Messkammer
bezüglich ihrer Ausmaße einem realen Raum nahe kommt. Hier stellt ein
Raumvolumen von ca. 10 m 3 die optimale Dimensionierung dar: die Messkammer
kann begangen werden und befindet sich in der Größenordnung realer Wohnräume,
wobei eine Überdimensionierung des Raumvolumens vermieden wird, welche die
Versuchsbedingungen unnötig erschweren und aufgrund begrenzter Platzverhältnisse
zu Raumproblemen führen würde. Eine weitere Anforderung an die Messkammer
besteht in einer möglichst hohen Dichtigkeit der Außenhülle, um einen unkontrollierten
Luftwechsel zu vermeiden. Hierzu sollte die Messkammer möglichst wenige
und dicht abschließbare Öffnungen besitzen. Für die Frischluftzufuhr und die
Abluft muss jeweils eine Öffnung zur Verfügung stehen, die jedoch nach Bedarf
ebenfalls dicht verschlossen werden können. Darüber hinaus muss die Belüftung
steuerbar sein, um eine einstellbare Luftwechselrate zu erhalten.
Für folgende verwendete Messgeräte gilt gleichermaßen die Anforderung, dass die
aufgenommenen Messwerte auch über längere Zeiträume (bis mehrere Wochen) bei
einem Messintervall von 10 Minuten gespeichert werden können.
- Radonkonzentration innen und außen
- Luftdruck innen und außen
- Lufttemperatur innen und außen
- Luftfeuchtigkeit innen und außen
- VOC-Konzentration innen
- Strömungsgeschwindigkeit der Zuluft
- Gewicht der VOC-Quelle
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 74

Experimentelles Vorgehen
Folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die verwendeten Geräte und Materialien:
Material / Gerät Hersteller Typ
Messkammer
Messgerät für
Strömungsgeschwindigkeit
Lüfter für
Kammerbelüftung
Mikrocontroller Platine für
Lüftersteuerung
Aktivkohlefilter für
Kammerbelüftung
Radonmonitore
VOC-Messgerät
Viessman, Landig
Ahlborn
Papst
Olimex (Platine), Texas
Instruments (Controller)
Thomas Krebs
Umwelttechnische
Anlagen
Saphymo
(ehem. Genitron)
Tecto Standard
Kleinkühlzelle,
210 x 270 x 215 cm
Almemo 2590-4S mit
Thermoanemometer
FVA 935 TH4
8412N/2GHP, PWM
Olimex Development
Board, TI MSP430-
Controller
30 L Luft-Aktivkohlefilter
AlphaGUARD PQ2000
AlphaGUARD
PQ2000PRO
Gammadata Mätteknik AB Atmos 12
Ion science
Waage Shimadzu TX2202L
PhoCheck TIGER PID
PPB 10,6 eV
Uranerz
Radonquellen
VOC-Quelle
Computeralgebrasystem
Div. Zubehör (Netzteile,
Laborkabel, Stative, etc.)
Parametric Technology
Corporation
Hundsbühler Erde
Rohrablagerungen aus
einem Radon-Heilbad
Aceton
Mathcad 15.0
Tabelle 3: Verwendete Geräte und Materialien
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 75

Experimentelles Vorgehen
4.1.1 Messkammer
Als Messkammer dient eine Kühlzelle der Firma Viessmann (siehe Abbildung 25):
Abbildung 25: Außenansicht der Messkammer
Die Kühlzelle besitzt ein Volumen von 10,37 m³ und ist somit groß genug, um einen
realen begehbaren Raum nachzubilden, der dadurch ausreichend Platz für experimentelle
Aufbauten liefert. Sie ist aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt, die
eine Wärmedämmung aus 60 mm PUR-Schaum besitzen. Die Wärmedämmung
bietet den Vorteil, dass sich die Innentemperatur unempfindlich gegenüber der Außentemperatur
verhält. Um eine möglichst hohe Dichtheit der Kammerwand zu erreichen,
werden die Fugen mit aluminiumkaschiertem Klebeband und Dichtmasse abgedichtet.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 76

Experimentelles Vorgehen
4.1.2 Lüftersteuerung
Zur Steuerung der Lüftung und somit zum Einstellen der Luftwechselrate kommt ein
Lüfter zum Einsatz, dessen Umdrehungszahl über einen Mikrocontroller gesteuert
wird. Der Mikrocontroller ist mit einem PC verbunden, was ermöglicht, beliebige Verläufe
der Luftwechselrate einzulesen. Die tatsächlich an der Messkammer wirkende
Luftwechselrate wird über ein Thermoanemometer ermittelt, das in einer Messstrecke
montiert ist. Die Messstrecke dient der Gewährleistung eines laminaren Volumenstroms
am Thermoanemometer und befindet sich am Zuluftkanal vor dem Lüfter (siehe
Abbildung 26 und Abbildung 27):
Abbildung 26: Aufbau der Lüftersteuerung mit Stromversorgungen für Lüfter und Mikrocontroller,
Mikrocontroller und dem Messgerät für die Luftströmungsgeschwindigkeit im Luftansaugrohr
Abbildung 27: Zuluftkanal mit Aktivkohlefilter. Im Zuluftkanal befinden sich zwei steuerbare Lüfter und
das Thermoanemometer für die Luftströmungsgeschwindigkeit. Die Länge des Luftansaugrohres, in dem
sich das Thermoanemometer befindet, ist als Messstrecke so dimensioniert, dass möglichst laminare
Luftströmungen auftreten.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 77

Experimentelles Vorgehen
Der Mikrocontroller wird über einen PC mit Hilfe eines für diesen Zweck erstellten
Programms (siehe Abbildung 28) angesteuert. Dieses Programm erlaubt die Einstellung
der Lüfterleistung von 0 % bis 100 %. Die Einstellung erfolgt entweder manuell
auf einen gewünschten Wert oder über eine Excel-Tabelle, die mit Zeitbasis und jeweiliger
Lüfterleistung eingelesen werden kann.
1 2
3
4
Abbildung 28: Programm „IMPS - Fan Control“ zur Lüftersteuerung. 1: Verbindungseinstellungen,
2: Eingestellter Wert der Lüfterleistung, 3: Eingelesene Liste mit Zeitbasis und Lüfterleistung,
4: Manuelle Einstellung der Lüfterleistung
Zur Herstellung eines Zusammenhangs zwischen der Lüfterleistung und der Luftwechselrate
wird zunächst eine Kalibrierung durchgeführt, die den Zusammenhang
zwischen der Lüfterleistung und der Strömungsgeschwindigkeit im Luftansaugrohr
beschreibt. Über die Geometrie des Luftansaugrohrs und das Volumen der Mess-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 78

Experimentelles Vorgehen
kammer kann schließlich die Luftwechselrate über folgende Gleichung berechnet
werden:
(4.1)
Strömungsgeschwindigkeit in
Effektiver Querschnitt des Luftansaugrohrs in
Volumen der Messkammer in
Als Effektiver Querschnitt des Luftansaugrohrs wird der Innendurchmesser der verwendeten
Messstrecke zugrunde gelegt. Für die Messung stehen zwei Messstrecken
zur Verfügung. Messstrecke 1 besitzt einen Innendurchmesser von 46 mm, Messstrecke
2 einen Inndurchmesser von 36 mm. Abbildung 29 zeigt den Querschnitt der
Messstrecke mit dem Messkopf des Thermoanemometers:
Abbildung 29: Querschnitt der Messstrecke mit Messkopf des Thermoanemometers
Für die Berechnung der effektiven Querschnittsfläche gilt:
(4.2)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 79

Experimentelles Vorgehen
Mit einem Volumen der Messkammer von 10,37 m³ ergeben sich über diese Zusammenhänge
für beide Messstrecken folgende Kalibrierkennlinien:
Abbildung 30: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 1 mit d = 46 mm
Abbildung 31: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 2 mit d = 36 mm
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 80

Experimentelles Vorgehen
Bei Lüfterleistungen über ca. 70 % ist der obere Messbereich des Thermoanemometers
erreicht. Diese Lüftereinstellungen werden daher nicht verwendet. Bei einer
Lüfterleistung von weniger als 7 % kommt der Lüfter zum Stillstand, so dass eine
Luftwechselrate von 0 h -1 vorliegt. Mit Hilfe dieser Kalibrierkennlinien kann schließlich
der für eine Messreihe geplante Verlauf der Luftwechselrate in die Lüfterleistung umgerechnet
und über das Programm „IMPS - Fan Control“ der Lüfter angesteuert werden.
4.1.3 Aktivkohlefilter
Die Aufnahme der Messreihen beginnt damit, dass zur Realisierung eines Verlaufs
der Luftwechselrate über das Ansaugrohr direkt Umgebungsluft in die Messkammer
gesaugt wird. Hierbei kann die Radonkonzentration in der Messkammer durch
Schwankungen der Radonkonzentration in der Umgebungsluft beeinflusst werden.
Diese Beeinflussung kann gemessen werden, indem die Radonkonzentration in der
Umgebungsluft mit einem zweiten Radonmessgerät aufgenommen wird. Im Falle der
VOC-Messungen ist dies jedoch nicht möglich, da nur ein VOC-Messgerät zur Verfügung
steht. Mit Hilfe eines Aktivkohlefilters, der am Zuluftkanal der Messkammer installiert
ist, werden die VOC in der Zuluft zurückgehalten, so dass mögliche VOC-
Konzentrationen in der Umgebungsluft vernachlässigt werden können. Radon wird
ebenfalls, allerdings nicht komplett, im Aktivkohlefilter zurückgehalten, der vielmehr
als Verzögerungsstrecke dient, so dass er als Tiefpassfilter der Radonkonzentration
in der Umgebungsluft angesehen werden kann. Kurzzeitige Schwankungen der Radonkonzentration
in der Umgebungsluft werden somit geglättet, es kann also mit
mittleren Werten gerechnet werden.
Der verwendete Aktivkohlefilter ist in Abbildung 27 zu sehen. Es handelt sich hierbei
um ein handelsübliches Kunststofffass, das mit 30 L Aktivkohlegranulat gefüllt ist.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 81

Experimentelles Vorgehen
4.1.4 Radonquellen
Als Radonquellen kommen Uranerz, Hundsbühler Erde und Rohrablagerungen aus
einem Radonheilbad zum Einsatz. Da die einzelnen Proben unterschiedliche Aktivitäten
aufweisen, können sie je nach Anspruch an die Quellstärke variiert werden.
Diese Radonquellen dienen als sehr konstanter Radonlieferant.
Abbildung 32 zeigt einen Überblick über die verwendeten Radonquellen:
Abbildung 32: Beispiele für die verwendeten Radonquellen
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 82

Experimentelles Vorgehen
4.1.5 VOC-Quelle
Als exemplarische VOC-Quelle kommt handelsübliches Aceton zum Einsatz, das in
einer Kunststoffflasche abgefüllt ist. Diese besitzt auf Höhe des Flüssigkeitsspiegels
eine zylindrische Form, so dass sich die Fläche des Flüssigkeitsspiegels bei einem
durch die Verdunstung bedingten abnehmenden Pegel nicht verändert. Dadurch wird
eine konstante VOC-Emission gewährleistet. Die Aceton-Flasche wird auf eine
Waage gestellt, so dass die Verdunstungsrate messtechnisch aufgezeichnet werden
kann. Abbildung 33 zeigt den verwendeten Aufbau in der Messkammer.
Über eine regelbare 50 W Glühlampe kann die Temperatur in der Messkammer variiert
und somit Einfluss auf die VOC-Emission genommen werden.
Abbildung 33: Waage mit Aceton-Flasche als VOC-Quelle
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 83

Experimentelles Vorgehen
4.1.6 VOC-Messgerät
Das verwendete VOC-Messgerät des Typs „PhoCheck Tiger“ nutzt das in Abschnitt
2.2.3 beschriebene Messprinzip der Photoionisation. Darüber hinaus besitzt das Gerät
eine Feuchtekompensation zur Reduktion des Einflusses der Luftfeuchtigkeit.
Abbildung 34: Verwendetes VOC-Messgerät des Typs "PhoCheck Tiger"
Da die UV-Lampe und der Sensor des Gerätes bei längerem Einsatz verschmutzen,
ist es notwendig, eine regelmäßige Kalibrierung durchzuführen. In den durchzuführenden
Versuchen erfolgt die Kalibrierung in Abständen von maximal einer Woche
mit dem Kalibriergas Isobutylen, das in einem Kalibrierset in einer Konzentration von
100 ppm vorliegt. In der Messkammer wird als Beispiel-VOC Aceton verwendet. Der
Kalibrierfaktor für Aceton ist im Gerät hinterlegt, so dass nach einer Kalibrierung mit
Isobutylen die Messung auf Aceton angepasst werden kann.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 84

Experimentelles Vorgehen
4.1.7 Radonmonitore
Je nach Messaufgabe sind sowohl innerhalb als auch außerhalb der Messkammer
ein oder mehrere Radonmonitore aufgestellt. Im Inneren befinden sich ein oder mehrere
Radonmonitore des Typs ATMOS und Radonmonitore des Typs AlphaGUARD
(siehe Abbildung 35), die neben der Radonkonzentration Klimaparameter wie Temperatur,
Luftdruck und Luftfeuchte aufnehmen. Zur Messung der Radonaußenkonzentration
und der Außenklimaparameter ist außerhalb der Messkammer ebenfalls
ein AlphaGUARD aufgestellt.
Abbildung 35: AlphaGUARD als Beispiel eines verwendeten Radonmessgerätes
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 85

Experimentelles Vorgehen
4.2 Feldversuche - reale Messobjekte
Für eine weitere Untersuchung der Methode werden Messdaten herangezogen, die
in realen Messobjekten aufgenommen werden. Zur Aufnahme der Messdaten wird
über vier Wochen in mehreren Räumen der Verlauf der Radonkonzentration gemessen.
Sind zwei Räume über einen dauerhaft offenen Durchgang miteinander verbunden,
so genügt hier der Einsatz eines einzelnen Radonmessgerätes. Wichtig ist, dass
im Keller eine repräsentative Messung durchgeführt wird, da hier die ausschlaggebende
Radonquelle zu erwarten ist. Im Wesentlichen erfolgen die Messungen bei
normaler Raumnutzung, um das Nutzerverhalten mit zu berücksichtigen. Eine Ausnahme
bildet hierbei die Aufnahme einer Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke.
Hierzu wird zunächst durch Öffnen der Fenster eine intensive Lüftung
durchgeführt. Ist eine niedrige Radonkonzentration erreicht, so werden Fenster und
Türen geschlossen, was zu einem Aufbau der Radonkonzentration führt. Für die daraus
resultierende Sättigungskurve werden ein bis drei Tage eingeplant.
Zur Messdatenaufnahme werden zwei Messobjekte herangezogen, wobei es sich
jeweils um Einfamilienhäuser handelt:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 86

Experimentelles Vorgehen
4.2.1 Messobjekt 1
Bei diesem Objekt handelt es sich um ein Einfamilienhaus aus dem Baujahr 1956 in
Massivbauweise. Es besitzt ein Keller-, ein Erd- und ein Obergeschoss. Das Kellergeschoss
besteht im Wesentlichen aus einem großen Raum und dem Raum für den
Ölkessel. Im Kellergeschoss befinden sich zwei Radonmonitore des Typs Atmos und
AlphaGUARD. Im Erdgeschoss können Esszimmer, Küche und Wohnzimmer mit einem
Radonmonitor des Typs AlphaGUARD zusammengefasst werden, da sie über
dauerhaft offene Durchgänge miteinander verbunden sind. Ein weiterer Radonmonitor
des Typs Atmos befindet sich in der Diele.
Abbildung 36: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 1. Die grünen Punkte markieren die
Standorte der Radonmonitore (Diele: Atmos, Wohnzimmer: AlphaGUARD)
Im Obergeschoss befinden sich ein Radonmessgerät des Typs AlphaGUARD im
Schlafzimmer (siehe Abbildung 37, „Eltern“) und ein weiteres Radonmessgerät des
Typs AlphaGUARD im Gästezimmer (siehe Abbildung 37, „Kind 2“):
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 87

Experimentelles Vorgehen
Abbildung 37: Grundriss des Obergeschosses des Messobjektes 1. Die grünen Punkte markieren die
Standorte der Radonmonitore des Typs AlphaGUARD.
Bei den braun eingezeichneten Abschnitten in Abbildung 36 und Abbildung 37 handelt
es sich um einen Neubau, der nicht über Türen oder andere Öffnungen mit dem
Altbau verbunden ist und daher messtechnisch nicht berücksichtigt wird.
4.2.2 Messobjekt 2
Dieses Objekt aus dem Baujahr 1974 wurde ebenfalls als Einfamilienhaus in Massivbauweise
erbaut. Wie Messobjekt 1 besitzt es drei Etagen: Keller-, Erd- und Obergeschoss.
Da mehr Räume vorhanden sind als Radonmonitore zur Verfügung stehen,
werden die Standorte möglichst repräsentativ ausgewählt.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 88

Experimentelles Vorgehen
Im Kellergeschoss werden zwei Radonmonitore des Typs Atmos platziert (siehe
Abbildung 38):
Abbildung 38: Grundriss des Kellergeschosses des Messobjektes 2. Die grünen Punkte markieren die
Standorte der Radonmonitore des Typs Atmos.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 89

Experimentelles Vorgehen
Im Erdgeschoss und im Obergeschoss werden jeweils zwei Radonmessgeräte des
Typs AlphaGUARD platziert (siehe Abbildung 39 und Abbildung 40):
Abbildung 39: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 2. Die grünen Punkte markieren die
Standorte der Radonmonitore des Typs AlphaGUARD.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 90

Experimentelles Vorgehen
Abbildung 40: Grundriss des Dachgeschosses des Messobjektes 2. Die grünen Punkte markieren die
Standorte der Radonmonitore des Typs Atmos.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 91

Experimentelles Vorgehen
4.3 Aufbereitung der Messdaten in Excel
Zur ersten Übersicht werden die an der Messkammer und in den Messobjekten aufgenommenen
Messreihen in einem Excel-Programm aufbereitet, das in drei Tabellenblätter
aufgeteilt ist. Das erste Blatt enthält das Messprotokoll. Hier werden Messzeitraum,
Messort, verwendete Messgeräte mit jeweiligem Messpunkt und Anmerkungen
zur Beschreibung der Messreihe eingetragen (siehe Abbildung 41):
Abbildung 41: Beispiel eines Messprotokolls in der Messdatenaufbereitung. Der Abschnitt „Messgrößen“
dient der Spaltenzuordnung bei den Rohdaten. Neben den in Tabelle 3 aufgeführten Messgeräten sind im
Messprotokoll weitere Geräte aufgelistet, damit das Excel-Programm für weitere Laborversuche mit
anderen im Labor vorhandenen Geräten Verwendung finden kann.
Die Messdaten der einzelnen Geräte werden in unterschiedlichen Formaten ausgegeben.
Eine Vereinheitlichung des Formates erfolgt im zweiten Teil des Excel-Programms.
Hier werden die Messdaten aller verwendeten Geräte mit einer gemeinsa-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 92

Experimentelles Vorgehen
men Zeitachse aufgelistet (siehe Abbildung 42). Auf Basis dieses Tabellenblattes erfolgen
später die weiteren Berechnungen in Mathcad.
Abbildung 42: Ausschnitt der Rohdaten einzelner Messgeräte einer Beispiel-Messreihe
Einige Radon-Messgeräte haben eine Kalibrierung erhalten, deren Daten in folgendem
Abschnitt eingetragen werden können:
Abbildung 43: Tabelle zur Eintragung der Kalibrierdaten für die Radon-Messgeräte
Anhand der Kalibrierdaten können zwei Möglichkeiten der zwei-Punkt-Kalibrierung
durchgeführt werden. Bei der ersten Möglichkeit handelt es sich um die herkömmliche
zwei-Punkt-Kalibrierung, bei der durch beide Kalibrierpunkte eine Regressions-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 93

Experimentelles Vorgehen
gerade gelegt und so die Kalibrierkennlinie
bestimmt wird, wobei sich die
Steigung und der Achsenabschnitt wie folgt berechnen:
(4.3)
(4.4)
: Wahrer Wert am Kalibrierpunkt 1
: Wahrer Wert am Kalibrierpunkt 2
: Anzeigewert am Kalibrierpunkt 1
: Anzeigewert am Kalibrierpunkt 2
Bei der modifizierten zwei-Punkt-Kalibrierung wird die Kalibrierkennlinie durch den
Nullpunkt gezwungen. Da die Kalibrierpunkte bei Radonkonzentrationen deutlich
höhere Werte haben, als die in der Messkammer und den Messobjekten auftretenden
Radonkonzentrationen, liegt der Vorteil der modifizierten zwei-Punkt-Kalibrierung
in der gegenüber den Kalibrierpunkten erhöhten Gewichten der Korrektur des Nullefektes.
Die Kalibrierkennlinie
der modifizierten zwei-Punkt-Kalibrierung
wird wie folgt berechnet:
(4.5)
(4.6)
Abbildung 44 zeigt eine Gegenüberstellung der zwei Kalibriermethoden:
x = Anzeigewert - Nulleffekt
x = Anzeigewert - Nulleffekt
Abbildung 44: Herkömmliche (links) und modifizierte (rechts) zwei-Punkt-Kalibrierung
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 94

Experimentelles Vorgehen
Nach Korrektur der Messreihe erfolgt im dritten Tabellenblatt zur ersten Übersicht
eine grafische Aufbereitung der Messdaten (Abbildung 45):
Abbildung 45: Grafische Aufbereitung der Messdaten einer Beispiel-Messreihe
Die grafische Aufbereitung bietet mehrere Einstell- und Auswahlmöglichkeiten. Auf
zwei Achsen (Primär- und Sekundärachse) können je zwei Datenreihen von jeweils
einer Messgröße dargestellt werden. Die Auswahl des Betrachtungszeitraums und
des Intervalls der jeweiligen Messreihe erlauben eine erste augenscheinliche Begutachtung
der vorgenommenen Messungen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 95

Experimentelles Vorgehen
4.4 Auswertung der Messreihen in Mathcad
Die Auswertung der Messreihen erfolgt in einem Mathcad-Programm. Im Folgenden
werden Oberfläche und Bedienung des Programms erläutert. Eine detaillierte Darstellung
des Programms ist im Anhang zu finden.
4.4.1 Einlesen der Messdaten
In diesem Abschnitt wird die nach 4.3 aufbereitete Messreihe als Excel-Datei eingelesen.
Welche Messgeräte für die Auswertung herangezogen werden sollen, kann für
jede Messgröße einzeln ausgewählt werden.
Abbildung 46: Abschnitt 1 - Einlesen der Messdaten
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 96

Experimentelles Vorgehen
4.4.2 Berechnung der Radonquellstärke
Zur Berechnung der Radonquellstärke wird zunächst aus der eingelesenen Messreihe
ein Zeitbereich ausgewählt, in dem sich eine Sättigungskurve befindet. Aus
dieser Sättigungskurve wird nach 3.1.5 die Radonquellstärke berechnet. Als Radonaußenkonzentration
wird die in Abschnitt 1 ausgewählte Radonkonzentration verwendet,
wobei bei Auswahl eines gemessenen Verlaufs ebenfalls ein Mittelwert gebildet
werden kann. Liegt eine Messreihe vor, die keine Sättigungskurve enthält,
kann eine frei wählbare Radonquellstärke eingegeben werden, die z.B. aus einer früheren
Messreihe berechnet wurde.
Abbildung 47: Abschnitt 2 - Berechnung der Radon-Quellstärke
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 97

Radonkonzentration (Bq/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Experimentelles Vorgehen
4.4.3 Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen
Luftwechselrate
Zur ersten Überprüfung der gewählten Radonquellstärke wird über die Zusammenhänge
aus 3.1.4 aus der gemessenen Luftwechselrate der Verlauf der Radonkonzentration
berechnet. Ein Beispiel einer berechneten Radonkonzentration ist in Abbildung
48 dargestellt:
Radonkonzentration (gemessen und berechnet)
3000
0.8
0.6
2000
0.4
1000
0.2
0
0 50 100
0
Zeit (h)
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (berechnet aus gemessener Luftwechselrate)
Luftwechselrate (gemessen)
Abbildung 48: Abschnitt 3 - Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen Luftwechselrate
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 98

Radonkonzentration (Bq/m³)
Experimentelles Vorgehen
4.4.4 Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration
Bevor die Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration erfolgen
kann, wird die gemessene Radonkonzentration einer Filterung unterzogen. Hierzu
wird eine Fensterfunktion ausgewählt und über einen Schieberegler deren Breite
festgelegt:
Abbildung 49: Abschnitt 4 - Auswahl der Fensterfunktion zur Filterung des gemessenen Verlaufs der
Radonkonzentration
Anschließend wird mit der ausgewählten Filterung der gemessene Verlauf der Radonkonzentration
gefiltert (siehe Abbildung 50).
4000
Filterung der Radonkonzentration
3000
2000
1000
0
0 50 100
Radonkonzentratino (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 50: Abschnitt 4 - Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 99

Luftwechselrate (1/h)
Experimentelles Vorgehen
4.4.5 Rekonstruktion der Luftwechselrate
Auf Basis des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration erfolgt die Rekonstruktion
der Luftwechselrate gemäß den in 3.1.4 erläuterten Zusammenhängen.
Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100
Luftwechselrate (original)
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 51: Abschnitt 5 - Rekonstruktion der Luftwechselrate
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 100

Experimentelles Vorgehen
4.4.6 Berechnung der VOC-Quellstärke
Um aus der Luftwechselrate die VOC-Konzentration berechnen zu können, wird zunächst
nach den in 3.3.1 erläuterten Zusammenhängen die VOC-Quellstärke berechnet.
Wie bei der Berechnung der Radonquellstärke wird über zwei Schieberegler der
Anpassungsbereich gewählt. Auch hier kann je nach Bedarf eine freie Eingabe der
VOC-Quellstärke erfolgen. Da die VOC-Konzentration von der Temperatur abhängt,
sollte diese über den Zeitraum der Kurvenanpassung konstant bleiben. Zur Kontrolle
wird die Temperatur über diesen Zeitraum angezeigt.
Abbildung 52: Abschnitt 6 - Berechnung der VOC-Quellstärke
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 101

VOC-Konzentration (mg/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Experimentelles Vorgehen
4.4.7 Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
Die Berechnung der VOC-Konzentration erfolgt nach den in 3.3 erläuterten Zusammenhängen.
Für die Berechnung werden zum einen der gemessene Verlauf der Luftwechselrate
und zum anderen der aus der Radonkonzentration rekonstruierte Verlauf
der Luftwechselrate herangezogen. Der blau dargestellte Verlauf der VOC-Konzentration
stellt somit den ersten Beitrag der in Abbildung 16 dargestellten Vorgehensweise
zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft dar.
Berechnung der VOC-Konzentration
0.8
10
0.6
5
0.4
0.2
0
0 50 100
0
Zeit (h)
VOC-Konzentration (gemessen)
VOC-Konzentration (berechnet aus gemessenem Luftwechsel)
VOC-Konzentration (berechnet aus rekonstruiertem Luftwechsel)
Luftwechselrate (gemessen)
Luftwechselrate (aus Radonkonzentration rekonstuiert)
Abbildung 53: Abschnitt 7 - Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 102

Ergebnisse
5 Ergebnisse
Im Folgenden werden Ergebnisse präsentiert, die unter Laborbedingungen in der
Messkammer bzw. unter realen Bedingungen in Wohngebäuden gewonnen wurden.
Tabelle 4 zeigt eine Übersicht über die dargestellten Beispiele:
Beispiel Messort Berechnung Bedingungen Seite
1 Messkammer
2 Messkammer
Radon -
Luftwechselrate
Radon -
Luftwechselrate
Hohe Radonquellstärke 105
Niedrige Radonquellstärke 112
3 Messkammer
Luftwechselrate
- VOC
Variierende Luftwechselrate 117
4 Messkammer
Luftwechselrate
- VOC
Variierende
Innenraumtemperatur
121
5 Messkammer Radon - VOC
6 Messkammer Radon - VOC
7 Messobjekt 1
Radon -
Luftwechselrate
Variierende Luftwechselrate bei
konstanter
Innenraumtemperatur
Variierende Luftwechselrate bei
variierender
Innenraumtemperatur
124
127
Alltagsbedingungen 132
8 Messobjekt 2
Radon -
Luftwechselrate
Alltagsbedingungen 135
Tabelle 4: Übersicht über die dargestellten Beispiele
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 103

Ergebnisse
5.1 Laborversuche - Messkammer
Anhand von Messungen in der Messkammer soll die Methode des Ein-Raum-Modells
verifiziert werden. Die Verifikation der Methode erfolgt in zwei Schritten:
1. Zunächst erfolgen unabhängig voneinander die Verifikationen des Modells
Radon - Luftwechsel und des Modells Luftwechsel - VOC
2. Anschließend erfolgt die Verifikation des Gesamtmodells Radon - VOC. Hierzu
kommen unterschiedliche Radon- und VOC-Quellstärken zum Einsatz.
Für jede Messreihe werden zunächst die Stärken der verwendeten Quellen ermittelt,
auf die sich die jeweiligen Berechnungen beziehen.
5.1.1 Berechnung Radonkonzentration - Luftwechselrate
Auf Basis des Ansatzes 2 (siehe Abschnitt 3.1.4) soll im Folgenden die Ermittlung der
Radonquellstärke, die Berechnung der Radonkonzentration aus der Luftwechselrate
und die Berechnung der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration erfolgen. Hierzu
werden in der Messkammer gemessene Verläufe der Radonkonzentration und der
Luftwechselrate mit Hilfe des in Abschnitt 4.4 erläuterten Mathcad-Programmes
verarbeitet. Im Folgenden werden zwei Beispiele präsentiert. Für das erste Beispiel
wurde eine hohe, für das zweite Beispiel eine niedrige Radonquellstärke verwendet.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 104

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Beispiel 1 - Hohe Radonquellstärke
Ermittlung der Radonquellstärke
Zur Ermittlung der für die Messungen in der Messkammer vorliegenden Radonquellstärke
wird eine Sättigungskurve erzeugt, indem die an der Messkammer anliegende
Luftwechselrate sprunghaft von auf gesenkt wird (diese Sättigungskurve
findet auch in Abschnitt 3.1.5 Anwendung). An die gemessene Sättigungskurve
wird nach 3.1.5 eine Exponentialfunktion angepasst (siehe Abbildung
54):
2500
Beispiel 1: Kurvenanpassung (Radon)
2000
1500
1000
500
0 5 10 15
Zeit (h)
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)
Radonkonzentration (angepasst)
Abbildung 54: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der
Luftwechselrate von
auf
Nach Anpassen der Parameter Zeitkonstante , Anfangskonzentration
Sättigungskonzentration an die Anpassungsfunktion aus Gleichung 3.15
und
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 105

Ergebnisse
ergeben sich folgende Werte:
; ;
Die Werte der Anpassungsparameter werden mit der physikalischen Zerfallskonstante
des Radons (
) und einer gemessenen Radonaußenkonzentration
von
in Gleichung 3.24 eingesetzt und so die auf das Raumvolumen normierte
Radonquellstärke berechnet:
Dieser Wert wird für die weiteren Berechnungen herangezogen.
Berechnung der Radonkonzentration aus der Luftwechselrate
An der Messkammer wird über den Mikrocontroller ein rechteckförmiger Verlauf der
Luftwechselrate mit folgenden Eckdaten eingestellt:
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h
20 0,3
15 0,7
Tabelle 5: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 1
(Gesamtperiode T = 35 h)
Da zwischen der voreingestellten und der über den Lüfter realisierten Luftwechselrate
kleine Abweichungen bestehen können, wird die tatsächliche Luftwechselrate
über das Thermoanemometer ermittelt. Der Verlauf der an der Messkammer anliegenden
Luftwechselrate ist in Abbildung 55 dargestellt:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 106

Radonkonzentration (Bq/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Beispiel 1: Gemessene Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100 150
Zeit (h)
Abbildung 55: Vorgabe einer realen Luftwechselrate
Basierend auf diesen Daten wird nach Gleichung 3.11 der Verlauf der Radonkonzentration
berechnet. Abbildung 56 zeigt den berechneten Verlauf mit einem Vergleich
zum gemessenen Verlauf:
Beispiel 1: Radonkonzentration (gemessen und berechnet)
2000
1000
0
0 50 100 150
Zeit (h)
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (berechnet aus gemessener Luftwechselrate)
Abbildung 56: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem gemessenen Verlauf
der Radonkonzentration
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 107

Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Der Vergleich verdeutlicht, dass der berechnete Verlauf der Radonkonzentration augenfällige
Übereinstimmungen mit dem gemessenen Verlauf zeigt.
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration kommt die oben
berechnete Radonquellstärke zur Anwendung. Als vorgegebene Luftwechselrate
dient der in Abbildung 55 dargestellte Verlauf. Der gemessene Verlauf der Radonkonzentration
wird als Grundlage zur Rekonstruktion der vorgegebenen Luftwechselrate
herangezogen (siehe blauer Verlauf in Abbildung 56).
Nach Gleichung 3.14 wird aus dem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration
zunächst ohne Filterung der zugehörige Verlauf der Luftwechselrate berechnet. Die
rekonstruierte ist in einem Vergleich zur vorgegebenen Luftwechselrate in Abbildung
57 dargestellt:
2
Beispiel 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate
1
0
1
0 50 100 150
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Luftwechselrate (original)
Zeit (h)
Abbildung 57: Vergleich der aus einem ungefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der
vorgegebenen Luftwechselrate
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 108

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Bei Vergleich der aus einem ungefilterten Verlauf der Radonkonzentration rekonstruierten
mit der vorgegebenen Luftwechselrate wird deutlich, dass die Berechnung
nach Gleichung 3.14 eine starke Rauschempfindlichkeit besitzt. Da jedoch das
Messsignal der Radonkonzentration immer statistischen Schwankungen ausgesetzt
ist, wird an dieser Stelle eine Filterung notwendig. Abbildung 58 zeigt den gemessenen
Verlauf der Radonkonzentration nach Anwendung einer Filterung mit einem
Hamming-Fenster der Fensterbreite 512. Hochfrequente Anteile des Messsignals
werden dadurch entfernt bzw. reduziert.
3000
Beispiel 1: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 512)
2000
1000
0
0 50 100 150
Radonkonzentratino Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 58: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 512
Nach erneuter Rekonstruktion der Luftwechselrate nach Gleichung 3.14 ergibt sich
der in Abbildung 59 dargestellte Verlauf:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 109

Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Beispiel 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100 150
Luftwechselrate (original)
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 59: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der
vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite 512)
Abbildung 59 zeigt eine gute Annäherung der rekonstruierten an den Verlauf der
vorgegebenen Luftwechselrate. Am rekonstruierten Verlauf der Luftwechselrate sind
jedoch noch Rauschanteile zu erkennen. Dies liegt daran, dass das Nutzsignal nicht
komplett vom Rauschanteil getrennt werden kann. Hochfrequente Rauschanteile
können zwar durch die verwendete Filterung über Fenster-Funktionen (hier: Hamming-Fenster)
reduziert bzw. entfernt werden, jedoch verbleiben Rauschanteile, die
im Frequenzbereich des Nutzsignals liegen, im Signal. Durch eine kleinere Fensterbreite
können diese Rauschanteile zwar auch reduziert bzw. entfernt werden, jedoch
werden damit auch hochfrequente Anteile des Nutzsignals reduziert bzw. entfernt.
Um dies zu verdeutlichen, wird im Folgenden eine Rekonstruktion der Luftwechselrate
auf Basis eines Radonkonzentrationsverlaufs, der mit einem Hamming-Fenster
der Breite 128 gefiltert wurde, durchgeführt.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 110

Luftwechselrate (1/h)
Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
3000
Beispiel 1: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 128)
2000
1000
0
0 50 100 150
Radonkonzentration Radonkonzentratino (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 60: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 128
Beispiel 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100 150
Luftwechselrate (original)
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 61: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der
vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite 128)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 111

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Die Filterung bei einer kleineren Fensterbreite führt zu einer Glättung des Rauschens,
aber auch zu einer Glättung des Nutzsignals. Dies hat zur Folge, dass der in
diesem Beispiel verwendete Rechteckverlauf immer schlechter aufgelöst wird. Bei
der Wahl der Fensterbreite muss somit ein Kompromiss zwischen erhaltenen Rauschanteilen
und unterdrücktem Nutzsignal geschlossen werden:
Beispiel 2 - Niedrige Radonquellstärke
Ermittlung der Radonquellstärke
Zur Ermittlung der Radonquellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate
von auf . Wie in Beispiel 1 wird an die gemessene
Sättigungskurve eine Exponentialfunktion angepasst (siehe Abbildung 62).
300
Beispiel 2: Kurvenanpassung (Radon)
200
100
0
0 20 40 60
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)
Radonkonzentration (angepasst)
Abbildung 62: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der
Luftwechselrate von
Zeit (h)
auf
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 112

Ergebnisse
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.15)
ergeben sich folgende Werte:
; ;
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke ergibt sich mit einer angenommenen
Radonaußenkonzentration von über Gleichung 3.23:
Dieser Wert wird für die weiteren Berechnungen herangezogen.
Berechnung der Radonkonzentration aus der Luftwechselrate
An der Messkammer wird über den Mikrocontroller eine rechteckförmige Luftwechselrate
mit folgenden Eckdaten eingestellt:
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h
20 0,5
60 0,1
Tabelle 6: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 2
(Gesamtperiode T = 80 h)
Der tatsächlich an der Messkammer anliegende Verlauf der Luftwechselrate ist in
Abbildung 63 dargestellt:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 113

Radonkonzentration (Bq/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Beispiel 2: Gemessene Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 100 200 300
Zeit (h)
Abbildung 63: Vorgabe einer realen Luftwechselrate
Basierend auf diesen Daten wird nach Gleichung 3.11 der Verlauf der Radonkonzentration
berechnet (siehe Abbildung 64):
300
Beispiel 2: Radonkonzentration (gemessen und berechnet)
200
100
0
0 100 200 300
Zeit (h)
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (berechnet aus gemessener Luftwechselrate)
Abbildung 64: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem gemessenen Verlauf
der Radonkonzentration
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 114

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Der Vergleich verdeutlicht, dass auch bei einer geringen Radonquellstärke der berechnete
Verlauf der Radonkonzentration augenfällige Übereinstimmungen mit dem
gemessenen Verlauf zeigt.
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate wird zunächst der Verlauf der Radonkonzentration
gefiltert. Hierzu wird ein Kaiser-Fenster der Breite 256 verwendet.
300
Beispiel 2: Filterung der Radonkonzentration (Kaiser, 256)
200
100
0
0 100 200 300
Radonkonzentration Radonkonzentratino (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 65: Filterung der Radonkonzentration durch ein Kaiser-Fenster der Breite 256
Über Gleichung 3.14 wird unter Verwendung des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
und der oben ermittelten Radonquellstärke der Verlauf der Luftwechselrate
rekonstruiert (siehe Abbildung 66):
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 115

Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Beispiel 2: Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 100 200 300
Luftwechselrate (original)
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 66: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der
vorgegebenen Luftwechselrate
Abbildung 66 zeigt eine grobe Annäherung der rekonstruierten an den Verlauf der
vorgegebenen Luftwechselrate. Auch hier ist zu sehen, dass nicht alle Rauschanteile
entfernt werden können und somit den rekonstruierten Verlauf überlagern. Außerdem
wird dabei auch das Nutzsignal durch die Filterung beeinträchtigt.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 116

Ergebnisse
5.1.2 Berechnung Luftwechselrate - VOC
Der zweite Schritt des Gesamtmodells erfolgt anhand der in Abschnitt 3.3 erläuterten
Zusammenhänge. In der Messkammer werden Verläufe der VOC-Konzentration aufgenommen.
Die VOC-Konzentration wird durch Aceton erzeugt, das als VOC-Quelle
in die Messkammer gegeben wird. In folgenden Beispielen wird zunächst die VOC-
Quellstärke berechnet. Anschließend wird mit der jeweiligen VOC-Quellstärke der
Verlauf der VOC-Konzentration berechnet, indem die gemessene Luftwechselrate
herangezogen wird. Das erste Beispiel zeigt eine VOC-Messreihe bei einer variierenden
Luftwechselrate. Im zweiten Beispiel wird die Temperatur variiert, um deren
Einfluss zu untersuchen.
Beispiel 3 - variierende Luftwechselrate
Zunächst wird die VOC-Konzentration bei variierender Luftwechselrate untersucht.
Hierzu wird ein rechteckförmiger Verlauf der Luftwechselrate mit folgenden Eckdaten
eingestellt:
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h
20 0,5
30 0,3
Tabelle 7: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 3
(Gesamtperiode T = 50 h)
Der tatsächlich an der Messkammer anliegende Verlauf der Luftwechselrate ist mit
dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration in Abbildung 67 dargestellt:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 117

VOC-Konzentration (mg/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
300
Beispiel 3: Berechnung der VOC-Konzentration
200
0.4
100
0.2
0
0
50 100 150
VOC-Konzentration (gemessen)
Luftwechselrate (gemessen)
Zeit (h)
Abbildung 67: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf der Luftwechselrate
Ermittlung der VOC-Quellstärke
Zur Ermittlung der VOC-Quellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate
auf ( , Messkammertür offen). Wie bei der Ermittlung
der Radonquellstärke wird an die gemessene VOC-Sättigungskurve eine Exponentialfunktion
angepasst (siehe Abbildung 68):
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 118

VOC-Konzentration (mg/m³)
Temperatur (°C)
Ergebnisse
180
Beispiel 3: Kurvenanpassung (VOC)
170
160
20
150
10
140
130
0
0 5 10 15 20
Zeit (h)
VOC-Konzentration (Auswahl, gemessen)
VOC-Konzentration (angepasst)
Temperatur (gemessen)
Abbildung 68: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem Sprung der
Luftwechselrate von
auf
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.27)
ergeben sich folgende Werte:
; ;
Die Werte der Anpassungsparameter werden in Gleichung 3.23 eingesetzt und so
die auf das Raumvolumen normierte VOC-Quellstärke berechnet. Als VOC-Außenkonzentration
wird ein Wert von angenommen, da die Zuluft der Messkammer
durch den verwendeten Aktivkohlefilter VOC-frei ist.
Dieser Wert wird für die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
herangezogen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 119

VOC-Konzentration (mg/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
Über Gleichungen 3.25 wird aus dem gemessenen Verlauf der Luftwechselrate der
Verlauf der VOC-Konzentration berechnet. Abbildung 69 zeigt den resultierenden im
Vergleich mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration:
300
Beispiel 3: Berechnung der VOC-Konzentration
200
0.4
100
0.2
0
0
50 100 150
Zeit (h)
VOC-Konzentration (gemessen)
VOC-Konzentration (berechnet aus gemessenem Luftwechsel)
Luftwechselrate (gemessen)
Abbildung 69: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration
Abbildung 69 zeigt eine gute Übereinstimmung des berechneten und des gemessenen
Verlaufs der VOC-Konzentration.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 120

VOC-Konzentration (mg/m³)
Temperatur (°C)
Ergebnisse
Beispiel 4 - variierende Innenraumtemperatur
Zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der VOC-Konzentration wird eine
Messreihe aufgenommen, die einen Temperatursprung enthält. Nach ca. 45 h Laufzeit
wird in der Messkammer eine 50 W Glühlampe eingeschaltet, wodurch ein Temperatursprung
um ca. 7 °C bewirkt wird. Abbildung 70 zeigt den Verlauf der Temperatur
mit dem resultierenden Verlauf der VOC-Konzentration:
40
Beispiel 4: VOC-Verlauf bei Temperatursprung
40
30
35
20
30
10
25
0
20
0 50 100 150
VOC-Konzentration (gemessen)
Temperatur (gemessen)
Zeit (h)
Abbildung 70: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf des Temperatursprungs
Ermittlung der VOC-Quellstärke
Zur Ermittlung der VOC-Quellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate
auf ( , Messkammertür offen). Wie im vorigen Beispiel
wird an die gemessene VOC-Sättigungskurve eine Exponentialfunktion angepasst
(siehe Abbildung 71):
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 121

VOC-Konzentration (mg/m³)
Temperatur (°C)
Ergebnisse
24
Kurvenanpassung (VOC)
22
20
20
18
10
16
14
0
0 10 20 30 40
Zeit (h)
VOC-Konzentration (Auswahl, gemessen)
VOC-Konzentration (angepasst)
Temperatur (gemessen)
Abbildung 71: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem Sprung der
Luftwechselrate von
auf
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.27)
ergeben sich folgende Werte:
; ;
Die Werte der Anpassungsparameter werden in Gleichung 3.23 eingesetzt und so
die auf das Raumvolumen normierte VOC-Quellstärke berechnet. Als VOC-Außenkonzentration
wird wie im vorigen Beispiel ein Wert von angenommen.
Dieser Wert wird für die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
herangezogen.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 122

VOC-Konzentration (mg/m³)
Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
Über die Gleichungen 3.25 wird aus dem gemessenen Verlauf der Luftwechselrate
der Verlauf der VOC-Konzentration berechnet. Die Temperaturabhängigkeit wird
über Gleichung 3.28 berücksichtigt. Abbildung 72 zeigt den resultierenden im Vergleich
mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration:
Beispiel 4: Berechnung der VOC-Konzentration
0.8
30
0.6
20
0.4
10
0.2
0
0
0 50 100 150
Zeit (h)
VOC-Konzentration (gemessen)
VOC-Konzentration (berechnet aus gemessenem Luftwechsel)
Luftwechselrate (gemessen)
Abbildung 72: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration
Abbildung 72 zeigt eine deutliche Übereinstimmung des berechneten mit dem gemessenen
Verlauf der VOC-Konzentration. Kleine Unterschiede im Anstieg des Verlaufs
bei Erhöhung der Temperatur könnten durch die Luftfeuchtigkeit bedingt sein,
da die Temperaturerhöhung in der Messkammer mit einer Verringerung der Luftfeuchte
einhergeht.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 123

Ergebnisse
5.1.3 Berechnung Radonkonzentration - VOC
Nach der detaillierten Betrachtung der Einzelmodelle „Radonkonzentration - Luftwechselrate“
und „Luftwechselrate - VOC“ werden im Folgenden zwei Beispielmessreihen
für die Verifizierung des Gesamtmodells „Radonkonzentration - VOC“ herangezogen.
Die Berechnung der einzelnen Schritte erfolgt äquivalent zu der in den Abschnitten
5.1.1 und 5.1.2 erläuterten Vorgehensweise und wird im Folgenden nicht
näher dargestellt.
Beispiel 5 - variierende Luftwechselrate bei konstanter Innenraumtemperatur
In dieser Messreihe wird die Luftwechselrate auf drei unterschiedliche Werte eingestellt.
Folgende Tabelle zeigt den an der Lüftersteuerung eingestellten zeitlichen Verlauf:
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h
29 0,4
24 0,6
87 0,2
Tabelle 8: Voreingestellte Daten der Luftwechselrate für Beispiel 5
Aus dem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration wird eine Radonquellstärke
von
ermittelt. Der Verlauf der Radonkonzentration wird über ein
Hamming-Fenster mit der Breite 512 gefiltert.
Abbildung 73 zeigt den gemessenen und den gefilterten Verlauf der Radonkonzentration:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 124

Luftwechselrate (1/h)
Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
4000
Beispiel 5: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 512)
3000
2000
1000
0
0 50 100
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 73: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512)
Über die Zusammenhänge aus Abschnitt 3.1.4 wird der Verlauf der Luftwechselrate
rekonstruiert. Abbildung 74 zeigt einen Vergleich der rekonstruierten mit der gemessenen
Luftwechselrate:
Beispiel 5: Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100
Luftwechselrate (original)
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 74: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 125

VOC-Konzentration (mg/m³)
Ergebnisse
Zur Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate wird aus der ersten
Sättigungskurve des gemessenen Verlaufs der VOC-Konzentration die VOC-Quellstärke
berechnet. Hier ergibt sich ein Wert von
. Über die in Abschnitt
3.3 erläuterten Zusammenhänge wird aus dem in Abbildung 74 dargestellten Verlauf
der rekonstruierten Luftwechselrate der Verlauf der VOC-Konzentration berechnet.
Abbildung 75 zeigt einen Vergleich des berechneten und des gemessenen Verlaufs
der VOC-Konzentration:
Beispiel 5: Berechnung der VOC-Konzentration
10
5
0
0 50 100
Zeit (h)
VOC-Konzentration (gemessen)
VOC-Konzentration (berechnet aus rekonstruiertem Luftwechsel)
Abbildung 75: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter Verlauf der VOC-Konzentration im
Vergleich zum gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration
Abbildung 75 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des berechneten mit dem
gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration. Mit zunehmender Messzeit erhöht sich
die Abweichung zwischen dem berechneten und dem gemessenen Verlauf. Der
Grund hierfür könnte laut Herstellerangaben in der Messtechnik des VOC-Messgerätes
liegen, da mit zunehmender Messzeit die UV-Lampe verschmutzt wird und die
Leistung des Detektors somit abnimmt. Diese Leistungsabnahme kann vor Beginn
der nächsten Messung durch eine Nachkalibrierung wieder ausgeglichen werden.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 126

Ergebnisse
Beispiel 6 - variierende Luftwechselrate bei variierender Innenraumtemperatur
In dieser Messreihe folgt die Luftwechselrate einem rechteckförmigen Verlauf (siehe
Tabelle 9):
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h
30 0,3
20 0,5
Tabelle 9: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 6
(Gesamtperiode T = 60 h)
Zusätzlich wird über eine Glühlampe mit variabler Leistung die Temperatur variiert.
Laufzeit in h Heizleistung in W
20 0
90 50
30 0
20 30
Tabelle 10: Voreingestellte Daten der Heizleistung für Beispiel 6
Der daraus resultierende Verlauf der Temperatur ist in Abbildung 76 dargestellt:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 127

Temperatur (°C)
Ergebnisse
28
Beispiel 6: Temperaturverlauf
26
24
22
20
18
16
0 50 100
Temperatur (gemessen)
Zeit (h)
Abbildung 76: Temperaturverlauf von Beispiel 6
Aus dem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration wird eine Radonquellstärke
von
ermittelt. Der Verlauf der Radonkonzentration wird über ein
Hamming-Fenster mit der Breite 512 gefiltert.
Abbildung 77 zeigt den gemessenen und den gefilterten Verlauf der Radonkonzentration:
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 128

Luftwechselrate (1/h)
Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
2000
Beispiel 6: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 512)
1500
1000
500
0
0 50 100
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 77: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512)
Über die Zusammenhänge aus Abschnitt 3.1.4 wird der Verlauf der Luftwechselrate
rekonstruiert. Abbildung 78 zeigt einen Vergleich der rekonstruierten mit der gemessenen
Luftwechselrate:
Beispiel 6: Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 50 100
Luftwechselrate (original)
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 78: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 129

VOC-Konzentration (mg/m³)
Ergebnisse
Zur Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate wird aus der zweiten
Sättigungskurve des gemessenen Verlaufs der VOC-Konzentration die VOC-
Quellstärke berechnet. Hier ergibt sich ein Wert von
. Über die in Abschnitt
3.3 erläuterten Zusammenhänge wird aus dem in Abbildung 78 dargestellten
Verlauf der rekonstruierten Luftwechselrate der Verlauf der VOC-Konzentration berechnet.
Abbildung 79 zeigt einen Vergleich des berechneten und des gemessenen
Verlaufs der VOC-Konzentration:
Beispiel 6: Berechnung der VOC-Konzentration
40
30
20
10
0
0 50 100
Zeit (h)
VOC-Konzentration (gemessen)
VOC-Konzentration (berechnet aus rekonstruiertem Luftwechsel)
Abbildung 79: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter im Vergleich zum gemessenen
Verlauf der VOC-Konzentration
Abbildung 79 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des berechneten mit dem
gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration mit nur geringen Abweichungen beispielsweise
im Bereich von ca. 30 h bis 40 h. Diese Abweichungen sind bereits beim
Vergleich der rekonstruierten mit der gemessenen Luftwechselrate in Abbildung 78
zu erkennen. In diesem Zeitraum wird die Luftwechselrate in geringem Maße unterschätzt,
was mit einer zu hohen Sättigungskonzentration des Radons in Abbildung
77 erklärt werden kann. Der Grund für diese erhöhte Sättigungskonzentration könnte
darin bestehen, dass der Behälter, in dem sich die verwendete Radonquelle befindet,
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 130

Ergebnisse
vor der Aufnahme der Messreihe über einen Zeitraum von mehreren Monaten verschlossen
war. Die Radonkonzentration konnte somit im Behälter einen hohen Wert
erreichen, so dass nach Öffnen des Behälters über einen Zeitraum von mehreren
Stunden eine erhöhte Radonquellstärke vorlag.
5.2 Feldversuche - reale Messobjekte
Die in Abschnitt 3.1 beschriebenen Zusammenhänge zur Rekonstruktion der
Luftwechselrate aus der Radonkonzentration werden testweise an Beispielverläufen
der Radonkonzentration einzelner Räume von realen Messobjekten angewandt. Die
im Folgenden gezeigten Beispiele sollen die Möglichkeit einer Anwendbarkeit in realen
Wohnräumen darstellen. Eine Überprüfung der gezeigten Ergebnisse ist jedoch
im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht möglich.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 131

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Beispiel 7 - Messobjekt 1
Exemplarisch wird in diesem Beispiel der Verlauf der Radonkonzentration (zwei Monate)
eines Raums im Obergeschoss des Messobjektes 1 (siehe Abbildung 37 links)
herangezogen.
Ermittlung der Radonquellstärke
Zur Ermittlung der Radonquellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate
durch Schließen der Fenster und Türen. Wie in den Beispielen 1 und 2
wird an die gemessene Sättigungskurve eine Exponentialfunktion angepasst (siehe
Abbildung 80):
Messobjekt 1: Kurvenanpassung (Radon)
150
100
50
0
0 50 100 150
Zeit (h)
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)
Radonkonzentration (angepasst)
Abbildung 80: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der
Luftwechselrate
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.15)
ergeben sich folgende Werte:
; ;
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 132

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke ergibt sich mit einer angenommenen
Radonaußenkonzentration von über Gleichung 3.23:
Dieser Wert wird für die weitere Berechnung herangezogen.
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate wird zunächst der Verlauf der Radonkonzentration
gefiltert. Hierzu wird ein Hamming-Fenster der Breite 64 verwendet.
Messobjekt 1: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 64)
150
100
50
0
0 500 1000
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 81: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 128
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 133

Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Über Gleichung 3.14 wird unter Verwendung des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
und der oben ermittelten Radonquellstärke der Verlauf der Luftwechselrate
rekonstruiert (siehe Abbildung 82):
3
Messobjekt 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate
2
1
0
500 1000
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 82: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
Luftwechselrate
Nach der vorgenommenen Rechnung liegt die Luftwechselrate in dem untersuchten
Raum durchschnittlich bei
. Obwohl im Rahmen der vorliegenden Arbeit der
Wert nicht beispielsweise anhand einer Tracergasmessung überprüft werden konnte,
liegt er in Bereichen, die typischerweise in Wohngebäuden vorzufinden sind.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 134

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Beispiel 8 - Messobjekt 2
In diesem Beispiel wird der Verlauf der Radonkonzentration eines Raums (über zwei
Monate) im Erdgeschoss des Messobjektes 2 (siehe Abbildung 39 unten) für die Rekonstruktion
der Luftwechselrate herangezogen.
Ermittlung der Radonquellstärke
Zur Ermittlung der Radonquellstärke erfolgt wie im vorigen Beispiel eine sprunghafte
Absenkung der Luftwechselrate durch Schließen der Fenster und Türen. An die gemessene
Sättigungskurve wird eine Exponentialfunktion angepasst (siehe Abbildung
83):
150
Messobjekt 2: Kurvenanpassung (Radon)
100
50
0
0 10 20 30 40 50
Zeit (h)
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)
Radonkonzentration (angepasst)
Abbildung 83: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der
Luftwechselrate
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.15)
ergeben sich folgende Werte:
; ;
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 135

Radonkonzentration (Bq/m³)
Ergebnisse
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke ergibt sich mit einer angenommenen
Radonaußenkonzentration von über Gleichung 3.23:
Dieser Wert wird für die weitere Berechnung herangezogen.
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate wird zunächst der Verlauf der Radonkonzentration
gefiltert. Hierzu wird ein Hamming-Fenster der Breite 128 verwendet:
Messobjekt 2: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 128)
200
100
0
0 500 1000
Radonkonzentration (gemessen)
Radonkonzentration (gefiltert)
Zeit (h)
Abbildung 84: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 128
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 136

Luftwechselrate (1/h)
Ergebnisse
Über Gleichung 3.14 wird unter Verwendung des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
und der oben ermittelten Radonquellstärke der Verlauf der Luftwechselrate
rekonstruiert (siehe Abbildung 85):
Messobjekt 2: Rekonstruktion der Luftwechselrate
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 500 110 3
Luftwechselrate (rekonstruiert)
Zeit (h)
Abbildung 85: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
Luftwechselrate
In diesem Beispielraum ist im Vergleich zu Beispiel 7 nach der durchgeführten Rechnung
eine niedrigere Luftwechselrate vorzufinden. Der Grund hierfür liegt darin, dass
der Raum von den Bewohnern nur selten genutzt und daher deutlich seltener belüftet
wurde. Wie im Beispiel 7 wäre eine Überprüfung des Rekonstruktionsergebnisses
nur anhand einer Tracergasmessung möglich.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 137

Diskussion
6 Diskussion
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, ein Verfahren zu erstellen, das die Beurteilung
der Qualität der Innenraumluft anhand eines gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration
ermöglicht. Hierzu wird nach einer Filterung des Radonmesssignals über
ein mathematisches Modell zunächst der Verlauf der Luftwechselrate berechnet.
Über ein weiteres mathematisches Modell wird aus dem Verlauf der Luftwechselrate
der Verlauf der VOC-Konzentration ermittelt. VOC werden als Beispielschadstoffe
herangezogen und veranschaulichen die prinzipielle Vorgehensweise. Eine erste
Beurteilung der Qualität der Innenraumluft kann besonders hinsichtlich der VOC, die
in der heutigen Zeit als Luftschadstoffe in der Innenraumluft eine zentrale Bedeutung
haben, erfolgen. Je nach potenziellen Schadstoffquellen können weitere mathematische
Modelle zur Berechnung weiterer Luftschadstoffe herangezogen werden, die
sich an der in dieser Arbeit präsentierten Modellbildung orientieren.
Vor Beginn einer Messreihe ist es notwendig, die Quellstärken des Radons, der VOC
oder weiterer Luftschadstoffe zu ermitteln. Für die Quellstärkenermittlungen wird abhängig
von der konstanten Luftwechselrate ein Zeitraum von ein bis zwei Tagen benötigt.
Im Gegensatz zu bisherigen Methoden zur Ermittlung der Luftwechselrate
oder Beurteilung der Qualität der Innenraumluft sind nur in diesem Zeitraum Prüfbedingungen
notwendig. In diesem Zeitfenster kommen Systeme zur Messung der einzelnen
Schadstoffe zur Anwendung, um deren Schadstoffquellstärken zu ermitteln,
wobei im Gegensatz zur Bestimmung der Radonquellstärke eine zeitaufgelöste Messung
nicht notwendig ist. Da zur Quellstärkenermittlung der einzelnen Luftschadstoffe
neben der Zeitkonstante, die aus der Quellstärkenermittlung des Radons bekannt ist,
die Sättigungskonzentration des einzelnen Schadstoffs benötigt wird, ist es ausreichend,
eine Einzelmessung als Momentaufnahme durchzuführen, die im Sättigungsbereich
einer für die Quellstärkenermittlung erzeugten Sättigungskurve liegt. Wann
der Sättigungsbereich erreicht ist, kann anhand der zeitaufgelösten Messung der
Radonkonzentration beurteilt werden. Nach Abschluss der Quellstärkenermittlungen
ist lediglich noch die Messung der Radonkonzentration notwendig, Messungen einzelner
Luftschadstoffe müssen nicht mehr durchgeführt werden. So können auch
Luftschadstoffe herangezogen werden, die nicht über zeitaufgelöste Messgeräte zu-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 138

Diskussion
gänglich sind. Die Messung kann beispielsweise über Messröhrchen erfolgen, die in
einem Auswertelabor ausgelesen werden. Eine zeitlich begrenzte Anwendung von
solchen z.T. kostenintensiven Messsystemen oder ihr gänzlicher Verzicht würde eine
deutliche Einsparung der Kosten bedeuten.
Bedingt durch klimatische Einflüsse wie Luftdruck und Lufttemperatur im Innenraum
bestehen in Gebäuden Schwankungen der Radonquellstärke. Über das Ausmaß dieser
Schwankungen gibt es bisher keine Erfahrungen.
Die Quellstärken einzelner Luftschadstoffe sind mehreren Einflüssen unterworfen.
Kurzzeitige Erhöhungen einer Schadstoffquellstärke können beispielsweise durch die
Anwendung von Reinigungsmitteln hervorgerufen werden. Diese kurzzeitigen Erhöhungen
finden in der vorliegenden Methode keine Berücksichtigung. Eine Berücksichtigung
dieser kurzzeitigen Erhöhungen ist auch insofern nicht beabsichtigt, da es
sich hierbei um Sonderfälle handelt, die für sich und nicht im Rahmen der vorliegenden
Arbeit berücksichtigt werden sollten. Langfristige Schwankungen einer Schadstoffquellstärke
können beispielsweise in eingebrachten belasteten Baustoffen ihre
Ursache haben. Die Schadstoffquellstärke nimmt in diesem Fall mit der Zeit ab, da
nur eine begrenzte Menge an Schadstoffen zur Verfügung steht. Werden beispielsweise
unmittelbar nach einem Einbau belasteter Baustoffe einzelne Schadstoffquellstärken
zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft ermittelt, so werden diese in
der Folgezeit überschätzt. Dies ermöglicht eine konservative Abschätzung der
Raumluftqualität nach der Ermittlung des höchstmöglichen Schadstoffpotenzials des
Gebäudes. Soll die Raumluftqualität jedoch möglichst exakt beurteilt werden, können
in der Folgezeit wiederholt Ermittlungen einzelner Schadstoffquellstärken erfolgen,
beispielsweise in einem Intervall von zwei Wochen.
Die Methode konnte durch Messungen an einer Messkammer verifiziert werden, wie
die Ergebnisse aus Abschnitt 5.1 zeigen. Hierzu wurden die Verläufe der Radonkonzentration,
der Luftwechselrate und der VOC-Konzentration gemessen. Zusätzlich
wurden Klimaparameter wie beispielsweise die Lufttemperatur aufgenommen. Die
Ergebnisse aus Abschnitt 5.1.1 verdeutlichen die Notwendigkeit einer Filterung des
Verlaufs der Radonkonzentration bei der Rekonstruktion der Luftwechselrate.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 139

Diskussion
Aufgrund des Tiefpasscharakters des Systems können hohe Frequenzen der Luftwechselrate
nur näherungsweise rekonstruiert werden. Das Ausmaß des Tiefpasscharakters
hängt davon ab, welche Luftwechselrate vorliegt. Bei hohen Luftwechselraten
zeigt das System einen geringeren Tiefpasscharakter und somit eine größere
Dynamik als bei niedrigen Luftwechselraten. Änderungen der Luftwechselrate sind
somit bei hohen Werten besser auflösbar. Jedoch sinkt mit einer höheren Luftwechselrate
die Radonkonzentration, so dass die Luftwechselrate nur mit einer höheren
Unsicherheit rekonstruiert werden kann. Auf welches Niveau die Radonkonzentration
bei einer Erhöhung der Luftwechselrate absinkt, hängt von der Radonquellstärke ab.
Je höher die Radonquellstärke, desto höher ist auch das bei einer bestimmten Luftwechselrate
zu messende Radonkonzentrationsniveau und desto besser kann eine
Rekonstruktion der Luftwechselrate erfolgen.
Die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate bedarf keiner Filterung
des Messsignals. Die VOC-Konzentration kann auch bei variabler Temperatur,
die als größter klimatischer Einfluss angesehen wird, aus der Luftwechselrate berechnet
werden, wie die Ergebnisse in Abschnitt 5.1.2 verdeutlichen.
Die gesamte Methode mit der Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration
und der Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
kann bei deren Schwankung und einer parallel variierenden Lufttemperatur angewandt
werden. Es ist eine sehr gute Annäherung des berechneten an den gemessenen
Verlauf der VOC-Konzentration erreichbar, wie die in Abschnitt 5.1 präsentierten
Ergebnisse, insbesondere Beispiel 6, zeigen. Für ein Ein-Raum-System mit konstanten
Radon- und VOC-Quellen, wie es an der Messkammer vorliegt, kann die
Methode als bestätigt betrachtet werden.
Erste Rekonstruktionen der Luftwechselrate anhand von Messwerten der Radonkonzentration
in Wohngebäuden zeigen realistische Ergebnisse (Abschnitt 5.2). Es
wurde jeweils die zunächst als Ein-Raum-Modell konzipierte Methode in jeweils einem
einzelnen Raum angewandt. Die in Abschnitt 3.4 diskutierten Zusammenhänge
des Mehr-Raum-Modells oder des modifizierten Ein-Raum-Modells kamen hier noch
nicht zur Anwendung, da die Rekonstruktion der Luftwechselrate anhand der Messdaten
jeweils eines einzelnen Raumes erfolgte. Die Ergebnisse konnten jedoch bis-
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 140

Diskussion
her nicht überprüft werden, da hierzu parallel zu der jeweiligen Messung der Radonkonzentration
eine Messung der Luftwechselrate mit Tracergas notwendig gewesen
wäre.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 141

Ausblick
7 Ausblick
Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren konnte bisher für die Anwendung in Ein-
Raum-Systemen bestätigt werden. Eine Anwendung auf Mehr-Raum-Systeme wurde
zwar probeweise durchgeführt, konnte jedoch mangels einer Referenzmessung nicht
verifiziert werden. Hierzu werden im Anschluss an die vorliegende Arbeit Untersuchungen
durchgeführt, welche die in Abschnitt 3.4 diskutierten Zusammenhänge weiter
vertiefen und eine Anwendbarkeit auf reale Wohnräume realisieren sollen.
Bei der Anwendung der Methode in der Praxis ergeben sich, wie in Abschnitt 3.5 erwähnt,
aufgrund verschiedener Unsicherheiten gewisse Einschränkungen. Zur Klärung
der daraus resultierenden Fragestellungen wird aktuell ein Simulationsprogramm
entwickelt, das die realitätsnahe Nachbildung von Radonmessungen ermöglicht.
Mit Hilfe dieses Programms können durch die Eingabe von Verläufen der Luftwechselrate
Verläufe der Radonkonzentration generiert werden, die in der Praxis
nicht oder nur mit hohem Aufwand erzeugt werden können. Dadurch können Szenarien
erstellt werden, die beispielsweise die Ermittlung der maximalen Luftwechselrate,
die bei einer bestimmten Zeitauflösung bei einer gegebenen Radonquellstärke
zu rekonstruieren ist, ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt ein Simulationsprogramm
die Untersuchung des Einflusses von Schwankungen der Radonquellstärke, die, wie
in Abschnitt 3.1.5 erwähnt, angenommen werden. Hier könnten Szenarien erstellt
werden, die kurzzeitige Schwankungen über wenige Stunden und langzeitige
Schwankungen über mehrere Tage beinhalten.
Sind Anforderungen an das Verfahren über ein Simulationsprogramm zugänglich, ist
es sinnvoll, die in der Realität tatsächlich auftretenden Schwankungen der Radonquellstärke
zu untersuchen. Da bisher keine umfassenden Untersuchungen vorliegen,
wären Messungen an einigen Wohngebäuden notwendig. Hierzu wäre es sinnvoll,
kurzzeitige Schwankungen über wenige Stunden und langzeitige Schwankungen
über mehrere Tage zu unterscheiden. Kurzzeitige Schwankungen könnten über
die Anwendung des in Abschnitt 2.3.2 erläuterten Indikatorgasverfahrens ermittelt
werden. Wird die Lösung der Differentialgleichung (Gleichung 3.11) nach der Radonquellstärke
umgestellt, so könnte über die mit Hilfe des Indikatorgasverfahrens ermittelte
Luftwechselrate der Verlauf der Radonquellstärke berechnet werden. Da sich
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 142

Ausblick
Indikatorgasmessungen nur für Zeiträume von wenigen Stunden eignen, könnten die
langzeitigen Schwankungen auf andere Weise ermittelt werden. Hierzu wäre es sinnvoll,
in einem Wohngebäude in einem Abstand von mehreren Tagen die Radonquellstärke
wiederholt zu ermitteln. So könnte ein über mehrere Wochen dauernder und
über Tage aufgelöster Verlauf der Radonquellstärke ermittelt werden.
Die sehr komplexe Thematik der Luftschadstoffe konnte im Rahmen dieser Arbeit nur
angerissen werden. Die Berechnung des Verlaufs der VOC aus dem Verlauf der Radonkonzentration
erfolgte unter idealisierten Bedingungen und entspricht einer Näherung.
Darüber hinaus wurde ein einzelner VOC beispielhaft herangezogen. Die physikalischen
und chemischen Eigenschaften von VOC-Gemischen sind sehr komplex
und lassen sich nicht einheitlich mathematisch beschreiben. Es wird daher im Rahmen
dieser Arbeit nicht der Ansatz verfolgt, die Konzentration von VOC-Gemischen
exakt zu berechnen, sondern vielmehr das vorhandene VOC-Niveau abzuschätzen.
Dieser Gedanke soll auch bei einer späteren Einbeziehung weiterer Luftschadstoffe
verfolgt werden, um schließlich eine Abschätzung der Qualität der Innenraumluft zu
ermöglichen.
Auf Basis der Einschränkungen, die sich möglicherweise besonders in Gebäuden mit
einem niedrigen Radonkonzentrationsniveau ergeben, könnte auf Messungen mit hohen
Zeitauflösungen verzichtet werden. Zur Beurteilung der mittleren Qualität der
Innenraumluft könnten zeitintegrierende Messsysteme, wie in Abschnitt 2.4.4 beschrieben,
ausreichen. Möglich wäre auch die Anwendung passiver Radonexposimeter
mit automatischer Schaltung. So könnten sechs Geräte, die jeweils zu einer
bestimmten Tageszeit für vier Stunden schalten, die Abschätzung eines mittleren
Tagesganges der Qualität der Innenraumluft ermöglichen. Ebenso könnte die Messzeit
auch auf die Aufenthaltszeit der Raumnutzer beschränkt werden.
Die in dieser Arbeit präsentierte Methode stellt bereits im aktuellen Entwicklungszustand
ein vielfältiges Werkzeug dar. Für die Praxis könnten durch weitere Untersuchungen
detaillierte zeitaufgelöste Messungen, aber auch kostengünstige Überblicksmessungen
ermöglicht werden. Dies wäre eine wichtige Grundlage für eine
vielfältige Anwendbarkeit sowohl in der Forschung, als auch in der Praxis.
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 143

Anhang
8 Anhang
- Mathcad-Hauptprogramm
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Anhang
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler 167

Literaturangaben
Literaturangaben
[1] Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Kurzinfo
Innenraumluft, 2009, abrufbar im Internet:
http://www.bmu.de/gesundheit_und_umwelt/innenraumluft/kurzinfo/doc/2461.ph
p (20.01.2012)
[2] Wolkoff, P., Nielsen, G., Organic compounds in indoor air - their relevance for
perceived indoor air quality?, Atmospheric Environment Volume 35, Issue 26,
pp 4407 - 4417, 2001, abrufbar im Internet:
http://www.nchh.org/Portals/0/Contents/Article0579.pdf (22.05.2013)
[3] Lowenstein, H., Gravesen, S., Larsen, L., Schwarte, B., Indoor allergens, Journal
of Allergy and Clinical Immunology, Volume 78, Issue 5, Part 2, pp 1035 -
1039, 1986
[4] Hunt, G. R., Kaye, N. B., Pollutant flushing with natural displacement ventilation,
Building and Environment Volume 41, pp 1190 - 1197, 2006
[5] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Verordnung über
energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden
(Energieeinsparverordnung EnEv), Berlin, 2009
[6] Bataille, E., Impact of low energy buildings on IAQ, REHVA European HVAC
Journal 05/2011, Brussels, 2011, abrufbar im Internet:
http://www.rehva.eu/fileadmin/hvac-dictio/05-2011/rj1105_p05-8_impact-of-lowenergy-buildings-on-iaq.pdf
(22.05.2013)
[7] Seppänen, O., Ventilation strategies for good indoor air quality and energy efficiency,
2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building Low
Energy Cooling and Advanced Ventilation Technologies in the 21st Century,
Crete island, Greece, 2007, abrufbar im Internet:
http://www.inive.org/members_area/medias/pdf/Inive/PalencAIVC2007/Volume2
/PalencAIVC2007_V2_067.pdf (22.05.2013)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
i

Literaturangaben
[8] Laussmann, D., Helm, D., Air Change Measurements Using Tracer Gases,
Chemistry, Emission Control, Radioactive Pollution and Indoor Air Quality
Chapter 14, pp 365 - 406, Berlin 2011, abrufbar im Internet:
http://cdn.intechopen.com/pdfs/16332/InTech-Air_change_measurements_usin
g_tracer_gases_methods_and_results_significance_of_air_change_for_indoor_
air_quality.pdf (22.05.2013)
[9] You, Y., Bai, Z., Jia, C., Wan, Z., Ran, W., Zhang, J., Measuring Air Exchanges
Rates Using Continuous CO2 Sensors, Clima 2007 WellBeing Indoor Congress,
Helsinki, 2007, abrufbar im Internet:
http://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB6974.pdf (22.05.2013)
[10] Umweltbundesamt, Gesundheit und Umwelthygiene - Richtwerte für die Innenraumluft,
2013, abrufbar im Internet:
http://www.umweltbundesamt.de/gesundheit/innenraumhygiene/richtwerteirluft.htm
(22.05.2013)
[11] G. Zwiener, F.-M. Lange, Handbuch Gebäude-Schadstoffe und Gesunde Innenraumluft,
Erich Schmidt Verlag, 1. Auflage, Berlin, 2011
[12] U. Lahl, Indoor-Air-Pollution - Status quo und Handlungsschwerpunkte 2005 -
2010, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bremen,
2005, abrufbar im Internet:
http://www.apug.de/archiv/pdf/vortrag_indoor_air_pollution_2005.pdf
(22.05.2013)
[13] B. Heinzow, Innenraumluftqualität, FLUGS-Fachinformationsdienst - Seminar
„Konfliktfeld Umwelt und Gesundheit. Risikokommunikation - Dialog oder Akzeptanzbeschaffung?“,
Berlin, 2003, abrufbar im Internet:
http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Themen/Innenraeum
e/heinzow1.pdf (22.05.2013)
[14] Innenraumlufthygiene-Kommission des Umweltbundesamtes, Leitfaden zur Vorbeugung,
Untersuchung, Bewertung und Sanierung von Schimmelpilzwachstum
in Innenräumen, Dessau-Roßlau, 2002
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
ii

Literaturangaben
[15] Lorenz, W., Trautmann, C., Kroppenstedt, R. M., Sigrist, G., Stackebrandt, E.,
Gareis, M., Dill, I., Virnich, L., Actinomycetes in moist houses, the causative
agent of rheumatoid symptons, International Conference on Indoor Air Quality
and Climate, Monterey, California 2002, abrufbar im Internet:
http://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB7033.pdf (22.05.2013)
[16] Panzhauser, E., Lüftung und Wohnqualität, Fachzeitschrift Wohnbauforschung
in Österreich (WBFÖ) der Forschungsgesellschaft für Wohnen, Bauen und Planen
(FGW), Ausgabe 2003-1, Wien, 2003, abrufbar im Internet:
http://www.fgw.at/publikationen/pdf/03/2003-1_Panzhauser.pdf (22.05.2013)
[17] Alberts, W. M., Indoor air pollution: NO, NO 2 , CO, and CO 2 , Journal of Allergy
and Clinical Immunology, Volume 94, Issue 2, Part 2, pp 289 - 295, 1994
[18] Staatliches Schulamt für den Main-Kinzig-Kreis - CO 2 -Ampel, 2013, abrufbar im
Internet:
http://www.schulamt-main-kinzig.hessen.de/irj/SSA_Main-Kinzig_Internet?cid=d
51fd16e33293f8629366849eded4755 (22.05.2013)
[19] Europäische Union, Richtlinie 1999/13/EG des Rates über die Begrenzung von
Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, die bei bestimmten Tätigkeiten
und in bestimmten Anlagen bei der Verwendung organischer Lösungsmittel
entstehen, Brüssel, 1999
[20] 31. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung
zur Begrenzung der Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen
bei der Verwendung organischer Lösemittel in bestimmten Anlagen) (31.
BImSchV), Berlin, 2001, abrufbar im Internet:
http://www.gesetze-im-internet.de/bimschv_31/BJNR218100001.html
(22.05.2013)
[21] World Health Organization (WHO), Regional Office for Europe Copenhagen,
EURO Reports and Studies 111, Indoor air quality: organic pollutants, Report
on a WHO meeting, Berlin (West) 1987, abrufbar im Internet:
http://whqlibdoc.who.int/euro/r&s/EURO_R&S_111.pdf (22.05.2013)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
iii

Literaturangaben
[22] M. Makowski, Untersuchungen über die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen
von OSB aus Keifernholz (Pinus syslvestris L.), Dissertation an der
Universität Hamburg, Hamburg, 2007, abrufbar im Internet:
http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3174/pdf/Diss_makowski.pdf
(22.05.2013)
[23] Gesamtverband Schadstoffsanierung GbR, Schadstoffe in Innenräumen und an
Gebäuden - Erfassen, bewerten, beseitigen, 1. Auflage, Verlagsgesellschaft
Rudolf Müller, Köln 2010
[24] Diel, F., Fischer, M., Verunreinigung der Innenraumluft durch VOC, Forum
Wohngesundheit, Europäische Teppichgemeinschaft e.V. - ETG, Wuppertal
2000, abrufbar im Internet:
http://www.iug-umwelt-gesundheit.de/htdocs/publikationen/voc.htm
(22.05.2013)
[25] Atkins, P. W., Jones, L., Chemie - einfach alles, 2. Auflage, WILEY-VCH Verlag,
Weinheim, 2006
[26] DIN 4108-2, Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden - Teil 2: Mindestanforderungen
an den Wärmeschutz, Berlin, 2003
[27] AquaPren-Berlin, Richtiges Heizen, Richtiges Lüften, abrufbar im Internet:
http://www.aquapren-berlin.de/richtiges_lueften.pdf (05.03.2013)
[28] DIN EN ISO 12569, Bestimmung des Luftwechsels in Gebäuden - Indikatorgasverfahren,
Berlin, 2010
[29] DIN EN 13289, Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von Gebäuden - Differenzdruckverfahren,
Berlin, 2000
[30] Bundesamt für Strahlenschutz, Strahlenthemen - Radon in Häusern, Bundesamt
für Strahlenschutz, Salzgitter, 2007, abrufbar im Internet:
http://www.bfs.de/de/bfs/publikationen/broschueren/ionisierende_strahlung/rado
n/stth_radon.pdf (22.04.2013)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
iv

Literaturangaben
[31] Kemski & Partner, Die Radonkarte Deutschlands - Kurzinformation zu Radon in
der Boden- und Raumluft, Bonn 2004, abrufbar im Internet:
http://www.kemski-bonn.de/downloads/Erl_Radonkarte2004.pdf (13.03.2013)
[32] Brüske-Hohlfeld, I., Kreienbock, L., Wichmann, H.-E., Lungenkrebs durch Radon,
Helmholtz Zentrum München, München, 2010, abrufbar im Internet:
http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltun
gen/Radon_m_u_spezial.pdf (26.04.2013)
[33] Stellungnahme der Strahlenschutzkommission: Lungenkrebsrisiko durch Radonexpositionen
in Wohnungen, Strahlenschutzkommission, Bonn, 2005, abrufbar
im Internet:
http://www.ssk.de/SharedDocs/Beratungsergebnisse_PDF/2005/Lungenkrebsri
siko_RadoninWohnungen.pdf?__blob=publicationFile (06.05.2013)
[34] Leitfaden zur Messung von Radon, Thoron und ihren Zerfallsprodukten
Veröffentlichungen der Strahlenschutzkommission Band 47, Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bonn, 2002
[35] Hingmann, H., Ehret, V., Busch, F., Rox, A., Chadt, C., Automatisch abschaltende
passive Radonexposimeter, Tagungsband der 36. Jahrestagung des
Fachverbandes für Strahlenschutz e.V., S. 423 - 430, Dresden, 2006
[36] V. Ehret, Entwicklung eines automatisch schaltenden Radon-Kernspurexposimeters,
Tagungsband der 42. Jahrestagung des Fachverbandes für Strahlenschutz
e.V., S. 507 - 512, Borkum, September 2010
[37] Rößler, F. A., Reduktion von Messunsicherheiten bei Dosimetern für die
Röntgendiagnostik durch die Ermittlung typenspezifischer Kenngrößen in einem
akkreditierten Kalibrierlabor, Diplomarbeit in den Seibersdorf Laboratories,
Seibersdorf (Österreich), 2009
[38] WHO Handbook on indoor Radon - a public health perspective, World Health
Organization, Genf, 2009, abrufbar im Internet:
http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547673_eng.pdf
(07.05.2013)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
v

Literaturangaben
[39] Empfehlung 90/143/EURATOM der Kommission vom 21. Februar 1990 zum
Schutz der Bevölkerung vor Radonexposition innerhalb von Gebäuden, Amtsblatt
der EG Nr. L 80/26, Brüssel, 1990, abrufbar im Internet:
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1990:080:0026:00
28:EN:PDF (15.05.2013)
[40] International Commission on Radiological Protection (ICRP), Lung Cancer Risk
from Radon and Progeny and Statement on Radon, ICRP Publication 115, Elsevier,
Amstardam, 2012
[41] Empfehlung der Strahlenschutzkommission: Strahlenschutzgrundsätze zur Begrenzung
der Strahlenexposition der Bevölkerung durch Radon und seine Zerfallsprodukte,
Bonn, 1988, abrufbar im Internet:
http://www.ssk.de/SharedDocs/Beratungsergebnisse_PDF/1988/1988_04.pdf?_
_blob=publicationFile (21.05.2013)
[42] Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlung
(Strahlenschutzverordnung- StrSchV) vom 20. Juli 2001 (BGBl. I S. 1714; 2002
I S. 1459), zuletzt geändert durch Artikel 5 Absatz 7 des Gesetzes vom 24. Februar
2012 (BGBl. I S. 212), abrufbar im Internet:
http://www.gesetze-im-internet.de/strlschv_2001/ (06.05.2013)
[43] Leißring, B., Praktische Aspekte und Erfahrungen bei der Realisierung und
Überwachung von Radonschutzmaßnahmen, Tagungsband des 5. Sächsischen
Radontags und der 7. Tagung Radonsicheres Bauen, S. 75 - 79, Dresden,
2011, abrufbar im Internet:
http://www2.htw-dresden.de/~Radon/kora/druck_tagungsband_lang_tg7_kpl_11
0913.pdf (08.05.2013)
[44] Azzam Jai, T., Systemtheoretischer Ansatz für ein Rekonstruktionsverfahren
zur Ermittlung von Luftwechselraten aus Radonmessdaten, Masterarbeit am Institut
für Medizinische Physik und Strahlenschutz, Technische Hochschule Mittelhessen,
Gießen, 2012
[45] Breckow, J., Greinert, R., Biophysik - Eine Einführung, 1. Auflage, de Gruyter
Verlag, Berlin, 1994
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
vi

Literaturangaben
[46] Frey, T., Bossert, M., Signal- und Systemtheorie, 2. Auflage, Vieweg+Teubner
Verlag, Wiesbaden, 2008
[47] Rößler, F. A., Ehret, V., Hingmann, H., Azzam Jai, T., Orovwighose, T., Jach,
N., Schanze, T., Breckow, J., Modellierung der Systemeigenschaften von
Wohnräumen bzgl. Luftwechselraten und Radonkonzentrationen, Tagungsband
der 44. Jahrestagung des Fachverbandes für Strahlenschutz e.V., S. 107 - 112,
Karlsruhe, 2012, abrufbar im Internet:
http://www.tuev-media.de/leseprob/lp_91602.pdf (22.05.2013)
[48] Rößler, F. A., Azzam Jai, T., Ehret, V., Hingmann, H., Orovwighose, T., Jach,
N., Schanze, T., Breckow, J., Entwicklung eines effizienten Messverfahrens zur
Bestimmung der Radonkonzentration als Indikator für die Qualität der Innenraumluft,
Tagungsband 6. Sächsischer Radontag 8. Tagung Radonsicheres
Bauen, S. 59 - 66, Dresden, 2012, abrufbar im Internet:
http://www2.htw-dresden.de/~Radon/kora/druck_tagungsband_lang_tg8_kpl_12
0924.pdf (22.05.2013)
[49] Valentini, D., Systemtheoretischer Ansatz zur Bestimmung der Luftwechselrate
in Wohnräumen mittels Messungen zur Radon-Raumluftkonzentration, Diplomarbeit
am Institut für Medizinische Physik und Strahlenschutz, Technische
Hochschule Mittelhessen, Gießen, 2009
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
vii

Formelzeichen
Formelzeichen
Formelzeichen Einheit Beschreibung
Luftwechselrate
Radonkonzentration in der Innenraumluft des zu
untersuchenden Raumes
Radonkonzentration in der Außenluft
Anfangswert der Radonkonzentration einer
Sättigungskurve
Sättigungswert der Radonkonzentration einer
Sättigungskurve
Zeitkonstante
Radonquellstärke
Auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke
Zerfallskonstante (hier: des Radons)
Raumvolumen
Volumenstrom
Aktivität
VOC-Konzentration in der Innenraumluft des zu
untersuchenden Raumes
VOC-Konzentration in der Außenluft
Anfangswert der VOC-Konzentration einer
Sättigungskurve
Sättigungswert der VOC-Konzentration einer
Sättigungskurve
VOC-Quellstärke
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
viii

Formelzeichen
Auf das Raumvolumen normierte VOC-Quellstärke
- Standardabweichung
- Anzahl der Impulse
- Eingangssignal
- Ausgangssignal
- Impulsantwort
- Dirac-Impuls
- Skalierungsfaktor
- Sprungfunktion
- Sprungantwort
- Frequenzspektrum von
- Frequenzspektrum von
- Frequenzspektrum von
Strömungsgeschwindigkeit
Effektive Querschnittsfläche
Mittlere Temperatur während der VOC-
°C
Quellstärkenbestimmung
°C Temperatur zum Zeitpunkt t
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
ix

Abkürzungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
CO
CO 2
CP
DDT
DGL
EnEV
EU
FFT
GefStoffV
ICRP
LED
LTI
MVOC
NO 2
PAK
PBBP
PBDPE
PC
PCB
PCP
PCT
POM
Kohlenstoffmonoxid
Kohlenstoffdioxid
Chlorparaffine
Dichlordiphenyltrichlorethan (Insektizid)
Differentialgleichung
Energiesparverordnung
Europäische Union
schnelle Fouriertransformation (engl.: Fast Fourier Transformation)
Gefahrstoffverordnung
Internationale Strahlenschutzkommission (engl.: International
Commission on Radiological Protection)
Leichtdiode (engl.: Light-Emitting Diode)
Linearität und Zeitinvarianz (engl.: Linear Time-Invariant)
Microbial Volatile Organic Compounds
Stickstoffdioxid
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
Polybromierte Bisphenole
Polybromierte Diphenylether
Personal Computer
Polychlorierte Biphenyle
Pentachlorphenol
Polychlorierte Terphenyle
Staubgebundene organische Verbindungen (engl.: Particulate Organic
Matter)
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
x

Abbildungsverzeichnis
ppm
PUR
PVC
parts per million
Polyurethane
Polyvinylchlorid
220 Rn Radon-220
222 Rn Radon-222
Rn
SF 6
SO 2
SRU
SSK
SVOC
TBBA
TCEP
TCPP
TDCPP
Radon, im Rahmen der Vorliegenden Arbeit Radon-222
Schwefelhexafluorid
Schwefeldioxid
Rat von Sachverständigen für Umweltfragen
Deutsche Strahlenschutzkommission
Schwerflüchtige organische Verbindungen (engl.: Semi Volatile Organic
Compounds)
Tetrabrombisphenol A
Tris(2-chlorethyl)phosphat
Tris(2-chlorisopropyl)phosphat
Tris(1,3-dichlorisopropyl)phosphat
232 Th Thorium-232
238 U Uran-238
UV
VOC
VVOC
WHO
ZNS
Ultraviolett
Flüchtige organische Verbindungen (engl.: Volatile Organic
Compounds)
Sehr flüchtige organische Verbindungen (engl.: Very Volatile Organic
Compounds)
Weltgesundheitsorganisation (engl.: World Health Organisation)
Zentrales Nervensystem
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xi

Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: CO 2 -Ampel........................................................................................... 12
Abbildung 2: Allgemeine Darstellung des Phasendiagramms eines einzelnen Stoffs
..................................................................................................................... 16
Abbildung 3: Anteil des Radons an der jährlichen Strahlenexposition ...................... 24
Abbildung 4: Uran-Radium-Zerfallsreihe................................................................... 25
Abbildung 5: Radontransport im geologischen Untergrund ...................................... 27
Abbildung 6: Aktivitätskonzentration des Radons in der Bodenluft ........................... 28
Abbildung 7: Eintritts- und Ausbreitungswege des Radons im Gebäude .................. 30
Abbildung 8: Absolutes Risiko, bis zum Alter von 75 Jahren an Lungenkrebs zu sterben
............................................................................................................... 31
Abbildung 9: Kernspurdosimeter .............................................................................. 33
Abbildung 10: Automatisiertes Radonexposimeter - au.raex .................................... 34
Abbildung 11: System als Übertragungsglied mit Eingangs- und Ausgangssignal ... 43
Abbildung 12: Systembeschreibung über die Impulsantwort .................................... 44
Abbildung 13: Linearität eines Systems .................................................................... 45
Abbildung 14: Ermittlung der Impulsantwort ............................................................. 46
Abbildung 15: Berechnen eines Systems über die mathematische Faltung ............. 47
Abbildung 16: Abschätzung einzelner Schadstoffkonzentrationen aus der Radonkonzentration
..................................................................................................... 50
Abbildung 17: Beispiel einer gemessenen Sprungantwort mit Ausgleichskurve ....... 51
Abbildung 18: Errechnete Impulsantwort .................................................................. 52
Abbildung 19: Einflussgrößen der Radonkonzentration im Rauminneren ................ 54
Abbildung 20: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve mit eingezeichneter Anpassungskurve
............................................................................................. 60
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xii

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 21: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve mit eingezeichneter Anpassungskurve
............................................................................................. 62
Abbildung 22: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve der VOC-Konzentration 65
Abbildung 23: Darstellung eines Zwei-Raum-Modells .............................................. 68
Abbildung 24: Darstellung eines Drei-Raum-Modells ............................................... 70
Abbildung 25: Außenansicht der Messkammer ........................................................ 76
Abbildung 26: Aufbau der Lüftersteuerung ............................................................... 77
Abbildung 27: Zuluftkanal mit Aktivkohlefilter. .......................................................... 77
Abbildung 28: Programm „IMPS - Fan Control“ zur Lüftersteuerung ........................ 78
Abbildung 29: Querschnitt der Messstrecke mit Messkopf des Thermoanemometers
..................................................................................................................... 79
Abbildung 30: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 1 mit d = 46 mm.......................... 80
Abbildung 31: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 2 mit d = 36 mm.......................... 80
Abbildung 32: Beispiele für die verwendeten Radonquellen ..................................... 82
Abbildung 33: Waage mit Aceton-Flasche als VOC-Quelle ...................................... 83
Abbildung 34: Verwendetes VOC-Messgerät des Typs "PhoCheck Tiger" ............... 84
Abbildung 35: AlphaGUARD als Beispiel eines verwendeten Radonmessgerätes ... 85
Abbildung 36: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 1 .......................... 87
Abbildung 37: Grundriss des Obergeschosses des Messobjektes 1 ........................ 88
Abbildung 38: Grundriss des Kellergeschosses des Messobjektes 2. ...................... 89
Abbildung 39: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 2. ......................... 90
Abbildung 40: Grundriss des Dachgeschosses des Messobjektes 2 ........................ 91
Abbildung 41: Beispiel eines Messprotokolls in der Messdatenaufbereitung............ 92
Abbildung 42: Ausschnitt der Rohdaten einzelner Messgeräte einer Beispiel-Messreihe
............................................................................................................. 93
Abbildung 43: Tabelle zur Eintragung der Kalibrierdaten für die Radon-Messgeräte 93
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xiii

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 44: Herkömmliche und modifizierte zwei-Punkt-Kalibrierung ................... 94
Abbildung 45: Grafische Aufbereitung der Messdaten einer Beispiel-Messreihe ..... 95
Abbildung 46: Abschnitt 1 - Einlesen der Messdaten ............................................... 96
Abbildung 47: Abschnitt 2 - Berechnung der Radon-Quellstärke .............................. 97
Abbildung 48: Abschnitt 3 - Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen
Luftwechselrate ................................................................................. 98
Abbildung 49: Abschnitt 4 - Auswahl der Fensterfunktion zur Filterung des gemessenen
Verlaufs der Radonkonzentration ...................................................... 99
Abbildung 50: Abschnitt 4 - Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration
........................................................................................................... 99
Abbildung 51: Abschnitt 5 - Rekonstruktion der Luftwechselrate ............................ 100
Abbildung 52: Abschnitt 6 - Berechnung der VOC-Quellstärke .............................. 101
Abbildung 53: Abschnitt 7 - Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate
............................................................................................................. 102
Abbildung 54: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 105
Abbildung 55: Vorgabe einer realen Luftwechselrate ............................................. 107
Abbildung 56: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem
gemessenen Verlauf der Radonkonzentration ........................................... 107
Abbildung 57: Vergleich der aus einem ungefilterten Radonkonzentrationsverlauf
rekonstruierten mit der vorgegebenen Luftwechselrate ............................. 108
Abbildung 58: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der
Breite 512 .................................................................................................. 109
Abbildung 59: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
mit der vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite
512) ........................................................................................................ 110
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xiv

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 60: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der
Breite 128 .................................................................................................. 111
Abbildung 61: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
mit der vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite
128) ........................................................................................................ 111
Abbildung 62: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 112
Abbildung 63: Vorgabe einer realen Luftwechselrate ............................................. 114
Abbildung 64: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem
gemessenen Verlauf der Radonkonzentration ........................................... 114
Abbildung 65: Filterung der Radonkonzentration durch ein Kaiser-Fenster der Breite
256 ............................................................................................................. 115
Abbildung 66: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
mit der vorgegebenen Luftwechselrate ...................................... 116
Abbildung 67: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf der Luftwechselrate
........................................................................................................ 118
Abbildung 68: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 119
Abbildung 69: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-
Konzentration ............................................................................................. 120
Abbildung 70: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf des Temperatursprungs
.................................................................................................. 121
Abbildung 71: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 122
Abbildung 72: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-
Konzentration ............................................................................................. 123
Abbildung 73: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512) ............. 125
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xv

Abbildungsverzeichnis
Abbildung 74: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate ....... 125
Abbildung 75: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter Verlauf der VOC-
Konzentration im Vergleich zum gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration
................................................................................................................... 126
Abbildung 76: Temperaturverlauf von Beispiel 6 .................................................... 128
Abbildung 77: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512) ............. 129
Abbildung 78: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate ....... 129
Abbildung 79: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter im Vergleich zum
gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration ............................................ 130
Abbildung 80: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 132
Abbildung 81: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der
Breite 128 .................................................................................................. 133
Abbildung 82: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
Luftwechselrate .................................................................... 134
Abbildung 83: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 135
Abbildung 84: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der
Breite 128 .................................................................................................. 136
Abbildung 85: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten
Luftwechselrate .................................................................... 137
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xvi

Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Übersicht über ausgewählte Schadstoffe in Innenräumen mit deren
Quellen .......................................................................................................... 7
Tabelle 2: Klassifizierung von organischen Verbindungen ....................................... 13
Tabelle 3: Verwendete Geräte und Materialien ........................................................ 75
Tabelle 4: Übersicht über die dargestellten Beispiele ............................................. 103
Tabelle 5: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 1
................................................................................................................... 106
Tabelle 6: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 2
................................................................................................................... 113
Tabelle 7: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 3
................................................................................................................... 117
Tabelle 8: Voreingestellte Daten der Luftwechselrate für Beispiel 5 ....................... 124
Tabelle 9: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve für Beispiel 6
................................................................................................................... 127
Tabelle 10: Voreingestellte Daten der Heizleistung für Beispiel 6 .......................... 127
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
xvii

Eidesstattliche Erklärung
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich, Franz Anton Rößler, geboren am 20.06.1984 in Gießen, an
Eides statt und durch meine Unterschrift, dass die vorliegende Arbeit mit dem Titel
„Entwicklung eines effizienten Messverfahrens zur Bestimmung der
Radonkonzentration als Indikator für die Qualität der Innenraumluft“
von mir selbstständig, ohne fremde Hilfe angefertigt worden ist. Inhalte und Passagen,
die aus fremden Quellen stammen und direkt oder indirekt übernommen worden
sind, wurden als solche kenntlich gemacht. Ferner versichere ich, dass ich keine andere,
außer der im Literaturverzeichnis angegebenen Literatur verwendet habe.
Diese Versicherung bezieht sich sowohl auf Textinhalte sowie alle enthaltenden Abbildungen,
Skizzen und Tabellen. Die Arbeit wurde bisher keiner Prüfungsbehörde
vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht.
Ort, Datum
Unterschrift
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz Anton Rößler
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