Masterarbeit Anton Rößler - Fachverband für Strahlenschutz eV
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Entwicklung eines effizienten Messverfahrens zur<br />
Bestimmung der Radonkonzentration als Indikator<br />
<strong>für</strong> die Qualität der Innenraumluft<br />
<strong>Masterarbeit</strong><br />
im Studiengang Medizinische Physik<br />
am Fachbereich<br />
Krankenhaus- und Medizintechnik, Umwelt und Biotechnologie<br />
der Technischen Hochschule Mittelhessen<br />
vorgelegt von:<br />
Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
Matrikel-Nr.: 752989<br />
Referent:<br />
Korreferent:<br />
Prof. Dr. Joachim Breckow<br />
Prof. Dr. Jürgen Koch<br />
Gießen, den 24. Juni 2013
Zusammenfassung<br />
Die Energiesparverordnung (EnEV) sieht <strong>für</strong> Neubauten, aber auch <strong>für</strong> Altbausanierungen<br />
Obergrenzen <strong>für</strong> den Jahres-Primärenergiebedarf vor. Die hierzu erforderlichen<br />
Maßnahmen können mit einem Herabsetzen der Luftwechselrate einhergehen<br />
und somit zu einer Verschlechterung der Raumluftqualität führen. Einige der existierenden<br />
Methoden zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft nutzen unterschiedliche<br />
Indikatoren (z.B. Luftfeuchtigkeit oder CO 2 ). Aufgrund spezifischer Beeinflussungen<br />
dieser Indikatoren durch die Raumnutzung kann die Beurteilung der Qualität<br />
der Innenraumluft jedoch verfälscht werden. Andere Methoden gehen von der Luftwechselrate<br />
aus, da diese einen direkten Einfluss auf die Qualität der Innenraumluft<br />
besitzt. Diese Methoden können allerdings nur unter Prüfbedingungen oder bei konstanter<br />
Luftwechselrate erfolgen. Eine Berücksichtigung der Raumnutzung als wichtiger<br />
Einfluss auf die Luftwechselrate ist dabei nicht möglich.<br />
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ergänzend zu diesen Methoden ein Verfahren<br />
vorgestellt, dass die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft unter Alltagsbedingungen<br />
ermöglicht. Hierzu wird Radon ( 222 Rn) als Indikatorgas verwendet. Vor<br />
Beginn einer Langzeitmessung der Radonkonzentration wird zur Charakterisierung<br />
des zu untersuchenden Raumes in einer Initialmessung die Radonquellstärke ermittelt.<br />
Über mathematische Modellbildungen wird zunächst aus dem zeitlichen Verlauf<br />
der Radonkonzentration und aus der ermittelten Radonquellstärke der zeitliche Verlauf<br />
der Luftwechselrate berechnet. Im Weiteren erfolgt die Berechnung des zeitlichen<br />
Verlaufs flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) über die Verwendung des<br />
rekonstruierten Verlaufs der Luftwechselrate und der ebenfalls ermittelten VOC-<br />
Quellstärke. VOC werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit als Beispielschadstoffe<br />
herangezogen. Das aktive Einbringen eines Indikators ist bei dieser Methode nicht<br />
notwendig, so dass Langzeitmessungen unter Alltagsbedingungen erfolgen können.<br />
Lediglich die Initialmessung zur Bestimmung der Radon- und VOC-Quellstärke erfordert<br />
Prüfbedingungen. Durch Versuchsreihen in einer <strong>für</strong> diesen Zweck errichteten<br />
Messkammer konnten die vorgenommenen Modellierungen praktisch bestätigt werden.<br />
Erste Messungen in Wohngebäuden zeigen realistische Ergebnisse, die in zukünftigen<br />
Untersuchungen weiter überprüft werden sollen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
II
Inhalt<br />
1 Einleitung ........................................................................................................... 1<br />
2 Grundlagen ........................................................................................................ 3<br />
2.1 Qualität der Innenraumluft ............................................................................. 3<br />
2.1.1 Luftschadstoffe im Innenraum ................................................................. 5<br />
2.1.2 Beurteilung der Qualität der Innenraumluft ........................................... 11<br />
2.2 Flüchtige organische Verbindungen (VOC) ................................................. 13<br />
2.2.1 Gesundheitsrisiken ............................................................................... 14<br />
2.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von VOC ........................ 15<br />
2.2.3 Messung von VOC ................................................................................ 17<br />
2.3 Luftwechselrate ........................................................................................... 19<br />
2.3.1 Anforderungen an die Luftwechselrate ................................................. 19<br />
2.3.2 Messung der Luftwechselrate ............................................................... 21<br />
2.4 Radon .......................................................................................................... 24<br />
2.4.1 Herkunft und Vorkommen des Radons ................................................. 24<br />
2.4.2 Radon in Wohngebäuden ..................................................................... 29<br />
2.4.3 Gesundheitsrisiken durch Radon .......................................................... 30<br />
2.4.4 Messung des Radons ........................................................................... 32<br />
2.4.5 Radonschutz ......................................................................................... 37<br />
2.4.6 Eignung des Radons als Indikatorgas ................................................... 40<br />
2.5 Filterung von Messsignalen ......................................................................... 41<br />
2.5.1 Tiefpassfilterung .................................................................................... 41<br />
2.5.2 Filterung über Fensterfunktionen .......................................................... 42<br />
2.6 Modellbildung als Beschreibung eines Systems .......................................... 43<br />
2.6.1 Beschreibung über die mathematische Faltung .................................... 44<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
III
2.6.2 Beschreibung über Differentialgleichungen........................................... 49<br />
3 Methode ............................................................................................................ 50<br />
3.1 Modellbildung Radonkonzentration - Luftwechselrate ................................. 51<br />
3.1.1 Ansatz 1 - mathematischen Faltung ...................................................... 51<br />
3.1.2 Modellbildung über eine Differentialgleichung....................................... 54<br />
3.1.3 Überprüfung der mathematischen Faltung auf Anwendbarkeit (Ansatz 1)<br />
.............................................................................................................. 57<br />
3.1.4 Ansatz 2 - Berechnung des Systems über die Differentialgleichung ..... 57<br />
3.1.5 Ermittlung der Radonquellstärke ........................................................... 59<br />
3.2 Filterung ...................................................................................................... 62<br />
3.3 Modellbildung Luftwechselrate - VOC ......................................................... 64<br />
3.3.1 Ermittlung der VOC-Quellstärke ............................................................ 65<br />
3.3.2 Temperaturkorrektur ............................................................................. 66<br />
3.4 Übertragung des Modells auf reale Gebäude .............................................. 67<br />
3.4.1 DGL-System als Mehr-Raum-Modell .................................................... 67<br />
3.4.2 Modifiziertes Ein-Raum-Modell ............................................................. 71<br />
3.5 Grenzen der Methode .................................................................................. 72<br />
4 Experimentelles Vorgehen ............................................................................. 74<br />
4.1 Laborversuche - Messkammer .................................................................... 74<br />
4.1.1 Messkammer ........................................................................................ 76<br />
4.1.2 Lüftersteuerung ..................................................................................... 77<br />
4.1.3 Aktivkohlefilter ....................................................................................... 81<br />
4.1.4 Radonquellen ........................................................................................ 82<br />
4.1.5 VOC-Quelle ........................................................................................... 83<br />
4.1.6 VOC-Messgerät .................................................................................... 84<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
IV
4.1.7 Radonmonitore ..................................................................................... 85<br />
4.2 Feldversuche - reale Messobjekte ............................................................... 86<br />
4.2.1 Messobjekt 1 ......................................................................................... 87<br />
4.2.2 Messobjekt 2 ......................................................................................... 88<br />
4.3 Aufbereitung der Messdaten in Excel .......................................................... 92<br />
4.4 Auswertung der Messreihen in Mathcad ..................................................... 96<br />
4.4.1 Einlesen der Messdaten ....................................................................... 96<br />
4.4.2 Berechnung der Radonquellstärke ........................................................ 97<br />
4.4.3 Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen Luftwechselrate<br />
........................................................................................................ 98<br />
4.4.4 Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration .............. 99<br />
4.4.5 Rekonstruktion der Luftwechselrate .................................................... 100<br />
4.4.6 Berechnung der VOC-Quellstärke ...................................................... 101<br />
4.4.7 Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate ............ 102<br />
5 Ergebnisse ..................................................................................................... 103<br />
5.1 Laborversuche - Messkammer .................................................................. 104<br />
5.1.1 Berechnung Radonkonzentration - Luftwechselrate ........................... 104<br />
5.1.2 Berechnung Luftwechselrate - VOC .................................................... 117<br />
5.1.3 Berechnung Radonkonzentration - VOC ............................................. 124<br />
5.2 Feldversuche - reale Messobjekte ............................................................. 131<br />
6 Diskussion ..................................................................................................... 138<br />
7 Ausblick ......................................................................................................... 142<br />
8 Anhang ........................................................................................................... 144<br />
Literaturangaben ....................................................................................................... i<br />
Formelzeichen ....................................................................................................... viii<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
V
Einleitung<br />
Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................... x<br />
Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... xii<br />
Tabellenverzeichnis.............................................................................................. xvii<br />
Eidesstattliche Erklärung .................................................................................... xviii<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
VI
Einleitung<br />
1 Einleitung<br />
In Mitteleuropa halten sich Erwachsene 80 bis 90 % des Tages in Innenräumen auf<br />
[1]. Dies führt dazu, dass sie einer Vielzahl an Luftschadstoffen ausgesetzt sind, die<br />
sich in der Innenraumluft anreichern können. Allein die Anwesenheit des Menschen<br />
führt zu Emissionen von z.B. CO 2 oder Ausdünstungen. Durch Bauprodukte, Möbel<br />
und weitere Gegenstände des täglichen Gebrauchs werden Stoffe wie flüchtige organische<br />
Verbindungen (VOC) abgegeben [2]. Eine hohe Luftfeuchtigkeit in Innenräumen<br />
kann zur Bildung von Schimmel führen, der wiederum Sporen und Allergene<br />
emittiert [3]. Das radioaktive Edelgas Radon kann sich ebenfalls in der Innenraumluft<br />
anreichern und eine Gesundheitsgefährdung bedeuten.<br />
Die Konzentrationen dieser Luftschadstoffe hängen zum einen von den jeweiligen<br />
Emittenten und zum anderen von der Belüftung des Raumes ab [4]. Eine gute Belüftung<br />
und somit eine hohe Luftwechselrate sorgt da<strong>für</strong>, dass sich die Luftschadstoffe<br />
im Innenraum nicht anreichern können und deren Konzentration auf einem<br />
niedrigen Niveau bleibt. Die Energiesparverordnung sieht jedoch <strong>für</strong> Neubauten, aber<br />
auch <strong>für</strong> Altbausanierungen Obergrenzen <strong>für</strong> den Jahres-Primärenergiebedarf vor [5].<br />
Zur Senkung des Energieverbrauchs ist es notwendig, die Gebäudeaußenhülle stärker<br />
zu dämmen und dicht schließende Türen und Fenster einzusetzen. Dies kann zu<br />
einem Herabsetzen der Luftwechselrate führen, was wiederum eine Erhöhung des<br />
Schadstoffniveaus zur Folge haben kann [6, 7]. Um dies zu vermeiden, bestehen<br />
gewisse Anforderungen an die Belüftung des Gebäudes, die durch aktive Lüftungsanlagen<br />
oder ein angepasstes Lüftungsverhalten der Raumnutzer (passives Lüften)<br />
erfüllt werden können. Aktive Lüftungsanlagen sind in der Regel geeignet, eine Erhöhung<br />
des Schadstoffniveaus zu vermeiden. Bei Anwendung des passiven Lüftens<br />
besteht jedoch eine große Abhängigkeit vom Nutzerverhalten. Wird das passive Lüften<br />
nur unzureichend betrieben, kann dies zu einer Erhöhung des Schadstoffniveaus<br />
führen.<br />
Bisher bestehen einige Ansätze zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft anhand<br />
unterschiedlicher Indikatoren. Hierzu zählen beispielsweise die Luftfeuchtigkeit<br />
und die CO 2 -Konzentration. Der Nachteil dieser Verfahren besteht jedoch darin, dass<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 1
Einleitung<br />
die Raumnutzung einen individuellen Einfluss auf den verwendeten Indikator aufweisen<br />
kann. So kann beispielsweise durch Kochen oder Duschen die Luftfeuchtigkeit<br />
oder durch erhöhte körperliche Aktivität die CO 2 -Konzentration im Innenraum erhöht<br />
werden. Andere <strong>für</strong> die Qualität der Innenraumluft relevanten Schadstoffe können<br />
durch diese Raumnutzung unberührt bleiben, so dass ein Heranziehen dieser Indikatoren<br />
die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft verfälschen kann [8, 9]. Andere<br />
Betrachtungen basieren auf der Ermittlung der Luftwechselrate. Diese besitzt<br />
einen direkten Einfluss auf die Qualität der Innenraumluft. Daher ist die Kenntnis der<br />
Luftwechselrate zur Abschätzung der Raumluftqualität von zentraler Bedeutung. Bisherige<br />
Verfahren zur Ermittlung der Luftwechselrate können allerdings nur unter<br />
Prüfbedingungen oder bei konstanter Luftwechselrate erfolgen. Eine Berücksichtigung<br />
der normalen Raumnutzung als wichtiger Einfluss auf die Luftwechselrate ist<br />
dabei nicht möglich [8, 9].<br />
Ergänzend zu diesen Methoden wird in der vorliegenden Arbeit ein Verfahren vorgestellt,<br />
das die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft unter Verwendung der Radonkonzentration<br />
als Indikator ermöglicht. Hierzu wird zunächst mit Hilfe eines<br />
mathematischen Modells der zeitliche Verlauf der Luftwechselrate aus dem zeitlichen<br />
Verlauf einer Langzeitmessung der Radonkonzentration berechnet. Da ein aktives<br />
Einbringen eines Indikators nicht notwendig ist und Radon fast ausschließlich zur<br />
Luftwechselrate Korrelationen zeigt, kann während des Messzeitraums eine uneingeschränkte<br />
Raumnutzung gewährleistet werden. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren<br />
ist somit die Ermittlung der Luftwechselrate unter Alltagsbedingungen möglich.<br />
Über weitere Modellbildungen können aus dem zeitlichen Verlauf der Luftwechselrate<br />
die zeitlichen Verläufe einzelner Luftschadstoffe berechnet werden, was bei einer<br />
Auswahl repräsentativer Luftschadstoffe die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft<br />
ermöglicht.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 2
Grundlagen<br />
2 Grundlagen<br />
2.1 Qualität der Innenraumluft<br />
Um zunächst den Begriff „Innenraum“ abzugrenzen, wird im Folgenden eine Definition<br />
des Rates der Sachverständigen <strong>für</strong> Umweltfragen gegeben [10]:<br />
„Der Rat von Sachverständigen <strong>für</strong> Umweltfragen (SRU) definiert „Innenräume”<br />
als Wohnungen mit Wohn-, Schlaf-, Bastel-, Sport- und Kellerräumen, Küchen<br />
und Badezimmern, außerdem Arbeitsräume in Gebäuden, die im Hinblick auf<br />
gefährliche Stoffe nicht dem Geltungsbereich der Gefahrstoffverordnung<br />
(GefStoffV) unterliegen, wie etwa Büroräume. Innenräume in öffentlichen Gebäuden<br />
(Krankenhäuser, Schulen, Kindertagesstätten, Sporthallen, Bibliotheken,<br />
Gaststätten, Theater, Kinos und anderen öffentlichen Veranstaltungsräumen) sowie<br />
das Innere von Kraftfahrzeugen und öffentlichen Verkehrsmitteln zählen<br />
ebenfalls dazu.“<br />
Somit fallen unter den Begriff „Innenraum“ sämtliche Wohnräume, öffentliche Gebäude<br />
und Büroräume, sowie ein Teil anderer Arbeitsräume und das Innere von<br />
Fahrzeugen und öffentlichen Verkehrsmitteln.<br />
Die Innenraumluft weist häufig eine höhere Konzentration an Luftschadstoffen auf als<br />
die Außenluft, da in geschlossenen Räumen bereits geringe Stoffmengen ausreichen<br />
können, um gegenüber der Außenluft eine erhöhte Konzentration an Luftschadstoffen<br />
zu bewirken. Ungenügendes Lüftungsverhalten der Raumnutzer und Energiesparmaßnahmen,<br />
die zu einer Reduzierung des passiven Luftwechsels führen, können<br />
diesen Effekt verstärken. Ist der Mensch einer erhöhten Schadstoffkonzentration<br />
ausgesetzt, kann dies zu unterschiedlichen gesundheitlichen Beeinträchtigungen<br />
führen. Hierzu zählen akute Symptome wie beispielsweise Atembeschwerden, Kopfschmerzen<br />
oder Reizungen der Schleimhäute aber auch chronische Erkrankungen<br />
wie z.B. Allergien, Asthma oder Krebserkrankungen. Oft werden Beschwerden und<br />
Krankheitsbilder, die mit dem Aufenthalt in Innenräumen zusammenhängen können,<br />
als „Sick-Building-Syndrom“ bezeichnet. Als Ursachen kommen physikalische, chemische<br />
und biologische, aber auch psychologische Faktoren in Frage.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 3
Grundlagen<br />
Die Qualität der Außenluft unterliegt in Mitteleuropa einer strengen Überwachung. In<br />
Gesetzen und Verordnungen sind <strong>für</strong> den Großteil der Luftschadstoffe Grenz- oder<br />
Richtwerte festgelegt, wobei flächendeckende Messnetze <strong>für</strong> eine Überwachung der<br />
Außenluftqualität sorgen. Der Begriff „Innenraum“ wird über die oben genannte Definition<br />
hinaus in Wohn- und Arbeitsbereiche unterteilt. Besonders <strong>für</strong> Wohnbereiche<br />
ist eine Überwachung der Luftqualität, wie sie <strong>für</strong> die Außenluft erfolgt, nicht bzw. nur<br />
eingeschränkt möglich. Durch ad-hoc-Gruppen der Innenraumlufthygiene-Kommission<br />
des Umweltbundesamtes (Geschäftsbereich des Bundesministeriums <strong>für</strong> Umwelt,<br />
Naturschutz und Reaktorsicherheit) und der obersten Landesgesundheitsbehörden<br />
wurde jedoch eine Reihe an Richtwerten <strong>für</strong> einige Luftschadstoffe erarbeitet,<br />
die sich auf die jeweilige Konzentration in der Innenraumluft beziehen. Für einzelne<br />
Schadstoffe bestehen eigene Richtlinien, wie z.B. die Asbestrichtlinie, die PCB- und<br />
die PCP-Richtlinie oder die DIN 68800 <strong>für</strong> die Anwendung von Holzschutzmitteln.<br />
Diese Richtlinien leiten sich aus dem Baurecht ab und sind "Regeln der Technik, die<br />
der Sicherung der baupolizeilichen Anforderungen dienen" [11]. Die Richtwerte der<br />
ad-hoc-Gruppen, aber auch die der einzelnen Richtlinien gelten als Stand der Technik<br />
und werden zu Bewertungen der Schadstoffbelastung herangezogen. Wenn notwendig,<br />
können durch diese entsprechende Maßnahmen veranlasst werden, wie beispielsweise<br />
Nutzungseinschränkungen, fortlaufende messtechnische Überwachungen<br />
oder Sanierungen.<br />
Als Schadstoffquellen kommen u.a. Bauprodukte in Frage. Durch die Bauprodukteverordnung<br />
(bis April 2013 Bauprodukterichtlinie) werden u.a. hinsichtlich der Emission<br />
gesundheitsgefährdender Stoffe Anforderungen an Bauprodukte gestellt. Diese<br />
Anforderungen sollen über eine Reihe harmonisierter Produkt- und Prüfnormen erfüllt<br />
werden. Die Anwendung der harmonisierten Normen ist nicht bindend, allerdings die<br />
Erfüllung der Bauprodukteverordnung. Somit bestehen <strong>für</strong> einige Schadstoffe bereits<br />
Regelungen hinsichtlich der Schadstoffquellen und der Schadstoffkonzentrationen in<br />
der Innenraumluft. Mit Blick auf die Vielfalt der Luftschadstoffe wird jedoch deutlich,<br />
dass nur ein Teil aller Luftschadstoffe mit diesen Regelungen abgedeckt ist. Zur besseren<br />
Nachvollziehbarkeit wird im folgenden Abschnitt ein grober Überblick über das<br />
Spektrum der Luftschadstoffe im Innenraum gegeben.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 4
Grundlagen<br />
2.1.1 Luftschadstoffe im Innenraum<br />
Im Innenraum kann sich eine Vielzahl an Schadstoffemittenten befinden. Hierbei<br />
kann neben der gesondert betrachteten Radon-Thematik (siehe Abschnitt 2.4) grundsätzlich<br />
zwischen chemischen und biologischen Belastungen unterschieden werden.<br />
Chemische Luftschadstoffe<br />
Chemische Luftschadstoffe werden von einer Vielzahl an Produkten, die sich im Innenraum<br />
befinden, emittiert. Als Emittenten chemischer Luftschadstoffe kommen insbesondere<br />
folgende Produkte in Frage [12]:<br />
- Bauprodukte<br />
- Einrichtungsgegenstände<br />
- Putz-, Reinigungs- und Pflegemittel<br />
- Holzschutzmittel (Biozide)<br />
- Mittel zur Ungezieferbekämpfung<br />
- Alte Thiokol-Dichtungsmassen (PCB)<br />
- Spanplatten aus älteren Fertigbauten (Formaldehyd und Chlornaphthalin)<br />
- Dämmstoffe (Mineralfasern)<br />
- Spanplatten und Möbel (Formaldehyd)<br />
- Teppichböden und Fußbodenkleber<br />
- Parkettkleber auf Teerbasis (PAK)<br />
- Farben, Lacke, Kleber, Spachtel- und Dichtungsmassen<br />
- Gebrauchsartikel und Produkte des Heimwerker-, Hobby- und Bastelbereiches<br />
Diese Auflistung spiegelt die Vielfalt und Komplexität der möglichen Schadstoffemittenten<br />
wider. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang auch, dass sich im Laufe<br />
der Jahre das Spektrum der eingesetzten Substanzen permanent ändert. So wurden<br />
beispielsweise früher häufig eingesetzte Substanzen wie Tetrachlorethen oder zahlreiche<br />
aromatische Kohlenwasserstoffe durch andere Substanzen ersetzt. Dabei<br />
kommt insbesondere Substanzgruppen wie z.B. Glykolen, monocyclischen Terpenen<br />
oder Siloxanen zunehmende Bedeutung zu, wobei sich auch innerhalb dieser Gruppen<br />
über die Jahre Veränderungen hinsichtlich der anzutreffenden Verbindungen<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 5
Grundlagen<br />
ergeben. Je nach Emittent und Schadstoff erfolgt die Freisetzung entweder begrenzt<br />
über einen bestimmten Zeitraum oder sie kann als konstant betrachtet werden. Beispielsweise<br />
besteht die Möglichkeit, dass ein Schadstoff von einer Primärquelle emittiert<br />
wird und sich dann an Oberflächen ablagert. Diese Oberflächen können infolgedessen<br />
als Sekundärquellen den Schadstoff mit einem anderen zeitlichen Verhalten<br />
wieder abgeben. Durch Temperatur, Luftfeuchte oder Wechselwirkung mit anderen in<br />
der Innenraumluft befindlichen Stoffen kann die Freisetzungsrate eines Schadstoffs<br />
beeinflusst werden. Werden Schadstoffe in die Innenraumluft freigesetzt, spielt neben<br />
der Freisetzungsrate die Luftwechselrate eine große Rolle, die von dem Vorhandensein<br />
einer aktiven oder der durch die Raumnutzung bestimmten passiven Lüftung<br />
abhängt. Bei einer ungenügenden Belüftung des Raumes können sich Schadstoffe<br />
bereits bei geringen Freisetzungsraten in der Innenraumluft anreichern und so zu<br />
einer erhöhten Schadstoffexposition der Raumnutzer führen.<br />
Die Wirkung chemischer Luftschadstoffe auf das Befinden und die Gesundheit des<br />
Raumnutzers verhält sich ebenfalls sehr komplex. Je nach Schadstoff zeigen sich<br />
unterschiedliche Symptome, wobei darüber hinaus sensibilisierende, kanzerogene,<br />
mutagene sowie reproduktionstoxische Wirkungen auftreten können. Unter den<br />
durch chemische Luftschadstoffe hervorgerufenen Symptomen kann es sich beispielsweise<br />
um folgende Störungen des Wohlbefindens handeln [13]:<br />
- Augen: Augenbrennen, Bindehautreizung<br />
- Nase: Nasen- und Nebenhöhlenreizung, Rhinitis<br />
- Rachen: Halskratzen, Heiserkeit<br />
- Lunge: Bronchitis, Asthma<br />
- Haut: Trockenheit, Brennen, Ausschlag<br />
- ZNS: Kopfschmerz, Müdigkeit, Konzentrationsstörung<br />
Nach Bezug eines Neubaus oder nach Sanierungsmaßnahmen, aber auch nach dem<br />
Einbringen neuer Möbel und Einrichtungsgegenstände in den Innenraum berichten<br />
Raumnutzer häufig von o.g. Symptomen, aber auch von unspezifischen Überempfindlichkeiten<br />
und Unwohlsein [12].<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 6
Grundlagen<br />
Folgende Tabelle zeigt einen Überblick über Schadstoffe, die im Innenraum zu finden<br />
sein können:<br />
Schadstoff<br />
Emissionsquellen<br />
Asbest<br />
Bauprodukte, alte Wand- und Deckenverkleidungen, alte<br />
Bodenbeläge (bis 1982), alte Dachbedeckungen, Außenluft<br />
DDT<br />
Holzschutzmittel bis 1972, in der DDR bis in die 80er Jahre<br />
Flammschutzmittel (z. B. die<br />
Phosphorsäureester TCPP, TCEP und<br />
TDCPP, bromierte Flammschutzmittel<br />
Möbel, Textilbezüge, Polster, Matratzen, Gehäuse etc. aus<br />
Kunststoffen; TCEP auch in Möbeln und Parkettpolituren<br />
(PBDPE, PBBP oder TBBA))<br />
Flüchtige organische Verbindungen<br />
(VOC)<br />
Bauprodukte, Lösemittel, Möbel, Lacke, Farben,<br />
Tabakrauch, Heimwerken<br />
Formaldehyd<br />
Spanplatten, Möbel, Lacke, Tabakrauch<br />
Isocyanate<br />
Lacke, Kleber, PU-Schäume, Spanplatten<br />
Kohlendioxid (CO 2 ),<br />
Kohlenmonoxid (CO)<br />
Ofenheizung, Tabakrauch, Außenluft<br />
Künstliche Mineralfasern<br />
Bauprodukte<br />
Lindan Holzschutzmittel bis 1977<br />
Mikrobielle Verunreinigungen<br />
Feuchteschäden, menschliche Aktivitäten, Luftbefeuchter,<br />
Raumlufttechnische Anlagen, Duschaerosole, Außenluft<br />
Mykotoxine, Pilzsporen, MVOC<br />
( = leicht flüchtige organische<br />
Schimmelpilze<br />
Verbindungen)<br />
Pentachlorphenol (PCP) Holzschutzmittel bis 1989<br />
Phthalate<br />
Weich-PVC-Produkte, z.B. Bodenbeläge,<br />
Kabelummantelungen, Spielzeuge<br />
Polychlorierte Biphenyle (PCB),<br />
Dichtungsfugen, Parkettkleber aus dem Zeitraum 1955-1975,<br />
Polychlorierte Terphenyle (PCT),<br />
Akustikdeckenplatten bis 1971, Kondensatoren u.a.<br />
Chlorparaffine (CP)<br />
Polyzyklische aromatische<br />
Kohlenwasserstoffe (PAK) und<br />
oxidierte PAK<br />
Pyrethroide<br />
Radon<br />
Schwebstaub<br />
Schwefeldioxid (SO 2 )<br />
Schwerflüchtige organische<br />
Verbindungen (SVOC)<br />
Schwermetalle<br />
Staubniederschlag<br />
Stickstoffdioxid (NO 2 )<br />
Styrol<br />
Toluol<br />
Teerhaltige Produkte, z.B. alte Parkettkleber (50er Jahre);<br />
Tabakrauch, offener Kamin, Autoabgase, Außenluft<br />
Mottenschutzmittel, z.B. in Teppichböden<br />
Gesteinsschichten (regional)<br />
Tabakrauch, Ofenheizung, Heimwerken, Außenluft<br />
Außenluft, Ofenheizung (Braunkohle)<br />
Bauprodukte, Inventar, Heimwerken, Tabakrauch<br />
Farben, Lacke, Tabakrauch, Außenluft<br />
Tabakrauch, Ofenheizung, Heimwerken und andere<br />
menschliche Aktivitäten, Außenluft<br />
Gasherd, Gasheizung, Ofenheizung, Außenluft<br />
Hartschaumprodukte<br />
Lösemittel, z.B. in Lacken, Klebern<br />
Tabelle 1: Übersicht über ausgewählte Schadstoffe in Innenräumen mit deren Quellen [12]<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 7
Grundlagen<br />
Tabelle 1 stellt nur einen kleinen Ausschnitt der im Innenraum vorkommenden<br />
Schadstoffe dar. Einige Schadstoffe stellen jeweils erst ab einer bestimmten Konzentration<br />
in der Innenraumluft ein Gesundheitsrisiko dar. Unter einem solchen<br />
Schwellenwert erfolgt keine Beeinflussung des Wohlbefindens und der Gesundheit<br />
des Raumnutzers durch den jeweiligen Schadstoff. Andere Schadstoffe sind jedoch<br />
in der Lage, sensibilisierende, kanzerogene, mutagene oder reproduktionstoxische<br />
Prozesse in Gang zu setzen. Hierzu zählen beispielsweise Asbest, Formaldehyd<br />
oder einige VOC wie Benzol oder Naphthalin. Für diese Schadstoffe besteht kein<br />
Schwellenwert, da auch geringste Spuren zu einer Erhöhung des Gesundheitsrisikos<br />
führen. Welcher Schadstoff auf welche Art und Weise auf den Raumnutzer einwirkt<br />
ist noch nicht vollständig erforscht. Auch über einige Emissionsquellen ist bisher wenig<br />
bekannt. Einige Schadstoffe und deren Quellen wurden in den letzten Jahren und<br />
Jahrzehnten allerdings intensiv erforscht, so dass auf Basis dieser Kenntnisse bereits<br />
reagiert werden konnte. Als Beispiel sei Asbest zu nennen, das in großem Umfang<br />
als Bauprodukt verwendet wurde. Die Fasern asbesthaltiger Materialien können<br />
durch Einatmen in die Alveolen der Lunge gelangen und so bereits bei geringer Belastung<br />
Asbestose verursachen, was zu einem Lungenkarzinom führen kann. Aufgrund<br />
dieser Gesundheitsgefährdung wurde die Verwendung von Asbest 1993 in<br />
Deutschland endgültig verboten. Die Herstellung und Verwendung zahlreicher<br />
schwachgebundener Asbestprodukte wurde bereits vorher schrittweise untersagt.<br />
Über andere Stoffe, wie beispielsweise einige VOC, ist weit weniger bekannt. Zwar<br />
wurden die Quellen und die Wirkung einzelner VOC bereits erforscht, jedoch bleiben<br />
Kenntnisse über einige andere VOC bisher unzureichend, was hinsichtlich der Komplexität<br />
des VOC-Spektrums nicht verwundert. So gelangen durch neue Materialien<br />
und neue Herstellungsverfahren z.B. von Bauprodukten auch Stoffe in den Innenraum,<br />
über deren Gesundheits- und Umweltrisiko bisher wenig bekannt ist.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 8
Grundlagen<br />
Biologische Luftschadstoffe<br />
Bei biologischen Luftschadstoffen handelt es sich im Wesentlichen um Verunreinigungen<br />
durch Schimmelpilze und Bakterien.<br />
Schimmelpilze<br />
Schimmelpilz ist der Sammelbegriff <strong>für</strong> Pilze, die typische Pilzfäden und Sporen ausbilden<br />
können. Sie sind an der Zersetzung organischen Materials beteiligt und sind<br />
somit ein natürlicher Bestandteil der Umwelt. Zur Vermehrung und Verbreitung bilden<br />
Schimmelpilze Samen, die sogenannten Sporen. Die meisten Schimmelpilzsporen<br />
haben einen Durchmesser von unter 10 µm [14]. Sie können daher mit dem Wind in<br />
der Luft auch weite Strecken zurücklegen, in den Innenraum eindringen und vom<br />
Menschen eingeatmet werden. Neben der Möglichkeit, dass Schimmelpilze aus der<br />
Außenluft in den Innenraum gelangen, kann die Quelle auch im Innenraum selbst<br />
liegen. Hierzu benötigen sie ein bestimmtes Nährstoffangebot, wobei beispielsweise<br />
folgende Materialien als Nährstoffquellen dienen können [14]:<br />
- Holz, Spanplatten<br />
- Papier, Pappe, Karton (auch Gipskarton)<br />
- Tapeten, Tapetenkleister<br />
- Kunststoffe, Gummi, Silikon, Folien<br />
- Teppichböden, Kleber <strong>für</strong> Fußbodenbelag<br />
- Farben, Lacke<br />
- Leder<br />
Auch auf Materialien, die keine Nährstoffquellen bieten, können Schimmelpilze wachsen,<br />
wenn sich dort organische Partikel oder Staub absetzen. Zusätzlich spielt die<br />
Temperatur eine große Rolle. In Innenräumen liegt sie meist in einem <strong>für</strong> das<br />
Schimmelwachstum günstigen Bereich.<br />
Grundvoraussetzung <strong>für</strong> das Auftreten von Schimmelpilzen in Innenräumen ist aber<br />
eine hohe Luftfeuchtigkeit. Besonders Gebäude (Neu- und sanierte Altbauten), die<br />
den Passivhaus- oder Niedrigenergiehausstandard erfüllen, besitzen eine sehr dichte<br />
Außenhülle und können bei einer ungenügenden Belüftung (fehlende aktive Lüf-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 9
Grundlagen<br />
tungsanlage, unzureichendes Lüftungsverhalten) eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit<br />
aufweisen. Neben dem Lüftungsverhalten beeinflusst auch der Raumnutzer durch<br />
Aktivitäten wie Kochen, Wäschetrocknen oder Duschen die Luftfeuchtigkeit. Weitere<br />
Gründe <strong>für</strong> eine erhöhte Luftfeuchtigkeit sind bauliche Mängel. Beispielsweise kann<br />
durch Undichtigkeiten im Dach oder Mauerwerk Feuchtigkeit in das Gebäude eindringen.<br />
Werden im Zuge einer energetischen Sanierung Wärmedämmungen falsch<br />
angebracht, können Wärmebrücken in der Außenhülle entstehen, die zu Tauwasserbildung<br />
im Innenraum führen können. Weitere Ursachen in Form baulicher Mängel<br />
stellen unentdeckte oder unzureichend reparierte Wasserschäden dar.<br />
Werden Schimmelpilz-Sporen oder Stoffwechselprodukte über die Luft eingeatmet,<br />
können allergische und reizende Reaktionen hervorgerufen werden, wobei Symptome<br />
wie Bindehaut-, Hals- und Nasenreizungen, Husten, Kopfschmerzen oder Müdigkeit<br />
auftreten können. Einige Schimmelpilze sind in der Lage, Mykotoxine zu produzieren,<br />
die beim Menschen sehr wirksam sind. Diese können ebenfalls zu Erkrankungen<br />
führen, wenn das Immunsystem geschwächt sein sollte.<br />
Der typische Schimmelgeruch wird durch flüchtige organische Verbindungen erzeugt,<br />
die der Schimmelpilz produziert. Diese werden MVOC (Microbial Volatile Organic<br />
Compounds) genannt, wobei es sich um ein Gemisch aus Stoffen wie Alkoholen,<br />
Terpenen oder Aldehyden handelt. Eine Exposition der Raumnutzer mit MVOC kann<br />
in seltenen Ausnahmefällen zu Schleimhautreizungen und Kopfschmerzen führen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 10
Grundlagen<br />
Bakterien<br />
Bei einer erhöhten Luftfeuchtigkeit im Innenraum besteht nicht nur das Risiko der<br />
Schimmelbildung. Bedingt durch eine Vielzahl an Mikroorganismen bestehen auch<br />
weitere mikrobiologische Risiken. Beispielsweise handelt es sich bei Actinomyceten<br />
um Bakterien, die schimmelpilzartig wachsen und dabei Toxine und Antibiotika produzieren.<br />
Diese Toxine und Antibiotika können eine Gesundheitsgefährdung der<br />
Raumnutzer darstellen, rheumatoide Beschwerden der Raumnutzer können die<br />
Folge sein [15]. Amöben, andere Eukaryoten und verschiedene Bakterien kommen<br />
ebenfalls bei einer erhöhten Luftfeuchtigkeit vor. Hier besteht beispielsweise eine<br />
Gesundheitsgefahr durch Krankheitserreger, die einige Mikroorganismen beherbergen.<br />
2.1.2 Beurteilung der Qualität der Innenraumluft<br />
Die Beurteilung der Qualität der Innenraumluft erfolgt auf unterschiedliche Weise. Die<br />
folgenden Verfahren beziehen sich auf bestimmte Parameter, die als Leitgröße herangezogen<br />
werden.<br />
Luftfeuchtigkeit als Leitgröße<br />
Die Luftfeuchtigkeit spielt <strong>für</strong> das Vorkommen mikrobiologischer Gesundheitsrisiken<br />
eine große Rolle, wir Abschnitt 2.1.1 zu entnehmen ist. Eine Luftfeuchtigkeit auf einem<br />
Niveau von unter 65 % bis 70 % gilt allgemein als akzeptabel [14]. Unterschreitet<br />
die Luftfeuchtigkeit dauerhaft einen Wert von 35 %, so kann dies zu Funktionsbeeinträchtigungen<br />
der oberen und unteren Atemwege führen. Eine hohe Luftfeuchtigkeit<br />
kann in Kombination mit einer niedrigen Lufttemperatur rheumatische Erscheinungen<br />
bewirken [16]. Somit ist die Überwachung der Luftfeuchtigkeit sinnvoll und<br />
kann als Leitparameter <strong>für</strong> das Risiko des Auftretens mikrobiologischer Gesundheitsrisiken<br />
herangezogen werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 11
Grundlagen<br />
CO 2 -Konzentration als Leitgröße<br />
In Unterrichtsräumen von Schulen kommen häufig CO 2 -Ampeln zum Einsatz. Besonders<br />
hier ist es sinnvoll, die CO 2 -Konzentration zu überwachen, da diese durch eine<br />
große Personenanzahl in einem verhältnismäßig kleinen Raum hohe Werte erreichen<br />
kann. Als Richtwert wird eine CO 2 -Konzentration von 1500 ppm angegeben, wobei<br />
90 % der Unterrichtsräume ohne aktive Lüftungsanlage diesen Wert überschreiten<br />
und Werte bis 5000 ppm erreichen können [10]. Eine CO 2 -Ampel visualisiert die CO 2 -<br />
Konzentration nach dem Ampelprinzip. Leuchtet die grüne LED, so befindet sich die<br />
CO 2 -Konzentration in einem akzeptablen Bereich, leuchtet die rote LED, so wird eine<br />
Raumlüftung erforderlich.<br />
Nach einer Bewertung der Ad-hoc-Arbeitsgruppe „Innenraumrichtwerte“<br />
der Innenraumlufthygiene-Kommission des<br />
Umweltbundesamtes und der Obersten Landesgesundheitsbehörden<br />
gelten CO 2 -Konzentrationen über 2000 ppm<br />
in Unterrichtsräumen als inakzeptabel [10]. Da dieser Wert<br />
in Unterrichtsräumen rasch überschritten werden kann, gewährleistet<br />
hier möglicherweise eine CO 2 -Ampel ein sinnvolles<br />
Lüftungsverhalten gewährleisten.<br />
Im Wohnbereich können ebenfalls CO 2 -Konzentrationen<br />
über 2000 ppm auftreten [17]. Da sich hier jedoch üblicherweise<br />
weniger Personen aufhalten, sind die Werte im<br />
Vergleich zu Unterrichtsräumen von Schulen eher niedriger.<br />
Abbildung 1: CO 2-Ampel [18]<br />
VOC-Konzentration als Leitgröße<br />
Da die Verwendung flüchtiger organischer Verbindungen als Indikator <strong>für</strong> die Beurteilung<br />
der Qualität der Innenraumluft im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine zentrale<br />
Rolle einnimmt, wird im nächsten Abschnitt gesondert auf diesen Punkt eingegangen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 12
Grundlagen<br />
2.2 Flüchtige organische Verbindungen (VOC)<br />
VOC (Engl: Volatile Organic Compounds) ist eine Abkürzung <strong>für</strong> flüchtige organische<br />
Verbindungen. Hierbei handelt es sich um einen Sammelbegriff <strong>für</strong> organische Verbindungen,<br />
deren Grundgerüst aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht. Sie besitzen<br />
die Eigenschaft, dass sie flüchtig sind, also leicht verdunsten und somit bereits<br />
bei Raumtemperaturen gasförmig vorliegen. Nach [19] und [20] handelt es sich bei<br />
einem VOC um „eine organische Verbindung, die bei 293,15 K einen Dampfdruck<br />
von 0,01 kPa oder mehr hat oder unter den jeweiligen Verwendungsbedingungen<br />
eine entsprechende Flüchtigkeit aufweist“. VOC werden von der Weltgesundheitsorganisation<br />
WHO abhängig von ihrer Flüchtigkeit wie folgt klassifiziert:<br />
Beschreibung<br />
Sehr flüchtige<br />
organische<br />
Verbindungen<br />
Flüchtige<br />
organische<br />
Verbindungen<br />
Schwerflüchtige<br />
organische<br />
Verbindungen<br />
Staubgebundene<br />
organische<br />
Verbindungen<br />
Abkürzung<br />
Siedepunktbereich Sättigungsdampfdruck<br />
von (°C) bis (°C) (kPa)<br />
VVOC < 0 50 bis 100 > 15<br />
VOC 50 bis 100 240 bis 260 > 10 -2<br />
SVOC 240 bis 260 380 bis 400 10 -2 bis 10 -8<br />
POM > 380<br />
Tabelle 2: Klassifizierung von organischen Verbindungen nach [21]<br />
Pro Jahr werden bedingt durch den Menschen ca. 100 Mio. t VOC emittiert. Über den<br />
Umfang natürlicher VOC-Emissionen besteht bisher noch Unklarheit [22]. Im Innenraum<br />
kommt eine Vielzahl an Emissionsquellen in Frage. So lassen sich in der Innenraumluft<br />
weit über 100 unterschiedliche VOC nachweisen, die aus verschiedenen<br />
Quellen abgegeben werden können [23].<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 13
Grundlagen<br />
Grundsätzlich lassen sich VOC in sechs Klassen unterteilen [24]:<br />
- Kettenartige Kohlenwasserstoffe wie n-Alkane oder Isoalkane<br />
- Cycloalkane, - Aromatische Kohlenwasserstoffe<br />
- Chlorierte Kohlenwasserstoffe<br />
- Terpene<br />
- Carbonyle<br />
- Alkohole<br />
Kettenartige Kohlenwasserstoffe, Terpene oder Alkohole sind häufig in Bauholz oder<br />
Holzparkett zu finden. Hier sind insbesondere Terpene zu erwähnen, da diese trotz<br />
ihres allergenen Potentials häufig als natürlicher Ersatz in Holzpolituren oder -lacken,<br />
die mit einem Biosiegel versehen sind, vorkommen. Durch Feuerstätten, Kerzen oder<br />
Lampenöle können u.a. Alkane, Alkene, Alkohole oder aromatische Verbindungen<br />
freigesetzt werden. Möbel, Einrichtungsgegenstände, Wandverkleidungen oder Bodenbeläge,<br />
Klebstoffe oder Behandlungsmittel können u.a. Alkane, Carbonyle oder<br />
Terpene emittieren. Zu unregelmäßigen aber unter Umständen kurzzeitig sehr starken<br />
Erhöhungen der VOC-Freisetzung können Haushaltsmittel wie Reinigungs- oder<br />
Desinfektionsmittel beitragen. Hier kommt es möglicherweise zur Freisetzung von<br />
Alkanen, Alkoholen, Glykolen, Estern, Ketonen oder chlorierten Kohlenwasserstoffen.<br />
Durch die Anwesenheit von Menschen und Haustieren können u.a. körpereigene<br />
Geruchsstoffe, Stoffwechselprodukte oder die Anwendung von Kosmetika eine VOC-<br />
Freisetzung bedingen. Wie bereits erwähnt, können Mikroorganismen wie Schimmelpilze<br />
ebenfalls VOC emittieren. Eine weitere bedeutende VOC-Quelle stellt schließlich<br />
der Tabakrauch dar [24].<br />
2.2.1 Gesundheitsrisiken<br />
Über die Wirkung einzelner VOC und deren Konzentrationen in Innenräumen ist, wie<br />
in Abschnitt 2.1.1 bereits dargestellt, oft nur wenig bekannt. Häufig beobachtete gesundheitliche<br />
Beschwerden, die sich mit hoher Wahrscheinlichkeit auf erhöhte VOC-<br />
Konzentrationen zurückführen lassen, sind beispielsweise Reizungen der Schleimhäute<br />
an Augen, Rachen und Nase, Ermüdungserscheinungen, Kopfschmerzen und<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 14
Grundlagen<br />
erhöhte Infektionsanfälligkeit im Bereich der Atemwege, sowie unangenehme Geruchs-<br />
und Geschmackswahrnehmungen, etc. [23]. Darüber hinaus können VOC-<br />
Verbindungen kanzerogene Eigenschaften aufweisen oder Allergien verursachen<br />
[24].<br />
2.2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von VOC<br />
Eine einheitliche Beschreibung der physikalischen und chemischen Eigenschaften<br />
von VOC ist hinsichtlich der Vielfalt der zu dieser Stoffgruppe zählenden Verbindungen<br />
prinzipiell nicht möglich. Dies liegt insbesondere daran, dass einzelne VOC ein<br />
unterschiedliches Temperaturverhalten besitzen. Im Folgenden soll jedoch zum besseren<br />
Verständnis das grundlegende Verhalten von VOC dargestellt werden.<br />
Die interessanteste Frage ist, bei welchen Bedingungen die einzelnen VOC in welcher<br />
Größenordnung aus den VOC-Emittenten austreten. Die Emission von VOC<br />
erfolgt in erster Linie durch den Phasenübergang von der flüssigen in die gasförmige<br />
Phase (auch Phasenübergänge von der festen Phase in die flüssige Phase sind<br />
möglich). Dieser Phasenübergang erfolgt durch Verdampfung, indem einzelne Moleküle<br />
die Anziehungskräfte an der Oberfläche der Flüssigkeit überwinden und diese<br />
somit verlassen. Einzelne Moleküle, die durch Verdampfung von der flüssigen in die<br />
gasförmige Phase übergehen, treffen wieder auf die Flüssigkeit (Kondensation). Wie<br />
viele Moleküle die Flüssigkeit verlassen, hängt von der Temperatur ab. Da die einzelnen<br />
Moleküle bei höheren Temperaturen mehr Energie besitzen, um die Anziehungskräfte<br />
in der Flüssigkeit zu überwinden, nimmt die Verdampfung mit steigender<br />
Temperatur zu.<br />
Der Partialdruck, den die VOC-Moleküle in der gasförmigen Phase auf die Umgebungsluft<br />
des VOC-Emittenten ausüben, ist abhängig von dem Verhältnis der Verdampfung<br />
zur Kondensation. Dieser Partialdruck wird als Dampfdruck bezeichnet.<br />
Mit steigender Temperatur nimmt der Dampfdruck zu, da sich mehr VOC-Moleküle in<br />
der gasförmigen Phase befinden. Bei flüchtigen Stoffen, wie VOC, werden schon bei<br />
gewöhnlichen Temperaturen (um 20 °C) hohe Dampfdrücke erreicht [25]. Ist die Umgebungsluft<br />
an VOC-Molekülen gesättigt, stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Kon-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 15
Luftdruck<br />
Grundlagen<br />
densation und Verdampfung ein. Der Dampfdruck, der in dieser Situation vorliegt,<br />
wird als Sättigungsdampfdruck bezeichnet. Entspricht der Dampfdruck dem Umgebungsdruck,<br />
so ist der Siedepunkt erreicht und die gesamte Flüssigkeit beginnt zu<br />
verdampfen. Dieses Verhalten wird in Phasendiagrammen verdeutlicht, welche die<br />
Abhängigkeit der Phasenübergänge von Temperatur und Umgebungsdruck darstellen<br />
(siehe Abbildung 2). Die Linien, welche die Phasenübergänge von der flüssigen<br />
zur gasförmigen Phase (Dampf) markieren, stellen den von der Temperatur abhängigen<br />
Sättigungsdampfdruck dar (die Ordinate ist nicht mit dem Dampfdruck zu verwechseln,<br />
da es sich hierbei um den Atmosphärendruck handelt).<br />
Feststoff<br />
Flüssigkeit<br />
Dampf<br />
Temperatur<br />
Abbildung 2: Allgemeine Darstellung des Phasendiagramms eines einzelnen Stoffs<br />
In Wohnräumen erreichen VOC in der Regel nicht den Sättigungsdampfdruck, da<br />
sich die Temperaturen um einen Wert von 20 °C bewegen und bedingt durch den<br />
Luftwechsel mit der Außenluft immer offene Systeme vorliegen, die einen teilweisen<br />
Abtransport des VOC-Dampfes gewährleisten. Die Berechnung dieser offenen Systeme<br />
ist sehr komplex, da u.a. Diffusions-, Konvektions- und Absorptionsprozesse<br />
berücksichtigt werden müssen. Die Komplexität nimmt bei Stoffgemischen, wie der<br />
Gruppe aller VOC, weiter zu. Mathematische Beschreibungen sind in diesem Zusammenhang<br />
nur als Näherung praktikabel.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 16
Grundlagen<br />
2.2.3 Messung von VOC<br />
Photoionisationsdetektoren<br />
Diese Detektoren basieren auf dem Prinzip der Photoionisation und dienen der Ermittlung<br />
der Summenkonzentration aller detektierbaren organischen Verbindungen.<br />
Hierzu wird die Umgebungsluft über eine Pumpe in eine Messkammer befördert. In<br />
der Messkammer werden die in der angesaugten Luft vorhandenen flüchtigen organischen<br />
Verbindungen über das UV-Licht einer Gasentladungslampe mit Energien<br />
von 10,6 oder 11,7 <strong>eV</strong> ionisiert. Über eine Hochspannung, die in der Messkammer an<br />
Elektroden angelegt ist, werden die Ionen abgesaugt. Der an den Elektroden messbare<br />
Ionisationsstrom ist ein Maß <strong>für</strong> die Konzentration der flüchtigen organischen<br />
Verbindungen in der Umgebungsluft.<br />
Photoionisationsdetektoren sind kompakte Geräte, die <strong>für</strong> den mobilen Einsatz geeignet<br />
sind. Sie werden häufig z.B. bei der Leckage-Suche, bei der Überwachung<br />
von gesundheitsschädlichen Stoffen in geschlossenen Räumen oder im Katastrophenschutz<br />
verwendet.<br />
Flammenionisationsdetektor<br />
Im Gegensatz zu Photoionisationsdetektoren ermöglichen Flammenionisationsdetektoren<br />
die selektive Ermittlung flüchtiger organischer Verbindungen. Für eine Messung<br />
wird zunächst mittels eines Messröhrchens, das ein Trägermedium enthält, eine<br />
Luftprobe der zu analysierenden Umgebung genommen, indem über eine Pumpe<br />
Luft durch das Messröhrchen angesaugt wird. Im Labor werden die im Messröhrchen<br />
gebundenen organischen Verbindungen ausgespült und in einen Gaschromatographen<br />
gegeben. Hier werden die unterschiedlichen organischen Verbindungen über<br />
eine Trennsäule geleitet, wo eine Sortierung der organischen Verbindungen über die<br />
Zeit erfolgt, da sich große Moleküle mit einer geringeren Geschwindigkeit durch die<br />
Trennsäule bewegen und diese somit erst später verlassen als kleinere Moleküle.<br />
Anschließend erfolgt mittels einer Knallgasflamme eine thermische Ionisation der<br />
organischen Verbindungen. Die so produzierten Ionen werden im Massenspektro-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 17
Grundlagen<br />
meter analysiert. Das Messsignal, aufgetragen über die Zeit, stellt ein Maß <strong>für</strong> die<br />
Zusammensetzung der organischen Verbindungen dar.<br />
Obwohl diese Messmethode den Vorteil der selektiven Ermittlung flüchtiger organischer<br />
Verbindungen ermöglicht, ergeben sich auch Nachteile und Probleme. Zum<br />
einen kann keine Langzeitmessung durchgeführt werden, da die eigentliche Messung<br />
nach der Probenahme in einem Labor erfolgt. Eine „live-Messung“ ist dadurch<br />
ebenfalls nicht möglich. Zum anderen ergeben sich Probleme bei der Vergleichbarkeit<br />
unterschiedlicher Messungen. Die Messröhrchen beinhalten unterschiedliche<br />
Trägermedien (z.B. Aktivkohle oder Tenax), die bei der Aufnahme flüchtiger organischer<br />
Verbindungen ein unterschiedliches Verhalten aufweisen. Eine Variation der<br />
Luftdurchsatzmenge bei den Probenahmen kann ebenfalls zu einer Variation der im<br />
Messröhrchen aufgenommenen Menge an organischen Verbindungen führen. Diese<br />
Messmethode dient somit in erster Linie einer qualitativen, nicht jedoch einer zeitaufgelösten,<br />
quantitativen Analyse der organischen Verbindungen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 18
Grundlagen<br />
2.3 Luftwechselrate<br />
Für die Qualität der Innenraumluft spielt die Luftwechselrate eine große Rolle. Unter<br />
der Luftwechselrate wird der Anteil des Raumvolumens verstanden, der pro Zeiteinheit<br />
ausgetauscht wird. Sie ist somit ein Maß <strong>für</strong> die Belüftung eines Raumes. Über<br />
folgenden Zusammenhang kann sie als ein auf das Raumvolumen normierter Volumenstrom<br />
(sowohl der ein-, als auch der ausströmenden Luft) verstanden werden.<br />
(2.1)<br />
So hängen die Luftfeuchtigkeit, die CO 2 -Konzentration, die VOC-Konzentration und<br />
eine große Zahl weiterer Luftschadstoffe stark von der Luftwechselrate ab. Ist die<br />
Luftwechselrate zu gering, können sich Luftschadstoffe in der Raumluft anreichern,<br />
was zu einer Gesundheitsgefährdung der Raumnutzer führen kann.<br />
2.3.1 Anforderungen an die Luftwechselrate<br />
In Teil 2 der DIN 4108 [26] wird <strong>für</strong> Gebäude, deren Innenräume als Aufenthaltsräume<br />
dienen und die auf eine normale Innentemperatur (19 °C) beheizt werden, ein<br />
Mindestluftwechsel von 0,5 h -1 gefordert. Zu diesen Gebäuden zählen u.a. Wohngebäude,<br />
Büros, Schulen, Krankenhäuser und Geschäfte. Anlage 4 der Energieeinsparverordnung<br />
[5] gibt dagegen eine Obergrenze <strong>für</strong> die Luftwechselrate an. So darf<br />
aus energetischen Gründen der sogenannte n 50 -Wert bei Gebäuden mit raumlufttechnischen<br />
Anlagen einen Wert von 1,5 h -1 und bei Gebäuden ohne raumlufttechnische<br />
Anlagen einen Wert von 3 h -1 nicht überschreiten. Bei dem n 50 -Wert handelt es<br />
sich um die Luftwechselrate, die bei einem Differenzdruck innen-außen von 50 Pa<br />
besteht. Dieser n 50 -Wert wird im Wesentlichen durch das Differenzdruck-Messverfahren<br />
bestimmt (siehe Abschnitt 2.3.2). Während die Obergrenze der Luftwechselrate<br />
Zwecken der Energieeinsparung dient, ist die Mindestluftwechselrate <strong>für</strong> die Qualität<br />
der Innenraumluft ausschlaggebend. Die Selbstlüftung (Luftwechselrate bei geschlossenen<br />
Fenstern und Türen) kann im Rahmen einer energetischen Sanierung,<br />
wie beispielsweise dem Einbau dichterer Fenster, erheblich abgesenkt werden. So<br />
kann beispielsweise bei energetisch nicht sanierten Gebäuden die Selbstlüftung bei<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 19
Grundlagen<br />
ca. 1 h -1 und bei energetisch sanierten Gebäuden bei ca. 0,15 h -1 liegen [16]. Während<br />
im genannten Beispiel die Mindestluftwechselrate bei dem nicht energetisch<br />
sanierten Gebäude gewährleistet wird, sind bei dem energetisch sanierten Gebäude<br />
weitere Lüftungsmaßnahmen notwendig, um eine ausreichende Qualität der Innenraumluft<br />
zu gewährleisten.<br />
Lüftungsmaßnahmen zur Gewährleistung der Qualität der Innenraumluft können aktiv<br />
oder passiv erfolgen. Aktive Lüftungsmaßnahmen erfolgen durch raumlufttechnische<br />
Anlagen, die eine Zwangslüftung bewirken. Bei passiven Lüftungsmaßnahmen handelt<br />
es sich um Fenster- oder Schachtlüftung. Da diese ohne menschliches oder<br />
technisches Zutun ausschließlich durch natürliche Luftströmungen erfolgt, wird sie<br />
auch als „natürliche Lüftung“ bezeichnet.<br />
Erfolgen die Lüftungsmaßnahmen durch passives Lüften, so ist das Erreichen des<br />
Mindestluftwechsels in erster Linie vom Nutzerverhalten (Nutzung der Räume und<br />
das damit verbundene Lüftungsverhalten) abhängig. Die passive Lüftung wird durch<br />
zwei Hauptformen repräsentiert: der Dauerlüftung und der Stoßlüftung [16]. Eine<br />
Dauerlüftung kann über einen längeren Zeitraum auch ohne die Anwesenheit von<br />
Personen erfolgen („Kippfenster“). Der Nachteil, besonders im Winter, besteht in der<br />
Auskühlung der Räume (Wände, Inventar) und damit in einem erhöhten Schimmelpotential.<br />
Die Stoßlüftung erfolgt über kurze Zeiträume und stellt eine Erhöhung der<br />
Luftwechselrate durch ein maximales Öffnen von Fenstern oder anderen Öffnungen<br />
dar. Je nach Art der Stoßlüftung (Quer-, Diagonal- oder einseitige Lüftung) können<br />
Luftwechselraten von bis zu 40 h -1 erreicht werden [27]. Dauer und Form der Lüftung<br />
und somit die Gewährleistung des Mindestluftwechsels hängen direkt vom Raumnutzer<br />
ab. Auf welche Art und Weise der Raumnutzer die Lüftung betreibt, hängt wiederum<br />
von mehreren Indikatoren ab. Bei Indikatoren, die den Raumnutzer zu der<br />
Durchführung einer Lüftung veranlassen, kann es sich beispielsweise um unangenehme<br />
Gerüche (Essen, Ausdünstungen, Zigarettenrauch) oder um eine erhöhte<br />
CO 2 -Konzentration, die sich durch erhöhte Müdigkeitserscheinungen äußert, handeln.<br />
Außentemperaturen (Kälte im Winter, Hitze im Sommer), Lärmbelastung außerhalb<br />
des Gebäudes oder starke Sonneneinstrahlung können Gegenindikatoren<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 20
Grundlagen<br />
einer Lüftung sein. Ein weiterer Parameter stellt die Anwesenheit der Raumnutzer<br />
dar, da diese zur Durchführung einer Stoßlüftung vorausgesetzt ist.<br />
Mit einer aktiven Lüftung des Gebäudes kann die geforderte Mindestluftwechselrate<br />
gewährleistet werden. Eine hierzu notwendige raumlufttechnische Anlage bedarf einer<br />
regelmäßigen Wartung, da sich ansonsten Mikroorganismen in der Anlage anreichern<br />
können, was eine erhöhte Schadstoffbelastung der Raumnutzer bedeuten<br />
kann. Da raumlufttechnische Anlagen in der Regel im automatischen Betrieb <strong>für</strong> den<br />
Erhalt der Mindestluftwechselrate sorgen, spielt das Nutzerverhalten hier eine untergeordnete<br />
Rolle.<br />
2.3.2 Messung der Luftwechselrate<br />
Indikatorgasverfahren<br />
Ein bisher übliches Verfahren zur Ermittlung der Luftwechselrate stellt das Indikatorgasverfahren<br />
nach DIN EN ISO 12569 [28] dar. Hierbei wird in den zu untersuchenden<br />
Raum ein Indikatorgas (z.B. SF 6 ) aktiv eingebracht. Die Luftwechselrate bewirkt<br />
eine Konzentrationsabnahme des Indikatorgases. Über empfindliche Gasanalysatoren<br />
wird diese Konzentrationsabnahme gemessen und hieraus die Luftwechselrate<br />
berechnet. Die hohen Ansprüche an die Gasanalysatoren bedeuten einen hohen<br />
Messaufwand. Das aktive Einbringen eines Indikatorgases führt dazu, dass die<br />
Raumnutzer den Raum nicht in gewohnter Weise nutzen können, obwohl die Raumnutzung<br />
eine bedeutende Beeinflussung der Luftwechselrate darstellt. Darüber hinaus<br />
wird das <strong>für</strong> eine Messung einmalig in den Raum eingebrachte Indikatorgas, bedingt<br />
durch den Luftwechsel, innerhalb einer kurzen Zeit verdünnt, so dass der<br />
Messzeitraum reduziert wird.<br />
Das Indikatorgasverfahren dient somit in erster Linie dazu, die Dichtheit der Gebäudehülle<br />
oder den Wirkungsgrad einer Lüftungsanlage zu beurteilen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 21
Grundlagen<br />
Differenzdruck-Messverfahren<br />
Das in DIN EN 13289 [29] geregelte Differenzdruck-Messverfahren dient ebenfalls in<br />
erster Linie der Beurteilung der Gebäudedichtheit. Zur Durchführung einer Differenzdruck-Messung<br />
wird in ein Fenster oder eine Tür eine Blende eingesetzt, die einen<br />
Ventilator und ein Druckdifferenzmessgerät beinhaltet. Über den Ventilator wird Luft<br />
in das Gebäude hinein oder aus dem Gebäude heraus transportiert. Die Förderleistung<br />
des Ventilators wird so geregelt, dass zwischen Gebäudeinnerem und -äußerem<br />
ein Differenzdruck von mindestens 10 Pa (bzw. das 5-fache des natürlichen Differenzdrucks,<br />
wenn dieser einen größeren Wert als 10 Pa aufweist) besteht. Die Förderleistung<br />
des Ventilators wird anschließend schrittweise erhöht, bis ein Differenzdruck<br />
von mindestens 50 Pa (empfohlen: 100 Pa) erreicht wird. Bei jedem eingestellten<br />
Differenzdruck wird schließlich über den jeweiligen Volumenstrom, der sich aus<br />
der Förderleistung des Ventilators ergibt, und aus dem Volumen des Gebäudes die<br />
Luftwechselrate berechnet. Die berechneten Werte der Luftwechselrate gelten jedoch<br />
nur bei Erreichen des jeweiligen Differenzdruckes. Beispielsweise wird bei einem<br />
Differenzdruck von 50 Pa der n 50 -Wert der Luftwechselrate aufgenommen. Es<br />
kann jedoch vorkommen, dass durch den angelegten Über- oder Unterdruck die<br />
Dichtheit der Gebäudehülle verändert wird (z.B. Aufdrücken von Dichtungen). Daher<br />
sollten Differenzdruck-Messverfahren sowohl bei Über- als auch bei Unterdruck erfolgen.<br />
Auch wenn das Differenzdruck-Messverfahren die Berechnung einer Luftwechselrate<br />
erlaubt, dient es nicht der Ermittlung der natürlichen Luftwechselrate unter Normalbedingungen,<br />
da sie nur durch einen aktiven Eingriff gemessen werden und somit primär<br />
der Beurteilung der Gebäudedichtheit <strong>für</strong> z.B. energetische Fragestellungen dienen<br />
kann.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 22
Grundlagen<br />
CO 2 als Indikator<br />
Eine Möglichkeit, die Luftwechselrate zu bestimmen, ohne künstlich ein Indikatorgas<br />
in den Innenraum einzubringen und ohne den Innenraum mit Differenzdrücken zu<br />
beaufschlagen, ist die Verwendung von CO 2 als Indikator [9]. Der Vorteil besteht hier<br />
darin, dass die Raumnutzer den Innenraum ohne Einschränkungen in gewohnter<br />
Weise nutzen können. Ist eine gegenüber der Außenluft erhöhte CO 2 -Konzentration<br />
im Innenraum vorhanden, so kann bei bekannter CO 2 -Quellstärke die Luftwechselrate<br />
berechnet werden. Da jedoch der Raumnutzer die Hauptquelle des CO 2 in Innenräumen<br />
darstellt, ergeben sich auch gewisse Unsicherheiten und Einschränkungen<br />
<strong>für</strong> das Verfahren. So wird nach [9] <strong>für</strong> einen Raumnutzer eine mittlere CO 2 -<br />
Emission von 18 L/h angenommen, die jedoch je nach Anzahl und körperlicher Aktivität<br />
der Raumnutzer deutlich schwanken kann. Die Verwendung ist daher, wie bei<br />
dem bereits erläuterten Indikatorgasverfahren, hauptsächlich zur Ermittlung der Luftwechselrate<br />
bei Abwesenheit der Raumnutzer geeignet, stellt dem gegenüber jedoch<br />
eine kostengünstigere Variante dar.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 23
Grundlagen<br />
2.4 Radon<br />
Radon ist ein farb-, geschmack- und geruchsloses radioaktives Edelgas, das natürlicherweise<br />
im Gestein und im Erdreich vorkommt. Durch Undichtigkeiten in erdberührenden<br />
Teilen von Gebäuden kann es in den Wohnraum eindringen und dort zu einer<br />
Strahlenexposition der Hausbewohner führen. Mit etwa 1,1 mSv pro Jahr macht es<br />
etwa 50 % der natürlichen Strahlenexposition in Deutschland aus. Es stellt somit die<br />
Hauptursache der natürlichen Strahlenexposition dar.<br />
Medizin:<br />
2 mSv<br />
Radon:<br />
1,1 mSv<br />
Kosmische<br />
Strahlung:<br />
0,3 mSv<br />
Inkorporation:<br />
0,3 mSv<br />
Terrestrische<br />
Strahlung:<br />
0,4 mSv<br />
Abbildung 3: Anteil des Radons an der jährlichen Strahlenexposition<br />
2.4.1 Herkunft und Vorkommen des Radons<br />
Radon stammt aus den Zerfallsreihen der sehr langlebigen Radionuklide Uran ( 238 U)<br />
und Thorium ( 232 Th), die sich natürlicherweise in Spuren im Gestein und im Erdreich<br />
befinden. Die Zerfallsreihen stellen Abfolgen radioaktiver Zerfälle unter Aussendung<br />
von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung dar, die von 238 U und 232 Th, den Mutternukliden,<br />
ausgehen und eine Vielzahl an Folgeprodukten durchlaufen, bis schließlich ein<br />
stabiles Endnuklid erreicht wird. Radon stammt aus dem radioaktiven Zerfall des Radiums<br />
und stellt in der Abfolge der Zerfallsreihe des Urans (Uran-Radium-Reihe,<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 24
Grundlagen<br />
siehe Abbildung 4) und der Zerfallsreihe des Thoriums (Thorium-Reihe) das einzige<br />
Folgeprodukt dar, das nicht als Schwermetall, sondern als Edelgas vorliegt.<br />
α<br />
214 Pb<br />
26,8 Minuten<br />
α<br />
218 Po<br />
3,05 Minuten<br />
β - 214 Bi<br />
β -<br />
19,9 Minuten<br />
β -<br />
α<br />
206 Pb<br />
stabil<br />
222 Rn<br />
3,825 Tage<br />
214 Po<br />
164 µs<br />
α<br />
210 Pb<br />
α<br />
22,3 Jahre<br />
α<br />
210 Po<br />
138 Tage<br />
α<br />
234 Th<br />
24 Tage<br />
β - 234 Pa<br />
β -<br />
α<br />
α<br />
230 Th<br />
75.380 Jahre<br />
214 Po<br />
164 µs<br />
β -<br />
226 Ra<br />
1.600 Jahre<br />
210 Bi<br />
5 Tage<br />
238 U<br />
4,5 Mrd. Jahre<br />
6,7 Stunden 234 U<br />
245.500 Jahre<br />
Abbildung 4: Uran-Radium-Zerfallsreihe<br />
Mit der Eigenschaft eines Edelgases geht Radon keine chemischen Verbindungen<br />
ein, kann somit aus dem Gestein austreten und in den Porenraum des geologischen<br />
Untergrundes eindringen. Durch Konvektion und Diffusion gelangt es an die Erdoberfläche.<br />
Bis Radon an die Erdoberfläche steigt und dort austreten kann, vergeht<br />
eine gewisse Zeit, so dass die Halbwertszeit des Radons <strong>für</strong> seine Bedeutung ausschlaggebend<br />
ist. Das Radon, welches aus der Thorium-Reihe stammt und daher oft<br />
als „Thoron“ bezeichnet wird ( 220 Rn), besitzt eine Halbwertszeit von 55,6 Sekunden.<br />
Bevor es die Erdoberfläche erreichen kann, ist ein großer Teil des Thorons daher be-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 25
Grundlagen<br />
reits wieder zerfallen. Thoron spielt in erster Linie dann eine Rolle, wenn zum Bau<br />
eines Wohngebäudes Thorium-haltiges Baumaterial, wie beispielsweise Lehm, verwendet<br />
wird. Radon, das aus der Uran-Radium-Reihe stammt ( 222 Rn), besitzt gegenüber<br />
dem Thoron eine deutlich größere Halbwertszeit von 3,8 Tagen. Diese Zeit<br />
reicht aus, damit ein relevanter Teil der 222 Rn-Nuklide die Erdoberfläche erreichen<br />
und dort austreten kann. Einige Baumaterialien können auch als Radonquelle dienen,<br />
was jedoch gegenüber dem Radoneintrag aus dem geologischen Untergrund<br />
vernachlässigbar ist. Mit der längsten Halbwertszeit aller Radonisotope stellt 222 Rn<br />
das stabilste Radonisotop dar und besitzt somit die größte Bedeutung bei Radonuntersuchungen.<br />
Wie viel Radon im geologischen Untergrund gebildet wird, an die Erdoberfläche<br />
steigt und dort austreten kann, ist regional sehr unterschiedlich. Dies hängt in erster<br />
Linie von der Geologie hinsichtlich des Urananteils und der Durchlässigkeit <strong>für</strong> Radon<br />
ab. Im Gegensatz beispielsweise zum Muschelkalk findet sich ein hoher Urananteil<br />
hauptsächlich im Granit und in vulkanischen Gesteinen. Wie viel Radon tatsächlich<br />
aus dem Erdreich austreten und in die Atmosphäre oder in Wohngebäude eindringen<br />
kann, hängt darüber hinaus von der Durchlässigkeit des geologischen Untergrundes<br />
ab. So wird beispielsweise durch eine hohe Porosität, durch Verwerfungen im Gestein<br />
oder andere Wegsamkeiten die Durchlässigkeit des Bodens erhöht. Radon<br />
kann im Grundwasser gelöst werden, was zu einer erhöhten Mobilität in wasserführenden<br />
geologischen Strukturen führt. Bedingt durch bergbauliche Aktivitäten im geologischen<br />
Untergrund kann die Mobilität des Radons ebenfalls erhöht werden.<br />
Durch eine hohe Mobilität kann Radon schneller an die Erdoberfläche gelangen, so<br />
dass ein geringerer Anteil bereits im Boden zerfällt. Abbildung 5 verdeutlicht schematisch<br />
die Wegsamkeiten des Radons im geologischen Untergrund.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 26
Grundlagen<br />
Abbildung 5: Radontransport im geologischen Untergrund [30]<br />
Als Maß <strong>für</strong> das Radonpotential, das aussagt, wie viel Radon aus dem Erdreich austreten<br />
und in die Atmosphäre bzw. in Wohngebäude eindringen kann, dient die Aktivitätskonzentration<br />
in 1 m Tiefe, die sogenannte Bodenluftkonzentration. Dieses Radonpotential<br />
kann je nach geologischen Gegebenheiten stark variieren. So können<br />
nur wenige Meter voneinander entfernte Punkte im Erdreich stark abweichende Aktivitätskonzentrationen<br />
in der Bodenluft aufweisen. Einen Überblick verschafft die Bodenluftkarte<br />
in Abbildung 6, wobei anzumerken ist, dass die Karte der groben Orientierung<br />
dient und keine Aussagen über einen individuellen Standort erlaubt.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 27
Grundlagen<br />
Abbildung 6: Aktivitätskonzentration des Radons in der Bodenluft [31]<br />
Wie viel Radon tatsächlich aus dem Boden austritt, hängt darüber hinaus von den<br />
meteorologischen Bedingungen ab. In Deutschland beträgt die Radonkonzentration<br />
in der Außenluft ca. 5 Bq/m³ bis ca. 30 Bq/m³ [30].<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 28
Grundlagen<br />
2.4.2 Radon in Wohngebäuden<br />
Der Ursprung des Radons, das in den Wohnraum eindringt, liegt sowohl im geologischen<br />
Untergrund als auch in uran- oder thoriumhaltigen Baumaterialien. Radon aus<br />
dem Baumaterial spielt jedoch gegenüber dem Radon aus dem geologischen Untergrund<br />
eine untergeordnete Rolle.<br />
Das Radon aus dem geologischen Untergrund steigt an die Erdoberfläche und tritt<br />
dort einerseits in die Atmosphäre aus, gelangt aber andererseits durch Undichtigkeiten<br />
im Kellergeschoss oder in anderen erdberührenden Hausbereichen in das Gebäudeinnere.<br />
Als mögliche Undichtigkeiten kommen z.B. Durchbrüche <strong>für</strong> Rohrleitungen,<br />
Kabeldurchführungen oder Risse im Mauerwerk in Frage. Der Radoneintritt<br />
hängt somit stark vom Alter und baulichem Zustand des Wohngebäudes ab.<br />
Ausgehend vom Gebäudeuntergrund verteilt sich das Radon im Gebäude, wobei die<br />
Aktivitätskonzentration mit steigendem Stockwerk abnimmt, zum einen bedingt durch<br />
den radioaktiven Zerfall des Radons mit einer Halbwertzeit von 3,8 Tagen und zum<br />
anderen durch die Belüftung der Wohnräume. Je nach Luftwechselrate reichert sich<br />
Radon im Gebäude an, was zu einer gegenüber der Außenluft erhöhten Radonkonzentration<br />
führt. Die Luftwechselrate in Gebäuden hängt vom baulichen Zustand des<br />
Gebäudes und vom Lüftungsverhalten der Raumnutzer ab. So können bauliche<br />
Energiesparmaßnahmen in Verbindung mit einem unzureichenden Lüftungsverhalten<br />
zu einer deutlichen Reduktion des Luftwechsels und somit zu einer Erhöhung der<br />
Radonkonzentration führen. Darüber hinaus werden Radoneintritt und -ausbreitung<br />
durch Witterungsbedingungen beeinflusst. So wird beispielsweise durch warme aufsteigende<br />
Luft ein Unterdruck im Keller erzeugt (Kamineffekt), der den Radoneintritt<br />
aus dem Gebäudeuntergrund begünstigt. In den meisten Gebäuden sind daher je<br />
nach Jahreszeit unterschiedliche Radonkonzentrationen vorzufinden.<br />
Abbildung 7 verdeutlicht die Eintritts- und Ausbreitungswege des Radons und zeigt<br />
eine exemplarische Aktivitätsverteilung im Gebäude.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 29
Grundlagen<br />
Abbildung 7: Eintritts- und Ausbreitungswege des Radons im Gebäude [30]<br />
Durchschnittlich ergibt sich in Deutschland in Wohnräumen eine Radonkonzentration<br />
von 50 Bq/m³, wobei die vorzufindenden Werte von ca. 10 bis über 1000 Bq/m³ variieren.<br />
In ungefähr 5 bis 10 % der Wohnräume treten Werte von über 100 Bq/m³ und<br />
in ungefähr 0,04 % der Wohnräume treten Werte von über 1000 Bq/m³ auf [30]. Die<br />
tatsächlich vorzufindende Radonkonzentration kann von Gebäude zu Gebäude auch<br />
in unmittelbarer Nachbarschaft stark schwanken, da eine große Abhängigkeit vom<br />
baulichen Zustand des Gebäudes und vom geologischen Untergrund besteht.<br />
2.4.3 Gesundheitsrisiken durch Radon<br />
Radon zerfällt unter Aussendung von Alphastrahlung in weitere Folgeprodukte, bei<br />
denen es sich um Schwermetalle handelt. Die Folgeprodukte lagern sich an Oberflächen<br />
und an Aerosolen wie z.B. Staub oder Zigarettenrauch an. Je nach Aerosolgehalt<br />
der Luft kann der Anteil der in der Luft verbleibenden und somit im Wohnraum<br />
mobilen Folgeprodukte variieren, so dass z.B. eine Erhöhung des Aerosolgehaltes<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 30
Grundlagen<br />
eine Erhöhung der Aktivitätskonzentration der Folgeprodukte bewirkt. Atmet der<br />
Mensch Radon und dessen Folgeprodukte ein, so verbleiben ca. 10 - 20 % der Folgeprodukte<br />
in der Lunge. Radon wird fast vollständig wieder ausgeatmet. Die Folgeprodukte<br />
dagegen zerfallen hauptsächlich unter Aussendung von Alpha- und Betastrahlung,<br />
was eine Strahlenexposition der Lunge zur Folge hat. Durch diese Strahlenexposition<br />
können Lungenzellen geschädigt und somit die Entstehung eines Lungenkarzinoms<br />
begünstigt werden.<br />
In epidemiologischen Studien wurde der Zusammenhang zwischen erhöhten Radonkonzentrationen<br />
und einem erhöhten Auftreten von Lungenkrebs untersucht. Diese<br />
ergaben, dass bei einem Anstieg der Radonkonzentration um 100 Bq/m³ das<br />
Lungenkrebsrisiko um 10 % anstieg, wobei erst ab einem Wert von 140 Bq/m³ eine<br />
signifikante Erhöhung zu beobachten ist [32, 33]. Neben der Radonexposition wurde<br />
unter anderem das Rauchverhalten der Raumnutzer berücksichtigt, da Rauchen der<br />
mit Abstand bedeutendste Risikofaktor ist. Dies ist wichtig, da Rauchen auch das<br />
durch Radon bedingte Risiko, an Lungenkrebs zu sterben, erhöht, was sich auch in<br />
folgender Grafik zeigt:<br />
18%<br />
16%<br />
14%<br />
12%<br />
10%<br />
8%<br />
6%<br />
0 Bq/m³<br />
800 Bq/m³<br />
4%<br />
2%<br />
0%<br />
Lebenslange<br />
Nichtraucher<br />
Raucher (bis zum<br />
30. Lebensjahr)<br />
Raucher (bis zum<br />
50. Lebensjahr)<br />
Raucher (bis zum<br />
75. Lebensjahr)<br />
Abbildung 8: Absolutes Risiko, bis zum Alter von 75 Jahren an Lungenkrebs zu sterben (zur Berechnung<br />
des Risikos von Rauchern wird von einem Konsum von 15 bis 24 Zigaretten pro Tag ausgegangen)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 31
Grundlagen<br />
In Abbildung 8 wird der Einfluss einer erhöhten Radonkonzentration (hier: 800 Bq/m³)<br />
auf das Risiko, an Lungenkrebs zu sterben, bei unterschiedlichem Rauchverhalten<br />
gegenübergestellt. Die Erhöhung des Risikos durch eine Erhöhung der Radonkonzentration<br />
liegt bei Nichtrauchern bei 0,3 %, während sie bei Rauchern (bis zum 75.<br />
Lebensjahr) bei 6,5 % liegt. Die Gesundheitsgefährdung durch Radon ist somit<br />
hauptsächlich eine Gesundheitsgefährdung <strong>für</strong> Raucher und spielt <strong>für</strong> Nichtraucher<br />
eine eher untergeordnete Rolle.<br />
2.4.4 Messung des Radons<br />
Aufgrund der Vielzahl an Einflüssen auf die Radonkonzentration in Gebäuden kann<br />
die Situation in einem individuellen Gebäude nicht anhand der Situation in Nachbargebäuden<br />
oder anhand der Bodenluftkarte aus Abbildung 6 beurteilt werden. Eine<br />
sinnvolle Beurteilung ist daher nur anhand einer Messung der Radonkonzentration<br />
möglich. Hierzu steht eine Vielzahl an Messverfahren zur Verfügung. Welches Messverfahren<br />
ausgewählt wird, hängt von mehreren Parametern ab wie z.B. der geforderten<br />
Genauigkeit, der Notwendigkeit einer zeitaufgelösten Messung oder der Wirtschaftlichkeit.<br />
Im Folgenden soll ein Überblick über die wichtigsten Radonmessverfahren<br />
gegeben werden:<br />
Passive Messung<br />
Passive Messverfahren werden häufig zur Ermittlung der mittleren Radonkonzentration<br />
in Gebäuden genutzt. Die hierzu notwendigen Messgeräte werden nicht elektrisch<br />
betrieben. Sie sind zwar kompakt und preisgünstig, bieten jedoch keine Möglichkeit<br />
einer zeitaufgelösten Messung, da sie über den Messzeitraum integrierend<br />
messen. Erst nach Abschluss einer Messung werden die Messgeräte ausgelesen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 32
Grundlagen<br />
Aktivkohleverfahren<br />
Dieses Verfahren nutzt verschließbare Behälter, wie z.B. Röhrchen oder Dosen, die<br />
mit Aktivkohle und Trockenmittel gefüllt sind. Der Behälter wird während der Messung<br />
geöffnet, so dass Radon eindringen kann. Die Aktivkohle nimmt nun Radon aus<br />
der Umgebungsluft auf. Die Messung wird beendet, indem der Behälter wieder luftdicht<br />
verschlossen wird. Das Radon wird nicht direkt in der Aktivkohle detektiert,<br />
sondern gespeichert und erst nach Ende des Messzeitraums in einem Labor detektiert.<br />
Da die Aktivkohle das aufgenommene Radon innerhalb weniger Stunden wieder<br />
abgibt, wäre ein Messzeitraum von mehreren Tagen nutzlos. Aktivkohleverfahren<br />
werden daher primär zu Übersichtsmessungen mit Messzeiten von ein bis maximal<br />
drei Tagen angewendet [34].<br />
Kernspurverfahren<br />
Ein Kernspurdetektor besteht aus einer Diffusionskammer, in der sich ein Kernspurfilm<br />
befindet. Vor Beginn der Messung ist der Kernspurdetektor gasdicht verpackt.<br />
Die Messung beginnt mit dem Öffnen der Verpackung. Über einen Filter, der die Folgeprodukte<br />
des Radons zurückhält, diffundiert Radon in die Kammer. Durch den<br />
Zerfall des Radons und dessen in der Kammer entstandenen Folgeprodukte werden<br />
Alphateilchen emittiert. Diese Alphateilchen hinterlassen unsichtbare Spuren auf dem<br />
Kernspurfilm, bei dem es sich beispielsweise um eine strahlungsempfindliche Kunststofffolie<br />
handelt.<br />
Abbildung 9: Kernspurdosimeter - Links ist die Unterseite des Dosimeters mit der Kammer und rechts die<br />
Oberseite mit Kammeröffnung und Filter zu sehen<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 33
Grundlagen<br />
Nach Abschluss der Messung erfolgt die Auslesung in einem Labor, indem die<br />
unsichtbaren Spuren in der Folie durch ein Ätzverfahren sichtbar gemacht und so<br />
ausgezählt werden können. Über die Dichte der Spuren kann die über die Messzeit<br />
integrierte Radonkonzentration am Messort bestimmt werden. Dieses Verfahren eignet<br />
sich somit <strong>für</strong> Bewertungsmessungen des Radonniveaus, die über lange Zeiträume<br />
(bis zu mehreren Monaten) erfolgen können [34].<br />
Passive Radonexposimeter mit automatischer Schaltung<br />
Bei diesem Messgerät, das sich in der Erprobungsphase befindet, handelt es sich um<br />
eine Kombination eines Kernspurdetektors mit einer Mikrocontroller-Steuerung. Über<br />
einen Verschluss, der über den Mikrocontroller angesteuert wird, kann der Kernspurfilm<br />
abgedeckt und so die Integrationszeit beschränkt werden. Dies kann dazu dienen,<br />
die Integrationszeit auf bestimmte Tageszeiten zu beschränken, was besonders<br />
in der Personen- oder Ortsdosimetrie an Arbeitsplätzen relevant ist. Ein integrierter<br />
Beschleunigungssensor ermöglicht eine Beschränkung der Integrationszeit auf die<br />
Tragezeit in der Personendosimetrie [36, 35]. Darüber hinaus ist eine Verwendung<br />
mehrerer Geräte denkbar, die zu unterschiedlichen Tageszeiten geschaltet werden,<br />
um über den gesamten Messzeitraum einen mittleren Tagesgang der Radonkonzentration<br />
zu erhalten.<br />
Abbildung 10: Automatisiertes Radonexposimeter - au.raex<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 34
Grundlagen<br />
Elektretverfahren<br />
Hierbei handelt es sich um Kammern, an deren Boden eine elektrisch aufgeladene<br />
Folie, das sogenannte Elektret, angebracht ist, wodurch im Inneren ein elektrisches<br />
Feld erzeugt wird. Durch einen Filter, der die Folgeprodukte des Radons zurückhält,<br />
diffundiert Radon in die Kammer. Hier findet nun ein radioaktiver Zerfall statt, dessen<br />
emittierte Strahlung zu Ionisationsereignissen in der Kammerluft führt, so dass es<br />
durch die entstandenen Ladungsträger zu einer Entladung des Elektrets kommt. Die<br />
Ladungsänderung des Elektrets ist somit ein Maß <strong>für</strong> die Radonkonzentration am<br />
Messort. Das Auslesen ist mit einem mobilen Gerät möglich und muss nicht in einem<br />
Labor erfolgen. Bei Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch zu beachten, dass auch<br />
die Umgebungsstrahlung registriert wird [34].<br />
Aktive Messung<br />
Aktive Messungen erfolgen mit elektrisch betriebenen Messgeräten. Als Detektorsysteme<br />
kommen Ionisations- und Szintillationskammern, sowie alphaspektrometrische<br />
Systeme und Halbleiterdetektoren zum Einsatz [34]. Dieser Einsatz aktiver Messsysteme<br />
ermöglicht zeitaufgelöste Messungen mit wählbaren Messintervallen, was<br />
nicht nur eine Beurteilung des Radonniveaus, sondern auch des zeitlichen Verhaltens<br />
der Radonkonzentration ermöglicht.<br />
Radonmonitore<br />
Das bei Radonmonitoren am häufigsten zur Anwendung kommende Detektorsystem<br />
ist die Ionisationskammer. Über einen Filter, der die Folgeprodukte des Radons zurückhält,<br />
diffundiert Radon in die Ionisationskammer oder wird über eine Pumpe aktiv<br />
eingebracht. Der in der Kammer stattfindende radioaktive Zerfall emittiert Strahlung<br />
und führt zu Ionisationsereignissen in der Kammerluft, so dass an der Messkammer<br />
ein Stromimpuls gemessen werden kann. Aus der Impuls-Zählrate und dem Kammervolumen<br />
kann direkt die Radonkonzentration am Messort berechnet werden. Die<br />
Messunsicherheit ist geringer, je größer das Kammervolumen ist. Übliche Kammer-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 35
Grundlagen<br />
volumina liegen bei 0,5 L bis 1 L. Radonmonitore sind auch bei einer Zeitauflösung<br />
von weniger als einer Stunde zur Messung kleinerer Radonkonzentrationen geeignet.<br />
Aktive Radonexposimeter<br />
Das Einsatzgebiet aktiver Radonexposimeter liegt bei der Orts- und Personendosimetrie.<br />
Über einen Filter, der die Folgeprodukte des Radons zurückhält, diffundiert<br />
Radon in die Messkammer, in der sich ein Halbleiterdetektor befindet. Die Messkammer<br />
besitzt ein relativ kleines Volumen. Ein aktives Radonexposimeter ist <strong>für</strong><br />
Zeitauflösungen unter einer Stunde bei einer Radonkonzentration von unter<br />
100 Bq/m³ nicht geeignet. Es dient in erster Linie der Überwachung der Radonexposition<br />
an Arbeitsplätzen mit einer erhöhten Radonkonzentration von über<br />
1000 Bq/m³. Aktive Radonexposimeter sind im Gegensatz zu Radonmonitoren handlich<br />
und kostengünstig.<br />
Messunsicherheit<br />
Der von einem Messgerät ausgegebene Wert, der Anzeigewert, entspricht in der Regel<br />
nicht genau dem tatsächlichen Wert. Der Anzeigewert ist einer Messunsicherheit<br />
unterworfen, die aus unterschiedlichen Unsicherheitsquellen stammt. Bei einem Anzeigewert<br />
handelt es sich somit um einen Schätzwert der Messgröße, wobei eine<br />
Abschätzung der Unsicherheit eine Beurteilung der Qualität dieses Schätzwertes erlaubt.<br />
Zur Abschätzung der Messunsicherheit ist es notwendig, in einer Messunsicherheitsanalyse<br />
die Unsicherheitsbeiträge zu identifizieren und zu quantifizieren.<br />
Aus den einzelnen Unsicherheitsbeiträgen kann über die Gauß’sche Fehlerfortpflanzung<br />
die Standardunsicherheit des Messwertes berechnet werden. Ein wichtiger Unsicherheitsbeitrag<br />
bei einer Radonmessung liegt in der Zählstatistik, also im statistischen<br />
Charakter der Radioaktivität. Für die Standardabweichung einer Radioaktivitätsmessung<br />
kann folgender Zusammenhang herangezogen werden:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 36
Grundlagen<br />
(2.2)<br />
: Standardabweichung der Normalverteilung<br />
: gezählte Impulse<br />
Unter der einschränkenden Annahme, dass die Unsicherheit der Messung der Aktivitätskonzentration<br />
des Radons allein auf der Zählstatistik basiert, ergeben sich folgende<br />
Zusammenhänge <strong>für</strong> das Ansprechvermögen eines Radonmonitors:<br />
Besitzt ein Radonmonitor ein Kammervolumen von beispielsweise 1 L, so entsprechen<br />
6 Imp/min einer Radonkonzentration von 100 Bq/m³ (unter der Annahme, dass<br />
alle gemessenen Impulse ausschließlich aus dem Radonzerfall stammen). Erfolgt die<br />
Messung beispielsweise über 10 min, so sind 60 Impulse messbar. Die nach Gleichung<br />
2.2 berechnete Standardabweichung entspricht schließlich 7,5 Impulsen, was<br />
einer relativen Unsicherheit von 12,5 % entspricht.<br />
In der Praxis existieren neben der Zählstatistik jedoch noch weitere Unsicherheitsquellen.<br />
Hierzu gehören beispielsweise die Unsicherheit des Nullefektes, aber auch<br />
Linearitätsabweichungen oder Unsicherheiten in der Kalibrierung. Diese unterscheiden<br />
sich von Gerätetyp zu Gerätetyp oder von Einzelgerät zu Einzelgerät und werden<br />
daher hier nicht weiter aufgeführt. Eine genaue Kenntnis der typenspezifischen<br />
Kenngrößen des verwendeten Messgerätes ist daher zur Minimierung der Messunsicherheit<br />
von großer Bedeutung [37].<br />
2.4.5 Radonschutz<br />
Gesetzliche Regelungen<br />
In Deutschland gibt es bislang keine gesetzlichen Regelungen <strong>für</strong> einen verbindlichen<br />
Grenzwert. Jedoch wurden von mehreren Institutionen Empfehlungen veröffentlicht,<br />
die Richtwerte <strong>für</strong> die Radonkonzentration in Wohnräumen beinhalten. Hier<br />
kommen unterschiedliche Institutionen zu unterschiedlichen Bewertungen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 37
Grundlagen<br />
Im Radonhandbuch der Weltgesundheitsorganisation WHO wird folgende Empfehlung<br />
ausgesprochen [38]:<br />
“To limit the risk to individuals, a national reference level of 100 Bq/m³ is recommended.<br />
Wherever this is not possible, the chosen level should not exceed<br />
300 Bq/m³.”<br />
Es wird somit ein Eingreifwert von 100 Bq/m³ (Jahresmittelwert) empfohlen, ab dem<br />
Maßnahmen zur Reduzierung der Radonkonzentration ergriffen werden sollten. Es<br />
wird darüber hinaus empfohlen, Maßnahmen so durchzuführen, dass eine Radonkonzentration<br />
von 300 Bq/m³ als Jahresmittelwert nicht überschritten wird.<br />
Auf europäischer Ebene empfiehlt die EU, in bereits bestehenden Gebäuden ab einem<br />
Wert von 400 Bq/m³ Sanierungsmaßnahmen zur Senkung der Radonkonzentration<br />
zu ergreifen (Richtwert). Neue Gebäude sollten dagegen so geplant werden,<br />
dass eine Radonkonzentration von 200 Bq/m³ nicht überschritten wird [39].<br />
Die internationale <strong>Strahlenschutz</strong>kommission ICRP empfiehlt in der ICRP-Empfehlung<br />
115 einen Richtwert von 300 Bq/m³ [40] die deutsche <strong>Strahlenschutz</strong>kommission<br />
SSK von 250 Bq/m³ [41].<br />
Die Radonexposition an Arbeitsplätzen ist durch die <strong>Strahlenschutz</strong>verordnung geregelt<br />
[42]. In Teil A der Anlage XI erfolgt eine Auflistung der Arbeitsplätze, bei welchen<br />
erheblich erhöhte Radonexpositionen auftreten können. Hierzu zählen untertägige<br />
Bergwerke, Schächte und Höhlen einschließlich Besucherbergwerke, Radon-Heilbäder<br />
und -Heilstollen, sowie Anlagen der Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung.<br />
Für Personen, die an diesen Arbeitsplätzen tätig sind, muss gewährleistet<br />
werden, dass eine effektive Dosis von 20 mSv im Kalenderjahr nicht überschritten<br />
wird. Zur Umrechnung der effektiven Dosis in eine Radonkonzentration wird davon<br />
ausgegangen, dass eine Radonkonzentration von 0,32 MBq/m³ pro Stunde einer effektiven<br />
Dosis von 1 mSv entspricht. Bei einer jährlichen Arbeitszeit von 2000 Stunden<br />
muss somit gewährleistet werden, dass die Radonkonzentration einen Jahresmittelwert<br />
von 3200 Bq/m³ nicht übersteigt.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 38
Grundlagen<br />
Maßnahmen<br />
Zur Reduktion der Radonkonzentration in Innenräumen sind häufig bereits einfache<br />
Maßnahmen wie intensives Lüften der Wohnräume ausreichend. Soll die Radonkonzentration<br />
weiter reduziert werden, so empfehlen sich Sanierungsmaßnahmen, die<br />
auf zwei Hauptwegen erfolgen können [43]:<br />
- Durch bauliche Maßnahmen kann das Gebäude gegen den Radoneintritt<br />
abgedichtet werden.<br />
- Durch technische Einrichtungen wie Lüftungsanlagen oder sonstige<br />
Luftabsaugeinrichtungen kann die Radonkonzentration abgesenkt werden.<br />
Zu den baulichen Maßnahmen zählt in erster Linie das Abdichten von Rissen, Fugen<br />
und Rohrdurchführungen in Kellerräumen und anderen erdberührenden Gebäudeteilen.<br />
Hierzu können radondichte Folien oder radondichte Dichtmassen eingesetzt<br />
werden. Eine Abdichtung der Kellertür kann in einigen Fällen ausreichen, wenn die<br />
Kellerräume nicht als Aufenthaltsräume dienen.<br />
In vielen Fällen ist eine Abdichtung des Kellers und der erdberührenden Gebäudeteile<br />
nicht oder nur mit einem hohen Aufwand möglich (beispielsweise aufgrund der<br />
Gebäudesubstanz). In diesen Fällen können Ventilatoren zum Einsatz kommen.<br />
Dient der Keller nicht dem dauerhaften Aufenthalt der Gebäudenutzer, so kann in<br />
diesem über einen Ventilator ein Unterdruck gegenüber dem Wohnbereich erzeugt<br />
werden, wodurch der Radoneintritt in den Wohnbereich reduziert wird.<br />
Soll die Radonkonzentration auch im Keller reduziert werden, so kann ein sogenannter<br />
Radonbrunnen angelegt werden. Hierbei wird ein Schacht in der Bodenplatte<br />
des Gebäudes angelegt, in dem über einen Ventilator ein Unterdruck erzeugt wird.<br />
Die radonhaltige Luft aus dem Gebäudeuntergrund in der Umgebung des Radonbrunnens<br />
kann somit abgesaugt werden. Bei einem lockeren Gebäudeuntergrund<br />
kann diese Maßnahme bereits ausreichend sein. Je nach Beschaffenheit des Untergrundes<br />
können auch mehrere Radonbrunnen zum Einsatz kommen.<br />
Um bei einem Neubau Maßnahmen zum Radonschutz durchzuführen, ist es oft ausreichend,<br />
das Gebäude mit einer „Weißen Wanne“ auszustatten, die eine gute Abdichtung<br />
gegenüber dem Baugrund darstellt. Wichtig dabei ist, dass der Neubau<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 39
Grundlagen<br />
baulich korrekt ausgeführt wird. Zur weiteren Vorsorge kann in der Bauphase eine<br />
Drainage vorgesehen werden, die unter der Bodenplatte des Gebäudes verlegt wird.<br />
Diese Drainage besteht aus einem Rohrsystem, das an einen Ventilator angeschlossen<br />
wird. Die radonhaltige Luft aus dem Gebäudeuntergrund kann somit abgesaugt<br />
und in die Atmosphäre abgeführt werden.<br />
An Arbeitsplätzen nach Teil A der Anlage XI der <strong>Strahlenschutz</strong>verordnung [42] können<br />
häufig keine baulichen Maßnahmen durchgeführt werden. Die wichtigsten Maßnahmen<br />
bestehen bei Bergwerken und sonstigen untertägigen Bauwerken sowie bei<br />
Wasserwerken in der Bewetterung, also der Belüftung der Bauwerke mit Frischluft<br />
und in der Begrenzung der Aufenthaltszeit.<br />
2.4.6 Eignung des Radons als Indikatorgas<br />
Radon eignet sich aufgrund mehrerer Eigenschaften zu einer Verwendung als Indikatorgas.<br />
Es besitzt eine permanente Anwesenheit. Es ist als Edelgas chemisch und<br />
thermisch stabil und geht normalerweise keine Verbindungen mit anderen Stoffen<br />
ein, was dazu führt, dass die Aktivitätskonzentration neben dem radioaktiven Zerfall<br />
von einem zeitabhängigen Parameter, der Luftwechselrate, abhängt. Darüber hinaus<br />
bedarf die messtechnische Erfassung keines großen Aufwands.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 40
Grundlagen<br />
2.5 Filterung von Messsignalen<br />
Messsignale sind in der Regel einem gewissen Rauschen als Störgröße unterworfen.<br />
Der Grund hier<strong>für</strong> kann zum einen am statistischen Charakter der Messgröße (z.B.<br />
Radioaktivität) oder am Signalverarbeitungssystem (z.B. Verstärkerrauschen bei<br />
schwachen Messsignalen) liegen. Unter Rauschen kann ein unspezifisches Frequenzspektrum<br />
verstanden werden, welches das Frequenzspektrum des Nutzsignals<br />
überlagert. Über Filter können die durch das Rauschen verursachten Signalanteile<br />
abgeschwächt oder unterdrückt werden. Die Filterung stellt somit ein wichtiges Werkzeug<br />
bei der Verarbeitung von Messsignalen dar.<br />
Für die Durchführung einer Filterung steht eine Vielzahl an Filtersystemen zur Verfügung.<br />
Im Folgenden sollen zwei Arten der Filterung kurz erläutert werden:<br />
2.5.1 Tiefpassfilterung<br />
Mit einem Tiefpassfilter werden die hochfrequenten Anteile des Messsignals abgeschwächt<br />
bzw. unterdrückt. Die Tiefpassfilterung kann somit als Glättungsfilter verstanden<br />
werden. In seiner einfachsten Ausführung werden alle Signalanteile oberhalb<br />
einer gewählten Grenzfrequenz eliminiert, während die Signalanteile unterhalb<br />
dieser Grenzfrequenz den Tiefpassfilter ungehindert passieren können. Da Rauschen<br />
in der Regel aus hochfrequenten Anteilen besteht, kann über die Tiefpassfilterung<br />
das Rauschen reduziert werden. Das Problem besteht jedoch darin, dass auch<br />
hochfrequente Anteile des Nutzsignals unterdrückt werden können. Die Grenzfrequenz<br />
muss daher individuell nach der jeweiligen Messsituation gewählt werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 41
Grundlagen<br />
2.5.2 Filterung über Fensterfunktionen<br />
Die Filterung von Messsignalen über Fensterfunktionen findet Anwendung in der digitalen<br />
Signalverarbeitung. Sie erfolgt über folgende Einzelschritte:<br />
1. Dem Messsignal werden durch das sogenannte „zero-padding“ Nullen angefügt,<br />
so dass dessen Länge mit der Länge der Fensterfunktion übereinstimmt.<br />
2. Das aus dem ersten Schritt resultierende Signal wird über die Fourier-<br />
Transformation in den Frequenzbereich überführt.<br />
3. Das resultierende Spektrum wird mit einer Fensterfunktion multipliziert, wodurch<br />
eine unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Frequenzanteile erfolgt.<br />
Welche Frequenzanteile welche Gewichtung erhalten, hängt von der Wahl der<br />
Fensterfunktion und deren Breite ab.<br />
4. Das Signal wird durch die inverse Fourier-Transformation wieder in den Zeitbereich<br />
transformiert.<br />
Um eine möglichst effiziente Filterung ohne Verlust der Signalmerkmale zu realisieren,<br />
spielt bei diesem Filterungsvorgang die Wahl der geeigneten Fensterfunktion<br />
und deren Breite eine große Rolle. Hier stehen beispielsweise Rechteck-, Hamming-,<br />
Hanning- oder Blackmanfenster zur Verfügung. Der Vorteil dieser Vorgehensweise<br />
besteht darin, dass das Nutzsignal effizienter vom Störsignal getrennt werden kann.<br />
[44]<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 42
Grundlagen<br />
2.6 Modellbildung als Beschreibung eines Systems<br />
Zur Herstellung eines Zusammenhangs zwischen der Radonkonzentration und der<br />
Luftwechselrate soll das System über ein geeignetes Modell beschrieben werden.<br />
Eine erste Modellvorstellung erfolgt über das in Abbildung 11 dargestellte Schema.<br />
Eingangssignal<br />
(Luftwechselrate)<br />
System<br />
Raum,<br />
„Blackbox“<br />
Ausgangssignal<br />
(Radonkonzentration)<br />
Abbildung 11: System als Übertragungsglied mit Eingangs- und Ausgangssignal<br />
Der zu untersuchende Raum wird als System in Form eines Übertragungsgliedes<br />
betrachtet und stellt sich zunächst als „Blackbox“ dar, d.h. die genauen Vorgänge<br />
sind zunächst unbekannt. Wird ein Eingangssignal auf das System gegeben, so wird<br />
das System darauf in Form eines Ausgangssignals reagieren [45]. Als Eingangssignal<br />
dient im vorliegenden Fall die Luftwechselrate. Wird sie auf das System gegeben,<br />
so reagiert dieses mit einem Ausgangssignal, im vorliegenden Fall mit der Radonkonzentration.<br />
Zur genauen Beschreibung ist es sinnvoll, das System mit Eingangs- und Ausgangssignal<br />
sowie allen wichtigen Einfluss- und Störgrößen über mathematische Gleichungen<br />
oder ggf. Differentialgleichungen zu modellieren.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 43
Grundlagen<br />
2.6.1 Beschreibung über die mathematische Faltung<br />
Eine Möglichkeit, ein System zu modellieren, besteht mit Hilfe der mathematischen<br />
Faltung. Die Systembeschreibung erfolgt über die sogenannte Impulsantwort .<br />
Das Ausgangssignal dieses Systems ergibt sich aus der Faltung des Eingangssignals<br />
mit der Impulsantwort.<br />
Eingangssignal<br />
Impulsantwort<br />
Ausgangssignal<br />
Abbildung 12: Systembeschreibung über die Impulsantwort<br />
Für die Berechnung des Ausgangssignals wird das Eingangssignal mit der Impulsantwort<br />
gefaltet. Die Faltung wird über den Faltungsoperator gekennzeichnet und<br />
erfolgt über folgendes Faltungsintegral:<br />
y (2.3)<br />
Zur Berechnung des Ausgangssignals muss die Impulsantwort vorliegen. Darüber<br />
hinaus besteht die Bedingung, dass das System LTI-Eigenschaften aufweist [45].<br />
LTI-System<br />
Ein LTI-System (engl.: linear time-invariant system) besitzt die Eigenschaften der<br />
Linearität und der Zeitinvarianz.<br />
Ein System zeigt lineares Verhalten, wenn die Antwort auf eine Linearkombination<br />
von Eingangssignalen der entsprechenden Linearkombination der einzelnen<br />
Ausgangssignale entspricht [46]. Folgender Zusammenhang zeigt eine Linearkombination,<br />
bestehend aus zwei Eingangsgrößen:<br />
(2.4)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 44
Grundlagen<br />
Dieser Zusammenhang wird auch Superpositionsprinzip genannt. Die Proportionalitätsfaktoren<br />
werden in Gleichung 2.4 mit den Formelzeichen beschrieben.<br />
Folgende Abbildung zeigt ein System, das Linearität aufweist.<br />
Σ<br />
1(t)<br />
Σ<br />
)<br />
Abbildung 13: Linearität eines Systems nach [46]<br />
Ein System zeigt zeitinvariantes Verhalten, wenn die Antwort auf ein verzögertes Eingangssignal<br />
einem entsprechend verzögerten Ausgangssignal entspricht.<br />
(2.5)<br />
Die Antwort des Systems auf ein Eingangssignal ist somit unabhängig von dessen<br />
Zeitpunkt, die Systemeigenschaften bleiben zeitlich konstant.<br />
Impulsantwort<br />
Zur Ermittlung der Impulsantwort wird das System am Eingangssignal mit einer Impulsfunktion<br />
als Testsignal beaufschlagt. Bei einer Impulsfunktion handelt es sich um<br />
einen Dirac-Impuls mit folgenden Eigenschaften.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 45
Grundlagen<br />
Die Impulsantwort ergibt sich aus dem Ausgangssignal des Systems.<br />
Abbildung 14: Ermittlung der Impulsantwort<br />
In der Praxis ist es jedoch häufig nicht oder nur in grober Näherung möglich, eine<br />
Impulsfunktion zu erzeugen. Daher ist es sinnvoll, eine Sprungfunktion mit folgenden<br />
Eigenschaften als Testsignal zu verwenden:<br />
Hierbei steht <strong>für</strong> einen Skalierungsfaktor, der eine Anpassung der Sprungfunktion<br />
ermöglicht. Dieses Testsignal stellt somit einen einfachen Sprung von 0 auf einen<br />
definierten Wert dar, der technisch realisiert werden kann. Über die erste Ableitung<br />
hängt die Impulsfunktion mit der Sprungfunktion zusammen.<br />
Dieser Zusammenhang gilt ebenfalls <strong>für</strong> die Impuls- und Sprungantwort.<br />
(2.6)<br />
Somit kann über die technisch realisierbare Sprungantwort die Impulsantwort ermittelt<br />
und das System beschrieben werden, wobei folgende Vorgehensweise gilt:<br />
1. Erzeugung einer Sprungfunktion am Systemeingang<br />
2. Messung der Sprungantwort am Systemausgang<br />
3. Differenzierung der Sprungantwort<br />
4. Erhalt der Impulsantwort<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 46
Grundlagen<br />
Berechnung des Systems<br />
Ist das System über die Impulsantwort charakterisiert, so können über Gleichung 2.3<br />
Systemein- und -ausgang ineinander umgerechnet werden. Die Anwendung des Faltungsintegrals<br />
ist jedoch häufig mit einem hohen Aufwand verbunden. Daher empfiehlt<br />
es sich, Eingangssignal und Impulsantwort zunächst vom Zeitbereich in den<br />
Frequenzbereich zu überführen. Dies kann beispielsweise über die Fourier-Transformation<br />
erfolgen [45]. Im Frequenzbereich ergibt sich die Faltung durch folgende<br />
einfache Multiplikation:<br />
Zeitbereich:<br />
Frequenzbereich:<br />
Die inverse Faltung, also die Berechnung des Eingangssignals über Impulsantwort<br />
und Ausgangssignal, ergibt sich im Frequenzbereich durch einfache Division:<br />
Zeitbereich:<br />
Frequenzbereich:<br />
Die nächste Abbildung verdeutlicht die Berechnung eines Systems im Zeit- und im<br />
Frequenzbereich:<br />
Eingangssignal<br />
Impulsantwort<br />
Ausgangssignal<br />
Zeitbereich<br />
Frequenzbereich<br />
Abbildung 15: Berechnen eines Systems über die mathematische Faltung<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 47
Grundlagen<br />
Zur Berechnung des Ausgangssignals kann somit folgende Vorgehensweise genutzt<br />
werden:<br />
1. Messung des Eingangssignals<br />
2. Überführen des Eingangssignals in den Frequenzbereich über Fourier-<br />
Transformation →<br />
3. Überführen der Impulsantwort in den Frequenzbereich über Fourier-<br />
Transformation → (wird auch Systemfunktion genannt)<br />
4. Multiplikation des Frequenzspektrums des Eingangssignals mit der<br />
Systemfunktion → Frequenzspektrum des Ausgangssignals<br />
5. Inverse Fourier-Transformation des Frequenzspektrums des Ausgangssignals<br />
→ Ausgangssignal<br />
Äquivalent kann über folgende Vorgehensweise das Eingangssignal bei vorliegendem<br />
Ausgangssignal berechnet werden:<br />
1. Messung des Ausgangssignals<br />
2. Überführen des Ausgangssignals in den Frequenzbereich über Fourier-<br />
Transformation →<br />
3. Überführen der Impulsantwort in den Frequenzbereich über Fourier-<br />
Transformation → (wird auch Systemfunktion genannt)<br />
4. Division des Frequenzspektrums des Ausgangssignals mit der<br />
Systemfunktion → Frequenzspektrum des Eingangssignals<br />
5. Inverse Fourier-Transformation des Frequenzspektrums des Eingangssignals<br />
→ Eingangssignal<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 48
Grundlagen<br />
2.6.2 Beschreibung über Differentialgleichungen<br />
Viele Naturgesetze lassen sich über Differentialgleichungen ausdrücken, indem die<br />
Veränderung einer physikalischen Größe in Abhängigkeit von weiteren physikalischen<br />
Größen betrachtet wird. Die Herleitung einer solchen Differentialgleichung<br />
stellt eine mathematische Modellierung eines Systems dar. Hierzu ist eine gründliche<br />
Systemanalyse notwendig, in der zunächst geklärt werden muss, welche physikalischen<br />
Vorgänge modelliert werden sollen. Daraufhin müssen die physikalischen<br />
Größen, die den physikalischen Prozess beeinflussen, identifiziert und miteinander in<br />
Beziehung gebracht werden. Hängt die sich daraus ergebende Differentialgleichung<br />
lediglich von einer Variablen ab, so handelt es sich um eine gewöhnliche Differentialgleichung.<br />
Bei Abhängigkeit von mehreren Variablen handelt es sich um eine partielle<br />
Differentialgleichung. Die Lösbarkeit einer Differentialgleichung hängt vom Typ,<br />
von der Linearität und dem Vorliegen konstanter Koeffizienten ab. So lassen sich<br />
einige Differentialgleichungen sehr einfach auf analytischem Wege, andere jedoch<br />
nur sehr aufwändig auf numerischem Wege lösen. Zur Reduzierung des Aufwandes<br />
können Differentialgleichungen unter bestimmten Bedingungen auch vereinfacht werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 49
Methode<br />
3 Methode<br />
Die im Folgenden vorgestellte Methode setzt sich aus einer Kombination mehrerer<br />
Modellierungen zusammen, die eine schrittweise Abschätzung der Raumluftqualität<br />
ermöglichen soll. Hierzu wird die Luftwechselrate als zentrales Bindeglied verwendet.<br />
Die grundlegende Vorgehensweise zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft<br />
sieht zwei Hauptschritte vor:<br />
Im ersten Schritt wird aus dem Verlauf der Radonkonzentration der Verlauf der Luftwechselrate<br />
berechnet, wobei ein mathematisches Modell verwendet wird. Auf Basis<br />
dieser berechneten Luftwechselrate sollen im zweiten Schritt einzelne Schadstoffkonzentrationen<br />
abgeschätzt werden. Dies erfolgt über weitere mathematische Modelle,<br />
die <strong>für</strong> jeden einzelnen Luftschadstoff erstellt werden. Exemplarisch wird die mathematische<br />
Beziehung zwischen der Luftwechselrate und der Konzentration von VOC<br />
modelliert. Eine Auswahl repräsentativer Luftschadstoffe soll schließlich die Beurteilung<br />
der Qualität der Innenraumluft ermöglichen [47], [48].<br />
Messung der Radonkonzentration<br />
Modell 1<br />
Berechnung der Luftwechselrate<br />
Modell 2 Modell 3 Modell ...<br />
Abschätzung einzelner<br />
Schadstoffkonzentrationen<br />
Abbildung 16: Abschätzung einzelner Schadstoffkonzentrationen aus der Radonkonzentration<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 50
Methode<br />
3.1 Modellbildung Radonkonzentration - Luftwechselrate<br />
Zur Herstellung eines mathematischen Zusammenhangs zwischen der Radonkonzentration<br />
und der Luftwechselrate werden zwei Ansätze erprobt:<br />
3.1.1 Ansatz 1 - mathematischen Faltung<br />
Der ursprüngliche Ansatz zur Rekonstruktion des Verlaufs der Luftwechselrate aus<br />
einem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration besteht in der Anwendung der<br />
in Abschnitt 2.6.1 beschriebenen Zusammenhänge der mathematischen Faltung [49].<br />
Ermittlung der Impulsantwort<br />
Als Eingangssignal dient im vorliegenden System die Luftwechselrate. Eine Luftwechselrate<br />
in Form eines Dirac-Impulses ist in der Praxis nicht realisierbar. Als<br />
Testfunktion soll daher eine Sprungfunktion realisiert werden, wobei ein sprunghafter<br />
Wechsel der Luftwechselrate erzeugt und als Ausgangssignal die Radonkonzentration<br />
gemessen wird. Wird die Luftwechselrate von einem hohen auf einen geringen<br />
Wert abgesenkt, ergibt sich als Sprungantwort eine Sättigungskurve der Radonkonzentration,<br />
die einem Exponentialverlauf folgt:<br />
Abbildung 17: Beispiel einer gemessenen Sprungantwort mit Ausgleichskurve [49]<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 51
Methode<br />
Die hier dargestellte Sättigungskurve entspricht folgendem funktionalen Zusammenhang<br />
[49]:<br />
(3.1)<br />
Nach Gleichung 2.6 kann die Impulsantwort aus der Ableitung der Sprungantwort<br />
berechnet werden, wobei sowohl die numerische als auch die analytische Ableitung<br />
verwendet werden kann. Die analytische Ableitung nach Gleichung 2.6 ergibt <strong>für</strong> die<br />
Impulsantwort somit folgenden funktionalen Zusammenhang:<br />
(3.2)<br />
Als Impulsantwort ergibt sich schließlich eine abfallende Exponentialfunktion:<br />
Abbildung 18: Errechnete Impulsantwort [49]<br />
Eine Einschränkung bei der Ermittlung der Impulsantwort über die beschriebenen<br />
Zusammenhänge stellt die Tatsache dar, dass nur Sprungantworten herangezogen<br />
werden können, die bei einer Radonkonzentration nahe<br />
starten oder gegenüber<br />
dem Sättigungswert vernachlässigbar sind. Im vorliegenden Beispiel stellt das kein<br />
Problem dar, da ein sehr hoher Sättigungswert erreicht wird. Ein Anfangswert im Bereich<br />
der Radonkonzentration in der Außenluft ist daher vernachlässigbar und kann<br />
gleich null gesetzt werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 52
Methode<br />
Durchführung der inversen Faltung<br />
Nach den in Abschnitt 2.6.1 beschriebenen Zusammenhängen soll über die Impulsantwort<br />
und den Verlauf der Radonkonzentration als Ausgangssignal die Luftwechselrate<br />
als Eingangssignal rekonstruiert werden. Hierzu soll die inverse Faltung in<br />
folgenden Einzelschritten zur Anwendung kommen [49]:<br />
1. Ermittlung der Impulsantwort über die oben dargestellten Zusammenhänge.<br />
2. Anwendung des sogenannten zero-Paddings. Dieser Schritt ist notwendig, um<br />
die Impulsantwort und das Signal der Radonkonzentration auf eine gleiche<br />
Datenlänge zu bringen, da der verwendete FFT-Algorithmus periodisch<br />
verläuft und ansonsten Überlappungsfehler auftreten können.<br />
3. Fourier-Transformation des Signals der Radonkonzentration und der<br />
Impulsantwort über den FFT-Algorithmus.<br />
4. Inverse Faltung im Frequenzbereich über Division des Frequenzspektrums der<br />
Radonkonzentration mit dem Frequenzspektrum der Impulsantwort.<br />
5. Die inverse Fourier-Transformation des Faltungsergebnisses soll schließlich<br />
die rekonstruierte Luftwechselrate ergeben.<br />
Die Umsetzung dieser Einzelschritte erfolgt in einem Computeralgebrasystem. Wichtig<br />
<strong>für</strong> die Anwendbarkeit dieser Vorgehensweise ist die Erfüllung der Voraussetzung,<br />
dass das vorliegende System LTI-Eigenschaften besitzt. Dies ist dann der Fall, wenn<br />
das System nach weiterer Untersuchung über eine lineare Differentialgleichung mit<br />
konstanten Koeffizienten beschrieben werden kann [46]. Daher soll im Folgenden<br />
zunächst eine Differentialgleichung erstellt und deren Eigenschaften untersucht werden:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 53
Methode<br />
3.1.2 Modellbildung über eine Differentialgleichung<br />
Abbildung 19 zeigt eine schematische Darstellung der wichtigsten Parameter. Als<br />
Radonquellen sind hier das Erdreich und das Baumaterial aufgeführt. Der radioaktive<br />
Zerfall sorgt <strong>für</strong> einen Verlust an Radonkonzentration. Zur Herstellung des Zusammenhangs<br />
zwischen Luftwechselrate und Radonkonzentration ist die Luftwechselrate<br />
mit Zu- und Abluft dargestellt.<br />
Radioaktiver Zerfall<br />
Luftwechselrate<br />
Radonquelle:<br />
Erdreich<br />
Radonquelle:<br />
Baumaterial<br />
Abbildung 19: Einflussgrößen der Radonkonzentration im Rauminneren<br />
Radioaktiver Zerfall<br />
Die Abnahme der Radonkonzentration pro Zeiteinheit ist proportional zur<br />
Radonkonzentration zum Zeitpunkt :<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 54
Methode<br />
Nach Einsetzen der Zerfallskonstante<br />
als Proportionalitätsfaktor ergibt sich<br />
folgender Ausdruck:<br />
bzw. (3.3)<br />
Diese Differentialgleichung beschreibt das Zerfallsgesetz und somit die Abhängigkeit<br />
des zeitlichen Verlaufs der Radonkonzentration von der Halbwertzeit.<br />
Radonquellen<br />
Das in der Raumluft vorhandene Radon stammt aus diversen Radonquellen mit bestimmten<br />
Quellstärken. Die Radonquellstärke sagt aus, wie viel Aktivität pro<br />
Zeiteinheit von einer Quelle emittiert wird:<br />
Nach Einsetzen der Radonkonzentration<br />
ergibt sich <strong>für</strong> diesen Zusammenhang:<br />
,<br />
Bzw. nach<br />
umgestellt<br />
(3.4)<br />
beschreibt die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke.<br />
In Abbildung 19 sind das Erdreich und das Baumaterial als Radonquellen aufgeführt,<br />
werden aber in der Differentialgleichung in einer einzelnen Variablen berücksichtigt.<br />
Luftwechselrate<br />
Die Luftwechselrate bewirkt, dass durch die Abluft Radon aus dem Raum herausgetragen<br />
und durch die Zuluft Radon aus der Außenkonzentration hereingetragen wird.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 55
Methode<br />
Sowohl die Zuluft als auch die Abluft können zunächst als zeitabhängige Radonquellen<br />
betrachtet werden:<br />
Unter der Annahme von<br />
ergeben sich <strong>für</strong> Zu- und Abluft<br />
mit und folgende Ausdrücke:<br />
Zur Darstellung der Luftwechselrate<br />
wird der Zusammenhang<br />
bzw.<br />
verwendet. Die Zuluft wird über folgenden Ausdruck berücksichtigt:<br />
(3.5)<br />
Für die Abluft gilt:<br />
(3.6)<br />
Die Luftwechselrate kann schließlich zusammengefasst definiert werden:<br />
(3.7)<br />
Zusammenfügen der Differentialgleichung<br />
Die Gleichungen 3.3, 3.4 und 3.7 lassen sich schließlich zu folgender Differentialgleichung<br />
addieren:<br />
(3.8)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 56
Methode<br />
3.1.3 Überprüfung der mathematischen Faltung auf Anwendbarkeit<br />
(Ansatz 1)<br />
Wie in Abschnitt 3.1.1 erwähnt, muss ein System über eine lineare Differentialgleichung<br />
mit konstanten Koeffizienten beschrieben werden, um als LTI-System behandelt<br />
werden zu können. Die vorliegende Differentialgleichung (Gleichung 3.8) weist<br />
jedoch mit und nicht-konstante Koeffizienten auf, wodurch die <strong>für</strong> ein<br />
LTI-System geforderte Eigenschaft der Linearität nicht gegeben ist. Es liegt somit<br />
kein LTI-System vor. Dies führt dazu, dass bei unterschiedlichen Luftwechselraten<br />
unterschiedliche Impulsantworten vorliegen. Eine sinnvolle Berechnung des Systems<br />
ist somit nicht möglich. Der erste Ansatz, das System über die mathematische Faltung<br />
zu berechnen, wird daher verworfen.<br />
3.1.4 Ansatz 2 - Berechnung des Systems über die Differentialgleichung<br />
Dieser Ansatz beruht darauf, das System auf analytischem Wege zu berechnen, indem<br />
die Differentialgleichung zugrunde gelegt wird.<br />
Lösen der Differentialgleichung<br />
Da sich die Differentialgleichung (Gleichung 3.8) mit und als nicht-konstante<br />
Koeffizienten in dieser Form nur sehr schwer lösen lässt, wird <strong>für</strong> eine vereinfachte<br />
Lösung zunächst von einer konstanten Luftwechselrate<br />
und einer<br />
konstanten Radonquelle<br />
ausgegangen. Somit liegt eine gewöhnliche<br />
Differentialgleichung mit konstanten Koeffizienten in folgender Form vor:<br />
(3.9)<br />
Mit der Anfangsbedingung<br />
lautet die Lösung:<br />
(3.10)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 57
Methode<br />
Diese Gleichung kann zur Berechnung der Radonkonzentration aus einer Luftwechselrate<br />
angewendet werden, mit der Bedingung, dass sich die Luftwechselrate und<br />
die Radonquellstärke im Betrachtungszeitraum nicht ändern ( und<br />
im Intervall von bis ). Um unter Berücksichtigung dieser Bedingung<br />
mit zeitabhängigen Luftwechselraten und zeitabhängigen Radonquellen<br />
rechnen zu können, ist es notwendig, den Betrachtungszeitraum auf ein<br />
Intervall zu reduzieren. Hierbei handelt es sich z.B. um das Intervall zeitdiskreter<br />
Werte. Wird nun jedes Intervall gesondert betrachtet, bleibt die Bedingung einer konstanten<br />
Luftwechselrate und einer konstanten Radonquellstärke während des jeweiligen<br />
Betrachtungszeitraums erfüllt. Als Startwert wird bei jedem Schritt der<br />
zuletzt berechnete Radonkonzentrationswert eingesetzt. Die Berechnung erfolgt somit<br />
iterativ nach folgender diskreter Gleichung:<br />
(3.11)<br />
Diese Gleichung ermöglicht die Berechnung eines Radonkonzentrationsverlaufs aus<br />
einem beliebigen Verlauf der Luftwechselrate.<br />
Ermittlung einer Differenzengleichung<br />
Der über Gleichung 3.11 dargestellt Zusammenhang ermöglicht die Berechnung des<br />
Verlaufs der Radonkonzentration aus dem Verlauf einer Luftwechselrate .<br />
Dies ist sinnvoll, um eine bei bestimmter Luftwechselrate gegebene Radonkonzentration<br />
abzuschätzen, führt jedoch nicht zum Ziel, die Luftwechselrate aus der Radonkonzentration<br />
zu berechnen. Da ein direktes Umstellen der Gleichung 3.11 nach der<br />
Luftwechselrate nicht möglich ist, muss ein weiterer Lösungsansatz herangezogen<br />
werden. Hierzu kommt zunächst die ermittelte Differentialgleichung 3.7 zur Anwendung<br />
und wird in eine Differenzengleichung überführt:<br />
(3.12)<br />
Mit diskreter Schreibweise ergibt sich folgende Form:<br />
(3.13)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 58
Methode<br />
Diese Gleichung kann nach der Luftwechselrate<br />
umgestellt werden:<br />
(3.14)<br />
Mit dieser Gleichung steht nun das Grundwerkzeug zur Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
aus der Radonkonzentration zur Verfügung.<br />
3.1.5 Ermittlung der Radonquellstärke<br />
Zur Anwendung von Gleichung 3.14 ist die Kenntnis einiger Parameter notwendig.<br />
Die Zerfallskonstante ist als physikalische Konstante bekannt. Bei einer Halbwertszeit<br />
von liegt der Wert der Zerfallskonstante bei . Die<br />
messtechnisch zugängliche Radonaußenkonzentration kann üblicherweise<br />
ebenfalls als konstant angenommen werden. Die Berücksichtigung einer Zeitabhängigkeit<br />
der Radonaußenkonzentration in Form von ist durch eine separate<br />
Messung in der Außenluft möglich. Komplizierter gestaltet sich jedoch die Ermittlung<br />
der Radonquellstärke.<br />
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke stellt die vollständige<br />
Charakterisierung eines zu untersuchenden Raumes dar. Sie kann unter der Annahme<br />
einer konstanten Radonquellstärke über die Aufnahme einer Sättigungskurve<br />
der Radonkonzentration ermittelt werden, wobei durch eine Erhöhung der Luftwechselrate<br />
(passives oder aktives Lüften) zunächst die Radonkonzentration im Gebäudeinneren<br />
auf Werte nahe der Radonaußenkonzentration gesenkt wird. Anschließend<br />
wird die Luftwechselrate wieder abgesenkt (Beenden der „Lüftungssituation“),<br />
was zu einem erneuten Aufbau der Radonkonzentration führt und somit eine Sättigungskurve<br />
liefert, die unter Gewährleistung einer möglichst konstanten Luftwechselrate<br />
einem Exponentialverlauf folgt. Diese Sättigungskurve wird mit einem Radonmonitor<br />
aufgezeichnet. Durch Anwendung des Levenberg-Marquardt-Algorithmus<br />
werden die Zeitkonstante , die Anfangskonzentration und die Sättigungskonzentration<br />
an folgende Funktion angepasst:<br />
(3.15)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 59
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Methode<br />
2500<br />
Kurvenanpassung (Radon)<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0 5 10 15<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)<br />
Radonkonzentration (angepasst)<br />
Abbildung 20: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve mit eingezeichneter Anpassungskurve<br />
Für die Berechnung der Radonquellstärke werden im Weiteren die Zeitkonstante<br />
und die Sättigungskonzentration herangezogen.<br />
Zur Herleitung wird zunächst aus Gleichung 3.10 die Sättigungskonzentration ermittelt,<br />
indem die Zeit gegen unendlich läuft:<br />
(3.16)<br />
Hierbei gilt:<br />
Da der Ausdruck<br />
und<br />
gleich 0 ergibt, gilt <strong>für</strong> die Sättigungskonzentration:<br />
(3.17)<br />
Diese Gleichung kann problemlos nach der Radonquellstärke umgestellt werden:<br />
(3.18)<br />
Die Parameter , und stehen bereits zur Verfügung. wird über<br />
die Anpassungsfunktion 3.15 ermittelt,<br />
bekannte physikalische Konstante und<br />
ist als Zerfallskonstante des Radons eine<br />
ist messtechnisch verfügbar. Zur Ermitt-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 60
Methode<br />
lung der konstanten Luftwechselrate wird die Zeitkonstante herangezogen. Für die<br />
Zeitkonstante gilt der Zusammenhang:<br />
(3.19)<br />
stellt hierbei den Anfangswert der Radonkonzentration dar. Zur Ermittlung von<br />
wird die erste Ableitung nach der Zeit von Gleichung 3.10 bestimmt:<br />
(3.20)<br />
Nach einsetzen von<br />
ergibt sich hieraus:<br />
(3.21)<br />
Die Zeitkonstante resultiert nun durch Einsetzen der Gleichungen 3.11 und 3.14 in<br />
Gleichung 3.15:<br />
(3.22)<br />
Die Luftwechselrate kann unter Annahme einer Sättigungskurve berechnet werden:<br />
(3.23)<br />
Nach Einsetzen von Gleichung 3.22 ergibt sich aus Gleichung 3.17 <strong>für</strong> die Radonquellstärke<br />
folgender Ausdruck, der als Charakterisierung des Raumes dient:<br />
(3.24)<br />
Hierbei sei anzumerken, dass zunächst von einer konstanten Radonquellstärke ausgegangen<br />
wird. In realen Wohngebäuden sind jedoch Schwankungen der Radonquellstärke<br />
zu erwarten. Kurzzeitige Schwankungen im Bereich von wenigen Stunden<br />
können je nach gewünschter Zeitauflösung als unkritisch betrachtet werden, da<br />
trotzdem zumindest eine Beurteilung der mittleren Luftwechselrate möglich ist. Langzeitschwankungen<br />
im Bereich von mehreren Tagen können zu einem Drift der rekonstruierten<br />
Luftwechselrate führen und bei Langzeitmessungen das Ergebnis verfälschen.<br />
Je nach Ausprägung dieser Langzeitschwankung ist eine wiederholte Ermittlung<br />
der Radonquellstärke im Abstand von wenigen bis mehreren Tagen notwendig.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 61
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Methode<br />
3.2 Filterung<br />
Bei Berechnung der Luftwechselrate nach Gleichung 3.14 bestehen hohe Anforderungen<br />
an das Radon-Messsignal. Durch den Term<br />
besteht<br />
eine hohe Rauschempfindlichkeit, da zur Berechnung immer Radon-Messwerte-<br />
Paare herangezogen werden. Dies kann mit Hilfe von Abbildung 21 veranschaulicht<br />
werden, die den Beispiel-Verlauf aus Abschnitt 3.1.5 behandelt. Dieses Messsignal<br />
weist ein Rauschen auf, das im Vergleich mit einer eingezeichneten Anpassungskurve<br />
gut sichtbar wird. Bei Betrachtung benachbarter Radonmesswerte können<br />
durch das Rauschen bedingte Differenzen von z.B.<br />
auftreten, wo gemessen an der Anpassungskurve eine Differenz<br />
von ca.<br />
vorliegt. Wird die durch das Rauschen beeinflusste Differenz zur<br />
Berechnung der Luftwechselrate<br />
nach Gleichung 3.14 herangezogen, können<br />
große Abweichungen in der berechneten Luftwechselrate auftreten.<br />
2500<br />
Beispiel einer Sättigungskurve<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0 5 10 15<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)<br />
Radonkonzentration (angepasst)<br />
Abbildung 21: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve (blaue Punkte) mit eingezeichneter<br />
Anpassungskurve (roter Verlauf). Der hervorgehobene Bereich zeigt ein Beispiel einer durch das<br />
Rauschen bedingten Abweichung. Die grün markierten Punkte stellen benachbarte Radonmesswerte dar.<br />
Ihre Differenz liegt bei<br />
. Bei Betrachtung der zugehörigen Anpassungskurve wird<br />
ersichtlich, dass die tatsächliche Differenz an dieser Stelle jedoch bei<br />
liegt.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 62
Methode<br />
Aufgrund dieser Rauschempfindlichkeit ist es notwendig, das Messsignal mit geeigneten<br />
Filtern zu bearbeiten. Der Einsatz von Fensterfunktionen erweist sich hier als<br />
gut geeignet [44]. Die Vorgehensweise erfolgt in vier Schritten:<br />
1. Die Datenreihe des Messsignals wird mittels des sogenannten „zeropaddings“<br />
mit Nullen erweitert, so dass dessen Datenlänge mit der<br />
Datenlänge der Fensterfunktion übereinstimmt.<br />
2. Die erweiterte Datenreihe wird über die Fouriertransformation in den<br />
Frequenzbereich transformiert.<br />
3. Das Frequenzspektrum wird mit einer passenden Fensterfunktion multipliziert.<br />
4. Schließlich erfolgt eine inverse Fouriertransformation, um das gefilterte<br />
Frequenzspektrum wieder in den Zeitbereich zu transformieren.<br />
Um eine optimale Filterung mit möglichst wenig Verlust von Nutzsignalen zu erreichen,<br />
ist eine passende Wahl der Filterfunktion und der Fensterbreite von großer Bedeutung.<br />
Diese Auswahl hängt individuell vom Frequenzspektrum des gemessenen<br />
Signals ab. Die so gefilterte Datenreihe kann schließlich <strong>für</strong> die Rekonstruktion der<br />
Luftwechselrate herangezogen werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 63
Methode<br />
3.3 Modellbildung Luftwechselrate - VOC<br />
Nachdem über die in den Abschnitten 3.1 und 3.2 hergeleiteten Zusammenhänge die<br />
Luftwechselrate beschrieben ist, soll exemplarisch der mathematische Zusammenhang<br />
zwischen der Luftwechselrate und der Summenkonzentration der VOC hergeleitet<br />
werden.<br />
Die im Folgenden vorgestellte Methode dient nicht dazu, den tatsächlich vorliegenden<br />
Verlauf der VOC-Konzentration zu berechnen. Vielmehr dient sie der Abschätzung<br />
des Verlaufs der VOC-Konzentration bei einer bestimmten, zuvor ermittelten<br />
VOC-Quelle. Diese Quelle soll das VOC-Potential widerspiegeln, das durch konstante<br />
VOC-Freisetzungen von Bauprodukten und Einrichtungsgegenständen bedingt<br />
wird. Es wird somit primär die Frage behandelt „wie würde sich die VOC-Konzentration<br />
bei einem zuvor ermittelten VOC-Potential verhalten?“.<br />
Zur Ermittlung des mathematischen Zusammenhangs zwischen der Luftwechselrate<br />
und der VOC-Konzentration wird äquivalent zur Vorgehensweise in Abschnitt 3.1<br />
eine Differentialgleichung erstellt. Im Wesentlichen entspricht sie dem in Gleichung<br />
3.8 dargestellten Zusammenhang zwischen der Luftwechselrate und der Radonkonzentration.<br />
Der Hauptunterschied besteht darin, dass VOC keinem radioaktiven Zerfall<br />
unterworfen sind und somit keine Zerfallskonstante in die Gleichung eingeht.<br />
(3.25)<br />
Äquivalent zur Vorgehensweise in Abschnitt 3.1.4 lässt sich die Differentialgleichung<br />
zu folgendem Ausdruck lösen:<br />
(3.26)<br />
Diese Gleichung ermöglicht die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate.<br />
Der Zusammenhang setzt zunächst noch eine Konstanz der Klimaparameter,<br />
insbesondere der Temperatur voraus.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 64
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Temperatur (°C)<br />
Methode<br />
3.3.1 Ermittlung der VOC-Quellstärke<br />
Äquivalent zu der in Abschnitt 3.1.5 dargestellten Vorgehensweise zur Ermittlung der<br />
Radonquellstärke erfolgt die Ermittlung der VOC-Quellstärke. Hierzu wird zunächst<br />
eine Sättigungskurve der VOC-Konzentration aufgenommen (siehe Abbildung 22).<br />
Über den Zeitraum der VOC-Quellstärkenbestimmung sollte eine möglichst konstante<br />
Temperatur vorliegen.<br />
150<br />
Kurvenanpassung (VOC)<br />
140<br />
130<br />
20<br />
120<br />
10<br />
110<br />
100<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (Auswahl, gemessen)<br />
VOC-Konzentration VOC-Konzentratino (angepasst)<br />
Temperatur (gemessen)<br />
Abbildung 22: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve der VOC-Konzentration<br />
An dieser Sättigungskurve erfolgt eine Kurvenanpassung mit dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus.<br />
Mit den Anpassungsparametern und kann über folgende<br />
Gleichung die VOC-Quellstärke berechnet werden:<br />
(3.27)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 65
Methode<br />
3.3.2 Temperaturkorrektur<br />
Wie in Abschnitt 2.2.2 erwähnt, ist die VOC-Emission komplexen mathematischen<br />
Zusammenhängen unterworfen. Da eine exakte Korrektur aller Einflussgrößen nicht<br />
berücksichtigt werden kann, soll eine näherungsweise Korrektur der Temperatur erfolgen,<br />
die als wichtigste Einflussgröße angesehen wird. Nach der Clausius-<br />
Clapeyron-Gleichung besteht eine exponentielle Temperaturabhängigkeit des<br />
Dampfdrucks [25]. Der Anwendungsbereich liegt bei Temperaturen, die in Innenräumen<br />
vorzufinden sind, also bei ca. 15 °C bis ca. 30 °C. Auf Basis empirischer Daten<br />
kann <strong>für</strong> diesen Bereich eine lineare Abhängigkeit der VOC-Quellstärke von der<br />
Temperatur angenommen werden. Zur Korrektur des Temperatureinflusses wird somit<br />
<strong>für</strong> jeden errechneten Wert der VOC-Konzentration die Temperatur<br />
durch die mittlere Temperatur im Zeitraum der VOC-Quellstärkenbestimmung<br />
dividiert:<br />
(3.28)<br />
Um eine sinnvolle Korrektur durchführen zu können, ist es notwendig, dass die Temperatur<br />
über den Zeitraum der VOC-Quellstärkenbestimmung möglichst konstant<br />
gehalten wird.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 66
Methode<br />
3.4 Übertragung des Modells auf reale Gebäude<br />
Die in den Abschnitten 3.1 und 3.3 hergeleiteten Zusammenhänge stellen ein „Ein-<br />
Raum-Modell“ dar. Zur Anwendung der Methode auf reale Wohngebäude ist es notwendig,<br />
das Ein-Raum-Modell zu modifizieren, da zwischen einzelnen Räumen eine<br />
Vielzahl an Wechselwirkungen stattfindet, die bei Betrachtung eines einzelnen Raumes<br />
nicht berücksichtigt werden können. Ein Ansatz besteht in dem Versuch, das<br />
Ein-Raum-Modell in ein Mehr-Raum-Modell zu übertragen, in dem die Wechselwirkungen<br />
zwischen den Räumen mit berücksichtigt werden. Ein weiterer Ansatz behandelt<br />
das Ein-Raum-Modell in einer modifizierten Form, die das gesamte Gebäude<br />
als einen einzelnen Raum betrachtet.<br />
Folgende Ansätze beziehen sich zunächst auf das Modell zur Beschreibung des Zusammenhangs<br />
zwischen der Radonkonzentration und der Luftwechselrate.<br />
3.4.1 DGL-System als Mehr-Raum-Modell<br />
Komplexe Systeme können häufig über Differentialgleichungssysteme beschrieben<br />
werden [45]. Dies kann auch <strong>für</strong> die Beschreibung des mathematischen Zusammenhangs<br />
zwischen der Radonkonzentration und der Luftwechselrate in einem System<br />
aus mehreren Räumen genutzt werden.<br />
Besteht ein Gebäude aus mehreren Räumen, so kann jeder Raum über eine eigene<br />
Differentialgleichung berücksichtigt werden. Bei einer Anzahl an Räumen ergibt<br />
sich somit ein DGL-System aus Differentialgleichungen. Für jeden Raum müssen<br />
alle bestehenden Luftwechsel zu Nachbarräumen oder zur Außenluft und alle vorhandenen<br />
Radonquellen berücksichtigt werden. Im Folgenden werden exemplarisch<br />
ein Zwei-Raum- und ein Drei-Raum-Modell erstellt:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 67
Methode<br />
Beispiel: Zwei-Raum-Modell<br />
Abbildung 23 zeigt, dass im Gegensatz zum Ein-Raum-Modell zusätzliche Luftwechsel<br />
im Gebäudeinneren auftreten, im vorliegenden Beispiel zwischen Raum 1 und<br />
Raum 2. Diese Luftwechsel kommen beispielsweise durch Zimmertüren zustande.<br />
Jeder einzelne Raum besitzt darüber hinaus einen eigenen Luftwechsel mit der Außenluft.<br />
Raum 1 Raum 2<br />
Abbildung 23: Darstellung eines Zwei-Raum-Modells<br />
Für die einzelnen Räume ergeben sich folgende Differentialgleichungen:<br />
(3.29)<br />
(3.30)<br />
Für das Zwei-Raum-Modell ergibt sich ein System aus zwei Differentialgleichungen,<br />
die gegenüber der Differentialgleichung des Ein-Raum-Modells um je einen Term<br />
modifiziert sind. Bei Gleichung 3.29, die den Raum 1 beschreibt, handelt es sich um<br />
und bei Gleichung 3.30, die den Raum 2 beschreibt, um<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 68
Methode<br />
. Über diese Terme wird somit der Luftwechsel zwischen<br />
Raum 1 und Raum 2 berücksichtigt.<br />
Aus den Differentialgleichungen können nun, wie unter 3.1.4 beschrieben, Differenzengleichungen<br />
erstellt werden:<br />
(3.31)<br />
(3.32)<br />
Für die Herstellung eines Zusammenhanges zum Gesamtluftwechsel aller Räume<br />
des Gebäudes mit der Außenluft werden Gleichung 3.31 nach und Gleichung<br />
3.32 nach umgestellt.<br />
(3.33)<br />
(3.34)<br />
Der Gesamtluftwechsel des Gebäudes mit der Außenluft ergibt sich durch Addition<br />
der Luftwechsel der einzelnen Räume mit der Außenluft.<br />
(3.35)<br />
Das Problem besteht an dieser Stelle jedoch darin, dass der Luftwechsel<br />
zwischen<br />
Raum 1 und Raum 2 nicht bekannt ist.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 69
Methode<br />
Beispiel: Drei-Raum-Modell<br />
Soll nun ein Drei-Raum-Modell erstellt werden, so erhält jede Differentialgleichung<br />
noch einen weiteren Term, der den Luftwechsel mit dem dritten Raum berücksichtigt.<br />
Raum 3<br />
Raum 1 Raum 2<br />
Abbildung 24: Darstellung eines Drei-Raum-Modells<br />
Für die einzelnen Räume ergeben sich folgende Differentialgleichungen:<br />
(3.36)<br />
(3.37)<br />
(3.38)<br />
Hier wird ersichtlich, dass mit einer zunehmenden Anzahl an Räumen die Anzahl der<br />
in den einzelnen Differentialgleichungen herangezogenen Terme steigt. Unter der<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 70
Methode<br />
Annahme, dass das Baumaterial als Radonquelle vernachlässigt werden kann, kann<br />
bei Räumen, die keine Anbindung an das Erdreich besitzen, die Radonquelle in der<br />
zugehörigen Gleichung unberücksichtigt bleiben. Bei den oben aufgeführten Differentialgleichungen<br />
wurde daher unter Gleichung 3.38 die Radonquelle nicht mit einbezogen.<br />
Ein Problem dieses Mehr-Raum-Modells liegt darin, dass die Anzahl der unbekannten<br />
Luftwechsel immer größer als die Anzahl der Gleichungen im DGL-System ist. Es<br />
dient somit in erster Linie dem Verständnis der mathematischen Zusammenhänge in<br />
einem Mehr-Raum-Modell. Eine praktikable Möglichkeit zur Berechnung einzelner<br />
Luftwechsel ist allerdings nicht gegeben.<br />
3.4.2 Modifiziertes Ein-Raum-Modell<br />
Aufgrund der Vielzahl an unbekannten Parametern ist die vollständige Berechnung<br />
eines Mehr-Raum-Modells nicht möglich. Somit ist das Mehr-Raum-Modell zur Abschätzung<br />
der Qualität der Innenraumluft ungeeignet. Als praktikabler erweist sich<br />
die Betrachtung des gesamten Innenraums eines Gebäudes als ein Raum, dessen<br />
Begrenzung die Außenhülle des Gebäudes darstellt. Zur Berechnung kommt das<br />
Ein-Raum-Modell zum Einsatz, wobei die hierzu herangezogenen Werte aus den<br />
Mittelwerten jeweils mehrerer Werte ermittelt werden. Dies kann je nach gegebener<br />
Raumsituation auf unterschiedliche Weise erfolgen.<br />
Soll die Qualität der Innenraumluft im gesamten Gebäude beurteilt werden, so müssen<br />
in allen Räumen Radonmessungen durchgeführt werden. Die Radonquellstärke<br />
ergibt sich aus dem Mittelwert über alle Räume. Zur Rekonstruktion der mittleren<br />
Luftwechselrate des gesamten Gebäudes werden in allen Räumen Radonkonzentrationen<br />
gemessen, aus denen ein mittlerer Verlauf gebildet wird. Bei der Mittelwertbildung<br />
zur Bestimmung der Radonquellstärke und zur Bestimmung des mittleren<br />
Radonkonzentrationsverlaufs zur Rekonstruktion der Luftwechselrate ist eine Gewichtung<br />
nach den Raumvolumina der einzelnen Räume durchzuführen. Über die<br />
rekonstruierte Luftwechselrate kann schließlich über einzelne Luftschadstoffe die<br />
mittlere Luftqualität im gesamten Innenraum des Gebäudes abgeschätzt werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 71
Methode<br />
3.5 Grenzen der Methode<br />
Wie in Abschnitt 2.4.4 erwähnt, ist die Messung des Radons mit einer Messunsicherheit<br />
behaftet. Besonders bei kleinen Messwerten im Bereich kleiner 100 Bq/m³ steigt<br />
die Unsicherheit mit sinkender Zählrate an. Daraus ergeben sich gewisse Anforderungen<br />
und somit auch Einschränkungen <strong>für</strong> die Anwendung der Methode in der<br />
Praxis. Änderungen der Radonkonzentration können bei kleinen Messwerten aufgrund<br />
der hohen Messunsicherheiten nur schwer aufgelöst werden. Bei Messwerten<br />
in dieser Größenordnung ist eine Rekonstruktion der Luftwechselrate nur mit sehr<br />
hohen Unsicherheiten möglich. Ist das Nutzsignal komplett vom Rauschen des Untergrundes<br />
überlagert, dann ist die Rekonstruktion der Luftwechselrate sogar unmöglich.<br />
Je nach Anforderung an die Unsicherheit der rekonstruierten Luftwechselrate<br />
ergibt sich daraus eine Begrenzung in der maximalen Luftwechselrate, die noch rekonstruiert<br />
werden kann. Diese Grenze hängt im Wesentlichen von der Radonquellstärke<br />
ab.<br />
Je geringer die Radonquellstärke, desto weniger Radon wird in der Innenraumluft<br />
bereitgestellt. Dies führt dazu, dass bereits kleine Luftwechselraten zu einer Absenkung<br />
der Radonkonzentration in der Innenraumluft auf das Niveau der Außenluft führen.<br />
Eine Rekonstruktion von höheren Luftwechselraten ist somit nicht möglich, da<br />
diese mit einer ansteigenden Unsicherheit einhergehen. Die Messunsicherheit der<br />
Radonkonzentration kann aber mit einer höheren Integrationszeit verringert werden.<br />
Dadurch ist es möglich, bei niedrigen Radonkonzentrationen eine Rekonstruktion zu<br />
ermöglichen, auch wenn dies zu einer verringerten Zeitauflösung führt. Hier muss<br />
abgewogen werden, welche Zeitauflösung gewünscht wird und welche Messunsicherheit<br />
akzeptiert werden kann.<br />
Darüber hinaus spielt die Konstanz der Radonquellstärke eine große Rolle. Hierbei<br />
besteht eine proportionale Abhängigkeit der rekonstruierten Luftwechselrate von der<br />
Schwankung der Radonquellstärke. Weicht die tatsächliche von der ermittelten Radonquellstärke<br />
um beispielsweise 30 % ab, so wird die rekonstruierte Luftwechselrate<br />
ebenfalls um 30 % abweichen. An dieser Stelle muss abgewogen werden, welche<br />
Abweichungen in der Praxis auftreten und akzeptiert werden können, und ob die<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 72
Methode<br />
Schwankungen der Radonquellstärke durch wiederholte Quellstärkenermittlungen<br />
ausgeglichen werden können.<br />
Die Quantifizierung dieser Grenzen ist nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeit, soll<br />
jedoch in künftigen Untersuchungen in Form einer Simulation behandelt werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 73
Experimentelles Vorgehen<br />
4 Experimentelles Vorgehen<br />
4.1 Laborversuche - Messkammer<br />
Zur praktischen Überprüfung des erstellten Modells ist es notwendig, Messungen in<br />
einer Messkammer vorzunehmen, die das Ausschalten von Störgrößen, das Schaffen<br />
kontrollierter Bedingungen und somit den Erhalt reproduzierbarer Ergebnisse ermöglicht.<br />
Für eine adäquate praktische Umsetzung einer solchen Messkammer müssen<br />
einige Anforderungen, sowohl an die Messkammer selbst, als auch an die Messtechnik,<br />
erfüllt werden. Die erste Grundvoraussetzung besteht darin, dass die Messkammer<br />
bezüglich ihrer Ausmaße einem realen Raum nahe kommt. Hier stellt ein<br />
Raumvolumen von ca. 10 m 3 die optimale Dimensionierung dar: die Messkammer<br />
kann begangen werden und befindet sich in der Größenordnung realer Wohnräume,<br />
wobei eine Überdimensionierung des Raumvolumens vermieden wird, welche die<br />
Versuchsbedingungen unnötig erschweren und aufgrund begrenzter Platzverhältnisse<br />
zu Raumproblemen führen würde. Eine weitere Anforderung an die Messkammer<br />
besteht in einer möglichst hohen Dichtigkeit der Außenhülle, um einen unkontrollierten<br />
Luftwechsel zu vermeiden. Hierzu sollte die Messkammer möglichst wenige<br />
und dicht abschließbare Öffnungen besitzen. Für die Frischluftzufuhr und die<br />
Abluft muss jeweils eine Öffnung zur Verfügung stehen, die jedoch nach Bedarf<br />
ebenfalls dicht verschlossen werden können. Darüber hinaus muss die Belüftung<br />
steuerbar sein, um eine einstellbare Luftwechselrate zu erhalten.<br />
Für folgende verwendete Messgeräte gilt gleichermaßen die Anforderung, dass die<br />
aufgenommenen Messwerte auch über längere Zeiträume (bis mehrere Wochen) bei<br />
einem Messintervall von 10 Minuten gespeichert werden können.<br />
- Radonkonzentration innen und außen<br />
- Luftdruck innen und außen<br />
- Lufttemperatur innen und außen<br />
- Luftfeuchtigkeit innen und außen<br />
- VOC-Konzentration innen<br />
- Strömungsgeschwindigkeit der Zuluft<br />
- Gewicht der VOC-Quelle<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 74
Experimentelles Vorgehen<br />
Folgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die verwendeten Geräte und Materialien:<br />
Material / Gerät Hersteller Typ<br />
Messkammer<br />
Messgerät <strong>für</strong><br />
Strömungsgeschwindigkeit<br />
Lüfter <strong>für</strong><br />
Kammerbelüftung<br />
Mikrocontroller Platine <strong>für</strong><br />
Lüftersteuerung<br />
Aktivkohlefilter <strong>für</strong><br />
Kammerbelüftung<br />
Radonmonitore<br />
VOC-Messgerät<br />
Viessman, Landig<br />
Ahlborn<br />
Papst<br />
Olimex (Platine), Texas<br />
Instruments (Controller)<br />
Thomas Krebs<br />
Umwelttechnische<br />
Anlagen<br />
Saphymo<br />
(ehem. Genitron)<br />
Tecto Standard<br />
Kleinkühlzelle,<br />
210 x 270 x 215 cm<br />
Almemo 2590-4S mit<br />
Thermoanemometer<br />
FVA 935 TH4<br />
8412N/2GHP, PWM<br />
Olimex Development<br />
Board, TI MSP430-<br />
Controller<br />
30 L Luft-Aktivkohlefilter<br />
AlphaGUARD PQ2000<br />
AlphaGUARD<br />
PQ2000PRO<br />
Gammadata Mätteknik AB Atmos 12<br />
Ion science<br />
Waage Shimadzu TX2202L<br />
PhoCheck TIGER PID<br />
PPB 10,6 <strong>eV</strong><br />
Uranerz<br />
Radonquellen<br />
VOC-Quelle<br />
Computeralgebrasystem<br />
Div. Zubehör (Netzteile,<br />
Laborkabel, Stative, etc.)<br />
Parametric Technology<br />
Corporation<br />
Hundsbühler Erde<br />
Rohrablagerungen aus<br />
einem Radon-Heilbad<br />
Aceton<br />
Mathcad 15.0<br />
Tabelle 3: Verwendete Geräte und Materialien<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 75
Experimentelles Vorgehen<br />
4.1.1 Messkammer<br />
Als Messkammer dient eine Kühlzelle der Firma Viessmann (siehe Abbildung 25):<br />
Abbildung 25: Außenansicht der Messkammer<br />
Die Kühlzelle besitzt ein Volumen von 10,37 m³ und ist somit groß genug, um einen<br />
realen begehbaren Raum nachzubilden, der dadurch ausreichend Platz <strong>für</strong> experimentelle<br />
Aufbauten liefert. Sie ist aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt, die<br />
eine Wärmedämmung aus 60 mm PUR-Schaum besitzen. Die Wärmedämmung<br />
bietet den Vorteil, dass sich die Innentemperatur unempfindlich gegenüber der Außentemperatur<br />
verhält. Um eine möglichst hohe Dichtheit der Kammerwand zu erreichen,<br />
werden die Fugen mit aluminiumkaschiertem Klebeband und Dichtmasse abgedichtet.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 76
Experimentelles Vorgehen<br />
4.1.2 Lüftersteuerung<br />
Zur Steuerung der Lüftung und somit zum Einstellen der Luftwechselrate kommt ein<br />
Lüfter zum Einsatz, dessen Umdrehungszahl über einen Mikrocontroller gesteuert<br />
wird. Der Mikrocontroller ist mit einem PC verbunden, was ermöglicht, beliebige Verläufe<br />
der Luftwechselrate einzulesen. Die tatsächlich an der Messkammer wirkende<br />
Luftwechselrate wird über ein Thermoanemometer ermittelt, das in einer Messstrecke<br />
montiert ist. Die Messstrecke dient der Gewährleistung eines laminaren Volumenstroms<br />
am Thermoanemometer und befindet sich am Zuluftkanal vor dem Lüfter (siehe<br />
Abbildung 26 und Abbildung 27):<br />
Abbildung 26: Aufbau der Lüftersteuerung mit Stromversorgungen <strong>für</strong> Lüfter und Mikrocontroller,<br />
Mikrocontroller und dem Messgerät <strong>für</strong> die Luftströmungsgeschwindigkeit im Luftansaugrohr<br />
Abbildung 27: Zuluftkanal mit Aktivkohlefilter. Im Zuluftkanal befinden sich zwei steuerbare Lüfter und<br />
das Thermoanemometer <strong>für</strong> die Luftströmungsgeschwindigkeit. Die Länge des Luftansaugrohres, in dem<br />
sich das Thermoanemometer befindet, ist als Messstrecke so dimensioniert, dass möglichst laminare<br />
Luftströmungen auftreten.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 77
Experimentelles Vorgehen<br />
Der Mikrocontroller wird über einen PC mit Hilfe eines <strong>für</strong> diesen Zweck erstellten<br />
Programms (siehe Abbildung 28) angesteuert. Dieses Programm erlaubt die Einstellung<br />
der Lüfterleistung von 0 % bis 100 %. Die Einstellung erfolgt entweder manuell<br />
auf einen gewünschten Wert oder über eine Excel-Tabelle, die mit Zeitbasis und jeweiliger<br />
Lüfterleistung eingelesen werden kann.<br />
1 2<br />
3<br />
4<br />
Abbildung 28: Programm „IMPS - Fan Control“ zur Lüftersteuerung. 1: Verbindungseinstellungen,<br />
2: Eingestellter Wert der Lüfterleistung, 3: Eingelesene Liste mit Zeitbasis und Lüfterleistung,<br />
4: Manuelle Einstellung der Lüfterleistung<br />
Zur Herstellung eines Zusammenhangs zwischen der Lüfterleistung und der Luftwechselrate<br />
wird zunächst eine Kalibrierung durchgeführt, die den Zusammenhang<br />
zwischen der Lüfterleistung und der Strömungsgeschwindigkeit im Luftansaugrohr<br />
beschreibt. Über die Geometrie des Luftansaugrohrs und das Volumen der Mess-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 78
Experimentelles Vorgehen<br />
kammer kann schließlich die Luftwechselrate über folgende Gleichung berechnet<br />
werden:<br />
(4.1)<br />
Strömungsgeschwindigkeit in<br />
Effektiver Querschnitt des Luftansaugrohrs in<br />
Volumen der Messkammer in<br />
Als Effektiver Querschnitt des Luftansaugrohrs wird der Innendurchmesser der verwendeten<br />
Messstrecke zugrunde gelegt. Für die Messung stehen zwei Messstrecken<br />
zur Verfügung. Messstrecke 1 besitzt einen Innendurchmesser von 46 mm, Messstrecke<br />
2 einen Inndurchmesser von 36 mm. Abbildung 29 zeigt den Querschnitt der<br />
Messstrecke mit dem Messkopf des Thermoanemometers:<br />
Abbildung 29: Querschnitt der Messstrecke mit Messkopf des Thermoanemometers<br />
Für die Berechnung der effektiven Querschnittsfläche gilt:<br />
(4.2)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 79
Experimentelles Vorgehen<br />
Mit einem Volumen der Messkammer von 10,37 m³ ergeben sich über diese Zusammenhänge<br />
<strong>für</strong> beide Messstrecken folgende Kalibrierkennlinien:<br />
Abbildung 30: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 1 mit d = 46 mm<br />
Abbildung 31: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 2 mit d = 36 mm<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 80
Experimentelles Vorgehen<br />
Bei Lüfterleistungen über ca. 70 % ist der obere Messbereich des Thermoanemometers<br />
erreicht. Diese Lüftereinstellungen werden daher nicht verwendet. Bei einer<br />
Lüfterleistung von weniger als 7 % kommt der Lüfter zum Stillstand, so dass eine<br />
Luftwechselrate von 0 h -1 vorliegt. Mit Hilfe dieser Kalibrierkennlinien kann schließlich<br />
der <strong>für</strong> eine Messreihe geplante Verlauf der Luftwechselrate in die Lüfterleistung umgerechnet<br />
und über das Programm „IMPS - Fan Control“ der Lüfter angesteuert werden.<br />
4.1.3 Aktivkohlefilter<br />
Die Aufnahme der Messreihen beginnt damit, dass zur Realisierung eines Verlaufs<br />
der Luftwechselrate über das Ansaugrohr direkt Umgebungsluft in die Messkammer<br />
gesaugt wird. Hierbei kann die Radonkonzentration in der Messkammer durch<br />
Schwankungen der Radonkonzentration in der Umgebungsluft beeinflusst werden.<br />
Diese Beeinflussung kann gemessen werden, indem die Radonkonzentration in der<br />
Umgebungsluft mit einem zweiten Radonmessgerät aufgenommen wird. Im Falle der<br />
VOC-Messungen ist dies jedoch nicht möglich, da nur ein VOC-Messgerät zur Verfügung<br />
steht. Mit Hilfe eines Aktivkohlefilters, der am Zuluftkanal der Messkammer installiert<br />
ist, werden die VOC in der Zuluft zurückgehalten, so dass mögliche VOC-<br />
Konzentrationen in der Umgebungsluft vernachlässigt werden können. Radon wird<br />
ebenfalls, allerdings nicht komplett, im Aktivkohlefilter zurückgehalten, der vielmehr<br />
als Verzögerungsstrecke dient, so dass er als Tiefpassfilter der Radonkonzentration<br />
in der Umgebungsluft angesehen werden kann. Kurzzeitige Schwankungen der Radonkonzentration<br />
in der Umgebungsluft werden somit geglättet, es kann also mit<br />
mittleren Werten gerechnet werden.<br />
Der verwendete Aktivkohlefilter ist in Abbildung 27 zu sehen. Es handelt sich hierbei<br />
um ein handelsübliches Kunststofffass, das mit 30 L Aktivkohlegranulat gefüllt ist.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 81
Experimentelles Vorgehen<br />
4.1.4 Radonquellen<br />
Als Radonquellen kommen Uranerz, Hundsbühler Erde und Rohrablagerungen aus<br />
einem Radonheilbad zum Einsatz. Da die einzelnen Proben unterschiedliche Aktivitäten<br />
aufweisen, können sie je nach Anspruch an die Quellstärke variiert werden.<br />
Diese Radonquellen dienen als sehr konstanter Radonlieferant.<br />
Abbildung 32 zeigt einen Überblick über die verwendeten Radonquellen:<br />
Abbildung 32: Beispiele <strong>für</strong> die verwendeten Radonquellen<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 82
Experimentelles Vorgehen<br />
4.1.5 VOC-Quelle<br />
Als exemplarische VOC-Quelle kommt handelsübliches Aceton zum Einsatz, das in<br />
einer Kunststoffflasche abgefüllt ist. Diese besitzt auf Höhe des Flüssigkeitsspiegels<br />
eine zylindrische Form, so dass sich die Fläche des Flüssigkeitsspiegels bei einem<br />
durch die Verdunstung bedingten abnehmenden Pegel nicht verändert. Dadurch wird<br />
eine konstante VOC-Emission gewährleistet. Die Aceton-Flasche wird auf eine<br />
Waage gestellt, so dass die Verdunstungsrate messtechnisch aufgezeichnet werden<br />
kann. Abbildung 33 zeigt den verwendeten Aufbau in der Messkammer.<br />
Über eine regelbare 50 W Glühlampe kann die Temperatur in der Messkammer variiert<br />
und somit Einfluss auf die VOC-Emission genommen werden.<br />
Abbildung 33: Waage mit Aceton-Flasche als VOC-Quelle<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 83
Experimentelles Vorgehen<br />
4.1.6 VOC-Messgerät<br />
Das verwendete VOC-Messgerät des Typs „PhoCheck Tiger“ nutzt das in Abschnitt<br />
2.2.3 beschriebene Messprinzip der Photoionisation. Darüber hinaus besitzt das Gerät<br />
eine Feuchtekompensation zur Reduktion des Einflusses der Luftfeuchtigkeit.<br />
Abbildung 34: Verwendetes VOC-Messgerät des Typs "PhoCheck Tiger"<br />
Da die UV-Lampe und der Sensor des Gerätes bei längerem Einsatz verschmutzen,<br />
ist es notwendig, eine regelmäßige Kalibrierung durchzuführen. In den durchzuführenden<br />
Versuchen erfolgt die Kalibrierung in Abständen von maximal einer Woche<br />
mit dem Kalibriergas Isobutylen, das in einem Kalibrierset in einer Konzentration von<br />
100 ppm vorliegt. In der Messkammer wird als Beispiel-VOC Aceton verwendet. Der<br />
Kalibrierfaktor <strong>für</strong> Aceton ist im Gerät hinterlegt, so dass nach einer Kalibrierung mit<br />
Isobutylen die Messung auf Aceton angepasst werden kann.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 84
Experimentelles Vorgehen<br />
4.1.7 Radonmonitore<br />
Je nach Messaufgabe sind sowohl innerhalb als auch außerhalb der Messkammer<br />
ein oder mehrere Radonmonitore aufgestellt. Im Inneren befinden sich ein oder mehrere<br />
Radonmonitore des Typs ATMOS und Radonmonitore des Typs AlphaGUARD<br />
(siehe Abbildung 35), die neben der Radonkonzentration Klimaparameter wie Temperatur,<br />
Luftdruck und Luftfeuchte aufnehmen. Zur Messung der Radonaußenkonzentration<br />
und der Außenklimaparameter ist außerhalb der Messkammer ebenfalls<br />
ein AlphaGUARD aufgestellt.<br />
Abbildung 35: AlphaGUARD als Beispiel eines verwendeten Radonmessgerätes<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 85
Experimentelles Vorgehen<br />
4.2 Feldversuche - reale Messobjekte<br />
Für eine weitere Untersuchung der Methode werden Messdaten herangezogen, die<br />
in realen Messobjekten aufgenommen werden. Zur Aufnahme der Messdaten wird<br />
über vier Wochen in mehreren Räumen der Verlauf der Radonkonzentration gemessen.<br />
Sind zwei Räume über einen dauerhaft offenen Durchgang miteinander verbunden,<br />
so genügt hier der Einsatz eines einzelnen Radonmessgerätes. Wichtig ist, dass<br />
im Keller eine repräsentative Messung durchgeführt wird, da hier die ausschlaggebende<br />
Radonquelle zu erwarten ist. Im Wesentlichen erfolgen die Messungen bei<br />
normaler Raumnutzung, um das Nutzerverhalten mit zu berücksichtigen. Eine Ausnahme<br />
bildet hierbei die Aufnahme einer Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke.<br />
Hierzu wird zunächst durch Öffnen der Fenster eine intensive Lüftung<br />
durchgeführt. Ist eine niedrige Radonkonzentration erreicht, so werden Fenster und<br />
Türen geschlossen, was zu einem Aufbau der Radonkonzentration führt. Für die daraus<br />
resultierende Sättigungskurve werden ein bis drei Tage eingeplant.<br />
Zur Messdatenaufnahme werden zwei Messobjekte herangezogen, wobei es sich<br />
jeweils um Einfamilienhäuser handelt:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 86
Experimentelles Vorgehen<br />
4.2.1 Messobjekt 1<br />
Bei diesem Objekt handelt es sich um ein Einfamilienhaus aus dem Baujahr 1956 in<br />
Massivbauweise. Es besitzt ein Keller-, ein Erd- und ein Obergeschoss. Das Kellergeschoss<br />
besteht im Wesentlichen aus einem großen Raum und dem Raum <strong>für</strong> den<br />
Ölkessel. Im Kellergeschoss befinden sich zwei Radonmonitore des Typs Atmos und<br />
AlphaGUARD. Im Erdgeschoss können Esszimmer, Küche und Wohnzimmer mit einem<br />
Radonmonitor des Typs AlphaGUARD zusammengefasst werden, da sie über<br />
dauerhaft offene Durchgänge miteinander verbunden sind. Ein weiterer Radonmonitor<br />
des Typs Atmos befindet sich in der Diele.<br />
Abbildung 36: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 1. Die grünen Punkte markieren die<br />
Standorte der Radonmonitore (Diele: Atmos, Wohnzimmer: AlphaGUARD)<br />
Im Obergeschoss befinden sich ein Radonmessgerät des Typs AlphaGUARD im<br />
Schlafzimmer (siehe Abbildung 37, „Eltern“) und ein weiteres Radonmessgerät des<br />
Typs AlphaGUARD im Gästezimmer (siehe Abbildung 37, „Kind 2“):<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 87
Experimentelles Vorgehen<br />
Abbildung 37: Grundriss des Obergeschosses des Messobjektes 1. Die grünen Punkte markieren die<br />
Standorte der Radonmonitore des Typs AlphaGUARD.<br />
Bei den braun eingezeichneten Abschnitten in Abbildung 36 und Abbildung 37 handelt<br />
es sich um einen Neubau, der nicht über Türen oder andere Öffnungen mit dem<br />
Altbau verbunden ist und daher messtechnisch nicht berücksichtigt wird.<br />
4.2.2 Messobjekt 2<br />
Dieses Objekt aus dem Baujahr 1974 wurde ebenfalls als Einfamilienhaus in Massivbauweise<br />
erbaut. Wie Messobjekt 1 besitzt es drei Etagen: Keller-, Erd- und Obergeschoss.<br />
Da mehr Räume vorhanden sind als Radonmonitore zur Verfügung stehen,<br />
werden die Standorte möglichst repräsentativ ausgewählt.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 88
Experimentelles Vorgehen<br />
Im Kellergeschoss werden zwei Radonmonitore des Typs Atmos platziert (siehe<br />
Abbildung 38):<br />
Abbildung 38: Grundriss des Kellergeschosses des Messobjektes 2. Die grünen Punkte markieren die<br />
Standorte der Radonmonitore des Typs Atmos.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 89
Experimentelles Vorgehen<br />
Im Erdgeschoss und im Obergeschoss werden jeweils zwei Radonmessgeräte des<br />
Typs AlphaGUARD platziert (siehe Abbildung 39 und Abbildung 40):<br />
Abbildung 39: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 2. Die grünen Punkte markieren die<br />
Standorte der Radonmonitore des Typs AlphaGUARD.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 90
Experimentelles Vorgehen<br />
Abbildung 40: Grundriss des Dachgeschosses des Messobjektes 2. Die grünen Punkte markieren die<br />
Standorte der Radonmonitore des Typs Atmos.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 91
Experimentelles Vorgehen<br />
4.3 Aufbereitung der Messdaten in Excel<br />
Zur ersten Übersicht werden die an der Messkammer und in den Messobjekten aufgenommenen<br />
Messreihen in einem Excel-Programm aufbereitet, das in drei Tabellenblätter<br />
aufgeteilt ist. Das erste Blatt enthält das Messprotokoll. Hier werden Messzeitraum,<br />
Messort, verwendete Messgeräte mit jeweiligem Messpunkt und Anmerkungen<br />
zur Beschreibung der Messreihe eingetragen (siehe Abbildung 41):<br />
Abbildung 41: Beispiel eines Messprotokolls in der Messdatenaufbereitung. Der Abschnitt „Messgrößen“<br />
dient der Spaltenzuordnung bei den Rohdaten. Neben den in Tabelle 3 aufgeführten Messgeräten sind im<br />
Messprotokoll weitere Geräte aufgelistet, damit das Excel-Programm <strong>für</strong> weitere Laborversuche mit<br />
anderen im Labor vorhandenen Geräten Verwendung finden kann.<br />
Die Messdaten der einzelnen Geräte werden in unterschiedlichen Formaten ausgegeben.<br />
Eine Vereinheitlichung des Formates erfolgt im zweiten Teil des Excel-Programms.<br />
Hier werden die Messdaten aller verwendeten Geräte mit einer gemeinsa-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 92
Experimentelles Vorgehen<br />
men Zeitachse aufgelistet (siehe Abbildung 42). Auf Basis dieses Tabellenblattes erfolgen<br />
später die weiteren Berechnungen in Mathcad.<br />
Abbildung 42: Ausschnitt der Rohdaten einzelner Messgeräte einer Beispiel-Messreihe<br />
Einige Radon-Messgeräte haben eine Kalibrierung erhalten, deren Daten in folgendem<br />
Abschnitt eingetragen werden können:<br />
Abbildung 43: Tabelle zur Eintragung der Kalibrierdaten <strong>für</strong> die Radon-Messgeräte<br />
Anhand der Kalibrierdaten können zwei Möglichkeiten der zwei-Punkt-Kalibrierung<br />
durchgeführt werden. Bei der ersten Möglichkeit handelt es sich um die herkömmliche<br />
zwei-Punkt-Kalibrierung, bei der durch beide Kalibrierpunkte eine Regressions-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 93
Experimentelles Vorgehen<br />
gerade gelegt und so die Kalibrierkennlinie<br />
bestimmt wird, wobei sich die<br />
Steigung und der Achsenabschnitt wie folgt berechnen:<br />
(4.3)<br />
(4.4)<br />
: Wahrer Wert am Kalibrierpunkt 1<br />
: Wahrer Wert am Kalibrierpunkt 2<br />
: Anzeigewert am Kalibrierpunkt 1<br />
: Anzeigewert am Kalibrierpunkt 2<br />
Bei der modifizierten zwei-Punkt-Kalibrierung wird die Kalibrierkennlinie durch den<br />
Nullpunkt gezwungen. Da die Kalibrierpunkte bei Radonkonzentrationen deutlich<br />
höhere Werte haben, als die in der Messkammer und den Messobjekten auftretenden<br />
Radonkonzentrationen, liegt der Vorteil der modifizierten zwei-Punkt-Kalibrierung<br />
in der gegenüber den Kalibrierpunkten erhöhten Gewichten der Korrektur des Nullefektes.<br />
Die Kalibrierkennlinie<br />
der modifizierten zwei-Punkt-Kalibrierung<br />
wird wie folgt berechnet:<br />
(4.5)<br />
(4.6)<br />
Abbildung 44 zeigt eine Gegenüberstellung der zwei Kalibriermethoden:<br />
x = Anzeigewert - Nulleffekt<br />
x = Anzeigewert - Nulleffekt<br />
Abbildung 44: Herkömmliche (links) und modifizierte (rechts) zwei-Punkt-Kalibrierung<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 94
Experimentelles Vorgehen<br />
Nach Korrektur der Messreihe erfolgt im dritten Tabellenblatt zur ersten Übersicht<br />
eine grafische Aufbereitung der Messdaten (Abbildung 45):<br />
Abbildung 45: Grafische Aufbereitung der Messdaten einer Beispiel-Messreihe<br />
Die grafische Aufbereitung bietet mehrere Einstell- und Auswahlmöglichkeiten. Auf<br />
zwei Achsen (Primär- und Sekundärachse) können je zwei Datenreihen von jeweils<br />
einer Messgröße dargestellt werden. Die Auswahl des Betrachtungszeitraums und<br />
des Intervalls der jeweiligen Messreihe erlauben eine erste augenscheinliche Begutachtung<br />
der vorgenommenen Messungen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 95
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4 Auswertung der Messreihen in Mathcad<br />
Die Auswertung der Messreihen erfolgt in einem Mathcad-Programm. Im Folgenden<br />
werden Oberfläche und Bedienung des Programms erläutert. Eine detaillierte Darstellung<br />
des Programms ist im Anhang zu finden.<br />
4.4.1 Einlesen der Messdaten<br />
In diesem Abschnitt wird die nach 4.3 aufbereitete Messreihe als Excel-Datei eingelesen.<br />
Welche Messgeräte <strong>für</strong> die Auswertung herangezogen werden sollen, kann <strong>für</strong><br />
jede Messgröße einzeln ausgewählt werden.<br />
Abbildung 46: Abschnitt 1 - Einlesen der Messdaten<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 96
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4.2 Berechnung der Radonquellstärke<br />
Zur Berechnung der Radonquellstärke wird zunächst aus der eingelesenen Messreihe<br />
ein Zeitbereich ausgewählt, in dem sich eine Sättigungskurve befindet. Aus<br />
dieser Sättigungskurve wird nach 3.1.5 die Radonquellstärke berechnet. Als Radonaußenkonzentration<br />
wird die in Abschnitt 1 ausgewählte Radonkonzentration verwendet,<br />
wobei bei Auswahl eines gemessenen Verlaufs ebenfalls ein Mittelwert gebildet<br />
werden kann. Liegt eine Messreihe vor, die keine Sättigungskurve enthält,<br />
kann eine frei wählbare Radonquellstärke eingegeben werden, die z.B. aus einer früheren<br />
Messreihe berechnet wurde.<br />
Abbildung 47: Abschnitt 2 - Berechnung der Radon-Quellstärke<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 97
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4.3 Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen<br />
Luftwechselrate<br />
Zur ersten Überprüfung der gewählten Radonquellstärke wird über die Zusammenhänge<br />
aus 3.1.4 aus der gemessenen Luftwechselrate der Verlauf der Radonkonzentration<br />
berechnet. Ein Beispiel einer berechneten Radonkonzentration ist in Abbildung<br />
48 dargestellt:<br />
Radonkonzentration (gemessen und berechnet)<br />
3000<br />
0.8<br />
0.6<br />
2000<br />
0.4<br />
1000<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100<br />
0<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (berechnet aus gemessener Luftwechselrate)<br />
Luftwechselrate (gemessen)<br />
Abbildung 48: Abschnitt 3 - Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen Luftwechselrate<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 98
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4.4 Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration<br />
Bevor die Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration erfolgen<br />
kann, wird die gemessene Radonkonzentration einer Filterung unterzogen. Hierzu<br />
wird eine Fensterfunktion ausgewählt und über einen Schieberegler deren Breite<br />
festgelegt:<br />
Abbildung 49: Abschnitt 4 - Auswahl der Fensterfunktion zur Filterung des gemessenen Verlaufs der<br />
Radonkonzentration<br />
Anschließend wird mit der ausgewählten Filterung der gemessene Verlauf der Radonkonzentration<br />
gefiltert (siehe Abbildung 50).<br />
4000<br />
Filterung der Radonkonzentration<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
0 50 100<br />
Radonkonzentratino (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 50: Abschnitt 4 - Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 99
Luftwechselrate (1/h)<br />
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4.5 Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
Auf Basis des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration erfolgt die Rekonstruktion<br />
der Luftwechselrate gemäß den in 3.1.4 erläuterten Zusammenhängen.<br />
Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 51: Abschnitt 5 - Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 100
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4.6 Berechnung der VOC-Quellstärke<br />
Um aus der Luftwechselrate die VOC-Konzentration berechnen zu können, wird zunächst<br />
nach den in 3.3.1 erläuterten Zusammenhängen die VOC-Quellstärke berechnet.<br />
Wie bei der Berechnung der Radonquellstärke wird über zwei Schieberegler der<br />
Anpassungsbereich gewählt. Auch hier kann je nach Bedarf eine freie Eingabe der<br />
VOC-Quellstärke erfolgen. Da die VOC-Konzentration von der Temperatur abhängt,<br />
sollte diese über den Zeitraum der Kurvenanpassung konstant bleiben. Zur Kontrolle<br />
wird die Temperatur über diesen Zeitraum angezeigt.<br />
Abbildung 52: Abschnitt 6 - Berechnung der VOC-Quellstärke<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 101
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Experimentelles Vorgehen<br />
4.4.7 Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
Die Berechnung der VOC-Konzentration erfolgt nach den in 3.3 erläuterten Zusammenhängen.<br />
Für die Berechnung werden zum einen der gemessene Verlauf der Luftwechselrate<br />
und zum anderen der aus der Radonkonzentration rekonstruierte Verlauf<br />
der Luftwechselrate herangezogen. Der blau dargestellte Verlauf der VOC-Konzentration<br />
stellt somit den ersten Beitrag der in Abbildung 16 dargestellten Vorgehensweise<br />
zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft dar.<br />
Berechnung der VOC-Konzentration<br />
0.8<br />
10<br />
0.6<br />
5<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100<br />
0<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
VOC-Konzentration (berechnet aus gemessenem Luftwechsel)<br />
VOC-Konzentration (berechnet aus rekonstruiertem Luftwechsel)<br />
Luftwechselrate (gemessen)<br />
Luftwechselrate (aus Radonkonzentration rekonstuiert)<br />
Abbildung 53: Abschnitt 7 - Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 102
Ergebnisse<br />
5 Ergebnisse<br />
Im Folgenden werden Ergebnisse präsentiert, die unter Laborbedingungen in der<br />
Messkammer bzw. unter realen Bedingungen in Wohngebäuden gewonnen wurden.<br />
Tabelle 4 zeigt eine Übersicht über die dargestellten Beispiele:<br />
Beispiel Messort Berechnung Bedingungen Seite<br />
1 Messkammer<br />
2 Messkammer<br />
Radon -<br />
Luftwechselrate<br />
Radon -<br />
Luftwechselrate<br />
Hohe Radonquellstärke 105<br />
Niedrige Radonquellstärke 112<br />
3 Messkammer<br />
Luftwechselrate<br />
- VOC<br />
Variierende Luftwechselrate 117<br />
4 Messkammer<br />
Luftwechselrate<br />
- VOC<br />
Variierende<br />
Innenraumtemperatur<br />
121<br />
5 Messkammer Radon - VOC<br />
6 Messkammer Radon - VOC<br />
7 Messobjekt 1<br />
Radon -<br />
Luftwechselrate<br />
Variierende Luftwechselrate bei<br />
konstanter<br />
Innenraumtemperatur<br />
Variierende Luftwechselrate bei<br />
variierender<br />
Innenraumtemperatur<br />
124<br />
127<br />
Alltagsbedingungen 132<br />
8 Messobjekt 2<br />
Radon -<br />
Luftwechselrate<br />
Alltagsbedingungen 135<br />
Tabelle 4: Übersicht über die dargestellten Beispiele<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 103
Ergebnisse<br />
5.1 Laborversuche - Messkammer<br />
Anhand von Messungen in der Messkammer soll die Methode des Ein-Raum-Modells<br />
verifiziert werden. Die Verifikation der Methode erfolgt in zwei Schritten:<br />
1. Zunächst erfolgen unabhängig voneinander die Verifikationen des Modells<br />
Radon - Luftwechsel und des Modells Luftwechsel - VOC<br />
2. Anschließend erfolgt die Verifikation des Gesamtmodells Radon - VOC. Hierzu<br />
kommen unterschiedliche Radon- und VOC-Quellstärken zum Einsatz.<br />
Für jede Messreihe werden zunächst die Stärken der verwendeten Quellen ermittelt,<br />
auf die sich die jeweiligen Berechnungen beziehen.<br />
5.1.1 Berechnung Radonkonzentration - Luftwechselrate<br />
Auf Basis des Ansatzes 2 (siehe Abschnitt 3.1.4) soll im Folgenden die Ermittlung der<br />
Radonquellstärke, die Berechnung der Radonkonzentration aus der Luftwechselrate<br />
und die Berechnung der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration erfolgen. Hierzu<br />
werden in der Messkammer gemessene Verläufe der Radonkonzentration und der<br />
Luftwechselrate mit Hilfe des in Abschnitt 4.4 erläuterten Mathcad-Programmes<br />
verarbeitet. Im Folgenden werden zwei Beispiele präsentiert. Für das erste Beispiel<br />
wurde eine hohe, <strong>für</strong> das zweite Beispiel eine niedrige Radonquellstärke verwendet.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 104
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 1 - Hohe Radonquellstärke<br />
Ermittlung der Radonquellstärke<br />
Zur Ermittlung der <strong>für</strong> die Messungen in der Messkammer vorliegenden Radonquellstärke<br />
wird eine Sättigungskurve erzeugt, indem die an der Messkammer anliegende<br />
Luftwechselrate sprunghaft von auf gesenkt wird (diese Sättigungskurve<br />
findet auch in Abschnitt 3.1.5 Anwendung). An die gemessene Sättigungskurve<br />
wird nach 3.1.5 eine Exponentialfunktion angepasst (siehe Abbildung<br />
54):<br />
2500<br />
Beispiel 1: Kurvenanpassung (Radon)<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0 5 10 15<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)<br />
Radonkonzentration (angepasst)<br />
Abbildung 54: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der<br />
Luftwechselrate von<br />
auf<br />
Nach Anpassen der Parameter Zeitkonstante , Anfangskonzentration<br />
Sättigungskonzentration an die Anpassungsfunktion aus Gleichung 3.15<br />
und<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 105
Ergebnisse<br />
ergeben sich folgende Werte:<br />
; ;<br />
Die Werte der Anpassungsparameter werden mit der physikalischen Zerfallskonstante<br />
des Radons (<br />
) und einer gemessenen Radonaußenkonzentration<br />
von<br />
in Gleichung 3.24 eingesetzt und so die auf das Raumvolumen normierte<br />
Radonquellstärke berechnet:<br />
Dieser Wert wird <strong>für</strong> die weiteren Berechnungen herangezogen.<br />
Berechnung der Radonkonzentration aus der Luftwechselrate<br />
An der Messkammer wird über den Mikrocontroller ein rechteckförmiger Verlauf der<br />
Luftwechselrate mit folgenden Eckdaten eingestellt:<br />
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h<br />
20 0,3<br />
15 0,7<br />
Tabelle 5: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 1<br />
(Gesamtperiode T = 35 h)<br />
Da zwischen der voreingestellten und der über den Lüfter realisierten Luftwechselrate<br />
kleine Abweichungen bestehen können, wird die tatsächliche Luftwechselrate<br />
über das Thermoanemometer ermittelt. Der Verlauf der an der Messkammer anliegenden<br />
Luftwechselrate ist in Abbildung 55 dargestellt:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 106
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 1: Gemessene Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 55: Vorgabe einer realen Luftwechselrate<br />
Basierend auf diesen Daten wird nach Gleichung 3.11 der Verlauf der Radonkonzentration<br />
berechnet. Abbildung 56 zeigt den berechneten Verlauf mit einem Vergleich<br />
zum gemessenen Verlauf:<br />
Beispiel 1: Radonkonzentration (gemessen und berechnet)<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (berechnet aus gemessener Luftwechselrate)<br />
Abbildung 56: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem gemessenen Verlauf<br />
der Radonkonzentration<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 107
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Der Vergleich verdeutlicht, dass der berechnete Verlauf der Radonkonzentration augenfällige<br />
Übereinstimmungen mit dem gemessenen Verlauf zeigt.<br />
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration<br />
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration kommt die oben<br />
berechnete Radonquellstärke zur Anwendung. Als vorgegebene Luftwechselrate<br />
dient der in Abbildung 55 dargestellte Verlauf. Der gemessene Verlauf der Radonkonzentration<br />
wird als Grundlage zur Rekonstruktion der vorgegebenen Luftwechselrate<br />
herangezogen (siehe blauer Verlauf in Abbildung 56).<br />
Nach Gleichung 3.14 wird aus dem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration<br />
zunächst ohne Filterung der zugehörige Verlauf der Luftwechselrate berechnet. Die<br />
rekonstruierte ist in einem Vergleich zur vorgegebenen Luftwechselrate in Abbildung<br />
57 dargestellt:<br />
2<br />
Beispiel 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0 50 100 150<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 57: Vergleich der aus einem ungefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der<br />
vorgegebenen Luftwechselrate<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 108
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Bei Vergleich der aus einem ungefilterten Verlauf der Radonkonzentration rekonstruierten<br />
mit der vorgegebenen Luftwechselrate wird deutlich, dass die Berechnung<br />
nach Gleichung 3.14 eine starke Rauschempfindlichkeit besitzt. Da jedoch das<br />
Messsignal der Radonkonzentration immer statistischen Schwankungen ausgesetzt<br />
ist, wird an dieser Stelle eine Filterung notwendig. Abbildung 58 zeigt den gemessenen<br />
Verlauf der Radonkonzentration nach Anwendung einer Filterung mit einem<br />
Hamming-Fenster der Fensterbreite 512. Hochfrequente Anteile des Messsignals<br />
werden dadurch entfernt bzw. reduziert.<br />
3000<br />
Beispiel 1: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 512)<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Radonkonzentratino Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 58: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 512<br />
Nach erneuter Rekonstruktion der Luftwechselrate nach Gleichung 3.14 ergibt sich<br />
der in Abbildung 59 dargestellte Verlauf:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 109
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 59: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der<br />
vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite 512)<br />
Abbildung 59 zeigt eine gute Annäherung der rekonstruierten an den Verlauf der<br />
vorgegebenen Luftwechselrate. Am rekonstruierten Verlauf der Luftwechselrate sind<br />
jedoch noch Rauschanteile zu erkennen. Dies liegt daran, dass das Nutzsignal nicht<br />
komplett vom Rauschanteil getrennt werden kann. Hochfrequente Rauschanteile<br />
können zwar durch die verwendete Filterung über Fenster-Funktionen (hier: Hamming-Fenster)<br />
reduziert bzw. entfernt werden, jedoch verbleiben Rauschanteile, die<br />
im Frequenzbereich des Nutzsignals liegen, im Signal. Durch eine kleinere Fensterbreite<br />
können diese Rauschanteile zwar auch reduziert bzw. entfernt werden, jedoch<br />
werden damit auch hochfrequente Anteile des Nutzsignals reduziert bzw. entfernt.<br />
Um dies zu verdeutlichen, wird im Folgenden eine Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
auf Basis eines Radonkonzentrationsverlaufs, der mit einem Hamming-Fenster<br />
der Breite 128 gefiltert wurde, durchgeführt.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 110
Luftwechselrate (1/h)<br />
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
3000<br />
Beispiel 1: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 128)<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Radonkonzentration Radonkonzentratino (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 60: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 128<br />
Beispiel 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 61: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der<br />
vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite 128)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 111
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Die Filterung bei einer kleineren Fensterbreite führt zu einer Glättung des Rauschens,<br />
aber auch zu einer Glättung des Nutzsignals. Dies hat zur Folge, dass der in<br />
diesem Beispiel verwendete Rechteckverlauf immer schlechter aufgelöst wird. Bei<br />
der Wahl der Fensterbreite muss somit ein Kompromiss zwischen erhaltenen Rauschanteilen<br />
und unterdrücktem Nutzsignal geschlossen werden:<br />
Beispiel 2 - Niedrige Radonquellstärke<br />
Ermittlung der Radonquellstärke<br />
Zur Ermittlung der Radonquellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate<br />
von auf . Wie in Beispiel 1 wird an die gemessene<br />
Sättigungskurve eine Exponentialfunktion angepasst (siehe Abbildung 62).<br />
300<br />
Beispiel 2: Kurvenanpassung (Radon)<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 20 40 60<br />
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)<br />
Radonkonzentration (angepasst)<br />
Abbildung 62: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der<br />
Luftwechselrate von<br />
Zeit (h)<br />
auf<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 112
Ergebnisse<br />
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.15)<br />
ergeben sich folgende Werte:<br />
; ;<br />
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke ergibt sich mit einer angenommenen<br />
Radonaußenkonzentration von über Gleichung 3.23:<br />
Dieser Wert wird <strong>für</strong> die weiteren Berechnungen herangezogen.<br />
Berechnung der Radonkonzentration aus der Luftwechselrate<br />
An der Messkammer wird über den Mikrocontroller eine rechteckförmige Luftwechselrate<br />
mit folgenden Eckdaten eingestellt:<br />
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h<br />
20 0,5<br />
60 0,1<br />
Tabelle 6: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 2<br />
(Gesamtperiode T = 80 h)<br />
Der tatsächlich an der Messkammer anliegende Verlauf der Luftwechselrate ist in<br />
Abbildung 63 dargestellt:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 113
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 2: Gemessene Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 100 200 300<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 63: Vorgabe einer realen Luftwechselrate<br />
Basierend auf diesen Daten wird nach Gleichung 3.11 der Verlauf der Radonkonzentration<br />
berechnet (siehe Abbildung 64):<br />
300<br />
Beispiel 2: Radonkonzentration (gemessen und berechnet)<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 100 200 300<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (berechnet aus gemessener Luftwechselrate)<br />
Abbildung 64: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem gemessenen Verlauf<br />
der Radonkonzentration<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 114
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Der Vergleich verdeutlicht, dass auch bei einer geringen Radonquellstärke der berechnete<br />
Verlauf der Radonkonzentration augenfällige Übereinstimmungen mit dem<br />
gemessenen Verlauf zeigt.<br />
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration<br />
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate wird zunächst der Verlauf der Radonkonzentration<br />
gefiltert. Hierzu wird ein Kaiser-Fenster der Breite 256 verwendet.<br />
300<br />
Beispiel 2: Filterung der Radonkonzentration (Kaiser, 256)<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 100 200 300<br />
Radonkonzentration Radonkonzentratino (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 65: Filterung der Radonkonzentration durch ein Kaiser-Fenster der Breite 256<br />
Über Gleichung 3.14 wird unter Verwendung des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
und der oben ermittelten Radonquellstärke der Verlauf der Luftwechselrate<br />
rekonstruiert (siehe Abbildung 66):<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 115
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 2: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 100 200 300<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 66: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten mit der<br />
vorgegebenen Luftwechselrate<br />
Abbildung 66 zeigt eine grobe Annäherung der rekonstruierten an den Verlauf der<br />
vorgegebenen Luftwechselrate. Auch hier ist zu sehen, dass nicht alle Rauschanteile<br />
entfernt werden können und somit den rekonstruierten Verlauf überlagern. Außerdem<br />
wird dabei auch das Nutzsignal durch die Filterung beeinträchtigt.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 116
Ergebnisse<br />
5.1.2 Berechnung Luftwechselrate - VOC<br />
Der zweite Schritt des Gesamtmodells erfolgt anhand der in Abschnitt 3.3 erläuterten<br />
Zusammenhänge. In der Messkammer werden Verläufe der VOC-Konzentration aufgenommen.<br />
Die VOC-Konzentration wird durch Aceton erzeugt, das als VOC-Quelle<br />
in die Messkammer gegeben wird. In folgenden Beispielen wird zunächst die VOC-<br />
Quellstärke berechnet. Anschließend wird mit der jeweiligen VOC-Quellstärke der<br />
Verlauf der VOC-Konzentration berechnet, indem die gemessene Luftwechselrate<br />
herangezogen wird. Das erste Beispiel zeigt eine VOC-Messreihe bei einer variierenden<br />
Luftwechselrate. Im zweiten Beispiel wird die Temperatur variiert, um deren<br />
Einfluss zu untersuchen.<br />
Beispiel 3 - variierende Luftwechselrate<br />
Zunächst wird die VOC-Konzentration bei variierender Luftwechselrate untersucht.<br />
Hierzu wird ein rechteckförmiger Verlauf der Luftwechselrate mit folgenden Eckdaten<br />
eingestellt:<br />
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h<br />
20 0,5<br />
30 0,3<br />
Tabelle 7: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 3<br />
(Gesamtperiode T = 50 h)<br />
Der tatsächlich an der Messkammer anliegende Verlauf der Luftwechselrate ist mit<br />
dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration in Abbildung 67 dargestellt:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 117
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
300<br />
Beispiel 3: Berechnung der VOC-Konzentration<br />
200<br />
0.4<br />
100<br />
0.2<br />
0<br />
0<br />
50 100 150<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
Luftwechselrate (gemessen)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 67: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf der Luftwechselrate<br />
Ermittlung der VOC-Quellstärke<br />
Zur Ermittlung der VOC-Quellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate<br />
auf ( , Messkammertür offen). Wie bei der Ermittlung<br />
der Radonquellstärke wird an die gemessene VOC-Sättigungskurve eine Exponentialfunktion<br />
angepasst (siehe Abbildung 68):<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 118
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Temperatur (°C)<br />
Ergebnisse<br />
180<br />
Beispiel 3: Kurvenanpassung (VOC)<br />
170<br />
160<br />
20<br />
150<br />
10<br />
140<br />
130<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (Auswahl, gemessen)<br />
VOC-Konzentration (angepasst)<br />
Temperatur (gemessen)<br />
Abbildung 68: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem Sprung der<br />
Luftwechselrate von<br />
auf<br />
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.27)<br />
ergeben sich folgende Werte:<br />
; ;<br />
Die Werte der Anpassungsparameter werden in Gleichung 3.23 eingesetzt und so<br />
die auf das Raumvolumen normierte VOC-Quellstärke berechnet. Als VOC-Außenkonzentration<br />
wird ein Wert von angenommen, da die Zuluft der Messkammer<br />
durch den verwendeten Aktivkohlefilter VOC-frei ist.<br />
Dieser Wert wird <strong>für</strong> die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
herangezogen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 119
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
Über Gleichungen 3.25 wird aus dem gemessenen Verlauf der Luftwechselrate der<br />
Verlauf der VOC-Konzentration berechnet. Abbildung 69 zeigt den resultierenden im<br />
Vergleich mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration:<br />
300<br />
Beispiel 3: Berechnung der VOC-Konzentration<br />
200<br />
0.4<br />
100<br />
0.2<br />
0<br />
0<br />
50 100 150<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
VOC-Konzentration (berechnet aus gemessenem Luftwechsel)<br />
Luftwechselrate (gemessen)<br />
Abbildung 69: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration<br />
Abbildung 69 zeigt eine gute Übereinstimmung des berechneten und des gemessenen<br />
Verlaufs der VOC-Konzentration.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 120
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Temperatur (°C)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 4 - variierende Innenraumtemperatur<br />
Zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der VOC-Konzentration wird eine<br />
Messreihe aufgenommen, die einen Temperatursprung enthält. Nach ca. 45 h Laufzeit<br />
wird in der Messkammer eine 50 W Glühlampe eingeschaltet, wodurch ein Temperatursprung<br />
um ca. 7 °C bewirkt wird. Abbildung 70 zeigt den Verlauf der Temperatur<br />
mit dem resultierenden Verlauf der VOC-Konzentration:<br />
40<br />
Beispiel 4: VOC-Verlauf bei Temperatursprung<br />
40<br />
30<br />
35<br />
20<br />
30<br />
10<br />
25<br />
0<br />
20<br />
0 50 100 150<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
Temperatur (gemessen)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 70: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf des Temperatursprungs<br />
Ermittlung der VOC-Quellstärke<br />
Zur Ermittlung der VOC-Quellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate<br />
auf ( , Messkammertür offen). Wie im vorigen Beispiel<br />
wird an die gemessene VOC-Sättigungskurve eine Exponentialfunktion angepasst<br />
(siehe Abbildung 71):<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 121
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Temperatur (°C)<br />
Ergebnisse<br />
24<br />
Kurvenanpassung (VOC)<br />
22<br />
20<br />
20<br />
18<br />
10<br />
16<br />
14<br />
0<br />
0 10 20 30 40<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (Auswahl, gemessen)<br />
VOC-Konzentration (angepasst)<br />
Temperatur (gemessen)<br />
Abbildung 71: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem Sprung der<br />
Luftwechselrate von<br />
auf<br />
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.27)<br />
ergeben sich folgende Werte:<br />
; ;<br />
Die Werte der Anpassungsparameter werden in Gleichung 3.23 eingesetzt und so<br />
die auf das Raumvolumen normierte VOC-Quellstärke berechnet. Als VOC-Außenkonzentration<br />
wird wie im vorigen Beispiel ein Wert von angenommen.<br />
Dieser Wert wird <strong>für</strong> die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
herangezogen.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 122
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
Über die Gleichungen 3.25 wird aus dem gemessenen Verlauf der Luftwechselrate<br />
der Verlauf der VOC-Konzentration berechnet. Die Temperaturabhängigkeit wird<br />
über Gleichung 3.28 berücksichtigt. Abbildung 72 zeigt den resultierenden im Vergleich<br />
mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration:<br />
Beispiel 4: Berechnung der VOC-Konzentration<br />
0.8<br />
30<br />
0.6<br />
20<br />
0.4<br />
10<br />
0.2<br />
0<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
VOC-Konzentration (berechnet aus gemessenem Luftwechsel)<br />
Luftwechselrate (gemessen)<br />
Abbildung 72: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration<br />
Abbildung 72 zeigt eine deutliche Übereinstimmung des berechneten mit dem gemessenen<br />
Verlauf der VOC-Konzentration. Kleine Unterschiede im Anstieg des Verlaufs<br />
bei Erhöhung der Temperatur könnten durch die Luftfeuchtigkeit bedingt sein,<br />
da die Temperaturerhöhung in der Messkammer mit einer Verringerung der Luftfeuchte<br />
einhergeht.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 123
Ergebnisse<br />
5.1.3 Berechnung Radonkonzentration - VOC<br />
Nach der detaillierten Betrachtung der Einzelmodelle „Radonkonzentration - Luftwechselrate“<br />
und „Luftwechselrate - VOC“ werden im Folgenden zwei Beispielmessreihen<br />
<strong>für</strong> die Verifizierung des Gesamtmodells „Radonkonzentration - VOC“ herangezogen.<br />
Die Berechnung der einzelnen Schritte erfolgt äquivalent zu der in den Abschnitten<br />
5.1.1 und 5.1.2 erläuterten Vorgehensweise und wird im Folgenden nicht<br />
näher dargestellt.<br />
Beispiel 5 - variierende Luftwechselrate bei konstanter Innenraumtemperatur<br />
In dieser Messreihe wird die Luftwechselrate auf drei unterschiedliche Werte eingestellt.<br />
Folgende Tabelle zeigt den an der Lüftersteuerung eingestellten zeitlichen Verlauf:<br />
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h<br />
29 0,4<br />
24 0,6<br />
87 0,2<br />
Tabelle 8: Voreingestellte Daten der Luftwechselrate <strong>für</strong> Beispiel 5<br />
Aus dem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration wird eine Radonquellstärke<br />
von<br />
ermittelt. Der Verlauf der Radonkonzentration wird über ein<br />
Hamming-Fenster mit der Breite 512 gefiltert.<br />
Abbildung 73 zeigt den gemessenen und den gefilterten Verlauf der Radonkonzentration:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 124
Luftwechselrate (1/h)<br />
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
4000<br />
Beispiel 5: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 512)<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
0<br />
0 50 100<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 73: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512)<br />
Über die Zusammenhänge aus Abschnitt 3.1.4 wird der Verlauf der Luftwechselrate<br />
rekonstruiert. Abbildung 74 zeigt einen Vergleich der rekonstruierten mit der gemessenen<br />
Luftwechselrate:<br />
Beispiel 5: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 74: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 125
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Zur Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate wird aus der ersten<br />
Sättigungskurve des gemessenen Verlaufs der VOC-Konzentration die VOC-Quellstärke<br />
berechnet. Hier ergibt sich ein Wert von<br />
. Über die in Abschnitt<br />
3.3 erläuterten Zusammenhänge wird aus dem in Abbildung 74 dargestellten Verlauf<br />
der rekonstruierten Luftwechselrate der Verlauf der VOC-Konzentration berechnet.<br />
Abbildung 75 zeigt einen Vergleich des berechneten und des gemessenen Verlaufs<br />
der VOC-Konzentration:<br />
Beispiel 5: Berechnung der VOC-Konzentration<br />
10<br />
5<br />
0<br />
0 50 100<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
VOC-Konzentration (berechnet aus rekonstruiertem Luftwechsel)<br />
Abbildung 75: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter Verlauf der VOC-Konzentration im<br />
Vergleich zum gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration<br />
Abbildung 75 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des berechneten mit dem<br />
gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration. Mit zunehmender Messzeit erhöht sich<br />
die Abweichung zwischen dem berechneten und dem gemessenen Verlauf. Der<br />
Grund hier<strong>für</strong> könnte laut Herstellerangaben in der Messtechnik des VOC-Messgerätes<br />
liegen, da mit zunehmender Messzeit die UV-Lampe verschmutzt wird und die<br />
Leistung des Detektors somit abnimmt. Diese Leistungsabnahme kann vor Beginn<br />
der nächsten Messung durch eine Nachkalibrierung wieder ausgeglichen werden.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 126
Ergebnisse<br />
Beispiel 6 - variierende Luftwechselrate bei variierender Innenraumtemperatur<br />
In dieser Messreihe folgt die Luftwechselrate einem rechteckförmigen Verlauf (siehe<br />
Tabelle 9):<br />
Laufzeit in h Luftwechselrate in 1/h<br />
30 0,3<br />
20 0,5<br />
Tabelle 9: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 6<br />
(Gesamtperiode T = 60 h)<br />
Zusätzlich wird über eine Glühlampe mit variabler Leistung die Temperatur variiert.<br />
Laufzeit in h Heizleistung in W<br />
20 0<br />
90 50<br />
30 0<br />
20 30<br />
Tabelle 10: Voreingestellte Daten der Heizleistung <strong>für</strong> Beispiel 6<br />
Der daraus resultierende Verlauf der Temperatur ist in Abbildung 76 dargestellt:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 127
Temperatur (°C)<br />
Ergebnisse<br />
28<br />
Beispiel 6: Temperaturverlauf<br />
26<br />
24<br />
22<br />
20<br />
18<br />
16<br />
0 50 100<br />
Temperatur (gemessen)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 76: Temperaturverlauf von Beispiel 6<br />
Aus dem gemessenen Verlauf der Radonkonzentration wird eine Radonquellstärke<br />
von<br />
ermittelt. Der Verlauf der Radonkonzentration wird über ein<br />
Hamming-Fenster mit der Breite 512 gefiltert.<br />
Abbildung 77 zeigt den gemessenen und den gefilterten Verlauf der Radonkonzentration:<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 128
Luftwechselrate (1/h)<br />
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
2000<br />
Beispiel 6: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 512)<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
0 50 100<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 77: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512)<br />
Über die Zusammenhänge aus Abschnitt 3.1.4 wird der Verlauf der Luftwechselrate<br />
rekonstruiert. Abbildung 78 zeigt einen Vergleich der rekonstruierten mit der gemessenen<br />
Luftwechselrate:<br />
Beispiel 6: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 50 100<br />
Luftwechselrate (original)<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 78: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 129
VOC-Konzentration (mg/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Zur Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate wird aus der zweiten<br />
Sättigungskurve des gemessenen Verlaufs der VOC-Konzentration die VOC-<br />
Quellstärke berechnet. Hier ergibt sich ein Wert von<br />
. Über die in Abschnitt<br />
3.3 erläuterten Zusammenhänge wird aus dem in Abbildung 78 dargestellten<br />
Verlauf der rekonstruierten Luftwechselrate der Verlauf der VOC-Konzentration berechnet.<br />
Abbildung 79 zeigt einen Vergleich des berechneten und des gemessenen<br />
Verlaufs der VOC-Konzentration:<br />
Beispiel 6: Berechnung der VOC-Konzentration<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 50 100<br />
Zeit (h)<br />
VOC-Konzentration (gemessen)<br />
VOC-Konzentration (berechnet aus rekonstruiertem Luftwechsel)<br />
Abbildung 79: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter im Vergleich zum gemessenen<br />
Verlauf der VOC-Konzentration<br />
Abbildung 79 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des berechneten mit dem<br />
gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration mit nur geringen Abweichungen beispielsweise<br />
im Bereich von ca. 30 h bis 40 h. Diese Abweichungen sind bereits beim<br />
Vergleich der rekonstruierten mit der gemessenen Luftwechselrate in Abbildung 78<br />
zu erkennen. In diesem Zeitraum wird die Luftwechselrate in geringem Maße unterschätzt,<br />
was mit einer zu hohen Sättigungskonzentration des Radons in Abbildung<br />
77 erklärt werden kann. Der Grund <strong>für</strong> diese erhöhte Sättigungskonzentration könnte<br />
darin bestehen, dass der Behälter, in dem sich die verwendete Radonquelle befindet,<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 130
Ergebnisse<br />
vor der Aufnahme der Messreihe über einen Zeitraum von mehreren Monaten verschlossen<br />
war. Die Radonkonzentration konnte somit im Behälter einen hohen Wert<br />
erreichen, so dass nach Öffnen des Behälters über einen Zeitraum von mehreren<br />
Stunden eine erhöhte Radonquellstärke vorlag.<br />
5.2 Feldversuche - reale Messobjekte<br />
Die in Abschnitt 3.1 beschriebenen Zusammenhänge zur Rekonstruktion der<br />
Luftwechselrate aus der Radonkonzentration werden testweise an Beispielverläufen<br />
der Radonkonzentration einzelner Räume von realen Messobjekten angewandt. Die<br />
im Folgenden gezeigten Beispiele sollen die Möglichkeit einer Anwendbarkeit in realen<br />
Wohnräumen darstellen. Eine Überprüfung der gezeigten Ergebnisse ist jedoch<br />
im Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht möglich.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 131
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 7 - Messobjekt 1<br />
Exemplarisch wird in diesem Beispiel der Verlauf der Radonkonzentration (zwei Monate)<br />
eines Raums im Obergeschoss des Messobjektes 1 (siehe Abbildung 37 links)<br />
herangezogen.<br />
Ermittlung der Radonquellstärke<br />
Zur Ermittlung der Radonquellstärke erfolgt eine sprunghafte Absenkung der Luftwechselrate<br />
durch Schließen der Fenster und Türen. Wie in den Beispielen 1 und 2<br />
wird an die gemessene Sättigungskurve eine Exponentialfunktion angepasst (siehe<br />
Abbildung 80):<br />
Messobjekt 1: Kurvenanpassung (Radon)<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 50 100 150<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)<br />
Radonkonzentration (angepasst)<br />
Abbildung 80: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der<br />
Luftwechselrate<br />
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.15)<br />
ergeben sich folgende Werte:<br />
; ;<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 132
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke ergibt sich mit einer angenommenen<br />
Radonaußenkonzentration von über Gleichung 3.23:<br />
Dieser Wert wird <strong>für</strong> die weitere Berechnung herangezogen.<br />
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration<br />
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate wird zunächst der Verlauf der Radonkonzentration<br />
gefiltert. Hierzu wird ein Hamming-Fenster der Breite 64 verwendet.<br />
Messobjekt 1: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 64)<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 500 1000<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 81: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 128<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 133
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Über Gleichung 3.14 wird unter Verwendung des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
und der oben ermittelten Radonquellstärke der Verlauf der Luftwechselrate<br />
rekonstruiert (siehe Abbildung 82):<br />
3<br />
Messobjekt 1: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
2<br />
1<br />
0<br />
500 1000<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 82: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
Luftwechselrate<br />
Nach der vorgenommenen Rechnung liegt die Luftwechselrate in dem untersuchten<br />
Raum durchschnittlich bei<br />
. Obwohl im Rahmen der vorliegenden Arbeit der<br />
Wert nicht beispielsweise anhand einer Tracergasmessung überprüft werden konnte,<br />
liegt er in Bereichen, die typischerweise in Wohngebäuden vorzufinden sind.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 134
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Beispiel 8 - Messobjekt 2<br />
In diesem Beispiel wird der Verlauf der Radonkonzentration eines Raums (über zwei<br />
Monate) im Erdgeschoss des Messobjektes 2 (siehe Abbildung 39 unten) <strong>für</strong> die Rekonstruktion<br />
der Luftwechselrate herangezogen.<br />
Ermittlung der Radonquellstärke<br />
Zur Ermittlung der Radonquellstärke erfolgt wie im vorigen Beispiel eine sprunghafte<br />
Absenkung der Luftwechselrate durch Schließen der Fenster und Türen. An die gemessene<br />
Sättigungskurve wird eine Exponentialfunktion angepasst (siehe Abbildung<br />
83):<br />
150<br />
Messobjekt 2: Kurvenanpassung (Radon)<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50<br />
Zeit (h)<br />
Radonkonzentration (Auswahl, gemessen)<br />
Radonkonzentration (angepasst)<br />
Abbildung 83: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem Sprung der<br />
Luftwechselrate<br />
Nach Anpassen der Parameter an die Anpassungsfunktion (siehe Gleichung 3.15)<br />
ergeben sich folgende Werte:<br />
; ;<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 135
Radonkonzentration (Bq/m³)<br />
Ergebnisse<br />
Die auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke ergibt sich mit einer angenommenen<br />
Radonaußenkonzentration von über Gleichung 3.23:<br />
Dieser Wert wird <strong>für</strong> die weitere Berechnung herangezogen.<br />
Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration<br />
Zur Rekonstruktion der Luftwechselrate wird zunächst der Verlauf der Radonkonzentration<br />
gefiltert. Hierzu wird ein Hamming-Fenster der Breite 128 verwendet:<br />
Messobjekt 2: Filterung der Radonkonzentration (Hamming, 128)<br />
200<br />
100<br />
0<br />
0 500 1000<br />
Radonkonzentration (gemessen)<br />
Radonkonzentration (gefiltert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 84: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der Breite 128<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 136
Luftwechselrate (1/h)<br />
Ergebnisse<br />
Über Gleichung 3.14 wird unter Verwendung des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
und der oben ermittelten Radonquellstärke der Verlauf der Luftwechselrate<br />
rekonstruiert (siehe Abbildung 85):<br />
Messobjekt 2: Rekonstruktion der Luftwechselrate<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
0<br />
0 500 110 3<br />
Luftwechselrate (rekonstruiert)<br />
Zeit (h)<br />
Abbildung 85: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
Luftwechselrate<br />
In diesem Beispielraum ist im Vergleich zu Beispiel 7 nach der durchgeführten Rechnung<br />
eine niedrigere Luftwechselrate vorzufinden. Der Grund hier<strong>für</strong> liegt darin, dass<br />
der Raum von den Bewohnern nur selten genutzt und daher deutlich seltener belüftet<br />
wurde. Wie im Beispiel 7 wäre eine Überprüfung des Rekonstruktionsergebnisses<br />
nur anhand einer Tracergasmessung möglich.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 137
Diskussion<br />
6 Diskussion<br />
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, ein Verfahren zu erstellen, das die Beurteilung<br />
der Qualität der Innenraumluft anhand eines gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration<br />
ermöglicht. Hierzu wird nach einer Filterung des Radonmesssignals über<br />
ein mathematisches Modell zunächst der Verlauf der Luftwechselrate berechnet.<br />
Über ein weiteres mathematisches Modell wird aus dem Verlauf der Luftwechselrate<br />
der Verlauf der VOC-Konzentration ermittelt. VOC werden als Beispielschadstoffe<br />
herangezogen und veranschaulichen die prinzipielle Vorgehensweise. Eine erste<br />
Beurteilung der Qualität der Innenraumluft kann besonders hinsichtlich der VOC, die<br />
in der heutigen Zeit als Luftschadstoffe in der Innenraumluft eine zentrale Bedeutung<br />
haben, erfolgen. Je nach potenziellen Schadstoffquellen können weitere mathematische<br />
Modelle zur Berechnung weiterer Luftschadstoffe herangezogen werden, die<br />
sich an der in dieser Arbeit präsentierten Modellbildung orientieren.<br />
Vor Beginn einer Messreihe ist es notwendig, die Quellstärken des Radons, der VOC<br />
oder weiterer Luftschadstoffe zu ermitteln. Für die Quellstärkenermittlungen wird abhängig<br />
von der konstanten Luftwechselrate ein Zeitraum von ein bis zwei Tagen benötigt.<br />
Im Gegensatz zu bisherigen Methoden zur Ermittlung der Luftwechselrate<br />
oder Beurteilung der Qualität der Innenraumluft sind nur in diesem Zeitraum Prüfbedingungen<br />
notwendig. In diesem Zeitfenster kommen Systeme zur Messung der einzelnen<br />
Schadstoffe zur Anwendung, um deren Schadstoffquellstärken zu ermitteln,<br />
wobei im Gegensatz zur Bestimmung der Radonquellstärke eine zeitaufgelöste Messung<br />
nicht notwendig ist. Da zur Quellstärkenermittlung der einzelnen Luftschadstoffe<br />
neben der Zeitkonstante, die aus der Quellstärkenermittlung des Radons bekannt ist,<br />
die Sättigungskonzentration des einzelnen Schadstoffs benötigt wird, ist es ausreichend,<br />
eine Einzelmessung als Momentaufnahme durchzuführen, die im Sättigungsbereich<br />
einer <strong>für</strong> die Quellstärkenermittlung erzeugten Sättigungskurve liegt. Wann<br />
der Sättigungsbereich erreicht ist, kann anhand der zeitaufgelösten Messung der<br />
Radonkonzentration beurteilt werden. Nach Abschluss der Quellstärkenermittlungen<br />
ist lediglich noch die Messung der Radonkonzentration notwendig, Messungen einzelner<br />
Luftschadstoffe müssen nicht mehr durchgeführt werden. So können auch<br />
Luftschadstoffe herangezogen werden, die nicht über zeitaufgelöste Messgeräte zu-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 138
Diskussion<br />
gänglich sind. Die Messung kann beispielsweise über Messröhrchen erfolgen, die in<br />
einem Auswertelabor ausgelesen werden. Eine zeitlich begrenzte Anwendung von<br />
solchen z.T. kostenintensiven Messsystemen oder ihr gänzlicher Verzicht würde eine<br />
deutliche Einsparung der Kosten bedeuten.<br />
Bedingt durch klimatische Einflüsse wie Luftdruck und Lufttemperatur im Innenraum<br />
bestehen in Gebäuden Schwankungen der Radonquellstärke. Über das Ausmaß dieser<br />
Schwankungen gibt es bisher keine Erfahrungen.<br />
Die Quellstärken einzelner Luftschadstoffe sind mehreren Einflüssen unterworfen.<br />
Kurzzeitige Erhöhungen einer Schadstoffquellstärke können beispielsweise durch die<br />
Anwendung von Reinigungsmitteln hervorgerufen werden. Diese kurzzeitigen Erhöhungen<br />
finden in der vorliegenden Methode keine Berücksichtigung. Eine Berücksichtigung<br />
dieser kurzzeitigen Erhöhungen ist auch insofern nicht beabsichtigt, da es<br />
sich hierbei um Sonderfälle handelt, die <strong>für</strong> sich und nicht im Rahmen der vorliegenden<br />
Arbeit berücksichtigt werden sollten. Langfristige Schwankungen einer Schadstoffquellstärke<br />
können beispielsweise in eingebrachten belasteten Baustoffen ihre<br />
Ursache haben. Die Schadstoffquellstärke nimmt in diesem Fall mit der Zeit ab, da<br />
nur eine begrenzte Menge an Schadstoffen zur Verfügung steht. Werden beispielsweise<br />
unmittelbar nach einem Einbau belasteter Baustoffe einzelne Schadstoffquellstärken<br />
zur Beurteilung der Qualität der Innenraumluft ermittelt, so werden diese in<br />
der Folgezeit überschätzt. Dies ermöglicht eine konservative Abschätzung der<br />
Raumluftqualität nach der Ermittlung des höchstmöglichen Schadstoffpotenzials des<br />
Gebäudes. Soll die Raumluftqualität jedoch möglichst exakt beurteilt werden, können<br />
in der Folgezeit wiederholt Ermittlungen einzelner Schadstoffquellstärken erfolgen,<br />
beispielsweise in einem Intervall von zwei Wochen.<br />
Die Methode konnte durch Messungen an einer Messkammer verifiziert werden, wie<br />
die Ergebnisse aus Abschnitt 5.1 zeigen. Hierzu wurden die Verläufe der Radonkonzentration,<br />
der Luftwechselrate und der VOC-Konzentration gemessen. Zusätzlich<br />
wurden Klimaparameter wie beispielsweise die Lufttemperatur aufgenommen. Die<br />
Ergebnisse aus Abschnitt 5.1.1 verdeutlichen die Notwendigkeit einer Filterung des<br />
Verlaufs der Radonkonzentration bei der Rekonstruktion der Luftwechselrate.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 139
Diskussion<br />
Aufgrund des Tiefpasscharakters des Systems können hohe Frequenzen der Luftwechselrate<br />
nur näherungsweise rekonstruiert werden. Das Ausmaß des Tiefpasscharakters<br />
hängt davon ab, welche Luftwechselrate vorliegt. Bei hohen Luftwechselraten<br />
zeigt das System einen geringeren Tiefpasscharakter und somit eine größere<br />
Dynamik als bei niedrigen Luftwechselraten. Änderungen der Luftwechselrate sind<br />
somit bei hohen Werten besser auflösbar. Jedoch sinkt mit einer höheren Luftwechselrate<br />
die Radonkonzentration, so dass die Luftwechselrate nur mit einer höheren<br />
Unsicherheit rekonstruiert werden kann. Auf welches Niveau die Radonkonzentration<br />
bei einer Erhöhung der Luftwechselrate absinkt, hängt von der Radonquellstärke ab.<br />
Je höher die Radonquellstärke, desto höher ist auch das bei einer bestimmten Luftwechselrate<br />
zu messende Radonkonzentrationsniveau und desto besser kann eine<br />
Rekonstruktion der Luftwechselrate erfolgen.<br />
Die Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate bedarf keiner Filterung<br />
des Messsignals. Die VOC-Konzentration kann auch bei variabler Temperatur,<br />
die als größter klimatischer Einfluss angesehen wird, aus der Luftwechselrate berechnet<br />
werden, wie die Ergebnisse in Abschnitt 5.1.2 verdeutlichen.<br />
Die gesamte Methode mit der Rekonstruktion der Luftwechselrate aus der Radonkonzentration<br />
und der Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
kann bei deren Schwankung und einer parallel variierenden Lufttemperatur angewandt<br />
werden. Es ist eine sehr gute Annäherung des berechneten an den gemessenen<br />
Verlauf der VOC-Konzentration erreichbar, wie die in Abschnitt 5.1 präsentierten<br />
Ergebnisse, insbesondere Beispiel 6, zeigen. Für ein Ein-Raum-System mit konstanten<br />
Radon- und VOC-Quellen, wie es an der Messkammer vorliegt, kann die<br />
Methode als bestätigt betrachtet werden.<br />
Erste Rekonstruktionen der Luftwechselrate anhand von Messwerten der Radonkonzentration<br />
in Wohngebäuden zeigen realistische Ergebnisse (Abschnitt 5.2). Es<br />
wurde jeweils die zunächst als Ein-Raum-Modell konzipierte Methode in jeweils einem<br />
einzelnen Raum angewandt. Die in Abschnitt 3.4 diskutierten Zusammenhänge<br />
des Mehr-Raum-Modells oder des modifizierten Ein-Raum-Modells kamen hier noch<br />
nicht zur Anwendung, da die Rekonstruktion der Luftwechselrate anhand der Messdaten<br />
jeweils eines einzelnen Raumes erfolgte. Die Ergebnisse konnten jedoch bis-<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 140
Diskussion<br />
her nicht überprüft werden, da hierzu parallel zu der jeweiligen Messung der Radonkonzentration<br />
eine Messung der Luftwechselrate mit Tracergas notwendig gewesen<br />
wäre.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 141
Ausblick<br />
7 Ausblick<br />
Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren konnte bisher <strong>für</strong> die Anwendung in Ein-<br />
Raum-Systemen bestätigt werden. Eine Anwendung auf Mehr-Raum-Systeme wurde<br />
zwar probeweise durchgeführt, konnte jedoch mangels einer Referenzmessung nicht<br />
verifiziert werden. Hierzu werden im Anschluss an die vorliegende Arbeit Untersuchungen<br />
durchgeführt, welche die in Abschnitt 3.4 diskutierten Zusammenhänge weiter<br />
vertiefen und eine Anwendbarkeit auf reale Wohnräume realisieren sollen.<br />
Bei der Anwendung der Methode in der Praxis ergeben sich, wie in Abschnitt 3.5 erwähnt,<br />
aufgrund verschiedener Unsicherheiten gewisse Einschränkungen. Zur Klärung<br />
der daraus resultierenden Fragestellungen wird aktuell ein Simulationsprogramm<br />
entwickelt, das die realitätsnahe Nachbildung von Radonmessungen ermöglicht.<br />
Mit Hilfe dieses Programms können durch die Eingabe von Verläufen der Luftwechselrate<br />
Verläufe der Radonkonzentration generiert werden, die in der Praxis<br />
nicht oder nur mit hohem Aufwand erzeugt werden können. Dadurch können Szenarien<br />
erstellt werden, die beispielsweise die Ermittlung der maximalen Luftwechselrate,<br />
die bei einer bestimmten Zeitauflösung bei einer gegebenen Radonquellstärke<br />
zu rekonstruieren ist, ermöglicht. Darüber hinaus erlaubt ein Simulationsprogramm<br />
die Untersuchung des Einflusses von Schwankungen der Radonquellstärke, die, wie<br />
in Abschnitt 3.1.5 erwähnt, angenommen werden. Hier könnten Szenarien erstellt<br />
werden, die kurzzeitige Schwankungen über wenige Stunden und langzeitige<br />
Schwankungen über mehrere Tage beinhalten.<br />
Sind Anforderungen an das Verfahren über ein Simulationsprogramm zugänglich, ist<br />
es sinnvoll, die in der Realität tatsächlich auftretenden Schwankungen der Radonquellstärke<br />
zu untersuchen. Da bisher keine umfassenden Untersuchungen vorliegen,<br />
wären Messungen an einigen Wohngebäuden notwendig. Hierzu wäre es sinnvoll,<br />
kurzzeitige Schwankungen über wenige Stunden und langzeitige Schwankungen<br />
über mehrere Tage zu unterscheiden. Kurzzeitige Schwankungen könnten über<br />
die Anwendung des in Abschnitt 2.3.2 erläuterten Indikatorgasverfahrens ermittelt<br />
werden. Wird die Lösung der Differentialgleichung (Gleichung 3.11) nach der Radonquellstärke<br />
umgestellt, so könnte über die mit Hilfe des Indikatorgasverfahrens ermittelte<br />
Luftwechselrate der Verlauf der Radonquellstärke berechnet werden. Da sich<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 142
Ausblick<br />
Indikatorgasmessungen nur <strong>für</strong> Zeiträume von wenigen Stunden eignen, könnten die<br />
langzeitigen Schwankungen auf andere Weise ermittelt werden. Hierzu wäre es sinnvoll,<br />
in einem Wohngebäude in einem Abstand von mehreren Tagen die Radonquellstärke<br />
wiederholt zu ermitteln. So könnte ein über mehrere Wochen dauernder und<br />
über Tage aufgelöster Verlauf der Radonquellstärke ermittelt werden.<br />
Die sehr komplexe Thematik der Luftschadstoffe konnte im Rahmen dieser Arbeit nur<br />
angerissen werden. Die Berechnung des Verlaufs der VOC aus dem Verlauf der Radonkonzentration<br />
erfolgte unter idealisierten Bedingungen und entspricht einer Näherung.<br />
Darüber hinaus wurde ein einzelner VOC beispielhaft herangezogen. Die physikalischen<br />
und chemischen Eigenschaften von VOC-Gemischen sind sehr komplex<br />
und lassen sich nicht einheitlich mathematisch beschreiben. Es wird daher im Rahmen<br />
dieser Arbeit nicht der Ansatz verfolgt, die Konzentration von VOC-Gemischen<br />
exakt zu berechnen, sondern vielmehr das vorhandene VOC-Niveau abzuschätzen.<br />
Dieser Gedanke soll auch bei einer späteren Einbeziehung weiterer Luftschadstoffe<br />
verfolgt werden, um schließlich eine Abschätzung der Qualität der Innenraumluft zu<br />
ermöglichen.<br />
Auf Basis der Einschränkungen, die sich möglicherweise besonders in Gebäuden mit<br />
einem niedrigen Radonkonzentrationsniveau ergeben, könnte auf Messungen mit hohen<br />
Zeitauflösungen verzichtet werden. Zur Beurteilung der mittleren Qualität der<br />
Innenraumluft könnten zeitintegrierende Messsysteme, wie in Abschnitt 2.4.4 beschrieben,<br />
ausreichen. Möglich wäre auch die Anwendung passiver Radonexposimeter<br />
mit automatischer Schaltung. So könnten sechs Geräte, die jeweils zu einer<br />
bestimmten Tageszeit <strong>für</strong> vier Stunden schalten, die Abschätzung eines mittleren<br />
Tagesganges der Qualität der Innenraumluft ermöglichen. Ebenso könnte die Messzeit<br />
auch auf die Aufenthaltszeit der Raumnutzer beschränkt werden.<br />
Die in dieser Arbeit präsentierte Methode stellt bereits im aktuellen Entwicklungszustand<br />
ein vielfältiges Werkzeug dar. Für die Praxis könnten durch weitere Untersuchungen<br />
detaillierte zeitaufgelöste Messungen, aber auch kostengünstige Überblicksmessungen<br />
ermöglicht werden. Dies wäre eine wichtige Grundlage <strong>für</strong> eine<br />
vielfältige Anwendbarkeit sowohl in der Forschung, als auch in der Praxis.<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 143
Anhang<br />
8 Anhang<br />
- Mathcad-Hauptprogramm<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 144
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 145
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 146
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 147
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 148
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 149
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 150
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 151
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 152
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 153
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 154
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 155
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 156
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 157
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 158
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 159
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 160
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 161
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 162
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 163
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 164
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 165
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 166
Anhang<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong> 167
Literaturangaben<br />
Literaturangaben<br />
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http://www.nchh.org/Portals/0/Contents/Article0579.pdf (22.05.2013)<br />
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energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden<br />
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Journal 05/2011, Brussels, 2011, abrufbar im Internet:<br />
http://www.rehva.eu/fileadmin/hvac-dictio/05-2011/rj1105_p05-8_impact-of-lowenergy-buildings-on-iaq.pdf<br />
(22.05.2013)<br />
[7] Seppänen, O., Ventilation strategies for good indoor air quality and energy efficiency,<br />
2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building Low<br />
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Crete island, Greece, 2007, abrufbar im Internet:<br />
http://www.inive.org/members_area/medias/pdf/Inive/PalencAIVC2007/Volume2<br />
/PalencAIVC2007_V2_067.pdf (22.05.2013)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
i
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air_quality.pdf (22.05.2013)<br />
[9] You, Y., Bai, Z., Jia, C., Wan, Z., Ran, W., Zhang, J., Measuring Air Exchanges<br />
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http://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB6974.pdf (22.05.2013)<br />
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2013, abrufbar im Internet:<br />
http://www.umweltbundesamt.de/gesundheit/innenraumhygiene/richtwerteirluft.htm<br />
(22.05.2013)<br />
[11] G. Zwiener, F.-M. Lange, Handbuch Gebäude-Schadstoffe und Gesunde Innenraumluft,<br />
Erich Schmidt Verlag, 1. Auflage, Berlin, 2011<br />
[12] U. Lahl, Indoor-Air-Pollution - Status quo und Handlungsschwerpunkte 2005 -<br />
2010, Bundesministerium <strong>für</strong> Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bremen,<br />
2005, abrufbar im Internet:<br />
http://www.apug.de/archiv/pdf/vortrag_indoor_air_pollution_2005.pdf<br />
(22.05.2013)<br />
[13] B. Heinzow, Innenraumluftqualität, FLUGS-Fachinformationsdienst - Seminar<br />
„Konfliktfeld Umwelt und Gesundheit. Risikokommunikation - Dialog oder Akzeptanzbeschaffung?“,<br />
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http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Themen/Innenraeum<br />
e/heinzow1.pdf (22.05.2013)<br />
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Untersuchung, Bewertung und Sanierung von Schimmelpilzwachstum<br />
in Innenräumen, Dessau-Roßlau, 2002<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
ii
Literaturangaben<br />
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Gareis, M., Dill, I., Virnich, L., Actinomycetes in moist houses, the causative<br />
agent of rheumatoid symptons, International Conference on Indoor Air Quality<br />
and Climate, Monterey, California 2002, abrufbar im Internet:<br />
http://www.irbnet.de/daten/iconda/CIB7033.pdf (22.05.2013)<br />
[16] Panzhauser, E., Lüftung und Wohnqualität, Fachzeitschrift Wohnbauforschung<br />
in Österreich (WBFÖ) der Forschungsgesellschaft <strong>für</strong> Wohnen, Bauen und Planen<br />
(FGW), Ausgabe 2003-1, Wien, 2003, abrufbar im Internet:<br />
http://www.fgw.at/publikationen/pdf/03/2003-1_Panzhauser.pdf (22.05.2013)<br />
[17] Alberts, W. M., Indoor air pollution: NO, NO 2 , CO, and CO 2 , Journal of Allergy<br />
and Clinical Immunology, Volume 94, Issue 2, Part 2, pp 289 - 295, 1994<br />
[18] Staatliches Schulamt <strong>für</strong> den Main-Kinzig-Kreis - CO 2 -Ampel, 2013, abrufbar im<br />
Internet:<br />
http://www.schulamt-main-kinzig.hessen.de/irj/SSA_Main-Kinzig_Internet?cid=d<br />
51fd16e33293f8629366849eded4755 (22.05.2013)<br />
[19] Europäische Union, Richtlinie 1999/13/EG des Rates über die Begrenzung von<br />
Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen, die bei bestimmten Tätigkeiten<br />
und in bestimmten Anlagen bei der Verwendung organischer Lösungsmittel<br />
entstehen, Brüssel, 1999<br />
[20] 31. Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung<br />
zur Begrenzung der Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen<br />
bei der Verwendung organischer Lösemittel in bestimmten Anlagen) (31.<br />
BImSchV), Berlin, 2001, abrufbar im Internet:<br />
http://www.gesetze-im-internet.de/bimschv_31/BJNR218100001.html<br />
(22.05.2013)<br />
[21] World Health Organization (WHO), Regional Office for Europe Copenhagen,<br />
EURO Reports and Studies 111, Indoor air quality: organic pollutants, Report<br />
on a WHO meeting, Berlin (West) 1987, abrufbar im Internet:<br />
http://whqlibdoc.who.int/euro/r&s/EURO_R&S_111.pdf (22.05.2013)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
iii
Literaturangaben<br />
[22] M. Makowski, Untersuchungen über die Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen<br />
von OSB aus Keifernholz (Pinus syslvestris L.), Dissertation an der<br />
Universität Hamburg, Hamburg, 2007, abrufbar im Internet:<br />
http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3174/pdf/Diss_makowski.pdf<br />
(22.05.2013)<br />
[23] Gesamtverband Schadstoffsanierung GbR, Schadstoffe in Innenräumen und an<br />
Gebäuden - Erfassen, bewerten, beseitigen, 1. Auflage, Verlagsgesellschaft<br />
Rudolf Müller, Köln 2010<br />
[24] Diel, F., Fischer, M., Verunreinigung der Innenraumluft durch VOC, Forum<br />
Wohngesundheit, Europäische Teppichgemeinschaft e.V. - ETG, Wuppertal<br />
2000, abrufbar im Internet:<br />
http://www.iug-umwelt-gesundheit.de/htdocs/publikationen/voc.htm<br />
(22.05.2013)<br />
[25] Atkins, P. W., Jones, L., Chemie - einfach alles, 2. Auflage, WILEY-VCH Verlag,<br />
Weinheim, 2006<br />
[26] DIN 4108-2, Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden - Teil 2: Mindestanforderungen<br />
an den Wärmeschutz, Berlin, 2003<br />
[27] AquaPren-Berlin, Richtiges Heizen, Richtiges Lüften, abrufbar im Internet:<br />
http://www.aquapren-berlin.de/richtiges_lueften.pdf (05.03.2013)<br />
[28] DIN EN ISO 12569, Bestimmung des Luftwechsels in Gebäuden - Indikatorgasverfahren,<br />
Berlin, 2010<br />
[29] DIN EN 13289, Bestimmung der Luftdurchlässigkeit von Gebäuden - Differenzdruckverfahren,<br />
Berlin, 2000<br />
[30] Bundesamt <strong>für</strong> <strong>Strahlenschutz</strong>, Strahlenthemen - Radon in Häusern, Bundesamt<br />
<strong>für</strong> <strong>Strahlenschutz</strong>, Salzgitter, 2007, abrufbar im Internet:<br />
http://www.bfs.de/de/bfs/publikationen/broschueren/ionisierende_strahlung/rado<br />
n/stth_radon.pdf (22.04.2013)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
iv
Literaturangaben<br />
[31] Kemski & Partner, Die Radonkarte Deutschlands - Kurzinformation zu Radon in<br />
der Boden- und Raumluft, Bonn 2004, abrufbar im Internet:<br />
http://www.kemski-bonn.de/downloads/Erl_Radonkarte2004.pdf (13.03.2013)<br />
[32] Brüske-Hohlfeld, I., Kreienbock, L., Wichmann, H.-E., Lungenkrebs durch Radon,<br />
Helmholtz Zentrum München, München, 2010, abrufbar im Internet:<br />
http://www.helmholtz-muenchen.de/fileadmin/FLUGS/PDF/Veranstaltun<br />
gen/Radon_m_u_spezial.pdf (26.04.2013)<br />
[33] Stellungnahme der <strong>Strahlenschutz</strong>kommission: Lungenkrebsrisiko durch Radonexpositionen<br />
in Wohnungen, <strong>Strahlenschutz</strong>kommission, Bonn, 2005, abrufbar<br />
im Internet:<br />
http://www.ssk.de/SharedDocs/Beratungsergebnisse_PDF/2005/Lungenkrebsri<br />
siko_RadoninWohnungen.pdf?__blob=publicationFile (06.05.2013)<br />
[34] Leitfaden zur Messung von Radon, Thoron und ihren Zerfallsprodukten<br />
Veröffentlichungen der <strong>Strahlenschutz</strong>kommission Band 47, Bundesministerium<br />
<strong>für</strong> Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bonn, 2002<br />
[35] Hingmann, H., Ehret, V., Busch, F., Rox, A., Chadt, C., Automatisch abschaltende<br />
passive Radonexposimeter, Tagungsband der 36. Jahrestagung des<br />
<strong>Fachverband</strong>es <strong>für</strong> <strong>Strahlenschutz</strong> e.V., S. 423 - 430, Dresden, 2006<br />
[36] V. Ehret, Entwicklung eines automatisch schaltenden Radon-Kernspurexposimeters,<br />
Tagungsband der 42. Jahrestagung des <strong>Fachverband</strong>es <strong>für</strong> <strong>Strahlenschutz</strong><br />
e.V., S. 507 - 512, Borkum, September 2010<br />
[37] <strong>Rößler</strong>, F. A., Reduktion von Messunsicherheiten bei Dosimetern <strong>für</strong> die<br />
Röntgendiagnostik durch die Ermittlung typenspezifischer Kenngrößen in einem<br />
akkreditierten Kalibrierlabor, Diplomarbeit in den Seibersdorf Laboratories,<br />
Seibersdorf (Österreich), 2009<br />
[38] WHO Handbook on indoor Radon - a public health perspective, World Health<br />
Organization, Genf, 2009, abrufbar im Internet:<br />
http://whqlibdoc.who.int/publications/2009/9789241547673_eng.pdf<br />
(07.05.2013)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
v
Literaturangaben<br />
[39] Empfehlung 90/143/EURATOM der Kommission vom 21. Februar 1990 zum<br />
Schutz der Bevölkerung vor Radonexposition innerhalb von Gebäuden, Amtsblatt<br />
der EG Nr. L 80/26, Brüssel, 1990, abrufbar im Internet:<br />
http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:1990:080:0026:00<br />
28:EN:PDF (15.05.2013)<br />
[40] International Commission on Radiological Protection (ICRP), Lung Cancer Risk<br />
from Radon and Progeny and Statement on Radon, ICRP Publication 115, Elsevier,<br />
Amstardam, 2012<br />
[41] Empfehlung der <strong>Strahlenschutz</strong>kommission: <strong>Strahlenschutz</strong>grundsätze zur Begrenzung<br />
der Strahlenexposition der Bevölkerung durch Radon und seine Zerfallsprodukte,<br />
Bonn, 1988, abrufbar im Internet:<br />
http://www.ssk.de/SharedDocs/Beratungsergebnisse_PDF/1988/1988_04.pdf?_<br />
_blob=publicationFile (21.05.2013)<br />
[42] Verordnung über den Schutz vor Schäden durch ionisierende Strahlung<br />
(<strong>Strahlenschutz</strong>verordnung- StrSchV) vom 20. Juli 2001 (BGBl. I S. 1714; 2002<br />
I S. 1459), zuletzt geändert durch Artikel 5 Absatz 7 des Gesetzes vom 24. Februar<br />
2012 (BGBl. I S. 212), abrufbar im Internet:<br />
http://www.gesetze-im-internet.de/strlschv_2001/ (06.05.2013)<br />
[43] Leißring, B., Praktische Aspekte und Erfahrungen bei der Realisierung und<br />
Überwachung von Radonschutzmaßnahmen, Tagungsband des 5. Sächsischen<br />
Radontags und der 7. Tagung Radonsicheres Bauen, S. 75 - 79, Dresden,<br />
2011, abrufbar im Internet:<br />
http://www2.htw-dresden.de/~Radon/kora/druck_tagungsband_lang_tg7_kpl_11<br />
0913.pdf (08.05.2013)<br />
[44] Azzam Jai, T., Systemtheoretischer Ansatz <strong>für</strong> ein Rekonstruktionsverfahren<br />
zur Ermittlung von Luftwechselraten aus Radonmessdaten, <strong>Masterarbeit</strong> am Institut<br />
<strong>für</strong> Medizinische Physik und <strong>Strahlenschutz</strong>, Technische Hochschule Mittelhessen,<br />
Gießen, 2012<br />
[45] Breckow, J., Greinert, R., Biophysik - Eine Einführung, 1. Auflage, de Gruyter<br />
Verlag, Berlin, 1994<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
vi
Literaturangaben<br />
[46] Frey, T., Bossert, M., Signal- und Systemtheorie, 2. Auflage, Vieweg+Teubner<br />
Verlag, Wiesbaden, 2008<br />
[47] <strong>Rößler</strong>, F. A., Ehret, V., Hingmann, H., Azzam Jai, T., Orovwighose, T., Jach,<br />
N., Schanze, T., Breckow, J., Modellierung der Systemeigenschaften von<br />
Wohnräumen bzgl. Luftwechselraten und Radonkonzentrationen, Tagungsband<br />
der 44. Jahrestagung des <strong>Fachverband</strong>es <strong>für</strong> <strong>Strahlenschutz</strong> e.V., S. 107 - 112,<br />
Karlsruhe, 2012, abrufbar im Internet:<br />
http://www.tuev-media.de/leseprob/lp_91602.pdf (22.05.2013)<br />
[48] <strong>Rößler</strong>, F. A., Azzam Jai, T., Ehret, V., Hingmann, H., Orovwighose, T., Jach,<br />
N., Schanze, T., Breckow, J., Entwicklung eines effizienten Messverfahrens zur<br />
Bestimmung der Radonkonzentration als Indikator <strong>für</strong> die Qualität der Innenraumluft,<br />
Tagungsband 6. Sächsischer Radontag 8. Tagung Radonsicheres<br />
Bauen, S. 59 - 66, Dresden, 2012, abrufbar im Internet:<br />
http://www2.htw-dresden.de/~Radon/kora/druck_tagungsband_lang_tg8_kpl_12<br />
0924.pdf (22.05.2013)<br />
[49] Valentini, D., Systemtheoretischer Ansatz zur Bestimmung der Luftwechselrate<br />
in Wohnräumen mittels Messungen zur Radon-Raumluftkonzentration, Diplomarbeit<br />
am Institut <strong>für</strong> Medizinische Physik und <strong>Strahlenschutz</strong>, Technische<br />
Hochschule Mittelhessen, Gießen, 2009<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
vii
Formelzeichen<br />
Formelzeichen<br />
Formelzeichen Einheit Beschreibung<br />
Luftwechselrate<br />
Radonkonzentration in der Innenraumluft des zu<br />
untersuchenden Raumes<br />
Radonkonzentration in der Außenluft<br />
Anfangswert der Radonkonzentration einer<br />
Sättigungskurve<br />
Sättigungswert der Radonkonzentration einer<br />
Sättigungskurve<br />
Zeitkonstante<br />
Radonquellstärke<br />
Auf das Raumvolumen normierte Radonquellstärke<br />
Zerfallskonstante (hier: des Radons)<br />
Raumvolumen<br />
Volumenstrom<br />
Aktivität<br />
VOC-Konzentration in der Innenraumluft des zu<br />
untersuchenden Raumes<br />
VOC-Konzentration in der Außenluft<br />
Anfangswert der VOC-Konzentration einer<br />
Sättigungskurve<br />
Sättigungswert der VOC-Konzentration einer<br />
Sättigungskurve<br />
VOC-Quellstärke<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
viii
Formelzeichen<br />
Auf das Raumvolumen normierte VOC-Quellstärke<br />
- Standardabweichung<br />
- Anzahl der Impulse<br />
- Eingangssignal<br />
- Ausgangssignal<br />
- Impulsantwort<br />
- Dirac-Impuls<br />
- Skalierungsfaktor<br />
- Sprungfunktion<br />
- Sprungantwort<br />
- Frequenzspektrum von<br />
- Frequenzspektrum von<br />
- Frequenzspektrum von<br />
Strömungsgeschwindigkeit<br />
Effektive Querschnittsfläche<br />
Mittlere Temperatur während der VOC-<br />
°C<br />
Quellstärkenbestimmung<br />
°C Temperatur zum Zeitpunkt t<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
ix
Abkürzungsverzeichnis<br />
Abkürzungsverzeichnis<br />
CO<br />
CO 2<br />
CP<br />
DDT<br />
DGL<br />
EnEV<br />
EU<br />
FFT<br />
GefStoffV<br />
ICRP<br />
LED<br />
LTI<br />
MVOC<br />
NO 2<br />
PAK<br />
PBBP<br />
PBDPE<br />
PC<br />
PCB<br />
PCP<br />
PCT<br />
POM<br />
Kohlenstoffmonoxid<br />
Kohlenstoffdioxid<br />
Chlorparaffine<br />
Dichlordiphenyltrichlorethan (Insektizid)<br />
Differentialgleichung<br />
Energiesparverordnung<br />
Europäische Union<br />
schnelle Fouriertransformation (engl.: Fast Fourier Transformation)<br />
Gefahrstoffverordnung<br />
Internationale <strong>Strahlenschutz</strong>kommission (engl.: International<br />
Commission on Radiological Protection)<br />
Leichtdiode (engl.: Light-Emitting Diode)<br />
Linearität und Zeitinvarianz (engl.: Linear Time-Invariant)<br />
Microbial Volatile Organic Compounds<br />
Stickstoffdioxid<br />
Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe<br />
Polybromierte Bisphenole<br />
Polybromierte Diphenylether<br />
Personal Computer<br />
Polychlorierte Biphenyle<br />
Pentachlorphenol<br />
Polychlorierte Terphenyle<br />
Staubgebundene organische Verbindungen (engl.: Particulate Organic<br />
Matter)<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
x
Abbildungsverzeichnis<br />
ppm<br />
PUR<br />
PVC<br />
parts per million<br />
Polyurethane<br />
Polyvinylchlorid<br />
220 Rn Radon-220<br />
222 Rn Radon-222<br />
Rn<br />
SF 6<br />
SO 2<br />
SRU<br />
SSK<br />
SVOC<br />
TBBA<br />
TCEP<br />
TCPP<br />
TDCPP<br />
Radon, im Rahmen der Vorliegenden Arbeit Radon-222<br />
Schwefelhexafluorid<br />
Schwefeldioxid<br />
Rat von Sachverständigen <strong>für</strong> Umweltfragen<br />
Deutsche <strong>Strahlenschutz</strong>kommission<br />
Schwerflüchtige organische Verbindungen (engl.: Semi Volatile Organic<br />
Compounds)<br />
Tetrabrombisphenol A<br />
Tris(2-chlorethyl)phosphat<br />
Tris(2-chlorisopropyl)phosphat<br />
Tris(1,3-dichlorisopropyl)phosphat<br />
232 Th Thorium-232<br />
238 U Uran-238<br />
UV<br />
VOC<br />
VVOC<br />
WHO<br />
ZNS<br />
Ultraviolett<br />
Flüchtige organische Verbindungen (engl.: Volatile Organic<br />
Compounds)<br />
Sehr flüchtige organische Verbindungen (engl.: Very Volatile Organic<br />
Compounds)<br />
Weltgesundheitsorganisation (engl.: World Health Organisation)<br />
Zentrales Nervensystem<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
xi
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 1: CO 2 -Ampel........................................................................................... 12<br />
Abbildung 2: Allgemeine Darstellung des Phasendiagramms eines einzelnen Stoffs<br />
..................................................................................................................... 16<br />
Abbildung 3: Anteil des Radons an der jährlichen Strahlenexposition ...................... 24<br />
Abbildung 4: Uran-Radium-Zerfallsreihe................................................................... 25<br />
Abbildung 5: Radontransport im geologischen Untergrund ...................................... 27<br />
Abbildung 6: Aktivitätskonzentration des Radons in der Bodenluft ........................... 28<br />
Abbildung 7: Eintritts- und Ausbreitungswege des Radons im Gebäude .................. 30<br />
Abbildung 8: Absolutes Risiko, bis zum Alter von 75 Jahren an Lungenkrebs zu sterben<br />
............................................................................................................... 31<br />
Abbildung 9: Kernspurdosimeter .............................................................................. 33<br />
Abbildung 10: Automatisiertes Radonexposimeter - au.raex .................................... 34<br />
Abbildung 11: System als Übertragungsglied mit Eingangs- und Ausgangssignal ... 43<br />
Abbildung 12: Systembeschreibung über die Impulsantwort .................................... 44<br />
Abbildung 13: Linearität eines Systems .................................................................... 45<br />
Abbildung 14: Ermittlung der Impulsantwort ............................................................. 46<br />
Abbildung 15: Berechnen eines Systems über die mathematische Faltung ............. 47<br />
Abbildung 16: Abschätzung einzelner Schadstoffkonzentrationen aus der Radonkonzentration<br />
..................................................................................................... 50<br />
Abbildung 17: Beispiel einer gemessenen Sprungantwort mit Ausgleichskurve ....... 51<br />
Abbildung 18: Errechnete Impulsantwort .................................................................. 52<br />
Abbildung 19: Einflussgrößen der Radonkonzentration im Rauminneren ................ 54<br />
Abbildung 20: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve mit eingezeichneter Anpassungskurve<br />
............................................................................................. 60<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
xii
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 21: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve mit eingezeichneter Anpassungskurve<br />
............................................................................................. 62<br />
Abbildung 22: Beispiel einer gemessenen Sättigungskurve der VOC-Konzentration 65<br />
Abbildung 23: Darstellung eines Zwei-Raum-Modells .............................................. 68<br />
Abbildung 24: Darstellung eines Drei-Raum-Modells ............................................... 70<br />
Abbildung 25: Außenansicht der Messkammer ........................................................ 76<br />
Abbildung 26: Aufbau der Lüftersteuerung ............................................................... 77<br />
Abbildung 27: Zuluftkanal mit Aktivkohlefilter. .......................................................... 77<br />
Abbildung 28: Programm „IMPS - Fan Control“ zur Lüftersteuerung ........................ 78<br />
Abbildung 29: Querschnitt der Messstrecke mit Messkopf des Thermoanemometers<br />
..................................................................................................................... 79<br />
Abbildung 30: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 1 mit d = 46 mm.......................... 80<br />
Abbildung 31: Kalibrierkennlinie der Messstrecke 2 mit d = 36 mm.......................... 80<br />
Abbildung 32: Beispiele <strong>für</strong> die verwendeten Radonquellen ..................................... 82<br />
Abbildung 33: Waage mit Aceton-Flasche als VOC-Quelle ...................................... 83<br />
Abbildung 34: Verwendetes VOC-Messgerät des Typs "PhoCheck Tiger" ............... 84<br />
Abbildung 35: AlphaGUARD als Beispiel eines verwendeten Radonmessgerätes ... 85<br />
Abbildung 36: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 1 .......................... 87<br />
Abbildung 37: Grundriss des Obergeschosses des Messobjektes 1 ........................ 88<br />
Abbildung 38: Grundriss des Kellergeschosses des Messobjektes 2. ...................... 89<br />
Abbildung 39: Grundriss des Erdgeschosses des Messobjektes 2. ......................... 90<br />
Abbildung 40: Grundriss des Dachgeschosses des Messobjektes 2 ........................ 91<br />
Abbildung 41: Beispiel eines Messprotokolls in der Messdatenaufbereitung............ 92<br />
Abbildung 42: Ausschnitt der Rohdaten einzelner Messgeräte einer Beispiel-Messreihe<br />
............................................................................................................. 93<br />
Abbildung 43: Tabelle zur Eintragung der Kalibrierdaten <strong>für</strong> die Radon-Messgeräte 93<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
xiii
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 44: Herkömmliche und modifizierte zwei-Punkt-Kalibrierung ................... 94<br />
Abbildung 45: Grafische Aufbereitung der Messdaten einer Beispiel-Messreihe ..... 95<br />
Abbildung 46: Abschnitt 1 - Einlesen der Messdaten ............................................... 96<br />
Abbildung 47: Abschnitt 2 - Berechnung der Radon-Quellstärke .............................. 97<br />
Abbildung 48: Abschnitt 3 - Berechnung der Radonkonzentration aus der gemessenen<br />
Luftwechselrate ................................................................................. 98<br />
Abbildung 49: Abschnitt 4 - Auswahl der Fensterfunktion zur Filterung des gemessenen<br />
Verlaufs der Radonkonzentration ...................................................... 99<br />
Abbildung 50: Abschnitt 4 - Filterung des gemessenen Verlaufs der Radonkonzentration<br />
........................................................................................................... 99<br />
Abbildung 51: Abschnitt 5 - Rekonstruktion der Luftwechselrate ............................ 100<br />
Abbildung 52: Abschnitt 6 - Berechnung der VOC-Quellstärke .............................. 101<br />
Abbildung 53: Abschnitt 7 - Berechnung der VOC-Konzentration aus der Luftwechselrate<br />
............................................................................................................. 102<br />
Abbildung 54: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem<br />
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 105<br />
Abbildung 55: Vorgabe einer realen Luftwechselrate ............................................. 107<br />
Abbildung 56: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem<br />
gemessenen Verlauf der Radonkonzentration ........................................... 107<br />
Abbildung 57: Vergleich der aus einem ungefilterten Radonkonzentrationsverlauf<br />
rekonstruierten mit der vorgegebenen Luftwechselrate ............................. 108<br />
Abbildung 58: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der<br />
Breite 512 .................................................................................................. 109<br />
Abbildung 59: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
mit der vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite<br />
512) ........................................................................................................ 110<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
xiv
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 60: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der<br />
Breite 128 .................................................................................................. 111<br />
Abbildung 61: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
mit der vorgegebenen Luftwechselrate (Hamming-Fenster der Breite<br />
128) ........................................................................................................ 111<br />
Abbildung 62: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem<br />
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 112<br />
Abbildung 63: Vorgabe einer realen Luftwechselrate ............................................. 114<br />
Abbildung 64: Vergleich des aus der Luftwechselrate berechneten Verlaufs mit dem<br />
gemessenen Verlauf der Radonkonzentration ........................................... 114<br />
Abbildung 65: Filterung der Radonkonzentration durch ein Kaiser-Fenster der Breite<br />
256 ............................................................................................................. 115<br />
Abbildung 66: Vergleich der aus einem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
mit der vorgegebenen Luftwechselrate ...................................... 116<br />
Abbildung 67: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf der Luftwechselrate<br />
........................................................................................................ 118<br />
Abbildung 68: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem<br />
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 119<br />
Abbildung 69: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-<br />
Konzentration ............................................................................................. 120<br />
Abbildung 70: Verlauf der gemessenen VOC-Konzentration mit Verlauf des Temperatursprungs<br />
.................................................................................................. 121<br />
Abbildung 71: Sättigungskurve zur Ermittlung der VOC-Quellstärke nach einem<br />
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 122<br />
Abbildung 72: Vergleich des berechneten mit dem gemessenen Verlauf der VOC-<br />
Konzentration ............................................................................................. 123<br />
Abbildung 73: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512) ............. 125<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
xv
Abbildungsverzeichnis<br />
Abbildung 74: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate ....... 125<br />
Abbildung 75: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter Verlauf der VOC-<br />
Konzentration im Vergleich zum gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration<br />
................................................................................................................... 126<br />
Abbildung 76: Temperaturverlauf von Beispiel 6 .................................................... 128<br />
Abbildung 77: Darstellung des gemessenen und des gefilterten Verlaufs der Radonkonzentration<br />
(Filterung durch Hamming-Fenster der Breite 512) ............. 129<br />
Abbildung 78: Rekonstruierte im Vergleich zur gemessenen Luftwechselrate ....... 129<br />
Abbildung 79: Aus der rekonstruierten Luftwechselrate berechneter im Vergleich zum<br />
gemessenen Verlauf der VOC-Konzentration ............................................ 130<br />
Abbildung 80: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem<br />
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 132<br />
Abbildung 81: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der<br />
Breite 128 .................................................................................................. 133<br />
Abbildung 82: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
Luftwechselrate .................................................................... 134<br />
Abbildung 83: Sättigungskurve zur Ermittlung der Radonquellstärke nach einem<br />
Sprung der Luftwechselrate ....................................................................... 135<br />
Abbildung 84: Filterung der Radonkonzentration durch ein Hamming-Fenster der<br />
Breite 128 .................................................................................................. 136<br />
Abbildung 85: Darstellung der aus dem gefilterten Radonkonzentrationsverlauf rekonstruierten<br />
Luftwechselrate .................................................................... 137<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
xvi
Tabellenverzeichnis<br />
Tabellenverzeichnis<br />
Tabelle 1: Übersicht über ausgewählte Schadstoffe in Innenräumen mit deren<br />
Quellen .......................................................................................................... 7<br />
Tabelle 2: Klassifizierung von organischen Verbindungen ....................................... 13<br />
Tabelle 3: Verwendete Geräte und Materialien ........................................................ 75<br />
Tabelle 4: Übersicht über die dargestellten Beispiele ............................................. 103<br />
Tabelle 5: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 1<br />
................................................................................................................... 106<br />
Tabelle 6: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 2<br />
................................................................................................................... 113<br />
Tabelle 7: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 3<br />
................................................................................................................... 117<br />
Tabelle 8: Voreingestellte Daten der Luftwechselrate <strong>für</strong> Beispiel 5 ....................... 124<br />
Tabelle 9: Voreingestellte Daten der Luftwechselraten-Rechteckkurve <strong>für</strong> Beispiel 6<br />
................................................................................................................... 127<br />
Tabelle 10: Voreingestellte Daten der Heizleistung <strong>für</strong> Beispiel 6 .......................... 127<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
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Eidesstattliche Erklärung<br />
Eidesstattliche Erklärung<br />
Hiermit versichere ich, Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong>, geboren am 20.06.1984 in Gießen, an<br />
Eides statt und durch meine Unterschrift, dass die vorliegende Arbeit mit dem Titel<br />
„Entwicklung eines effizienten Messverfahrens zur Bestimmung der<br />
Radonkonzentration als Indikator <strong>für</strong> die Qualität der Innenraumluft“<br />
von mir selbstständig, ohne fremde Hilfe angefertigt worden ist. Inhalte und Passagen,<br />
die aus fremden Quellen stammen und direkt oder indirekt übernommen worden<br />
sind, wurden als solche kenntlich gemacht. Ferner versichere ich, dass ich keine andere,<br />
außer der im Literaturverzeichnis angegebenen Literatur verwendet habe.<br />
Diese Versicherung bezieht sich sowohl auf Textinhalte sowie alle enthaltenden Abbildungen,<br />
Skizzen und Tabellen. Die Arbeit wurde bisher keiner Prüfungsbehörde<br />
vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht.<br />
Ort, Datum<br />
Unterschrift<br />
Verfasser: Dipl.-Ing. (FH) Franz <strong>Anton</strong> <strong>Rößler</strong><br />
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