Im Hochsommer und Winter wechseln viele Betriebe ihre Raumlufttechnischen (RLT) Anlagen von Frisch- auf Umluftbetrieb. Dadurch soll der ansonsten sehr hohe Energieaufwand zum Kühlen bzw. Heizen reduziert werden. Spätestens seit der Pandemie ist allerdings bekannt, dass die gewöhnlichen Taschenfilter der RLT-Anlagen nicht ausreichen, um 0,05 bis 0,15 µm kleine Viren aus der angesaugten Raumluft abzufangen –
das Kontaminationsrisiko steigt deshalb drastisch. Um diese zu filtrieren wären teure HEPA-Filter nötig, die jedoch den Energieverbrauch der Lüftungsanlagen durch einen deutlich größeren Differenzdruck maßgeblich erhöhen. Zudem ist eine Umrüstung in der Regel sehr aufwändig, da die Anlagen überhaupt nicht auf die für HEPA-Filter benötigte Leistung ausgelegt sind. Die Kappa Filter Systems GmbH hat mit dem Kappa Wavebionix® nun jedoch einen Nanofilter entwickelt, der sich einfach in jede RLT-Anlage integrieren lässt. Die Filtrationsleistung ab 0,01 µm ist ähnlich der eines HEPA-Filters, sodass sowohl Pathogene als auch Ultrafeinstaub abgeschieden werden. Dennoch ist der Luftwiderstand und damit der zu kompensierende Druckverlust identisch mit dem eines herkömmlichen F7-Filters. Auf diese Weise erhöht das Filterelement die Raumluftqualität und steigert zugleich die Energieeffizienz der RLT-Anlagen.
„Wir verbringen mindestens zwei Drittel unserer Lebenszeit in Innenräumen und atmen täglich bis zu 15.000 l Luft ein“, weiß Dina Alkaadi, Business Developerin bei Kappa Filter Systems. „Die Raumluftqualität spielt daher eine maßgebliche Rolle für unsere Leistungsfähigkeit, Gesundheit und unser allgemeines Wohlbefinden.“ Um diese zu verbessern, saugen RLT-Anlagen in öffentlichen Gebäuden, Geschäftsimmobilien und industriellen Hallen frische und sauerstoffreiche Außenluft an. Damit nicht gleichzeitig sämtlicher Feinstaub aus dem städtischen Verkehr in die Innenräume befördert wird, sind die Systeme mit Taschenfiltern ausgestattet, die Partikel ab einer Größe von 0,4 µm aus der angesaugten Frischluft abscheiden. Allerdings konnten Untersuchungen belegen, dass lediglich 15 Prozent der im Straßenverkehr ausgestoßenen Emissionen aus Abgaspartikeln in diesem Größenbereich bestehen. Bei den restlichen 85 Prozent handelt es sich überwiegend um Reifen-, Brems- und Fahrbahnabrieb. Diese Partikel weisen eine Größenverteilung zwischen 0,01 und 10 µm auf, wobei der Hauptanteil unter 0,3 µm liegt. Beim Mikroplastik bewegt sich die Mehrzahl sogar in einem Bereich von 0,01 bis 0,07 µm, der von den üblicherweise verwendeten Feinstaubfiltern der Klassen F7, F8 und F9 nicht ausreichend zurückgehalten werden kann. In Innenräumen steigt somit die Belastung mit diesen ultrafeinen Partikeln an, die aufgrund ihrer geringen Größe bis in das Lungengewebe und den Blutkreislauf eindringen können.
Kommt es im Hochsommer oder Winter zu starken Temperaturunterschieden zwischen Innen- und Außenluft, stehen die Betreiber der Gebäude vor einem weiteren Problem: Um den Energieverbrauch beim Kühlen und Heizen zu reduzieren, muss die RLT-Anlage auf Um- oder Mischluft gefahren werden, da die Heiz- und vor allem die Kühlleistungen trotz Wärmerückgewinnung vielfach nicht ausreichen, um eine behagliche Raumtemperatur sicherzustellen. Besonders in der kalten Jahreszeit, wenn der Krankenstand in der Regel höher ist, kann die Gebäudelüftung Pathogene von einem Raum in den nächsten transportieren und so die Verbreitung von Krankheitserregern begünstigen. Denn mit einer Größe ab 0,02 µm können auch Viren nicht von den üblicherweise verbauten Feinstaubfiltern abgeschieden werden. „Einer Nutzung der feineren HEPA-Filter, wie sie beispielsweise in medizinischen Anwendungen und Reinräumen eingesetzt werden, stehen dabei nicht bloß der höhere Preis und der aufgrund des Luftwiderstands massiv steigende Energieverbrauch im Wege“, erklärt Alkaadi. „Die RLT-Anlagen der meisten Gebäude sind schlichtweg nicht auf den höheren Leistungsbedarf ausgelegt.“
Neuartige Nanofasermembran in spezieller Wellenform
Kappa Filter Systems hat sich diesem allgemein herrschenden Problem angenommen und ein völlig neues Nanofilterelement auf den Markt gebracht, das sich problemlos in bestehende RLT-Anlagen einsetzen lässt. Das Besondere am Kappa Wavebionix® ist die spezielle Nanofasermembran, die in ein konventionelles Filtermaterial eingebettet ist. Sie ist in einer Wellenform angeordnet, wodurch ihre Oberfläche um den Faktor 2,5 erhöht wird. Auf diese Weise vereint der Hersteller erstmals zwei Eigenschaften, die sich zuvor gegenseitig ausgeschlossen hatten: Einerseits verfügt das Nanofilterelement über eine Abscheidewirkung bis 0,01 µm ähnlich eines HEPA-Filters sowie eine hohe Speicherfähigkeit, die eine Nutzungsdauer von einem Jahr ermöglicht. Zugleich bleibt der Druckverlust aber so gering wie bei einem bisher üblichen F7-Taschenfilter, was die Kompatibilität mit gewöhnlichen Bestandsanlagen garantiert.
Zertifizierte Wirkung bei aktiven Viren, Fein- und Ultrafeinstaub
Die Wirksamkeit des Kappa Wavebionix® wurde von unabhängigen Prüflaboren mit mehr als 97 Prozent nachgewiesen. Bei der Testung auf Pathogene stand der Hersteller allerdings zunächst vor einer Herausforderung, wie Alkaadi berichtet: „Die gängigen Prüfverfahren für Luftfiltration sind lediglich auf Staub bzw. Prüfaerosole in verschiedenen Feinheitsgraden ausgelegt, sodass wir lange Zeit kein Prüfzentrum finden konnten, das überhaupt in der Lage war, die Filtration aktiver Viren in Filtern für RLT-Anlagen zu prüfen.“ Ende 2021 wurde das Vorhaben schließlich von Erfolg gekrönt: Die akkreditierte Zertifizierungsstelle des Österreichischen Forschungsinstituts (OFI) bestätigte einen Abscheidegrad von über 97,2 Prozent bei aktiven Viren mit einer Größe zwischen 0,05 und 0,15 µm. Dabei wurde nicht nur ein Materialauschnitt, sondern der gesamte Filter inklusive Verbindungselemente und Rahmen getestet, was realitätsnahe Prüfbedingungen sicherstellte.
Bei einem Feldvergleich mit einem F7-Filter in der Frischluftansaugung eines Unternehmens trat eine zusätzliche Qualität der neuen Wavebionix®-Membran zutage: Bereits nach sechs Monaten wies der Kappa Wavebionix® im Gegensatz zu den herkömmlichen Feinstaubfiltern deutliche dunkle Rückstände auf und war rund 1,5 kg schwerer geworden. „In der städtischen Luft würde man Abgasbestandteile wie Rußpartikel im kontaminierten Filtermaterial erwarten“, so Alkaadi. „Unsere Analysen entdeckten allerdings hauptsächlich Mikroplastik, vor allem Partikel aus Brems- und Reifenrückständen.“ Vor diesem Hintergrund ließ der Hersteller die Filtration des Wavebionix® auch bei diesen Ultrafeinstaubpartikeln gesondert prüfen. Die TU Graz bestätigte hierbei eine Wirkung von 97,3 Prozent. „Ein Großteil der Partikel durch Brems- und Reifenabrieb liegt zwischen 0,01 und 0,07 µm. Genau in diesem Bereich filtriert der Kappa Wavebionix® am effizientesten“, ergänzt Alkaadi.
Win-Win-Situation: Energieeinsparung und Produktivitätssteigerung
Die Tests und Zertifizierungen des neuartigen Nanofilters zeigen hinlänglich, dass er die Raumluftqualität sowohl bei Frisch- als auch bei Misch- und Umluftbetrieb maßgeblich verbessert. Die Zuführung von Frischluft in Innenräumen wirkt sich zudem nachweislich auf die Leistungsfähigkeit aus: Eine Harvard-Studie fand etwa heraus, dass eine Verdoppelung der Frischluftzufuhr zu einer Produktivitätssteigerung von 6.500 US-Dollar pro Person und Jahr führte.[1] Aufgrund des geringen Differenzdrucks verursacht der Kappa Wavebionix® dabei auch keine zusätzlichen Energiekosten – im Gegenteil: Wurden im Bestand bisher Filter der Klassen F8 und F9 verwendet, ermöglicht der Nanofilter sogar eine Reduzierung des Verbrauchs. Bei Umluftbetrieb lassen sich zudem Heiz- und Kühlkosten senken, ohne eine Verbreitung von Infektionskrankheiten zu unterstützen.
Um die Energieeinsparung bei einem Wechsel zu berechnen, stellt der Hersteller ein eigens entwickeltes Tool zur Verfügung. Bei einer RLT-Anlage mit zwölf Kappa Wavebionix® und 3.000 Betriebsstunden pro Jahr lässt sich damit beispielsweise eine Amortisationszeit von weniger als drei Monaten ermitteln. Hinzu kommt eine CO2-Ersparnis von rund 15 t pro Jahr im Vergleich zu herkömmlichen Filterelementen. „Auf 22 Mitarbeitende umgerechnet kostet einer unserer Nanofilter nur 0,4 Cent pro Tag und Mitarbeiter. Das entspricht einem finanziellen Aufwand von 1/10 Apfel pro Tag, mit dem man die Gesundheit, Leistungsfähigkeit und das Wohlbefinden der Mitarbeitenden spürbar aufwerten kann“, resümiert Alkaadi.
[1] Quelle: Harvard Business Review, https://hbr.org/2017/03/research-stale-office-air-is-making-you-less-productive
Quelle: Kappa Filter Systems GmbH