Studie zeigt, dass städtische Bürogebäude flüchtige Chemikalien nach draußen pumpen, vergleichbar mit Verkehrsemissionen

Die Luft aus Bürogebäuden in städtischen Gebieten könnte stärker verschmutzt sein als bislang angenommen, sagen Forscher der Purdue University.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Brandon Boor, außerordentlicher Professor an der Lyles School of Civil Engineering, hat veröffentlicht eine neue Studie in der Zeitschrift Zellberichte Nachhaltigkeit Dabei stellte sich heraus, dass moderne Gebäude kontinuierlich flüchtige organische Verbindungen (VOCs) in die Außenluft abgeben und diese wahrscheinlich einen erheblichen Beitrag zur VOC-Belastung der städtischen Atmosphäre leisten. Das Team führte direkte Messungen des Schadstoffaustauschs zwischen Außen- und Innenluft in einem Hochleistungsbürogebäude durch und verwendete dafür hochmoderne Luftqualitätsinstrumente und eine fortschrittliche Gebäudeautomatisierungsplattform.

„Traditionell denken wir daran, die Außenluft, die in unsere Gebäude gelangt, zu filtern. Auf Grundlage der Ergebnisse unserer Studie müssen wir nun darüber nachdenken, die Luft, die aus unseren Büros, Wohnungen und Schulen austritt, zu reinigen, um die VOC-Emissionen in die Außenumgebung zu reduzieren“, sagte Boor.

Das Ziel dieser Forschung, so Boor, sei es, VOCs in der Luft, die in städtische Gebäude ein- und ausströmt, genau zu messen und die Daten zu nutzen, um zu verstehen, wie sich menschliche Belegung und Gebäudebetrieb auf den VOC-Transport zwischen Innen- und Außenluft auswirken. Boor sagte, der Einfluss des Luftaustauschs zwischen Innen- und Außenluft auf die städtische Luftverschmutzung sei noch nicht gut erforscht – und in einem modernen Bürogebäude mit einem hochentwickelten Belüftungssystem sei er noch nicht vollständig erforscht worden.

„Ein grundlegendes Verständnis des Schicksals und des Transports von Luftschadstoffen in Städten ist wichtig für die Entwicklung von Minderungsstrategien und -richtlinien, die die Luftqualität in Städten verbessern und negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und das Klima reduzieren können“, sagte Boor. „Zahlreiche Studien haben den erheblichen Einfluss von Verkehr, Industrie- und biogenen Emissionen auf die Luftverschmutzung in Städten nachgewiesen. Der Einfluss der Wechselwirkungen von Luftschadstoffen in Städten mit Gebäuden wurde jedoch oft übersehen.“

Moderne öffentliche und gewerbliche Gebäude sind in der Regel mit Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) ausgestattet, um eine bessere Raumluftqualität und thermischen Komfort zu gewährleisten. Wenn Stadtluft mechanisch durch Gebäude zirkuliert, kann sich ihre Zusammensetzung aufgrund von Wechselwirkungen mit HLK-Komponenten, Raumluft, Bewohnern und Innenflächen erheblich ändern.

„Gebäude nehmen einen erheblichen Teil der Landfläche in Städten ein und bieten einen erheblichen Anteil des genutzten Innenraums“, sagte Tianren Wu, Erstautor der Studie und Assistenzprofessor an der Fakultät für Bau- und Architekturingenieurwesen und Baumanagement der Universität Cincinnati.

„Um die Anforderungen an die Belüftung und den thermischen Komfort von Gebäuden zu erfüllen, wird eine beträchtliche Menge Luft aktiv zwischen einem Gebäude und der umgebenden städtischen Atmosphäre ausgetauscht. Dieser dynamische Luftaustausch kann aufgrund des Transports und der Umwandlung von Schadstoffen sowohl von Innenräumen ins Freie als auch von Außenräumen in Innenräume erhebliche Auswirkungen auf die Luftqualität in Städten haben, insbesondere in dicht besiedelten Städten.“

Baumaterialien, Inneneinrichtungen und Bewohner sowie deren Aktivitäten – wie Kochen, Putzen und die Verwendung von Konsum- und Körperpflegeprodukten – können eine Vielzahl gasförmiger und partikelförmiger Schadstoffe freisetzen, die über das HLK-System eines Gebäudes direkt in die städtische Atmosphäre abgegeben werden können. Boors Forschung ergab, dass die Konzentration flüchtiger organischer Verbindungen (VOC) in Innenräumen 2 bis 15 Mal höher ist als im Freien und dass die VOC-Emissionen von Gebäuden pro Flächeneinheit mit den Emissionen aus Verkehr, Industrie und Biogenie vergleichbar sind.

Insbesondere stellte das Team fest, dass das Büro eine bedeutende Emissionsquelle für reaktive Monoterpene und Siloxane in die Außenumgebung darstellt. Siloxane werden häufig in Deodorants, Parfüms, Lotionen und Haarpflegeprodukten verwendet. Kürzlich durchgeführte Studie Unter der Leitung von Nusrat Jung, Assistenzprofessor für Bauingenieurwesen an der Purdue University, wurde festgestellt, dass bei der alltäglichen Haarpflege große Mengen an Luft über die Abluft von Badezimmern in die Außenluft gelangen. Dies verdeutlicht einmal mehr, welchen Einfluss Gebäude auf die Luftverschmutzung im Freien haben können.

„Das Quell-Senken-Verhalten des Gebäudes änderte sich dynamisch mit der Belegung und den Belüftungsbedingungen des Gebäudes“, sagte Boor. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass Gebäude aufgrund des erheblichen Luftaustauschs zwischen Außen- und Innenräumen die Luftqualität in Städten direkt beeinflussen können.“

Was die Reduzierung der VOC-Emissionen von Gebäuden angeht, so sagte Boor, man müsse sich stärker auf die Entfernung von VOCs in HLK-Systemen mithilfe von Kohlefiltern und anderen Luftreinigungstechnologien konzentrieren. Auch die Verwendung von Konsum- und Körperpflegeprodukten mit geringen VOC-Emissionen werde hilfreich sein, sagte Boor.

Forscher der Indiana University und der RJ Lee Group Inc. haben zu dieser Studie beigetragen.

Erfassung der Daten

Boors Team untersuchte die Quellen- und Senkeneffekte eines mechanisch belüfteten, realistischen Großraumbüros und seines HLK-Systems auf städtische Luftschadstoffe im Rahmen einer umfassenden einmonatigen Feldmesskampagne. Das für ihre einmonatige Forschung genutzte Büro befindet sich in den Ray W. Herrick Laboratories, einem leistungsstarken, LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) Gold-zertifizierten Gebäude in Zentral-Indiana. Das Büro wird durch eine unabhängige Luftaufbereitungsanlage kontinuierlich mechanisch belüftet.

Die Feldmesskampagne wurde während der Wintersaison durchgeführt. In der Studie wurden drei Arten gängiger städtischer Luftschadstoffe untersucht, darunter flüchtige organische Verbindungen (VOC), Ozon und Feinstaub. Die mechanischen Belüftungsbedingungen des Gebäudes wurden sorgfältig überwacht, um die Nettomassenemissionsraten des Büros und seines HLK-Systems in die städtische Atmosphäre zu quantifizieren. Die flüchtigen organischen Verbindungen wurden in Echtzeit an verschiedenen Stellen im gesamten HLK-System mit einem hochauflösenden Protonentransferreaktions-Flugzeitmassenspektrometer gemessen.