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Gezieltes Vorgehen bei Radon-Verdacht
Im Artikel Radon, Teil 1 (HK-Gebäudetechnik 3/23, S. 6-9, auch online) wurde hervorgehoben, wie wichtig es ist, Radon in Wohnräumen zu messen, um das Gesundheitsrisiko abzuschätzen und kostengünstige Sofortmassnahmen einzuleiten. So kann Zeit geschaffen werden, um bauliche Massnahmen zur Radonreduktion sorgfältig zu planen und mit der nächsten anstehenden Renovierung auszuführen. Hier in Teil 2 werden wir uns auf ein wirksames Konzept zur Radonreduzierung konzentrieren: die radongesteuerte Lüftung.
Lüftung als wirksames Mittel zur Radonminderung
Es gibt mehrere Ansätze zur Verringerung der Radonexposition in einem Gebäude, und der beste Ansatz hängt von der jeweiligen Situation ab. Wenn die Radoneintrittsstellen identifiziert wurden, kann es möglich sein, diese Eintrittsstellen abzudichten, um das Radonproblem wirksam zu bekämpfen. In manchen Situationen ist dies nicht machbar, entweder technisch nicht möglich oder sehr teuer, und es müssen Alternativen gefunden werden.
Die Radonkonzentration in einem Gebäude kann auch wirksam verringert werden durch ein Lüftungssystem, das radonreiche Luft mit Frischluft austauscht. Obwohl diese Methode im Hinblick auf die Radonkonzentration sehr wirksam ist, hat sie ihren Preis: Im Winter muss zusätzlich geheizt werden, um die eingeblasene kalte Luft zu erwärmen, und es kann zu Kondensationsproblemen im Gebäude kommen. Möglicherweise ist ein Entfeuchter erforderlich, der ebenfalls viel Energie verbraucht. Aus diesem Grund und weil die Radonkonzentration in einem Gebäude sowohl innerhalb eines Tages als auch von Tag zu Tag erheblich schwankt, ist es vorteilhaft, die Frischluftzufuhr gezielt nur bei erhöhten Radonkonzentrationen zu aktivieren.
Übersicht Radonkontrollierte Lüftung
Abbildung 1 veranschaulicht die Funktionsweise eines radongesteuerten Lüftungssystems: Ein oder mehrere Radonsensoren messen kontinuierlich die Radonkonzentration in einem Gebäude. Ein computergesteuerter Algorithmus interpretiert die Radonkonzentration und berechnet, wie ein Ventilator oder mehrere aktiviert werden müssen.
Radon messen
Während amtlich anerkannte Messungen mit Dosimetern durchgeführt werden, erfordert ein radongesteuertes Lüftungssystem eine kontinuierliche Messung. Die Messung der Radonaktivitätskonzentration in der Luft kann als Zählung der Anzahl der emittierten Alphateilchen pro Minute und pro Kubikmeter betrachtet werden. Die Empfindlichkeit eines Radonmessgeräts gibt an, welcher Anteil an emittierten Teilchen gemessen werden kann. Hochempfindliche Geräte wie z.B. Radonmapper (Tecnavia), AlphaGuard (Bertin) und RTM-1688 (Sarad) können relevante Radonkonzentrationen in einem kurzen Messintervall (typischerweise einige Minuten) zuverlässig messen. Diese Geräte sind jedoch, bedingt durch ihre hohen Beschaffungskosten und ihre Grösse, in der Praxis nicht als Radonsensoren für Lüftungssteuerungen geeignet. Glücklicherweise gibt es auch Sensoren in einer niedrigeren Preisklasse (unter Fr. 2000.-), die mit etwas längeren Messintervallen (typischerweise eine Stunde) zuverlässige Resultate liefern. Die Kommunikation mit diesen Radonsensoren erfolgt entweder über eine analoge Schnittstelle (z.B. 4-20mA Stromschleife oder 1-10V Spannung) oder über eine digitale Schnittstelle (z.B. Modbus oder RS-232).
Ventilatoren
Die erforderliche Leistung des Ventilators (m3/h) hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der Radon in das Gebäude eindringt, und von der Grösse des Raums. Für Privathäuser sind normalerweise kleine Ventilatoren, die weniger als 100 m3/h bewegen, ausreichend. In Industriegebäuden und insbesondere an radonexponierten Arbeitsplätzen wie Wasserversorgungsanlagen kann eine höhere Leistung erforderlich sein. Es existieren verschiedenen Möglichkeiten, den Volumenstrom des Ventilators zu steuern: Das Verhältnis der Dauer im eingeschalteten und ausgeschalteten Zustand kann variiert werden. Alternativ kann die Drehzahl des Ventilators über eine regelbare Stromversorgung angepasst werden. Weiter existieren Ventilatoren, die direkt mit variablen Steuerspannungen oder über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) angesteuert werden können.
Regelalgorithmus
Der Kontrollalgorithmus interpretiert die Radonmessungen und berechnet, mit welcher Leistung die Ventilatoren aktiviert werden sollen, um die Radonkonzentration um einen oder unter einem vorkonfigurierten Schwellenwert zu halten und gleichzeitig die Aktivierung der Ventilatoren zu minimieren.
Ein einfacher Ansatz besteht darin, die Ventilatoren einzuschalten, wenn ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, und auszuschalten, wenn ein festgelegter (tieferer) Wert unterschritten wird. Dieses Prinzip entspricht einem einfachen Thermostat für die Temperaturregelung. Es ist alles andere als ideal, da eine Radonmessung langsam erfolgt (in der Regel eine Messung pro Stunde), während die Wirkung des Ventilators normalerweise sehr schnell eintritt. Wenn eine Radonmessung den Zielwert geringfügig überschreitet, ist es unökonomisch, den Ventilator bis zur nächsten Messung mit voller Leistung einzuschalten. Ein wirtschaftlicherer Ansatz ist die Verwendung eines PID-Reglers [2], der die Ventilatorleistung schrittweise anpasst, um die Radonkonzentration an einen vorkonfigurierten Zielwert (Sollwert) anzunähern. Der PID-Regler geht von einem regelbaren Ventilator aus und teilt dem Ventilator mit, bei welcher Leistung er aktiviert werden muss. Verfügt der Ventilator nur über einen binären Ein-Aus-Schalter, so kann ein PID-Regler dennoch eingesetzt werden, und zwar mit Hilfe eines Duty-Cycle-Konzepts: Wenn der PID-Regler beispielsweise 30 % Lüfterleistung anfordert, kann der Lüfter für 30 % des Messintervalls eingeschaltet werden (0,01 x 30 x 60 min = 18 min).
Simulation eines Raums mit Radon
Ein radongesteuertes Lüftungssystem wird in Abbildung 2 anhand eines simulierten fiktiven Beispiels demonstriert: Radonreiche Luft (5000 Bq/m3) strömt mit einer konstanten Rate (5 m3/h) in einen Raum von 125 m3, der anfangs kein Radon enthält. Der Raum verfügt über einen regelbaren Ventilator mit einem maximalen Volumenstrom von 1000 m3/h. Die Radonkonzentration (blaue Kurve) wird jede Stunde gemessen (rote Kurve). Nach einer Periode ohne Radonkontrolle im Intervall [0 - 96 h] wird während des Intervalls [96 - 144 h] ein "Ein-Aus"-Regler aktiviert. Während des Zeitraums [192 - 240 h] wird ein PID-Regler aktiviert. Es ist offensichtlich, dass der Ein-Aus-Regler den Ventilator periodisch mit 100 % aktiviert, um die Radonkonzentration nahe Null zu bringen, während der PID-Regler eine Ventilatorleistung findet, die die Radonkonzentration auf einem gewünschten Niveau annähernd konstant hält.
Praxisbeispiel Wasserversorgungsanlage
Für so genannte radonexponierte Arbeitsplätze (d.h. Arbeitsplätze, an denen eine höhere Radonkonzentration zu erwarten ist) legt die Strahlenschutzverordnung einen maximalen Jahresmittelwert von 1000 Bq/m3 fest [1]. Eine Wasserversorgungsanlage gehört zu dieser Kategorie, und es ist zu erwarten, dass dieser Grenzwert auch häufiger überschritten wird [3]. Dies mag in vielen Fällen unproblematisch sein, wenn sich die Menschen nur sehr kurze Zeit im betreffenden Gebäude aufhalten. In anderen Fällen, zum Beispiel bei Bau-, Wartungs- oder Reinigungsarbeiten, sollten jedoch Massnahmen ergriffen werden, um die Radonexposition zu verringern. Andernfalls wäre der Arbeitgeber angehalten, die Strahlendosis (in Millisievert mSv), welcher jeder Arbeitnehmer ausgesetzt war, soweit zu erheben, dass plausibel aufgezeigt werden kann, dass die individuelle Dosis der Mitarbeitenden unter 10 mSv pro Jahr bleibt [1]. Dies ist häufig aufwändiger und unsicherer als eine Reduktion des Radons.
Abbildung 3 zeigt die Radonkonzentration nach dem Einbau eines radongesteuerten Lüftungssystems im Schieberhaus eines Wasserreservoirs im schweizerischen Mittelland. Das im Wasser enthaltene Radon entweicht auf natürliche Weise in die Luft, die mit dem Wasser in Berührung kommt. So gelangen grosse Mengen Radon in das Gebäude. Der verwendete Ventilator hat eine Förderleistung von 1000 m3/h. Ohne Ventilation überschreitet die Radonkonzentration in diesem Gebäude den Grenzwert von 1000 Bq/m3 erheblich. Anfänglich lief der Ventilator ungeregelt mit 100 %. Nach dem Einschalten des PID-Reglers geht der Ventilator in einen sparsameren Betrieb über und benötigt durchschnittlich 12 % der Ventilatorleistung, um die Radonkonzentration um den konfigurierten Zielwert (400 Bq/m3) zu halten.
Diskussion und Schlussfolgerungen
Bei der Realisierung einer Anlage sollte den folgenden Aspekten besondere Beachtung geschenkt werden: Dimensionierung der Ventilatoren und die Auslegung des Reglers sollten durch Fachleute vorgenommen werden. Insbesondere sollen dabei auch Durchmesser und Druckverluste der Lüftungsrohre berücksichtigt werden. Die Feinjustierung der Steuerungsparameter erfolgt bei der Inbetriebnahme. Danach ist es wichtig, die korrekte Funktion des Systems über einen längeren Zeitraum zu überprüfen: Einige Tage lang durch zeitauflösende elektronische Messungen. Danach idealerweise 365 Tage lang mit einem Dosimeter. Die Präzision der Radonsensoren kann mit der Zeit nachlassen. Eine Neukalibration der Sensoren nach 2 bis 4 Jahren stellt die Messgenauigkeit sicher. Der Anschluss des Radonsensors an ein Gebäude- bzw. Prozessleitsystem ist normalerweise ohne weiteres möglich und für die Überwachung empfehlenswert. Falls ein solches System fehlt, wird der Einsatz von Sensoren mit eingebautem Speicher (wie z.B. der Smart Radon Sensor von Sarad) empfohlen.
Der Einsatz einer Lüftungssteuerung mit Radonsensoren und dem geeigneten Regelalgorithmus kann die Zufuhr von Frischluft um 50-80 % reduzieren. Dadurch wird nicht nur der Energieverbrauch des Ventilators reduziert, sondern auch derjenige von allfälligen Heizungs-, Kühlungs- und Entfeuchtungssystemen.
Ein radongesteuertes Lüftungssystem ist in vielen Fällen eine Alternative oder Ergänzung zu baulichen Massnahmen, die bei einer Radonsanierung in Betracht gezogen werden sollte.