Planung luft- und heizungstechnischer Maßnahmen für Produktionshallen

Wärmephysiologische Bedürfnisse des Menschen

Der menschliche Organismus ist stets bestrebt, die Körpernormaltemperatur von 37 °C zu erreichen. Dazu sind die Einflüsse des umgebenden Klimas auf den körpereigenen Wärmehaushalt auszugleichen. Je weiter das äußere Klima von dem sogenannten Behaglichkeitsbereich abweicht, desto mehr wird der Körper belastet. Diese Belastung zehrt an den physischen Ressourcen, so daß die physische und psychische Leistungsfähigkeit des Menschen sinkt. Extreme Belastungen können auch zu gesundheitlichen Schäden führen.

Das Behaglichkeitsempfinden des Menschen kann als Indikator aufgefaßt werden: Der Mensch fühlt sich in dem Klima wohl, in dem seine Gesundheit nicht gefährdet ist und seine Leistungsfähigkeit erhalten bleibt.

Bild 1: Körperkerntemperatur und Hauttemperatur des Menschen, Lufttemperaturen in Arbeitsstätten [1]

Man spricht von Behaglichkeit, wenn der Betrag der vom Menschen in Form von Strahlung und Konvektion sowie in latenter Form an die Umgebung abgegebene Energie (Wärmeenergie) gleich dem Betrag der biologisch notwendigen Gesamtwärme ist.
Nach [2] läßt sich für den Gleichgewichtszustand (unter Ausschluß der Speicherwärme und Vernachlässigung der Enthalpie der Nahrung bei Aufnahme und der Enthalpie der Körperexkremente) folgender mathematischer Zusammenhang formulieren:

PM,ges = PM + QM,K + QM,S + QM,V

(1)

PM,ges	...	Bruttoenergieumsatz des Menschen
PM	...	Arbeitsleistung
QM,K	...	konvektive Wärmeabgabe
QM,S	...	durch Strahlungswärmeaustausch verursachter Energieverlust
QM,V	...	durch Wasserverdunstung hervorgerufene latente Wärmeabgabe

Im Bereich der thermischen Behaglichkeit, ist die Wärmeabgabe des Menschen im wesentlichen nur von der körperlichen Aktivität abhängig. In der Richtlinie VDI 2078 ist die Wärmeabgabe des Menschen in Abhängigkeit der Tätigkeit (Aktivitätsgrad) und der Raumlufttemperatur in Tabellenform dargestellt. Die Aktivitätsgrade sind nach DIN 1946 Teil 2 und die Bewertung in DIN 33403 Teil 3 festgelegt.
Um ein thermisch behagliches Raumklima zu schaffen, sind bestimmte raumklimatische Einflußgrößen zu berücksichtigen und in bestimmten Grenzen zu halten. Zu den Klimagrundgrößen zählen

• die Raumlufttemperatur,
• die relative Luftfeuchte,
• die Luftbewegung und
• die Wärmestrahlung.

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt die Auswirkungen auf den Menschen bei Abweichung von thermisch behaglichen Umgebungsbedingungen.

Tabelle 1: Auswirkungen der Klimagrundgrößen auf den Menschen [1]

	Bedingung	Effekt	Wirkungen auf Gesundheit, Leistung und Wohlbefinden
Tempe- ratur	zu kalt	Der Körper gibt mehr Wärme an die Umgebung ab, als er durch den Energieumsatz erzeugt.	unangenehm feinmotorische Arbeiten werden schwieriger häufigeres Auftreten von Erkältungskrankheiten
	zu warm	Der Körper kann die erzeugte Wärme nicht an die Umgebung abgeben.	unangenehm die Konzentration läßt nach die Reizbarkeit nimmt zu die körperliche Leistungsfähigkeit nimmt ab, Ermüdung tritt früher ein
Luft- feuchte	zu trocken	Die Schleimhäute trocknen aus.	unangenehm Heiserkeit tritt auf Erkrankungen des Nasen- Rachenraumes und der Atemwege treten auf
	zu feucht	Die Schweiß- verdunstung wird behindert.	unangenehm bei gleichzeitiger Hitze besteht die Gefahr schneller Überwärmung
Luftge- schwin- digkeit	zu hohe Luft- geschwindigkeit	örtliche Unter- kühlung, besonders wenn gleichzeitig geschwitzt wird.	Erkältungen treten auf Schleimhäute trocknen aus Erkrankungen des Nasen-Rachenraumes und der Atemwege entstehen
Wärme- strahlung	zu starke Wärme- strahlung	Der Körper wird lokal oder als Ganzes stark aufgeheizt.	unangenehm die Thermoregulation wird gestört

Neben den Klimagrundgrößen sind noch personenbezogene Einflußgrößen auf das Klimaempfinden des Menschen zu berücksichtigen. Dazu zählen die Kondition und Konstitution des Menschen, die Bekleidung (Isolationsschicht) und die Arbeitsschwere.

Die Schwere der zu verrichtenden Arbeit beeinflußt die Freisetzung von Wärme durch den menschlichen Organismus. Konkrete Werte sind in der VDI 2078 enthälten.

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Richtwerte für Raumlufttemperatur, -feuchte und -bewegung: [1]

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Belastung durch Gefahrstoffe

Bei verschiedenen Produktionsprozessen werden gefährliche Stoffen (chem. Elemente und deren Verbindungen) und Zubereitungen (verarbeitete Gemische, Gemenge und Lösungen) frei, die die Gesundheit der Beschäftigten beeinträchtigen und gefährden. Die Schadstoffe können wie folgt unterteilt werden:

Bild 2: Gliederung der Schadstoffe am Arbeitsplatz [1]

In vielen Fällen reicht die Kenntnis der in einem Arbeitsverfahren eingesetzten Stoffe und Zubereitungen zur Beurteilung der Gefährdung nicht aus. Beim Zusammentreffen mit weiteren Stoffen, z.B. Verunreinigungen, oder bei der Zufuhr von Energie kann es chemisch zur Bildung anderer Stoffe kommen, die ihrerseits eine schädliche Wirkung entfalten. Hierzu sein drei Beispiele für den Maschinenbau genannt[3]:

Tabelle 2: Beispiele für die Entstehung von Schadstoffen [3]

Verfahren	Schadstoff
Schweißen	aus Rückständen von Trichlorethylen (Entfettung)auf dem Schweißteil entsteht das akut giftige Phosgen
thermische Behandlung	bei der thermischen Behandlung von mit Polyurethanen lackierten Oberflächen bilden sich Isocyanate
Spanen mit Kühlschmier- stoffen	aus Aminen und Nitrit bilden sich krebserzeugende Nitrosamine, z.B. wenn die in den Kühlschmierstoffen enthaltenen Amine mit dem in der Luft oder im Körper enthaltenen Stickstoff reagieren

Die Wirkung der Gefahrstoffe läßt sich in zwei Kategorien unterscheiden. Zum einen tritt innerhalb relativ kurzer Zeit ein Schaden auf (z.B. Explosion, akute Vergiftungen, Reiz- und Ätzwirkung). Zum anderen ist eine relativ lange Expositionszeit notwendig, bis der Schaden zu beobachten ist. [3]

Die Wirkung von Gefahrstoffen ist abhängig

• von der Art des Stoffes,
• bei Stäuben zusätzlich von der Partikelgröße,
• von der Konzentration,
• von der Art und Weise der Einwirkung,
• von der Einwirkungsdauer,
• von der Kondition und Konstitution der Person,
• von der Tätigkeit,
• von der Mischung mit anderen Arbeitsstoffen,
• von der Superposition mit anderen Einflüssen der Arbeitsumgebung.

Ein Problem beim Umgang mit gefährlichen Arbeitsstoffen ist, daß diese vom Menschen oft sinnlich nicht wahrnehmbar sind bzw. eine Gewöhnung an die Wahrnehmung eintritt, wodurch die warnende Wirkung verloren geht. [4]

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Rechtliche Vorschriften

Bei der Entstehung von Schadstoffen am Arbeitsplatz bzw. in dessen unmittelbarer Nähe, weist die GefStoffV (Gefahrstoffverordnung) dem Arbeitgeber eine Ermittlungs- (konkretisiert in der TRGS 440) und Überwachungspflicht zu. Der Arbeitgeber hat sich zu vergewissern, ob es sich im Hinblick auf den vorgesehenen Umgang um einen Gefahrstoff handelt ( § 16 (1) GefStoffV).

Ist das Auftreten eines oder verschiedener gefährlicher Stoffe in der Luft am Arbeitsplatz nicht sicher auszuschließen, so ist zu ermitteln, ob der MAK-Wert, der TRK-Wert oder der BAT-Wert (Biologischer Arbeitsplatztoleranzwert) unterschritten oder die Auslöseschwelle überschritten sind. Die Gesamtwirkung verschiedener gefährlicher Stoffe in der Luft am Arbeitsplatz ist zu beurteilen (§ 18 (1) GefStoffV). Zur Beurteilung von gefährlichen Arbeitsstoffen dient die Auslöseschwelle. Erst dann werden die Grenzwerte herangezogen. [5]

Die oben genannten Grenzwerte gelten in der Regel nur für die Exposition eines reinen Stoffes. In der Regel treten an Arbeitsplätzen aber Stoffgemische auf. In der TRGS 403 werden Hinweise zur Bewertung von Stoffgemischen in der Luft am Arbeitsplatz angegeben. [5]

Die Raumluftqualität wird auch von der Qualität der Zuluft bestimmt. Dabei ist die Zusammensetzung der Zuluft von wesentlicher Bedeutung. Meist besteht sie aus Außenluft. Es wird jedoch auch Umluft bzw. ein Gemisch aus Außen- und Umluft eingesetzt.

Nach DIN 1946 Teil 2 sollte die Umluft nur bei Arbeiten mit geringen arbeitsbedingten Verunreinigungen angewendet werden. Die Umwälzung der Luft erfolgt dann aufgrund thermischer Lasten. Die Zuluftqualität sollte gleich der Außenluftqualität sein, sofern die Außenluft nicht durch außergewöhnliche Belastungen verunreinigt ist.

Für die Bestimmung des personenbezogenen und flächenbezogenen Außenluftstromes gelten Mindestwerte gemäß DIN 1946 Teil 2 Tabelle 3. Zur Berechnung des schadstoffbezogenen Außenluftstromes nach DIN 1946 ist zu beachten, daß die gültigen MAK- (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) bzw. TRK-Werte (Technische Richtkonzentration) eingehalten werden. Die zulässigen Schadstoffkonzentrationswerte sind der TRGS 403 und TRGS 900 zu entnehmen.

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Forderungen des Umweltschutzes

Umweltrelevanz

Die Erfüllung der Forderungen des Arbeits- und Gesundheitsschutzes sowie der technologischen Forderungen durch die Lufttechnik bringt umweltliche Probleme mit sich. Zum einen ist für das Betreiben der Anlagen ein Energieaufwand und ggf. der Einsatz von Betriebsstoffen notwendig. Zum anderen wird die Umwelt durch die Abfuhr schadstoffhaltiger Luft aus der Produktionshalle belastet.

Bild 3: Übersicht über die Auswirkungen von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen

Die wichtigsten, dieser umweltrelevanten Emissionen sind in Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3: umweltrelevante Emissionen und deren Herkunft [6]
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Schadstoffart/ Emittend	Stäube		gasförmige Luftverunreinigungen
	nicht toxisch	gesund- heits- gefähr- dend	Schwefelverbin- dungen			organ. Verbin- dungen	Stick- oxide	Koh- len- mon- oxid	Halo- gene u. ­verbin- dungen	Ge- rüche
			SO2 SO3	H2S	CS2	CmHn R-COH	NOx	CO	Cl, HCl, F, HF
Industrie
Energiewirtschaft	x		x				x	x
Chem. Industrie	x	x	x	x	x	x	x	x	x	x
Kohleverarbeitende Industrie	x		x	x		x	x			x
Bindemittelindustrie	x		x				x
Metallurgische Industrie	x	x	x	x			x	x	x
Transportwesen	x	x	x			x				x
Landwirtschaft	x		x							x

Die Wirkungskategorien der Emissionen sind an anderer Stelle beschrieben. Emissionen werden auch bei der Gewinnung der für den Betrieb der lufttechnischen Anlagen notwendigen Energie freigesetzt. Deren Anteil am Gesamtenergiebedarf in durchschnittlichen Produktionsbetrieben liegt zwischen 20 und 30 Prozent! [9]

Unter den umweltrelevanten Betriebsstoffen der Klimatechnik sind die Kältemittel aufgrund ihrer toxikologischen und ggf. stratosphärisch ozonschädigenden Wirkung herauszustellen.

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Rechtliche Vorschriften

Die Errichtung und der Betrieb von Anlagen, die schädliche Umweltwirkungen hervorrufen oder in anderer Weise die Nachbarschaft gefährden oder belästigen, bedürfen nach § 4 BImSchG einer Genehmigung. Die betreffenden Anlagen sind in den Anlagen der 4. BImSchV aufgeführt.

Eine weitere Konkretisierung der Anforderungen des BImSchG nimmt die TA-Luft (Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft) vor. Die Verwaltungsvorschrift TA-Luft gilt als antizipiertes Sachverständigengutachten für alle genehmigungsbedürftigen Anlagen und beschreibt die Anforderungen an die Luftreinhaltung. Zum Schutz vor Gesundheitsgefahren werden gebietsbezogene Immissionswerte angegeben, die nicht überschritten werden dürfen.[7]

Zur Vorsorge gegen schädliche Umwelteinwirkungen sind in der TA-Luft für alle luftfremden Stoffe

• Emissionswerte
• emissionsbegrenzende Anforderungen und
• sonstige bauliche, betriebliche und organisatorische Anforderungen

angegeben. In den Nrn. 2.3 und 3.1 der TA-Luft sind Regelungen für besonders häufig auftretende luftfremde Stoffe getroffen worden.

Für Anlagen, die keiner immissionsschutzrechtlichen Genehmigung bedürfen, benennt das BImSchG folgende Pflichten:

• Verhinderung, nach dem Stand der Technik vermeidbarer schädlicher Umwelteinwirkungen
• Beschränkung unvermeidbarer schädlicher Umwelteinwirkungen auf ein Mindestmaß
• Ordnungsgemäße Beseitigung von entstehenden Abfällen.

Die zunehmende Umweltbelastung durch CO₂ sowie ein allgemeiner Energiepreisanstieg führten dazu, daß in Deutschland folgende Gesetze und Verordnungen erlassen wurden:

• Energieeinsparungsgesetz
• Wärmeschutzverordnung
• Heizungsanlagenverordnung
• Heizungsbetriebsverordnung

Damit soll erreicht werden:

1. verbesserter Wärmeschutz bei Neubauten, dadurch Einsparung von Wärmeenergie um ca. 25 bis 30%,
2. Ersatz veralteter Kesselanlagen durch moderne Niedertemperaturkessel mit optimaler Regelung,
3. Absenkung der Raumtemperaturen, wo es möglich und vertretbar,
4. Ausdehnung der Fernwärmeversorgung durch stadtnahe Heizkraftwerke,
5. vermehrte Anwendung der Wärmerückgewinnung, besonders bei industriellen Prozessen,
6. zunehmende Nutzung der Sonnenenergie, Windenergie und anderer regenerativen Energien. [8]

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Literatur

[1] Bullinger, H.-J.: Ergonomie: Produkt- und Arbeitsplatzgestaltung. Stuttgart: Teubner, 1994.

[2] Kraft, G.: Heizungstechnik. Berlin: Verlag Technik, 1991.

[3] http://wwwifa.kf.tu-berlin.de/LEHRBUCH/ARBEITSSTOFFE/arb-stof.html

[4] Skiba, R.: Taschenbuch Arbeitssicherheit. Bielefeld: Erich Schmidt Verlag, 1990.

[5] Bundesanstalt für Arbeitsschutz (Hrsg.): Beitrag der Bundesanstalt für Arbeitsschutz zu einer Forschungskonzeption „Gefährliche Arbeitsstoffe am Arbeitsplatz". Amtliche Mitteilungen der Bundesanstalt für Arbeitsschutz, 1986.

[6] Birr, R.: Umweltschutztechnik. Leipzig; Stuttgart: Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, 1992.

[7] VDI-Bericht 1069: Reinhaltung der Luft in Industriehallen. Tagung Duisburg, 23. und 24. September 1993/ VDI-Koordinierungsstelle Umwelttechnik. Duisburg: VDI-Verlag, 1993.

[8] Recknagel; Sprenger; Hönmann: Taschenbuch für Heizung+Klimatechnik. München: Oldenbourg Verlag GmbH, 1993.

[9] Bundesministerium für Wirtschaft (Hrsg.): Energie sparen im Betrieb. Bonn, 1994.