Der Anstieg der atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentrationen infolge des anthropogenen Klimawandels ist wissenschaftlich gut belegt und gilt als zentrale Kenngröße des globalen Klimawandels. In der Gebäude- und Raumlufttechnik werden zulässige Innenraumkonzentrationen von Kohlendioxid jedoch weiterhin häufig als Differenz zur jeweiligen Außenluftkonzentration definiert (u.a. DIN EN 16798-1). Dieses normative Vorgehen basiert implizit auf der Annahme stabiler atmosphärischer Randbedingungen. Angesichts des projizierten kontinuierlichen Anstiegs der Außenluftkonzentrationen ist diese Annahme über den Lebenszyklus eines Gebäudes jedoch nicht mehr gegeben. Innerhalb der betrachteten Zeiträume ist weder eine physiologische Anpassung des Menschen noch eine grundlegende Neubewertung der gesundheitlichen Auswirkungen erhöhter Kohlendioxid-Konzentrationen zu erwarten. Hieraus ergibt sich ein bislang wenig betrachteter Konflikt zwischen der gängigen Definition zulässiger Kohlendioxid-Grenzwerte in Innenräumen und sich verändernden atmosphärischen Randbedingungen im Kontext des Klimawandels.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage, wie sich steigende atmosphärische Kohlendioxid-Konzentrationen auf die erforderlichen Zuluftvolumenströme auswirken, wenn ein konstanter Grenzwert in Innenräumen eingehalten werden soll. Die vorliegende Arbeit untersucht diesen Zusammenhang anhand einer dynamischen Modellierung und bewertet die daraus resultierenden technischen sowie energetischen Konsequenzen für Planung und Betrieb sowie zukünftige Anforderungen an die Gebäudetechnik. Ziel ist es, die langfristige Robustheit heutiger Auslegungsansätze kritisch zu hinterfragen und ihre Bedeutung für eine vorausschauende, lebenszyklusorientierte Planung einzuordnen.

Im Jahr 2015 überschritt die globale jährliche mittlere Kohlendioxid-Konzentration erstmals den Schwellenwert von 400 ppm. Bis zum Jahr 2024 stieg sie weiter auf 422,80 ppm an (Lan et al., 2026). Zum Vergleich lagen die vorindustriellen Kohlendioxidkonzentrationen bei etwa 280 ppm, womit das heutige atmosphärische Niveau deutlich oberhalb des natürlichen Variabilitätsbereichs liegt. Die zeitliche Entwicklung und Dynamik dieses Anstiegs werden unter anderem durch kontinuierliche Langzeitmessungen am Standort Mauna Loa auf Hawaii dokumentiert. Während der durchschnittliche jährliche Zuwachs der Kohlendioxidkonzentration in den 1960er Jahren noch etwa 0,86 ppm betrug, ist dieser Wert in den vergangenen 15 Jahren auf rund 2,41 ppm pro Jahr angestiegen. Damit hat sich die jährliche globale Zunahme der atmosphärischen Kohlendioxidkonzentration im Vergleich zu den 1960er Jahren nahezu verdreifacht (Umweltbundesamt, 2024).

Diese Entwicklung verdeutlicht, dass die atmosphärische Kohlendioxid-Konzentration keine statische Umweltgröße darstellt. Für die Betrachtung gebäudetechnischer Systeme über den Lebenszyklus eines Gebäudes stellt sie damit eine dynamische externe Randbedingung dar, deren zukünftige Entwicklung bei der Auslegung technischer Systeme berücksichtigt werden sollte.

Im Rahmen von ScenarioMIP, dem Szenarienmodul des internationalen Klimamodellvergleichsprojekts CMIP6 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 6), wurde ein neuer Satz von Zukunftsszenarien für das 21. Jahrhundert entwickelt. Diese Szenarien bilden unterschiedliche sozioökonomische Entwicklungspfade sowie daraus resultierende Veränderungen der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen ab. Die sogenannten Shared Socioeconomic Pathways (SSP) basieren auf fünf Narrativen, die alternative gesellschaftliche, wirtschaftliche und technologische Entwicklungen beschreiben (O’Neill et al., 2016). Auf Grundlage dieser Entwicklungspfade und des für das Jahr 2100 angenommenen zusätzlichen Strahlungsantriebs infolge des anthropogenen Treibhauseffekts wurden mehrere Standardszenarien definiert, die in Tabelle 01 vergleichend dargestellt sind.

Tabelle 01: Standardszenarien im Vergleich
Quelle: Eigene Darstellung nach Meinshausen et al. (2020)

Die dargestellten Szenarien decken eine breite Bandbreite möglicher zukünftiger Entwicklungen ab – von ambitionierten Klimaschutzpfaden bis hin zu Szenarien mit weiterhin stark steigenden Emissionen. Ergänzend zu den etablierten Standardszenarien werden in dieser Arbeit auch die Szenarien SSP1-1.9 sowie SSP5-3.4OS berücksichtigt. Letzteres stellt ein sogenanntes Overshoot-Szenario dar, das durch ein zeitweiliges Überschreiten des langfristigen Zielniveaus mit anschließendem Rückgang der atmosphärischen Kohlendioxid-Konzentration gekennzeichnet ist.

Abbildung 01: Prognostizierte atmosphärische Kohlendioxid-Konzentrationen für ausgewählte Szenarien bis zum Jahr 2100
Quelle: Eigene Darstellung nach Jones et al. 2023 basierend auf Arias et al. 2021

Das Verfahren unter Anwendung von Grenzwerten der Stoffkonzentration der DIN EN 16798-1 bestimmt die Auslegungs-Außenluftvolumenströme auf Grundlage einer Massenbilanzgleichung für die Stoffkonzentration im Raum unter Berücksichtigung der Konzentration des jeweiligen Stoffes in der Außenluft. Auch wenn dieses Verfahren grundsätzlich nicht stoffspezifisch ausgelegt ist, wird in der Praxis nahezu ausschließlich die Kohlendioxid-Konzentration als maßgebende Größe herangezogen. Die zugehörigen Grenzwerte sind dabei als zulässige Erhöhung der Kohlendioxid-Konzentration gegenüber der Außenluft definiert (DIN EN 16798-1:2022-03).

Tabelle 02: Standardauslegungswerte für die Kohlendioxid-Konzentration oberhalb der Konzentration der Außenluft
Quelle: DIN EN 16798-1:2022-03

Auch im Arbeitsstättenrecht findet sich eine vergleichbare Orientierung an absoluten Grenzwerten. Die Arbeitsstättenrichtlinie ASR A3.6 „Lüftung“ verweist auf den etablierten Grenzwert der sogenannten Pettenkoferzahl von 1 000 ppm, der trotz seines historischen Ursprungs (Pettenkofer, 1858) bis heute in der Praxis weit verbreitet ist (ASR A3.6: 2012-01).

Darüber hinaus greifen auch aktuelle Nachhaltigkeitszertifizierungen auf die Systematik der DIN EN 16798-1 zurück. Im DGNB-System wird im Kriterium SOC 1.2 Innenraumluftqualität auf die Kategorien der Norm verwiesen (DGNB, 2023). Auch der WELL-Standard definiert im Kriterium A.03 Ventilation Design sowohl absolute als auch relative Grenzwerte für die maximal zulässige Kohlendioxid-Konzentration, die bei 900 ppm beziehungsweise 500 ppm über der Außenluftkonzentration liegen. In den verschärften Anforderungen des Kriteriums A.06 Enhanced Ventilation Design werden diese Grenzwerte weiter auf 750 ppm beziehungsweise 350 ppm über Außenluft verschärft (IWBI, 2025).

Gemeinsam ist allen betrachteten Regelwerken, dass die Bewertung der Innenraumluftqualität entweder direkt oder indirekt an die Kohlendioxid-Konzentration der Außenluft gekoppelt ist. Damit wird eine Referenzgröße herangezogen, deren Entwicklung – wie im vorherigen Abschnitt gezeigt – über den Lebenszyklus eines Gebäudes nicht als konstant angenommen werden kann.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die systematische Untersuchung der Auswirkungen steigender atmosphärischer Kohlendioxid-Konzentrationen auf die erforderlichen Zuluftvolumenströme bei Einhaltung konstanter Innenraumgrenzwerte. Da es sich hierbei um eine zeitabhängige Problemstellung handelt, wurde ein dynamischer, lebenszyklusorientierter Untersuchungsansatz gewählt.

Die Untersuchung basiert auf einer szenarienbasierten Modellierung, bei der die atmosphärische Kohlendioxid-Konzentration als zeitlich veränderliche externe Randbedingung betrachtet wird. Grundlage hierfür bilden ausgewählte Szenarien der Shared Socioeconomic Pathways (SSP), die unterschiedliche mögliche Entwicklungspfade der globalen Kohlendioxid-Konzentration abbilden. Um sowohl den erwarteten Verlauf als auch die Spannweite der modellbedingten Unsicherheiten zu berücksichtigen, werden neben dem Multi-Model-Mittelwert (mmm) auch die Perzentile pc5 und pc95 herangezogen.

Die Betrachtung erfolgt über einen Zeitraum von 50 Jahren, der den typischen Lebenszyklus gebäudetechnischer Anlagen sowie die Nutzungsdauer von Gebäuden abbildet. Als Referenzjahr für die Normierung der Ergebnisse wird das Jahr 2025 gewählt. Sämtliche berechneten Luftvolumenströme und abgeleiteten energetischen Kenngrößen werden relativ zu diesem Ausgangszustand dargestellt. Dadurch wird eine vergleichende Bewertung der Szenarien ermöglicht, unabhängig von absoluten geometrischen Größen oder nutzungsspezifischen Anforderungen.

Die zugrunde gelegte Anlagenauslegung ist so gewählt, dass der Zuluftvolumenstrom im Referenzjahr 2025 zur Einhaltung des definierten Kohlendioxid-Grenzwerts im Innenraum ausreicht. Alle weiteren Berechnungen beschreiben die erforderlichen Anpassungen dieses Ausgangszustands infolge steigender atmosphärischer Kohlendioxid-Konzentrationen.

Als Untersuchungsgegenstand dient ein exemplarischer Raum, dessen geometrische und nutzungsbezogene Eigenschaften für eine bessere Vergleichs- und Nachvollziehbarkeit auf normativen Annahmen basieren. Die Kohlendioxid-Konzentration des Raums wird durch den Zuluftvolumenstrom, die Infiltration, die metabolische Emission der anwesenden Personen sowie die Konzentration der Außenluft bestimmt. Nutzerverhalten, Belegungsdichte und Innenraumgrenzwerte werden über den gesamten Betrachtungszeitraum als konstant angenommen, um den isolierten Einfluss der steigenden Außenluftkonzentration analysieren zu können.

Die methodische Vorgehensweise zielt damit nicht auf eine Prognose konkreter zukünftiger Zustände ab, sondern auf die Identifikation systemischer Zusammenhänge und Trends, die für eine vorausschauende, lebenszyklusorientierte Planung relevant sind.

Kohlendioxid ist ein natürlicher Bestandteil der Raumluft, dessen Konzentration in Innenräumen durch metabolische Prozesse, insbesondere die Atmung der anwesenden Personen, signifikant ansteigen kann. Die Kohlendioxid-Abgabe des Menschen ist dabei direkt an den Energieumsatz gekoppelt. Der Energiebedarf des Körpers wird über den oxidativen und den nicht-oxidativen Substratstoffwechsel gedeckt. Im oxidativen Substratstoffwechsel werden die mit der Nahrung aufgenommenen Makronährstoffe unter Verbrauch von Sauerstoff in Energie und Kohlendioxid umgewandelt (Berg, Tymoczko et al. 2018, S. 508 – 510).

In Innenräumen fungiert Kohlendioxid jedoch weniger als klassischer Schadstoff, sondern vielmehr als Indikator für die Qualität der Raumluft. Erhöhte Kohlendioxid-Konzentrationen stehen in engem Zusammenhang mit einer Beeinträchtigung des wahrgenommenen Komforts, der kognitiven Leistungsfähigkeit und damit auch der Produktivität. Die Begrenzung der Kohlendioxid-Konzentration durch geeignete Lüftungsmaßnahmen stellt daher einen wesentlichen Aspekt zur Sicherstellung einer hohen Innenraumluftqualität dar.

Die zeitliche Entwicklung der Kohlendioxid-Konzentration in Innenräumen wird maßgeblich durch das Raumvolumen, die Anzahl und Aktivität der anwesenden Personen, den Zuluftvolumenstrom sowie die Kohlendioxid-Konzentration der Außenluft bestimmt. Diese Größen bilden zugleich die zentralen Einflussparameter für die nachfolgend vorgestellte Modellierung der Innenraumkonzentration und der daraus abgeleiteten erforderlichen Luftvolumenströme.

Die Berechnungen wurden exemplarisch für einen fiktiven Raum durchgeführt. Die Randbedingungen dieses Raums wurden zur Gewährleistung einer hohen Nachvollziehbarkeit auf Grundlage normativer Vorgaben, insbesondere der DIN V 18599-10, festgelegt. Ziel ist dabei nicht die Abbildung eines konkreten Gebäudes, sondern die Untersuchung grundlegender systemischer Zusammenhänge.

Tabelle 03: Annahmen und Randbedingungen der Berechnungen
Quelle: Eigene Darstellung

Als exemplarisches Nutzungsprofil wurde das in der DIN V 18599-10 definierte Profil Gruppenbüro für zwei bis sechs Personen herangezogen. Für die vorliegenden Berechnungen wird von einer maximalen Belegung von vier Personen ausgegangen. Um eine realistischere Abbildung der tatsächlichen Anwesenheit im Tagesverlauf zu erreichen, wird die Anzahl der anwesenden Personen zu Beginn und zum Ende des Betrachtungszeitraums zeitlich geglättet. Dadurch werden sprunghafte Belegungsänderungen vermieden und typische An- und Abwesenheitsphasen können besser berücksichtigt werden. Der daraus resultierende zeitliche Verlauf der Belegung über den Tag ist in Abbildung 03 dargestellt.

Als Referenzjahr wird das Jahr 2025 gewählt. Der Betrachtungszeitraum von 50 Jahren bildet den typischen Lebenszyklus von Gebäuden und gebäudetechnischen Anlagen ab. Die betrachtete Lüftungsanlage ist im Referenzjahr so ausgelegt, dass der Zuluftvolumenstrom zur Einhaltung des definierten Kohlendioxid-Grenzwerts im Innenraum ausreicht.

Im Sinne des Well-being der Nutzenden wird in dieser Arbeit ein verschärfter Grenzwert von 900 ppm Kohlendioxid angesetzt. Dieser liegt unterhalb der häufig verwendeten Pettenkoferzahl von 1000 ppm und orientiert sich an den Anforderungen des, auf Gesundheit ausgerichteten, WELL-Standards (IWBI, 2025).

Der respiratorische Quotient (RQ) beschreibt das Verhältnis von ausgeatmeter Kohlenstoffdioxidmenge zu aufgenommener Sauerstoffmenge. In der Literatur wird für eine typische mitteleuropäische Ernährung ein respiratorischer Quotient im Bereich von 0,80 bis 0,85 angegeben. Auf dieser Grundlage wird in der DIN EN ISO 8996 der Wert von RQ = 0,85 verwendet (DIN EN ISO 8996:2022-10). Da der respiratorische Quotient auch von der körperlichen Aktivität beeinflusst wird, kann er unter anaeroben Belastungen Werte von RQ > 1 erreichen.

Der daraus resultierende personenbezogene Kohlendioxid-Volumenstrom kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

Unter Annahme der Raum-Solltemperatur von 21 °C (u.a. DIN EN 16798-1:2022-03) ergibt sich nach Umrechnung vom Normzustand (STPD-Bedingungen) in den Betriebszustand eine personenbezogene Kohlendioxid-Emission von 20,4 l/h.

Die Berechnung der zeitabhängigen Innenraumkonzentration von Kohlendioxid erfolgt auf Grundlage der instationären Massenbilanzgleichung:

Die Lösung der Differentialgleichung erfolgt numerisch mithilfe des impliziten Euler-Verfahrens (Euler Backwards). Dieses Verfahren gewährleistet eine stabile Berechnung auch bei größeren Zeitschritten und eignet sich insbesondere für die betrachtete dynamische Langzeitmodellierung. Die Implementierung erfolgte im Rahmen dieser Arbeit in Python.

Die Berechnungen erfolgen jeweils für einen repräsentativen Nutzungstag mit einer Anwesenheitsdauer von 11 h. Der Zuluftvolumenstrom wird dabei so gewählt, dass im Referenzjahr 2025 der definierte Grenzwert der Kohlendioxid-Konzentration im Innenraum eingehalten wird. Abbildung 02 zeigt exemplarisch den zeitlichen Verlauf der Anwesenheit sowie der Kohlendioxid-Konzentration für diesen Referenztag.

Abbildung 02: Zeitlicher Verlauf der Kohlendioxid-Konzentration für das Standard-Tagesprofil im Referenzjahr 2025
Quelle: Eigene Berechnung und Darstellung

Um die Notwendigkeit einer Anpassung des Zuluftvolumenstroms einzuordnen, wird zunächst ein Referenzfall betrachtet, in dem dieser über den gesamten Betrachtungszeitraum konstant auf dem Auslegungsniveau des Jahres 2025 gehalten wird.

Abbildung 03: Tägliche maximale Kohlendioxid-Konzentration im Innenraum bei konstantem Zuluftvolumenstrom
Quelle: Eigene Berechnung nach Jones et al. 2023 basierend auf Arias et al. 2021

Diese Betrachtung verdeutlicht, dass bei steigender Außenluftkonzentration die Einhaltung konstanter Grenzwerte in Innenräumen ohne Anpassung des Zuluftvolumenstroms nicht möglich ist. Eine Erhöhung des Luftvolumenstroms stellt damit eine notwendige Voraussetzung zur Sicherstellung der Innenraumluftqualität dar.

Zur Analyse dieser Erhöhungen werden die erforderlichen Zuluftvolumenströme als relative Veränderung gegenüber dem Ausgangszustand des Jahres 2025 betrachtet. Auf diese Weise lassen sich die szenarienabhängigen Trends unabhängig von geometrischen und nutzungsspezifischen Faktoren bewerten.

Abbildung 04: Prognostizierter normierter Mindestvolumenstrom
Quelle: Eigene Berechnung nach Jones et al. 2023 basierend auf Arias et al. 2021

Wie in Abbildung 04 dargestellt, ist in den ersten 15 bis 25 Jahren in allen Szenarien lediglich mit einem moderaten Anstieg zu rechnen. Im weiteren Verlauf nimmt der erforderliche Luftwechsel insbesondere in den Szenarien SSP3-7.0 und SSP5-8.5 deutlich zu, was gegen Ende des betrachteten Lebenszyklus potenziell gravierende Auswirkungen haben kann. Die daraus resultierenden energetischen, konstruktiven und komfortbezogenen Konsequenzen hängen maßgeblich von der planerischen und technischen Umsetzung ab und werden in den folgenden Abschnitten näher betrachtet.

Mit zunehmenden Volumenströmen steigt auch die benötigte Leistung für die Luftbeförderung. Die Proportionalitätsgesetze von Ventilatoren ermöglichen eine näherungsweise Berechnung der elektrischen Antriebsleistung. Dabei wird von idealisierten Anlagenkonfigurationen ausgegangen, die sowohl den Gesamtdruck als auch die resultierende Drehzahl der Ventilatoren berücksichtigen. Bei gleichbleibender Anlagenauslegung und konstanten Kanalquerschnitten kann der Zusammenhang dieser beiden Größen mittels folgender Formel beschrieben werden:

für:

Hieraus wird ersichtlich, dass sich die Leistung für die Luftbeförderung proportional zur dritten Potenz des Volumenstroms verhält. Bei nicht optimalen Anlagenkonfigurationen verhält sich die Leistungsaufnahme der Ventilatoren jedoch nicht proportional zur dritten Potenz des Volumenstroms. Eine druckoptimierte Anlagenkonfiguration erlaubt es, den erforderlichen Druck im Kanalnetz bei steigender Luftmenge zu erhöhen. Dadurch vergrößert sich der benötigte Anlagengesamtdruck und die Ventilatorkennlinie folgt einer zweiten Potenzkurve. Ist hingegen kein optimiertes Kanalnetz vorhanden und lediglich der Volumenstrom wird verändert, während der Gesamtdruck konstant bleibt, muss die Antriebsleistung proportional zur Volumenstromänderung berechnet werden. Dies verhindert eine Überbewertung der Veränderung der Volumenströme (Alsen et al. 2018; Recknagel et al. 2008).

Dieser Zusammenhang verdeutlicht, dass die erforderliche Leistung für die mechanische Belüftung bei unveränderter Anlagenkonzeption und Kanaldimensionierung zukünftig drastisch steigen muss, um die festgelegten Grenzwerte der Kohlendioxid-Konzentration in Innenräumen weiterhin einhalten zu können. Die prognostizierte Leistungssteigerung für die Luftbeförderung wird in der folgenden Abbildung dargestellt. Für eine realistischere Abschätzung wird hier von einem Zusammenhang der zweiten Potenz ausgegangen.

Abbildung 04: Prognostizierte normierte Ventilatorenleistung
Quelle: Eigene Berechnung nach Jones et al. 2023 basierend auf Arias et al. 2021

Die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bringt nicht nur energetische Herausforderungen bei der Luftbeförderung mit sich, sondern kann auch den Komfort beeinträchtigen. Höhere Luftgeschwindigkeiten führen zu verstärkten Störgeräuschen im Kanalnetz, was insbesondere in sensiblen Umgebungen problematisch sein kann. Darüber hinaus kann sich eine erhöhte Ausblasgeschwindigkeit negativ auf den thermischen Komfort auswirken. Eine unangepasste Luftzufuhr mit zu hoher Geschwindigkeit kann Zugerscheinungen verursachen und die lokale thermische Behaglichkeit beeinträchtigen. Zudem kann ein erhöhter Volumenstrom den vertikalen Temperaturgradienten eines Raumes ungünstig beeinflussen. Dies kann im Detail jedoch nur über CFD-Simulationen detaillierter berechnet werden. Aufgrund der Komplexität dieser Wechselwirkungen ist eine sorgfältige Planung im Vorfeld essenziell, um die Anpassungsfähigkeit an zukünftige Entwicklungen nicht zu gefährden. In diesem Kontext ist daher auch auf eine angemessene Vortemperierung der Zuluft hinzuweisen, um die zuvor genannten negativen Auswirkungen nicht weiter zu verstärken.

Ein Anstieg des erforderlichen Zuluftvolumenstroms führt auch zu einem Anstieg der erforderlichen Leistung für die Vortemperierung der Zuluft. Dieser Zusammenhang kann durch die nachfolgende Formel beschrieben werden. Es lässt sich erkennen, dass sich die Nachheiz- bzw. Nachkühlleistung direkt proportional zum Änderungsfaktor des Volumenstroms verhält. Auch wenn es sich hierbei im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Leistung für die Luftbeförderung lediglich um eine lineare Abhängigkeit handelt, dürfen diese Beiträge dennoch nicht vernachlässigt werden. Insbesondere der in der Heizperiode steigende Energiebedarf verschärft die Problematik der regenerativen Lastgangdeckung weiter.

mit:

Neben der bereits betrachteten Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Kanalquerschnitt kann ein höherer Volumenstrom auch durch eine Vergrößerung des Kanalquerschnitts bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden. Diese Anpassung erfordert jedoch umfangreiche konstruktive und bauliche Maßnahmen, sodass eine nachträgliche Umsetzung schwierig ist. Dabei ist besonders auf den erhöhten Platzbedarf des Kanalnetzes hinzuweisen, der zu erhöhten Installationsräumen und somit zu erhöhten Geschosshöhen führen kann.

Die nachfolgende Abbildung stellt die Veränderungen der Kanalquerschnitte für verschiedene Szenarien und ausgewählte Jahre gegenüber. Die Luftgeschwindigkeit ist dabei unerheblich, da normierte Kanalquerschnitte betrachtet werden und bei konstanten Geschwindigkeiten das Verhältnis der Querschnitte zueinander unverändert bleibt.