Ionisationsgerät

Ein Ionisationsgerät dient dazu, Ionen zu erzeugen und abzugeben, meist mit dem Ziel, die Raumluft in Innenräumen zu verbessern. Die Geräte enthalten dazu einen Hochspannungstransformator und mindestens einen Ionisator. Das Wirkprinzip beruht darauf, dass sich die Ionen an kleine Aerosol- und Feinstaubteilchen binden, die dann von Möbeln und Wänden angezogen werden. Allerdings können so weder Gase noch größere Staubteilchen, etwa Pollen, wirksam entfernt werden. Zudem könnte durch Ionisierung von Luftsauerstoff das Reizgas Ozon in schädlichen Konzentrationen gebildet werden. Für handelsübliche Ionisatoren konnten bisher weder positive noch negative gesundheitliche Wirkungen festgestellt werden, da die abgegebenen Ionenmengen sehr klein sind und zudem bereits im Nasenrachenraum hängen bleiben.

Ionisationsgerät mit vier liegenden Ionisationsröhren zur Luftaufbereitung

Ionisationsgerät zur Neutralisation von elektrostatischer Ladung

Geschichte

ältere Ionisationsgeräte mit Ionisationsröhren, Schutzhaube und Stufenschalter ca. 1970

Ionisationsgeräte zur Ionisation der Raumluft mittels Ionisationsröhren wurden erstmals ca. 1960 von Conrad John Habicht in der Schweiz hergestellt und installiert. Neben seiner wissenschaftlichen Arbeit an der ETH Zürich, der Entwicklung der Ionisationsröhre und einem dazu passenden Hochspannungstransformator besteht sein Verdienst auch in der Entwicklung von einfachen Seriengeräten für unterschiedliche Anwendungsfälle und Einsatzgebiete. So entwickelte er zuerst ganz einfache Wandgeräte, die lediglich aus einem Gehäuse mit Anschlusskabel für eine Netzspannung von 220 V / 50 Hz, bestehend aus einem Hochspannungstrafo mit 2,85 kV Wechselspannung als Betriebsspannung, mit Absicherung und einer auswechselbaren Ionisationsröhre. Auf Basis dieses Gerätetyps führte er erste Installationen in Kühlhäusern und Pferdeställen aus, dokumentierte die Auslegungsparameter anhand der nachprüfbaren Ergebnisse. Weiterführend stellte er Geräte den Laboren, Prüfstellen, Universitäten und auch Kunden für eigenständige Untersuchungen zur Verfügung und sammelte Referenzschreiben, Testberichte, Gutachten, Laborberichte ein. Dieses erfolgreiche Handeln, also die Herstellung, die Installationen, die bewertende Dokumentation und die weiterführende Bestätigung der gewünschten Wirkung und Funktionalität, führte zur Entwicklung erster Kanaleinbaugeräte für zentrale Lüftungsanlagen in Gebäuden und zu mobilen Standgeräten für Bereiche ohne dauerhafte Installation. Das von Conrad John Habicht angewendete Prinzip, das als KVP – Kontinuierlicher Verbesserungsprozess bezeichnet wird, hat dazu geführt, dass heutige Ionisationsgeräte viel kompakter, zuverlässiger und bereits 1/3 leichter geworden sind. Die Einführung der Gebäudeleittechnik in den 1990er Jahren führte zur integrierten Fernüberwachung der Kanaleinbaugeräte. Moderne, externe oder interne Steuer- und Regelungssysteme veränderten ebenso den internen Aufbau der Ionisationsgeräte. Zahlreiche Hersteller von Ionisationsgeräten orientieren sich noch heute an diesen Basisserien und variieren lediglich bei der Bezeichnung und dem eingebauten Hochspannungstrafo mit Betriebsspannungen von 1,5 bis >7 kV. Oftmals stimmen sogar die äußeren Abmessungen überein und lediglich die Farbgebungen variieren.

Technischer Aufbau

Ionisationsgeräte bestehen zumeist aus einem metallischen, vorzugsweise Edelstahl-Gehäuse oder Aluminium mit einer Pulverbeschichtung, einem integrierten Hochspannungstrafo, der unterschiedliche Eingangsspannungen von 12 V bis 240 V bei Gleichspannung- oder Wechselspannung ermöglicht, einem mit Feinsicherungen abgesicherten Stromanschluss mittels vorkonfektioniertem Kabel wahlweise mit Stecker und diversen Ionisationsröhren in den unterschiedlichsten Formen, Größen, Stückzahlen und Anordnungen. Je nach Bauform der Basisstation und dem vorgesehenen Einsatzgebiet werden Netzschalter, Betriebs- und Störmelder, Ventilatoren, Stufenschalter, Filtermaterial, Gerätefernüberwachung mittels potentialfreien Kontakten und Buchsen für die elektrische Ansteuerung durch externe Steuer- und Regelsysteme im Gehäuse der Basisstation integriert. Ionisationsgeräte mit Betriebsspannungen von 1,5 kV bis 2,85 kV an den Ionisationsröhren ionisieren die Luft ohne Ozonbildung bei einem MAK-Wert von unter 0,01 ppm. Bei Überschreitung der Betriebsspannung von 3 kV entstehen zunehmend höhere Ozonkonzentrationen, die gesundheitlich schädigende Auswirkungen haben können.

Ionisationsenergie

Das Schaubild zeigt die Funktionsweise der Luftionisation. Durch die Ionisation werden Sauerstoffradikale erzeugt, die sich zu Sauerstoff-Clustern gruppieren und durch die entstehende Oxidation langkettige Verbindungen aufspalten. Die Luft wird dadurch aufbereitet, z. B. Geruchsneutralisation & Schadstoffabbau

Ionisationsenergie, die von Ionisationsröhren bei max. 2,85 kV Gleich- oder Wechselspannung an die Luft abgegeben wird, ist geladener Sauerstoff in molekularer Form. Die dabei entstehenden Ansammlungen von Sauerstoff-Atomen werden auch Sauerstoff-Cluster genannt und sind sehr reaktionsfreudig bzw. haben eine große Oxidationswirkung. Diese sogenannten Sauerstoff-Cluster sind farblos, nicht giftig und für den Organismus des Menschen unbedenklich, da diese Cluster sogar im Blut nachgewiesen wurden. Für niedere Mikroorganismen wie Keime, Bakterien und Sporen gilt dieser natürliche Schutz nicht und sie werden sofort inaktiviert. Energiearme organische Geruchsgase und Schadstoffe wie Flüchtige organische Verbindungen (VOC) werden vom aktiven Sauerstoff aufoxidiert (still verbrannt) und zerfallen in ihre Grundbestandteile. Ozon hingegen, das von Isolatorröhren gleicher Bauart bei Betriebsspannungen größer als 3 kV erzeugt und abgegeben wird, ist ein farbloses bis bläuliches, zunehmend stechend riechendes, äußerst giftiges Gas. Es ist etwa 1,56 mal so schwer wie Luft, die Dichte beträgt 2,14 g/l. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (O₃) und zerfällt bei Raumtemperatur sehr leicht wieder in molekularen Sauerstoff (O₂). Der dabei als Zwischenstufe entstehende, atomare Sauerstoff ist ebenso sehr reaktionsfreudig. Ozon tötet und inaktiviert Bakterien wesentlich schneller als ionisiert geladener Sauerstoff der Zwischenstufe.

Ozonbildung

In der Lufthülle der Erde kommt Ozon nur etwa in Konzentrationen von 10⁻⁶ bis 10⁻⁵ Vol.-% (entsprechend 0,1–0,01 ppm) vor, wobei sich rund 90 % davon in der Stratosphäre mit einem breiten Maximum von 10 ppm in etwa 30 km Höhe befinden. Ozon ist ein starkes Atemgift. Durch seinen intensiven Geruch werden schon Konzentrationen von ca. 0,2 ppm oder cm³/m³ oder 0,42 g/m³ wahrgenommen. Bei höheren Konzentrationen wird der Geruch unangenehm stechend und es tritt eine erhebliche Reizung der Atmungsorgane und Augen auf. Außerdem kann eine Betäubung der Geruchsnerven auftreten, wobei etwa nach fünf Minuten Einwirkungsdauer in dieser Konzentration unter Umständen das Ozon nicht mehr wahrgenommen wird. Der natürliche Selbstschutz wird somit ausgeschlossen. Ozonkonzentrationen über >0,5 ppm wirken bereits so stark reizend auf Augen und Atmungsorgane, dass diese stets wahrgenommen werden. Trockenheit in Nase und Rachen, Hustenreiz, Niesreiz, Tränenbildung und Kopfschmerzen treten auf. Ozonkonzentrationen bis zu 2 ppm führen nach Einwirkungsdauer von wenigen Stunden zu starken Reizungen der Atemwege, Geschmacksstörungen, Erbrechen und tagelangen Nebenwirkungen. Konzentration von mehr als 10 ppm führt bei einer längeren Einwirkungsdauer zu Bewusstlosigkeit, eventuell zu Lungenblutungen und zum Tod. Der Schutz vor gesundheitlichen Schäden gilt nicht nur im Einwirkbereich, sondern auch für das Wartungspersonals. Dieses Gefährdungspotential verlangt eine hohe Betriebssicherheit und zwingend, ein zuverlässiges Kontroll- und Warnsystem. Ein stark oxidierendes Gas wie Ozon ist chemisch aggressiv. Bereits geringe Konzentrationen können nicht nur den Menschen, sondern auch Materialien schädigen und somit die Funktions- und Betriebssicherheit der gesamten Anlage beeinträchtigen. Als maximaler MAK-Wert gilt für Ozon 0,1 ppm entsprechend 0,2 mg/m³. Bei Überschreitung des eingestellten Grenzwertes am Arbeitsplatz gibt jedes Gaswarngerät ein optisches oder akustisches Signal und schaltet gleichzeitig den betreffenden Ozonerzeuger aus. Ozon greift nahezu alle Materialien an, und nur wenige Stoffe widerstehen der Oxidationskraft des Ozons, wie beispielsweise Edelstähle, einige Kunststoffe, Keramik und Glas. PVC kann zum Einsatz kommen, jedoch müssen ozonführende Leitungen unbedingt aus dickwandigem PVC-Rohr, also PN 16 Reihe 6 verlegt werden. Polyethylen ist nicht ozonbeständig und kommt daher für ozonführende Leitungen nicht in Frage. Als Material für die Dichtungen kommt nur hochwertiges EPDM in Betracht.

Begutachtung der Luftaufbereitung und mit geltenden Vorschriften

Luft-Ionenkonzentrationen im Vergleich zwischen Innenraum und Außenraum, Logarithmische Darstellung

Die in den zurückliegenden Jahrzehnten wohl zumeist bemühte subjektive Bewertungsmethode zur Bewertung von Raumluftqualität, von Geruchsbelästigung oder schlechter Abluftqualität, wurde nunmehr von modernen Mess- und Analyseverfahren abgelöst. Die Bestimmung von Schadstoffen in der Luft kann mit einem FID oder hilfsweise durch ein Prüfröhrchen sehr genau gemessen werden. Unbestimmte Geruchsemissionen in Innenräumen, von technischen Anlagen, in Gebäuden, aus Lüftungsanlagen oder im Wind über freiem Feld werden vom TÜV durch Olfaktometrie sehr genau verifiziert. Aber auch Keimbelastungen in/auf Produkten, Oberflächen, in der Innenraumluft selbst oder in Lüftungsanlagen lassen sich sicher von Laboren bestimmen. Dies kann unmittelbar durch Probenahme, der sogenannten Abklatschprobe von Oberflächen oder mittels im Raum aufgestellter Luftkeimsammlern, bei anschließender Auswertung im Labor, geschehen. Quantitative Maßeinheiten wie KBE/m³ - cm² oder Geruchseinheiten / GE/m³ - h - m² lassen sich vor und nach der Installation von Luftreinigungssystemen ebenso bestimmen, wie die erzielte Abbaurate daraus errechnen. Zahlreiche Richtlinien und bereits gesetzlich festgelegte Grenzwerte weisen jeder Aufgabenstellung den sicheren Weg zur erfolgreichen Abnahme der technischen Installationen. Wiederholungsmessungen sichern den erreichten Reduktionszustand. Die Ionisationsleistung des jeweils eingesetzten Ionisationsgerätes kann mit einem Ionometer ebenso ermittelt werden, wie die Ionenanzahl im Innenraum. Referenzwerte über natürliche Ionenkonzentrationen wurden bereits an den verschiedenen Orten vergleichsweise ermittelt und dokumentiert. Aber auch in der VDI 6022 wird der Zusammenhang von Raumluftqualität, Lüftungsanlage und Ionenkonzentrationen dargelegt. Diese quantitativen und qualitativen Aussagen ermöglichen schlussendlich eine Bewertung der Wirkung eines Ionisationsgerätes, im Zusammenhang von Zielsetzung, Aufwand und Nutzen.

Bauformen von Ionisationsgeräten

Steckgerät

Kleine Steckgeräte nutzen die freie Konvektion im Raum und wurden zum Beispiel für den Zigarettenanzünder im Auto konzipiert. Diese kleinen Geräte sind genau wie einige andere Minimodule auf eine Fremdbelüftung des jeweiligen Raumes angewiesen.

Wandgerät

Ionisationsgerät mit Ionisationsröhre als Wandgerät mit Luftqualitätsfühler im Küchenbereich

Einige Hersteller bieten Wandgeräte mit integriertem Ventilator und Stufenschalter an, um den Ionisationseffekt im Raum gezielter an die vorherrschenden Luftprobleme dynamisch anpassen zu können. Ein Luftqualitätsfühler kann ebenso die Ionisationsleistung regeln. Kompakte Wandgeräte nutzen im Wesentlichen die freie Konvektion im betreffenden Raum, mit dem Ziel der raumluftbezogenen Geruchsneutralisation, Entkeimung und dem Schadstoffabbau. Einsatzgebiete sind hierbei z. B. die Entkeimung der in einem Kühlhaus gelagerten Lebensmittel oder aber die Geruchsneutralisation von Lagerräumen, in denen Verwesung stattfindet.

Standgerät

Umluft Ionisationsgerät mit 5 Ionisationsröhren als Standgerät ca. 2002

Standgeräte dienen zumeist zur vorübergehenden Aufstellung bei stärkerer Raumluftbelastung in Räumen und können wie die Wandgeräte ebenfalls einen Ventilator und Stufenschalter enthalten. Für den Umluftbetrieb können zusätzliche Vorfilter vorhanden sein. Je nach Gerätegröße werden verschiedene Größen von Ionisationsröhren verwendet. Einsatzgebiete für diese Geräte sind z. B. Räume wie Wohn- und Schlafzimmer, Bürobereiche, Hotelzimmer. Zusätzlich bieten Hersteller diese Geräte in Kombination mit entkeimenden UV-C-Lampen, elektrostatischen Kollektoren oder Aktivkohlefiltern an. Einsatzgebiete sind hierbei z. B. Wohnbereiche, Brandschadensanierung, Kellerentkeimung und Sanierung von Tatorten. Beim Umluftbetrieb wird die Raumluft angesaugt und die Luft durch einen Vorfilter geleitet, der die Feststoffe abtrennt. Danach wird die Luft über die Ionisationsröhren geleitet und ionisiert in den Raum eingeblasen.

Kompakte Ionisationsgeräte in zentralen Lüftungssystemen

Ionisationsgerät mit 15 stehend installierten Ionisationsröhren zur Aufbereitung der Luft, Einbau in Lüftungskanal ca. 1999

Kompakte Ionisationsgeräte mit stehenden oder liegenden Ionisationsröhren für die dauerhafte Ionisation der von RLT-Anlagen bewegten Luft in umbauten Räumen oder Gebäuden, ionisieren den in der Luft zu ca. 21 % vorhandenen Sauerstoff in der angesaugten Außenluft. Da der natürliche Energiegehalt des Sauerstoffs in der Außenluft und später, innerhalb der Lüftungsanlage, aufgrund der elektrolytischen Spannungsreihe aller verbauten Teile und Materialien seine Ladung verliert, bewirken eingebaute Ionisationsgeräte die natürliche Potentialerhöhung und Renaturalisierung vor Eintritt in den Raum. Die Luftaufbereitung, wie z. B. Entkeimung, Geruchsneutralisation oder Schadstoffabbau, im Sinne der Bioklimatik bewirkt eine Verbesserung der Raumluft, den Abbau von Flüchtigen organischen Verbindungen und tritt unter anderem dem Sick-Building-Syndrom entgegen. Wie bereits in der VDI 6022 für RLT-Anlagen festgelegt, ist es die Aufgabe aller Techniker, im Zusammenhang der Planung, Errichtung bis Dauerbetrieb und Wartung selbiger, die Raumluft dauerhaft so herzustellen, dass diese mindestens Außenluftqualität entspricht. Erst die natürliche Ionisierung durch Ionisationsgeräte befähigt die konditionierte Zuluft, die im Raum auftretenden Gerüche (VOC) zu neutralisieren, eine Entkeimung der Luft und aller von der Zuluft umströmten Oberflächen, und den Schadstoffabbau der im Raum selbst verbauten Materialien vorzunehmen. Bauliche Lasten werden systematisch minimiert. Eingebrachte Schadstoffe (Keime, Pilze, Bakterien, Sporen), von zum Beispiel Lagerwaren im Kühlhaus oder durch den Menschen selbst im Raum, werden dauerhaft minimiert. Dezentrale Ionisationsgeräte in Form von permanent wirkenden Wandgeräten, können ebenso z. B. in Stallungen, zur Tierhaltung oder in Küchenbereichen zum dauerhaften Schadstoffabbau beitragen, wie der Einbau von Ionisationsgeräten in zentrale Zuluftanlagen die in diese Bereiche hineinwirken. Der Vorteil der Wandgeräte in diesen zeitabhängig belüfteten Bereichen liegt in der dauerhaften Einwirkung, auch wenn die RLT-Anlage ausgeschaltet wird. Zuluftsysteme mit kompakten Ionisationsgeräten für unterirdischen Tunnel-, Rohr- und geschlossenen Kanalsystemen, dienen der Geruchsneutralisation und dem Schadstoffabbau der permanent verdrängten Luft, oberhalb des sich ändernden Wasserspiegels z. B. im Abwassersystem eines Klärwerkes oder einer Stadt. Unterirdische Tankanlagen wie z. B. Fettabscheider, Zisternen oder große Rückhaltebecken/Staukammern sind ebenso atmosphärisch offene Systeme, die sich fortluftseitig durch gezielt zugeführte ionisierte Zuluft geruchsneutralisieren lassen.

Ionisationsgeräte in Abluftsystemen

Kompakte Ionisationsgeräte in Abluftsystemen ionisieren den verbliebenen Sauerstoff in der Luft und bewirken die Abluftentkeimung, die Geruchsneutralisierung und den Schadstoffabbau vor dem Austritt ins Freie. Gerade in Ballungsgebieten, Innenstädten oder Gewerbegebieten, mit einer großen Anlagendichte, ist die Abluft- /Fortluftbehandlung jeder einzelnen Anlage notwendig – denn die Fortluft des Einen stellt letztlich auch die Außenluft des Anderen dar. Geruchsbelastungen aus Großküchen in dem einen Gebäude sind oftmals das Ärgernis der Anwohner im Nebengebäude oder der Passanten direkt auf der Straße. Die größte Anzahl von Abluftsystemen ohne vorgeschriebener Abluftaufbereitung befindet sich dennoch in WC´s, Küchenhauben mit Fortluftanschluss, Müllräumen, Tiefgaragen, jedem Haus mit Steigrohr und unterirdischem Abwasseranschluss, jedem Kanal- oder Gullydeckel, vielen Laboren und eingebauten Digestorien, Fettabscheiderräumen von Restaurants, Kantinen, Imbissstuben und natürlich jedweder Art von Betriebsabluft. Alle diese Abluftanlagen blasen ihre Schadstofffrachten ungehindert ins Freie und nutzen den Wind zur Verdünnung. Kompakte Ionisationsgeräte, die zwar zur reinen Abluftbehandlung und somit dem gezielten Abbau von Schadstoffen in der Abluft/Fortluft dienen, werden mit Hochleistungstransformatoren und Betriebsspannungen von 3 bis 7 kV Gleich- oder Wechselspannung betrieben. Je nach Einbausituation der Geräte zerfällt das dabei gezielt erzeugte Ozon, durch sofortige Energieabgabe an die beaufschlagte Schadstofffracht in der Abluft, sofort wieder. Eine Gefährdung besteht ledig für das Wartungspersonal dieser Geräte.

Ionisationsgeräte im Zu- und Umluftsystem

Umluftkammer eines großen Lüftungsgerätes mit 3 Ionisationsgeräten

Ionisationsgeräte, die in das Umluft- / Zuluftsystem integriert wurden, bewirken eine Sauerstoffionisation auf dem Weg in das Gebäude. Diese gezielte Umluftnutzung bietet die Möglichkeit eines variablen und intelligenten Mischverhältnisses von Außen- und Umluft und kann ein beachtliches Einsparpotential an Energiekosten bei einer Verbesserung der Luftqualität im Raum erreichen. Der Mensch atmet in Ruhe pro Minute 7,5 Liter Luft ein und wieder aus. Das sind pro Stunde 0,45 m³ Luft. Hiervon erreichen bei einer Atemfrequenz von 15/min, 5,25 Liter den Alveolarraum (Lungenbläschen), das heißt, tatsächlich müssen für die Atmung pro Stunde nur 0,315 m³ Luft zur Verfügung stehen. Der Sauerstoffverbrauch beträgt mindestens 0,3 l/Minute in Ruhe, das heißt 18 l in der Stunde. Da die Luft 20,93 Volumenprozent Sauerstoff enthält, werden 0,086 m³ Luft/h für eine hinreichende Versorgung der Atmung benötigt. Der Mensch scheidet mindestens 0,25 l CO₂ in der Minute aus, d. h. 0,015 m³ in der Stunde. Die Außenluft enthält bereits einen Anteil von 300 ppm Kohlendioxid. Der MAK-Wert von CO₂ beträgt 5000 ppm. Damit dieser Wert nicht überschritten wird, ergibt sich eine Außenluftmenge, die für die ausreichende Versorgung einer Person erforderlich mit 5,3 m³/h pro Person. Der Mindestaußenluftanteil zum Einhalten des CO₂ -MAK-Grenzwertes von 5000 ppm ist somit 60fach höher als der minimale Sauerstoffbedarf, d. h. die notwendige Sauerstoffversorgung der Personen im Raum wird sechzigfach gesichert. Aus Gründen der Lufthygiene (Geruchsbelastungen und andere VOC, Bakterien) wurden bisherige Empfehlungen der Außenluftanteile um ein Vielfaches höher ausgelegt. Bisher fand die Möglichkeit der Zuluftbehandlung wenig Beachtung, und ebenfalls blieben bisher die möglichen Lastsituationen (VOC, Mikroorganismen, Geruchsimmissionen, Luftfeuchtigkeit) in der Außenluft ungenügend berücksichtigt. Diese Ionisation bewirkt also im Gebäude die Luftentkeimung, die Geruchsneutralisierung und die Minderung der Luftbelastung. Komfortanlagen mit Feuchte- und Wärmerückgewinnung durch anteilige Umluftführung, ermöglicht der gezielte Einbau von Ionisationsgeräten, eine Umluftaufbereitung auf Außenluftniveau und somit höhere Umluftmengen im System, die nachhaltig zur Einsparung von Energie, Feuchte, Kälte- oder Wärmeleistung führen. Die dauerhafte Vorionisierung der Raumluft, und somit die konstante Absenkung der Luftbelastung im Raum, ermöglicht es der Raumluft selbst und wenigen Ionisationsgeräten im Abluftkanal, azyklisch höhere Schadstoffbelastung in der Fortluft konstant gering zu halten.

Ionisationsgeräte in Kombination mit anderen Systemen

Ionisationsgeräte mit und ohne Ozonbildung bei Betriebsspannungen von 1,5 bis 7 kV an den Isolatorröhren können die ionisierende / stark oxidierende Wirkung auch mit anderen Luftreinigungssystemen kombiniert werden und ergänzen sich so gegenseitig. Entscheidend sind hierbei die Konzentration der Schadstofffracht im Luftstrom, der zu erzielende Reinigungsgrad, die Kosten des nächsthöheren technischen Systems und die Schwachstelle des anderen Systems, um es eventuell alleine technisch umzusetzen. Synergieeffekte und Kosteneinsparungen ergänzen sich wiederum und fördern die Anwendung diverser Kombinationen.

Elektrofilter

Elektrostatische Luftreiniger reinigen die mit Schadstoffen belastete Außenluft, Abluft, Umluft oder Zuluft in lufttechnischen Anlagen durch Ionisation bei 6 kV/12 kV mittels Sägezahn-Ionisatoren und der Abscheidung der aufgeladenen Schadstoffe (Partikelaufladung) an Abscheideplatten, sogenannten Kollektoren. Die Ionisationsleistung dieser Sägezahn-Ionisatoren zur Abreinigung, und die nachgeschalteten kompakte Ionisationsgeräte mit Ionisationsröhren bei ca. 2,85 kV geben der behandelten Luft den natürlichen Energiegehalt des Sauerstoffes zurück.

UV-Technik

Die entkeimende Wirkung der Ultraviolettstrahlung ist seit Jahrzehnten in der Lebensmittelindustrie bekannt. In diesem Marktsegment gilt sie gar als Stand der Technik. Aber auch in der Wasser- und Luftaufbereitung findet die Photooxidation durch UV-Bestrahlung seit vielen Jahrzehnten zahlreiche Aufgaben und Anwendungsgebiete. Die Kombination von UV-Technik mit der Ionisationstechnik wird in der Lüftungstechnik seit Ende der 1990er Jahre zur Abluft- und Raumluftaufbereitung verwendet. Der aktivierte Sauerstoff in Kombination mit der Photooxidation schädigt die Zellstruktur von Viren, Schimmelsporen oder Bakterien so nachhaltig, dass sie inaktiv werden. So wirkt die aktivierte Luft als natürliches Reinigungsmittel in der Raumluft. Je nach Zielsetzung dieser Systemkombination bildet die verwendete UV-C-Lampe bei 184 nm eine gewisse Menge an Ozon in dem vorbeigeführten Luftstrom und oxidiert die luftgetragenen Schadstoffe sofort. Bei einer Wellenlänge von 254 nm bestrahlt dieselbe UV-C-Lampe die im vorbeigeführten Luftstrom transportierten Keime und zerstört diese mit einer 99,99%igen Wahrscheinlichkeit. Das unmittelbar nachgeschaltete Ionisationsgerät oder, bei kleinen Luftmengen, ein Ionisationsmodul mit lediglich einer Ionisationsröhre, bereitet die Luft auf und bewirkt im Luftstrom den permanenten Transport des ionisierten Sauerstoffes bis in den von der Lüftungstechnik beaufschlagten Raum. Die Wirkung der Ionisation entspricht der bereits beschrieben Zuluftvariante. Aus Sicherheitsgründen und bei unklarer Einbausituation könnte dieser Systemkombination ein Katalysator oder eine Aktivkohlezelle, zum sicheren Abbau des Restozons, nachgeschaltet werden.

Biofilter

Ionisationsgeräte als Bypass in der Lüftungstechnik eingesetzt

Kompakte Ionisationsgeräte lassen sich in lufttechnischen Anlagen mit einem nachgeschalteten Biofilter kombinieren. Die Ionisationsröhren werden hierbei mit 2,85 bis 4 kV beaufschlagt. Je nach Einbausituation werden hierzu Ionisationsgeräte in das Zuluft- oder autarke Umluftsystem zur Lastabsenkung im Raum oder Arbeitsbereich installiert. Weiterhin werden Ionisationsgeräte mit Spannungen bis 4 kV zur Schadstoffminimierung im Abluftstrom, vor Eintritt in den Biofilter, integriert. Das erzeugte Ozon reagiert sofort mit dem Schadstoff in der belasteten Abluft. Je nach Einbausituation und Sicherheitsbestimmungen werden die Ionisationsgeräte direkt oder im Bypass zum Abluftstrom integriert. Der nachgeschaltete Biofilter arbeitet kontinuierlich die geminderten bzw. selektierten Schadstoff-Konzentration ab. Auftretende Schadstoffe, die nicht durch Oxidation reduziert werden können, führen somit selektiv zur Organismenbildung im Biofilter und technischen Ausrichtung. Eine 100%ige regenerative Aufbereitung der Biomasse im Biofilter ist hierbei nicht möglich. Lediglich der Wirkbereich von Ionisation und Mikroorganismus im Biofilter wird neu definiert. Diese selektive Aufteilung verkleinert räumlich den Biofilter. Die Standzeit, Wirtschaftlichkeit und der technische Wirkungsgrad werden hierdurch verbessert. Das Haupteinsparpotential dieser Kombination liegt im eingesparten Platzbedarf für den Biofilter selbst, in einem wesentlich geringeren Abluftvolumenstrom durch die direkte Lastminimierung im Raum oder am Quellort, in der eingesparten Ventilatorenergie und in geringerem Wasserverbrauch im Biofilter und im vorgeschalteten Biowäscher. Hiernach entstehen viel geringere Wartungskosten für beide Systeme insgesamt. Wirtschaftlichkeitsberechnungen zu dieser Kombination rechtfertigen den Einbau, im Verhältnis zum nächsthöheren Abluftbehandlungssystem.

Aktivkohle

Kompakte Ionisationsgeräte lassen in lufttechnischen Anlagen mit nachgeschalteter Aktivkohle zur Schadstoffminimierung von Abluftströmen aus technischen Anlagen kombinieren. Die Spannung der Ionisationsröhre wird hierbei mit < 3 kV beaufschlagt und das dabei erzeugte Ozon reagiert direkt mit der Schadstoff belasteten Abluft. Je nach Einbausituation und Sicherheitsbestimmung werden die Ionisationsgeräte direkt in den Abluftstrom oder im Bypass zum Abluftstrom, integriert. Der nachgeschaltete Aktivkohlefilter speichert kontinuierlich die Schadstoffe und kann auch sehr hohe Konzentration aufnehmen, die wiederum im Schwachlastbetrieb durch den ungenutzten Ozonüberschuss direkt in der Aktivkohle abgebaut werden. Eine 100%ige Aufbereitung der Aktivkohle ist hierbei jedoch nicht möglich. Lediglich die Standzeit wird hierdurch wesentlich verlängert.

Luftwäscher und Luftbefeuchter

Kompakte Ionisationsgeräte lassen sich in lufttechnischen Anlagen auch mit einem nachgeschalteten Luftwäscher zur Temperatur- und Schadstoffminimierung von Abluftströmen aus technischen Anlagen kombinieren. Die Ionisationsröhre wird hierbei mit Hochspannung von 3 bis 7 kV beaufschlagt und das dabei maximal erzeugte Ozon reagiert direkt mit dem Schadstoff in der belasteten Luft vor Eintritt in den Luftwäscher. Je nach Einbausituation und Sicherheitsbestimmungen werden die Ionisationsgeräte direkt oder im Bypass zum Abluftstrom integriert. Wie zuvor bei der Aktivkohle, verhält es sich simultan zu der Aufbereitung und Standzeit. Luftwäscher bringen zudem auch noch feste und flüssige Schadstoffe des Abluftstrom in Wasserphase und erhöhen die Konzentration des Wäscherwassers bis hin zum Sondermüll. Luftbefeuchter mit kaltem Wassernebel, sogenannte Sprühluftbefeuchter lassen sich in lufttechnischen Anlagen ebenso mit Ionisationsgeräten zur Zuluftaufbereitung kombinieren, wie Dampfluftbefeuchter. Die Ionisationsröhren werden hierbei mit Hochspannung von 1,5 bis 4 kV beaufschlagt und vermeiden die Biofilmbildung im Kanalsystem, das aufgrund der hohen Luftfeuchtigkeit im Zuluftstrom und dem Kondenswasser auftritt. Zudem tritt eine erhebliche Verbesserung der Luftqualität ein, analog der ionisierten Luft um einen Wasserfall.

Katalysatoren

Kompakte Ionisationsgeräte oder auch einzelne Ionisationsmodule lassen sich mit einem nachgeschalteten Katalysator zur Schadstoffminimierung kombinieren. Die Isolatorröhre wird hierbei mit Betriebsspannungen von mehr als 7 kV beaufschlagt und das dabei erzeugte Ozon reagiert direkt im nachgeschalteten Katalysator, mit der Schadstofffracht im Luftstrom und mit dem Katalysator selbst. Der Katalysator wird bei dieser oxidativen und zugleich chemischen Reaktion verbraucht. Neben dieser katalytischen Reaktion durch eine Ozon bildende Isolatorröhre gibt es auch Ozongeneratoren, die bei mehr als 10 kV gleiche oder auch bessere Abbauraten erzielen.

Reaktionskammer

Kompakte Ionisationsgeräte lassen sich auch mit nachgeschalteten Reaktionskammern, zur Schadstoffminimierung von Abluftströmen aus technischen Anlagen, kombinieren. Die Ionisationsröhre wird hierbei mit Hochspannung von 4 bis 7 kV beaufschlagt und das dabei erzeugte Ozon reagiert in der Reaktionskammer direkt mit der Schadstofffracht des zu behandelnden Abluftstroms. Je nach Einbausituation und Sicherheitsbestimmungen werden diese Ionisationsgeräte direkt oder im Bypass zum Abluftstrom bzw. dem Pufferbehälter eingebaut. Im nachgeschaltete großen Reaktionsbehälter, der die Strömungsgeschwindigkeit auf < 0,2 m/s kontinuierlich absenkt, können hohe Konzentration, durch die verlängerte Reaktionszeit des Ozon mit der Schadstofffracht, abgebaut werden. Ein oder mehrere Pufferbehälter können zu Kolonnen geschaltet werden und verlängern so die Reaktionsstrecke des Abluftstromes. Der Abluftvolumenstrom bestimmt hierbei die Größe und Anzahl der Pufferbehälter. Zur Einhaltung technischer und umweltrelevanter Vorschriften, werden in diesen Reaktionskammern zusätzlich diverse Umlenkbleche, Schikanen und Lanzen eingebaut, um eine maximale Verwirbelung und Reaktion herbeizuführen. Die elektrische Ansteuerung der Ozongeräte und des Bypassventilators erfolgt in Abhängigkeit von den für den Fortluftstrom vorgegebenen max. Abluft-Konzentrationen, die durch Luftsensoren überwacht werden.

Ozonwasser und Luftbehandlung

Zur Erzeugung von Ozon ist eine relativ hohe Energiemenge erforderlich, die nur zu einem geringen Teil – maximal 5 % – für die Ozonbildung genutzt werden kann. Der Energiebedarf beträgt ca. 18 W/g Ozon, also 1,5 kW/100 g Ozon. Einschließlich Lufttrocknung kann man mit 20 W/g Ozon rechnen. 95 % des Energiebedarfes entfallen auf Wärme, Licht und Schall. Daher muss die Ozonröhre mit Wasser gekühlt werden, weil sonst – wie schon erwähnt – bei höheren Temperaturen Ozon wieder rasch zerfällt und damit die Ozonleistung von der Temperatur in der Ozonröhre abhängig ist.

Ionisationsgeräte und andere Anwendungen

Ionisationsgeräte, ob mit oder ohne Ozonbildung, werden auch zur Entkeimung von biologischem Schüttgut, von Mineralien oder für technischen Gasen verwendet. Die jeweilige Betriebsspannung richtet sich nach dem zulässigen MAK-Wert für die ständigen Arbeitsbereiche des Personals, bzw. max. mögliche und nötige O₃ Konzentrationen in eingehausten, geschlossenen Bereichen ohne regelmäßigen, ungehinderten Zutritt von Personal. Sicherheitseinrichtungen, Hinweisschilder bzw. unterwiesenes Personal sind zwingend erforderlich.

Staubablagerung

Luftionen sind in der Lage, sich an festen oder gasförmigen Stoffen, sowie an Staubteilchen zu binden. Damit werden diese schwerer als die sie umgebende Luft und sinken zu Boden. Diesen Vorgang nennt man Sedimentation. Ein zweiter physikalischer Effekt ist die Partikelaufladung, die mit Ionisationsgeräten ebenso umgesetzt werden kann.

Biomüll und Klärwerksluft

Kompakte Ionisationsgeräte lassen sich zur Entkeimung, Schadstoffminimierung oder Geruchsneutralisierung in lufttechnischen Anlagen für biomüllverarbeitenden Betriebe integrieren. Entkeimungsleistungen von 99,99 % bis unterhalb von 10.000 KBE/m³ oder Geruchsminimierung von 95 % bis unterhalb von sicheren 300 GE/h wurden bereits realisiert. In Arbeitsbereichen des Menschen wird die Ionisationsröhre hierbei mit Hochspannung von 1,5 bis 3 kV beaufschlagt. In Lagerbereichen oder geschlossenen Müllbunkern, die keine Arbeitsbereiche des Menschen darstellen, wird die Ionisationsröhre mit Hochspannung von 3 bis 4 kV beaufschlagt, da das erzeugte Ozon sofort mit der organischen Schadstofffracht im Raum reagiert und direkt abgebaut wird. Sicherheitstechnik für Havarie und Wartungspersonal ist dennoch erforderlich.

Silage

Kompakte Ionisationsgeräte zur Schadstoffminimierung (VOC) auf Silage-Produkten können mit lufttechnischen Anlagen kombiniert werden. Die Ionisationsröhre wird hierbei mit Hochspannung von 1,5 bis 7 kV beaufschlagt, und das dabei eventuell erzeugte Ozon reagiert direkt mit den von der Luft getragenen organischen Schadstofffracht und den auf der Silage anhaftenden Mikroorganismen. Die Lagerung aller beaufschlagten Silageprodukte, bis zur Weiterverarbeitung, ist hiernach weniger von Schimmelpilzbefall geprägt.

Kühltechnik

Kleinste Ionisationsgeräte, sogenannte Ionisationsmodule mit Eingangsspannungen von weniger als 12 V Gleich- oder Wechselspannung, finden vielerlei Anwendung. Der Einbau in offenen Kühltheken oder Kühlregalen, oberhalb des Verdampfers und geschützt hinter der Verkleidung, ermöglicht gar den Verzicht von sämtlichen Gehäuseteilen.

Weitere Einsatzgebiete

Weitere Einsatzgebiete der Minimodule mit Ionisationsröhre sind zum Beispiel die Integration in handelsübliche Kühlschränke, in gastronomische Geräten wie Eiscrusher, Konvektomat zur thermischen Speisezubereitung, offene Lebensmitteltheken mit Kühlfunktion, elektrische Tellerwärmer, Waschmaschinen und Wäschetrocknern mit Umluftfunktion, aber auch als fester Bestandteil der Klimaanlage in Autos. Eine weitere Möglichkeit gilt der Nutzung von Solarenergie zum Betrieb von Ionisationsgeräten in Wohnmobilen, Feldküchen und weiteren mobilen Anwendungen.

Konformität und Normen

• EG-Richtlinie 2011/65/EU (RoHS 2) Richtlinie zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten
• EN 55 014 [2000]
• EN 55 104-2 [1987]
• EN 60 335-1 [2000]
• EN 60 335-2-40 + 65 [1995]
• EN 60 555 [1987]
• EN 61 000-3-2/-3 [2000 + 1995] + A1:2001
• EMC 99.2.10088.01. + .02 + .03 + .04 + .10 + .11

Literatur

• Wolfram Franke: Biofilter als Bestandteil kombinierter Abluftbehandlungsverfahren in der Abwasserwirtschaft. 2006 (uni-kassel.de [PDF; 1,8 MB]). 
• John Jukes,Andrew Jenkins and Julian Laws: The Impact of Improved Air Quality on Productivity and Health in the Workplace. 2006 (continuitycentral.com [PDF; 58 kB]). 
• Dennis Tulenko, REM: OWEA Collections Specialty Workshop 2012 The Conference Center at NorthPointe. 2012 (ohiowea.org [PDF; 5,6 MB]). 
• Minna Kempe och Yrkeshögskolan Novia: Jonisering av inomhusluft — En intressant luftreningsteknik med många frågetecken. 2013 (kominmiljo.se [PDF; 1,8 MB]). 

Weblinks

Wiktionary: Ionisationsgerät – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Patent EP0944941B1: Vorrichtung zur Erzeugung aktiver Sauerstoffionen in der Luft für die Luftverbesserung, mit einem Luftionisator. Angemeldet am 11. Dezember 1997, veröffentlicht am 4. September 2002, Anmelder: T.E.M. Tech Entwicklungen und Management GmbH, Erfinder: Hanns Rump, Olaf Kiesewetter.‌
• Patentanmeldung EP1125588A2: Verfahren und Vorrichtung zur Luftbehandlung wenigstens eines Raumes durch Luftionisation. Angemeldet am 9. Februar 2001, veröffentlicht am 22. August 2001, Anmelder: LK Luftqualität AG, Erfinder: Werner Fleischer.‌
• Menawater – Abluftbehandlung & Geruchsfilte http://www.menawater.de/0_p-6od_de.htm
• Raumluftqualität – https://www.scribd.com/document/453833774/Neues-Zur-Raumluftqualitat-Nach-Aktuellen-Normen
• Air Ionization Improves Indoor Air Quality – http://www.waterworld.com/articles/print/volume-20/issue-9/product-focus/air-ionization-improves-indoor-air-quality.html