Subjective and objective implications of natural versus mechanical ventilation in hospital wards

Abstract

In Anbetracht der sich verschlechternden Luftqualität als Folge der immer größer werdenden Städte, der Auswirkungen des Klimawandels wie städtische Hitzeinseln und längere Hitzewellen sowie einer zusätzlichen globalen Pandemie ist es heute notwendiger denn je, ein Auge auf Krankenhäuser zu haben, da sie besonders anfällige Teile der Gesellschaft beherbergen. Aus diesem Grund bestand das Hauptziel der Arbeit darin, zu untersuchen, wie sich typische Krankenhausstationen in Bezug auf Innenraumqualitäten verhalten, wobei der Schwerpunkt auf der Luftqualität während der Sommersaison lag. Außerdem wurde untersucht, wie sich eine natürliche oder mechanische Belüftung sowohl objektiv als auch subjektiv auf die Raumluftqualität auswirkt. Die Fallstudie kombinierte Messungen von Raumluftparametern vor Ort mit einer subjektiven Bewertung der Wahrnehmung des Personals mittels Fragebögen in zwei Wiener Krankenhäusern, nämlich dem AKH (Allgemeines Krankenhaus) und der Klinik Hietzing. Die beiden in die Studie eingeschlossenen Krankenstationen verfügen entweder über eine mechanische Lüftungsanlage mit nicht öffenbaren Fenstern oder ausschließlich über Fensterlüftung. Die objektiven und subjektiven Ergebnisse wurden dann verglichen und mögliche Zusammenhänge untersucht. Darüber hinaus wurden verschiedene Berechnungen durchgeführt, um zu untersuchen, ob die natürliche Belüftung in modernen Patientenzimmern eine Alternative zur mechanischen Belüftung darstellen könnte. Die Ergebnisse zeigten, dass die Luftqualität und die Luftfeuchtigkeit im Sommer unabhängig von der Art der Belüftung in einem guten Bereich liegen. Daher ist eine natürliche Belüftung auf Standardkrankenstationen zumindest im Sommer möglich, wenn Planung und Betrieb richtig durchgeführt werden, was hohe Raumvolumina und eine Berücksichtigung des Standorts und seiner Umgebungsluftqualität einschließt. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse, dass Personal und Patienten sehr unterschiedliche Anforderungen an die thermische Behaglichkeit haben, so dass es kaum möglich ist, beide Nutzertypen in gleicher Weise zufrieden zu stellen. Aus subjektiver Sicht war eine kombinierte mechanische und natürliche Lüftung die vom Personal bevorzugte Lüftungsart. Generell stimmen die objektiven und subjektiven Ergebnisse sehr gut überein, sofern passende Behaglichkeitsmodelle vorhanden sind. Die Energieberechnungen zeigten, dass die Lüftungsverluste bei dieser Gebäudetypologie weitaus größer sind als die Transmissionsverluste. Eine Mischung aus mechanischer und natürlicher Lüftung scheint das Optimum in Bezug auf Energieverbrauch und Komfort zu sein, ist aber auch mit zusätzlichen Bau- und Wartungskosten verbunden, so dass sie für Nachrüstungen kaum in Frage kommt. Die ausschließliche Verwendung natürlicher Lüftung ist rechtlich möglich und besonders kosteneffizient, aber nicht sehr energieeffizient. Außerdem fördert das Zertifizierungsverfahren in seiner derzeitigen Form nicht unbedingt eine intelligente und effiziente Gestaltung von Spitälern.

With deteriorating air quality as a result of ever-growing cities, effects of climate change like urban heat islands and longer heat waves and the addition of a global pandemic, it is now more necessary than ever to keep an eye on hospitals as they inherit particularly vulnerable parts of society. For this reason the main goal of this study was to investigate how typical hospital wards perform in terms of indoor environmental quality with a special focus on air quality, during the summer season. Also, it was researched how natural or mechanical ventilation effects indoor environmental quality both objectively and subjectively. The case study combined on site measurements of indoor environmental parameters with a subjective evaluation of the perception of the staff via questionnaires in two Viennese hospitals, namely the AKH (Allgemeines Krankenhaus) and the Klinik Hietzing. The two in the study included hospital wards either have a mechanical ventilation system with not operable windows or solely relying on operable windows for natural ventilation. The objective and subjective results were then compared and possible links and correlations were studied. Furthermore, in order to investigate if natural ventilation could be a relevant alternative to mechanical ventilations in modern patient rooms, a variety of calculations were performed. Results show that Air quality and humidity in summer are in a good range, no matter the type of ventilation. Therefore, natural ventilation in standard hospital wards is possible in summer, if design and operation are done the right way, which includes high room volumes and a consideration of the location and its ambient air quality. Moreover, findings revealed that staff and patients have very different requirements for thermal comfort, which makes it hardly possible to satisfy both occupant types in similar fashion. From a subjective point of view combined mechanical and natural ventilation was the preferred type of ventilation by the staff. Generally, the objective and subjective results align very well, as long as fitting comfort models are available. The energy calculations showed that ventilation losses are far greater than transmission losses in this building typology. Mixed mechanical and natural ventilation appears to be the optimum in terms energy use and comfort, but is also connected to extra construction and maintenance costs which makes them hardly feasible for retrofits. Solely relying on natural ventilation is legally possible and especially cost efficient but not very energy efficient. Also, in its current state, the certification method does not necessarily encourage smart and efficient design.