Luftgetragene Erreger und Luftqualität in Innenräumen am Beispiel eines Klassenzimmers - Verteilung der Erreger und Bewertung der Lüftungseffektivität [original]

Luftgetragene Erreger und Luftqualität in Innenräumen am Beispiel

eines Klassenzimmers - Verteilung der Erreger und Bewertung der

Lüftungseffektivität

Eugen Lichtner*1 und Martin Kriegel1

1 Hermann-Rietschel-Institut, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany

* eugen.lichtner@tu-berlin.de

DOI: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-12326

ABSTRACT

Im Zuge der Covid-19-Pandemie wurde

der Übertragung von Krankheitserregern

über die Luft, der sogenannten Aerosol-

Übertragung, eine bedeutende Rolle

zugeschrieben [1]. Eine präventive

Gegenmaßnahme stellt die Senkung der

Erregerkonzentration im Raum durch

Frischluftzufuhr oder Luftfilterung dar [2].

Speziell in Klassenzimmern ist darüber

hinaus die Luftqualität hinsichtlich der

Kohlenstoffdioxidkonzentration von

Bedeutung [3].

In dieser Studie wurde die Wirksamkeit

von unterschiedlichen Lüftungsmaß-

nahmen sowie der Einsatz von

Trennwänden in einem Klassenzimmer

hinsichtlich der Senkung der Erreger- und

CO2-Exposition mittels numerischer

Strömungssimulation (CFD) untersucht.

Insgesamt wurden sieben Optionen

verglichen, drei Fälle mit Mischlüftung und

vier mit Quelllüftung. In zwei Fällen wurde

ein mobiler Luftreiniger bei reinem

Umluftbetrieb mit einem HEPA-H14-Filter

modelliert, dem Raum wurde keine

Frischluft zugeführt, aber potentiell

virenbeladene luftgetragene Partikel

wurden gefiltert. In einem Fall wurden

Acrylscheiben als Trennwände auf den

Tischen zwischen zwei benachbarten

Schulkindern angebracht.

Im Klassenzimmer waren eine Lehrkraft

und je nach Szenario 24 bzw. 12

Schulkinder. Alle Personen atmeten

Kohlendioxid aus. Ein Schulkind atmete

zudem luftgetragene virenbeladene

Partikel aus. Die Position des infektiösen

Schulkinds wurde variiert. Es wurde die

Wirksamkeit der Maßnahmen nach 45

Minuten untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass die

Luftwechselrate kein Maß für die

Wirksamkeit der Maßnahmen ist, wenn

das Expositionsrisiko von einer einzelnen

Schadstoffquelle ausgeht. Das gilt

gleichermaßen für den lokalen

Luftaustauschindex.

Für die Beurteilung des Expositionsrisikos

von luftgetragenen Erregern ist die

Verwendung der lokalen Lüftungs-

wirksamkeit unerlässlich. In mehreren

Fällen war der Atembereich einiger

Personen lediglich mit nur etwa 20 %

Wirksamkeit belüftet. Die betroffenen

Schulkinder wären einer rund fünf Mal so

hohen Erregerkonzentration ausgesetzt,

als dies entsprechend der Luftwechselrate

zu erwarten wäre.

Die Ergebnisse zeigen ferner, dass es sehr

häufig zu erhöhten Konzentrationen im

Umfeld der emittierenden Person kommt.

Alle betrachteten Fälle mit Mischlüftung

wiesen eine ähnliche Lüftungswirksamkeit

auf. Insgesamt war sie in Fällen mit

Quelllüftung signifikant höher. Fälle mit

einem mobilen Luftreiniger wiesen eine

ähnliche Lüftungswirksamkeit wie

Mischluftfälle mit Frischluftzufuhr auf,

wenn nur die Partikelkonzentration

betrachtet würde. Die CO2-Konzentration

nahm in diesen Fällen hygienisch

inakzeptable Werte an.

EINLEITUNG

Zur Gewährleistung einer hohen

Innenraumluftqualität und Reduktion des

Risikos einer Infektionsübertragung über

die Luft, kann eine maschinelle Lüftung

eingesetzt werden. Die Luftwechselrate

LW, welche als das Verhältnis zwischen

dem Zuluftvolumenstrom und dem

Raumvolumen definiert ist, stellt ein

verbreitetes Gütegrad der Lüftung dar. Es

handelt sich hierbei um eine globale Größe,

welche keinerlei Aussagen über die

Verteilung der Zuluft im Raum oder die

Schadstoffabfuhr aus dem Atembereich

ermöglicht. Diesem Umstand wird durch

das Einführen örtlicher Bewertungs-

größen entsprechend [4] Rechnung

getragen.

Der lokale Luftaustauschindex im

Atembereich εb

a ist ein Maß für die

Fähigkeit des Lüftungssystems den

Atembereich mit Frischluft zu versorgen

und ist entsprechend Gleichung 1

definiert.

εb

a=τn

b (1)

Die nominale Zeitkonstante τn entspricht

der kürzest möglichen durchschnittlichen

Verweilzeit der Luft im Raum und kann mit

Gleichung 2 berechnet werden. Das

mittlere Alter der Luft im Atembereich τb

kann im Rahmen eines Abklingversuchs

mit einem Spurengas gemessen und in

einer Strömungssimulation mit einem

passiven Quellterm berechnet werden.

τn=Raumvolumen

Zuluftvolumenstrom =1

LW (2)

Der Luftaustauschindex hat bei einer

vollständigen Durchmischung den Wert 1.

Ein niedrigerer Wert weist auf einen

geringeren lokalen Luftwechsel im

Vergleich zu einer perfekten Mischlüftung

hin. Im Falle einer ausgeprägten

Kurzschlussströmung kann der Wert nahe

Null liegen. Wenn die Luft im Atembereich

nahezu Zuluftqualität aufweist, kann der

Luftaustauschindex einen Wert annehmen,

der ein oder zwei Größenordnungen über

dem Wert für ideale Mischlüftung ist.

Der lokale Luftqualitätsindex im Atem-

bereich εb

c gibt die Fähigkeit des Lüftungs-

systems wieder, Schadstoffe aus dem

Atembereich abzuführen. Seine Definition

kann Gleichung 3 entnommen werden.

εb

c = Schadstoffkonzentration in der Abluft

Schadstoffkonzentration im Atembereich (3)

Bei idealer Mischlüftung nimmt der lokale

Luftqualitätsindex den Wert 1 an. Werte

unter oder über 1 bedeuten, dass die

Luftqualität niedriger oder höher als bei

vollständiger Durchmischung ist.

METHODEN

Die Ergebnisse wurden aus einer

Strömungssimulation gewonnen. Es wurde

ein typischer Klassenraum mit den Maßen

8,57 m x 7 m x 3 m nachgebildet. Eine

Lehrkraft und entweder 24 oder 12

Schulkinder entsprechen im Rahmen

dieser Studie einer vollen oder halben

Belegung. Jede Person atmet 20 l/h

Kohlenstoffdioxid aus [5]. Die anfängliche

CO2-Konzentration im Raum und in der

Zuluft beträgt 400 ppm. Der

Luftvolumenstrom beträgt in allen Fällen

1000 m³/h, was einer Luftwechselrate von

5,56 1/h entspricht. Es wird ein Szenario

mit einer niedrigen Außenlufttemperatur

angenommen. Die Innenflächentempera-

tur der Außenwand und der Fenster wird

mit 19 °C bzw. 18 °C vorgegeben. Die

Temperatur der Innenwände und des

Fußbodens beträgt 20 °C. In Fällen mit

Außenluftzufuhr wird die Zuluft mit 20 °C

eingebracht. Bei reinem Umluftbetrieb

entspricht die Zulufttemperatur der

Ablufttemperatur und wird nicht

vorgegeben. Jede Person hat eine

Wärmelast von 100 W. Übrige Oberflächen

sind adiabat.

Ein Schulkind atmet potentiell viren-

beladene luftgetragene Partikel aus. Seine

Position wird, wie in Abbildung 1 rot

hervorgehoben, variiert. Die Partikel-

quellstärke beträgt 50 P/s. Die anfängliche

Partikelkonzentration im Raum und in der

Zuluft ist Null. Die untersuchten Fälle sind

in Tabelle 1 zusammengefasst. Mischluft-

fälle werden mit MV, Quellluftfälle mit DV

gekennzeichnet. Abbildungen 1 bis 3

zeigen eine Auswahl von Raummodellen.

Die Luftzufuhr erfolgt entweder über vier

gleichmäßig verteilte Drallluftdurchlässe

an der Decke oder über ein Lüftungsgerät

im hinteren Teil des Klassenzimmers.

In den Fällen mit einem Luftreiniger wird

keine Frischluft zugeführt, Partikel werden

als Näherung zu 100 % gefiltert. Abbildung

A1 zeigt den Drallluftdurchlass, Abbildung

A2 den Luftreiniger und Abbildung A3 das

Quellluftgerät.

Die Strömung wurde mit Schwerkraft, dem

realizable k-ε-Turbulenzmodell und dem

Surface-to-Surface-Modell für Wärme-

strahlung modelliert. Zunächst wurde ein

stationäres Strömungsfeld berechnet.

Dann wurde eine instationäre Simulation

(URANS) für 45 Minuten durchgeführt, in

welcher das Alter der Luft, die CO2-

Konzentration sowie die Konzentration

ideal luftgetragener Partikel durch einen

passiven Skalar repräsentiert wurden. Die

molekulare Schmidt-Zahl für Kohlendioxid

in Luft wurde entsprechend [6] auf 1,14

gesetzt. Die Partikelausbreitung wurde mit

einem rein konvektiven passiven Skalar

modelliert.

Abbildung 1: Klassenzimmer, Fall MV-A-1, Positionen des

infektiösen Schulkinds sind rot hervorgehoben

Tabelle 1. Fälle

Fall

Zuluft

Abluft

Umluft-

anteil

Trenn-

wände

Bele-

gung

MV-A-1

Decke,

0 %

nein

voll

MV-B-1a

Luft-

reini-

ger,

oben

Luft-

reini-

ger,

unten

100 %

nein

voll

MV-B-1b

Luft-

reini-

ger,

oben

Luft-

reini-

ger,

unten

100 %

voll

DV-A-1

Lüf-

tungs-

gerät,

unten

Lüf-

tungs-

gerät,

oben

0 %

nein

voll

DV-A-2

Lüf-

tungs-

gerät,

unten

Lüf-

tungs-

gerät,

oben

0 %

nein

halb

DV-B-1

Lüf-

tungs-

gerät,

unten

Decke,

0 %

nein

voll

DV-B-2

Lüf-

tungs-

gerät,

unten

Decke,

0 %

nein

halb

Abbildung 2: Klassenzimmer, Fall MV-B-1b

Abbildung 3: Klassenzimmer, Fall DV-B-2

Der Atembereich wurde gemäß [7]

definiert. Es wurde eine Kugel mit einem

Radius von 25,4 cm (10 Zoll) um Nase und

Mund platziert, siehe Abbildung A4. Für

die Berechnung der lokalen Bewertungs-

größen wurden Mittelwerte im Atem-

bereich sowie in der Abluft extrahiert.

Schließlich wurde über lokale Mittelwerte

im Atembereich gemittelt, wobei in der

Berechnung des mittleren Luftqualitäts-

indexes für jede Position des infektiösen

Schulkinds der jeweilige Atembereich

ausgelassen wurde, siehe ergänzend

Abbildungen A5 bis A14 im Anhang. Der

mittlere Luftqualitätsindex für Partikel

wurde schließlich als Mittelwert über die

Mittelwerte der Luftqualitätsindizes bei

fünf verschiedenen Positionen des

infektiösen Schulkinds berechnet.

ERGEBNISSE UND DISKUSSION

Tabelle 2 zeigt Mittelwerte des lokalen

Luftaustauschindexes, des Luftqualitäts-

indexes für Kohlenstoffdioxid und des

lokalen Luftqualitätsindexes für Partikel

im Atembereich.

Der Luftaustauschindex von 0,90 im Fall

MV-A-1 liegt unter aber nahe 1 und ist

typisch für Mischlüftung. Der Luft-

qualitätsindex für Kohlendioxid beträgt

0,69 und für Partikel 1,08. Diese Werte

liegen innerhalb der üblichen Bandbreite.

Bei perfekter Mischlüftung wären beide

Bewertungsindizes gleich 1.

Der Luftreiniger in den Fällen MV-B-1a und

MV-B-1b wälzt die Luft inkl. Kohlendioxid

lediglich um, nur die Partikel werden zu

angenommenen 100 % gefiltert. Daher

sind der lokale Luftaustauschindex sowie

der Luftqualitätsindex für Kohlendioxid

bedeutungslos und entfallen für diese

Fälle.

Tabelle 3 zeigt mittlere Konzentrationen

im Atembereich. Nach 45 Minuten erreicht

die Kohlendioxidkonzentration 2442 ppm

im Fall MV-B-1a und 2498 ppm im Fall

MV-B-1b, 2042 ppm und 2098 ppm über

der Außenluftkonzentration. Die Kohlen-

dioxidkonzentration sollte 800 ppm über

der Außenluftkonzentration nicht über-

schreiten [8]. Der Luftqualitätsindex für

Partikel ist mit MV-A-1 vergleichbar und

im Fall MV-B-1b durch den Einsatz von

Acrylscheiben nicht signifikant höher als

bei MV-A-1. Alle Ergebnisse für

Mischluftfälle zeigen einen mittleren

Luftqualitätsindex nahe 1. Aus den

Mittelwerten lassen sich keine

allgemeinen Schlussfolgerungen über

gesundheitliche Auswirkungen ziehen, da

die Konzentrationsverteilung im Raum

und damit die eingeatmete Dosis sehr

unterschiedlich ausfällt, siehe Abbildun-

gen A7 bis A10 im Anhang. Teilweise

wirken effektiv nur etwa 20 % des

Luftvolumenstroms.

Tabelle 2. Mittlere Luftqualitätsindizes im Atembereich

Fall

εb

c, CO2

εb

c, Partikel

MV-A-1

0.90

0.69

1.08

MV-B-1a

1.07

MV-B-1b

1.20

DV-A-1

1.51

0.93

64.31

DV-A-2

1.48

0.79

42.54

DV-B-1

1.55

0.94

16.06

DV-B-2

1.54

0.79

15.89

Der Luftaustauschindex ist in allen

Quellluftfällen ähnlich hoch und liegt etwa

70 % über dem Wert für Mischlüftung im

Fall MV-A-1. Der Luftqualitätsindex ist um

ein Vielfaches höher als in den Fällen mit

Mischlüftung. Im Allgemeinen hat die

Abluftposition nur einen geringen Einfluss

auf das Strömungsfeld, der Einfluss auf das

Konzentrationsfeld kann dagegen

merklich sein. Die Fälle DV-A und DV-B

unterscheiden sich nur in der Position der

Abluftöffnungen, der Luftqualitätsindex

für Partikel variiert aber erheblich.

Zwischen voller und halber Belegung gibt

es beim Luftqualitätsindex für Partikel

einen deutlichen Unterschied, allerdings

ohne einer klaren Tendenz. Die absolute

Partikelkonzentration ist jedoch bei halber

Belegung niedriger, siehe Tabelle 3. Auch

in den Quellluftfällen variieren örtliche

Konzentrationen in erheblichem Maße je

nach Position des infektiösen Schulkinds,

siehe Abbildungen A11 bis A14 im Anhang.

In allen Fällen ist die relative

Schwankungsbreite der örtlichen Konzen-

tration beim Kohlenstoffdioxid deutlich

kleiner als bei den Partikeln.

Tabelle 3. Mittlere Konzentrationen im Atembereich

Fall

CO2-Konzentration

(ppm)

Partikelkonzentration

(P/m³)

MV-A-1

1197

189

MV-B-1a

2442

259

MV-B-1b

2498

173

DV-A-1

898

DV-A-2

788

DV-B-1

887

DV-B-2

787

FAZIT

Durch lüftungstechnische Maßnahmen

kann das Risiko einer Aerosol-

Infektionsübertragung reduziert werden.

Wenn dem Raum Außenluft zugeführt

wird, kann auch eine hohe Luftqualität mit

einer unbedenklichen CO2-Konzentration

sichergestellt werden. Von zentraler

Bedeutung ist die Frage nach einer

geeigneten Kennzahl, welche ein Maß für

die Wirksamkeit dieser Maßnahmen ist. Es

wurde gezeigt, dass die Luftwechselrate

kein Gradmesser für das Expositionsrisiko

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