Einfluss von lüftungstechnischen Anlagen auf die Verbreitung von Corona-Viren

15. Jul 2020

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Welchen Einfluss haben lüftungstechnische Anlagen auf die Verbreitung von SARS-CoV-2 Viren?

Im Kundenkreis wird immer häufiger nach der Gefahrenanalyse lüftungs- und klimatechnischer Anlagen hinsichtlich des SARS-CoV-2 Virus gefragt und welche Präventivmaßnahmen wir als Klima- und Kältefachbetrieb anbieten können.

Im Folgenden habe ich die hierfür wichtigsten wissenschaftlichen Erkenntnisse und Verordnungen dargestellt und mit entsprechenden Quellenangaben versehen.

Am Ende des Artikels findet man in einer Zusammenfassung meine persönliche Einschätzung zu diesem Thema.

In unserem Fachbereich geht es um bewegte Luft. Bei der Übertragung von Viren, Bakterien etc. gilt es für uns hauptsächlich zu betrachten:

  1. Luftströmungen im Raum
  2. Möglichkeiten zur Filterung oder Desinfektion der Luft, die in den Raum gelangt (Zuluft)
  3. Kann der Ventilator im Kühler, Klimagerät  oder Lüftungsgerät den zusätzlichen Druckabfall über einen Filter leisten, ohne die Primärfunktion der Anlage (heizen, kühlen, befeuchten, entfeuchten) zu gefährden?

Hierzu benötigen wir Basiswissen:

  1. Wie breiten sich Viren im Raum aus?

Quelle: TU-Berlin

Wenn ein Corona-Patient hustet, spricht oder niest, wird ein Strahl an unterschiedlich großen Tröpfchen und Aerosolen erzeugt, der in die Raumluft eindringt und sich dort ausbreitet. All diese unterschiedlich großen Tröpfchen und Aerosole enthalten potenziell Viren.

„Wir untersuchen in verschiedenen Projekten die Verweilzeit von Erregern in der Luft unter den verschiedensten Bedingungen“, so Prof. Martin Kriegel, Leiter des Hermann-Rietschel-Instituts an der TU Berlin. Für diese Experimente stehen seinem Team „Contamination Control“ zwei Forschungsreinräume, mehrere Raumluftströmungslabore sowie ein Forschungsoperationssaal zur Verfügung. Im Zusammenhang mit der Corona-Pandemie untersuchen die Wissenschaftler, inwiefern die Ausbreitung des Virus von der Zusammensetzung und Größenverteilung der Partikel innerhalb der ausgeatmeten Luft (Aerosol) abhängt.

„Für das Corona-Virus scheint sich herauszustellen, dass sowohl Tröpfcheninfektionen als auch die luftgetragene Übertragung, also über Aerosole, relevant sind“, so Martin Kriegel. Bei einer Tröpfcheninfektion gelangen die Viruspartikel in einem Speicheltröpfchen direkt auf die Schleimhäute eines anderen Menschen. Bei einer luftgetragenen Übertragung gelangen die Viren – gebunden in kleinsten flüssigen Partikeln – in die Atemwege. Für das Verhalten von Viren in der Luft ist die Größe der Träger-Aerosole entscheidend, ebenso das Raumklima, die Luftwechselrate und die Art und Weise, wie gelüftet wird. „Größere Partikel sinken schneller zu Boden. Kleinere Partikel folgen dem Luftstrom und können lange in der Luft verbleiben“, weiß Kriegel.

Die Ausbreitung der Mischung aus Partikeln, Speichel und Luft im Raum, die beim Sprechen, Husten und Niesen entsteht, erfolgt in zwei Schritten: Zunächst wird durch das Husten/Sprechen/Niesen ein Strahl erzeugt, der in die Raumluft eindringt und sich zunehmend mit dieser vermischt.

„Nach vollständiger Vermischung des Strahls mit der Raumluft erfolgt die Verteilung“, erklärt Kriegel. „Die kleineren Partikel folgen weitgehend der Raumluftströmung, während größere Partikel sukzessive zu Boden fallen. Häufig unbeachtet wird die Tatsache, dass der Mensch nur beim Niesen sehr große Partikel emittiert. Beim normalen Sprechen und Husten werden fast ausschließlich kleine Aerosole generiert.“

In verschiedenen Projekten haben die Wissenschaftler die sogenannte Sedimentationszeit (Ablagerungszeit) von Partikeln verschiedener Größenklassen gemessen. Kleine Partikel (0,5 bis 3 μm) sind nach einer Messzeit von 20 Minuten noch nahezu vollständig in der Luft vorhanden. Eine Ablagerung dieser Partikel ist nicht oder nur geringfügig erkennbar.

Von den mittleren Partikeln (3 bis 10 μm) sind nach einer Messzeit von 20 Minuten noch mehr als 50 Prozent in der Luft zu finden. „Eine weitere Studie zeigt, dass sich selbst größere Tröpfchen (>60 μm) unter bestimmten Umständen weit im Raum ausbreiten können. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn die Partikel im Auftriebsstrom von Wärmequellen (zum Beispiel von einer Person) emittiert werden. Sie steigen auf, verteilen sich horizontal und fangen erst dann an, sich abzulagern. Eventuelle horizontale Luftbewegungen verstärken den Verbreitungseffekt noch“, so Kriegel.

  1. Wie lange bleibt SARS-CoV-2 infektiös?

Das neue Coronavirus SARS-CoV-2 bleibt auf Oberflächen auch bei höheren Außentemperaturen über längere Zeit infektiös. Dies zeigen kürzlich im Journal of Infection (2020; DOI: 10.1016/j.jinf.2020.05.074) veröffentlichte Laborexperimente.

SARS-CoV-2 wird vermutlich in erster Linie über Tröpfchen und Aerosole übertragen. Eine Übertragung über Gegenstände oder Oberflächen ist jedoch nicht ausgeschlossen. Sie könnte vor allem in Krankenhäusern relevant sein.

Ein Team um Stephanie Pfänder von der Ruhr-Universität Bochum hat untersucht, wie lange die Viren auf Oberflächen infektiös bleiben. Dabei variierten die Forscher die Oberflächentemperatur von normaler Raumluft einmal auf Kühlschranktemperatur (4°C) und das andere Mal auf hochsommerliche 30°C.

Die Ergebnisse widersprachen den Erwartungen. Die Forscher hatten angenommen (oder gehofft), dass sommerliche Temperaturen die Viren schneller abtöten. Das Gegenteil war jedoch der Fall.

Die Halbwertzeit, die Zeit, in der die Zahl der infektiösen Partikel jeweils um 50 % abnimmt, war bei einer Erwärmung auf 30°C mit etwa 17,9 Stunden am längsten. Bei Kühlschranktemperatur betrug die Halbwertzeit 12,9 Stunden. Bei Raumtemperatur war der Zerfall der Viren mit einer Halbwertzeit von 9,1 Stunden am schnellsten.

  1. Filterklassen in lüftungs- und klimatechnischen Anlagen:

Einordung von Filterklassen und betreffende Partikelgrößen

Funktionsweise und historische Entwicklung unserer Kontaktkühlung

Bereits in den 1970er Jahren entwickelte die Firma Eisvoigt Anlagen für die speziellen Anforderungen der Bäckereikühl- und Kältetechnik. Diese Anlagen waren mit der sogenannten stillen Kühlung ausgerüstet. Diese Technologie erzielte die besten Ergebnisse für ungegarte Teige und Sahnetorten. Durch große Kühlerflächen, bezogen auf die jeweilige Kälteleistung, konnte die Entfeuchtung der Ware deutlich reduziert werden.

NH₃ / CO₂ Prozesstechnik

In der Backwarenindustrie finden die Kältemittel NH₃ und CO₂ immer häufiger Verwendung. Zumeist als Kältemittel für Zentralanlagen, versorgen sie den gesamten Betrieb mit sämtlichen Kühlstellen.

Dieser Entwicklung haben wir in den letzten Jahren Rechnung getragen. Zum heutigen Zeitpunkt können wir alle unsere Anlagen auch optional für den Einsatz mit diesen Kältemitteln ausgerüstet liefern.Konstruktionen dieser Art, z. B. Schockfroster von 400 – 800 kW Kälteleistung, Industriegärer, Absteifräume und viele weitere Anlagen wurden durch uns bereits realisiert.

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Partikelgröße

Beispiele

Filter-

klassen

Anwendungsbeispiele

Grobstaubfilter
für Partikel
> 10 µm

- Insekten
- Textilfaser und Haare
- Sand
- Flugasche
- Blütenstaub
- Sporen, Pollen
- Zementstaub
G1
G2
- Für einfache Anwendungen (z.B. als Insektenschutz in Konpaktgeräten)
G3
G4
- Vor- und Umluftfilter für Zivilschutzanlagen
Abluft Farbspritzkabinen und Küchenabluft etc.
- Verschmutzungsschutz für Klimageräte und Kompaktgeräte (z.B. Fensterklimageräte, Ventilatoren)
- Vorfilter für Filterklassen M6 bis F8
Feinstaubfilter
für Partikel
1 - 10 µm
- Pollen
- Sporen
- Zementstaub
- Flugasche
- Keime, Bakterien
M5
- Außenluftfilter für Räume mit geringen Anforderungen (z.B. Werkhallen, Lagerräume, Garagen)
M5
M6
F7
- Vor- und Umluftfiltrierung in Lüftungszentralen
- Endfilter in Klimaanlagen für Verkaufsräume, Warenhäuser, Büros und gewise Produktionsräume
- Vorfilter für Filterklassen F9 bis E11

- Ölrauch und agglomerierter Ruß
- Tabakrauch
- Metalloxidrauch

F7
F8
F9

- Endfilter in Klimaanlagen für Büros, Produktionsräume, Schaltzentralen, Krankenhäuser, EDV-Zentralen
- Vorfilter für Filterklasse E11 bis H13 sowie für AKtivkohle

Schwebstofffilter
für Partikel
< 1 µm
- Keime, Bakterien, Viren
- Tabakrauch
- Metalloxidrauch
E10
E11
E12
- Endfilter für Räume hoher und höchster Anforderungen (z.B. für Laboratorien, Produktionsräume in der Nahrungsmittel-. Pharma-, feinmechanischen-, optischen- und der elektronischen Industrie sowie für die Medizin)
E11
- Endfilter für reine Räume der Klassen 100.000 bzw. 10.000
- Öldunst und Ruß im Entstehungszustand
- Radioaktive Schwebstoffe
E12
H13
- Endfilter für reine Räume der Klassen 10.000 bzw. 100
- Endfilter in Zivilschutzanlagen
- Abluftfilter in kerntechnischen Anlagen
- Aerosole
H14
H15
U16
- Endfilter für reine Räume der Klassen 10 bzw. 1

Klassifizierung von Grobstaub- und Feinstaubfiltern gemäß EN 779:2002

Filterklasse

Enddruckdifferenz Pa

Mittlerer Abscheidegrad (Am)
ASHRAE Prüfstaub

Mittlerer Wirkungsgrad (Em)
bei Partikel von 0,4 µm

G1

250
50% ≤ Am < 65%
-

G2

250

65% ≤ Am < 80%
-
G3
250
80% ≤ Am < 90%
-

G4

250

90% ≤ Am
-

F5

450
-

40% ≤ Em < 60%

F6
450
-
60% ≤ Em < 80%

F7

450

-
80% ≤ Em < 90%

F8

450
-
90% ≤ Em < 95%

F9

450
-
95% ≤ Em

Klassifizierung von EPA und HEPA – Luftfiltern gemäß EN 1822:2009

Filterklasse

Integralwert

Lokalwert

Abscheidegrad
Durchlassgrad
Abscheidegrad
Durchlassgrad

E10

≥85%
≤15%
-

-

E11

≥95%

≤5%
-

-

E12
≥99,5%
≤0,5%
-

-

H13

≥99,95%

≤0,05%
≥99,75%

≤0,25%

H14

≥99,995%
≤0,005%

≥99,975%

≤0,025%

U15
≥99,9995%
≤0,0005%
≥99,9975%

≤0,0025%

U16

≥99,99995%

≤0,00005%
≥99,99975%

≤0,00025%

U17

≥99,999995%
≤0,000 005%
≥99,9999%

≤0,0001%

Anmerkung: Filter erhalten eine HEPA Kennzeichnung dann, wenn sie unter kontrollierten Laborbedingungen mindestens 99,95% einer bestimmten Menge Partikel in einer Größe von 0,1 bis 0,3 Mikrometer (Mikrometer = 1/1000 mm) in einer festgesetzten Zeit filtern. Die erforderliche Zahl macht deutlich, wie hoch die Anforderungen an einen modernen HEPA-Filter sind.

  1. Wie wirkt ein Luftfilter

Siebeffekt: Kleinere Partikel, welche dem Luftstrom um die Filterfaser folgen, bleiben haften, wenn sie der Filterfaser zu nahe kommen.

Trägheitseffekt: Größere Partikel folgen nicht dem Luftstrom um die Faser herum, sondern prallen aufgrund ihrer Trägheit dagegen und bleiben haften.

Diffusionseffekt: Sehr kleine Partikel folgen nicht dem Luftstrom, sondern haben durch ihre Zusammenstöße mit den Luftmolekülen eine der Brownschen-Bewegung ähnliche Flugbahn, und stoßen dadurch mit den Filterfasern zusammen, wobei sie haften bleiben.

  1. Desinfektion über UV-Licht

(Quelle: Unser Partner für UV-C Entkeimung: www.baero.com)

Die keimtötende Wirkung von UV-Strahlen, insbesondere von UV-C-Strahlen, ist ein bekanntes Phänomen. Schon 1877 entdeckten zwei englische Forscher, dass die Vermehrung von Mikroorganismen aufhört, wenn man sie dem Sonnenlicht aussetzt. Damals war dieser Effekt noch nicht zu erklären. Heute weiß man, dass der unsichtbare UV-C-Anteil des Sonnenlichtes dafür verantwortlich ist.

Bei der UV-C-Strahlung handelt es sich um Licht mit Wellenlängen zwischen 280 und 100 nm.
Für die Abtötung von Bakterien, Viren, Hefen und Schimmelpilzen ist aber in erster Linie die Wellenlänge 253,7 nm verantwortlich. Diese Strahlung hat die stärkste Wirkung auf Keime bzw. auf deren im Zellkern befindliche Erbanlagen. Das Thymin, ein chemischer Baustein der DNS, absorbiert Strahlen dieser Wellenlänge besonders gut. Dabei bilden sich Thymin-Dimere. Diese photochemische Reaktion ist die Ursache dafür, dass die Zellen nicht mehr vermehrungs- und lebensfähig sind.

Die Firma Dipl.-Ing. Roland Bruch Kälte- und Klimatechnik GmbH & Co. KG setzt diese Technologie bereits seit 2012 erfolgreich in Gärräumen, Fleischereien und Kühlräumen ein.

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Klimazentrale mit UV-C-Modul in Göteborg ( Firma Bruch)

Vorsicht: Direkte UV-C-Strahlung ist schädlich für den Menschen
(Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz BfS)

UV-C-Strahlung ist, wie UV-A- und UV-B-Strahlung, schädlich für den Menschen, denn:

  • UV-C-Strahlung kann auf ähnliche Art und Weise wie UV-B-Strahlung das Erbgut schädigen und ist darum wie auch UV-A- und UV-B-Strahlung krebserregend für den Menschen, und das schon bei niedrigeren Intensitäten als den für eine Entkeimung notwendigen.
  • UV-C-Strahlung kann unterschiedliche gesundheitsschädliche Wirkungen in den Augen und auf der Haut verursachen:
    • Auge: UV-C-Strahlung kann das Oberflächengewebe des Auges schädigen. Studien über die versehentliche Exposition des Auges mit Werten, die über den Grenzwert hinausgehen, ergeben zwar im Allgemeinen, dass die Augensymptome in der Regel innerhalb von etwa einer Woche abklingen, bei hoher Exposition können die Augenprobleme jedoch deutlich länger bestehen bleiben.
    • Haut: UV-C wird hauptsächlich von der Hornschicht der menschlichen Epidermis (Oberhaut) absorbiert. Die akuten Auswirkungen auf die Haut, wie beispielsweise Erytheme (Sonnenbrände), sind als vorübergehende Erscheinungen bekannt.

Aus diesem Grund kommt eine direkte Bestrahlung mit UV-C-Licht in Aufenthaltsräumen nicht in Frage.
Die Verwendung in lüftungstechnischen Anlagen mit entsprechenden Lichtfallen und Warneinrichtungen ist jedoch für den Menschen unbedenklich.

Zusammenfassung und Schlussfolgerung:

Jede Luftverwirbelung verteilt Viren unkalkulierbar im Raum und auf Oberflächen.
Dies kann durch Splitklimaanlagen, Gebläsekonvektoren und auch herkömmliche Lüftungsanlagen verstärkt werden. Bei Zentralanlagen mit Umluftanteil ergibt sich die Möglichkeit durch Hepafilter, oder UV-C-Entkeimung, die Ausbreitung auf andere Räume zu verhindern.

Im Raum selbst sorgen aber alle diese Anlagen für eine unkalkulierbare Verteilung der Viren.

Besondere Bedeutung hat für mich der Schutz unserer Kunden vor unseriösen Heilsbringern aus dem Internet.

Es gibt inzwischen einige fahrbare, mit Hepafiltern ausgestattete Luftreinigungsgeräte auf dem Markt, die eine deutliche Reduzierung der Viren versprechen.
Aus meiner Sicht dienen diese Geräte lediglich zur eigenen Gewissensberuhigung.
Natürlich funktionieren die Geräte in ihrem Erfassungsbereich. Das Problem ist, dass diese Geräte im Internet verkauft werden, ohne dass Räumlichkeiten und Bedingungen bekannt sind.
Nach dem Motto: Dieses Gerät reicht für 120 m³.
Hier wäre viel mehr eine individuelle Planung angesagt.

Bei steckerfertigen Klimageräten wie Splitklimaeinheiten und Gebläsekonvektoren etc. muss geprüft werden, ob Filter- oder UVC-Entkeimungen nachgerüstet werden können.
Hier hat die UV-C-Entkeimung den Vorteil, kaum Druckabfälle hervorzurufen.
Die Ventilatoren liefern den für die Auslegungsleistung (Kühlen oder Heizen) notwendigen Luftvolumenstrom. Bei zusätzlichen Druckabfällen sinkt dieser Volumenstrom. Die Nennleistung wird dann nicht mehr erbracht.

Fazit

Die Sinnhaftigkeit von Maßnahmen bei Umluftgeräten wie Splitklimaanlagen etc. muss individuell geprüft werden, denn es werden nur die Viren erfasst, die ins Gerät gelangen und nicht die, die durch die dann keimarme Zuluft im Raum verwirbelt werden (siehe auch Punkt 1).

Die Verhinderung der Ausbreitung von Keimen und Viren etc. auf andere Räume durch Maßnahmen an zentralen Lüftungsanlagen halte ich dagegen für sehr sinnvoll.

Für Flächen (Schreibtische, Toiletten etc.) werden UV-C Stablampen angeboten, die als Ersatz oder Ergänzung zur Desinfektion sinnvoll erscheinen.
Achtung: Nie direkt in die Lampe schauen. Das ist extrem schädlich für die Augen !!

Man kann davon ausgehen, dass die momentane Pandemie zu einem neuen Hygienebewusstsein in großen Teilen der Gesellschaft führen wird. Eine regelmäßige seriöse Hygienewartung nach VDI 6022, inklusiv bakterieller Prüfungen an Ihren Lüftungs- und Klimaanlagen kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten.

Mit freundlichen Grüßen und bleiben Sie gesund

Dipl.-Ing. Roland Bruch

Kälte- und Klimatechnik GmbH & Co. KG

Roland Bruch

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