Der unsichtbare Weg der Aerosole

Lüftungstechnische Auswirkungen von Covid-19 auf Gebäude

Verdünnen, verdünnen, verdünnen!

Die Lüftung – ob natürlich oder über raumlufttechnische Anlagen, Umluftgeräte oder schlichte Ventilatoren – war schon immer ein viel diskutiertes Thema. Zu Zeiten von COVID-19 aber steigert sich nicht nur ihre Bedeutung, sondern auch ihre Komplexität – je nach Art der Anlage und Kopplung mit Wärmetauschern. Einige Hinweise zur Aerosolvermeidung zu Corona-Zeiten.

~Uwe ter Vehn und Christine Fritzenwallner

Seit den ersten Meldungen zu COVID-19 verändert sich die wissenschaftliche Erkenntnislage mit jeder veröffentlichten Studie und jedem neuen größeren, frappierenden Ausbruch der Pandemie. Die Maßnahmen der Verantwortlichen sind dazu zeitlich versetzt und müssen immer wieder aktuellen, wissenschaftlichen Erkenntnissen angepasst werden. Bei Schulen und Kitas gibt es immerhin auf Länderebene Rahmenhygienepläne. Zusätzlich formulieren die Schulträger, meist Kommunen oder Landkreise, Hygieneregeln. Für öffentliche Gebäude liefern Fachbehörden häufig Informationen an die Gebäudebetreiber, die den Charakter von Dienstanweisungen haben. Die Texte orientieren sich an den Veröffentlichungen der WHO, des RKI und des VDI sowie an den Empfehlungen des REHVA (Dachverband der europäischen Verbände für Heizung, Lüftung und Klima), der Lüftungs-Fachverbände wie dem BTGA (Bundesindustrieverband Technische Gebäudeausrüstung), dem VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) und den Berufsgenossenschaften.. Eine Vielzahl von Empfehlungen also, bei denen je nachdem, wann sie veröffentlicht wurden, Aerosole keine oder nur eine minderwichtige Rolle spielen. Doch v. a. diese gilt es – spätestens seit sie im Juli bei der WHO als Reaktion auf einen offenen Brief von ca. 240 Wissenschaftlern als Übertragungsweg anerkannt wurden – zu beachten.

Aus vielen Gesprächen mit Haustechnikern und Mitarbeitern von Facility-Services konnte man allerdings erkennen, dass sie mit der stetig veränderten Lage überfordert sind. Genaue Lüftungskonzepte und Anweisungen für den »Normalbetrieb« unter Pandemiebedingungen fehlen. Für den Betrieb von Lüftungsanlagen müssen also i. d. R. kluge, individuelle Lösungen gefunden werden. Immer mit der Maßgabe: Verdünnen, verdünnen, verdünnen!

Viel Luft hilft viel

Die am häufigsten angewandte Veränderung ist die Erhöhung des Lüftungsvolumens und die Verlängerung der Betriebszeiten vor und nach der eigentlichen Nutzungszeit. Empfohlen wird auch, die Lüftungsgeräte gar nicht mehr abzuschalten – und nach der Hauptnutzung reduziert weiter laufen zu lassen. Bei bedarfsgeregelten Lüftungen, die sich z. B. an den CO2– oder VOC-Werten orientieren, sollen die Parameter auf »saubere trockene Luft« (400 ppm, 0 % LQ, 30 % rH) eingestellt werden. Dadurch werden die Volumenstromregler maximal geöffnet. Begründet wird dieser sehr energieintensive Betrieb mit der Vorstellung, die Raumluft so maximal auszutauschen und damit die mögliche Viruslast zu verdünnen. Zusätzlich soll, wo möglich, mit der Fensterlüftung der Luftaustausch beschleunigt werden. Das erscheint logisch während und kurz nach der Nutzung eines Raums. Bei den üblichen Luftwechselraten von ca. 2x/h sollte die verbrauchte Raumluft so sicher ausgetauscht sein.

Läuft die Lüftungsanlage aber fast permanent auf Hochtouren – bei einer Verlängerung von z. B. 40 h auf 112 h/Woche! –, wird sie zum reinsten Energiefresser. Für ein Gymnasium z. B. kann sich der Energieverbrauch so schnell auf einen Strommengen-Mehrverbrauch von 82 000 kWh erhöhen. Im Winter kommen außerdem zusätzliche Heizkosten dazu.

Die Möglichkeit, durch Lüftung vor der Nutzung und an Wochenenden »Viruspartikel aus dem Gebäude zu entfernen und freigesetzte Viruspartikel von Oberflächen zu entfernen«, wie es der REHVA vorschlägt (der VDMA formuliert dies ähnlich), scheint wissenschaftlich jedoch unbegründet. Bislang ließen sich keine Belege für die These finden, dass man Oberflächen auch durch massives Lüften reinigen könnte.

Zur Fensterlüftung heißt es, etwa in den Empfehlungen des Arbeits- und Unfallschutzes DGUV, z. B. in Schulen mind. nach jeder Unterrichtsstunde über Stoßlüftung zu lüften: für 3-10 min (je nach Jahreszeit und Wetter, im Winter kurz, im Sommer lang) über möglichst viele, weit geöffnete Fensterflügel. Für die Fläche, die an der Fassadenseite zum Lüften zur Verfügung stehen sollte, empfiehlt beispielsweise die Stadt Hannover in einer den Planungsprozess begleitenden Checkliste einen Lüftungsquerschnitt der zu öffnenden Fenster von mind. 6-8 % der Raumgrundfläche (inkl. Nachtlüftungsklappen).

In vielen Schulen lassen sich aber gerade mit Verweis auf den Unfallschutz die Fenster nicht mehr einfach öffnen: Entweder sind die Beschläge durch Schließsysteme gesichert oder der Öffnungswinkel wird durch sogenannte Fangscheren stark begrenzt. Ein Dilemma, dem überall nur individuell begegnet werden kann.

Umluft tabu, Oder: Eine Frage des Filters?

Bei älteren Lüftungsgeräten (meist ohne WRG), wie sie z. B. in Schulen ab Mitte der 80er Jahre für Aulen oder WC-Bereiche eingebaut wurden, wird über eine Klappe ein Teil der warmen Abluft wieder ins Gebäude geschickt. Dieser Umluftanteil kann dann zu einer Rückführung von Aerosolen führen. Häufig wird daher nun empfohlen, auf die Nutzung von Umluft zu verzichten (REHVA, BTGA, VDMA). Denn gerade bei älteren Anlagen sind außerdem die Abluftfilter nur schwach wirksam. Wichtigste Maßnahme ist daher, den Umluftanteil auszuschalten. Wenn dies nicht über die Software möglich ist (»Erhöhung des Außenluftanteils auf 100 %«), muss die Umluftklappe per Hand geschlossen werden (im Notfall Klappensteuermotor abbauen oder per Hand schließen und abklemmen).

Probleme kann es dann aber in einem kalten Winter geben: Hohe Luftwechselraten ohne WRG (Wärmerückgewinnung) oder Umluft führen bei der meist begrenzten Auslegung von Nacherhitzern zu geringen Zulufttemperaturen. Betreiber von Gebäuden mit Umluftanlagen dürften folglich also spätestens im kommenden Winter in eine Zwickmühle geraten.

Da das Virus ultraklein ist (5 µm), gibt es für normale Lüftungsanlagen ohnehin keinen sicheren Filter. Theoretisch kann aber jeder Filter die Viruslast senken, da sich das Virus zur Lebensfähigkeit an andere Aerosole, Staub- oder Wasserpartikel angehaftet durch die Luft bewegt. Jede Verbesserung des Abluftfilters gerade bei Umluftsystemen hilft daher.

Wärmerückgewinnung als Gefahrenquelle?

Grundsätzlich gilt für neuere RLT (Raumlufttechnische anlagen) mit 100 % Außenluftbetrieb und WRG, wie sie schätzungsweise in den vergangenen zehn Jahren eingesetzt werden, die Annahme, dass keine Viren übertragen werden können: Die Abluft aus dem Gebäude wird i. d. R. mit einem Feinstaubfilter ISO ePM1 50 % (ehem. F7) gereinigt. Dieser ist in der Lage, Partikel bis zu einer Größe von ≤1 µm zu 50 % herauszufiltern. Diese Filterleistung ist also bereits ein gutes Mittel zur Reinigung der Luft. RLT für den Krankenhausbereich (mind. im OP) brauchen aber noch bessere Filter, die auch Schwebstoffe ( 1 µm bis zu 99,75 %) sicher eliminieren, sogenannte HEPA-Filter. Beachtenswert sind bei so kleinen Größen nur die möglichen Verunreinigungen durch Leckagen im RLT. Bei Gegenstromwärmetauschern geht man von mind. 1-2 % Leckagerate aus.

Allerdings kann die Wärmerückgewinnung durch Wärmeräder (Rotationswärmetauscher), insbesondere Systeme zur Feuchterückgewinnung und ähnlich zu den Umluftsystemen, zu einer Verschmutzung der Zuluft mit Aerosolen aus der Abluft führen: Diese Art der WRG hat grundsätzlich eine kleine Leckage von 1-2 %. Bei Abnutzung, schlechter Wartung oder mangelhaftem Einbau (vgl. db 1/2 2018, S. 59) sind bis zu 20 % Leckage möglich. Der REHVA empfiehlt daher den Betrieb mit einem deutlich erhöhten Zuluftdruck gegenüber dem Abluftdruck. Dies führt zu einem Überdruck von der aerosolfreien Seite zur kontaminierten Seite, was das Risiko verringern soll.

Sonderformen der WRG

Auch bei regenerativen Wärmerückgewinnungssystemen, bei dem zwei sogenannte Rekuperatoren abwechselnd thermisch aufgeladen und entladen werden, kann es theoretisch zu einer Verunreinigung der Zuluft mit Aerosolen aus der Abluft (nach dem Filter) kommen. Ein Hersteller empfiehlt daher die Stilllegung der WRG in seinen Produkten. Da diese nicht softwareseitig abgestellt werden kann, bedarf es des Eingriffs eines Servicetechnikers zum Abklemmen der Klappensteuerungen – Kosten, die zu Zeiten von Corona mancher Gebäudebetreiber trotzdem nicht scheut.

Die Wärmerückgewinnung mit »Enthalpiewärmetauschern« wiederum (zur Feuchterückgewinnung) soll nach Herstellerangaben unproblematisch sein. Dabei wird ein Teil der Luftfeuchtigkeit der Abluft über eine Membran an die Zuluft übertragen. Die Membran verhindert laut Hersteller das Eindringen von Partikeln jeder Größe und lässt nur gasförmigen Wasserdampf hindurch.

Windrichtung entscheidend

Von der Verteilung der Zuluft aus zentralen RLT sollte eigentlich keine Gefahr ausgehen, vorausgesetzt die Regeln der Technik und die allgemeinen Richtlinien werden eingehalten. In den Arbeitsstättenrichtlinien Lüftung ASR A3.6 werden max. Luftgeschwindigkeiten von 0,15 m/s (= 0,54 km/h) in 170 cm über FFB gefordert. Größere Luftgeschwindigkeiten können als Zugluft störend empfunden werden. Aufgrund räumlicher Gegebenheiten kann es manchmal aber sogar zu sehr viel größeren Luftgeschwindigkeiten kommen: Eine Studie vom American Institute of Physics hat untersucht, wie sich die Ausbreitung von Aerosolen aus der Atemluft bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten verändert (Abb. 2 und 3). Während ohne Wind 2 m Sicherheitsabstand reichen, ist mit Wind und in Windrichtung viel mehr Distanz erforderlich.

Übertragen auf die Raumlufttechnik heißt das, dort besonders vorsichtig zu sein, wo Zugluft direkt empfunden wird. Befindet man sich mit einem sogenannten Superspreader gleichzeitig in einem Raum, werden Aerosole, aber auch größere Tröpfchen weit transportiert – ein Mindestabstand von nur 1,5-2 m schützt dann nicht mehr sicher.

Gerade in Küchen und Kantinen wird auf kleinem Raum über Drallauslässe (Abb. 5) viel Luft bewegt, und in Sporthallen und Aulen überwinden Weitwurfdüsen größere Distanzen. Bei dezentralen Lüftungsgeräten (Abb. 4) wiederum kann die Luftgeschwindigkeit nahe am Gerät sehr hoch sein.

Umluftgeräte und Ventilatoren

Umluftkälteerzeuger wie z. B. Split-Klimageräte oder Deckenkassettenkühler (Bild 6) erzeugen ein ähnliches Problem wie Lüftungssysteme mit Umluftanteilen, sie haben fast nie nennenswerte Filter eingebaut. Im Vordergrund steht ihre Funktion zur Bewegung der Luft, wobei horizontal hohe Luftgeschwindigkeiten im Raum erzeugt werden. Umluftkälteerzeuger befinden sich in nahezu jedem Supermarkt, in Besprechungsräumen, oder eben – als bekanntestes Beispiel – in der Fleischverarbeitung. Dort spielt die Kälte wahrscheinlich eine eher untergeordnete Rolle, die Verwirbelung der angesaugten Luft in weiter entfernte Raumteile dürfte bei der Aerosol-Verbreitung problematischer sein.

Der beschriebene Effekt tritt auch schon bei der Verwendung einfacher Ventilatoren (Walzen oder Propellern) auf. Ein Ventilator ist nichts anderes als ein z. B. auch in Arztpraxen gerne eingesetztes Umluftgerät, das zu Coronazeiten bei der Anwesenheit mehrerer Personen im Raum aber tabu sein sollte. Auf seiner Vorderseite treten Luftgeschwindigkeiten von mehr als 3 m/s (10,8 km/h) auf, Aerosole können sich im Luftstrom kaum absetzen (Abb. 1). Befindet sich dann eine infizierte Person im horizontal beschleunigten Luftstrom, ist auch hierbei der gängige Sicherheitsabstand hinfällig. Der sicherste Betrieb dieser Geräte ist, wenn überhaupt, vor dem geöffneten Fenster mit Ausblasung/Windrichtung nach außen.

Für warme bis heiße Sommertage wurde daher empfohlen, nur so lange Umluftgeräte und Ventilatoren zu benutzen, wie sich nicht mehr als eine Person im Raum aufhält. Aufgeheizte Besprechungsräume sollten z. B. vor der Sitzung heruntergekühlt und die entsprechenden technischen Geräte mit Beginn der Sitzung abgeschaltet werden.

Kühlen Kopf bewahren

Kurzum: Über frische Luft wird das Infektionsrisiko deutlich verringert. Aber auch die Verteilung der Luft im Raum sollte nicht vergessen werden (s. Abb. 7).


Die Autoren:
Das hermetische Verlagsgebäude lieber meidend, hat db-Redakteurin Christine Fritzenwallner im frischluft-durchfluteten Homeoffice den Versorgungsingenieur Uwe ter Vehn kontaktiert, mit dessen wesentlicher Expertise dieser Artikel entstand.
Ter Vehn, zugelassener Energieberater bei BAFA, dena und proKlima, berät in Hannover v. a. kommunale Dienstleister und Schulen.


Quellen und weitere Hinweise:

Artikel des VDI:
www.vdi.de/news/detail/viren-aus-der-luft-filtern

Weitere Empfehlungen, etwa zum Einsatz eines CO2-Sensors, finden sich in diesem Interview mit Martin Kriegel von der TU Berlin:
www.wiwo.de/technologie/forschung/coronavirus-es-dauert-nur-minuten-bis-corona-aerosole-ueberall-im-buero-verteilt-sind/26082728.html?utm_source=pocket-newtab-global-de-DE

– Zum Umgang mit COVID-19 und den Empfehlungen der WHO, s.
https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/333114/WHO-2019-nCoV-Sci_Brief-Transmission_modes-2020.3-eng.pdf?sequence=1&isAllowed=y
und zum Brief der Wissenschaftler an die World Health Organization:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32628269/

– Empfehlungen des Robert Koch Instituts, s.
https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Steckbrief.html

– Empfehlungen der REHVA Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations, s.
https://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance,

– Empfehlungen des Bundesindustrieverbands Technische Gebäudeausrüstung s. u.a.
https://rlt-geraete.de/wp-content/uploads/2020/06/RLT_Covid19_V2_200424.pdf,

– Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau zu raumlufttechnischen Anlagen in Zeiten von COVID-19 – Grundlagen zum Betrieb und zur Nutzung, s.
https://klt.vdma.org/documents/105879/48327131/Raumlufttechnische%20Anlagen%20in%20Zeiten%20von%20COVID-19%20-%20Grundlagen%20zum%20Betrieb%20und%20zur%20Nutzung/96103b0d-5116-e7ab-b786-c8fd835061dd?t=583170.7,

– Deutscher Gemeindeunfallversicherungsverband Fachbereich Bildungseinrichtungen NRW: SARS-CoV-2 –
Schutzstandard Schule SARS-CoV-2
https://dguv.de/corona-bildung/schulen/index.jsp 8 REHVA_COVID-

– Die Empfehlung des RHTV zu Leckagen bei WRG:
https://www.rehva.eu/fileadmin/user_upload/REHVA_COVID-19_specific_guidance_document_-_Limiting_internal_air_leakages_across_the_rotary_heat_exchanger_.pdf

– Regenerative Wärmerückgewinnungssysteme: s. Menerga Resolair und Technische Informationen 18.3.20, COVID-19 Hinweise bei Betrieb einer Lüftungsanlage

– Wärmerückgewinnung mit Enthalpiewärmetauschern, s. Betrieb von Meltem Komfortlüftungsgeräten (Serien M-WRG-II, M-WRG) im Zuge der aktuellen Covid-19-Pandemie

– Studie zu Aerosolverteilung bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten: American Institute of Physics:
Physics of Fluids 32: On coughing and airborne droplet transmission to humans,
https://doi.org/10.1063/5.0011960


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