Wie sich infektiöse Aerosole in Innenräumen ausbreiten und welchen Einfluss unterschiedliche Lüftungskonzepte darauf haben, ist jetzt durch ein Projektteam der Hochschule München und des Wissenschafts- und Technologieunternehmens Dassault Systèmes am Beispiel eines typischen Hörsaals untersucht worden.
Was passiert eigentlich beim Fensterlüften und warum funktioniert es im Winter besser als im Sommer? Worauf sollte bei der Verwendung von mobilen Luftreinigern geachtet werden und wie können infektiöse Aerosole möglichst effizient aus der Raumluft entfernt werden? Um diese Fragen zu untersuchen, wurde ein präzises digitales Modell eines typischen Hörsaals in der Hochschule München erstellt. Dazu wurde ein mittelgroßer Hörsaal mit einer Fläche von 115 Quadratmetern und einem Volumen 370 Kubikmetern ausgewählt und in 3D modelliert.
Mithilfe einer Computersimulation (CFD-Strömungssimulation) wurde anschließend berechnet, wie sich infektiöse Aerosole nach dem Husten im Raum ausbreiten. Dabei wurden insgesamt sechs unterschiedliche Szenarien untersucht. Die Studie ist Teil des Forschungsprojekts „Sicherer Hörsaal“. Bei diesem Projekt wird unter anderem die Luftqualität und das damit verbundene Covid-19-Infektionsrisiko während des realen Lehrbetriebs in insgesamt 50 Hörsälen der Hochschule München untersucht. Die Ergebnisse sind in Form eines Informationsvideos zusammengefasst worden.
Ohne Maske erreichen Aerosole die nächste Sitzreihe
Beim Husten ohne Maske bewegten sich die Atem-Aerosole teilweise mehr als zwei Meter nach vorne und erreichten die nächste Sitzreihe beziehungsweise das Dozentenpult. Beim Tragen einer medizinischen Maske wurde der Großteil der Aerosole zurückgehalten. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit beim Husten wurden die Masken leicht nach vorne gedrückt und ein Teil der Aerosole entwich nach oben: „Die ausgeatmete Luft ist mit 35 Grad Celsius deutlich wärmer als die Raumluft. Die Atem-Aerosole steigen deshalb zügig nach oben und sammeln sich zunächst im oberen Bereich des Raumes“, erklärt Christian Schwarzbauer, Professor für Medizintechnik und wissenschaftlicher Leiter der Untersuchung an der Hochschule München.
Fensterlüftung je nach Jahreszeit
„Je größer der Temperaturunterschied zwischen drinnen und draußen ist, umso schneller strömt warme Luft nach draußen und frische in den Innenraum. Der Luftaustausch beim Fensterlüften erfolgt deshalb während der kalten Jahreszeit schneller als während der warmen“, so Jürgen Keitel, Eurocentral Public Services Director, Dassault Systèmes. Aber das Lüften in der kalten Jahreszeit hat nicht nur Vorteile. Zum einen wird es relativ schnell kalt: schon nach vier Minuten Lüften bei 10 Grad Celsius Außentemperatur fiel die Temperatur im Raum von 22 auf 14 Grad ab. Zum anderen werden die Atem-Aerosole durch die höhere Strömungsgeschwindigkeit der einströmenden Frischluft stärker im Raum verwirbelt, was zu einem erhöhten Infektionsrisiko führen kann.
Verwirbelungen bei mobilem Luftreiniger
Auch bei der Verwendung von mobilen Luftreinigern kann es zu einer erheblichen Verwirbelung von infektiösen Aerosolen im Raum kommen, wenn diese bei hohem Volumenstrom betrieben werden. Die allgemeine Empfehlung ist, dass pro Stunde etwa das sechsfache des Raumvolumens gereinigt werden sollte. Für den betrachteten Hörsaal mit einem Volumen von 370 Kubikmetern ergibt sich daraus ein erforderlicher Volumenstrom von circa 2200 m3/h. „Bei diesem Volumenstrom ist die Strömungsgeschwindigkeit der austretenden Luft schon relativ hoch. Hustet eine infektiöse Person in der Nähe des Luftreinigers, so werden die infektiösen Aerosole in den Jet der ausströmenden Luft hineingezogen und dadurch im ganzen Raum verwirbelt“, erklärt Schwarzbauer. „Für größere Räume ist es deshalb empfehlenswert, zwei oder mehrere Geräte zu verwenden und diese bei einem entsprechend niedrigeren Volumenstrom zu betreiben. Auch große Geräte bringen hier Vorteile, da der Austrittsquerschnitt für die Luft größer ist, was zu einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit führt.“
Ventilator-Fensterlüftung: Frischluft von unten, Absaugung von oben
Bei der ventilatorgestützten Fensterlüftung werden die Atem-Aerosole über einen Abluftventilator im Deckenbereich angesaugt und nach draußen geblasen. Die Frischluft strömt über ein gekipptes Fenster nach. Um Zugluft zu vermeiden, wird die Frischluft über eine geeignete Verkleidung vom gekippten Fenster nach unten geleiten und strömt bodennah in den Raum ein. Im Bereich der sitzenden Personen erwärmt sich die Frischluft durch die Körperwärme und steigt zusammen mit den ausgeatmeten Aerosolen in den oberen Raumbereich auf, wo sie dann vom Abluftventilator abgesaugt wird. „Die Luftführung folgt also bei dieser Methode dem natürlichen Strömungsverhalten der Luft. Dadurch wird eine Verwirbelung der Atem-Aerosole im Raum weitgehend verhindert und sie bewegen sich zügig in den oberen Bereich des Raumes, was aus der Sicht des Infektionsschutzes vorteilhaft ist“, sagt Schwarzbauer und ergänzt: „Diese Art der Luftführung kann auch bei anderen Lüftungssystemen sehr vorteilhaft wirken, wie zum Beispiel bei dezentrale Lüftungsanlagen“.
Titelfoto: Schwarzbauer / CFD-Strömungssimulation und Visualisierung: 3DS Dassault Systèmes
