PreprintPDF Available

Schulunterricht während der SARS-CoV-2 Pandemie -Welches Konzept ist sicher, realisierbar und ökologisch vertretbar?

Authors:
Preprints and early-stage research may not have been peer reviewed yet.

Abstract

Kindern gehört die Zukunft und damit sie die Zukunft vorausschauend und absichtsvoll gestalten können benötigen sie Bildung. Kinder haben daher das Recht auf Bildung, gemäß Artikel 29 der UN-Konvention über die Rechte des Kindes. Fachliche Bildung ist aber nicht alles, denn die Kinder müssen auch im Miteinander ihre Stärken und Schwächen erfahren und sich gegenseitig zu verantwortungs- und rücksichtsvollen Menschen erziehen, damit sie gesellschaftsfähige Persönlichkeiten werden. Nur so können sie die Zukunft auch friedlich und menschenwürdig gestalten. Daher ist der Besuch der Schule unerlässlich. Kinder haben aber auch das Recht auf Schutz und Fürsorge durch ihre Eltern und den Staat, denn auch das Wohl des Kindes ist gemäß Artikel 3 der UN-Konvention über die Rechte des Kindes vorrangig zu berücksichtigen. Die Frage ist daher, wie der Schulunterricht in Gemeinschaft während der SARS-CoV-2 Pandemie realisiert werden kann, ohne die Kinder einem unnötigen Infektionsrisiko auszusetzen. Es geht dabei nicht nur um die Kinder, denn wenn die Kinder gefährdet sind, dann sind es auch deren Eltern und die Großeltern und schließlich die gesamte Gesellschaft. Es gibt zahlreiche Konzepte, die während der Pandemie Sicherheit in Schulen versprechen. Bei der Auswahl der Konzepte müssen natürlich die Kosten im Verhältnis zum Nutzen abgewogen werden. Die Menschen erwarten zu Recht einen effizienten Mitteleinsatz. Das bedeutet, dass entweder das gesteckte Ziel mit möglichst geringen Mitteln erreicht wird oder, dass mit den verfügbaren Mitteln eine größtmögliche Annäherung an das Ziel erfolgt. Neben den finanziellen Mitteln sind aber auch die Langzeitfolgen für Staat, Wirtschaft, Bevölkerung und Umwelt unter dem Druck der Pandemie zu berücksichtigen. Auch der gesellschaftliche Zusammenhalt und die Demokratie dürfen nicht gefährdet werden. Es werden gegenwärtig verschiedene Schutzkonzepte diskutiert. Oft werden die Vorteile überhöht dargestellt und die Nachteile verschwiegen. Ferner beruhen manche Argumente auf Annahmen, die nicht zutreffen. Diese Studie verfolgt das Ziel, die wesentlichen Schutzkonzepte vergleichend zu bewerten und mit Hilfe von experimentellen Analysen nachzuweisen, inwieweit die Schutzkonzepte wirksam sind. Wir werden zeigen, dass eine vergleichsweise hohe Sicherheit vor einer Infektion in den Klassenzimmern technisch gewährleistet werden kann, ohne die Kinder mit Masken zu belasten. Gleichzeitig ist das Schutzkonzept ökonomisch sinnvoll und die Belastung für die Umwelt ist vergleichsweise gering, so dass Infektionsschutz und Klimaschutz nicht gegeneinander abgewogen werden müssen, denn Infektionsschutz und Klimaschutz sind politische und gesellschaftliche Ziele, die zusammen erreicht werden müssen. https://www.unibw.de/lrt7/schulbetrieb-waehrend-der-pandemie.pdf
Version vom 22.09.2020
1
Schulunterricht während der SARS-CoV-2 Pandemie ‒ Welches
Konzept ist sicher, realisierbar und ökologisch vertretbar?
Christian J. Kähler, Thomas Fuchs, Benedikt Mutsch, Rainer Hain
Universität der Bundeswehr München
Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik
Werner-Heisenberg-Weg 39
85577 Neubiberg
Übersicht
Kindern gehört die Zukunft und damit sie die Zukunft vorausschauend und absichtsvoll
gestalten können benötigen sie Bildung. Kinder haben daher das Recht auf Bildung, gemäß
Artikel 29 der UN-Konvention über die Rechte des Kindes [1]. Fachliche Bildung ist aber nicht
alles, denn die Kinder müssen auch im Miteinander ihre Stärken und Schwächen erfahren und
sich gegenseitig zu verantwortungs- und rücksichtsvollen Menschen erziehen, damit sie
gesellschaftsfähige Persönlichkeiten werden. Nur so können sie die Zukunft auch friedlich und
menschenwürdig gestalten. Daher ist der Besuch der Schule unerlässlich. Kinder haben aber
auch das Recht auf Schutz und Fürsorge durch ihre Eltern und den Staat, denn auch das Wohl
des Kindes ist gemäß Artikel 3 der UN-Konvention über die Rechte des Kindes vorrangig zu
berücksichtigen. Die Frage ist daher, wie der Schulunterricht in Gemeinschaft während der
SARS-CoV-2 Pandemie realisiert werden kann, ohne die Kinder einem unnötigen
Infektionsrisiko auszusetzen. Es geht dabei nicht nur um die Kinder, denn wenn die Kinder
gefährdet sind, dann sind es auch deren Eltern und die Großeltern und schließlich die gesamte
Gesellschaft. Es gibt zahlreiche Konzepte, die während der Pandemie Sicherheit in Schulen
versprechen. Bei der Auswahl der Konzepte müssen natürlich die Kosten im Verhältnis zum
Nutzen abgewogen werden. Die Menschen erwarten zu Recht einen effizienten Mitteleinsatz.
Das bedeutet, dass entweder das gesteckte Ziel mit möglichst geringen Mitteln erreicht wird
oder, dass mit den verfügbaren Mitteln eine größtmögliche Annäherung an das Ziel erfolgt.
Neben den finanziellen Mitteln sind aber auch die Langzeitfolgen für Staat, Wirtschaft,
Bevölkerung und Umwelt unter dem Druck der Pandemie zu berücksichtigen. Auch der
gesellschaftliche Zusammenhalt und die Demokratie dürfen nicht gefährdet werden. Es
werden gegenwärtig verschiedene Schutzkonzepte diskutiert. Oft werden die Vorteile überhöht
dargestellt und die Nachteile verschwiegen. Ferner beruhen manche Argumente auf
Annahmen, die nicht zutreffen. Diese Studie verfolgt das Ziel, die wesentlichen
Schutzkonzepte vergleichend zu bewerten und mit Hilfe von experimentellen Analysen
nachzuweisen, inwieweit die Schutzkonzepte wirksam sind. Wir werden zeigen, dass eine
vergleichsweise hohe Sicherheit vor einer Infektion in den Klassenzimmern technisch
gewährleistet werden kann, ohne die Kinder mit Masken zu belasten. Gleichzeitig ist das
Schutzkonzept ökonomisch sinnvoll und die Belastung für die Umwelt ist vergleichsweise
gering, so dass Infektionsschutz und Klimaschutz nicht gegeneinander abgewogen werden
müssen, denn Infektionsschutz und Klimaschutz sind politische und gesellschaftliche Ziele, die
zusammen erreicht werden müssen.
Version vom 22.09.2020
2
1. Einleitung
Schule ist nicht gleich Schule, das ergibt sich schon aus dem unterschiedlichen Alter der
Bauten und deren technischer Ausstattung. Es gibt daher auch kein einheitliches
Schutzkonzept während der SARS-CoV-2 Pandemie, welches für alle Schulen gleichermaßen
empfohlen und umgesetzt werden kann. Es gilt daher unter den jeweiligen Randbedingungen
der Schulen ein Konzept zu etablieren, das größtmögliche Sicherheit vor einer Infektion
verspricht und die ökonomischen Rahmendbedingungen und die ökologische und
gesellschaftliche Belastbarkeit beachtet. Dass der ökologische Aspekt bedeutsam ist, bedarf
keiner Erläuterung [2, 3]. Der ökonomische Aspekt ist wichtig, denn es wäre nicht
verantwortungsvoll, wenn unsere Kinder durch die aktuellen politischen Entscheidungen mit
langfristigen Belastungen in ihrem Handlungsspielraum bei der Gestaltung der Zukunft
übermäßig eingeschränkt würden. Die zu erwartenden Belastungen für die Kinder durch
Staatsverschuldung, Rentenlast, EU-Rettungsschirme, usw. ist schon jetzt erheblich,
insbesondere im Hinblick auf die alternde Gesellschaft und dem bevorstehenden Renteneintritt
der Babyboomer [4, 5]. Ferner sorgt ein verschwenderischer Umgang mit Steuergeldern stets
dafür, dass auch gesellschaftlich wenig nutzbringende Investitionen getätigt werden. Das führt
nicht nur zu unnötigen Belastungen, die den Handlungsspielraum zukünftig einschränken und
Abhängigkeiten von Finanzinstitutionen schaffen, sondern stellt auch die Legitimation der
Investition in Frage. Daher ist es ganz wesentlich, dass ein politisches Ziel entweder mit
möglichst geringem Budget erreicht wird oder dass man dem Ziel möglichst nahekommt, wenn
nicht genug Mittel zur Verfügung stehen. Zum Schutz der Bevölkerung während der Pandemie
werden aktuell drei grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten erwogen und die Zuteilung
der Mittel wird gegenwärtig im gesellschaftlichen und politischen Prozess ausgehandelt.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Mittel für die Behandlungsmethoden zur Genesung der
erkrankten Personen einzusetzen. Aufgrund der Schwere und Dauer der Infektionskrankheit
Covid-19 sind die Behandlungskosten oft hoch und für die Patienten leidvoll [6]. Da diese
Möglichkeit das Infektionsgeschehen nicht beeinflussen kann, besteht die Gefahr, dass die
Infektionszahlen während der kalten Jahreszeit rasch zunehmen und das medizinische
System unter Druck setzen, so dass eine optimale medizinische Behandlung nicht mehr
gewährleistet werden kann. Hinzu kommt, dass auch viele Patienten mit anderen
Erkrankungen bei steigenden Infektionszahlen in Mitleidenschaft gezogen werden, wenn
deren Behandlung aufgeschoben wird und ihre Versorgung unter der Last der Pandemie
leidet. Allein auf die Covid-19 Behandlung zu setzen wäre nur dann sinnvoll, wenn ein
wirksames und gut verträgliches Medikament für alle erkrankten verfügbar wäre. Dies ist aber
aktuell nicht der Fall und daher ist diese Möglichkeit derzeit nicht allein zielführend. Die
Entwicklung eines Medikaments ist aber natürlich sehr wichtig, um zukünftig einen milden
Infektionsverlauf und Heilung ohne Leid und zu geringen Kosten zu ermöglichen.
Zweitens besteht die Möglichkeit, die Schwere der Erkrankung im Falle einer Infektion mit Hilfe
eines Impfstoffes abzumildern. Dieser Weg hat sich bei vielen Infektionskrankheiten bewährt
und daher werden große Hoffnungen in die Entwicklung eines Impfstoffes gesetzt. Die
Verheißungen des „erlösenden“ Impfstoffes nehmen in den Medien teilweise religiöse Züge
an. Es muss aber betont werden, dass dieses Konzept mit zwei großen Risiken verbunden ist.
Einerseits muss die Bevölkerung eine Impfung auch wollen und praktisch umsetzen. Inwieweit
die Bevölkerung dazu bereit ist, lässt sich nicht vorhersagen. Andererseits muss ein hoch
wirksamer und gut verträglicher Impfstoff erstmal entwickelt, getestet, hergestellt und weltweit
Version vom 22.09.2020
3
verfügbar sein. Aktuell gibt es aber keinen Impfstoff, der vor einer SARS-CoV-2 Infektion
wirksam schützt. Die Entwicklung und Erprobung eines Impfstoffes ist in der Regel ein langer
Prozess, so dass dieser Weg zwar vielversprechend erscheinen mag, in der gegenwärtigen
Situation kann er aber keinen Beitrag zur Bewältigung der Pandemie leisten. Daher wäre es
fatal, allein auf einen Impfstoff zu hoffen, um der Pandemie zu begegnen. Es ist auch nicht
vorhersehbar, ob ein Impfstoff überhaupt einen umfassenden Schutz bietet oder nur zu einem
gewissen Prozentsatz schützend wirkt. Auch wenn die gegenwärtigen Erwartungen an einen
Impfstoff überhöht sind, ist die Entwicklung eines Impfstoffes natürlich sehr wichtig, denn
selbst wenn sich nicht alle impfen ließen, oder/und nur ein Teil der Impfungen zur Immunität
führen würden, würde eine Impfung zur Entlastung des medizinischen Systems beitragen und
ggf. die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Virus verzögern.
Drittens kann versucht werden, die Übertragung des Virus präventiv zu verhindern. Wenn die
Infektionszahlen über einen längeren Zeitraum hinreichend niedrig sind, dann besteht
grundsätzlich die Hoffnung, dass SARS-CoV-2 bedeutungslos wird. Diese Hoffnung gleicht
aber auch einer Erlösungsreligion, denn die dafür notwendigen gesellschaftlichen
Anstrengungen werden in einer freiheitlichen Gesellschaft nicht aufgebracht. Trotzdem ist es
in der aktuellen Situation sehr wichtig, die Zahl der Infektionen zu minimieren, um
menschliches Leid zu verhindern und die Belastungen des Gesundheitssystems und des
gesellschaftlichen, wirtschaftlichen und öffentlichen Bereiches zu reduzieren [6]. Aber wie
kann das in der Praxis umgesetzt werden?
Ein Weg besteht darin, dass alle Infizierten zu einem Zeitpunkt solange isoliert werden, bis
kein Mensch mehr infektiös ist. Selbst wenn ein Schnelltest global verfügbar wäre, der
unmittelbar und mit 100% Zuverlässigkeit nachweist, ob eine Person in Quarantäne muss oder
nicht, würde dieser Weg praktisch nicht durchführbar sein. Trotzdem wäre natürlich ein
zuverlässiger Schnelltest sehr sinnvoll, denn er könnte dazu beitragen das
Infektionsgeschehen zu verlangsamen und unnötige Quarantänezeiten zu verhindern. Daher
ist auch die Investition zur Entwicklung eines schnellen Nachweisverfahrens sinnvoll.
Ein anderer Weg besteht darin, die Infektionswege wirksam zu unterbrechen, so dass eine
Infektion nicht mehr stattfinden kann. Dieser Weg erfordert, dass die Infektionswege bekannt
sind und dass Techniken existieren, die in der Lage sind eine SARS-CoV-2 Übertragung
wirksam zu verhindern. Ferner müssen die Menschen bereit sein, die Technologien zu nutzen.
Ohne Akzeptanz in der Bevölkerung sind alle Konzepte zum Scheitern verurteilt. Auch wenn
dieser Ansatz nicht zu einem völligen Verschwinden von SARS-CoV-2 führen kann, stellt er
aktuell das wirksamste Instrument dar, um das Infektionsgeschehen und damit die Kosten für
den Staat, die Wirtschaft und die Gesellschaft einzudämmen. Das ist wichtig, denn so lässt
sich Zeit gewinnen, um ein Medikament oder einen wirksamen, sicheren und gut verträglichen
Impfstoff zu entwickeln. Da es nicht absehbar ist, wie lange die Entwicklung eines Impfstoffes
oder Medikaments dauert, wäre es fahrlässig, die einzige aktuell wirksame Schutzmöglichkeit
finanziell randständig zu behandeln, denn allein diese Technologien und deren Nutzung
bestimmen den Infektionsverlauf in den nächsten Monaten und vielleicht Jahren.
Versäumnisse in diesem Bereich führen unmittelbar zu hohen Kosten und Leid in anderen
Bereichen.
Nach gegenwärtigem Stand der Forschung wird SARS-CoV-2 hauptsächlich über Tröpfchen
und Aerosolpartikel übertragen, die beim Atmen, Sprechen, Singen, Husten oder Niesen
entstehen und über die Atemluft aus- und eingeatmet werden [7, 8, 9, 10]. Um wirksame
Version vom 22.09.2020
4
Maßnahmen zur Verhinderung einer Infektion zu etablieren, ist es zunächst sinnvoll, zwischen
einer direkten und einer indirekten Infektion zu unterscheiden. Eine direkte Infizierung kann
stattfinden, wenn viele emittierte Tröpfchen und Aerosolpartikel mit infektiösen Viren über
kurze Distanz (kleiner 1,5 m) von einer nicht infizierten Person eingeatmet werden. Je kleiner
der Abstand, umso größer ist die Virenlast und damit das Infektionsrisiko. Dies ist einfach eine
Folge der Strömungsphysik, denn mit zunehmendem Abstand vom Mund weitet sich der
ausgeatmete Luftstrahl aufgrund von Reibungseffekten auf, verlangsamt sich dabei aufgrund
der Impulserhaltung und durch überlagerte turbulente Mischungsprozesse und Diffusion wird
die Virenlast zusätzlich reduziert. Daher bieten Abstände einen sehr guten Schutz vor diesem
Übertragungsweg. Darüber hinaus spielt aber auch noch die Dauer der Belastung eine
wichtige Rolle, denn die Inhalation einer hohen Virenkonzentration für kurze Zeit ist genauso
gefährlich wie die Inhalation einer geringen Virenkonzentration über einen längeren Zeitraum.
Letztlich ist nämlich das Produkt aus Virenkonzentration × Zeit die entscheidende Größe. Ob
es zu einer Infektion kommt, hängt von der minimalen Infektionsdosis ab, also der Virenanzahl
die notwendig ist, um eine Infektion tatsächlich auszulösen [11, 12]. Die direkte Infektion kann
sowohl in Innenräumen als auch in der freien Natur auftreten. Im Außenbereich sind direkte
Infektionen allerdings sehr selten, da die konvektiven und thermischen Luftbewegungen die
gradlinige Strahlausbreitung zum Gegenüber behindern und für einen schnellen Abtransport
der Viren sorgen.
Eine indirekte Infektion kann nur dann auftreten, wenn die Virenlast im Raum multipliziert mit
der Verweildauer der Person die infektiöse Dosis übertrifft [11, 12]. Dieser Infektionsweg kann
folglich nur in Innenräumen auftreten, wenn das Raumvolumen klein ist im Verhältnis zu der
Anzahl der infizierten Personen. In großen Werk- oder Lagerhallen oder riesigen Kirchen
werden selbst viele infizierte Personen nicht in der Lage sein, eine infektiöse Virendosis im
Raum zu erzeugen und daher ist die indirekte Infektionsgefahr in diesen Räumlichkeiten
unbedeutend. Es ist klar, dass eine indirekte Infektion nicht durch Sicherheitsabstände zu
infizierten Personen verhindern werden kann, da ja die Raumluft überall mit infektiösen Viren
kontaminiert ist. Schutz vor einer Infektion kann unter diesen Bedingungen nur über kurze
Verweilzeiten erreicht werden oder technische Hilfsmittel.
Neben der direkten und indirekten Infektion über die Aerosolpartikel gibt es auch noch den
Infektionsweg über einen Kontakt. Dieser Infektionsweg wird aber bereits durch das
veränderte Sozialverhalten bei Begegnungen (Vermeidung von Händeschütteln und anderen
Berührungen) und durch die allgemeinen Hygienemaßnahmen effizient verhindert, so dass er
hier nicht weiter betrachtet werden muss. Berücksichtigen wir nur den direkten und indirekten
Infektionspfad, dann stellt sich die Frage, mit welchen Konzepten diese beiden Infektionswege
unter den Bedingungen des Schulunterrichtes wirksam verhindert werden können.
2. Wie lässt sich das Infektionsrisiko in Klassenräumen reduzieren?
Die Beantwortung der Frage erfordert zunächst ein Verständnis der wesentlichen
Schutzkonzepte und deren Vor- und Nachteile. Bei der Bewertung betrachten wir
insbesondere die Sicherheit vor einer Infektion, die Kosten der Maßnahme, die technische und
gesellschaftliche Realisierbarkeit und die Umweltverträglichkeit.
Version vom 22.09.2020
5
Schutzkonzept I: Freies Lüften, RLT Anlage und CO2 Ampel
Das einfachste Konzept besteht darin, den Schulunterricht ohne zusätzliche
Schutzvorkehrungen durchzuführen und lediglich durch das regelmäßige freie Lüften über
geöffnete Fenster für eine Reduzierung der möglichen Virenlast im Raum zu sorgen. Diese
Variante erscheint zunächst sehr kostengünstig und einfach umsetzbar, da die Klassenräume
in der Regel mit Fenstern ausgestattet sind. Es ist daher nicht verwunderlich, dass dieses
Konzept häufig sehr positiv dargestellt wird. Die praktische Umsetzung dieses Konzepts
scheint den Befürwortern Recht zu geben, denn die Infektionszahlen steigen gegenwärtig nicht
sprunghaft an. Das liegt aber nicht daran, dass dieses Konzept Sicherheit vor einer Infektion
bietet, sondern daran, dass die aktuellen Infektionszahlen in Deutschland recht gering sind
und daher Infektionen recht unwahrscheinlich sind. Wenn die Infektionszahlen im Herbst und
Winter zunehmen sollten, dann werden auch sofort die Schwächen und Risiken des Konzepts
sichtbar.
Der größte Mangel des Schutzkonzepts besteht darin, dass keinerlei Vorkehrungen zur
Verhinderung direkter Infektionen getroffen werden. Weder eine Vergrößerung der Abstände
zwischen den Schülerinnen und Schülern, noch Atemschutzmasken, Mund-Nasen-
Bedeckungen oder Gesichtsvisiere (Faceshields) werden verwendet. Darüber hinaus wird
auch die Möglichkeit, die Virenlast im Raum durch das regelmäßige freie Lüften zu reduzieren,
überschätzt. Die freie Lüftung ist physikalisch nur dann wirkungsvoll, wenn entweder ein
großer Temperaturunterschied zwischen drinnen und draußen besteht oder der Wind vor den
Fenstern weht [13, 14]. Ein Temperaturunterschied ist oft nicht vorhanden und wenn er
besteht, dann wird er beim freien Lüften schnell reduziert, so dass dieser Mechanismus meist
nur für kurze Zeit wirksam ist. Der Luftaustausch wird daher entsprechend lange dauern, wie
wir in Kapitel 3 experimentell nachweisen werden. Der Wind vor dem Fenster ist auch nur
selten stark genug, um eine ausreichende Lüftung zu gewährleisten. Da die Wirksamkeit der
freien Lüftung abhängig ist von nicht beeinflussbaren Faktoren (Temperatur, Wind,
Größe/Position der Fenster) bleibt die Frage, wie gelüftet werden soll, wenn diese
physikalischen Mechanismen nicht nutzbar sind.
Da das Lüften oft nicht effektiv funktioniert, ist es in der warmen Jahreszeit empfehlenswert,
alle Fenster während der gesamten Raumnutzungszeit sehr weit zu öffnen. Die Querlüftung
ist besonders effektiv [15], aber Fenster an gegenüberliegenden Seiten des Raumes sind
selten. Wenn in der warmen Jahreszeit selbst mit weit geöffneten Fenstern kein effizienter
Lüftungserfolg über die physikalischen Mechanismen erzielt werden kann, dann ist es
empfehlenswert in ein Fenster einen Ventilator zu stellen, der den Raum mit virenfreier
Außenluft versorgt. Der Abtransport der Viren aus dem Raum wird dann automatisch über die
anderen Fenster erfolgen. Das Absaugen der Raumluft mit einem Ventilator ist weniger zu
empfehlen, auch wenn es physikalisch zunächst sinnvoll erscheint, jedenfalls wenn die
Innenluft wärmer ist als die Außenluft. Der Grund dafür ist, dass der leichte Unterdruck im
Raum beim Absaugen dazu führt, dass auch Raumluft durch Türspalte und Lüftungskanäle
etc., aus anderen Gebäudeteilen angesaugt wird. Da diese Luft in den benachbarten Räumen
kontaminiert sein kann, ist die Druckerhöhung in dem Raum durch das Einblasen von
Außenluft aus Sicherheitsgründen empfehlenswert [15].
Das freie Lüften ist während der warmen Jahreszeiten sicher die kostengünstigste Methode,
um den Anstieg der Virenlast im Raum zu begrenzen und die indirekte Infektion zu verhindern.
Während der kalten Jahreszeit führt dieses Lüftungskonzept allerdings zu Erkältungen und
Version vom 22.09.2020
6
das Wohlbefinden der Menschen wird beeinträchtigt. Dauerlüften ist daher keine Option im
Herbst und Winter. Wird zum regelmäßigen Stoßlüften übergegangen, dann muss stets daran
gedacht werden und die Schülerinnen und Schüler müssen es auch wollen und können (in
vielen Schulen lassen sich die Fenster nicht öffnen). Ferner entsteht bei der Stoßlüftung die
Frage, in welchen Abständen und für wie lange gelüftet werden soll. Regelmäßig wird eine
CO2 Ampel als Lösung des Problems angepriesen. Es wird dabei unterstellt, dass der CO2
Wert mit der Virenlast im Raum korreliert. Diese Unterstellung ist aber falsch. Zunächst ist zu
bedenken, dass die Virenlast von der Anzahl der infizierten Personen im Raum, deren
Verweildauer und deren Aktivität abhängig ist. Wenn aus welchen Gründen auch immer
angenommen wird, dass die Virenlast in einem Raum nach t Minuten erreicht ist, sofern nur
eine einzige Person infiziert ist, dann müsste bei zwei infizierten Personen bereits nach t/2
gelüftet werden, obwohl der angenommene kritische CO2 Wert erst nach t Minuten erreicht ist.
Wenn sich noch mehr infizierte Personen in dem Raum aufhalten, dann reduziert sich die Zeit
weiter entsprechend der Anzahl N der infizierten Personen gemäß t/N. Dabei ist die Aktivität
der Personen noch nicht einmal berücksichtigt. Daher ist eine CO2 Anzeige allenfalls dann ein
grobes Maß für die Virenlast, wenn die Zahl der infizierten Personen in dem Raum bekannt
ist. Aber diese Zahl ist ja gerade unbekannt und daher ist die CO2 Ampel überhaupt kein
Indikator für eine Infektionsgefahr. Das Problem lässt sich auch mit einem anderen Beispiel
illustrieren. Wenn 10 gesunde Personen in einem Raum sind, wird sich nach einer gewissen
Zeit eine bestimmte CO2 Konzentration ergeben und die Virenlast ist Null. Wenn 5 Personen
heraustreten und dafür 5 infizierte Personen eintreten, dann wird sich am Verlauf der CO2
Konzentration kaum etwas ändern, aber die Virenlast im Raum steigt sehr schnell an und damit
das indirekte Infektionsrisiko. Der Wunsch, eine Lösung für 25 Euro pro Klassenzimmer in
Aussicht zu stellen, die Sicherheit suggeriert, ist nachvollziehbar, aber diese vermeintliche
Lösung erfüllt nicht den Zweck. Es könnte eingewendet werden, dass die Zahl der infizierten
Personen klein ist und daher zu erwarten wäre, dass sich in den meisten Klassen keine oder
allenfalls eine infizierte Person statistisch befindet. Das ist gegenwärtig sicherlich richtig,
allerdings müssen zwei Dinge berücksichtigt werden. Zum einen ist zu befürchten, dass die
derzeit niedrige Zahl der Infizierten im Winter stark ansteigen wird. Damit steigt auch die
Wahrscheinlichkeit, dass sich infizierte Personen in den Klassenräumen aufhalten. Zweitens
muss berücksichtigt werden, dass ein infiziertes Kind mit hoher Wahrscheinlichkeit andere
Kinder anstecken wird, wenn es keine ausreichenden Schutzvorkehrungen gibt. Dies lässt sich
damit begründen, dass die Kinder sehr vertraut sind und sich im Unterricht über lange Zeit
nahekommen. Es ist daher zu befürchten, dass gerade in Schulen bei ungenügendem Schutz
Superspreader Ereignisse eine große Bedeutung gewinnen werden [16].
Die CO2 Ampel ist aber äußerst nützlich, um festzustellen, ob durch das Stoßlüften ein
Lüftungserfolg zu verzeichnen ist und somit lässt sich die notwendige Lüftungsdauer ermitteln.
Ändert sich der CO2 Wert während der Stoßlüftung nicht wesentlich, dann ist zweifelsfrei klar,
dass das freie Lüften nicht funktioniert, weil entweder die Temperatur drinnen und draußen
gleich ist oder kein Wind weht. Was in diesem Fall zu tun ist, wird von den Befürwortern des
Konzepts leider nicht beantwortet.
Das wesentliche Argument, dass gegen das freie Lüften während der kalten Jahreszeit spricht,
ist aber die Verschwendung von thermischer Energie. Um Ressourcen zu schonen und die
Erderwärmung zu begrenzen, werden die Häuser aufwendig und kostenintensiv isoliert und
hoch effiziente Heizungen werden installiert. Es ist weder ökologisch noch ökonomisch
sinnvoll, erst diese Maßnahmen umzusetzen, um dann die thermische Energie aus dem
Version vom 22.09.2020
7
geöffneten Fenster herauszulassen. Die Forderung, dass die Klimaziele während der
Pandemie von nachrangiger Bedeutung sein sollen, ist nicht nachvollziehbar. Es muss doch
das Ziel sein eine Lösung zu finden, die den Infektionsschutz mit dem Klimaschutz in Einklang
bringt.
In neuen modernen Schulen kann einigen Nachteilen des freien Lüftens durch sogenannte
raumlufttechnische (RLT) Anlagen begegnet werden [17]. Wenn die Anlagen mit 100%
Außenluft betrieben werden und die Luftwechselrate pro Stunde dem sechsfachen des
Raumvolumens entspricht, dann ist der Lüftungserfolg unabhängig von der Temperatur- und
Wettersituation geregelt und es muss auch niemand an das regelmäßige Lüften denken und
es praktisch umsetzen. Insofern bieten diese Anlagen eine deutliche Verbesserung gegenüber
der freien Lüftung. Daher sollten sie auch unbedingt genutzt und wie oben beschrieben
betrieben werden, wenn sie vorhanden sind, um eine hohe Sicherheit vor einer indirekten
Infektion zu schaffen [18]. Es ist aber klar, dass diese RLT Anlagen mit 100% Außenluft und
einer Luftwechselrate von 6 pro Stunde keinen energetischen Vorteil gegenüber der freien
Lüftung bieten. Ferner ist zu bedenken, dass RLT Anlagen mit Frostwächtern ausgestattet
sind, die im Winter dafür sorgen, dass die Anlagen nicht anlaufen, wenn der Frischluftanteil
100% beträgt. Sonst könnten sie einfrieren und Schaden erleiden. Um das technische Problem
zu beheben, können die RLT Anlagen bei tiefen Temperaturen mit einem großen Umluftanteil
betrieben werden. In diesem Betriebsmodus arbeiten sie energetisch günstig, allerdings
werden sie dann zu Virenschleudern, da die Viren in der Regel nicht wirksam abgeschieden,
sondern von Raum zu Raum geleitet werden. Dieses Problem ist lange bekannt und bedarf
keiner weiteren Erläuterung [19, 20, 21, 22, 23, 24]. Der Umluftbetrieb muss daher vermieden
werden oder es müssen Filter verwendet werden, die in der Lage sind die Viren zuverlässig
abzuscheiden [17]. Oft wird argumentiert, dass die typischerweise in RLT Anlagen verbauten
Filter der Klasse F7 oder F9 auch in der Lage sind Aerosolpartikel abzuscheiden. Das ist
richtig, aber der Abscheidegrad ist nicht ausreichend. Laut Beschluss der Projektgruppe
„Labortechnik“ des Ausschusses für Biologische Arbeitsstoffe (ABAS) sind nur Filter der
Klasse H14 geeignet um Viren abzuscheiden [25]. Es wäre daher sinnvoll, Filter der Klasse
H14 in die RLT Anlagen der modernen Schulen zu integrieren, damit ein sicherer und
energetisch günstiger Umluftbetrieb während der kalten Jahreszeit möglich wird. Leider lassen
sich bestehende RLT Anlagen nicht so einfach umrüsten, da dann der Volumenstrom abnimmt
oder die Anlagen Schaden erleiden. Ob UV-C Strahlung eine sichere Lösung des Problems
bieten könnte, muss sich bei den großen Volumenströmen noch erweisen.
Es wird gelegentlich auch argumentiert, dass Luftwechselraten von 6 pro Stunde nicht
erforderlich sind und bei Luftwechselraten von 1 2 würde die RLT Anlagen auch im Winter
mit einem hohen Außenluftanteil funktionieren. Dieser Ansicht muss ausdrücklich
widersprochen werden. Luftwechselraten von 1 2 sind sicherlich ausreichend, um die CO2
Anreicherung im Raum zu begrenzen und somit ein konzentriertes Arbeiten der Schülerinnen
und Schüler zu ermöglichen. Sie sind aber bei weitem nicht ausreichend, um Schutz vor einem
gefährlichen Virus zu bieten [26]. Nicht umsonst werden Räume in Krankenhäusern, in denen
infektiöse Patienten liegen, mit Luftwechselraten zwischen 12 und 15 betrieben [26, 27, 28].
In einem Patientenzimmer wird laut DIN 1946-4 ein Mindestluftvolumenstrom von 40+100
m³/(h·Person) je Patient gefordert. Vor diesem Hintergrund anzunehmen, dass die Kinder bei
Luftwechselraten von 1 2 vor einer indirekten Infektion sicher seien, ist nicht nachvollziehbar
und geradezu fahrlässig im Hinblick auf das tödliche Risiko, das mit einer Covid-19 Erkrankung
verbunden ist. Infektionen billigend in Kauf zu nehmen führt, aber auch zu hohen Kosten für
Version vom 22.09.2020
8
das Gesundheitssystem. Die von uns empfohlene Luftwechselrate, die mindestens dem 6-
fachen des Raumvolumens pro Stunde entspricht, stellt aus unserer Sicht einen guten
Kompromiss zwischen Sicherheit und technischer Machbarkeit dar. Sollte sich erweisen, dass
dieser Wert nicht ausreicht, weil z.B. zu viele Menschen infiziert sind, dann muss er weiter
angehoben werden.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ein Schutzkonzept, das allein auf das freie
Lüften vertraut, nur ein Minimum an Sicherheit vor einer Infektion bietet. Das Konzept bietet
keinerlei Schutz vor einer direkten Infektion, obwohl diese am wahrscheinlichsten ist. Das ist
die größte Schwäche des Konzepts. Das freie Lüften durch dauerhaft geöffnete Fenster oder
mit RLT Anlagen, die 100% Außenluft mit einer Luftwechselrate von 6 pro Stunde zuführen,
ist während der warmen Jahreszeit sinnvoll, um wenigstens das indirekte Infektionsrisiko zu
minimieren. Im Winter ist das freie Lüften aber energetisch ungünstig. Ferner ist zweifelhaft,
ob überhaupt die Bereitschaft besteht regelmäßig zu lüften. Ferner ist völlig unklar, wie
regelmäßig gelüftet werden muss, da ja die Anzahl der infizierten Personen nicht bekannt ist.
RLT Anlagen bieten im Winter keinen energetischen Vorteil, wenn sie mit 100%
Außenluftanteil und sechsfacher Luftwechselrate pro Stunde betrieben werden. Wenn sie im
Umluftbetrieb laufen, dann kann viel Energie eingespart werden, allerdings werden die
Anlagen in diesem Betriebsmodus zu Virenschleudern und gefährden die Sicherheit der
Kinder. Das lässt sich nur durch die Integration eines Filters der Klasse H14 verhindern, der
die Aerosolpartikel und damit die Viren beim einmaligen Durchströmen der Luft zu 99,995%
abscheidet. Alternativ können auch andere Technologien genutzt werden (UV-C,
Ionisation,…), aber es muss sichergestellt sein, dass diese Technologien in der Lage sind
99,995% der Viren beim einmaligen Gerätedurchlauf zu inaktivieren. Wird die enorme
Energieverschwendung des Konzepts zur Verhinderung von indirekten Infektionen in der
kalten Jahreszeit berücksichtigt und die Tatsache, dass jede direkte Infektion, die hier billigend
in Kauf genommen wird, mit erheblichen Kosten verbunden ist, dann ist nicht nachvollziehbar,
warum dieses unsichere, unangenehme sowie ökonomisch und ökologisch bedenkliche
Konzept so viel Unterstützung erfährt in der aktuellen Diskussion.
Schutzkonzept II: Sicherheitsabstände
Ein Vorschlag, der immer wieder gemacht wird, besteht darin, die Abstände zwischen den
Kindern im Klassenraum zu vergrößern, um das Infektionsrisiko zu senken. Es besteht kein
Zweifel daran, dass eine direkte Infektion über die Atemwege über kurze Distanz zu einer
SARS-CoV-2 Infektion führen kann. Es ist auch erwiesen, dass die direkte
Infektionswahrscheinlichkeit mit dem Abstand reduziert wird und bei großen Abständen
(größer 3 m) faktisch nicht mehr auftreten kann. Große Sicherheitsabstände bieten daher
einen sehr wirksamen Fremd- und Eigenschutz vor einer direkten Infektion.
Ein gravierender Nachteil des Schutzkonzepts besteht aber darin, dass in den Klassenräumen
praktisch keine ausreichenden Sicherheitsabstände realisiert werden können, da die
entsprechenden Räumlichkeiten nicht zur Verfügung stehen. Eine Verdoppelung der Abstände
zwischen den Kindern und Jugendlichen in beide Raumrichtungen würde eine Vervierfachung
der benötigten Klassenraumfläche erfordern. Der Mangel an Klassenräumen könnte durch
einen Schulbetrieb in vier Schichten zwar theoretisch gelöst werden, allerdings fehlen dafür
die Lehrkräfte und deren Ausbildung und Einstellung wäre mit immensen Kosten verbunden.
Version vom 22.09.2020
9
Ein weiterer wesentlicher Nachteil des Konzepts besteht darin, dass Abstände alleine in einem
geschlossenen Raum keine Sicherheit vor einer SARS-CoV-2 Infektion gewährleisten können.
Da die Virenlast in einem Raum mit der Anzahl der infizierten Personen und deren
Aufenthaltsdauer und Aktivität abhängt, müssen zusätzlich Maßnahmen ergriffen werden, um
die Virenlast in der Raumluft zu begrenzen, da sonst indirekte Infektionen auftreten können.
Der indirekten Infektionsgefahr kann durch das freie Lüften oder RLT Anlagen in der warmen
Jahreszeit begegnet werden, wie bereits ausgeführt, da alle Fenster weit geöffnet werden
können oder die RLT Anlage mit 100% Außenluft und einer Luftwechselrate von mindestens
6 pro Stunde betrieben werden können. Auf die Probleme während der kalten Jahreszeit wurde
bereits ausführlich eingegangen.
Es lässt sich daher feststellen, dass das Konzept der Sicherheitsabstände weder sicher, noch
praktisch umsetzbar und schon gar nicht finanzierbar ist. Die Notwendigkeit des freien Lüftens
lässt das Konzept auch aus ökonomischer und ökologischer Perspektive als nachteilig
erscheinen während der kalten Jahreszeit. Die einzige Möglichkeit, dieses Konzept zu
realisieren besteht darin, die Schülerinnen und Schüler häuslich zu beschulen. Dieser Weg ist
aber aus mehreren Gründen nicht empfehlenswert. Einerseits vermittelt die Schule nicht nur
Bildung, sondern sie leistet auch einen sehr großen Beitrag, um die Kinder gesellschaftsfähig
zu machen. Eine online Beschulung oder Unterricht durch die Eltern kann das nicht leisten.
Ferner ist die Beschulung durch die Eltern höchst ineffizient. Einerseits sind sie in der Regel
keine Pädagogen, die wirklich zu einer Stoffvermittlung befähigt sind. Darüber hinaus verfügen
nicht alle Eltern über das nötige Fachwissen. Dies würde zu einer großen
Bildungsungerechtigkeit führen. Zu berücksichtigen ist aber auch, dass viele Eltern bereits
durch ihren Beruf oder familiäre Tätigkeiten ausgelastet sind. Jetzt diese wertvolle
Arbeitsleistung abzuziehen, um die Kinder im Einzelunterricht zu unterrichten, ist nicht nur
aufgrund der nötigen Einarbeitung in den Lehrstoff und der schlechteren Stoffvermittlung
höchst ineffizient und daher ökonomisch nachteilig. Bedenkt man zusätzlich, dass in der
Schule eine Lehrkraft 20 ‒ 30 Kinder unterrichtet, dann ist es bestimmt nicht sinnvoll zu einem
System überzugehen, bei dem das Verhältnis 1:1 ist. Ein häusliches Schutzkonzept kann zwar
eine hohe Sicherheit vor einer SARS-CoV-2 Infektion bieten, aber die Nachteile für die Kinder,
die Eltern, die Wirtschaft und die Gesellschaft sind viel zu groß.
Schutzkonzept III: Nutzung von FFP2/3 Masken im Unterricht
Eine direkte und indirekte Infizierung kann mit Hilfe von hochwertigen partikelfiltrierenden
Atemschutzmasken (FFP2/3 oder besser) wirksam verhindert werden, da diese
Atemschutzmasken Tröpfchen und Aerosolpartikel beim Ein- und Ausatmen bis zu einer
festgelegten Größenklasse zuverlässig abscheiden, wenn sie fest und dicht am Gesicht
anliegen [29, 30]. Werden diese Masken ohne Auslassventil verwendet, dann sind keine
großen Sicherheitsabstände zwischen Personen erforderlich, um eine direkte Infektion zu
verhindern. Darüber hinaus muss nichts unternommen werden, um indirekte Infektionen durch
eine erhöhte Virenlast im Raum zu unterbinden, da partikelfiltrierende Atemschutzmasken
auch vor diesem Übertragungsweg sicher schützen [29, 30].
Die Schutzfunktion dieser Masken wird gelegentlich angezweifelt, weil sie nicht 100% dicht
sind. Fakt ist, dass partikelfiltrierende Atemschutzmasken zum Arbeitsschutz in
Krankenhäusern, Laboratorien, Isolierstationen, OP-Sälen und sehr vielen technischen
Arbeitsbereichen gehören, in denen mit Feinstaub und gesundheitsschädlichen Stoffen
Version vom 22.09.2020
10
gearbeitet wird (z.B. Schleifen, Schweißen, Löten). Das Argument, dass die SARS-CoV-2
Viren nicht zuverlässig abgeschieden werden könnten, weil die Viren kleiner als 0,16 μm sind,
ist auch nicht richtig, denn SARS-CoV-2 wird ja über Tröpfchen oder Tröpfchenkerne
übertragen und diese sind deutlich größer als einzelne Viren und können von geeigneten
partikelfiltrierenden Masken recht zuverlässig abgeschieden werden [30]. Es ist auch zu
berücksichtigen, dass ganz kleine Aerosolpartikel oft keine Viren tragen und selbst wenn sie
ein Virus mit sich führen, müssten sehr viele dieser sehr kleinen Aerosolpartikel eingeatmet
werden, um eine Infektion hervorzurufen [31]. Schätzungen gehen davon aus, dass eine Dosis
von mindestens 500 2000 Viren erforderlich ist, um eine SARS-CoV-2 Infektion auszulösen
[11, 12]. Würden in einem Klassenraum alle Personen diese Masken tragen, dann gebe es
einen doppelten Schutz. Einerseits werden kaum Viren von einer infizierten Person in die
Raumluft gelangen. Andererseits könnten die wenigen Viren, die es in die Raumluft schaffen,
kaum die Maskenbarriere einer nicht infizierten Person überwinden. Daher kann davon
ausgegangen werden, dass dieses Schutzkonzept ein sehr hohes M an Sicherheit vor einer
SARS-CoV-2 Infektion bietet.
Ein wesentlicher Nachteil der partikelfiltrierenden Masken ohne Ventil besteht darin, dass sie
die Atmung erschweren und das Tragen kann auf Dauer unangenehm sein. Um eine
Überbeanspruchung der Träger zu verhindern, sollten sie nur für maximal 3 × 75 Minuten am
Tag getragen werden, wobei alle 75 Minuten eine Tragepause von mindestens 30 Minuten
empfohlen wird [32]. Für Schulen sind sie daher kaum geeignet, um dauerhaft Schutz zu
bieten.
Es ist aber auch zu berücksichtigen, dass diese Masken nicht nur die Atmung erschweren und
teilweise unbequem sind, sondern dass sie auf Dauer auch nennenswerte Kosten
verursachen. Verwendet eine Schulklasse mit 25 Kindern täglich FFP2/3 Atemschutzmasken
für einen Stückpreis von 4 Euro, dann ergäbe sich bei 200 Schultagen im Jahr eine Summe
von 20000 Euro pro Klasse und Jahr oder 800 Euro pro Kind im Jahr. Neben diesen Kosten
ist noch zu berücksichtigen, dass die Masken viel Müll produzieren, dessen Verarbeitung
weiter Kosten verursacht.
Es bleibt festzustellen, dass fest und dicht am Gesicht anliegende FFP2/3 Atemschutzmasken
zwar einen sehr guten Schutz vor einer direkten und indirekten Infektion bieten, aber das
dauerhafte Tragen wirkt sich nachteilig auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der
Trägerinnen und Träger aus. Daher ist das Konzept nicht wirklich umsetzbar. Ferner ist das
Tragen von Atemschutzmasken weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll. Es muss aber
betont werden, dass diese Atemschutzmasken unbedingt getragen werden müssen, sobald
die Kinder ihren Platz verlassen und durch die Klasse oder Schule gehen oder morgens oder
nach der Pause zu ihrem Platz gehen. Die Tragedauer ist dann minimal und der mobile Schutz
vor einer Tröpfchen- und Aerosolpartikelinfektion maximal.
Schutzkonzept IV: Raumluftreiniger + Mund-Nasen-Bedeckung / Gesichtsvisier
Aktuell werden vermehrt Konzepte diskutiert, die Raumluftreiniger oder Entkeimungsgeräte
zum Schutz vor einer indirekten Infektion nutzen und individuelle Schutzvorkehrungen
vorsehen, um den direkten Infektionspfad zu verhindern. Raumluftreiniger mit Filtern der
Klasse H14 und Entkeimungsgeräte mit elektrostatischer Filterung, UV-C und
Ionisationseinheit wurden in zwei Studien analysiert, um deren Wirksamkeit zu überprüfen [33,
34]. Das wesentliche Ergebnis der Studie ist, dass die Virenlast im Raum sehr schnell
Version vom 22.09.2020
11
abgebaut wird und die Verweildauer der Viren nach der Freisetzung kurz ist, wenn drei
Kriterien erfüllt sind:
1. Der Volumenstrom der Geräte muss mindestens dem sechsfachen des Raumvolumens
pro Stunde entsprechen. Für einen 80m² großen Raum mit einem Volumen von 200 m³
muss das Gerät folglich mindestens 1200 m³/h leisten. Geringe Luftwechselraten mögen
ausreichen, um weitgehend gefahrlose Kontaminationen wie CO2, Pollen oder Feinstaub
aus der Raumluft zu beseitigen, aber für die schnelle und sichere Entfernung gefährlicher
Viren sind deutlich höhere Luftwechselraten erforderlich. Eine Luftwechselrate vom
sechsfachen des Raumvolumens pro Stunde stellt bereits ein Kompromiss zwischen
Sicherheit und technischer Realisierbarkeit dar. In Krankenhäusern oder Laboratorien, in
denen die Raumluft mit gefährlichen Viren kontaminiert ist, werden üblicherweise
Luftwechselraten von 12 15 gefordert [26, 27, 28]. Wenn sich herausstellt, dass eine
Luftwechselrate von 6 pro Stunde nicht ausreichen sollte, weil z.B. die Anzahl der
Infizierten pro Raum im Mittel groß ist, dann müssen höhere Luftwechselraten umgesetzt
werden. Es ist auch zu bedenken, dass die am Gerät gewählte Luftwechselrate nur dann
der tatsächlichen Luftwechselrate entspricht, wenn eine gute Luftdurchmischung im Raum
vorhanden ist.
2. Der Filter muss bei dem benötigten Volumenstrom eine Filterleistung nach der EN 1822-1
aufweisen, um 99,995% der Aerosolpartikel ab einem Durchmesser von 0,1 0,3 μm
abzuscheiden oder die Viren müssen mit dieser Effektivität beim einmaligen Durchlauf
durch das Gerät mittels UV Strahlung oder elektrischen Ladungen inaktiviert werden. Die
beim Atmen, Sprechen, Singen und Husten erzeugten Tröpfchen und die sich daraus
durch Verdunstung bildenden Tröpfchenkerne sind nur bis zu wenigen Mikrometern groß
und daher können sie nur mit wirklich hochwertigen Filtern der Klasse H14 nahezu
vollständig und effizient abgeschieden werden [25]. Das Argument, dass dieser
Abscheidegrad auch mit einem einfachen Filter durch Mehrfachfilterung erreicht werden
kann, konnte in früheren Versuchen nicht bestätigt werden [33]. Dieses Argument ist aber
auch nicht zielführend, da dieser Ansatz eine Verdoppelung oder sogar Vervielfachung der
geforderten Luftwechselrate erfordern würde, um eine vergleichbare Sicherheit vor einer
Infektion zu erreichen, wie sie mit einem Filter der Klasse H14 beim einmaligen
Durchströmen erreicht wird. Das ist technisch kaum realisierbar und die Behaglichkeit im
Raum würde unter dem Lärm und dem Luftzug leiden.
3. Das Gerät muss hinreichend geräuscharm sein, damit es im Betrieb nicht stört. Stört der
rm, dann besteht die Gefahr, dass das Gerät ganz abgeschaltet oder nicht mit dem
erforderlichen Volumenstrom betrieben wird. Eine hohe Sicherheit vor einer indirekten
SARS-CoV-2 Infektion ist dann nicht gegeben. Die Lautstärke der Geräte ist in der Regel
abhängig von deren Größe. Geräte mit großen Lüftern sind leise und kleine Geräte mit
hohen Drehzahlen sind bei gleichem Volumenstrom laut.
Kleine und günstige Geräte erfüllen diese drei Forderungen in der Regel nicht. Daher können
die meisten dieser Geräte auch keine hohe Sicherheit vor einer SARS-CoV-2 Infektion bieten.
Vermeidliche Qualitätssiegel, die viele günstigen und kompakten Geräte aufweisen, wie HEPA
Filter, suggerieren zwar Sicherheit, bieten sie aber nicht, denn es kommt auf die Filterklasse
nach dem Filterstandard EN 1822-1 an. Zertifikaten mit kryptischen Schriftzeichen sollte nicht
vertraut werden und Beteuerungen, dass ausländische Zertifizierungen oder andere
Vorschiften dem EN 1822-1 Standard entsprechen, sollte keinen Glauben geschenkt werden.
Namhafte Hersteller mögen vertrauenswürdig erscheinen, aber letztlich kommt es auf die
Version vom 22.09.2020
12
technischen Daten des Gerätes an und nicht auf den Ruf des Herstellers. Wichtig ist, dass
beim Kauf solcher Geräte unbedingt auf die drei zuvor genannten Kriterien geachtet wird. Nur
wenn die drei Kriterien erfüllt sind, bieten die Geräte einen sehr guten Schutz vor einer
indirekten SARS-CoV-2 Infektion in Schulen und anderen Umgebungen. Ob die Angaben in
den Datenblättern stimmen, ist allerdings nicht nachprüfbar.
Ein wesentlicher Vorteil der Raumluftreiniger und Entkeimungsgeräte besteht darin, dass sie
dauerhaft für eine geringe Virenlast im Raum sorgen, ohne sich um das Öffnen von Fenstern
kümmern zu müssen und ohne, dass sie das Wohlbefinden im Raum beeinträchtigen. Ferner
sorgen sie im Gegensatz zur freien Lüftung mit Fenstern auch dafür, dass eine wirkliche
Reduzierung oder Inaktivierung der Virenlast erfolgt, was durch geöffnete Fenster oft nicht
gewährleistet werden kann. Sie bieten auch gegenüber fest in Gebäuden integrierten RLT
Anlagen, die ohne oder mit einem geringen Außenluftanteil betrieben werden, den Vorteil,
dass die Viren wirklich abgeschieden oder inaktiviert werden und nicht über Lüftungsschächte
im Gebäude verteilt werden. Gelegentlich wird der Vorwurf erhoben, dass die Raumluftreiniger
und Entkeimungsgeräte „Virenschleuderndarstellen. Das trifft auf einfache Geräte mit
schlechten Filtern sicherlich zu. Geräte mit Filtern der Klasse H14 können aber keine
Virenschleudern sein, denn der Filter scheidet ja nahezu alle Aerosolpartikel ab. Die Annahme,
dass der Filter durchlässig ist für Viren oder dass sich Teile vom Filter ablösen, sind schlichte
Unterstellungen, denn der Filter wäre kein Filter, wenn er die Aerosolpartikel, Viren, Bakterien,
Pollen und den Feinstaub nicht sicher abscheiden könnte. Daher werden diese Filter ja auch
in Krankenhäusern und Laboratorien eingesetzt. In dem Beschluss 16/2010 des ABAS vom
02.12.2010 steht unmissverständlich die Forderung zur Abscheidung von Viren: Die HEPA-
Filter sollten mindestens der Klasse H14 nach DIN EN 1822-1 entsprechen. Auf Grundlage
der Gefährdungsbeurteilung können beim Vorliegen besonderer Gründe, wie z.B. bei
ausschließlich bakteriologischen Arbeiten, auch H13-Filter in Frage kommen[25].
Als Ergebnis der wissenschaftlichen Untersuchungen [33, 34] steht fest, dass Raumluftreiniger
und Entkeimungsgeräte mit einem Volumenstrom pro Stunde, der mindestens dem
sechsfachen des Raumvolumens entspricht, und hochwertigen Filtern der Klasse H14 eine
sehr sinnvolle technische Lösung darstellen, um in Klassenzimmern die indirekte
Infektionsgefahr durch Aerosole stark zu verringern. Sie können auch in Gebäuden mit
leistungsschwachen RLT Anlagen unterstützend eingesetzt werden. Auch im Winter, wenn die
RLT Anlagen keine großen Volumenströme mit Außenluft realisieren können, können
Raumluftreiniger und geeignete Entkeimungsgeräte ergänzend eingesetzt werden, um die
gewünscht Sicherheit vor einer indirekten Infektion zu gewährleisten. Bei der Aufstellung der
Geräte ist lediglich darauf zu achten, dass der Ansaugbereich des Gerätes nicht zugestellt
wird und die Decke möglichst eben ist, so dass eine gute Luftausbreitung gewährleistet werden
kann [33].
Es ist aber zu beachten, dass Raumluftreiniger und Entkeimungsgeräte nur geeignet sind, das
indirekte Infektionsrisiko zu minimieren. Daher müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen
werden, um auch das direkte Infektionsrisiko zu verhindern. Für die Verhinderung direkter
Infektionen bieten sich Mund-Nasen-Bedeckungen, OP Masken oder transparente
Gesichtsvisiere an. Diese Vorkehrungen bewirken, dass die Ausbreitung der ausgeatmeten
Luft nach vorne stark begrenzt wird [29, 31]. Daher bieten sie beim Gespräch von Angesicht
zu Angesicht einen guten Fremdschutz, selbst wenn dabei gehustet wird. Es ist allerdings zu
bedenken, dass diese technischen Hilfsmittel die Aerosolpartikel nicht nennenswert aus der
Version vom 22.09.2020
13
Atemluft herausfiltern, weil einerseits die Filterwirkung des Materials zu schlecht ist und
andererseits, weil die Masken nicht fest genug oder überhaupt nicht mit dem Gesicht
abschließen. Da die Strömung im Wesentlichen den Weg des geringsten Widerstands folgt,
tritt die Luft beim Atmen primär durch die Spalte am Maskenrand ein und aus. Bei der Mund-
Nasen-Bedeckung ist das zur Seite und damit zum Sitznachbarn [30]. Daher bieten Mund-
Nasen-Bedeckungen in der Klassenraumsituation weder einen nennenswerten Fremd- noch
einen Eigenschutz. Folglich ist diese Schutzmethode nicht empfehlenswert, wenn Personen
über längere Zeit direkt neben einander sitzen.
Mund-Nasen-Bedeckungen und OP Masken sind aber nicht nur aufgrund des seitlichen
Austretens der Atemluft unsicher, sondern auch weil sie selten richtig aufgesetzt werden. Oft
ist in der Praxis die Nase nicht bedeckt und die Spalte am Gesicht sind viel zu groß. Darüber
hinaus werden sie beim längerem Tragen als lästig empfunden, weil das Material oft juckt oder
drückt und bei Feuchtigkeit unangenehm ist. Diese Reizungen und Komfortnachteile können
nicht nur das Wohlbefinden vermindern, sondern auch die Aufmerksamkeit für das
Unterrichtsgeschehen.
Bei einem Gesichtsvisier wird die Atemluft primär nach unten und teilweise nach oben
umgelenkt. Das ist unter Berücksichtigung der Sitzanordnung in den Klassenräumen als
sicherer zu bewerten als ein seitliches Austreten der Atemluft. Kürzlich wurden in einer
Veröffentlichung die Gesichtsvisiere als unsicher bewertet, weil die Atemluft trotz des
Gesichtsvisieres nennenswert nach vorne austrat [35]. Es ist allerdings zu betonen, dass die
Gesichtsvisiere während der Experimente stark nach vorne geneigt waren und daher nicht
korrekt aufgesetzt wurden. Die Gesichtsvisiere haben auch den großen Vorteil gegenüber
Mund-Nasen-Bedeckungen und OP Masken, dass sie angenehmer zu tragen sind und die
Gesichtsmimik sichtbar ist. Trotzdem sind Gesichtsvisiere im Unterrichtsbetrieb unpraktisch,
da sie das Neigen des Kopfes behindern. Dadurch wird die Bewegungsfreiheit am Platz
eingeschränkt und gerade beim Schreiben kann es zu Behinderungen durch das
Gesichtsvisier kommen. Daher kann auch dieses Schutzkonzept zwar als sicherer eingestuft
werden als Schutzkonzept I und es ist trotz der Investitionskosten für den Raumluftreiniger von
2000 bis 4000 Euro und der Gesichtsvisiere auch günstiger als die anderen Konzepte, weil die
Zahl der direkten Infektionen vermindert wird, verglichen mit dem Schutzkonzept I, keine
Energie durch Fenster oder RLT Anlagen verschwendet wird, wie bei Schutzkonzept I und II
und weil auch keine teuren Masken zu beschaffen sind, wie im Falle des Schutzkonzeptes III.
Aber eine wirkliche Normalität des Schulbetriebs kann auch mit diesem Konzept nicht auf
Dauer hergestellt werden, weil die Nutzung der Gesichtsvisiere zu sehr einschränkt und
behindert.
Schutzkonzept V: Raumluftreiniger + transparente Schutzwände
Wenig Beachtung hat bislang ein Konzept gefunden, dass die indirekte Infektion mit einem
Raumluftreiniger oder Entkeimungsgerät minimiert und die direkte Infektion zwischen
benachbarten Kindern über transparente Zwischenwände realisiert, die sich einfach am Tisch
montieren lassen. Die Vorzüge der Raumluftreiniger und Entkeimungsgeräte wurden bereits
ausführlich geschildert. Auch die Nachteile, die sich ergeben, wenn bei der Anschaffung nicht
auf die drei wichtigen Kriterien geachtet wird, wurden klar benannt. Eine Frage, die bleibt, ist,
ob diese Raumluftreiniger auch das indirekte Infektionsrisiko wirksam begrenzen können,
wenn die Klassenräume mit Tischen und Stühlen, Personen mit Rucksäcken etc. aufgefüllt
sind. Nur wenn dies gewährleistet ist, können Raumluftreiniger und Entkeimungsgeräte einen
Version vom 22.09.2020
14
sinnvollen Beitrag zum Infektionsschutz in Schulen leisten. Ferner ist die Frage, wie der direkte
Infektionsschutz im Unterricht realisiert werden kann ohne die geschilderten Nachteile von
Mund-Nasen-Bedeckungen, OP Masken und Gesichtsvisieren.
Den wirksamsten Schutz vor einer direkten Infektion bieten feste Trennwände zwischen
benachbarten Personen, da sie für Aerosolpartikel und Viren völlig undurchlässig sind. Wenn
diese Trennwände ausreichend groß dimensioniert sind, dann ist es auch sehr
unwahrscheinlich, dass die ausgeatmete Luft aufsteigt, über die Begrenzung strömt und dann
am Nachbarplatz niedersinkt. Somit bieten Trennwände den bestmöglichen Schutz zwischen
benachbarten Personen im Klassenzimmer. Die Tischnachbarn können sich durch die
Schutzwand beliebig nahekommen und auch direkt unterhalten und anhusten ohne sich zu
infizieren. Ferner stören die Zwischenwände die Arbeitsweise der Schülerinnen und Schüler
nicht, die Mimik ist sichtbar und der Raum ist vollständig einsehbar, sofern die Schutzwände
aus transparentem Plexiglas ausgeführt werden. Werden die Trennwände gut dimensioniert
und ausgeführt, dann stellen sie auch im Brandfall kein Problem dar, weil die Fluchtmöglichkeit
kaum eingeschränkt wird.
Ein Nachteil dieser Wände besteht darin, dass beim direkten Gespräch zwischen den
Tischnachbarn von Angesicht zu Angesicht die Luftströmung längs der Wand strömt, am Ende
ablöst und dann weiter auf die nächste Sitzreihe zuströmt. Durch eine Aufstellung der Tische
in Form eines U lässt sich das Problem vollständig beheben. Aber was ist, wenn der Platz im
Klassenraum für diese Anordnung nicht ausreicht? Wenn die transparente Trennwand mit
einer umlaufenden Kannte versehen wird, die ca. 30 mm auf beiden Seiten übersteht, dann
wird die sich entlang der Wand ausbreitende Luft durch diese Begrenzung um 90° umgelenkt
und es bildet sich ein Wirbel, der an der Position verbleibt, bis er vom Raumluftreiniger
angesaugt wird. Diese einfache Schutzvorkehrung kann das Infektionsrisiko auch für die
Personen auf den benachbarten Sitzreihen vermindern. Zusätzlich sollte der Abstand
zwischen den Sitzreihen maximiert werden, so dass auch in Blickrichtung zur Lehrkraft nicht
die Personen in den vorderen Reihen einem erhöhten Infektionsrisiko ausgesetzt werden.
Das Schutzkonzept, bestehend aus Raumluftreiniger plus Schutzwand, erscheint
aussichtsreich, da es Sicherheit vor einer direkten und indirekten Infektion verspricht, ohne
dass die Kinder während des Unterrichts lästige Masken tragen müssen. Masken sind nur
dann erforderlich, wenn die Kinder ihren Platz verlassen und durch die Schule gehen. Die
Mimik der Kinder und Jugendlichen wäre somit im Unterricht erkennbar und der Raum
erscheint transparent. Durch dieses Konzept werden aber auch Allergiker weniger
Beschwerden haben, da auch Pollen und Feinstaub abgeschieden werden und eine Infektion
mit anderen Infektionskrankheiten wird ebenfalls reduziert. Die Anschaffungs- und
Betriebskosten sind vergleichsweise gering und es wird keine Energie verschwendet oder Müll
produziert, so dass dieses Konzept auch aus ökonomischer und ökologischer Perspektive
vorteilhaft ist. Ferner lässt sich das Konzept leicht umsetzen und es schafft eine hohe
Sicherheit ohne menschlichen Einsatz. Da es in Deutschland viele Produzenten solcher
Geräte gibt, kann davon ausgegangen werden, dass die Geräte auch in großen Stückzahlen
verfügbar sind. Darüber hinaus würde eine Nutzung dieser Geräte nicht nur für Sicherheit in
den Klassenräumen und Büros sorgen, sondern auch Arbeitsplätze in Deutschland sichern.
Wenn sich die Technologie in unseren Schulen bewährt, dann ist es wahrscheinlich, dass auch
andere Länder diesen Weg nachahmen und die Technologie vielleicht sogar in Deutschland
kaufen. Die positiven Aspekte für die Wirtschaft und Beschäftigung sind offensichtlich. Da
Version vom 22.09.2020
15
dieses Konzept aber weit weniger analysiert wurde als die anderen Schutzkonzepte, muss für
eine abschließende Bewertung zunächst die Wirksamkeit der Schutzeinrichtungen in einer
generischen Klassenraumsituation nachgewiesen werden.
4. Versuchsaufbau und Durchführung der Konzentrationsmessungen
Um das Schutzkonzept, bestehend aus Raumluftreiniger und Schutztrennwand, für den
Schulbetrieb zu qualifizieren, wurde ein 80 m2 großer generischer Klassenraum mit einem
Raumvolumen von 200 m³ und 24 Sitzplätzen mit Tischen aufgebaut. Die Anordnung ist in
Abbildung 1 schematisch dargestellt.
Abbildung 1: Anordnung der Komponenten im Raum für die Konzentrationsmessungen
Zwei der Sitzlätze sind nicht ausgeführt, da dort das Laser Messsystem installiert wurde, um
die Konzentration der Aerosolpartikel zu bestimmen. Da die Abnahme der
Aerosolkonzentration im Raum gemäß [33, 34] nur sehr geringfügig von der Position abhängt,
Version vom 22.09.2020
16
wurde für die Untersuchungen nur ein Messgerät verwendet. Zusätzlich wurde aber noch in
den Ecken des Raumes die Partikelanzahl mit einem Analysator bestimmt, um nachzuweisen,
dass die Partikelkonzentration im Raum homogen ist.
Der Raumluftreiniger (TROTEC TAC V+) wurde dicht am Pulttisch positioniert und mit einem
Volumenstrom von 1200 m³/h betrieben, um eine nominelle Luftwechselrate von 6 pro Stunde
zu erreichen. Die tatsächliche Luftwechselrate kann niedriger sein, wenn die Raumluft sehr
ruhig ist. Ferner wurde eine Messung mit ausgeschaltetem Raumluftreiniger als Referenz
analysiert (0 m³/h) und ein Vergleichsfall mit 1000 m³/h. Darüber hinaus wurde zum Vergleich
analysiert, wie schnell die Konzentration abnimmt, wenn nur eine 2,05 m hohe und 0,89 m
breite Tür maximal geöffnet wird. Diese Messung verdeutlicht, wie effektiv die freie Lüftung
funktioniert wenn der Temperaturunterschied zwischen drinnen und draußen gering ist und vor
der Tür kein Wind weht. Neben der Konzentrationsmessung wurde auch der CO2 Gehalt in der
Luft, die Temperatur und die relative Luftfeuchte in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.
Während der Versuche, mit 13 Personen im Raum, ist die Temperatur um ca. C gestiegen
und die CO2 Konzentration von 0,08% auf 1,7%.
Aus dem zeitlichen Verlauf der Aerosolpartikelanzahl im Messvolumen kann die
Abklingkonstante, die Halbwertszeit und die mittlere Verweilzeit der Aerosolpartikel im Raum
ermittelt werden [13, 14]. Der Wert der Abklingkonstante entspricht theoretisch genau der
Luftwechselrate. Die Halbwertszeit ist ein Maß dafür, wie lange es dauert, bis sich die Anzahl
der Aerosolpartikel an der betrachteten Messposition um 50% reduziert hat. Die mittlere
Verweildauer ist die Zeit, die die freigesetzten Aerosolpartikel im Mittel benötigen, um von der
jeweiligen Messposition bis zum Abscheidungsort im Entkeimungsgerät zu gelangen.
Aufgrund des großen Abstandes zwischen Raumluftreiniger und Messsystem, ist der
gemessene Wert nahe am Maximalwert, d.h. die Konzentrationen wurden am ungünstigsten
Ort gemessen. Je geringer der Abstand der Personen, umso geringer wird auch die Verweilzeit
der freigesetzten Aerosolpartikel im Raum sein, bis sie abgeschieden oder die Viren inaktiviert
werden.
Zur Ermittlung der zeitlichen Abnahme der Aerosolpartikel in der Raumluft wurde der Raum
zunächst homogen mit sehr langlebigen Di-2-ethylhexyl-sebacat (DEHS) Aerosolpartikeln mit
einer Größenverteilung zwischen 0,1 2 μm und einem mittleren Durchmesser von ca. 1 μm
vernebelt [36]. Die Größenverteilung der Aerosolpartikel ist vergleichbar mit den beim Atmen,
Sprechen und Singen emittierten Aerosolpartikeln [37, 38, 39]. Die Aerosolpartikel wurden mit
einem Litron Nano L 200-15 PIV Nd:YAG Doppelpulslaser beleuchtet und mit einer PCO.edge
5.5 sCMOS Kamera mit 50 mm Zeiss Objektiv digital gespeichert. Die Kamera und der Laser
wurden mit der Software DAVIS von LaVision zentral angesteuert. Die Aufnahmerate betrug
bei den Messungen 1 Hz. Die Anzahl der Partikelbilder auf dem Sensor entspricht der Anzahl
der Aerosolpartikel im beleuchteten Messvolumen. Wird für die Messung der Raumluftreiniger
eingeschaltet, dann ergibt sich als Ergebnis der Messungen die Anzahl der Aerosolpartikel im
Messvolumen in Abhängigkeit von der Zeit. Abbildung 2 (links) zeigt in einer verzerrten
Panoramaaufnahme die Versuchsanordnung.
Version vom 22.09.2020
17
Abbildung 2: Optisch verzerrte Panoramaaufnahme des Versuchsraumes (links) und eine
Detailaufnahme der transparenten Trennwand mit umlaufender Kante (rechts). Die anderen
Trennwände wurden baugleich aus Holz gefertigt, wie links im Bild zu erkennen.
Für die Analyse wurden drei unterschiedliche Raumsituationen betrachtet.
1. Klassenraum ohne Personen
2. Klassenraum mit 13 erwachsenen Personen, Taschen und Rucksäcken
3. Klassenraum mit 11 erwachsenen Personen, Taschen und Rucksäcken sowie
Trennwänden zwischen benachbarten Plätzen an einem Tisch.
Die Anzahl der Personen im Raum war aufgrund der Sicherheitsbestimmungen der Universität
der Bundeswehr München begrenzt. Die Trennwände haben eine Größe von 1,2 m × 0,8 m.
Das besondere an den Trennwänden ist eine umlaufende Kante, die beidseitig ca. 30 mm
übersteht, siehe Abbildung 2 (rechts). Diese Kante hat eine sehr wichtige Schutzfunktion. Wird
gegen die Trennwand gesprochen, gepustet oder gehustet, dann wird die Luftströmung an der
Wand umgelenkt und sie breitet sich dann zunächst tangential entlang der Wand aus. Befindet
sich am Rand der Wand keine Begrenzung, dann strömt die Luft einfach weiter über den Rand
hinaus und kann Personen in den davor- oder dahinterliegenden Sitzreihen erreichen, sofern
sie schnell genug strömt. Wird hingegen die umlaufende Kannte verwendet, dann lenkt diese
die Luftströmung um und es entsteht ein Wirbel am Trennwandrand, der dort verbleibt bis er
aufgrund von Reibungseffekten an dem Ort dissipiert ist. Die Aerosolpartikel können folglich
nicht die benachbarten Sitzreihen erreichen. Ferner wird die Verdünnung durch den Wirbel
befördert und damit die lokale Abnahme der Virenlast.
Damit sich die Trennwände gut aufstellen lassen, wurden sie mit einem geschlitzten Fuß
gehalten, der mit doppelseitigem Klebeband und einer kleinen Schraubzwinge am Tisch
befestigt wurde. Der Fuß wurde bis zum anderen Tischrand ausgedehnt, damit dort eine kleine
Schraubzwinge zur Fixierung angebracht werden konnte, an der sich die Kinder nicht die Beine
stoßen können. Die Schutzwand ragt ca. 0,6 m hinter dem Tischende hinaus, damit die
Schutzwand die Kinder auch dann sicher vor einer direkten Infektion schützt, wenn sie sich
zurücklehnen oder leicht mit dem Stuhl kippeln und dabei unterhalten.
Version vom 22.09.2020
18
Experimente mit homogener Aerosolpartikelverteilung im Raum
Abbildung 3 (links) zeigt die Abnahme der gemessenen Konzentration in Abhängigkeit von der
Zeit in normierter Darstellung. Der Verlauf der Referenzmessung (0 m³/h) verdeutlicht
(schwarze Punkte), dass die Aerosolkonzentration im Raum kaum abnimmt, wenn der
Raumluftreiniger nicht betrieben wird. Infektiöse Aerosolpartikel im Raum können somit zu
einer großen Gefahr werden, da die kleinen Aerosolpartikel kaum an den Wänden und dem
Boden abgeschieden werden.
Abbildung 3: Abnahme der Aerosolpartikelkonzentration mit der Zeit für verschiedene
Konfigurationen und freier Lüftung
Wird die Referenzmessung wiederholt und dabei die Tür weit geöffnet, dann ergeben sich die
in Abbildung 3 (graue Punkte) dargestellten Verläufe. Damit ist klar, dass die freie Lüftung in
der Lage ist die Virenlast im Raum grundsätzlich zu reduzieren, allerdings dauert es unter
diesen Bedingungen rund 30 Minuten, bis die Virenlast halbiert ist. Ferner variiert die
Reduktion selbst bei kleinen Änderungen in den Temperaturunterschieden recht stark, wie der
Vergleich der beiden grauen Kurvenverläufe verdeutlicht. Der Temperaturunterschied
zwischen drinnen und draußen betrug weniger als 1,5 °C und die Windgeschwindigkeit vor der
Tür war vernachlässigbar. Daher ist die geringe Luftwechselzahl von 1,27 bzw. 1,75 pro
Stunde nicht verwunderlich. Die quantitativen Messergebnisse zeigen zweifelsfrei, dass die
Methode des freien Lüftens, wie sie an vielen Schulen praktiziert wird, ihre Grenzen hat. Um
mit der Methode der freien Lüftung eine Luftwechselzahl von 6 pro Stunde zu realisieren,
müssten bei diesen Temperaturunterschieden und Windbedingungen mindestens 3,5 bzw. 2,5
Türen der genannten Größe in dem Raum dauerhaft geöffnet sein. Es ist fraglich, ob
Klassenzimmer über derart große Fensteröffnungen verfügen. Es ist auch zu berücksichtigen,
dass sich die Außen- und Raumtemperatur immer weiter angleichen und daher eine große
Luftwechselzahl in der Praxis nicht dauerhaft aufrechterhalten werden kann. Aufgrund der
unzureichenden Wirksamkeit der freien Lüftung halten wir Sicherheitskonzepte, die allein auf
dem feien Lüften beruhen, für nicht sicher.
Version vom 22.09.2020
19
Die Behauptung mancher RLT Anlagenbauer, dass eine Luftwechselrate von 1 2
ausreichend sein soll, um die Kinder in dem Klassenzimmer vor einer indirekten Infektion zu
schützen, obwohl in Räumen mit gefährlichen Viren Luftwechselraten von 12 15 gefordert
werden, haben wir schon als fahrlässig bezeichnet. Anhand der Ergebnisse kann jetzt aber
sehr gut illustriert werden wie stark die Virenkonzentration im Raum tatsächlich abnehmen
würde, wenn man dieser Empfehlung folgt. Nach einer Stunde ist in diesem Fall die
tatsächliche Abnahme der Virenlast gerade mal 75%. Es kann wohl kaum behauptet werden,
dass diese geringe Abnahme der Virenkonzentration für Sicherheit vor einer indirekten
Infektion sorgen kann. Geht man davon aus, dass die RLT Anlagen im Winter mit einem sehr
geringen Außenluftanteil betrieben werden und der Abscheidegrad der integrierten Filter der
Klasse F7 oder F9 deutlich schlechter ist als der eines Filters der Klasse H14, dann ist klar,
dass in diesem Betriebsmodus keine Sicherheit vor einer indirekten Infektion erwartet werden
kann.
Zum Vergleich zeigen die Ergebnisse mit geschlossener Tür und laufendem Raumluftreiniger
klar die Leistungsfähigkeit und den Vorteil des Konzepts. Mit diesen Geräten lässt sich die
Aerosolpartikelkonzentration bei einer am Gerät eingestellten Luftwechselrate von 6 pro
Stunde innerhalb von 9 ½ Minuten halbieren. Daher können mit diesen Geräten hohe
Virenlasten im Raum schnell abgebaut und beim Vorhandensein von Virenquellen auf einem
sehr niedrigen Niveau gehalten werden. Die Filterleistung ist auch völlig unabhängig von der
Jahreszeit, der Fenstergröße und der Bereitschaft der Kinder und Lehrkräfte die Fenster zu
öffnen.
Der Vergleich der Funktionsverläufe zeigt auch klar, dass es keinen nennenswerten
Unterschied macht, ob der Raum nur möbliert ist oder ob sich Personen mit Taschen,
Rucksäcken und Jacken in dem Raum zusätzlich aufhalten. Selbst die Trennwände haben
keinen wesentlichen Effekt auf die Filtereffizienz. Daher sind die Einwände, die unterstellen,
dass die Filterleistung der Raumluftreiniger in vollen Räumen deutlich reduziert ist, falsch. Die
Filterleistung der Geräte kann lediglich dann nennenswert reduziert werden, wenn der Ansaug-
und Ausblasbereich des Gerätes massiv blockiert wird [41]. Aber selbst ein blockierter
Raumluftreiniger ist in den meisten Fällen noch effizienter als die freie Lüftung.
Aus den in Abbildung 3 dargestellten Verläufen der Aerosolpartikelkonzentration kann die
Halbwertzeit und die mittlere Verweilzeit berechnet werden. Die Werte für die verschiedenen
Experimente sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
Der Vergleich der in grün dargestellten Werte zeigt, dass erst nach rund 5 Stunden eine
Reduzierung der Aerosolkonzentration um 50% in einem Raum ohne Lüftung erreicht ist. Die
freie Lüftung stellt eine deutliche Verbesserung dar mit 24 Minuten, aber auch dieser Wert wird
das Infektionsrisiko nicht ausreichend reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass mit
Raumluftreiniger die Virenlast innerhalb von 9,6 Minuten um 50% reduziert wird. Ein
dauerhafter Filterbetrieb wird daher eine Anreicherung der Raumluft mit infektiösen
Aerosolpartikel sicher verhindern. Selbst mehrere infizierte Personen werden es vermutlich
nicht schaffen, eine infektiöse Virenlast im Raum zu erzeugen, wenn der Raumluftreiniger mit
einer Luftwechselrate von 6 pro Stunde betrieben wird. Daher kann mit diesen Geräten selbst
unter ungünstigen Bedingungen das indirekte Infektionsrisiko enorm reduziert werden.
Version vom 22.09.2020
20
Tabelle 1: Abnahme der Aerosolkonzentration mit der Zeit für verschiedene Konfigurationen.
Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere Verweilzeit (blau).
0 m3/h (Referenz, mit Personen, mit Trennwänden) 0,14 | 4,95 | 7,14
1200 m3/h (mit Personen, mit Trennwänden) 4,35 | 0,16 | 0,23
1200 m3/h (mit Personen, ohne Trennwände) 4,37 | 0,16 | 0,23
1200 m3/h (ohne Personen, ohne Trennwände) 4,51 | 0,15 | 0,22
1000 m3/h (ohne Personen, mit Trennwänden) 4,15 | 0,17 | 0,24
Freie Lüftung I (ohne Personen, ohne Trennwände) 1,75 | 0,40 | 0,57
Freie Lüftung II (ohne Personen, ohne Trennwände) 1,27 | 0,55 | 0,79
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Werden in dem Raum an der Messposition kontinuierlich Aerosolpartikel freigesetzt, dann
dauert es gemäß der in blau dargestellten Angaben ca. 13 Minuten, bis sie zum Gerät geströmt
und abgeschieden werden. Durch eine zentralere Positionierung des Gerätes im Raum lässt
sich dieser Wert bei Bedarf verringern. Manchmal wird behauptet, dass es besser ist nichts zu
tun als die Viren mit einem Raumluftreiniger durch den Raum zum Abscheideort zu bewegen.
Diese Vorstellung geht davon aus, dass die Viren am Freisetzungsort verbleiben. Das ist aber
nicht der Fall, denn durch die thermische und konvektive Luftbewegung im Raum werden die
Viren bereits nach kurzer Zeit homogen im Raum verteilt. Es ist daher viel sicherer, die Viren
zum Filter zu führen und abzuscheiden, als eine Verteilung im Raum zu riskieren.
Experimente mit lokaler Quelle
Die bisher diskutierten Experimente ermöglichen es, wichtige Größen zu bestimmen, die für
eine Qualifizierung der Abscheideleistung und der Bewertung der Virenlast im Raum
fundamental wichtig sind. Es könnte eingewendet werden, dass in der Realität eine infizierte
Person an einem Platz bei Atmen, Sprechen, Singen, Husten und Niesen Aerosolpartikel
freisetzt. Um zu ermitteln, ob die freigesetzten Aerosolpartikel direkt über die Trennwand
hinweg zum Sitznachbarn gelangen können, wurde ein kleiner Vorversuch durchgeführt. Bei
dem Vorversuch wurde neben das Messsystem ein Tisch mit Trennwand positioniert, so dass
mit dem Messsystem analysiert werden konnte, ob bei laufendem Betrieb des
Raumluftreinigers Aerosolpartikel zum Nachbarplatz gelangen, wenn am Nebenplatz hinter
der Trennwand kontinuierlich Aerosolpartikel freigesetzt werden. Mit dem verwendeten
Aerosolgenerator ist es nicht möglich, so wenige Aerosolpartikel freizusetzen, wie es eine
einzelne Person vermag. Die freigesetzte Menge könnte vielleicht von mehreren Dutzend
Personen realisiert werden. Somit analysiert der Versuch einen Fall, der viel extremer ist als
jede reale Situation. Das in Abbildung 4 dargestellte Ergebnisse zeigt, dass selbst bei dieser
enorm hohen Freisetzung von Aerosolpartikeln offenbar keine kontinuierlich zunehmende
Belastung durch Aerosolpartikel am Nachbarplatz auftritt. Daher ist davon auszugehen, dass
diese Schutzwände einen umfassenden Schutz vor einer direkten Infektion in Klassenräumen
oder Büros bietet. Die Kombination aus Raumluftreiniger und Trennwänden ist daher ein sehr
Version vom 22.09.2020
21
sinnvolles Schutzkonzept gemäß dieser Studie, um einen sehr guten Schutz vor einer
indirekten und direkten SARS-CoV-2 Infektion in Klassenzimmern und Büros zu erreichen.
Abbildung 4: Aerosolpartikelkonzentration in Abhängigkeit von der Zeit bei lokaler
Freisetzung von Aerosolpartikeln hinter der Trennwand
Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Das wesentliche Ziel dieser Studie bestand darin, verschiedene Schutzkonzepte, die einen
sicheren Schulunterricht während der Pandemie versprechen, vergleichend zu bewerten und
zu ermitteln, ob ein Konzept existiert, das nicht nur sicher, sondern auch umsetzbar,
kostengünstig und umweltschonend ist. Aufgrund der enormen Bedeutung dieser Frage für die
Kinder und Jugendlichen, aber auch deren Eltern und Großeltern, haben wir fehlende Daten
durch wissenschaftliche Experimente erhoben, um unsere Bewertungen bestmöglich
abzusichern. Als Ergebnis lässt sich folgendes feststellen und empfehlen:
Ein Schutzkonzept, das allein auf das freie Lüften vertraut, ist einfach umsetzbar, aber es bietet
nur ein Minimum an Sicherheit, da es keinerlei Schutz vor einer direkten Infektion
gewährleistet. Infektionen werden bei diesem Konzept billigend in Kauf genommen. Durch
Infektionen entstehen enorme Kosten, sobald infizierte Kinder und Jugendliche medizinisch
versorgt werden müssen. Aber auch wenn die Eltern ihrer Tätigkeit nicht nachgehen können,
weil sie sich um die Kinder kümmern müssen, z.B. wenn sich die Klasse in Quarantäne
befindet, ist dieses Konzept mit erheblichen Folgekosten verbunden. Das indirekte
Infektionsrisiko kann bei diesem Konzept mittels freier Lüftung durch dauerhaft geöffnete
Fenster oder mit RLT Anlagen, die 100% Außenluft mit einer Luftwechselrate von 6 pro Stunde
zuführen, während der warmen Jahreszeit reduziert werden. Im Winter ist das freie Lüften aber
reine Energieverschwendung und daher keine Option, denn Infektionsschutz und Klimaschutz
rfen sich nicht ausschließen. RLT Anlagen bieten im Winter auch keinen energetischen
Vorteil, wenn sie mit 100% Außenluftanteil und sechsfacher Luftwechselrate pro Stunde
betrieben werden. Das Schutzkonzept ist daher unsicher, für die Kinder und Jugendlichen
aufgrund der Kälte im Klassenraum unangenehm, sowie ökonomisch und ökologisch
bedenklich. Folglich sollte das Konzept nicht verwirklicht werden.
Version vom 22.09.2020
22
Das Schutzkonzept, dass auf Abstände setzt, kann in der Realität nicht umgesetzt werden, da
weder der Raum noch die Lehrkräfte zur Verfügung stehen. Die Kosten für die Umsetzung
wären massiv und es würde sehr lange dauern es umzusetzen, so dass dieses Konzept
lediglich dann realisiert werden kann, wenn die Beschulung zuhause erfolgt. Das wäre aber
nicht nur nachteilig für die soziale Entwicklung der Kinder und Jugendlichen, sondern auch
enorm belastend, da die Eltern sich stark engagieren müssten bei der Beschulung. Es wäre
auch ökonomisch ineffizient, da die Eltern ihre berufliche Tätigkeit einschränken müssten und
da das Verhältnis Schüler zu Lehrer quasi 1:1 wäre anstatt 1:25. Das Konzept ist zudem
ungerecht, da nicht alle Eltern die Zeit, Geduld und Qualifikation haben, um die Kinder und
Jugendlichen zu beschulen.
Ein Schutzkonzept, das auf hochwertige partikelfiltrierende Atemschutzmasken (FFP2/3)
setzt, bietet eine sehr hohe Sicherheit vor einer Infektion. Aber das dauerhafte Tragen wirkt
sich nachteilig auf die Gesundheit und das Wohlbefinden der Trägerinnen und Träger aus.
Daher ist das Konzept nicht wirklich umsetzbar. Ferner ist das Tragen von Atemschutzmasken
weder ökonomisch noch ökologisch sinnvoll. Die Kosten belaufen sich auf 20000 Euro pro
Jahr und Klasse. Darüber hinaus entsteht viel Müll, was ökologisch ungünstig ist. Es muss
aber betont werden, dass diese Atemschutzmasken unbedingt getragen werden müssen,
sobald die Kinder ihren Platz verlassen und durch die Klasse oder Schule gehen oder morgens
oder nach der Pause zu ihrem Platz gehen.
Schutzkonzepte, bei denen die indirekte Infektionsgefahr durch Raumluftreiniger oder
Entkeimungsgeräte realisiert werden, haben den Vorteil, dass die Viren im Raum nach kurzer
Zeit abgeschieden oder inaktiviert werden, sofern (1.) die Luftwechselrate pro Stunde
mindestens dem sechsfachen des Raumvolumens entspricht. (2.) 99,995% der Viren beim
einmaligen Durchlauf durch das Gerät abgeschieden (mit einem Filter der Klasse H14) oder
inaktiviert (mit UV-C oder Ionisation) werden und (3.) das Gerät leise ist, so dass es auch
betrieben wird. Da die Geräte die Viren in der Raumluft lokal abscheiden oder inaktivieren und
dabei keine Wärmeenergie verschwenden, wie die freie Lüftung oder RLT Anlagen, können
sie als energetisch effizient betrachtet werden. Die technische Realisierung ist einfach und die
Geräte sind kurzfristig in großer Stückzahl verfügbar, da sie vielfach in Deutschland hergestellt
werden. Daher würde ihre Nutzung nicht nur für Sicherheit vor einer indirekten Infektion,
sondern gleichzeitig auch für den Erhalt von Arbeitsplätzen sorgen. Die laufenden Kosten sind
aufgrund der Langlebigkeit der Filter (mehrere Jahre) gering und Wartungskosten fallen bei
Geräten, die auf Filterbasis arbeiten, nicht an. Staatliche Programme sollten aufgelegt werden,
um eine schnelle Ausstattung der Schulen zu ermöglichen.
Weil die Raumluftreiniger und Entkeimungsgeräte zwar das indirekte Infektionsrisiko
minimieren, aber keinen Schutz vor einer direkten Infektion leisten, sind zusätzliche
Schutzmaßnahmen erforderlich. Für die Verhinderung direkter Infektionen bieten sich Mund-
Nasen-Bedeckungen, OP Masken oder transparente Gesichtsvisiere an. Masken sind oft
störend und unbehaglich, sie sind auf Dauer unhygienisch, werden selten richtig getragen und
führen zu Müll. Gesichtsvisiere haben diese Nachteile nicht und darüber hinaus ist die Mimik
sichtbar. Allerdings stören sie die Bewegungsfreiheit und die Arbeitsweise. Es empfiehlt sich
daher, transparente Schutzwände mit umlaufender Kante zwischen den Sitznachbarn zu
positionieren. Diese sind für Aerosolpartikel und Viren völlig undurchlässig und wenn sie richtig
dimensioniert sind, dann ist es auch sehr unwahrscheinlich, dass die ausgeatmete Luft
aufsteigt, über die Begrenzung strömt und dann am Nachbarplatz niedersinkt. Somit bieten
Version vom 22.09.2020
23
Trennwände den bestmöglichen Schutz zwischen benachbarten Personen im Klassenzimmer.
Die Tischnachbarn können sich durch die Schutzwand beliebig nahekommen und auch direkt
unterhalten und anhusten ohne sich zu infizieren. Ferner stören die Zwischenwände die
Arbeitsweise der Schülerinnen und Schüler nicht, die Mimik ist sichtbar und der Raum ist
vollständig einsehbar, sofern die Schutzwände aus transparentem Plexiglas ausgeführt
werden. Die Kinder und Jugendlichen können sich durch die Kombination aus Raumluftreiniger
bzw. Entkeimungsgerät und Schutzwand vollständig auf den Unterricht konzentrieren und
müssen nicht Angst vor einer Infektion haben, bei geöffneten Fenstern frieren oder ständig an
das richtige Tragen von Masken denken. Somit kann ein weitgehend normaler
Unterrichtsbetrieb realisiert werden.
Die im Rahmen dieser Studie durchgeführten Experimente bestätigen die sehr gute
Wirkungsweise der Schutzwände zur Verhinderung direkter Infektionen. Darüber hinaus
haben wir experimentell gezeigt, dass mit leistungsstarken Raumluftreinigern oder
Entkeimungsgeräten eine sehr effiziente und schnelle Filterung der Raumluft auch dann
realisiert werden kann, wenn der Raum mit Personen, Taschen und Schutzwänden vollgestellt
ist. Aus unserer Sicht bietet dieses Schutzkonzept eine hohe Sicherheit, ist einfach zu
realisieren, relativ kostengünstig, wenn man die Kosten der anderen Konzepte ernsthaft
berücksichtigt, und ökologisch nachhaltig. Daher empfehlen wir auf der Basis dieser Analyse
und Experimente die schrittweise Umsetzung des Konzepts unter Beachtung unserer
Empfehlungen.
Wenn dieses Konzept umgesetzt wird, bleibt die Frage, was mit den Geräten nach der
Pandemie geschehen soll. Aus unserer Sicht ist davon auszugehen, dass diese Geräte auch
nach der jetzigen Pandemie Verwendung finden, um anderen Infektionskrankheiten zu
begegnen, aber auch um dauerhaft Feinstaub und Pollen aus der Luft abzuscheiden, damit
Allergiker und die Gesundheit der Menschen geschützt werden. Langfristig können sich die
hier gewonnenen Erkenntnisse auch in RLT Anlagen niederschlagen, so dass diese Anlagen
zukünftig die Aufgabe der mobilen Raumluftreiniger und Entkeimungsgeräte übernehmen. Das
ist aber ein sehr langfristiger Prozess.
Anmerkung
Die Untersuchungen wurden durch die Firma TROTEC GmbH, Heinsberg, finanziell
unterstützt. Der Raumluftreiniger TAC V+ wurde für die Untersuchungen von TROTEC
bereitgestellt. Die Untersuchungen wurden unter Einhaltung der guten wissenschaftlichen
Praxis durchgeführt. Die Unterstützung durch die Firma TROTEC hat keinerlei Auswirkung auf
die dargestellten Ergebnisse.
Literatur
[1] UN-Kinderrechtskonvention (1989) https://www.unicef.de/informieren/ueber-uns/fuer-
kinderrechte/un-kinderrechtskonvention
[2] Sinn HW (2020) Das grüne Paradoxon Plädoyer für eine illusionsfreie Klimapolitik.
Ullstein Verlag, ISBN 978-3-906212-57-9
[3] Laughlin RB (2013) Der letzte macht das Licht aus. Die Zukunft der Energie. Piper
Verlag, ISBN 978-3-492-30278-4
Version vom 22.09.2020
24
[4] Sinn HW (2012) Die Target-Falle Gefahren für unser Geld und unsere Kinder. Herder
Verlag, ISBN 978-3-446-43391-5
[5] Sinn HW (2016) Der Schwarze Juni: Brexit, Flüchtlingswelle, Euro-Desaster ‒ Wie die
Neugründung Europas gelingt. Herder Verlag, ISBN 978-3-451-37745-7
[6] Kniesner TJ, Sullivan R (2020) The forgotten numbers: A closer look at COVID-19 non-
fatal valuations. SSRN: https://ssrn.com/abstract=3680348
[7] Jayaweera M, Perera H, Gunawardana B, Manatunge J (2020) Transmission of COVID-
19 virus by droplets and aerosols: A critical review on the unresolved dichotomy. Environ
Res. 2020 Sep; 188: 109819. https://doi.org/10.1016/j.envres.2020.109819
[8] Morawska L, Cao J (2020) Airborne transmission of SARS-CoV-2: The world should face
the reality. Environment International, Volume 139, 105730
[9] Zhang R, Lib Y, Zhang AL, Wang Y, Molina MY (2020) Identifying airborne transmission
as the dominant route for the spread of COVID-19. PNAS (2020),
10.1073/pnas.2009637117, first published June 11
[10] Stadnytskyi V, et al. (2020) The airborne lifetime of small speech droplets and their
potential importance in SARS-CoV-2 transmission. PNAS 117:1187511877
[11] Geddes L (2020) Does a high viral load or infectious dose make covid-19 worse?
NewScientist, Magazine issue 3276, https://www.newscientist.com/article/2238819-
does-a-high-viral-load-or-infectious-dose-make-covid-19-worse/
[12] https://www.erinbromage.com/post/the-risks-know-them-avoid-them
[13] Etheridge D, Sandberg M (1996) Building Ventilation: Theory and Measurement. Wiley,
ISBN 978-0-471-96087-4
[14] Etheridge D (2011) Natural Ventilation of Buildings: Theory, Measurement and Design.
Wiley, ISBN 978-0-470-66035-5
[15] Heinz E (2016) Wohnungslüftung frei und ventilatorgestützt. Herausgeber DIN, Beuth
Verlag, ISBN 978-410-25270-2
[16] Lloyd-Smith JO, Schreiber SJ, Kopp PE, Getz WM (2005) Super spreading and the effect
of individual variation on disease emergence. Nature, 438, pp. 355‒359
[17] Fachverband Gebäude-Klima e. V. (2020) Betrieb Raumlufttechnischer Anlagen unter
den Randbedingungen der aktuellen Covid-19-Pandemie. 03.08.2020, Version 3,
www.fgk.de/images/Aktuelles/2020/08-20/RLT_Covid19_V3_200803.pdf
[18] Dai H, Zhao B (2020) Association of infected probability of COVID-19 with ventilation
rates in confined spaces: a Wells-Riley equation based investigation. medRxiv. Preprint.
Yale.
[19] Li Y, Duan S, Yu ITS, Wong TW (2004) Multi-zone modeling of probable SARS virus
transmission by airflow between flats in Block E, Amoy Gardens. Indoor Air, 15, 96-111.
doi:10.1111/j.1600-0668.2004.00318.x
Version vom 22.09.2020
25
[20] Brankston G, Gitterman L, Hirji Z, Lemieux C, Gardam M (2007). Transmission of
influenza A in human beings. The Lancet Infectious Diseases, 7(4), 257-265.
doi:10.1016/S1473-3099(07)70029-4
[21] Park SY, Kim YM, Yi S, Lee S, Na BJ, Kim CB, . . . Jeong EK (2020) Coronavirus disease
outbreak in call center, South Korea. Emerg Infect Dis, 26(8).
doi:10.3201/eid2608.201274
[22] Kenji M, Katsushi K, Alexander Z, Gerardo C (2020) Estimating the asymptomatic
proportion of coronavirus disease 2019 (COVID-19) cases on board the Diamond
Princess cruise ship, Yokohama, Japan, 2020. Euro Surveill. 2020;25(10):pii=2000180.
https://doi.org/10.2807/1560-7917.ES.2020.25.10.2000180
[23] Lu J, Gu J, Li K, Xu C, Su W, Lai Z, et al. (2020) COVID-19 outbreak associated with air
conditioning in restaurant, Guangzhou, China, 2020. Emerg Infect Dis. 2020;26(7):1628-
1631. https://dx.doi.org/10.3201/eid2607.200764
[24] Risk of Transmission from HVAC Systems (2020) COVID-19 scientific advisory group
rapid evidence report, Alberta health services, June 5, 2020, COVID-19 scientific
advisory group, https://www.albertahealthservices.ca/assets/info/ppih/if-ppih-covid-19-
sag-risk-transmission-hvac-systems-rapid-review.pdf
[25] Ausschuss für Biologische Arbeitsstoffe (2010) Technischer Bericht/Stellungnahme zum
Thema „Einsatz von HEPA-Filtern in Raumlufttechnischen Anlagen in Schutz-
/Sicherheitsstufe 3 und 4 ‒ Laboratorien und Tierhaltungsbereiche“. Beschluss 16/2010
[26] DIN 1946-4 Raumlufttechnik im Gesundheitswesen
[27] Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene (2002) Leitlinienentwurf: Ausführung
und Betrieb von raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) in Krankenhäusern. Hyg
Med 27. Jahrgang 2002 Heft 3
[28] Deutsche Gesellschaft für Krankenhaushygiene (2015) Krankenhaushygienische
Leitlinie für die Planung, Ausführung und den Betrieb von Raumlufttechnischen Anlagen
in Räumen des Gesundheitswesens. Hyg Med 2015; 40 12DIN 1946 Teil 2 (1994)
Raumlufttechnik: Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln)
[29] Kähler CJ, Hain R (2020) Fundamental protective mechanisms of face masks against
droplet infections. Journal of Aerosol Science 148:105617,
https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2020.105617
[30] DIN EN 149 (2009) Respiratory protective devices filtering half masks to protect against
particles requirements, testing, marking. German version EN, 149 (2009) 2001+A1,
Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin
[31] Kähler CJ, Hain R (2020) Strömungsanalysen zur SARS-CoV-2 Schutzmaskendebatte.
https://www.unibw.de/lrt7/stroemungsanalysen-zur-sars-cov-2-schutzmaskendebatte
https://youtu.be/SM2QrPFC3MY https://youtu.be/SM2QrPFC3MY
[32] DGUV Regeln 112‒190 (2011) Benutzung von Atemschutzgeräten.
Berufsgenossenschaft der Bauwirtschaft https://www.bgbau.de/fileadmin/Medien-
Objekte/Medien/DGUV-Regeln/112_190.pdf
Version vom 22.09.2020
26
[33] Kähler CJ, Fuchs T, Hain R (2020) Können mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-
CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren? DOI:
10.13140/RG.2.2.27503.46243 https://www.unibw.de/lrt7/raumluftreiniger.pdf
https://youtu.be/3Y3KElUdFFU
[34] Kähler CJ, Fuchs T, Hain R (2020) Quantifizierung eines Viromed Klinik Akut V 500
Entkeimungsgerätes zur Reduzierung der indirekten SARS-CoV-2 Infektionsgefahr
durch Aerosolpartikel. https://www.unibw.de/lrt7/entkeimungsgeraet.pdf
[35] Verma S, Dhanak M, Frankenfield J (2020) Visualizing droplet dispersal for face shields
and masks with exhalation valves. Phys. Fluids 32, 091701 (2020); doi:
10.1063/5.0022968
[36] Kähler CJ, Sammler B, Kompenhans J (2002) Generation and control of tracer particles
for optical flow investigations in air. Experiments in Fluids 33:736742
[37] Asadi S, Wexler AS, Cappa CD, Barreda S, Bouvier NM, Ristenpart WD (2019) Aerosol
emission and super emission during human speech increase with voice loudness. Nature
Scientiftic Reports, 9, p. 2348
[38] Johnson GR, Morawska L, Ristovski ZD, Hargreaves M, Mengersen K, Chao C, Wan
MP, Li Y, Xie X, Katoshevski D, Corbett S (2011) Modality of human exposed aerosol
size distributions. Journal of Aerosol Science, 42, pp. 839‒851,
10.1016/j.jaerosci.2011.07.009
[39] Lee J, Yoo D, Ryu S, Ham S, Lee K, Yeo M, Min K, Yoon C (2019) Quantity, size
distribution, and characteristics of cough generated aerosol produced by patients with
an upper respiratory tract infection. Aerosol and Air Quality Research, 19, pp. 840‒853
[40] Kähler CJ, Hain R (2020) Musizieren während der Pandemie was rät die
Wissenschaft? https://www.unibw.de/lrt7/musizieren-waehrend-der-pandemie
https://youtu.be/0JmcjRhV-rs
[41] Küpper M, Asbach C, Schneiderwind U, Finger H, Spiegelhoff D, Schumacher S (2019)
Testing of an indoor air cleaner for particulate pollutants under realistic conditions in an
office room. Aerosol and Air Quality Research 19:16551665, doi:
10.4209/aaqr.2019.01.0029
... An additional topic of scientific and political discussion is whether mobile air purifiers are suitable for significantly reducing of viral aerosols in a room by reducing the need for free ventilation. Different publications have shown the performance of different air purifiers by using standardised particle clouds, a uniform distribution of particles in the room, and measuring the reduction of particles in the air (Kähler et al., 2020a(Kähler et al., , 2020b. Another study on air purifiers in a classroom situation used mainly physical particle measurements and extrapolated these findings on the purification of viral particles potentially contained in air particles (Curtius et al., 2020). ...
... An air purifier that is not directly in physical proximity of the emitting source cannot reduce the risk of transmission by direct exposition and may lead to a false sense of security. Air filtration as a tool for the reduction of pathogens in the air is a promising tool when used correctly and with great care (Kähler et al., 2020b;Exner et al., 2020). By applying a distance of 1.5 m between the emitting source, the recipient, and the air purifier with minimised additional air turbulence while the purifier is running, the additional reduction of viruses in aerosols could be less than 1 Log per m 3 of air. ...
... By applying a distance of 1.5 m between the emitting source, the recipient, and the air purifier with minimised additional air turbulence while the purifier is running, the additional reduction of viruses in aerosols could be less than 1 Log per m 3 of air. The application of air purifiers may reduce the risk of transmission by reducing the particle burden in the air (Curtius et al., 2020;Küpper et al., 2019;Kähler et al., 2020aKähler et al., , 2020b but is not able to stop the direct transmission if the infected person (emitting source) is standing next to the susceptible person (recipient). ...
Article
For testing the effectiveness of air purification devices in regard to the reduction of virus-containing aerosols, a test method involving test viruses has been lacking until now. The use of bacteriophages (phiX174 phages) is a method to test the efficiency of air purification devices under experimental conditions. Using air purifiers with a HEPA filter H14, a 4.6–6.1 Log reduction of test viruses can be achieved if bacteriophages are directly aerosolised into the air purifier, which corresponds to a reduction of 99.9974–99.9999%. Due to the complexity and individuality of air flow, an experimental approach was used in which all outside influences were minimised. The experimental setup was practical and chosen to project a scenario of direct transmission by an emitting source to a recipient. The experiments were performed with and without the air purifier at a distance of 0.75 m and 1.5 m each. Using the air purifier at a setting of 1000 m³/h, the concentration of the phiX174 phages in the air could be reduced by 2.86 Log (mean value). Nevertheless, the experiments without the air purifier showed a similar reduction rate of 2.61 Log (mean value) after 35 min. The concentration of phiX174 phages in the air could be additionally reduced up to 1 log step (maximum value) by the use of the air purifier in comparison to the experiments without. Distance was shown to be an important factor for risk reduction. https://authors.elsevier.com/a/1cYRL_17GgI56s
... Although health authorities such as the CDC claim that it is not subject to "true airborne infection", the fact that accumulation of small infectious aerosol particles causes numerous infections in poorly ventilated indoor environments is no longer in doubt [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Therefore, health authorities point out the need for proper ventilation [7], while engineers suggest technical solutions, e.g., air cleaning and modified HVAC operation for indoor environments [8], [9], [10]. The modelling of SARS-CoV-2 aerosol transmission has been subject to several studies. ...
Article
As vaccination campaigns are in progress in most countries, hopes to win back more normality are rising. However, the exact path from a pandemic to an endemic virus remains uncertain. While in the pre-vaccination phase many critical indoor situations were avoided by strict control measures, for the transition phase a certain mitigation of the effect of indoor situations seems advisable. To better understand the mechanisms of indoor airborne transmissions, we present a new time-discrete model to calculate the level of exposure towards infectious SARS-CoV-2 aerosol and carry out a sensitivity analysis for the level of SARS-CoV-2 aerosol exposure in indoor settings. Time limitations and the use of any kind of masks were found to be strong mitigation measures, while how far the effort for a strict use of professional face pieces instead of simple masks can be justified by the additional reduction of the exposure dose remains unclear. Very good ventilation of indoor spaces is mandatory. The definition of sufficient ventilation in regard to airborne SARS-CoV-2 transmission follows other rules than the standards in ventilation design. This means that especially smaller rooms most likely require a significantly greater fresh air supply than usual. Further research on 50% group models in schools is suggested. The benefits of a model in which the students come to school every day, but for a limited time, should be investigated. In terms of window ventilation, it has been found that many short opening periods are not only thermally beneficial, they also reduce the exposure dose. The fresh air supply is driven by the temperature gradient and wind speed. However, the sensitivity towards these parameters is not very high and in times of low wind and temperature gradients, there are no arguments against keep windows open in order to make up for the reduced air flow rate. Long total opening periods and large window surfaces will strongly reduce the exposure. Additionally, the results underline the expectable fact that exposure doses will increase when hygiene and control measures are reduced. It seems advisable to investigate what this means for the infection rate and the fatality of infections in populations with partial immunity. Very basic considerations suggest that the value of aerosol reduction measures may be reduced with very infectious variants such as delta.
Article
Full-text available
Our research estimates COVID-19 non-fatal economic losses in the U.S. using detailed data on cumulative cases and hospitalizations from January 22, 2020 to July 27, 2020, from the Centers for Disease Control and Prevention (CDC). As of July 27, 2020, the cumulative confirmed number of cases was about 4.2 million with almost 300,000 of them entailing hospitalizations. Due to data collection limitations the confirmed totals reported by the CDC undercount the actual number of cases and hospitalizations in the U.S. Using standard assumptions provided by the CDC, we estimate that as of July 27, 2020, the actual number of cumulative COVID-19 cases in the U.S. is about 47 million with almost 1 million involving hospitalizations. Applying value per statistical life (VSL) and relative severity/injury estimates from the Department of Transportation (DOT), we estimate an overall non-fatal unadjusted valuation of $2.2 trillion for the U.S. with a weighted average value of about $46,000 per case. This is almost 40% higher than the total valuation of $1.6 trillion (using about $11 million VSL from the DOT) for all approximately 147,000 COVID-19 fatalities. We also show a variety of estimates that adjust the non-fatal valuations by the dreaded and uncertainty aspect of COVID-19, age, income, and a factor related to fatality categorization. The adjustments show current overall non-fatal valuations ranging from about $1.5 trillion to about $9.6 trillion. Finally, we use CDC forecast data to estimate non-fatal valuations through November 2020, and find that the overall cumulative valuation increases from about $2.2 trillion to about $5.7 trillion or to about 30% of GDP. Because of the larger numbers of cases involved our calculations imply that non-fatal infections are as economically serious in the aggregate as ultimately fatal infections.
Article
Full-text available
Several places across the world are experiencing a steep surge in COVID-19 infections. Face masks have become increasingly accepted as one of the most effective means for combating the spread of the disease when used in combination with social-distancing and frequent hand-washing. However, there is an increasing trend of people substituting regular cloth or surgical masks with clear plastic face shields and with masks equipped with exhalation valves. One of the factors driving this increased adoption is improved comfort compared to regular masks. However, there is a possibility that widespread public use of these alternatives to regular masks could have an adverse effect on mitigation efforts. To help increase public awareness regarding the effectiveness of these alternative options, we use qualitative visualizations to examine the performance of face shields and exhalation valves in impeding the spread of aerosol-sized droplets. The visualizations indicate that although face shields block the initial forward motion of the jet, the expelled droplets can move around the visor with relative ease and spread out over a large area depending on light ambient disturbances. Visualizations for a mask equipped with an exhalation port indicate that a large number of droplets pass through the exhale valve unfiltered, which significantly reduces its effectiveness as a means of source control. Our observations suggest that to minimize the community spread of COVID-19, it may be preferable to use high quality cloth or surgical masks that are of a plain design, instead of face shields and masks equipped with exhale valves.
Preprint
Full-text available
Die weltweite Entwicklung der SARS-CoV-2 Infektion verdeutlicht, dass die Pandemie erst am Anfang steht und nicht aufzuhalten ist. Selbst wenn ein wirksamer und gut verträglicher Impfstoff zur Verfügung stände, wäre eine umfangreiche Impfung der Weltbevölkerung zur Bekämpfung der Virusausbreitung nicht realisierbar. Es ist daher notwendig, technische Lösungen zur Eindämmung der Pandemie zu etablieren. Mund-Nasen-Bedeckungen sind inzwischen allgemein anerkannte technische Hilfsmittel, um die direkte Infektionsgefahr beim Atmen, Sprechen, Singen, Husten und Niesen zu verringern. Die indirekte Infektion über infektiöse Aerosolpartikel, die sich mit der Zeit im Raum anreichern, lässt sich mit Mund-Nasen-Bedeckungen nicht verhindern [5]. Dafür sind festsitzende partikelfiltrierende Atemschutzmasken erforderlich. Alternativ besteht die Möglichkeit die Aerosolpartikel im Raum mittels Filterung abzuscheiden oder über die Fensterlüftung abzuführen. Raumlufttechnische Anlagen, die Aerosolpartikel mit einem Durchmesser kleiner 1 μm verlässlich abscheiden, sind selten. Das freie Lüften mittels Fenster ist oft nicht effizient und spätestens im Winter nicht mehr möglich ohne Energie zu verschwenden und die Gesundheit sowie das Wohlbefinden der Menschen zu gefährden. Die Frage ist daher, ob mobile Raumluftreiniger grundsätzlich geeignet sind, einen sinnvollen Beitrag zur Reduzierung der Infektionsgefahr zu leisten? Um die Frage zu beantworten, wurde ein TROTEC TAC V+ Raumluftreiniger mit einem Volumenstrom von bis zu 1500 m 3 /h systematisch analysiert. Das Gerät verfügt über eine Filterkombination, die gewährleistet, dass Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,3 μm zu 99,995% aus der Raumluft abgeschieden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Aerosolkonzentration in einem Raum mit einer Größe von 80 m 2 innerhalb kurzer Zeit überall auf ein geringes Maß reduziert werden kann. Damit stellen Raumluftreiniger mit großem Volumenstrom und hochwertigen Filtern der Klasse H14 aus unserer Sicht eine sehr sinnvolle technische Lösung dar, um in Schulen, Büros, Geschäften, Wartezimmern, Gemeinde-und Vereinshäusern, Aufenthalts-und Essensräumen etc. die indirekte Infektionsgefahr durch Aerosole stark zu verringern. Sie können aber auch in Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen unterstützend eingesetzt werden, in denen Menschen zusammenstehen (Wartebereich) und gemeinsam arbeiten oder in denen aufgrund der Arbeitslast viel Aerosol ausgestoßen wird (Fitnessstudio). Version vom 05.08.2020 https://www.unibw.de/lrt7/raumluftreiniger.pdf https://youtu.be/3Y3KElUdFFU
Article
Full-text available
Many governments have instructed the population to wear simple mouth-and-nose covers or surgical face masks to protect themselves from droplet infection with the severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in public. However, the basic protection mechanisms and benefits of these masks remain controversial. Therefore, the aim of this work is to show from a fluid physics point of view under which circumstances these masks can protect against droplet infection. First of all, we show that the masks protect people in the surrounding area quite well, since the flow resistance of the face masks effectively prevents the spread of exhaled air, e.g. when breathing, speaking, singing, coughing and sneezing. Secondly, we provide visual evidence that typical household materials used by the population to make masks do not provide highly efficient protection against respirable particles and droplets with a diameter of 0.3–2 μm as they pass through the materials largely unfiltered. According to our tests, only vacuum cleaner bags with fine dust filters show a comparable or even better filtering effect than commercial particle filtering FFP2/N95/KN95 half masks. Thirdly, we show that even simple mouth-and-nose covers made of good filter material cannot reliably protect against droplet infection in contaminated ambient air, since most of the air flows through gaps at the edge of the masks. Only a close-fitting, particle-filtering respirator without an outlet valve offers good self-protection and protection against droplet infection. Nevertheless, wearing simple homemade or surgical face masks in public is highly recommended if no particle filtrating respiratory mask is available. Firstly, because they protect against habitual contact of the face with the hands and thus serve as self-protection against contact infection. Secondly, because the flow resistance of the masks ensures that the air stays close to the head when breathing, speaking, singing, coughing and sneezing, thus protecting other people if they have sufficient distance from each other. However, if the distance rules cannot be observed and the risk of inhalation-based infection becomes high because many people in the vicinity are infectious and the air exchange rate is small, improved filtration efficiency masks are needed, to take full advantage of the three fundamental protective mechanisms these masks provide.
Article
Full-text available
The practice of social distancing and wearing masks has been popular worldwide in combating the contraction of COVID-19. Undeniably, although such practices help control the COVID-19 pandemic to a greater extent, the complete control of viral-laden droplet and aerosol transmission by such practices is poorly understood. This review paper intends to outline the literature concerning the transmission of viral-laden droplets and aerosols in different environmental settings and demonstrates the behavior of droplets and aerosols resulted from a cough-jet of an infected person in various confined spaces. The case studies that have come out in different countries have, with prima facie evidence, manifested that the airborne transmission plays a profound role in contracting susceptible hosts. Interestingly, the nosocomial transmission by airborne SARS-CoV-2 viral-laden aerosols in healthcare facilities may be plausible. Hence, clearly defined, science-based administrative, clinical, and physical measures are of paramount importance to eradicate the COVID-19 pandemic from the world.
Article
Full-text available
Various mitigation measures have been implemented to fight the coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, including widely adopted social distancing and mandated face covering. However, assessing the effectiveness of those intervention practices hinges on the understanding of virus transmission, which remains uncertain. Here we show that airborne transmission is highly virulent and represents the dominant route to spread the disease. By analyzing the trend and mitigation measures in Wuhan, China, Italy, and New York City, from January 23 to May 9, 2020, we illustrate that the impacts of mitigation measures are discernable from the trends of the pandemic. Our analysis reveals that the difference with and without mandated face covering represents the determinant in shaping the pandemic trends in the three epicenters. This protective measure alone significantly reduced the number of infections, that is, by over 78,000 in Italy from April 6 to May 9 and over 66,000 in New York City from April 17 to May 9. Other mitigation measures, such as social distancing implemented in the United States, are insufficient by themselves in protecting the public. We conclude that wearing of face masks in public corresponds to the most effective means to prevent interhuman transmission, and this inexpensive practice, in conjunction with simultaneous social distancing, quarantine, and contact tracing, represents the most likely fighting opportunity to stop the COVID-19 pandemic. Our work also highlights the fact that sound science is essential in decision-making for the current and future public health pandemics.
Article
Full-text available
Speech droplets generated by asymptomatic carriers of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) are increasingly considered to be a likely mode of disease transmission. Highly sensitive laser light scattering observations have revealed that loud speech can emit thousands of oral fluid droplets per second. In a closed, stagnant air environment, they disappear from the window of view with time constants in the range of 8 to 14 min, which corresponds to droplet nuclei of ca. 4 μm diameter, or 12- to 21-μm droplets prior to dehydration. These observations confirm that there is a substantial probability that normal speaking causes airborne virus transmission in confined environments.
Article
Full-text available
We describe the epidemiology of a coronavirus disease (COVID-19) outbreak in a call center in South Korea. We obtained information on demographic characteristics by using standardized epidemiologic investigation forms. We performed descriptive analyses and reported the results as frequencies and proportions for categoric variables. Of 1,143 persons who were tested for COVID-19, a total of 97 (8.5%, 95% CI 7.0%-10.3%) had confirmed cases. Of these, 94 were working in an 11th-floor call center with 216 employees, translating to an attack rate of 43.5% (95% CI 36.9%-50.4%). The household secondary attack rate among symptomatic case-patients was 16.2% (95% CI 11.6%- 22.0%). Of the 97 persons with confirmed COVID-19, only 4 (1.9%) remained asymptomatic within 14 days of quarantine, and none of their household contacts acquired secondary infections. Extensive contact tracing, testing all contacts, and early quarantine blocked further transmission and might be effective for containing rapid outbreaks in crowded work settings.
Article
Full-text available
Hand washing and maintaining social distance are the main measures recommended by the World Health Organization (WHO) to avoid contracting COVID-19. Unfortunately, these measured do not prevent infection by inhalation of small droplets exhaled by an infected person that can travel distance of meters or tens of meters in the air and carry their viral content. Science explains the mechanisms of such transport and there is evidence that this is a significant route of infection in indoor environments. Despite this, no countries or authorities consider airborne spread of COVID-19 in their regulations to prevent infections transmission indoors. It is therefore extremely important, that the national authorities acknowledge the reality that the virus spreads through air, and recommend that adequate control measures be implemented to prevent further spread of the SARS-CoV-2 virus, in particularly removal of the virus-laden droplets from indoor air by ventilation.
Article
Full-text available
During January 26-February 10, 2020, an outbreak of 2019 novel coronavirus disease in an air-conditioned restaurant in Guangzhou, China, involved 3 family clusters. The airflow direction was consistent with droplet transmission. To prevent the spread of the virus in restaurants, we recommend increasing the distance between tables and improving ventilation.