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Quantifizierung eines Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerätes zur Reduzierung der indirekten SARS-CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosolpartikel

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Abstract

Übersicht SARS-CoV-2 Infektionen in Innenräumen durch Tröpfchen und Aerosole werden gegenwärtig als besonders bedeutend eingeschätzt. FFP2/3 Atemschutzmasken, die fest und dicht sitzen, bieten im Allgemeinen einen sehr guten Schutz. In öffentlichen Verkehrsmitteln, beim Einkauf oder im Wartezimmer sind sie daher bestens geeignet, um sich vor einer direkten und indirekten Infektion zu schützen. Leider erschweren diese Masken das Atmen und das Tragen kann auf Dauer unangenehm sein. Daher sollten diese Masken maximal 3 × 75 Minuten pro Tag getragen werden. Für Schulen oder bei der Arbeit sind sei daher kaum geeignet. Es stellt sich daher die Frage, wie Menschen in geschlossenen Räumen dauerhaft vor einer SARS-CoV-2 Infektion geschützt werden können. Große Sicherheitsabstände bieten einen Fremd-und Eigenschutz, aber sie schützen nicht vor einer indirekten Infektion, wenn die Virenlast im Raum groß ist. Mund-Nasen-Bedeckungen bieten nur einen Fremdschutz vor einer direkten Infektion aber sie schützen nicht vor einer indirekten Infektion. Das gleiche trifft auf Faceshields und kleine Schutzwände zu. Indirekte Infektionen können wirksam durch das freie Lüften mit Fenstern oder raumlufttechnischen (RLT) Anlagen, die 100% Außenluft in den Raum leiten, verhindert werden, sofern die Luftwechselrate dem sechsfachen des Raumvolumens pro Stunde entspricht. Das freie Lüften mittels Fenstern ist aber selten effizient genug und spätestens im Winter ist das Öffnen von Fenstern nicht mehr möglich, ohne massiv Energie zu verschwenden und die Gesundheit sowie das Wohlbefinden der Menschen zu gefährden. Der Betrieb von RLT Anlagen wird in der kalten Jahreszeit ebenfalls sehr energieintensiv. Ferner sind RLT Anlagen in den meisten Gebäuden nicht vorhanden. Die Frage ist daher, wie ein weitgehend sicherer Schutz vor einer indirekten SARS-CoV-2 Infektion in geschlossenen Räumen realisiert werden kann ohne thermische Energie und damit wertvolle Ressourcen zu vergeuden. Technisch lässt sich das Problem mit mobilen Entkeimungsgeräten oder Raumluftreinigern lösen, die die gefährlichen Aerosolpartikel abscheiden oder die Viren durch UV-Strahlung oder durch Kontakt mit Ladungsträgern inaktivieren. Das Potenzial der Geräte ist groß und, da viele deutsche Hersteller diese Geräte herstellen, sind sie auch verfügbar. Allerdings bieten viele der angebotenen Geräte keinen wirksamen Schutz, da der Volumenstrom zu klein, der Abscheidegrad der Filter zu gering und die Leistungsfähigkeit der UV-C und Ionisationseinheit zu schwach ist. Das Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät erscheint die Leistungsanforderungen zu erfüllen und daher wird das Gerät in dieser Studie auf seine Eignung zum Schutz vor einer SARS-CoV-2 Infektion hin analysiert und bewertet. https://www.unibw.de/lrt7/entkeimungsgeraet.pdf
Version vom 02.09.2020
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Quantifizierung eines Viromed Klinik Akut V 500
Entkeimungsgerätes zur Reduzierung der indirekten SARS-CoV-2
Infektionsgefahr durch Aerosolpartikel
Christian J. Kähler, Thomas Fuchs, Rainer Hain
Universität der Bundeswehr München
Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik
Werner-Heisenberg-Weg 39
85577 Neubiberg
Übersicht
SARS-CoV-2 Infektionen in Innenräumen durch Tröpfchen und Aerosole werden gegenwärtig
als besonders bedeutend eingeschätzt. FFP2/3 Atemschutzmasken, die fest und dicht sitzen,
bieten im Allgemeinen einen sehr guten Schutz. In öffentlichen Verkehrsmitteln, beim Einkauf
oder im Wartezimmer sind sie daher bestens geeignet, um sich vor einer direkten und
indirekten Infektion zu schützen. Leider erschweren diese Masken das Atmen und das Tragen
kann auf Dauer unangenehm sein. Daher sollten diese Masken maximal 3 × 75 Minuten pro
Tag getragen werden. Für Schulen oder bei der Arbeit sind sei daher kaum geeignet. Es stellt
sich daher die Frage, wie Menschen in geschlossenen Räumen dauerhaft vor einer SARS-
CoV-2 Infektion geschützt werden können. Große Sicherheitsabstände bieten einen Fremd-
und Eigenschutz, aber sie schützen nicht vor einer indirekten Infektion, wenn die Virenlast im
Raum groß ist. Mund-Nasen-Bedeckungen bieten nur einen Fremdschutz vor einer direkten
Infektion aber sie schützen nicht vor einer indirekten Infektion. Das gleiche trifft auf Faceshields
und kleine Schutzwände zu. Indirekte Infektionen können wirksam durch das freie Lüften mit
Fenstern oder raumlufttechnischen (RLT) Anlagen, die 100% Außenluft in den Raum leiten,
verhindert werden, sofern die Luftwechselrate dem sechsfachen des Raumvolumens pro
Stunde entspricht. Das freie Lüften mittels Fenstern ist aber selten effizient genug und
spätestens im Winter ist das Öffnen von Fenstern nicht mehr möglich, ohne massiv Energie
zu verschwenden und die Gesundheit sowie das Wohlbefinden der Menschen zu gefährden.
Der Betrieb von RLT Anlagen wird in der kalten Jahreszeit ebenfalls sehr energieintensiv.
Ferner sind RLT Anlagen in den meisten Gebäuden nicht vorhanden. Die Frage ist daher, wie
ein weitgehend sicherer Schutz vor einer indirekten SARS-CoV-2 Infektion in geschlossenen
Räumen realisiert werden kann ohne thermische Energie und damit wertvolle Ressourcen zu
vergeuden. Technisch lässt sich das Problem mit mobilen Entkeimungsgeräten oder
Raumluftreinigern lösen, die die gefährlichen Aerosolpartikel abscheiden oder die Viren durch
UV-Strahlung oder durch Kontakt mit Ladungsträgern inaktivieren. Das Potenzial der Geräte
ist groß und, da viele deutsche Hersteller diese Geräte herstellen, sind sie auch verfügbar.
Allerdings bieten viele der angebotenen Geräte keinen wirksamen Schutz, da der
Volumenstrom zu klein, der Abscheidegrad der Filter zu gering und die Leistungsfähigkeit der
UV-C und Ionisationseinheit zu schwach ist. Das Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät
erscheint die Leistungsanforderungen zu erfüllen und daher wird das Gerät in dieser Studie
auf seine Eignung zum Schutz vor einer SARS-CoV-2 Infektion hin analysiert und bewertet.
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1. Einleitung
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 [1, 2, 3, 4]. Eine direkte
Infizierung, bei der viele emittierte Tröpfchen und Aerosolpartikel über kurze Distanz (kleiner
1,5 m) von einer nicht infizierten Person eingeatmet werden, kann mit Hilfe von
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 [5, 6]. 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 [5, 7].
Partikelfiltrierende Atemschutzmasken gehören zum Arbeitsschutz in Krankenhäusern,
Laboratorien, Isolierstationen, OP-len und sehr vielen technischen Arbeitsbereichen, in
denen mit Feinstaub und gesundheitsschädlichen Stoffen 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 nicht richtig, denn
SARS-CoV-2 wird ja mittels Tröpfchen oder Tröpfchenkernen transportiert und diese sind
deutlich größer als einzelne Viren und können von geeigneten partikelfiltrierenden Masken
zuverlässig abgeschieden werden [6]. 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 [8]. Schätzungen gehen davon aus, dass eine Dosis von mindestens 500 2000
Viren erforderlich ist, um eine SARS-CoV-2 Infektion auszulösen [9, 10].
Ein wesentlicher Nachteil der partikelfiltrierenden Masken ohne Ventil besteht darin, dass sie
die Atmung erschweren. Um eine Überbeanspruchung der Träger zu verhindern, sollten sie
nur für maximal 75 Minuten am Stück getragen werden [11]. Bevor die Masken erneut getragen
werden wird eine Tragepause von 30 Minuten empfohlen [11]. Für die Benutzung öffentlicher
Verkehrsmittel in der Stadt oder beim Einkaufen sind partikelfiltrierenden Masken folglich sehr
gut geeignet, da diese Tätigkeiten oft in weniger als 75 Minuten erledigt werden können und
weil diese „persönliche Isolation“ die Mobilität nicht einschränkt [7]. In der Schule wird es schon
schwieriger diese zeitlichen Forderungen zu erfüllen und im Büro bei einem 8 Stunden
Arbeitstag müssen andere Schutzvorkehrungen getroffen werden, da die Masken nicht länger
als 3 × 75 Minuten pro Tag getragen werden sollten [11]. 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
Müll verursachen und dadurch weitere Kosten entstehen. Daher ist diese Lösung ökonomisch
und ökologisch nicht sinnvoll.
Alternativ könnten die Menschen in öffentlichen Gebäuden mit Publikumsverkehr oder
gemeinschaftlich genutzten Räumen hinreichend große Sicherheitsabstände einhalten, um
eine direkte Infektion zu vermeiden. In Schulen, Büros oder Wartezimmern ist aber auch diese
glichkeit nicht umsetzbar, da die entsprechenden Räumlichkeiten nicht zur Verfügung
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stehen. Eine Verdoppelung der Abstände zwischen den Schülerinnen und Schülern in beide
Raumrichtungen würde eine Vervierfachung der benötigten Klassenraumfläche erfordern. Der
Mangel an Klassenräumen könnte durch einen Schulbetrieb in vier Schichten gelöst werden,
allerdings fehlen dafür die Lehrkräfte und deren Einstellung wäre mit immensen Kosten
verbunden und daher finanziell nicht tragbar. Abgesehen von den Kosten steht das
Lehrerpersonal nicht zur Verfügung, so dass diese Möglichkeit auch nicht realisierbar ist.
Ferner ist bei diesem Konzept zu berücksichtigen, 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.
Um eine gemeinschaftliche Raumnutzung über mehrere Stunden zu ermöglichen, ist es
empfehlenswert die direkte Infektionsgefahr entweder über einfache Mund-Nasen-
Bedeckungen, Faceshields oder kleine Plexiglaswände zwischen Personen an einem Tisch
(Schulbank) zu begrenzen und die indirekte Infektionsgefahr über andere Maßnahmen.
Eine Möglichkeit indirekte Infektionen zu verhindern besteht darin die Raumluft mit Hilfe der
freien Lüftung über geöffnete Fenster zu realisieren, so dass die Virenlast im Raum keine
kritischen Werte annehmen kann. Die freie Lüftung funktioniert physikalisch aber nur dann,
wenn entweder ein Temperaturunterschied zwischen drinnen und draußen besteht oder der
Wind vor den Fenstern weht [12, 13]. Ein Temperaturunterschied ist oft nicht vorhanden und
wenn er besteht, dann wird er beim freien Lüften schnell reduziert, so dass dieser
Mechanismus meist nicht effizient ist oder nur für kurze Zeit wirksam ist. 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) ist die Frage, wie gelüftet werden soll, wenn
diese physikalischen Mechanismen nicht nutzbar sind. Es ist aber auch zu berücksichtigen,
dass das freie Lüften während der kalten Jahreszeit zu Erkältungen führt und das
Wohlbefinden der Menschen beeinträchtigt. Ferner muss an das manuelle Lüften gedacht
werden und man muss es auch wollen und können (in vielen Schulen lassen sich die Fenster
nicht öffnen). Ein weiteres ganz wesentliches Argument, dass gegen das freie Lüften spricht,
ist die Verschwendung von thermischer Energie. Die Häuser werden aufwendig und
kostenintensiv isoliert, um einen Beitrag zur Begrenzung der globalen Erderwärmung zu
leisten. Die Forderung einiger Menschen, dass die Klimaziele während der Pandemie von
nachrangiger Bedeutung sein sollen, ist nicht nachvollziehbar. Statt die thermische Energie
über die freie Lüftung zu verschwenden, sollten daher Maßnahmen ergriffen werden, die den
Schutz der Menschen während der Pandemie mit den Klimazielen in Einklang bringen.
Viele Gebäude verfügen über moderne raumlufttechnische (RLT) Anlagen, die dafür sorgen,
dass die kontaminierte Luft kontrolliert abgeführt und gefilterte bzw. frische Außenluft von
draußen hinzugefügt wird. Der wesentliche Vorteil der RLT Anlagen gegenüber der freien
Lüftung besteht darin, dass sie kontinuierlich für eine angemessene Raumluftqualität sorgen
und ein regelmäßiges manuelles Regulieren mittels Fenstern entfällt. Um die indirekte SARS-
CoV-2 Infektionsgefahr zu reduzieren, müssen die Anlagen aber richtig betrieben werden. Oft
werden sie aus energetischen Gründen nur mit geringer Außenluftzufuhr und einfachen Filtern
betrieben. Zur Verhinderung von indirekten SARS-CoV-2 Infektionen ist aber ein großer
Außenluftanteil (möglichst 100%) oder eine sehr gute Filterung der Raumluft mit Filtern der
Klasse H13 / H14 erforderlich [14]. Die bestehenden RLT Analgen werden meist mit einfachen
Filtern der Klasse F7 / F9 betrieben und nicht mit hochwertigen Filtern der Klasse H13 / H14,
die in der Lage sind 99,995% der Aerosolpartikel ab einer Größe von 0,1 ‒ 0,3 μm zuverlässig
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abzuscheiden. Folglich ist mit vielen installierten RLT Anlagen ein energetisch günstiger und
sicherer Umluftbetrieb nicht möglich. Eine Umrüstung der RLT Anlagen ist in der Regel auch
nicht realisierbar, da der Einbau von Filtern der Klasse H13 / H14 aufgrund des erhöhten
Druckwiderstands zu einer Reduzierung des Volumenstromes führen würde. Aufgrund der
Gefährlichkeit von SARS-CoV-2 sind aber Luftwechselraten von mindestens 6 pro Stunde zu
fordern. Abschätzungen, die begründen sollen, dass eine Luftwechselrate von 1 3 pro
Stunde einen ausreichenden Schutz vor einer indirekten Infektion bieten, beruhen auf falschen
Annahmen. Man sollte sich vor Augen führen, dass in Räumen, in denen infektiöse Personen
behandelt werden, Luftwechselraten von 12 15 empfohlen bzw. vorgeschrieben sind [15, 16,
17]. Daher ist es nicht nachvollziehbar, warum dem Ausstoß gefährlicher Viren in Schulen und
Büros mit einem Luftwechselrate von 1 3 begegnet werden soll. Eine Luftwechselzahl von 6
pro Stunde kann als guter Kompromiss zwischen technischer Realisierbarkeit und Sicherheit
von einer SARS-CoV-2 Infektion angesehen werden und damit als Kompromiss zwischen
Kosten und Nutzen. Wenn leistungsstarke RLT Anlagen verfügbar sind, dann sollten sie derart
betrieben werden, dass die Luftwechselzahl mindestens 6 pro Stunde beträgt und der
Außenluftanteil sollte möglichst 100% betragen. Diese Betriebsart ist zwar energetisch
schlecht, aber die Nachteile der freien Lüftung können so immerhin verhindert werden. Es ist
aber zu berücksichtigen, dass viele Gebäude nicht über RLT Anlagen verfügen und daher
besteht die Frage, wie in öffentlichen Gebäuden ein normaler Betrieb / Aufenthalt realisiert
werden kann. Ferner ist die Frage, ob sich die energetischen Nachteile der RLT Anlagen nicht
durch einen Umluftbetrieb beheben lassen, bei dem die Raumluft durch einen Filter geleitet
wird, der virenbelastete Aerosolpartikel abscheidet oder die Viren mit UV-C oder über die
Ionisation der Raumluft inaktiviert, um eine Infektion verhindern zu können. Die Raumluft
müsste dann nicht geheizt oder die Luftfeuchtigkeit angepasst werden, wie dies bei RLT
Anlagen nötig wäre, die einen großen Außenluftanteil in den Raum führen. Somit könnten die
Kosten gesenkt und wertvolle Ressourcen geschont werden.
Eine einfache und bewährte Methode Tröpfchen und Aerosole aus der Raumluft abzuscheiden
bieten Raumluftreiniger [8]. Sind diese mit einem Filter der Klasse H13 / H14 ausgestattet und
ist der Volumenstrom groß genug, um die sechsfache Menge des Raumvolumens pro Stunde
durch den Filter zu führen, dann sind diese Geräte grundsätzlich geeignet indirekte SARS-
CoV-2 Infektionen zu verhindern. Ferner scheiden diese Geräte auch Pollen und
Feinstaubpartikel ab, so dass Allergiker und Menschen mit Atemwegserkrankungen von den
Geräten profitieren. Neben der reinen Abscheidung der Tröpfchen und Aerosolpartikel können
noch andere physikalische Mechanismen eingesetzt werden, um die Viren zu inaktivieren, so
dass sie keine Infektionen mehr verursachen können. Diese Inaktivierung kann mit Hilfe von
UV Strahlung grundsätzlich realisiert werden. Wird nur die UV Technologie verwendet, dann
können aber meist keine großen Volumenströme realisiert werden, da bei großen
Volumenströmen die Verweildauer der Viren in der elektromagnetischen Strahlung zu kurz ist
oder der Abstand zur UV Quelle zu groß wird, um eine verlässliche Inaktivierung der Viren zu
gewährleisten. Durch eine Erhöhung der UV Strahlungsleistung ließe sich das Problem
grundsätzlich lösen, allerdings kann dann gesundheitsschädliches Ozon entstehen. Die UV
Technologie sollte bei großen Volumenströmen daher immer nur in Kombination mit anderen
Technologien zur Bekämpfung der Viren eingesetzt werden.
Eine weitere Technologie, die zur Bekämpfung von Viren genutzt werden kann, beruht auf der
Ionisation der Luft und der Aerosolpartikel. Die elektrisch geladene Luft kann beim Kontakt mit
den Viren diese direkt inaktivieren und so deren Fähigkeit eine Infektion auszulösen zerstören.
Die schädliche Wirkung ionisierter Luft auf Viren und andere Krankheitserreger wird in Kliniken
genutzt, um z.B. die Heilung von chronischen Wunden zu beschleunigen [18, 19]. Darüber
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hinaus lagern sich geladene Ionen an Aerosolpartikeln an und durch elektrostatische
Wechselwirkung kann es anschließend zu einem Zusammenschluss mit weiteren
Aerosolpartikeln zu größeren Clustern kommen. Diese Cluster können grundsätzlich besser
gefiltert werden als Einzelpartikel. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass in normalen
Aufenthaltsräumen die Aerosolkonzentration im Raum meist sehr gering ist, so dass eine
Clusterbildung recht unwahrscheinlich ist, weil die Abstände zwischen den Aerosolpartikeln zu
groß sind. Folglich spielt die direkte Inaktivierung der Viren durch die ionisierte Luft aus unserer
Sicht eine bedeutendere Rolle im Hinblick auf die Verhinderung von SARS-CoV-2 Infektionen,
als die Clusterbildung.
Im Rahmen dieser Studie wird das Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät analysiert,
das alle drei physikalischen Mechanismen zur Bekämpfung der Viren und Keime in der
Raumluft gleichzeitig einsetzt. Aufgrund der Komplexität des Strömungsproblems wird für die
Analyse ein experimenteller Ansatz genutzt, da nur auf diese Weise die vielen Einflussfaktoren
physikalisch richtig erfasst und bewertet werden können.
Das Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät zeichnet sich laut Herstellerangaben durch
folgende Merkmale aus [20]:
1. Volumenstrom bis maximal 330 m3/h.
2. Feinfilter an der Ansaugseite des Gerätes zur Abscheidung von Staubpartikel etc. aus
der Raumluft.
3. Ionisation der Luftmoleküle mittels Kaltplasma zur Zerstörung/Inaktivierung der
Reproduktionsfähigkeit von Viren mittels elektrischer Ladungen.
4. Elektrostatische Abscheidung geladener Aerosolpartikel und Keime.
5. UV-C Strahlungseinheit zur Zerstörung von Viren-RNA mittels elektromagnetischer
Strahlung.
6. Ionisation der Luftmoleküle zur Zerstörung von Viren mittels elektrischer Ladungen im
Raum und Abscheidung über Clusterbildung.
2. Versuchsaufbau und Durchführung der PIV Experimente
Das Ziel der ersten Versuchsreihe bestand darin das Strömungsfeld in der Umgebung des
Entkeimungsgeräts bei einem maximalem Volumenstrom von 330 m³/h zu quantifizieren. Dazu
muss die mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft und die turbulente Luftbewegung am
Ein- und Auslass des Entkeimungsgerätes quantitativ bestimmt werden. Beide Größen sind
wichtig, da Menschen Luftbewegungen leicht als störend empfinden. Gemäß DIN 1946 Teil 2
[21] können Strömungsgeschwindigkeiten kleiner als 0,3 m/s bei ruhiger Tätigkeit als nicht
störend angenommen werden. Da sich die gefühlte Luftbewegung additiv aus der mittleren
und der turbulenten Strömungsbewegung zusammensetzt, muss die Summe aus beiden
Anteilen im Mittel kleiner als 0,3 m/s sein.
Um diese beiden Größen ortsaufgelöst bestimmen zu können, wurde die Particle Image
Velocimetry (PIV) eingesetzt [22]. Bei dieser Messtechnik wird die Position künstlich erzeugter
Aerosolpartikel in einem Laserlichtschnitt mit digitalen Kameras zu zwei Zeitpunkten registriert
und anschließend wird mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden die lokale Verschiebung der
Partikelbilder bestimmt. Aus der Verschiebung der Partikelbilder kann dann unter
Berücksichtigung des Zeitintervalls zwischen den Messungen und einem Kalibrierfaktor die
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ortsaufgelöste Geschwindigkeitsverteilung in der Messebene berührungslos bestimmt werden.
Abbildung 1 zeigt zur Illustration Aufnahmen des Versuchsaufbaus und während einer PIV
Messung.
Abbildung 1: Experimenteller Aufbau mit Entkeimungsgerät, einem Doppelpulslaser und
einer sCMOS Kamera (links) und Aufnahme während der Messung mit PIV (rechts)
Für die Experimente wurde eine PCO.edge 5.5 sCMOS Kamera mit Zeiss Milvus-Objektiv mit
einer Brennweite von 50 mm verwendet. Die Aerosolpartikel wurden mit einem
Seedinggenerator der Firma PIVTEC aus Di-2-ethylhexyl-sebacat (DEHS) erzeugt. Der
mittlere Durchmesser der Aerosolpartikel beträgt 1 μm und die Größenverteilung reicht von
0,1 2 μm [23]. Ein Quantel Evergreen 200 Laser wurden für die Beleuchtung der Partikel
eingesetzt, dessen Strahl mithilfe verschiedener Linsen zu einem Lichtschnitt aufgefächert
wurde [22]. Das Messsystem wurde mit der Software DaVis von LaVision GmbH gesteuert,
welche auch zur Datenauswertung verwendet wurde. Zur Erfassung des gesamten
Strömungsfeldes vor und über dem Entkeimungsgerätes wurde das PIV Equipment traversiert.
3. Luftbewegung in der Umgebung des Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerätes
In den folgenden beiden Abbildungen sind die Ergebnisse der PIV Messungen bei einem
maximalen Volumenstrom des Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerätes von ca. 330
m3/h dargestellt. In Abbildung 2 ist der Betrag der Geschwindigkeit farbkodiert visualisiert. Die
Richtung der mittleren Luftbewegung ist anhand der Orientierung der Vektorpfeile zu erkennen
und die Länge der Vektoren verdeutlicht den Betrag der Geschwindigkeit. In der Abbildung 3
ist der Betrag der mittleren turbulenten Luftbewegung als Farbverlauf gezeigt. Je größer die
turbulente Strömungsbewegung ist, umso stärker fluktuiert die Luftbewegung um den Wert der
mittleren lokalen Strömungsgeschwindigkeit. Die Vektoren symbolisieren die Größe und
Richtung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit gemäß Abbildung 2 zur Orientierung.
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Abbildung 2: Betrag und Richtung der mittleren Strömungsbewegung bei 330 m3/h.
Abbildung 3: Turbulente Luftbewegung zeitlich gemittelt bei 330 m3/h.
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Die quantitativen PIV Messergebnisse verdeutlichen, dass die Summe aus der mittleren
Strömungsgeschwindigkeit und der mittleren turbulenten Bewegung in der Umgebung des
Gerätes die empfohlenen Grenzwerte gemäß DIN 1946 Teil 2 nicht überschreiten. Daher ist
selbst bei einem Aufenthalt in der unmittelbaren Nähe des Entkeimungsgerätes keine
Beeinträchtigung des Wohlbefindens durch gleichmäßige oder fluktuierende Luftbewegungen
zu erwarten. Bei einem maximalen Volumenstrom von 330 m3/h werden vor dem
Ansaugbereich nur bis zu einem Abstand von bis etwa 0,2 m Strömungsgeschwindigkeiten bis
0,5 m/s erreicht. Diese treten allerdings nur im Fußbereich auf, so dass sie von Personen nicht
als störend empfunden werden können. Im empfindlichen Kopf- und Körperbereich sind die
mittleren Strömungsgeschwindigkeiten und die überlagerte turbulente Luftbewegung in der
Summe deutlich kleiner als 0,3 m/s.
Direkt oberhalb des Luftauslasses werden größere Strömungsgeschwindigkeiten erreicht. Da
die Luft aber senkrecht nach oben aus dem Gerät ausströmt, ist eine Beeinträchtigung des
Wohlbefindens durch die Luftströmung nicht möglich. Ferner ist aufgrund des senkrechten
Austritts des Freistrahles eine Verblockung der Strömung durch Gegenstände im Raum nicht
ohne weiteres realisierbar. Eine Verblockung des Auslassstrahls könnte zu einer
Beeinträchtigung der Filterleistung führen und sollte daher vermieden werden. Als
Zwischenergebnis dieser Analyse lässt sich feststellen, dass durch den Betrieb des Viromed
Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerätes die Luftbewegung innerhalb der empfohlenen
Grenzwerte liegt.
In der Abbildung 2 ist sehr schön zu erkennen, dass die ausströmende Luft bis zur Decke
strömt und dann in beide Richtungen zu ungefähr gleichen Teilen umgelenkt wird. Die Luft
breitet sich dann aufgrund des Coandă Effektes entlang der Decke aus, bis sie durch die
Wände des Raumes nach unten umgelenkt wird und dann zum Ansaugbereich des Gerätes
zurückströmt. Diese Luftbewegung ist in Abbildung 4 (links) schematisch durch Pfeile
dargestellt. Damit sich eine großräumige Zirkulationsbewegung im Raum ausbilden kann,
sollte die Ausbreitung der Luftströmung nicht durch größere Objekte im Deckenbereich (lange
hervorstehende Lampen, Deckenvorsprünge, Deckenbalken,…) blockiert werden [8, 24]. Je
ungestörter sich die Luft ausbreiten kann, umso effizienter und schneller wird die kontaminierte
Raumluft durch das Gerät geführt. Wird die Strömungsausbreitung gestört, dann bilden sich
komplexere Raumluftströmungen aus, wie in Abbildung 4 (rechts) beispielhaft dargestellt.
Diese Raumluftbewegung kann zu einer verminderten Filterleistung oder reduzierten
Inaktivierungsrate der Viren führen.
Um diese unerwünschte Luftbewegung zu kompensieren kann an dem Entkeimungsgerät ein
etwas größerer Volumenstrom eingestellt werden. Da mit zunehmendem Volumenstrom aber
die Betriebskosten steigen und der Geräuschpegel zunimmt, sollte auf eine geeignete
Positionierung des Gerätes im Raum geachtet werden. Um eine energetisch effiziente und
effektive Filterung der Raumluft zu ermöglichen, ist eine Aufstellung des Entkeimungsgerätes
in der Mitte der längsten Raumseite empfehlenswert und der auf die Decke treffendende
Luftstrahl sollte sich möglichst ungestört entlang der Decke ausbreiten können ohne blockiert
zu werden.
Bei genauer Betrachtung der Vektoren in Abbildung 2 ist zu erkennen, dass Teile der aus dem
Raum zurückströmenden Luft direkt mit dem aus dem Gerät austretenden Freistrahl in
Wechselwirkung tritt und sich erneut in den Raum ausbreitet, ohne durch das Gerät geführt zu
werden. Dies ist ein ganz natürlicher strömungsmechanischer Vorgang, der als Entrainment
bezeichnet wird. Ist der Volumenstrom des Gerätes hinreichend groß gewählt, dann wird
sichergestellt, dass die am Gerät vorbeigeführte Luftmenge in hinreichend kurzer Zeit gefiltert
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und die Viren abgeschieden oder inaktiviert werden. Dafür sorgt letztlich die turbulente
Vermischung im Raum. Das Ziel sollte es aber sein, die Zeit für die Filterung der Raumluft
möglichst gering zu halten, damit eine Luftwechselrate von 6 pro Stunde energetisch günstig
erreicht werden kann. Wie schnell die Filterung der Raumluft und damit die Inaktivierung der
Viren letztlich erfolgt lässt sich mit Hilfe von Konzentrationsmessungen bestimmen.
Abbildung 4: Idealisierte Darstellung der Luftströmung in einem leeren Raum (links) und bei
Vorhandensein eines in den Raum ragenden Balkens (rechts). In der Realität sind die
Strömungsphänomene dreidimensional.
4. Versuchsaufbau und Durchführung der Konzentrationsmessungen
Um die Filterleistung des Entkeimungsgeräts und damit die Abscheidung und Inaktivierung
von Viren quantitativ zu bestimmen, wurde zunächst die zeitliche Abnahme der
Partikelkonzentration an drei Positionen in einem 80 m2 großen Raum simultan gemessen. Da
das Raumvolumen 200 beträgt, das Gerät aber nur einen Volumenstrom von 330 m³/h
aufweist, kann eine Luftwechselrate von 6 pro Stunde nicht erreicht werden. Dafür müssten in
dem Raum mehrere Geräte gleichzeitig betrieben werden. Die Abklingkurven ermöglichen
aber die Ergebnisse auf andere Raumgrößen zu übertragen. Kleinere Räume werden im
nächsten Kapitel analysiert.
Abbildung 5 verdeutlicht in der Draufsicht die Geometrie und Abmessungen des Raumes. Da
der Raum für ein einziges Gerät dieser Leistungsklasse laut Herstellerangaben zu groß ist,
wurden Versuche mit zwei Geräten durchgeführt, die an den Positionen A1 und A2 aufgestellt
wurden. Anschließend wurden die beiden Geräte an den Eckpositionen B1 und B2 installiert,
um den Einfluss des Aufstellungsortes auf die Filterleistung und die Zeit bis zur Inaktivierung
der Viren quantifizieren zu können. Schließlich wurden zum Vergleich Messungen mit einem
einzelnen Gerät durchgeführt, das sich an der Position B1 befand.
Die Messpositionen sind in der Abbildung 5 mit MP1 MP3 bezeichnet. Zur Ermittlung der
zeitlichen Abnahme der Aerosolpartikel in der Raumluft wurde das Particle Imaging Verfahren
angewendet. Bei diesem Verfahren wird der Raum zunächst mit sehr langlebigen
Aerosolpartikeln, deren Größenverteilung dem beim Atmen, Sprechen und Singen emittierten
Aerosolpartikeln entspricht, homogen und mit hoher Konzentration vernebelt. Die
Langlebigkeit des Aerosols ist sehr wichtig, da sonst eine systematische Verfälschung der
Messergebnisse durch Verdunstung auftreten würde. Ferner ist die geringe Größe der
Aerosolpartikel wichtig, da große Aerosolpartikel im Laufe der Zeit absinken würden, was
ebenfalls systematische Messfehler bewirken würde. Die Aerosolpartikel werden mit einem
gepulsten Laser beleuchtet und mit einer Kamera mit geeignetem Objektiv abgebildet und für
die Weiterverarbeitung digital gespeichert. Die Anzahl der Partikelbilder auf dem Sensor
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entspricht der Anzahl der Aerosolpartikel im beleuchteten Messvolumen. Die Anzahl der
Partikelbilder auf dem Sensor darf nicht zu groß sein, da überlappende Partikelbilder die
Zählung systematisch verfälschen würde. Aus diesem Grund muss der Abbildungsmaßstab
des optischen Systems und die Anfangskonzentration des Aerosols sinnvoll gewählt werden.
Zur Detektion der Partikelbilder werden digitale Filter angewendet, welche das
Hintergrundrauschen unterdrücken. Als Ergebnis dieser Bildvorbearbeitung verbleiben auf
dem Bild lediglich die Bilder der Aerosolpartikel, die dann automatisch gezählt werden. Ohne
diese Bildvorbearbeitung könnte stochastisches Bildrauschen fälschlich als Signal interpretiert
werden, was zu systematischen Messfehlern führen würde. Durch Aufnahmen mit einer festen
Frequenz über einen ausreichend langen Zeitraum können die einzelnen Partikelbilder in jeder
einzelnen Aufnahme zuverlässig gezählt werden. Als Ergebnis der Messungen ergibt sich die
Anzahl der Aerosolpartikel im Messvolumen in Abhängigkeit von der Zeit.
Abbildung 5: Anordnung der Komponenten im Raum für die Konzentrationsmessungen
Aus dem zeitlichen Verlauf der Partikelanzahl können wichtige Kenngrößen, wie z.B. die
Abklingkonstante, die Halbwertszeit und die Verweilzeit der Aerosolpartikel im Raum ermittelt
werden. Der Wert der Abklingkonstante entspricht theoretisch genau der Luftwechselrate. Die
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Halbwertszeit ist ein Maß dafür wie lange es dauert, bis sich die Anzahl der Aerosolpartikel an
der betrachteten Messposition um 50% reduziert hat. Nach der doppelten Halbwertzeit ist die
Konzentration der Aerosolpartikel folglich auf 25% vom Startwert abgefallen. Die Verweildauer
ist die Zeit, die die freigesetzten Aerosolpartikel im Mittel benötigen, um von der jeweiligen
Messposition bis zum Abscheidungsort im Entkeimungsgerät zu gelangen. Auf dem Weg vom
Freisetzungsort bis zum Abscheideort wird die Virenlast natürlich aufgrund der konvektiven
Bewegung und der turbulenten Vermischung der Raumluft abnehmen, so dass das
Infektionsrisiko mit zunehmendem Abstand von der Quelle strömungsbedingt reduziert wird.
Um die Funktionalität des Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerätes in einem 80
großen Raum analysieren zu können, wurde die Aerosolkonzentration simultan an 3
unabhängigen Positionen diagonal im Raum gemessen. Mit einem PIVTEC Seedinggenerator
wurde aus Di-2-ethylhexyl-sebacat (DEHS) Aerosolpartikel mit einer Größenverteilung
zwischen 0,1 2 μm und einem mittleren Durchmesser von ca. 1 μm erzeugt [19]. Für die
Beleuchtung der Aerosolpartikel wurde der Ausgangsstrahl eines Quantel Evergreen 200
Laser diagonal durch den Raum geleuchtet. Zur Aufnahme der Aerosolpartikel in den
Messvolumina (MP1 MP3) wurden 3 PCO.edge 5.5 sCMOS Kameras mit Zeiss Milvus-
Objektiven mit einer Brennweite von 50 mm verwendet. Die einzelnen Kameras und der Laser
wurden mit der Software DaVis von LaVision zentral angesteuert, sodass die Aufnahmen aller
Kameras synchron durchgeführt wurden. Die Aufnahmerate betrug bei den Messungen 1 Hz.
Abbildung 6 zeigt in einer verzerrten Panoramaaufnahme die Anordnung der verwendeten
Komponenten im Raum.
Abbildung 6: Optisch verzerrte Panoramaaufnahme des Versuchsraumes mit den
Komponenten für die PIV und Konzentrationsmessungen
5. Konzentrationsmessungen in einem quadratischen Raum mit 80 m²
Mit Hilfe des in Abschnitt 2 verwendeten PIV Versuchsaufbaus wurde zunächst visuell der
Abscheidegrad am Austritt des Gerätes analysiert. Dazu wurde der gesamte Raum mit DEHS
Aerosolpartikeln mit einem Durchmesser von 0,1 2 μm und einem mittleren Durchmesser
von ca. 1 μm [23] homogen vernebelt. Mit Hilfe eines Laserlichtschnittes im Bereich der
Ausströmung wurde untersucht, ob noch Aerosolpartikel aus dem Auslassbereich des Gerätes
Entkeimungsgeräte
PIV Kamera
Kamera MP3
Kamera MP2
PIV Laser
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12
herauskommen. Abbildung 7 zeigt, dass die Umgebung des Freistrahles vollständig mit
Aerosolpartikeln kontaminiert ist (weiße Bereiche). Der zentral aus dem Gerät austretende
Freistrahl ist hingegen frei von Aerosolpartikeln (dunkler Bereich). Dass die gefilterte Luft in
der Abbildung nicht völlig schwarz erschient hängt mit der effizienten Vermischung mit der
umgebenden Raumluft zusammen, die in der Abbildung 7 schön zu erkennen ist. Der Vorgang,
bei dem kontaminierte Luftbereiche in den sauberen Strahl eindringen wird als Entrainment
bezeichnet [12]. Analysen, bei denen nur im Ansaugbereich Aerosolpartikel zugeführt wurden
zeigen klar, dass diese zuverlässig durch die elektrostatische Filterung abgeschieden werden.
Abbildung 7: Darstellung der Aerosolverteilung im Bereich der Ausströmung bei einem
Volumenstrom von 330 m3/h
Um die Filterleistung und die Inaktivierung der Viren in dem 80 großen Raum quantitativ
bewerten zu können, zeigt Abbildung 8 (links) den Verlauf der gemessenen
Aerosolpartikelanzahl in Abhängigkeit von der Zeit. Zusätzlich ist die zeitliche Abnahme der
Aerosolkonzentration bei ausgeschaltetem Entkeimungsgerät als Referenz dargestellt. Da alle
Öffnungen in dem Raum luftdicht abgeklebt wurden und die sehr kleinen Aerosolpartikel sich
kaum absetzen, nimmt die Partikelkonzentration in der Referenzmessung nur sehr langsam
ab. Das Ergebniss der Referenzmessung verdeutlicht darüber hinaus, dass kleine langlebige
Tröpfchenkerne oder Tröpfchen unter Bedingungen, bei denen sich die Verdunstungsrate mit
der Kondensationsrate im Gleichgewicht befindet, in der Luft über Stunden in der Raumluft
verbleiben. Daher ist es wichtig die Virenlast im Raum technisch zu begrenzen, so dass sich
nach Möglichkeit keine infektiöse Virenkonzentration im Raum bilden kann.
Es ist auch offensichtlich, dass die Aerosolpartikel durch die Luftströmung über sehr große
Distanzen (im Prinzip viele Kilometer) transportiert werden nnen, wenn die Ausbreitung nicht
durch Wände verhindert wird. Es ist allerdings zu berücksichtigen, dass bei diesem Prozess
die Konzentration und damit die Infektionswahrscheinlichkeit aufgrund von zwei Prozessen
sehr schnell reduziert wird. Einerseits bewirkt die turbulente Diffusion eine räumliche
Verbreitung des Aerosols, die auch dann stattfindet, wenn die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit Null ist. Andererseits wird das über einen Zeitraum freigesetzte
Aerosol räumlich stark gestreckt und folglich verdünnt, wenn die mittlere
Strömungsgeschwindigkeit ungleich Null ist. Wird z.B. bei leichter körperlicher Belastung über
einen Zeitraum von 2 Sekunden 1 Liter Luft ausgeatmet und strömt die umgebende Luft mit
einer mittleren Geschwindigkeit von 10 m/s am Austrittsort vorbei, dann wird die ausgeatmete
Luft aufgrund der Strömung über einen Bereich von 20 m gestreckt. Die Konzentration wird
daher rechnerisch um den Faktor 200 abnehmen und damit die Virenlast im Nachlauf der
Person, von der das Aerosol ausgeatmet wird. Wird darüber hinaus noch die turbulente
Diffusion berücksichtigt, dann nimmt die Konzentration nochmal deutlich ab. Diese
strömungsmechanischen Prozesse erklären, warum außerhalb geschlossener Räume eine
SARS-CoV-2 Infektion sehr unwahrscheinlich ist und daher kaum nachgewiesen werden
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konnte. Hinzu kommt noch, dass nicht alle Aerosolpartikel Viren tragen [8]. In der freien Natur
ist daher bei ausreichender Windgeschwindigkeit oder Bewegung der Personen eine
Aerosolinfektion extrem unwahrscheinlich, wenn Abstände zwischen den Personen von
mindestens 1,5 m eingehalten werden.
Abbildung 8: Abnahme der Aerosolkonzentration mit der Zeit für verschiedene
Volumenströme und zugehörige exponentielle Fitfunktionen
Der Vergleich der verschiedenen Messkurven in Abbildung 8 (links) verdeutlicht die Abnahme
der Aerosolkonzentration in dem 80 m2 großen Raum in Abhängigkeit von der Zeit für die
verschiedenen Aufstellungskonfigurationen. Der Vergleich verdeutlicht den Effekt der
Positionierung und der Anzahl der Geräte auf die Filterleistung und damit auf die Inaktivierung
der Viren im Raum. Deutlich zu erkennen ist der Effekt des Volumenstromes. Eine
Verdoppelung der Geräteanzahl und damit des Volumenstromes sorgt für eine Halbierung der
Zeit, die erforderlich ist, um eine bestimmte Konzentration zu erhalten. Soll die
Aerosolkonzentration in einem Raum mit einem bestimmten Volumen in einer bestimmten Zeit
halbiert werden, dann lässt sich mit Hilfe dieser gemessenen Kurven abschätzen wie groß der
Volumenstrom sein muss, um die gewünschte Zielvorgaben zu erreichen.
Der exponentiell abnehmende Verlauf der Aerosolpartikelzahl ermöglicht charakteristische
Größen quantitativ zu bestimmen, die für die Bewertung der Effizienz des Entkeimungsgerätes
ganz wesentlich sind. Die Abklingkonstante, die sich aus der exponentiellen Abnahme der
Konzentration in Abbildung 8 ergibt, ist ein Maß für die Effizienz der Filterung. Je größer der
Wert, desto schneller die Abnahme und umso besser die Filterwirkung und desto kürzer die
Zeit, die zur Filterung der Raumluft benötigt wird. Die Halbwertzeit gibt an, wie lange es dauert
bis die Aerosolkonzentration am Ort der Messung auf die Hälfte abgenommen hat. Die mittlere
Verweilzeit charakterisiert, wie lange die an den jeweiligen Messpositionen emittierten
Aerosole statistisch im Raum verweilen bis sie vom Entkeimungsgerät abgeschieden werden.
Tabelle 1 zeigt die aus den gemessenen Abklingfunktionen bestimmten Größen für die
verschiedenen Konfigurationen.
Zunächst kann festgestellt werden, dass die Filterleistung trotz der Raumgröße nur wenig von
der Messposition abhängig ist. Die Annahme, dass in den Ecken des Raumes möglicherweise
Aerosolpartikel lange verbleiben ist daher nicht gerechtfertigt. Die Turbulenz in der Raumluft
ist der Grund dafür, dass sich die Konzentration im Raum sehr gleichmäßig verhält. Darüber
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hinaus kann aus der Tabelle abgelesen werden, dass auch der Aufstellungsort der Geräte
keinen signifikanten Einfluss auf die Filterleistung hat. Bei 330 m3/h ist bei der Konfiguration
A1 + A2 die Aerosolkonzentration in etwa 11,5 Minuten halbiert und bei der Konfiguration B1
+ B2 nach rund 12 Minuten. Der Einfluss der Positionierung auf die Filterleistung ist gemäß
dieser Analyse nicht sehr groß. Wird hingegen nur ein Entkeimungsgerät verwendet, dann
verlängert sich die Halbwertzeit auf rund 25 Minuten (MP3). Dieses Ergebnis verdeutlicht
zweifelsfrei, dass der Volumenstrom des Gerätes sehr gut an die Raumgröße angepasst sein
muss, um eine gewünscht Filterleistung zu erzielen. Kleine Geräte mit geringem
Volumenstrom können in einem großen Raum keine Sicherheit vor einer indirekten SARS-
CoV-2 Infektion bieten. Beträgt das Volumen des Raumes x , dann sollte der Volumenstrom
des Gerätes mindestens 6x/h betragen, um eine ausreichende Sicherheit vor einer SARS-
CoV-2 Infektion zu gewährleisten. Bei einem Raumvolumen von rund 200 m³ wäre somit ein
Volumenstrom von 1200 m³/h erforderlich, um die Forderung zu erfüllen.
Tabelle 1: Abnahme der Aerosolkonzentration mit der Zeit für verschiedene Messpositionen
und Aufstellungskonfigurationen. Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere
Verweilzeit (blau).
Messposition
Position A1 & A2
Position B1 & B2
Position B1
MP1
3,69 | 0,19 | 0,27
3,53 | 0,20 | 0,28
1,51 | 0,46 | 0,66
MP2
3,63 | 0,19 | 0,28
3,35 | 0,21 | 0,30
1,51 | 0,46 | 0,66
MP3
3,85 | 0,18 | 0,26
3,74 | 0,19 | 0,27
1,65 | 0,42 | 0,61
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Aufgrund der Gefährlichkeit von SARS-CoV-2 sollte diese Forderung von 6x/h keinesfalls
unterschritten werden. Aussagen, dass eine Luftwechselzahl von 1 ‒ 2 ausreicht, um SARS-
CoV-2 Infektionen wirksam zu verhindern, beruhen auf falschen Annahmen. In Bereichen, in
denen sich nachweislich infizierte Personen aufhalten, werden üblicherweise
Luftwechselzahlen von 12 ‒ 15 gefordert [15, 16, 17]. Eine Luftwechselzahl von 6 stellt einen
sinnvollen und realistischen Kompromiss zwischen Sicherheit und Realisierbarkeit dar. Sollten
trotz einer Luftwechselrate von 6 pro Stunde SARS-CoV-2 Infektionen in Innenräumen nicht
wirkungsvoll verhindert werden können, dann könnten dies bedeuten, dass sich sehr viele
infizierte Personen in dem Raum aufgehalten haben. Eine Erhöhung der Luftwechselzahl wäre
dann ratsam. Die gegenwärtigen Infektionszahlen lassen aber darauf schließen, dass dieser
Fall derzeit sehr unwahrscheinlich ist. Es könnte aber auch sein, dass sich die anwesenden
Personen nicht durch eine indirekte Infektion aufgrund der Virenlast im Raum infiziert haben,
sondern durch direkte Infektionen, die entstehen können, wenn nicht infizierte Personen von
infizierten Personen stark angehustet werden oder sich diese Personen ohne ausreichenden
Abstand länger unterhalten. Gegen die direkte Infektionsgefahr können Entkeimungsgeräte
und Raumluftreiniger wenig ausrichten. Die Verhinderung direkter Infektionen erfordert
Abstände oder das Tragen von partikelfiltrierenden Atemschutzmasken, Mund-Nasen-
Bedeckungen, Faceshields oder Barrieren aus Plexiglas.
Das getestete Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät kann in Räumen bis zu einer
Größe von 22 m² eingesetzt werden, wenn alleine die Filterleistung betrachtet wird. Aufgrund
der integrierten Ionisationstechnologie ist es laut Herstellerangaben aber möglich das Gerät
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auch in größeren Räumen bis zu 50 zu betreiben [20]. Aufgrund der Ionisation der Luft
werden laut Hersteller die Viren am Ort der Freisetzung bereits zum großen Teil inaktiviert.
Daher bietet das Gerät laut Hersteller nicht nur einen Schutz vor einer indirekten Infektion,
sondern teilweise auch gegenüber einer direkten Infektion. Wie wirkungsvoll die Ionisation
wirkt kann auf der Basis der hier durchgeführten Experimente nicht beantwortet werden, da in
den Laboren des Instituts keine Versuche mit infektiösen Viren durchgeführt werden können.
Aber auch ohne diese Schutzfunktion durch die Ionisierung ist das Gerät leistungsfähig genug,
um in Behandlungszimmern, Wartezimmern, normalen Büros, im Empfangsbereich von
Praxen, in Apotheken oder in Essens- und Aufenthaltsräumen in Altenheimen, kleinen
Geschäften, usw. das indirekte Infektionsrisiko deutlich zu reduzieren, so dass indirekte
Infektionen äußerst unwahrscheinlich werden.
6. Abhängigkeit der Filterleistung von der Raumgeometrie
Die Filterleistung ist nicht nur abhängig von der Anzahl der Geräte und deren Aufstellungsort,
sondern auch von der Geometrie des Raumes. Insbesondere in langgestreckten Räumen
lassen sich Aerosolpartikel im Allgemeinen weniger effizient abscheiden, da der Wandstrahl
an der Decke gemäß Lehrbuchmeinung [12] irgendwann ablöst und sich dann ein
Rezirkulationsgebiet ausbildet, das nicht bis zur gegenüberliegenden Wand reicht. Diese
Situation ist vergleichbar mit den in Abbildung 4 (rechts) dargestellten Verhältnissen, wobei
die Ablösung der Strömung von der Decke in einem langen Raum nicht durch ein Objekt,
sondern durch die Reduzierung des Impulses des Wandstrahles mit zunehmender Entfernung,
verursacht wird. Die Reduzierung des Impulses wird durch die Wandreibung, die turbulente
Luftbewegung und das in Abbildung 7 sichtbare Entrainment bewirkt. Durch das Entrainment
werden langsame Strömungsbereiche mit Aerosolpartikeln durch den schnellen Wandstrahl
beschleunigt und die dafür erforderliche Arbeit führt zur Verringerung des Wandstrahlimpulses.
Die Turbulenz führt primär zu einer Strahlverbreiterung, was wiederum zu einer lokalen
Impulsabnahme führt und daher die Ablöseposition des Wandstrahles näher zum Gerät
verlagert. Aufgrund dieser Effekte erscheint es plausibel, dass der vordere Raumbereich sehr
gut gefiltert und die Viren inaktiviert werden, während der hintere Bereich des Raumes eher
unbeeinflusst bleibt. In einer vorherigen Arbeit wurde aber bereits gezeigt, dass diese
Lehrbuchmeinung nicht zwingend der Realität entspricht [8]. Um diese Situation mit dem
Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät zu untersuchen, wurden Messungen in einem
langgestreckten Raum durchgeführt, der eine Querschnittsfläche von ca. 4 m2 aufweist. Es
wurden zwei verschiedene Raumlängen untersucht: 22,4 m (Versuchsaufbau siehe Abbildung
9) und 11,8 m (Abbildung 10).
Die aus den Konzentrationsmessungen in Abbildung 8 (rechts) ermittelten Größen sind in den
Tabellen 2 und 3 für die jeweiligen Raumgrößen zusammengefasst. Es ist deutlich, dass auch
in langgestreckten Räumen eine recht schnelle Abscheidung der Aerosolpartikel erzielt wird.
Werden zwei Geräte an den jeweiligen Stirnflächen des Raumes positioniert, beträgt die
Halbwertzeit weniger als 5 Minuten. Wird nur ein Gerät eingesetzt, dann ergibt sich eine
Halbwertzeit von 8 ½ Minuten. Selbst an dem weit entfernten Messpunkt MP2 in der langen
Konfiguration ist eine deutliche Abnahme der Aerosolpartikel mit der Zeit festzustellen, die in
etwa der Abnahme an der Position MP1 entspricht. Die Ergebnisse zeigen, dass in sehr
langgestreckten Räumen die Verwendung von zwei Entkeimungsgeräten an den jeweiligen
Enden empfehlenswert sein kann, wenn eine sehr schnelle Abnahme der Virenlast erforderlich
ist, wie z.B. auf dem Flur einer Station im Krankenhaus/Altenheim, einer Praxis oder in einem
Hotel.
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Abbildung 9: Anordnung der Komponenten in der Konfiguration langer Flur für die
Konzentrationsmessungen
Tabelle 2: Abnahme der Aerosolkonzentration in der Konfiguration langer Flur mit der Zeit für
verschiedene Konfigurationen. Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere
Verweilzeit (blau).
Messposition
Position A & B
Position A
MP1
8,39 | 0,08 | 0,12
5,05 | 0,14 | 0,20
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Abbildung 10: Anordnung der Komponenten in der Konfiguration kurzer Flur für die
Konzentrationsmessungen
Tabelle 2: Abnahme der Aerosolkonzentration in der Konfiguration kurzer Flur mit der Zeit.
Abklingrate (schwarz), Halbwertszeit (grün) und mittlere Verweilzeit (blau).
Messposition
Position A
Referenz
MP1
8,09 | 0,09 | 0,12
0,45 | 1,54 | 2,22
Abklingrate [1/h] | Halbwertszeit [h] | mittlere Verweilzeit [h]
Entkeimungsgerät, Position A
Deckenhöhe: 1,85 m
Höhe des Messpunktes: 1,3 m
Entkeimungsgerät, Position A
Entkeimungsgerät, Position B
Deckenhöhe: 1,85 m
Höhe des Messpunktes: 1,3 m
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Schematisch lässt sich die zeitlich gemittelte Strömungssituation in dem langen Raum mit zwei
Geräten wie in Abbildung 11 schematisch darstellen.
Abbildung 11: Idealisierte Darstellung der Luftströmung in einem langen, leeren Raum, in
dem zwei Entkeimungsgeräte betrieben werden. In der Realität sind die
Strömungsphänomene dreidimensional.
Erwartungsgemäß werden die Aerosolpartikel in der Konfiguration kurzer Flur deutlich
schneller abgeschieden. Die Halbwertzeit beträgt gemäß Tabelle 3 rund 5 Minuten bei einem
Volumenstrom von 330m³/h. Die Abklingkonstante beträgt 8,09 und das bedeutet, dass bei
diesem Raumvolumen eine Luftwechselrate von rund über 8 pro Stunde erreicht wird. Ohne
Betrieb des Entkeimungsgerätes beträgt die Halbwertzeit über 90 Minuten. Dieser Vergleich
verdeutlicht das Potential zum Schutz der Personen im Raum durch den Einsatz von
Entkeimungsgeräten und Raumluftreinigern in geschlossenen Räumen.
Zusammenfassung und Schlussfolgerung
Die quantitativen Messergebnisse zeigen, dass sich mit dem getesteten Viromed Klinik Akut
V 500 Entkeimungsgerät, die Aerosolkonzentrationen in einem Raumen mit einer Größe von
22,5in rund 5 Minuten halbieren lässt. Die Luftwechselrate beträgt in diesen Fällen 8 pro
Stunde. Damit ist ein einziges Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgerät sehr gut geeignet,
um in Räumen bis ca. 30 m² eine hohe Sicherheit von einer indirekten SARS-CoV-2 Infektion
zu gewährleisten. Die Raumgröße entspricht typischen Behandlungszimmern, Wartezimmern,
Empfangsbereichen, Apotheken, Büros,…
In einem 42,5 großen Raum konnte beim gleichzeitigen Betrieb von zwei Viromed Klinik
Akut V 500 Entkeimungsgeräten eine Halbwertzeit von 4,8 Minuten erzielt werden und die
Luftwechselrate betrug 8,4. Der Vergleich mit den Ergebnissen in dem kleineren Raum
verdeutlicht, dass eine Skalierung einfach möglich ist. D.h. wenn die Raumgröße verdoppelt
wird, dann ändert sich die Luftwechselrate, Halbwertzeit und Verweildauer der Aerosolpartikel
im Raum nicht signifikant, wenn auch die Anzahl der Geräte oder der Volumenstrom
verdoppelt wird.
Bei Räumen mit 80 m2 und dem Betrieb von zwei Viromed Klinik Akut V 500
Entkeimungsgeräten wird eine Halbierung der Aerosolpartikelkonzentration in ca. 11 Minuten
realisiert. Die Luftwechselrate liegt folglich etwas niedriger als 4 pro Stunde und damit
unterhalb des von uns empfohlenen Wertes von 6 Raumluftwechsel pro Stunde. Da das Gerät
aber neben der Filterung der Aerosolpartikel auch über eine Ionisierungseinheit verfügt, deren
Leistung am Gerät frei eingestellt werden kann, sollte bei dieser Raumgröße ein zusätzlicher
Schutz vor einer SARS-CoV-2 Infektion durch die Ionisation der Raumluft realisiert werden.
Bei noch größeren Räumen, Räumen mit vielen großen Objekten, Unterbrechungen der Decke
durch Balken oder raumteilende Lampe, oder sehr verwinkelten ume, sollten ausreichend
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Entkeimungsgeräte eingesetzt werden, um alle Bereiche zügig zu filtern. Aufgrund der
Gefährlichkeit der SARS-CoV-2 Infektion sollte die von den Geräten erbrachte Luftwechselrate
einen Werte von 6 Luftwechseln pro Stunde nicht unterschreiten, es sei denn zusätzliche
Schutzeinrichtungen können ergänzend genutzt werden (Ionisation der Raumluft, UV-C, RLT
Anlagen, freie Lüftung). Luftwechselraten von 6 pro Stunde stellen einen guten Kompromiss
aus technischer Realisierbarkeit und Sicherheit von einer indirekten Infektion dar.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass leistungsstarke Entkeimungsgeräte die
Aerosolkonzentration in Räumen schnell reduzieren und auf einem niedrigen Niveau halten
können. Daher kann das indirekte Infektionsrisiko auch bei geschlossenen Fenstern und ohne
geeignete RLT Anlage durch diese Geräte minimiert werden. Sie sind daher sehr gut geeignet,
um z.B. in Behandlungszimmern, Wartezimmern, Empfangsbereichen, Apotheken,
Altenheimen, Büros, Geschäften dauerhaft für eine geringe Virenlast im Raum zu sorgen. Das
regelmäßige Öffnen von Fenstern entfällt und das Wohlbefinden im Raum wird nicht
beeinträchtigt. Sie bieten auch gegenüber RLT Anlagen, die ohne oder mit einem geringen
Frischluftanteil betrieben werden, den Vorteil, dass die Viren wirklich abgeschieden und mittels
UV-C Strahlung und ionisierter Ladung inaktiviert werden und nicht über andere Kanäle im
Gebäude verteilt werden. Darüber hinaus sind die Geräte energieeffizient, da die kostspielig
erwärmte Raumluft nicht nach draußen geführt wird, wie bei der freien Lüftung oder RLT
Anlagen mit großem Außenluftanteil, sondern nur die gesundheitsschädlichen Anteile der
Raumluft (Viren, Bakterien, Pollen, Feinstaub,…) abgeschieden und inaktiviert werden. Damit
leisten diese Geräte nicht nur einen Beitrag zur Verbesserung der Raumluftqualität, sondern
auch zum Klimaschutz während der Pandemie.
Bei der Anschaffung von Entkeimungsgeräten oder Raumluftreinigern ist ganz wichtig, dass
die Geräte auch über zuverlässige Einrichtungen zur Abscheidung und Inaktivierung der Viren
verfügen. Günstige Geräte verfügen in der Regel weder über ausreichend große
Volumenströme (6-fache des Raumvolumens pro Stunde!) noch über effiziente Filter der
Klasse H13 / H14 oder vergleichbar, die bei den großen Volumenströmen die erforderlichen
Abscheidegrad erbringen, oder leistungsstarke Ionisations- oder UV-C Einheiten.
Abschließend ist zu betonen, dass Entkeimungsgeräte zwar geeignete Werkzeuge sind, um
das indirekte Infektionsrisiko zu minimieren, aber das direkte Infektionsrisiko, das durch
direktes Anhusten oder beim langen Unterhalten über kurze Distanz erfolgen kann, können
sie nur teilweise durch Ionisation der Luft verhindern. Es ist daher wichtig, weiterhin
ausreichend große Abstände zu anderen Personen einzuhalten, einfache Mund-Nasen-
Bedeckungen oder Faceshields zu tragen oder sich durch Barrieren aus Plexiglas vor einer
direkten SARS-CoV-2 Infektion zu schützen.
Anmerkung
Die Untersuchungen wurden durch die Firma Viromed GmbH, Rellingen, finanziell unterstützt.
Die Viromed Klinik Akut V 500 Entkeimungsgeräte wurde für die Untersuchungen von der
Firma Viromed GmbH bereitgestellt. Die Untersuchungen wurden unter Einhaltung der guten
wissenschaftlichen Praxis durchgeführt. Die Unterstützung durch die Firma Viromed GmbH
hat keinerlei Auswirkung auf die dargestellten Ergebnisse.
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Version vom 02.09.2020
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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
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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.
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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.
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Significance We have elucidated the transmission pathways of coronavirus disease 2019 (COVID-19) by analyzing the trend and mitigation measures in the three epicenters. Our results show that the airborne transmission route is highly virulent and dominant for the spread of COVID-19. The 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 trends of the pandemic. This protective measure significantly reduces the number of infections. Other mitigation measures, such as social distancing implemented in the United States, are insufficient by themselves in protecting the public. Our work also highlights the necessity that sound science is essential in decision-making for the current and future public health pandemics.
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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.
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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.
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The production of monodisperse tracer particles with suitable properties for optical flow investigations, such as small size, spherical shape, smooth surface, appropriate density and diffraction index, non-evaporating and agglomerating, electrically neutral, non-toxic and easily removable, is a challenging task. It is shown that high concentrations of narrow band particle size distributions, with a mean diameter below 1 µm, can easily be generated by means of multi-hole nozzles under overcritical pressure conditions. In particular, it is shown that existing explanations of the importance of certain design features of the Laskin nozzle are of minor importance for the generation of appropriate tracer tracer particles.