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Als Beispiel soll ein Tisch dienen, an dem sich 2 Personen gegenübersitzen. Der Abstand zwischen den Personen auf der Atemebene beträgt 1,20 m. Die hoch im Raum positionierte Absaugung kann die Schwebstofflast der Innenraumluft mit einer exakt berechneten, auf die Atemebene bezogenen Luftgeschwindigkeit um 99 % reduzieren. Bei nur wenig höheren Absauggeschwindigkeiten ist die Absaugung in der Lage, gerade erst emittierte Aerosolteilchen direkt am Ort ihrer Entstehung (Mundöffnung) gezielt abzuziehen. Die durch direkte und indirekte Absaugung entzogene und über HEPAFilterklasse H 14 gereinigte Atemluft wird in den Innenraum zurückgeführt (Reinluftrückführung).

Der Frischluftanteil der Zuluft kann zum Beispiel in Schulen durch periodisches freies Lüften bereitgestellt werden, die erforderlichen Lüftungsquerschnitte und die maximal zulässigen Raumtiefen vorausgesetzt. Unter freier oder natürlicher Lüftung versteht man die Nutzung lokaler Luftdruckunterschiede im Bereich der Gebäudehülle, um Frischluft in den Innenraum zu transportieren und innere Schadstoff-, Wärme- oder Feuchtelasten abzuleiten. In hoch frequentierten Innenräumen senkt die natürliche Frischluftzufuhr die CO2-Lasten der Atemluft und kann das Schutzsystem flankieren. Zur zuverlässigen Abreicherung der Aerosolpartikel in der Raumluft jedoch ist natürliches Lüften nicht zu empfehlen, da sich die Luftdruckunterschiede zwischen Innenraum und Außenbereich bei geöffneten Fenstern schnell abbauen und ein Luftaustausch entsprechend lange dauert. Außerdem ist diese Form der Belüftung des Innenraumes von vielen Faktoren abhängig, die nicht beeinflussbar sind (z. B. Lufttemperatur und Luftdruck). Deshalb sollte auch in Schulen eine technische Lösung zur nachhaltigen Reduzierung des SARS-COV-2-Infektionsrisikos in Betracht gezogen werden. Unser Infektionsschutzsystem kann so ausgelegt und die Komponenten so aufeinander abgestimmt werden, dass ein 15- bis 20-facher Luftwechsel pro Stunde möglich ist.

Der zweite wesentliche Bestandteil des Schutzsystems ist ein aufgehender Luftvorhang, der zwischen den Personen senkrecht zur Atemebene hergestellt wird. Dabei handelt es sich um eine lufttechnische Konstruktion, die mit Hilfe eines Gebläses unterhalb des Tisches durch einen engen Spalt auf Höhe der Tischplattenöberfläche eine flächenhafte, aufwärts gerichtete, turbulenzarme Luftströmung erzeugt, die Luftmassen voneinander trennt und so den Austausch von beim Atmen, Sprechen und Husten/Niesen emittierten Flüssigkeitsteilchen verhindert. Diese Barriere aus aufsteigender Luft reicht vom Ausblasspalt bis zum Absaugtrichter und hat den Nebeneffekt, unmittelbar benachbarte Luftschichten ebenfalls in eine Aufwärtsbewegung zu versetzen und darin transportierte Partikel der Absaugung zuzuführen. Die Geschwindigkeit des Luftschleiers ist so berechnet, dass sich die ausströmende Luft bis auf die Höhe der Atemebene laminar verhält, um Turbulenzen zu vermeiden, die Partikel verwirbeln und unkontrolliert im Raum verteilen könnten. Das kann mit sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten von 15 bis 20 m/s oder mit vergleichsweise niedrigen Werten erreicht werden, wobei bei geringen Ausblasgeschwindigkeiten eine potenzielle Belastung durch auftretende Zugluft entfällt. Das natürliche Ausbreitungsverhalten der relevanten Partikelgrößen in der Innenraumluft beim Atmen, Sprechen und Husten/Niesen ist Grundlage für die Berechnung der erforderlichen Luftleistung des Schutzsystems und der Strömungsgeschwindigkeiten von Luftvorhang und Absaugung.

Ein 5 µm großes Aerosolpartikel sinkt in der Atemluft geschlossener Räume mit einer Geschwindigkeit von nur 0,0007 m/s zu Boden, das 10 µm-Teilchen mit 0,0028 m/s und ein 25 µm-Teilchen mit 0,017 m/s. Diese Sinkgeschwindigkeiten sind so gering, dass die Partikel über Stunden in der Raumluft schweben können und ihre Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit von kleinsten Luftströmungen bestimmt werden. Schon sehr geringe Absauggeschwindigkeiten (gemessen auf der Atemebene) reichen aus, Partikel dieser Größenordnung unmittelbar an der Mundöffnung aus der Raumluft zu entfernen (vgl. Abb. 2). Größere Flüssigkeitspartikel dagegen (Durchmesser > 100 µm), die weniger beim Atemvorgang, sondern eher beim Sprechen und insbesondere beim Husten emittiert und als Tröpfchen bezeichnet werden, sind in Ihren Bewegungen deutlich durch die Schwerkraft bestimmt und können innerhalb weniger Sekunden zu Boden sinken.

Neben den lüftungstechnischen Installationen wie leistungsstarken Axialgebläsen, schallunterdrückenden Verrohrungen zur geräuscharmen Luftleitung und hocheffizienten HEPA-Filtern (High Efficiency Particulate Airfilter) der Klasse H 14, ist es der turbulenzarme Luftvorhang, der den hohen Schutzstandard unseres Systems gewährleistet. Dabei hat der Luftschleier eine doppelte Schutzfunktion. Auf der einen Seite trennt er sich gegenüber sitzende/stehende Personen lufttechnisch voneinander, so dass eine direkte Übertragung des Virus auf der Atemebene via Aerosolpartikel unterbunden wird. Die beim Atmen, Sprechen und Husten ausgestoßenen Teilchen können diese für Personen nicht wahrnehmbare lufttechnische Barriere nicht überwinden.

Effektivität der Lufttechnik

Die zweite wichtige Aufgabe der aufsteigenden Luftströmung besteht darin, die Absaugung zu unterstützen. Während die gezielte Absaugung Partikel von 0,3 bis 25 µm direkt von der Atemebene abführt, laufen die schwereren Teilchen bis 100 µm, die nach dem Emittieren der Schwerkraft folgen und in kurzer Zeit sedimentieren, Gefahr, durch den durch die oben positionierte Absaugung erzeugten Auftrieb bis auf die Atemebene angehoben zu werden. Der aufwärts gerichtete Luftvorhang verleiht dieser kritischen Partikelfraktion von 25 bis 100 µm einen zusätzlichen Bewegungsimpuls, der sie beschleunigt und sicher über die Atemebene hinaus in den Wirkungsbereich der Absaugung befördert.

Die Aerosolpartikel mit einem Durchmesser größer 100 µm sinken mit Geschwindigkeiten von 0,94 m/s (250 µm) und 2,08 m/s (500 µm) bis zu 3,78 m/s (1.000 µm) so schnell, dass sie sich beim Sprechen oder leichten Husten auf der Atemebene nicht weit von der Mundöffnung entfernen können. Sie sind so schwer, dass sie weder den Luftvorhang erreichen noch von der Absaugung erfasst werden sondern sich in kürzester Zeit ablagern und damit einer respiratorischen Aufnahme entzogen sind.

Neben der lufttechnischen Ausstattung und Konditionierung des Verfahrens können eine Reihe ergänzender Maßnahmen den Wirkungsgrad des Schutzkonzeptes deutlich erhöhen. Dazu gehören selbstverständlich die Schutzmaßnahmen, die in den SARS-COV-2-Schutzstandards der Bundesländer, Berufsgenossenschaften und der gesetzlichen Unfallversicherer für verschiedene Wirtschafts- und Lebensbereiche veröffentlicht sind. Ebenso von Bedeutung, wenn es um innovative lüftungstechnische Konzepte und Produkte geht, die ihre Wirkung in geschlossenen Räumen entfalten und die Reinhaltung der Atemluft betreffen, sind neben den einschlägigen Regelwerken die Handlungsempfehlungen der Kommission Innenraumlufthygiene am Umweltbundesamt.

Studie zu Influenza Viren in Aersolen durch menschliches Atmen link zu plos pathogens
Untersuchung aus China, die verfolgte, wie sich das Virus von einem Infizierten in einem Restaurant ausbreitete. link zur CDC
Untersuchung aus Südkorea, die verfolgte, wie sich das Virus von einem Infizierten in einem Call Center ausbreitete. link zur CDC
Untersuchung zur Übertragung durch eine Chorprobe link zur CDC
Untersuchung zur einer SARS Infizierung in einem Flugzeug aus dem Jahr 2003. link zum Untersuchungsbericht
Visualizing Speech-Generated Oral Fluid Droplets with Laser Light Scattering link zu New England Journal
Grundlagenforschung Aerosole link zu Blog HRI
Auch vom ersten SARS-Virus sind Infektionen durch Aerosole bekannt. Die US-amerikanische Nationale Akademie der Wissenschaften geht inzwischen davon aus, dass das Virus bereits beim Sprechen in die Luft gelangt und Infektionen verursachen kann. zur Publikation

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