MYTHEN, FAKTEN, STUDIEN: SARS-COV-2 IN INNENRÄUMEN - DR. STEFAN SCHUMACHER 10. FEBRUAR 2021 PHILIPS PR-STAMMTISCH

10. Februar 2021
Philips PR-Stammtisch

Mythen, Fakten, Studien: SARS-CoV-2 in Innenräumen

Dr. Stefan Schumacher
Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) e. V., Luftreinhaltung & Filtration, Duisburg

 An-Institut der

Missverständnis: Aerosole sind kleine Tröpfchen
 • viele Fehlinformationen zur Aerosolen und COVID-19
 • meist keine Verschwörungstheorien oder Lobbyismus, sondern mangelnde Information
 • Beispiel: Begriff Aerosol sehr häufig falsch verwendet
 • Aerosol = Gemisch aus Gas (meist Luft) und festen/flüssigen Partikeln

 Suspension (Hefeweizen)
 = Partikel in Flüssigkeit

 www.info.gaef.de/positionspapier
 • Analogie zu Suspension oder Emulsion
 Emulsion (Milch)
 • in den meisten Fällen gemeint: Aerosolpartikel = Tröpfchen in Flüssigkeit

Philips PR-Stammtisch, 10.02.2021 Dr. Stefan Schumacher 2

Missverständnis: AerosolforscherInnen war vor COVID-19 langweilig
 Außenluft Atmosphäre Gesundheit

 Innenraumluft Industrie

 → Feinstaub → Klimawandel → negative Effekte
 → PM10, PM2,5 → Wolkenbildung → Therapiezwecke

 → diverse Quellen → Emissionen
 → Arbeitsplätze → Verfahrenstechnik

 • Verständnis der Quellen und Prozesse
 • Strategien zur Minderung (z. B. Filtration)
 • positive Effekte von Aerosolen nutzen

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Was haben Aerosolpartikel mit COVID-19 zu tun?

 • Größe SARS-CoV-2 Viren: ca. 0,06 – 0,14 µm Melanthota et al. J. MRT 83 1623, 2020

 • alleinige Viren treten luftgetragen kaum auf

 Virus • typischerweise von Flüssigkeit umhüllt
 • Niesen und Husten: bis 500 µm Xie et al. J. Royal Soc. Interface 6 703, 2009

 www.trotec.de
 • Sprechen und Singen: 1 – 2 µm Asadi et al. Sci. Rep. 9 1, 2019

 • ruhiges Atmen: 0,3 – 0,4 µm Scheuch J. Aerosol Med. Pulm. Drug Del. 33 230, 2020
 Atmen
 • Emissionen nehmen mit Sprechlautstärke zu
 • Lungenkrankheiten können zu stark erhöhten Emissionen führen

 Sprechen

 nach Knauer et al. DZKF 5/6, 2019
 Husten

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Was passiert mit den ausgeatmeten Aerosolpartikeln?
Sedimentation Verdunstung

 • Flüssigkeit verdunstet sehr schnell
 • abhängig von Größe und Luftfeuchte
 • es verbleiben
 • gelöste Bestandteile
 www.info.gaef.de/positionspapier • evtl. Restwasser
 • evtl. Virus
• große Partikel sinken schnell zu Boden
 • Partikel bleiben lange luftgetragen
 → Mindestabstand wichtig, um direkte
 Tröpfcheninfektion zu vermeiden • maßgeblich für Infektionsgeschehen

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Was kann bei der Minimierung des Infektionsrisikos helfen?
Masken Lüften Luftreiniger

 Mund-Nasen-
 Bedeckungen
 = +
 Medizinische Gebläse Filter
 Gesichtsmasken
 Lüftungsanlagen
 • vielseitig einsetzbar, da mobil
 Halbmasken
 (FFP2, KN95, N95) • Wirkung vergleichbar zum Lüften,
 aber CO2-Anreicherung im Raum
• dichter Sitz entscheidend • Abwägungen beim Kauf
 • Anschaffungskosten
 • Verdünnung mit sauberer Luft • Folgekosten (Strom, Filter)
 • nicht immer möglich/vorhanden • Geräuschemissionen
 • im Winter oft problematisch

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Missverständnis: „Normale“ Filter scheiden nur Partikel >0,3 µm ab
 • Begriff HEPA (High-Efficiency Particulate Air) Filter ist nicht geschützt
 • allgemeinere Bezeichnung: Vliesstofffilter oder Schwebstofffilter HEPA ©
 • häufig nach US-amerikanischer Norm DOE-STD-3020-97 getestet

 >99,97 % Abscheidung bei 0,3 µm Partikelgröße

 • Werden kleinere Partikel einfach durchgelassen?
 • falsche Vorstellung: Filter funktionieren nicht wie Siebe oder Netze!
 Filterfasern

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Wie funktionieren Partikelfilter?
 • drei Mechanismen tragen zur mechanischen Abscheidung bei
 Impaktion Interzeption Diffusion

 dominant für Partikel >1 µm dominant für Partikel

Genormte Prüfung von Filtern
 • europäische Prüfnorm EN 1882 • Warum nicht immer einfach die höchste Effizienz?
 → Bestimmung der Abscheideeffizienz im MPPS → höherer Druckverlust der Filter
 Filterklasse Abscheidegrad → höherer Energieverbrauch
 E10 > 85 %

 EPA E11 > 95 % 80
 E12 > 99,5 %

 Druckverlust (Pa)
 60
 H13 > 99,95 %
 HEPA
 H14 > 99,995 % 40

 U15 > 99,9995 %
 20
 ULPA U16 > 99,99995 %
 0
 U17 > 99,999995 %
 E10 E11 H12 H13

 • ab H13: Zertifizierung jedes einzelnen Filters Jeon et al. Sci. Technol. Built Environ. 26 (2020) 835
 • Einsatz typischerweise in Operationsräumen,
 Reinräumen, Kerntechnik, nicht in Luftreinigern

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Missverständnis: Nur die Filtereffizienz ist wichtig
 • derzeit wird häufig zum Einsatz zu Filtern der Klassen H13 oder H14 geraten Ausschuss für Biologische
 Arbeitsstoffe (ABAS),
 • Empfehlung ursprünglich für Lüftungsanlagen von Hochsicherheitslaboratorien „Technischer Bericht/
 Stellungnahme zum Thema
 Einsatz von HEPA-Filtern in
 raumlufttechnischen Anlagen
 in Schutz-/Sicherheitsstufe 3
 ≠ Situationen nicht direkt vergleichbar! und 4 - Laboratorien und
 Tierhaltungsbereiche,“ 2010
 Abluft Umluft

 • für Umluftbetrieb entscheidend, wieviel Kubikmeter saubere Luft pro Stunde bereitgestellt werden

 CADR
 Filtereffizienz [%] × Volumenstrom [m³/h] = Clean Air Delivery111
 Rate (CADR) [m³/h]

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Missverständnis: Nur die Filtereffizienz ist wichtig
 • derzeit wird häufig zum Einsatz zu Filtern der Klassen H13 oder H14 geraten Ausschuss für Biologische
 Arbeitsstoffe (ABAS),
 • Empfehlung ursprünglich für Lüftungsanlagen von Hochsicherheitslaboratorien „Technischer Bericht/
 Stellungnahme zum Thema
 Einsatz von HEPA-Filtern in
 raumlufttechnischen Anlagen
 in Schutz-/Sicherheitsstufe 3
 ≠ Situationen nicht direkt vergleichbar! und 4 - Laboratorien und
 Tierhaltungsbereiche,“ 2010
 Abluft Umluft

 • für Umluftbetrieb entscheidend, wieviel Kubikmeter saubere Luft pro Stunde bereitgestellt werden

 CADR
 100 % × 0 m³/h = 0111
 m³/h

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Missverständnis: Gute Luftreiniger brauchen Filter der Klassen H13 oder H14
 Filtereffizienz: >99,95 %
 H13-Filter Volumenstrom: 380 m³/h ca. 42 W Leistung
 Druckverlust: 80 Pa
 elektrische Leistung =
 Volumenstrom × Druckverlust
 × Wirkungsgrad (ca. 20%)

 Filtereffizienz: >95 %
 E11-Filter Volumenstrom: 400 m³/h ca. 22 W Leistung
 CADR = 380 m³/h Druckverlust: 40 Pa

 höhere Stromkosten schlecht für Klimaschutz höhere Geräuschemissionen

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Kann man den Druckverlust noch weiter senken?
 Kerner et al. J. Aerosol Sci. 122 32 (2018)
 • Verwendung elektrisch geladener Fasern (Elektretfilter)
 → bessere Abscheidung bei gleichem Druckverlust
 - Partikel
 • oft in haushaltsüblichen Luftreinigern eingesetzt +
 +Faser
 +
 • Problem: Ladung baut sich mit der Zeit ab
 → regelmäßige Filterwechsel notwendig

 Schumacher et al. CET 41 27 (2018)
 250

 200

 CADR [m3 h-1]
 150

 100

 50

 Prüfnormen zum Alterungsverhalten 0 Zig. 48 Zig. 96 Zig. 192 Zig. 384 Zig.
 0
 z.B. GB/T 18801 (Zigarettenrauch) 0,01 0,1 1
 → Cumulative Clean Mass (CCM) Partikeldurchmesser [µm]

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Missverständnis: Luftreiniger geben vollkommene Sicherheit
 • Betrachtung eines typischen Szenarios: Schulklasse oder Besprechungsraum
 45 min Belegung 15 min Pause 45 min Belegung

 100 m³ Raum
 keine Lüftung
 „normaler Infizierter“
 1.000 Viren pro Minute
 ohne Luftreiniger

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Missverständnis: Luftreiniger geben vollkommene Sicherheit
 • Betrachtung eines typischen Szenarios: Schulklasse oder Besprechungsraum
 45 min Belegung 15 min Pause 45 min Belegung

 100 m³ Raum
 keine Lüftung
 „normaler Infizierter“
 1.000 Viren pro Minute
 ohne Luftreiniger

 eingeatmete Viren
 1000
 Virenkonzentration
 ohne Luftreiniger
 400
 ohne Luftreiniger
 • 50% Wahrscheinlichkeit für
 900 350
 800
 Infektion in der Größenordnung
 300
 700
 250
 von 500 Viren (noch unsicher)
C(t) [m-3]

 600
 D(t)

 500 200
 400 150
 300 100
 200
 50
 100
 0 0
 0,0 0,5 1,0 1,5 0,0 0,5 1,0 1,5
 t [h] t [h]

 Schumacher et al. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 81 16-28 (2021)

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Missverständnis: Luftreiniger geben vollkommene Sicherheit
 • Betrachtung eines typischen Szenarios: Schulklasse oder Besprechungsraum
 45 min Belegung 15 min Pause 45 min Belegung

 100 m³ Raum
 keine Lüftung
 „normaler Infizierter“
 1.000 Viren pro Minute
 ohne Luftreiniger

 eingeatmete Viren
 1000
 Virenkonzentration
 ohne Luftreiniger
 400
 ohne Luftreiniger
 • 50% Wahrscheinlichkeit für
 900 350
 800
 500 m³/h 500 m³/h Infektion in der Größenordnung
 1000 m³/h 300
 700
 1500 m³/h 250
 1000 m³/h von 500 Viren (noch unsicher)
C(t) [m-3]

 600 1500 m³/h
 • Senkung des Infektionsrisikos
 D(t)

 500 200
 400 150
 300 100
 durch Einsatz des Luftreinigers
 200
 50
 100
 0 0
 0,0 0,5 1,0 1,5 0,0 0,5 1,0 1,5
 t [h] t [h]

 Schumacher et al. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 81 16-28 (2021)

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Missverständnis: Luftreiniger geben vollkommene Sicherheit
 • Betrachtung eines typischen Szenarios: Schulklasse oder Besprechungsraum
 45 min Belegung 15 min Pause 45 min Belegung

 100 m³ Raum
 keine Lüftung
 „Superspreader“
 100.000 Viren pro Minute
 ohne Luftreiniger

 eingeatmete Viren
 100000
 Virenkonzentration
 ohne Luftreiniger
 40000
 ohne Luftreiniger
 • 50% Wahrscheinlichkeit für
 90000
 80000
 500 m³/h 35000
 500 m³/h Infektion in der Größenordnung
 1000 m³/h 30000
 70000
 1500 m³/h 25000
 1000 m³/h von 500 Viren (noch unsicher)
C(t) [m-3]

 60000
 1500 m³/h
 • Senkung des Infektionsrisikos
 D(t)

 50000 20000
 40000 15000
 30000 10000
 durch Einsatz des Luftreinigers
 • mit Superspreader relativer Effekt
 20000
 5000
 10000
 0 0
 0,0 0,5 1,0 1,5
 gleich, aber höhere Konzentrationen
 0,0 0,5 1,0 1,5
 t [h] t [h]
 → zusätzliche Maßnahmen notwendig
 Schumacher et al. Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 81 16-28 (2021)

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Wie sollte der Luftreiniger dimensioniert sein?
 70 m³ Büro, natürliche Aerosolpartikel
 • Kompromiss zwischen Wirkung und Kosten, Lärm, Platz, Behaglichkeit 1,0
 0,9
 Partector 1
 Partector 2
 • typische Empfehlung: 4 bis 6 Luftwechsel pro Stunde 0,8
 MiniDISC 1

 normalisierte LDSA
 0,7
 MiniDISC 2
 0,6
 0,5

 ≈ (4 − 6) ∙ Volumen 0,4
 0,3
 0,2
 0,1
 0,0
 • Bezug auf Grundfläche bei 2,50 m Deckenhöhe 0 20
 Zeit [min]
 40 60

 Küpper et al. AAQR 19: 1655–1665, 2019

 100 – 150 m³/h pro 10 m² Fläche 200 m³ Besprechungsraum, Kochsalz

 • Positionierung: freie An- und Abströmung (z. B. nicht unter Tisch)
 • genaue Position für übliche Räume weniger entscheidend
 • Kombination mehrerer Luftreiniger möglich
 → auf gute Verteilung im Raum achten
 aktuelle Messungen des IUTA

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Missverständnis: Je mehr Zusatzfunktionen, desto besser
Bestrahlung mit UV-Licht Ionisatoren
 Nadel unter geladene Platten
 Hochspannung
 + +
 +
 schwach + stark
 +
 geladene geladene
 Ionen
 Partikel Partikel

• Abtötung von Keimen prinzipiell bekannt, aber • Aufladung der luftgetragenen Partikel
 • Reichen die Verweilzeiten im Luftreiniger? → bessere Abscheidung auf Filter / Wänden
 • keine Vermehrung ohne Wirtszellen • oft in Verbindung mit elektrostatischen Abscheider
 • Viren haften stark an Fasern → niedriger Druckverlust, keine Filterwechsel
• mögliche Nachteile • Ozonemissionen müssen vermieden werden
 • Ozonemissionen → Aktivkohlefilter mit zusätzlichem Druckverlust
 • Sicherheitsaspekte • kaum Studien zur Inaktivierung von Viren

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Missverständnis: Nach COVID-19 braucht man keine Luftreiniger mehr
 • Luftverschmutzung in geringen Konzentrationen nicht wahrnehmbar • Allergien (z.B. Pollen, Tierhaare)
 • dennoch negative Gesundheitseffekte umfassend wissenschaftlich belegt
 • kein unterer Schwellwert für Gesundheitseffekte bekannt
 → Reduktion der Partikelkonzentrationen immer sinnvoll

 • andere Keime (z.B. Noroviren,
 MSRA, SARS-CoV-2-Mutationen)

Philips PR-Stammtisch, 10.02.2021 Dr. Stefan Schumacher 20

Fazit zum Einsatz von Luftreinigern

 × = CADR

 Vliesstofffilter funktionieren auch Kombination auf Filtereffizienz
 für Viren und virenbeladene Tröpfchen und Volumenstrom entscheidend
 eingeatmete Viren
 400
 ohne Luftreiniger
 350
 500 m³/h
 300
 1000 m³/h Danke für Ihre
 250
 1500 m³/h Aufmerksamkeit
 D(t)

 200
 150
 100
 50
 0
 0,0 0,5 1,0 1,5
 t [h]

 Minimierung des Infektionsrisikos, ausreichende Dimensionierung
 mit anderen Maßnahmen kombinieren (4 bis 6 Luftwechsel pro Stunde)

Philips PR-Stammtisch, 10.02.2021 Dr. Stefan Schumacher 21