Dezentrale Luftreiniger im Kampf gegen COVID-19

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Ralf Wagner ist seit 2011 Technikvorstand (CTO) der LTG Lufttechnischen Gesellschaft und aktuell stellvertretender Vorsitzender der Forschungsvereinigung für Luft- und Trocknungstechnik (FLT). Der studierte Luft- und Raumfahrttechniker mit Schwerpunkten in Thermodynamik und Luftfahrtantriebe, trat 1994 in das Unternehmen LTG ein. Im Interview mit Astrid Thieme-Medinger beantwortet der Technikvorstand und Leiter der Entwicklungsabteilungen „Raumlufttechnik“ und „Prozesslufttechnik“, aktuelle Fragen zum Thema Luftreiniger.

Ralf Wagner, LTG Aktiengesellschaft

Herr Wagner, halten Sie Luftreiniger generell für geeignet, um SARS-Cov-2 aus Klassenräumen oder Besprechungsräumen zu entfernen? 

Es ist eine klassische Aufgabenstellung von Lüftungssystemen Schadstoffe, Kohlendioxid sowie Aerosole aus einem Raum abzuführen. Abhängig von der Nutzungsfläche und der Personenanzahl im Raum, werden durch zentrale Normen, wie der DIN EN 16798-1, Luftmengen festgelegt, die beim Errichten eines Gebäudes eingehalten werden sollen. Wenn sich der Bauherr, beraten durch das Planungsbüro, bei der Umsetzung an diesen Werten orientiert hat, stellt sich in der Regel eine geringere Gefährdungslage dar. Die Luft übernimmt dann die Aufgabe SARS-Cov-2 aus Aufenthaltszonen zu entfernen, was konkret heißt, die Konzentration der Erreger zu begrenzen. Denn jede technische Lösung führt immer nur zu einer mehr oder weniger guten Verdünnung der Viren, nie aber zu einer vollständigen Entfernung. Wir wissen jedoch aus Studien, dass mit zunehmender Konzentration der Erreger auch das Ansteckungsrisiko und die Schwere des Krankheitsverlaufes zunehmen. Somit ist immer eine möglichst niedrige Konzentration während der Raumnutzung anzustreben.

Wurde bei der Erstellung des Gebäudes eine Lüftungslösung präferiert, die den Luftaustausch in der realen Nutzung nicht ganzjährig sicherzustellen vermag, sind Luftreiniger hinsichtlich des Ansteckungsrisikos durch Aerosolübertragung eine praktikable Hilfslösung. Dies gilt beispielsweise für die reine Fensterlüftung und auch für den Fall, dass Luftmengen mit Bezug auf die Personendichte oder durch Umnutzung von Räumen, zu klein bemessen wurden.

Luftreiniger können jedoch immer nur bei der Reduzierung der Anzahl von Erregern unterstützen. Den Frischluftbedarf für die Personen, und damit einhergehend Produktivität und Konzentrationsfähigkeit, können sie nicht erhöhen. Zu diesem belegten Zusammenhang gab es im Nachgang der PISA Studie umfassende wissenschaftliche Untersuchungen.

Deshalb ist eine mechanische Lüftungsanlage, gegebenenfalls als dezentrales Gerät im Raum, immer als erste Wahl zu empfehlen. Dies ermöglicht auch gleichzeitig eine erhebliche Einsparung an Heizkosten. Die zweite Wahl sind dann Luftreinigungsgeräte.

 

Welche Art Filterung und Behandlung ist aus Ihrer Sicht am effektivsten und sichersten?

Derzeit gibt es sicherlich zwei grundsätzliche Verfahren die beide schon Jahrzehnte im Einsatz sind und nun für diesen Anwendungsfall appliziert wurden. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile.

Die Filtration mit hochwirksamen HEPA-Filtern (High Efficiency Particulate Air) ist ein bewährtes Verfahren aus Krankenhäusern und Sicherheitslaboren. Das Filtermaterial wird hierbei mit einem Prüfaerosol klassifiziert, das in etwa die Größe eines Corona Virus hat. Wenn sichergestellt wird, dass innerhalb des Gerätes kein Virus am Filter vorbeiströmt, und wenn sich der Virus so verhielte wie das Prüfaerosol, dann würde tatsächlich der genannte Anteil an Viren im Filter zurückgehalten. Dies entspricht bei einem H-13- Filter 99,95 Prozent und bei einem H-14-Filter 99,995 Prozent.

Wie lange der Virus im Filter überlebt ist ungewiss. In Studien wurde er bis zu 28 Tage auf Oberflächen nachgewiesen. Zu bedenken ist bei dieser Technik der hohe Druckverlust der HEPA Filter und die damit einhergehende Geräuschentwicklung am Ventilator. Nicht umsonst sind die Geräte oft raumhoch und erfordern aufwändige Schalldämmmaßnahmen.

Die zweite Technologie ist die Entkeimung mit ultraviolettem Licht der Wellenlänge von 254 nm. Seit der Entdeckung des UV-Lichtes vor 120 Jahren wird es eingesetzt, um Viren und Bakterien zuverlässig abzutöten. In Krankenhäusern werden damit Operationssäle desinfiziert, unser Trinkwasser wird entsprechend entkeimt und Sterilbänke in Laboren werden so desinfiziert. Die Wirkung ist immer dieselbe: Wenn ein Virus eine gewisse Dosis an UVC-Licht absorbiert, wird sein Erbgut zerstört und er kann sich nicht mehr vermehren. Er ist somit harmlos und führt nicht mehr zur Erkrankung. Welche Dosis benötigt wird, ist für unterschiedlichste Virentypen veröffentlicht, auch für SARS-Cov-2. Neu ist nun, dass die Viren sich nicht auf einer Oberfläche befinden, sondern in einem Aerosoltropfen. Sie sind somit viel empfänglicher für die UVC-Strahlung. Erste Studien erwarten bei Aerosolen einen 20- 281mal höheren Effekt hinsichtlich der Inaktivierung. Dies ist jedoch für die Hersteller der Geräte derzeit nur ein zusätzlicher Sicherheitsbonus.

Die Geräte führen den belasteten Luftstrom durch eine Bestrahlungskammer und stellen sicher, dass diese Mindestdosis an UVC-Licht die enthaltenen Viren deaktiviert. Auch hier werden, bei korrekter Auslegung 99,99 Prozent erreicht.

Durch den Hersteller muss sichergestellt sein, dass die UVC-Leuchte kein Ozon erzeugt. Ein in der Tat kritischer Punkt, der jedoch durch eine Dotierung des umschließenden Quarzglases technisch längst gelöst ist. Weiterhin darf keine UVC-Strahlung das Gerät verlassen, um Gesundheitsschäden auszuschließen. Die ISO 15858 definiert Grenzwerte, zu deren Einhaltung der Hersteller verpflichtet ist. Bei unseren Geräten beispielsweise liegen diese so niedrig, dass sie im Labor tatsächlich kaum mehr messbar sind.

 

Nach welchen Kriterien sollten Luftreiniger ausgelegt werden?

Die Auswahl eines Luftreinigungsgerätes sollte in drei Schritten erfolgen.

Als erstes muss die grundlegende Funktion der Entfernung beziehungsweise Deaktivierung von Erregern sichergestellt werden. Ebenso muss die „Reinigungsleistung“ vom Hersteller belastbar benannt werden. Hierbei ist nicht allein die Qualität der Filtermedien entscheidend, sondern es müssen ebenso Leckagen innerhalb des Gerätes berücksichtigt werden. Bei UVC-Lösungen ist nicht die Leistung der Leuchte relevant, sondern die Strahlendosis, die ein Erreger bei dem „Flug“ durch das Gerät zuverlässig absorbiert. Hierzu muss ein Hersteller genaue Angaben machen. Die „Reinigungsleistung“ wäre dann das Produkt aus dieser Effektivität und dem Volumenstrom, der bei akzeptabler Akustik gefördert werden kann. Das entspräche dann beispielsweise 99,99 Prozent der Keime, die im Volumenstrom dem Raum entnommen werden. Im amerikanischen Normungswesen heißt dieser Wert „CADR“, die „Clean Air Delivery Rate“. Er ist für die Funktion und Wirkung im Raum entscheidend.

Bei der Auswahl dieses Volumenstroms im Regelbetrieb sind viele Faktoren zu berücksichtigen wie beispielsweise die Anzahl der Personen, das Raumvolumen, das vorhandene Lüftungskonzept und auch die Anwesenheitsdauer im Raum. Eine vereinfachte Angabe über den Luftwechsel macht wissenschaftlich keinen Sinn. Ein guter Ansatz wurde von der RWTH Aachen entwickelt und veröffentlicht „Vereinfachte Abschätzung des Infektionsrisikos durch aerosolgebundene Viren in belüfteten Räumen“. Auf Basis dieser Veröffentlichung können Geräte so ausgelegt werden, dass das Ansteckungsrisiko, beispielsweise in einem Klassenraum, nicht höher als zuhause im Wohnzimmer ist. Damit hätten wir doch schon viel gewonnen.

Ein weiteres wesentliches Kriterium ist die Raumakustik, denn das Gerät wird nur in Betrieb sein, wenn ein ungestörtes Arbeiten tatsächlich möglich ist. Empfohlene Schalldruckpegel für verschiedene Aufenthaltsräume, wie Einzelbüros, Großraumbüros und Klassenzimmer finden sich ebenfalls in der DIN EN 16798-1. Und hier ist bereits Vorsicht geboten. Denn viele derzeitigen Lösungen lassen sich, beispielsweise im Klassenzimmer, bei den beworbenen Volumenströmen aufgrund der Lautstärke gar nicht einsetzen.

Das dritte Kriterium ist die thermische Behaglichkeit. Hier werden Effekte wie beispielsweise Zugerscheinungen und Temperaturgradient – Stichwort kalte Füße – untersucht. Hersteller aus der Lüftungsbranche verfügen hierzu über entsprechend detailliertes Wissen. Sie können die Situation im Strömungslabor leicht nachweisen und optimieren.

 

Ist zur Aufstellung und zur regelmäßigen Inspektion und Wartung speziell qualifiziertes Personal erforderlich?

Beide technologischen Varianten, HEPA- und UVC-Geräte, benötigen kein spezielles Personal für die Aufstellung. Das Gewicht eines HEPA-Turm-Gerätes von bis zu 200 Kilogramm und der notwendige Aufstellplatz sollte jedoch bei der Einbringung berücksichtigt werden. Danach funktioniert alles „Plug and Play“.

Bei der Inspektion sowie Wartung gibt es allerdings erhebliche Unterschiede.

Sowohl Vorfilter als auch der HEPA-Filter müssen bei dem Filtergerät regelmäßig getauscht werden. Die Hersteller sprechen von einem Zyklus von ein beziehungsweise zwei Jahren. Der HEPA-Filter ist gemäß seiner Funktion mit Viren kontaminiert. Hier müssen sicherlich besondere Schutzmaßnahmen getroffen werden. Inwieweit dies von einem Hausmeister erledigt werden kann, kommt sicherlich auf dessen Qualifikation an. Entsprechende persönliche Schutzausrüstung (PSA) ist sicherlich angezeigt. Auch die Kosten für HEPA-Filter müssen bei einem Systemvergleich Berücksichtigung finden.

Ein UVC-Gerät hat als regelmäßigen Wartungszyklus lediglich den Lampentausch. Da kein Licht aus dem Gerät austritt, weist dieses normalerweise auf ein Versagen der Leuchte hin. Der Lampentausch selbst ist vergleichbar mit dem Austausch einer Leuchtstoffröhre. Da ein Sicherheitskonzept ausschließen muss, dass die Leuchte im Betrieb demontiert werden kann, ist die Erledigung dieser Aufgabe durch ungelernte Mitarbeiter möglich. Die Hersteller der Leuchtmittel geben pro Leuchte eine Lebensdauer von 8.000-16.000 Betriebsstunden an. Das entspräche einem 24 Stunden-Dauerbetrieb von über zwei Jahren.

 

Wo sollte ein Luftreiniger idealerweise im Raum platziert werden?

Die Frage nach der idealen Position hängt stark von der räumlichen Verteilung der Aerosole ab. Da die Aerosole mit der warmen Atemluft ausgeschieden werden, steigen diese zunächst nach oben, Richtung Zimmerdecke. Da jeder Mensch, der am Schreibtisch sitzt, selbst als thermische Wärmequelle fungiert, ergibt sich ein thermisch induzierter Volumenstrom zur Zimmerdecke von circa 100 Kubikmeter pro Stunde und Person. Das unterstützt den Auftrieb der Aerosole zusätzlich. Multipliziert man die Anzahl der Personen, dann zeigt sich, dass enorme Auftriebsströme die Raumluft permanent durchmischen. Das Aerosol ist also in kürzester Zeit im ganzen Raum gleichmäßig verteilt. Die beste Position ist meines Erachtens nach daher unter der Decke. Denn die Konzentration von Erregern ist dort am höchsten. Das zeigt auch die numerische Strömungsmechanik - im englischen Computational Fluid Dynamics - kurz CFD-Simulationen.

Durch die starke Mischlüftung ergibt sich aber an jeder anderen Position im Raum eine vergleichbare Wirkung, nämlich die Verdünnung der Anzahl von Erregern in der Raumluft.

Das Gerät hat als Sekundärwirkung jedoch selbst einen Einfluss auf die gesamte Raumströmung. Eine unterstützende Raumwalze, die den ganzen Raum umfasst, ist hier sicherlich hilfreich, um eine möglichst gleichmäßige Verdünnung zu erreichen.

Für uns als Hersteller von Lüftungsgeräten ist es eine einfache Aufgabenstellung hierbei Zugerscheinungen zu vermeiden.

 

Ist ein Gerät pro Raum denn überhaupt ausreichend und falls nein, wie errechnet man die erforderliche Geräteanzahl?

Wie viele Geräte für einen Raum notwendig sind, ist abhängig von der Raumgröße und der Belegung, aber auch von dem bereits bestehenden Belüftungskonzept.

Mit diesen Angaben können wir einen unterstützenden Volumenstrom berechnen, der notwendig ist, um das vereinbarte Schutzziel zu gewährleisten. Beim Tool der LTG Aktiengesellschaft ist es das Schutzziel, dasselbe Ansteckungsrisiko zu erreichen wie in einem 4-Personenhaushalt in einem Passivhaus auf 100 Quadratmeter. Der errechnete Volumenstrom bestimmt, wie viele der gewählten Umluftentkeimungsgeräte sie benötigen.

Da alle Umluftreinigungsgeräte bei maximaler Drehzahlstufe aus akustischen Gründen nicht im Dauerbetrieb einsetzbar sind, muss das Erreichen einer akzeptablen Akustik bedacht werden. Das führt manchmal dazu, dass die Geräte bei niedrigerer Drehzahl betrieben werden müssen und hierdurch ein zusätzliches Gerät benötigt wird. Die Akustik im Raum muss keine Überraschung sein!

Das können Sie ganz einfach selbst berechnen unter www.uvc-sterilventilation.de

 

Aktuell ist im VDMA ein Arbeitskreis Luftreiniger in Gründung. Welche Themen werden zukünftig im Arbeitskreis erarbeitet und konkretisiert?

Die große Dynamik der Pandemie hat eine große Menge an vermeintlichen Entkeimungsgeräten auf den Markt geschwemmt. Manche Lösungen die im Onlinehandel angeboten werden sind technisch fragwürdig, einige davon aus meiner Sicht sogar gefährlich.

Der Arbeitskreis sollte zuerst ein Papier erarbeiten, das die technische Spezifikation eines Gerätes eindeutig beschreibt und die Hersteller auffordert, belastbare Angaben zu machen. Das beginnt bei Angaben des tatsächlichen Volumenstroms bis hin zu vergleichbaren akustischen Angaben als Schallleistungspegel. Die eigentliche Entkeimungsfunktion sollte von den Herstellern mit den zugehörigen Nachweisen belegt werden. Des Weiteren muss auf das Einhalten von normativ festgelegten Grenzwerten hingewiesen werden, wie beispielsweise Akustik und UVC-Exposition. Aus meiner Sicht gehören zu der Dokumentation auch eine klare Beschreibung der Wartung und Instandhaltung der Geräte sowie die erforderlichen Schutzmaßnahmen. Wenn wir hier tatsächlich mit Erregern arbeiten, ist das ein wesentlicher Bestandteil eines sicheren Betriebes. Das sind alles wichtige Aspekte. Schließlich werden die Geräte uns in Zukunft, auch nach SARS-Cov-2, durch die nächste Grippesaison begleiten.