Luft und Covid-19
Covid-19 verändert unsere Erwartungen an die Raumumgebungen. Gebäude können eine zentrale Rolle bei der Ausbreitung von Krankheiten spielen: Immer deutlicher zeigt sich, dass sich das Virus hauptsächlich in geschlossenen Räumen ausbreitet.
Ansteckungen mit Covid-19 finden vor allem im Familienumfeld und am Arbeitsplatz statt. Neben Präventionsmassnahmen wie Masken und Abstandsregeln kommt es daher auch auf eine gute Belüftung an. Eine gute Durchlüftung von Innenräumen mit Frischluft ist zwingend für eine gute und gesunde Innenraumluft. Doch wie kommt die nötige Frischluft in unsere Gebäude?

© Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Die herkömmliche Fensterlüftung stösst heute an ihre Grenzen. Das Narrativ von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sowie die dichte Bauweise von Neubauten und Abdichtungsmassnahmen im Rahmen von Sanierungen haben den unkontrollierten natürlichen Luftwechsel auf ein Minimum reduziert. Die Folge: Frischluft muss zugeführt und meist ohne Wissen der Bewohnenden kontinuierlich durch eine aufwendige Gebäudetechnik bereitgestellt werden.
Doch selbst neue Standards wie jener der Minergie, welche Wohn- und Arbeitskomfort von Gebäudenutzenden durch eine hochwertige Gebäudehülle und eine systematische Lufterneuerung ermöglichen sollen, lösen das Problem der Frischluftzufuhr in Zeiten mit und nach Covid-19 nicht.
Die moderne Indoor-Gesellschaft sollte sich einige grundlegende Gedanken über das Lebensmittel Luft machen.
Ein Jahr nach Ausbruch von Covid-19 besteht Konsens, dass das Virus hauptsächlich durch engen Kontakt von Mensch zu Mensch verbreitet wird. Dennoch besteht weiterhin eine gewisse Unsicherheit über die relative Bedeutung der verschiedenen Übertragungswege von SARS-CoV-2, dem Virus, das die Coronavirus-Krankheit 2019 (Covid-19) verursachte. Auch nach einem Jahr Virus und laufenden Verimpfungen ist die Lage weltweit alles andere als unter Kontrolle. Der aktuelle Lagebericht des Robert Koch-Institutes für Deutschland vom 15.03.2021 (dem Datum dieses Berichtes) hält fest:
«Die hohen bundesweiten Fallzahlen werden durch zumeist diffuse Geschehen mit zahlreichen Häufungen insbesondere in privaten Haushalten, zunehmend auch in Kitas, Schulen und im beruflichen Umfeld verursacht.» (1)
Eine wesentliche Voraussetzung zur wirksamen Bekämpfung von Covid-19 ist die Kenntnis der Übertragungswege und Risikosituationen.Es gibt seit Monaten Hinweise und belegte Studien, dass dieses Virus über längere Zeit und grössere Entfernungen in der Luft bleiben kann als ursprünglich angenommen wurde. Neben engem Kontakt mit infizierten Personen und kontaminierten Oberflächen kann die Verbreitung von Covid-19 auch über luftgetragene Partikel in Innenräumen erfolgen, und zwar unter Umständen über den Bereich von 2 m hinaus, der von einigen Empfehlungen zur sozialen – sprich: räumlichen – Distanzierung empfohlen wird. Zusätzlich zu präventiven Massnahmen wie Masken und Abstandsregeln kommt es daher auch auf eine gute Belüftung an. Eine gute Durchlüftung von Innenräumen mit Frischluft ist zwingend für eine gute und gesunde Innenraumluft. Doch wie kommt die nötige Frischluft in unsere Gebäude?
Indoor-Gesellschaft
Menschen halten sich durchschnittlich zu mehr als 90 % ihrer Zeit in Innenräumen auf, also in Wohn-, Arbeits-, Büroräumen oder in Verkehrsmitteln. Damit ist es naheliegend, dass die Mehrzahl der Covid-19 Patient*innen sich in diesen Innenräumen mit dem Virus anstecken.
Bereits seit Jahren schlagen Wissenschaftler*innen Alarm, dass unsere Distanz zur Natur und deren Ressourcen mit einer Vielzahl von chronischen Gesundheitsproblemen wie Allergien, Asthma, Depressionen, Reizdarmsyndrom und Fettleibigkeit zusammenhängt. In jüngerer Zeit haben Expert*innen verschiedener Fachrichtungen untersucht, warum Gebäude, selbst solche, die so keimfrei wie möglich sein sollen, Überträger für Krankheiten sind, nicht zuletzt für Covid-19. Der relative Mangel an Luftzufuhr und Sonnenlicht ist ein offensichtliches Problem; Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftverschmutzung in Innenräumen spielen dabei ebenfalls eine Rolle. (2) Studien gehen davon aus, dass die Raumluft im Innern bis zu fünf Mal stärker mit Schadstoffen belastet ist im Vergleich zur Aussenluft. (3)
Übertragungsstrategien des Virus
Das Coronavirus kann über Tröpfchen im direkten Kontakt übertragen werden – aber auch über Aerosole, also in der Luft schwebende Partikel, die kleiner als fünf Mikrometer sind. (4) Eine solche Übertragung ist auch in bestimmten Situationen über grössere Abstände möglich, etwa wenn viele Personen in nicht ausreichend belüfteten Innenräumen zusammenkommen.
Als sicher gilt, dass der grösste Teil der Corona-Infektionen über Tröpfchen übertragen wird, wenn eine infizierte Person anderen Menschen zu nah kommt. Grössere Tröpfchen sinken schnell zu Boden. Aerosole sind dagegen viel kleiner, können mehrere Stunden in der Luft schweben und sich in Räumen ansammeln. Beim Einatmen gelangen sie auch in die tiefen Anteile der Lunge. Wie häufig sich Menschen über Aerosole infizieren, ist aber noch nicht geklärt und muss in Studien weiter untersucht werden.
Im Freien sind Infektionen durch Aerosole unwahrscheinlich, da die winzigen Partikel an der frischen Luft rasch verteilt und so stark verdünnt werden, dass von ihnen keine Gefahr mehr ausgeht. Denn für eine Infektion ist eine gewisse Menge an Viren erforderlich, die auf einzelnen der winzigen Aerosolen gar keinen Platz findet.
In Innenräumen ist die Situation anders: Je kleiner ein Raum ist, desto mehr infektiöse Aerosole verteilen sich in der Luft und werden von anderen Menschen im Raum eingeatmet. Wer ohne Maske mehrere Stunden in einem Raum mit einer infizierten Person verbringt, geht ein gewisses Risiko ein. Denn wenn eine Person Aerosole freisetzt, verteilen sie sich wie feiner Nebel. Daher besteht beim Aufenthalt von mehreren Menschen in Innenräumen ein erhöhtes Infektionsrisiko. Für die Wahrscheinlichkeit, dass es in Innenräumen zu einer Infektion kommt, spielen zahlreiche Faktoren eine Rolle, die von Fall zu Fall sehr unterschiedlich sein können: u. a. Zahl der anwesenden Personen, Aktivität der Personen, Raumvolumen, Luftwechsel, Luftströmung, die Art der vorhandenen Lüftung (Fensterlüftung, Lüftungsstechnik) und eventuell eingesetzte Filter.(5)
Infektionsdauer
Das von US-Forschenden (6) entwickelte Berechnungsmodell für die Infektionsdauer zeigt anhand von Faktoren wie UV-Strahlung (Sonnenlicht), Luftfeuchtigkeit und Temperatur an, wie lange es dauert bis 90 % aller SARS-CoV-2 Viren zerfallen sind.
Diese Daten deuten darauf hin, dass das Potenzial für die Aerosolübertragung von SARS-CoV-2 von den Umgebungsbedingungen, vom Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit, des simulierten Sonnenlichts und der chemischen Struktur (Suspensionsmatrix – Anm. 7) abhängig ist. Für das Überleben von SARS-CoV-2 in Aerosolen scheint Sonnenlicht ein wichtiger Faktor zu sein, der das Risiko einer Krankheitsübertragung durch Aerosole beeinflusst.
Der Aufenthalt von Aerosolen in der Luft ist von deren Grösse abhängig. Wenn das Teilchen gross ist, sinkt es durch die Schwerkraft relativ schnell ab; wenn es klein ist – typischerweise fünf Mikrometer und kleiner –, bewegt es sich mit der Luft. In Innenräumen dauert es sehr lange, bis solche Partikel auf dem Boden landen. Die Konzentration nimmt zwar nach Stunden deutlich ab, aber ein Teil kann auch bis einen Tag oder sogar mehrere Tage in der Luft bleiben. (8)
Doch SARS-CoV-2 wird womöglich nicht so lange infektiös bleiben, wie die Aerosole in der Luft sind. Mehrere Studien haben gezeigt, dass bei normaler Raumtemperatur das Virus nur 1 bis 2 Stunden aktiv bleibt. Wenn man also am Morgen ein Büro betrittt, wird es deshalb noch kaum gefährliche Aerosole in der Luft haben.
Luftmanagement
Die Übertragung des Coronavirus durch Aerosole, also Schwebeteile in der Luft – insbesondere in Innenräumen – gerät daher immer mehr in den Fokus.
Um die Aerosol-Übertragung zu verringern, muss die Viruslast im Raum bewegt und hinausbefördert werden – etwa durch regelmässiges Lüften. Das kann im Alltag möglicherweise entscheidender sein als Händewaschen und Desinfizieren. Die Analyse der Raumsituation resp. das Luftmanagement spielt deshalb eine immer wichtiger werdende Rolle.
Damit wird deutlich: Der Grundriss eines Gebäudes und das Design eines Raumes sowie die Belegung und die Art der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) können alle einen Einfluss auf die potenzielle luftgetragene Verbreitung des Virus haben.
Ein wichtiger Ansatz zur Senkung der Konzentrationen von Luftschadstoffen oder Verunreinigungen in Innenräumen, einschliesslich eventuell vorhandener Viren, ist die Erhöhung der Belüftung – jener Menge an Aussenluft, die in die Innenräume gelangt. Die Sicherstellung einer angemessenen Belüftung mit Aussenluft kann dazu beitragen, die Konzentration von luftgetragenen Verunreinigungen, einschliesslich Viren, in Innenräumen zu verringern.
Als Faustregel gilt: Je kleiner der Raum und je mehr Menschen an einem Ort, umso schwieriger ist es, den Mindestabstand einzuhalten und je schlechter der Luftaustausch in einem Zimmer ist, desto höher ist die Ansteckungsgefahr. Daran ist insbesondere bei Fahrten mit Aufzügen zu denken.
Fallbeispiel Lift
Wird der Aufzug nach dem Aerosolausstoss nicht benutzt und bleibt mit geschlossenen Türen in einer Etage stehen, können sich die potenziell infektiösen Tröpfchen bis zu 30 Minuten in der Kabinenluft halten. Selbst wenn ein akut mit SARS-CoV-2 infizierter Mensch den Aufzug schon verlassen hat, können demnach potenziell infektiöse Partikel zurückbleiben. Die Speicheltropfen von leicht erkrankten Covid-19-Patient*innen können zwischen tausend und einer Milliarde RNA-Kopien des Coronavirus pro Milliliter Flüssigkeit enthalten. Lautes Sprechen kann bis zu einigen hunderttausend Tröpfchen pro Minuten ausstossen, ein einziger Huster schon einige Millionen solcher Tropfen. Wenn die Aufzugtüren permanent offen bleiben, verringert sich die Aerosol-Haltbarkeit auf zwei bis vier Minuten. (9)
Dies stellt eine Studie aus Amsterdam fest, welche die Luftverhältnisse in Spitalliften untersuchte. Dort variieren die aktuellenStandards für die Luftwechselrate (10) durch mechanische Lüftung in Krankenhausaufzügen zwischen 6 und 20 Luftwechseln pro Stunde. Wenn wir davon ausgehen, dass Aerosolpartikel kontinuierlich mit der Zuluft vermischt werden, ohne Berücksichtigung von Partikelablagerungen, Resuspension und stagnierenden Strömungen, bedeutet eine Luftwechselrate von 10 Mal pro Stunde eine 100-fache Reduzierung der Aerosolpartikel in etwa 28 Minuten. Aus den Experimenten ergibt sich eine 100-fache Reduktion in 24-30 Minuten bei geschlossenen Türen, 12-18 Minuten im Betrieb und 3-5 Minuten bei offenen Türen. Eine bemerkenswerte Feststellung dieser Untersuchung war zudem, dass sich die Lüftung in allen untersuchten Aufzügen in Ruhestellung nach 1-2 Minuten automatisch abschaltet – ein Befund, der durch Umprogrammierung der Aktionssteuerungssoftware leicht verlängert werden könnte.
Massnahmen
Im Allgemeinen gilt: Je mehr Menschen sich in einem Innenraum aufhalten, desto grösser ist der Bedarf an Belüftung mit Aussenluft. Mit anderen Worten: Die Belüftungsrate sollte auf der Anzahl der Personen basieren, die sich in einem Innenraum aufhalten (und auf einigen anderen Faktoren). Tatsächlich hat das Centers for Disease Control and Prevention CDC des U.S. Department of Health and Human Services festgestellt, dass «Innenräume risikoreicher sind als Aussenräume, in denen es schwieriger sein kann, die Menschen auseinander zu halten und es weniger Belüftung gibt.» (11)
«Ganz grundsätzlich kann man festhalten, dass bei typischen Luftwechselraten in Wohn- und Bürogebäuden die Erreger über Stunden im Raum verbleiben. Die Sinkgeschwindigkeit und auch die Lufterneuerung dauern sehr lange. Jede Erhöhung der Aussenluftzufuhr ist daher generell sinnvoll», meint der Leiter des Hermann-Rietschel-Instituts, dem Institut für Energietechnik an der TU Berlin, Martin Kriegel. (12)
Das Institut für Strömungsmechanik und Aerodynamik der Universität der Bundeswehr München ist der Frage nachgegangen, inwiefern mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren können. (13)
In ihrem Bericht halten sie fest, dass mobile, leistungsstarke Raumluftreiniger mit speziellen Filtern die Aerosolkonzentration in Räumen kleiner und mittlerer Grösse auf einem niedrigen Niveau halten können. Damit kann das indirekte Infektionsrisiko auch bei geschlossenen Fenstern und ohne geeignete raumlufttechnische Anlage durch diese Geräte stark reduziert werden. (14)
In nicht medizinisch genutzten Gebäuden, in denen Lüftungssysteme mit Umluft arbeiten (z. B. in Bürogebäuden, Restaurants, Hotels, Einkaufszentren, Seniorenheimen und Schulen), sollte eine hocheffiziente Partikelfilterung (die höchste von der RLT-Anlage zugelassene Qualität) verwendet oder der Umluftanteil reduziert bzw. wenn möglich auf Null gesetzt werden. (15)
Der Zweck von Klima- und Lüftungssystemen besteht darin, «thermisch komfortable» Umgebungen für Menschen zu schaffen und häufig auch die Qualität der zirkulierenden Innenluft zu verbessern. (16) Studien, in denen unterschiedliche Niveaus der Innentemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit bei der Übertragung von SARS- CoV-1-, H1N1- und MERS-CoV-Viren untersucht wurden, zeigen, dass niedrigere Temperaturen und relative Luftfeuchtigkeit (unter 21° C, unter 40 % relativer Luftfeuchtigkeit) die Überlebenszeit von Coronaviren und Influenza auf trockenen Oberflächen erhöhen. (17) Beispielsweise kann SARS-CoV-1 in einer klimatisierten Umgebung, in der die Temperatur typischerweise 22 bis 28° C beträgt und die relative Luftfeuchtigkeit normalerweise auf 30 bis 60 % geregelt wird, mindestens zwei Wochen überleben. (18)
Die bislang bekannten Modelle erlauben es, Aussagen nun auch quantitativ abzuleiten. Das Infektionsrisiko ist umso niedriger:
- Je grösser das Volumen des Innenraums ist,
- je weniger Personen sich im Raum aufhalten,
- je kürzer Personen sich im Raum aufhalten,
- je weniger aerosolbildende Aktivitäten wie lautes Sprechen, Rufen, Singen etc. stattfinden,
- wenn möglichst gutsitzende und gut filtrierende Masken getragen werden und
- wenn eine möglichst hohe Luftwechselrate erzielt werden kann, bestenfalls durch eine raumlufttechnische Anlage mit Aussenluftzuführung.
(19)
Fazit
Covid-19 verändert unsere Erwartungen an unsere Raumumgebungen. Gebäude können eine zentrale Rolle bei der Ausbreitung von Krankheiten spielen: Immer deutlicher zeigt sich, dass sich das Virus hauptsächlich in geschlossenen Räumen ausbreitet.
Ansteckungen mit dem Coronavirus finden vor allem im Familienumfeld und am Arbeitsplatz statt. Grossraumbüros, in denen sich viele Menschen lange Zeit aufhalten, sind Orte, an denen eine Infektion durchaus wahrscheinlich ist. Mit Hygieneregeln und Abstandhalten lässt sie sich zwar senken, aber nicht ausschliessen. Mit den bislang praktizierten Luftwechselraten in Wohn- und Bürogebäuden können die Erreger über Stunden im Raum verbleiben. Die Sinkgeschwindigkeit und auch die Lufterneuerung dauern sehr lange. Eine permanente Aussenluftzufuhr mit Frischluft ist daher generell sinnvoll. Zudem spielen Faktoren wie Innenraumtemperatur und relative Luftfeuchtigkeit eine wichtige Rolle. (19)
Teil 2 geht der Frage des Innenraumklimas in Spitälern und dessen gesundheitlichen Auswirkungen für Patient*innen nach.
Anmerkungen
2) Hierzu gehören u. a. auch neue Standards wie jener der Minergie, welche Wohn- und Arbeitskomfort von Gebäudenutzenden durch eine hochwertige Gebäudehülle und eine systematische Lufterneuerung ermöglichen sollen.
Der Minergie Standard verspricht eine dichte und gut gedämmte Gebäudehülle, welche geringe Wärmeverluste garantieren soll. Hinzu kommt eine automatisch steuerbare Lüftung mit Wärmerückgewinnung für gute Luftqualität und eine umweltfreundliche Heizung.
Doch infolge Einregulierungsproblemen und Baumängel (u. a. durch falsche Bauelemente und unzureichende Ausführung) klafft zwischen Anspruch und gebauter Realität eine bisweilen respektable Lücke.
4) Siehe hierzu u. a.: Dicke Luft (Teil 2) – Innenraumklima und SARS-CoV-2
5) In einer Studie vom April 2020 fanden chinesische Forschende heraus, dass alle identifizierten Ausbrüche mit mit einer Ausnahme in einer Innenraumumgebung auftraten, was bestätigt, dass die gemeinsame Nutzung von Innenräumen ein grosses SARS-CoV-2-Infektionsrisiko darstellt.
Hua Qian, Te Miao, Li Liu, Xiaohong Zheng, Danting Luo, Yuguo Li (2020), Indoor transmission of SARS-CoV-2doi: https://doi.org/10.1101/2020.04.04.20053058
siehe auch:
https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2020.04.04.20053058v1
6) https://www.dhs.gov/science-and-technology/sars-airborne-calculator
7) Eine Suspension ist ein heterogenes, nicht mischbares Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und einem darin fein verteilten Feststoff Dieser wird in der Flüssigkeit verteilt bzw. aufgeschlämmt. Eine Suspension ist also eine disperse feste Phase in einer kontinuierlichen flüssigen Phase.
8) Diese belegen die nachstehenden beiden Studien:
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/nejmc2004973
Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass eine Übertragung von SARS-CoV-2 über Aerosole und Fomite plausibel ist, da das Virus in Aerosolen stundenlang und auf Oberflächen bis zu Tagen (abhängig vom ausgeschiedenen infektiösen Material) lebensfähig und infektiös bleiben kann.
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/22221751.2020.1777906
SARS-CoV-2, der Erreger der Covid-19-Pandemie, kann über Tröpfchen in der Luft oder durch Kontakt mit Oberflächen, auf denen sich Tröpfchen abgesetzt haben, übertragen werden. In dieser Studie wurde die Fähigkeit von SARS-CoV-2 untersucht, im Dunkeln, bei zwei verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten und in künstlichem Speichel, einer klinisch relevanten Matrix, zu überleben. SARS-CoV-2 erwies sich im Dunkeln in einem dynamischen Kleinpartikel-Aerosol unter den vier getesteten Versuchsbedingungen als stabil und lebensfähige Viren konnten noch nach 90 Minuten nachgewiesen werden. Die Zerfallsrate und Halbwertszeit wurden bestimmt.
Die Zerfallsraten reichten von 0,4 bis 2,27 % pro Minute und die Halbwertszeiten von 30 bis 177 Minuten für die verschiedenen Bedingungen.
9) Van Rijn C. et al. (2020). Reducing aerosol transmission of SARS‐CoV‐2 in hospital elevators, Indoor Air, Int. Journal of Indoor Environment and Health
https://doi.org/10.1111/ina.12744
10) Luftwechselrate: siehe hierzu u. a.:
Dicke Luft (Teil 2) – Innenraumklima und SARS-CoV-2
Siehe auch Teil 2 dieses BLOGS «Innenraumklima in Spitälern und gesundheitliche Auswirkungen für Patient*innen»
11) https://www.epa.gov/coronavirus/ventilation-and-coronavirus-covid-19
12) https://www.tu.berlin/forschen/themenportal-forschen/2020/mai/ansteckungsgefahr-liegt-in-der-luft/
13) https://www.unibw.de/lrt7/raumluftreiniger.pdf
14) Dies mit mit F7 + H14 Filterkombinationen.
Siehe hierzu den Bericht des Fraunhofer-Institutes für Bauphysik vom 26.02.2021:
https://de.trotec.com/fileadmin/downloads/Luftreinigung/TAC_Vplus/IBP-Bericht_Nr_UHS-011_2021_DE.pdf
Die Autor*innen der Bundeswehrstudie (Anm. 13) fügen allerdings an (S. 22):
«Damit der Raumluftreiniger nicht zur Virenschleuder wird, sollte der H14 Filter von dem Geät einmal täglich für ca. 30 Minuten auf etwa 100°C aufgeheizt werden, um die Viren im Filter zu zerstören und der Entstehung von Biofilmen, Bakterien und Pilzen ohne gesundheitsschädliche chemische Zusatzstoffe oder UV-C Strahlung entgegenzuwirken.»
17) Otter JA, Donskey C, Yezli S, Douthwaite S, Goldenberg SD & Weber DJ (2016). Transmission of SARS and MERS coronaviruses and influenza virus in healthcare settings: the possible role of dry surface contamination. J Hosp Infect 92, 235–250.
18) Chan KH, Peiris JSM, Lam SY, Poon LLM, Yuen KY & Seto WH (2011). The Effects of Temperature and Relative Humidity on the Viability of the SARS Coronavirus. Adv Virol 2011, 734690.