Infektionsrisiko in Innenräumen punktgenau berechnen

Neues Simulationsmodell zur konkreten Virusbelastung pro Person entwickelt

Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr.-Ing. Stephan Schönfelder hat ein Simulationsmodell zur örtlich und zeitlich aufgelösten Viruskonzentration durch Luftströmungen in geschlossenen Räumen entwickelt. Mit diesen neuen Berechnungsansätzen zur luftströmungsbasierten Viruskonzentration kann das Infektionsrisiko jeder Einzelperson in Innenräumen besser nachvollzogen werden und so ein wichtiger Beitrag zur Bekämpfung von Pandemien geleistet werden.

Für die Berechnung der Viruskonzentrationen wurden verschiedene Unterrichts- und Prüfungssituationen in einem Seminarraum der Hochschule simuliert: mit oder ohne Belüftung, jeweils mit oder ohne sprechender Lehrperson, die zugleich als Infektionsquelle angenommen wird.

Die Berechnungsgrundlage

Den Modellen für die Berechnung der Virusbelastung in einem Seminarraum liegen folgende Annahmen zugrunde:

➤ Raumgröße: 80 qm
➤ Deckenhöhe: 3 m
➤ Infektionsquelle: eine Lehrperson, die im Bereich der Tafel steht
➤ Personenanzahl: 16 Personen, ohne Mund-Nasen-Schutz
➤ Abstand: alle Personen mindestens 1,50 m
➤ Aufenthaltsdauer: 90 Minuten
➤ Virusbelastung durch Sars-CoV-2: Partikelanzahl der Aerosole - weniger als 500 Partikel bergen ein niedriges Ansteckungsrisiko, mehr als 500 Partikel ein hohes Ansteckungsrisiko und eine Infektion mit Covid19 ist wahrscheinlich.

Die Simulationsmodelle

Ausgehend von diesen Faktoren wurden konkrete Viruskonzentrationen für die reguläre Dauer eines Seminares berechnet und als Animation über die Zeit im Folgenden dargestellt.

        Anmerkung: Zum korrekten Abspielen der Videos die Qualität auf 540 p stellen.

Animation 1: Darstellung der Virusbelastung für jede Person in einem Seminarraum (in Draufsicht) mit Belüftung und sprechender, infizierter Lehrperson

Animation 2: Darstellung der Virusbelastung für jede Person in einem Seminarraum (in Draufsicht) mit Belüftung und ohne sprechende, infizierte Lehrperson

Animation 3: Darstellung der Virusbelastung für jede Person in einem Seminarraum (in Draufsicht) ohne Belüftung und mit sprechender, infizierter Lehrperson

Animation 4: Darstellung der Virusbelastung für jede Person in einem Seminarraum (in Draufsicht) ohne Belüftung und ohne sprechende, infizierte Lehrperson

Das Infektionsrisiko

Simulation 1: Wenn der Raum gelüftet wird und eine infizierte Lehrperson darin spricht, kann rund 40 Minuten unterrichtet werden, bevor erstmals eine hohe Ansteckungsgefahr für jemanden besteht.
Simulation 2: Bei Belüftung, aber ohne sprechende Lehrperson, z.B. in einer schriftlichen Prüfungssituation, besteht erst nach ca. einer Stunde und 15 Minuten ein hohes Risiko.
Simulation 3: Ohne Belüftung und mit sprechender Lehrperson tritt das hohe Risiko für die erste Person bereits nach rund 30 Minuten ein.
Simulation 4: Ohne Belüftung und ohne sprechende Lehrperson, tritt das hohe Risiko für die erste Person bereits nach 50 Minuten ein.

Betrachtet man aber alle Personen im Raum, zeigt sich ohne Lüftung nach einer Stunde ein hohes Infektionsrisiko für alle, während mit Lüftung nach der gleichen Zeit nur sechs Personen betroffen sind (40 Prozent). In der Prüfungssituation (Annahme: niemand spricht) besteht nach 90 Minuten ohne Lüftung für zwölf von 15 Studierenden zumindest eine hohe Infektionsgefahr, mit Lüftung nur für drei von 15. Interessant ist auch, dass aufgrund der hier besonderen räumlichen Strömungsgegebenheiten ohne Lüftung sich nicht die Person ansteckt, die der Infektionsquelle am nächsten ist, sondern erst eine Person in der zweiten Reihe. Dies zeigt, dass es auch lokale Effekte in Innenräumen zu berücksichtigen gilt, wenn das Infektionsrisiko genau analysiert werden soll. Generell, in „Standardräumen“, ist es jedoch erwartungsgemäß am besten, wenn man sich so weit wie möglich von der Infektionsquelle entfernt aufhält.

Fazit

Was die Modelle leisten können: Für jeden einzelnen Quadratmeter im Raum kann das Infektionsrisiko konkret abgeschätzt werden und auch, wie es sich mit der Zeit entwickelt. Diese Simulationsmodelle sind deutlich aufwendiger, da ganz konkrete Fälle berücksichtigt werden, sie liefern aber ein ergänzendes Verständnis für strömungsbedingte Infektionswege durch Aerosole in Innenräumen. Die Modelle sind prinzipiell auf alle Szenarien übertragbar, d.h. Theaterbestuhlungen, Klassenzimmer und den ÖPNV.

HTWK-Projekt „Simulation von Raumluftströmungen und Luftqualität"
Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Stephan Schönfelder
Simulation: Dr.-Ing. Florian Wallburg, B.Eng. Lara Möller (Masterstudentin Energie-, Gebäude- und Umwelttechnik)
Visualisierung: M.Eng. Felix Kaule