Aktion #SaubereRaumluft2024

#ProtectTheKids unterstützt Schulen bei der Evaluation von Luftreinigern

Im Rahmen der Aktion #SaubereRaumluft2024 unterstützt #ProtectTheKids (Schweiz) interessierte Lehrpersonen und Schulen bei der Evaluation des Konzepts «Lüften und Filtern» und stellt mobile Luftreiniger, solange Vorrat, kostenlos als Leihgeräte zur Verfügung. Die Aktion dauert bis mindestens Frühling 2025. Abhängig von der Raumgrösse empfiehlt #ProtectTheKids den parallelen Einsatz von zwei bis maximal drei Luftreinigern pro Schulraum.

Verbesserung der Luftqualität in Klassenzimmern

Bei ungenügender Frischluftzufuhr nimmt der CO2-Gehalt der Raumluft rasch zu. Eine gegenüber der Aussenluft erhöhte CO2-Konzentration [1] ist ein Indikator für verbrauchte Luft und kann auf eine erhöhte Konzentration respiratorischer Aerosole [2] hinweisen. Bei einem CO2-Gehalt ab 1500 ppm wurde eine deutliche Reduktion der Konzentrations- und Lernfähigkeit nachgewiesen [3] [4]. Der CO2-Gehalt der Raumluft kann nur durch Fensterlüften oder mechanische Ventilation, d.h. durch Austausch von Raumluft gegen Aussenluft, reduziert werden.

In dicht belegten Schulräumen ist das Risiko einer starken Verbreitung von Krankheitserregern bei unzureichender Luftqualität besonders hoch, weil sich in Gegenwart einer ansteckenden Person mit Erregern beladene Atemaerosole in der Raumluft anreichern und im ganzen Raum ausbreiten können.

Im Vergleich zur Übertragung der Erreger über kurze Distanzen (im sogenannten Nahfeld) ist die Übertragung über grössere Distanzen (im Fernfeld) in solchen Situationen häufiger, wobei alle Anwesenden einem Ansteckungsrisiko ausgesetzt sind.

Lüften alleine führt leider nicht zuverlässig und nachhaltig zu einer ausreichenden Luftqualität, was die Aerosole betrifft. Stosslüften schafft zwar kurzfristig Abhilfe, kann jedoch bei ungünstigen Bedingungen (tiefe/hohe Aussentemperatur, Wind, Lärm etc.) den Schulbetrieb empfindlich stören.


[1] Anfang 2023 betrug die durchschnittliche CO2-Konzentration in der Aussenluft ca. 420 ppm (parts per million).

[2] Siehe https://kinder-schuetzen-jetzt.ch/aerosole/ für eine anschauliche, allgemeinverständliche Einführung ins Thema.

[3] Allen, J.G. et al., 2016. Associations of Cognitive Function Scores with Carbon Dioxide, Ventilation, and Volatile Organic Compound Exposures in Office Workers: A Controlled Exposure Study of Green and Conventional Office Environments. Environ. Health Perspect. 124, 805–812. https://doi.org/10.1289/ehp.1510037

[4] Pulimeno, M. et al, 2020. Indoor air quality at school and students’ performance: Recommendations of the UNESCO Chair on Health Education and Sustainable Development & the Italian Society of Environmental Medicine (SIMA). Health Promotion Perspectives. 10(3), 169–174. https://doi.org/10.34172/hpp.2020.29

Lüften und Filtern für bessere Luftqualität

Sowohl regelmässiges Lüften als auch HEPA-Filtration ersetzt einen Teil der Raumluft durch «saubere Luft», also Luft, welche frei ist von Atemaerosolen. Durch Vermischung mit der übrigen Raumluft werden die Atemaerosole verdünnt. Von zentraler Bedeutung ist die effektive Gesamtluftwechselrate, die in Luftwechseln pro Stunde (Einheit «ACH» = Air Changes per Hour) angegeben wird. Ein Luftwechsel entspricht dabei dem Ersetzen des gesamten Raumvolumens durch «saubere Luft». Mit 5 bis 6 ACH können die Gesundheitsrisiken durch krankmachende Aerosole wesentlich reduziert werden. Zur Verdeutlichung, dass sich eine Luftwechselrate nur auf die Entfernung von Aerosolen bezieht, spricht man auch von äquivalenten Luftwechseln (Einheit «eACH» = equivalent Air Changes per Hour).

Wie ist die Luftqualität in Schulen mit und ohne mechanische Lüftung, und in welchem Masse kann die Konzentration von Aerosolen durch den Einsatz mobiler HEPA-Luftreiniger reduziert werden? – Diese Fragen hat #ProtectTheKids in Zusammenarbeit mit dem Schweizerischen Zentrum für Arbeits- und Umweltgesundheit (SCOEH) in einer wissenschaftlichen Studie «Verbesserung der Luftqualität in Klassenzimmern» untersucht:

Die CO2-Werte im mechanisch belüfteten Gebäude K2 waren überwiegend im guten bis sehr guten Bereich unter 1000 ppm, bei rechnerisch ermittelten Luftwechselraten von 2.3 bis 2.9 ACH (Air Changes per Hour).

In den manuell belüfteten Klassenzimmern des Schulhauses K1 war die Luftqualität hingegen oft schlecht bis hygienisch inakzeptabel. Wie Abbildung 1 zeigt, lag die CO2-Konzentration bei Unterricht mit Ganzklassen (GK, durchschnittlich 22 Schülerinnen und Schüler) je nach Lüftungsstrategie zu 28 % bis 72 % der Zeit über 1000 ppm.

Häufigkeitsverteilung der CO2-Konzentration in den manuell belüfteten Schulzimmern von K1. Je nach Lüftungsstrategie waren die CO2-Werte während 28% bis 70% der Zeit über 1000 ppm.
Abb. 1: Häufigkeitsverteilung der CO2-Konzentration in den manuell belüfteten Klassenzimmern des Schulhauses K1, bei Unterricht mit Ganzklassen (GK).

Mobile Luftreiniger sind eine wirksame Ergänzung zur Reduzierung der Aerosolbelastung, insbesondere in Klassenzimmern ohne mechanische Lüftung. Der Parallelbetrieb von zwei bis drei Luftreinigern pro Klassenzimmer auf mittlerer Geschwindigkeit ermöglichte eine höhere totale Clean Air Delivery Rate als mit nur einem Gerät auf der höchsten Stufe – bei einem niedrigeren, mit einer ruhigen Arbeitsumgebung kompatiblen Geräuschpegel.

Kombiniertes Lüften und Filtern reduziert die Konzentration von Aerosolen viel effizienter als Lüften alleine. Weshalb?

In typischen Situationen wurden mit Fensterlüftung mittlere Luftwechselraten von lediglich 0.3 bis 2.5 ACH (Air Changes per Hour), in seltenen Fällen bis zu 4.3 ACH erreicht. Das Hinzufügen von Luftreinigern, die für eine Reinigungsleistung von 3 ACH konfiguriert waren, ergab in den typischen Situationen bei Anwesenheit einer ansteckenden Person eine Reduktion der Belastung mit virenbeladenen Aerosolen und somit auch der eingeatmeten Virendosis um mindestens 50 %. Bei sehr ineffizienter Fensterlüftung betrug die Reduktion sogar bis zu 90 %.

Abbildung 2 zeigt den Verlauf der CO2-Konzentration über zwei Unterrichtsstunden bei einer ineffizienten Lüftungsstrategie. Die durch das Lüften über die Fenster erreichte, mit Hilfe eines physikalischen Modells errechnete Luftwechselrate ACRv betrug im Mittel lediglich 0.52 ACH. In dieser Situation erzielte eine Luftreinigung mit 3 ACH eine Verbesserung der Gesamtluftwechselrate von 0.52 ACH auf 3.52 ACH. Dadurch verringerte sich die Aerosolbelastung näherungsweise um den Faktor 3.52/0.52 = 6.8, was einer Reduktion um 85 % entspricht.

Zeitlicher Verlauf der CO2-Konzentration und der Luftwechselrate durch das Lüften über die Fenster in K1-Q, bei einer ineffizienten Lüftungsstrategie.
Abb. 2: Zeitlicher Verlauf der CO2-Konzentration und der Luftwechselrate durch das Lüften über die Fenster in K1-Q bei einer ineffizienten Lüftungsstrategie.

Abbildung 3 zeigt den Verlauf der CO2-Konzentration und der durch Fensterlüften erreichten Luftwechselrate bei einer sehr effizienten Umsetzung der von #ProtectTheKids für «Lüften und FIltern» empfohlenen Lüftungsstrategie im Schulzimmer K1-B. Die für diese Situation errechnete Luftwechselrate betrug im Mittel 4.3 ACH, ein Spitzenwert, der während der sechswöchigen Studie nur gerade einmal erreicht wurde.

Zeitlicher Verlauf der CO2-Konzentration und der Luftwechselrate durch das Lüften über die Fenster.
Abb. 3: Zeitlicher Verlauf der CO2-Konzentration und der Luftwechselrate durch das Lüften über die Fenster in K1-B bei einer sehr effizienten Lüftungsstrategie.

Bei der sehr effizienten Lüftungsstrategie in Abbildung 3 führte eine zusätzliche Luftreinigung mit 3 ACH zu einer Verbesserung der Gesamtluftwechselrate von 4.31 ACH auf 7.31 ACH. Wie die Modellierung der Aerosolbelastung in Abbildung 4 zeigt, verringerte sich die kumulative Virendosis somit selbst bei sehr effizientem Fensterlüften noch um den Faktor 1500/1000 = 1.5, d.h. um 33 %. Bei einer zusätzlichen Luftreinigung mit 5.4 ACH verringerte sich die Virendosis gar um 47 %.

Zeitlicher Verlauf der Virionenkonzentration und der kumulativen Virendosis bei variabler Fensterlüftung. "Nur Lüften" sowie "Lüften und Filtern" mit mittlerer und hoher Luftreinigungsleistung.
Abb. 4: Zeitlicher Verlauf der Virionenkonzentration und der kumulativen Virendosis bei variabler Fensterlüftung in K1-B für drei Fälle: «Nur Lüften», «Lüften und Filtern» bei Luftreinigung mit 3.0 ACH, sowie «Lüften und Filtern» bei Luftreinigung mit 5.4 ACH.

Kombiniertes Lüften und Filtern verringert auch den Energieverbrauch, weil die mittlere Lüftungsrate dank Filterung reduziert werden kann.

Kontrolliertes Lüften mit CO2-Messgerät

In Schulzimmern (240 m3, Klasse mit 22 Schülerinnen und Schülern) ohne Lüftungsanlage oder Abluftventilator muss man mit Fensterlüften mindestens 1.9 ACH (Luftwechsel / h) erwirken, um die CO2-Konzentration unter ca. 1000 ppm zu halten. Dafür muss mindestens 2x pro Lektion und einmal ausgiebig in jeder Pause stossgelüftet  werden. Ein Zielwert von 5 bis 6 ACH ist mit Lüften allein nicht zu erreichen. Kombiniert man jedoch Fensterlüften mit Filtration, kann eine leicht höhere CO2-Konzentration bis zu 1200 ppm toleriert werden. Dies ist mit ca. 1.2 bis 1.5 ACH erreichbar, wenn 2x pro Stunde gelüftet wird – einmal während jeder Lektion und einmal ausgiebig in jeder Pause. Mit einem im Abstand von 0.5 m oder mehr vor einem Fenster positionierten, nach aussen gerichteten Ventilator können Stosslüftungen wirkungsvoll beschleunigt werden. Der Mindestabstand sorgt dafür, dass die Raumluft effizient aus dem offenen Fenster transportiert wird.

Filtern der Raumluft mit Luftreinigern

Die parallele Verwendung von zwei bis drei Geräten auf einer niedrigen oder mittleren Betriebsstufe ermöglicht eine hohe Reinigungsleistung und eine räumlich gleichmässige Verbesserung der Luftqualität bei einer sehr niedrigen Geräuschbelastung. Für Infektionsschutz wird empfohlen, eine feste Geschwindigkeitsstufe einzustellen und nicht die Automatik zu verwenden.

Verfügbare Gerätetypen

  • Philips AC4236/10
  • Trotec AirgoClean 250E
  • Weitere Gerätetypen (z.B. von Electrolux, Xiaomi …) auf Anfrage

Empfehlungen für den Betrieb der Geräte

  • Empfohlene Geschwindigkeitsstufe während Schulstunden: niedrig bis mittel
  • Empfohlene Geschwindigkeitsstufe für beschleunigte Luftreinigung: mittel bis hoch/Turbo
  • Dauerbetrieb bei Belegung des Schulraums; nach Schulschluss / am Wochenende abschalten

Sicherheit

  • Die Bedienung der Geräte ist der Lehrperson vorbehalten.
  • Die Geräte haben ein schnell laufendes Gebläse mit rotierenden Teilen – kleine Gegenstände könnten durch das Gitter ins Gerät gelangen und dieses beschädigen.

Kontakt

Interessieren Sie sich dafür, die Lösung «Lüften und Filtern» in Ihrem Klassenzimmer oder an Ihrer Schule zu evaluieren? – Dann freuen wir uns über Ihre Anfrage/Bestellung via E-Mail. Bitte verwenden Sie das untenstehende Formular

ProtectTheKids-Aktion-#SaubereRaumluft2024-Bestellung-und-Nutzungsvereinbarung-Philips.docx

 Fredy Neeser (wissenschaftliche Beratung) fredy.neeser@protect-the-kids.ch
 Andrea Hadorn (Koordination Aktion #SaubereRaumluft2024)andrea.hadorn@protect-the-kids.ch

Downloads zur Aktion