Raumluftqualität und bedarfsorientierte Lüftung

Mit der Ausatemluft gelangen winzige Flüssigkeitströpfchen (Aerosole) in die Umgebung, die über längere Zeit in der Luft verbleiben. Enthalten diese Aerosole Krankheitserreger, steigt mit der CO₂- oder VOC-Konzentration auch das Risiko einer Übertragung. CO₂  oder VOC dient daher als indirekter Indikator für Luftqualität und Infektionsgefahr.

Hygienemaßnahmen, Abstand und Masken haben ein gemeinsames Ziel: Sie senken das Ansteckungsrisiko und damit die Zahl der Weiterübertragungen. Wird diese Reproduktionszahl dauerhaft unter 1 gedrückt, kann eine Ausbreitung eingedämmt werden. Wo Abstand und Masken schwer umzusetzen sind – etwa in Klassenräumen – braucht es zusätzliche Werkzeuge. Ein einfaches und wirksames Instrument ist das Monitoring der Innenraumluft, das Rückschlüsse auf die Luftqualität und das Infektionsrisiko erlaubt.

Befinden wir uns mit mehrerern Personen in einem Raum, so liefert die Messung der CO₂-Konzentration ein Maß dafür, wieviel Prozent der von uns eingeatmeten Luft aus bereits ausgeatmeter Luft anderer Menschen besteht. Die Massenbilanz zeigt, dass eine gemessene CO₂-Konzentration von ca. 1200 ppm (parts per million) bedeutet, dass fast 2% der Luft im Raum bereits mindestens einmal Lungenkontakt hatte [Rudnick&Milton, 2003]. Anschaulich kann man feststellen, dass jeder 50.te Atemzug den eine Person in diesem Raum tätigt, aus schon einmal ausgeatmeter Luft besteht. Über das sich daraus ergebene konkrete Corona-Infektionsrisiko wollen wir nicht spekulieren, es hängt von verschiedenen Faktoren ab, die zur Zeit noch intensiv erforscht werden Das MPI Chemie in Mainz bietet hierzu einen interaktiven Risk-Calculator. Ein Risikofaktor ist sicher die Anzahl von weiteren Personen im selben Raum, das lokale Pandemiegeschehen und die Strömung der Luft. Dem Problem, wie viele Personen sich überhaupt im Raum befinden, werden wir am Ende dieser Anleitung messtechnisch nachgehen (WiFi-Pax-Counter). Insgesamt gilt natürlich: Ist keine der im Raum befindlichen Personen infiziert, so besteht auch bei hohen Konzentrationen kein Infektionsrisiko.

• Eine CO₂-Konzentration bis 1000 ppm gilt als hygienisch unbedenklich.
• Werte zwischen 1000 und 2000 ppm sind kritisch, darüber hinaus gesundheitlich inakzeptabel.
• Studien belegen: Schlechte Luft senkt die Aufmerksamkeit um bis zu 5 %, gute Belüftung verbessert Testergebnisse und reduziert Fehlzeiten.

Bedarfsorientiertes Lüften statt Dauerlüften
Zu wenig Frischluft erhöht das Infektionsrisiko, übermäßiges Lüften hingegen führt zu Energieverlusten und belastet das Klima. Eine CO₂-Ampel unterstützt dabei, den richtigen Zeitpunkt und die passende Intensität für das Lüften zu bestimmen.

CO₂-Messgeräte lassen sich einfach erwerben – oder selbst bauen. Beim Selbstbau werden naturwissenschaftliche und digitale Kompetenzen vermittelt (Physik, Biologie, Chemie, Informatik) und es eröffnen sich Möglichkeiten für Zusatzfunktionen, die über Standardgeräte hinausgehen. So wird Technikkompetenz mit praktischer Gesundheitsvorsorge verknüpft.
 

Der Selbstbau einer CO₂-Überwachungsampel fürs eigene Klassenzimmer bildet, fördert Kreativität und gibt allen Beteiligten das Gefühl, selbst etwas zur Risikovermeidung und zum Schutz der Gesellschaft beizutragen. In der Folge werden wir hier weitere Links zu den MINT-Hintergründen von COVID-19 einstellen. Wir freuen uns über jeden Hinweis zu geeigneten Quellen.

• Physik:   Sinkgeschwindigkeit 1 µm:  10 cm / Stunde -> Tröpfchen schweben lange Zeit im Raum. Ein Video einer Forschergruppe der Universität Twente verdeutlicht die Reichweite der Tröpfchen. Wie hängt der Heizbedarf eines Klassenzimmers mit der Lüftungsstrategie zusammen, wieso darf die Luft im Raum abkühlen, die Betonwände sollten es aber nicht? Lernmaterial: "Wärmekapazität" auf studyflix.de. Eine Berliner Initiative bietet den Verleih von Messgeräten und ausgearbeitete Lerneinheiten zur schulischen Begleitung. 
• Biologie: Virusgröße: 0.12 µm, also fürs Auge unsichtbar (Fotos, Nachweismehoden im Tweet von Marco Binder), Bestandteile eines Virus und Infektionsaktivität in Luft: Halbwertszeit 2.7 Stunden - was bedeutet das? Ausatemluft enthält höhere CO₂-Konzentration als Einatemluft -> CO₂ akkumuliert im Raum.  Hohe CO₂-Konzentrationen haben auch Einfluss auch auf das Gehirn (Konzentrationsleistung). Das Lehrmaterial "Frische Luft für frisches Denken" der Landesunfallkasse Niedersachsen verdeutlicht: Die Aufmerksamkeit reduziert sich um bis zu 10%.
• Chemie:  Messung der CO₂-Konzentration aufgrund IR-Absorption. Lehrmaterial: Unterrichtsvorbereitung und Veröffentlichungen der LMU München und PH Ludwigsburg. Oder beim Spektrometer der IoT-Werkstatt. Warum führt Lüften im Winter eigentlich zu trockner Luft? Aufklärung schafft die Chemie-Schule.
• Mathe:   Massenbilanz CO₂ -> Eine einfache Rechnung zeigt: bei 1200 ppm wurden fast 2 % der Raumluft schon einmal ausgeatmet. (1.200 ppm gemessen minus 400 ppm Basiskonzentration Frischluft ergibt 800 ppm zusätzlich. Das sind 2 % von 40.000 ppm der Ausatemkonzentration). Wie kann man die Wirkung von Mund- Nasenbedeckungen mathematisch beschreiben? Eine interaktive Webseite von Aatish Bhatia und Henry Reich gibt Aufschuß über "Maskenmathematik" und zeigt: Masken wirken doppelt! Die PH Freiburg hat eine tolle Aufgabensammlung zur Mathematik rund um Corona entwickelt.
• Informatik: Algorithmus der Ampel (geschachtelte Fallunterscheidung). Simulation des Infektionsverlaufs mittels einfacher Ausbreitungsmodelle. Was bewirkt die von uns erreichte Reduktion der Ansteckungsgefahr für die Gesellschaft? Hier gibt es bereits eine tolle Lerneinheit von Marcel Salathé und Nicky Case.
• Technik:   Mikrocontrollerboards mit Sensorik im Maker-Space. Kosten ~ 100 bis 200 € pro Device (siehe unten). Wie funktioniert Klimatechnik, was macht ein HEPA-Luftfilter, wie wirken UV-Lampen oder eine Wärmerückgewinnung?
• Nachhaltigkeit

  Richtiges Lüften schont die Umwelt, spart Heizkosten und mindert CO₂-Emmissionen. In einem Einfamilienhaus lassen sich so  260 Euro pro Jahr sparen und 500 kg CO2 vermeiden.Die meiste Energie ist nämlich in den Wänden und im Inventar der Klasse gespeichert. Kipplüften führt dazu, dass sich auch die Wände abkühlen und später wieder aufgeheizt werden müssen. Beim Querlüften wird nur die Luft ausgetauscht, deren Energiegehalt aufgrund der niedrigen spez. Wärmekapazität deutlich geringer ist.

Auch jenseits von Epidemien oder Pandemien sorgt gute Luftqualität für bessere Konzentration, höhere Leistungsfähigkeit und mehr Wohlbefinden. Der Einsatz von CO₂-Sensorik und digitalen Hilfsmitteln fördert nicht nur die Infektionsprävention, sondern auch den Klima- und Ressourcenschutz.

An dieser Stelle möchten wir auch auf einen Zusammenhang zwischen Luftfeuchtigkeit und möglichen Infektionsrisiko hinweisen:

• Je trockener die Luft, desto schneller verdunstet das Wasser aus den Aerosolen. Kleine Tröpfchen aber bleiben länger schweben und erhöhen das Risiko.
• Der zeitliche Verlauf (Anreicherung von Salzen im Tropfen) hat Einfluss auf die Inaktivierung des Virus. Je schneller die Verdunstung, desto höher die verbleibende Infektiösität und damit das Risiko.
• Trockene Luft führt zur Austrocknung der Schleimhäute beim Menschen und damit zu einer erhöhten Infektanfälligkeit.

Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung empfiehlt deshalb eine realtive Luftfeuchtigkeit von 40-60 % in Innenräumen. Die meisten CO₂-Ampeln zeigen auch die realtive Feuchtigkeit der Raumluft an. Durch häufiges Lüften im Winter wird diese eher zu niedrig ausfallen. Eine Erhöhung lässt sich z.B. durch viele Zimmerpflanzen auf dem Fensterbrett oder einer Schale Wasser auf dem Heizkörper erzielen.