Pathogen spread and air quality indoors - ventilation effectiveness in a classroom

Lichtner, Eugen; Kriegel, Martin

FG Gebäudeenergiesysteme

In the course of the Covid-19 pandemic, the airborne transmission route has been given a significant role. One preventive measure is the use of increased air exchange through the supply of outside air or the use of air filtration devices. In classrooms the level of carbon dioxide is also of special interest. In this study the ventilation effectiveness in a classroom was examined using computational fluid dynamics (CFD) to investigate different ventilation options in terms of their 3-dimensional impact in the space. In total, seven different cases were compared, three cases with mixing ventilation and four cases with displacement ventilation. In two cases the recirculation rate was 100 % but potentially harmful particles in the air were filtered by HEPA H14. In one case acrylic panels were placed on each desk between two neighboring students. The occupancy in the classroom was a teacher and either 24 or 12 students, full or half occupancy respectively. All occupants emitted carbon dioxide, one student emitted virus-laden airborne particles (subsequently known as just particles). The position of the particle emitting student was varied. The ventilation effectiveness after 45 minutes was examined. The results show, if there is one main contaminant source, the use of local air quality index is crucial, since neither the air change rate nor the local air change index sufficiently reflect the risk of exposure to possibly harmful particles. In several cases the ventilation effectiveness in the breathing zone of some persons was only about 20 %. The affected persons would have been exposed to pathogen concentrations about five times higher than it would be expected based on the air exchange rate. Frequently, increased particle concentrations occur in the proximity of the infectious person, but it cannot be concluded that only persons in the immediate proximity would be affected by a possible infection transmission. Walls and other surfaces affect the room air flow as well as the particle spread through their presence and through convection in case of existing temperature differences between the surface and the air. Therefore, high particle concentrations can also be observed in a considerable distance from the infectious person. All mixing ventilation cases showed a similar ventilation effectiveness but in cases with an air purifier the carbon dioxide concentration reached hygienical-ly unacceptable levels, since no fresh air was supplied. The ventilation effectiveness in cases with displacement ventilation was significantly higher than in others.
Im Zuge der Covid-19-Pandemie wurde der Übertragung von Krankheitserregern über die Luft, der sogenannten Aerosol-Übertragung, eine bedeutende Rolle zugeschrieben. Eine präventive Gegenmaßnahme stellt die Senkung der Erregerkonzentration im Raum durch Frischluftzufuhr oder Luftfilterung dar. Speziell in Klassenzimmern ist darüber hinaus die Luftqualität hinsichtlich der Kohlenstoffdioxidkonzentration von Bedeutung. In dieser Studie wurde die Wirksamkeit von unterschiedlichen Lüftungsmaß-nahmen sowie der Einsatz von Trennwänden in einem Klassenzimmer hinsichtlich der Senkung der Erreger- und CO2-Exposition mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) untersucht. Insgesamt wurden sieben Optionen verglichen, drei Fälle mit Mischlüftung und vier mit Quelllüftung. In zwei Fällen wurde ein mobiler Luftreiniger bei reinem Umluftbetrieb mit einem HEPA-H14-Filter modelliert, dem Raum wurde keine Frischluft zugeführt, aber potentiell virenbeladene luftgetragene Partikel wurden gefiltert. In einem Fall wurden Acrylscheiben als Trennwände auf den Tischen zwischen zwei benachbarten Schulkindern angebracht. Im Klassenzimmer waren eine Lehrkraft und je nach Szenario 24 bzw. 12 Schulkinder. Alle Personen atmeten Kohlendioxid aus. Ein Schulkind atmete zudem luftgetragene virenbeladene Partikel aus. Die Position des infektiösen Schulkinds wurde variiert. Es wurde die Wirksamkeit der Maßnahmen nach 45 Minuten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Luftwechselrate kein Maß für die Wirksamkeit der Maßnahmen ist, wenn das Expositionsrisiko von einer einzelnen Schadstoffquelle ausgeht. Das gilt gleichermaßen für den lokalen Luftaustauschindex. Für die Beurteilung des Expositionsrisikos von luftgetragenen Erregern ist die Verwendung der lokalen Lüftungswirksamkeit unerlässlich. In mehreren Fällen war der Atembereich einiger Personen lediglich mit nur etwa 20 % Wirksamkeit belüftet. Die betroffenen Schulkinder wären einer rund fünf Mal so hohen Erregerkonzentration ausgesetzt, als dies entsprechend der Luftwechselrate zu erwarten wäre. Die Ergebnisse zeigen ferner, dass es sehr häufig zu erhöhten Konzentrationen im Umfeld der emittierenden Person kommt. Alle betrachteten Fälle mit Mischlüftung wiesen eine ähnliche Lüftungswirksamkeit auf. Insgesamt war sie in Fällen mit Quelllüftung signifikant höher. Fälle mit einem mobilen Luftreiniger wiesen eine ähnliche Lüftungswirksamkeit wie Mischluftfälle mit Frischluftzufuhr auf, wenn nur die Partikelkonzentration betrachtet würde. Die CO2-Konzentration nahm in diesen Fällen hygienisch inakzeptable Werte an.