key: cord-0771503-5zhf35xy
authors: Birmili, Wolfram; Selinka, Hans-Christoph; Moriske, Heinz-Jörn; Daniels, Anja; Straff, Wolfgang
title: Lüftungskonzepte in Schulen zur Prävention einer Übertragung hochinfektiöser Viren (SARS-CoV‑2) über Aerosole in der Raumluft
date: 2021-11-05
journal: Bundesgesundheitsblatt Gesundheitsforschung Gesundheitsschutz
DOI: 10.1007/s00103-021-03452-4
sha: 93e5697f7f01739feb05afb2eccb6c8ef5bd5fa6
doc_id: 771503
cord_uid: 5zhf35xy

Exhaled aerosol particles play an important role in the transmission of SARS-CoV‑2, particularly when many people gather indoors. This article summarises the knowledge on virus transmission in schools and practical measures to reduce aerosol-driven infections. A central preventive measure is to enhance room and building ventilation, i.e. the exchange of possibly contaminated indoor air with ambient air. Besides the concentrations of possibly infectious particles, ventilation reduces carbon dioxide concentrations, humidity and other chemical substances in indoor air as well. Irrespective of ventilation, face masks (surgical or FFP2) represent a vital part of hygiene measures. Fixed or mobile air purifiers can support these measures particularly when rooms providing only poor ventilation must be utilized. The article reflects the state of knowledge in October 2021 of the various techniques that have been shown as useful for the prevention of indirect infections. New variants of SARS-CoV‑2, the progress of the vaccination campaign in children and adolescents, and the increase in general immunity might require a re-evaluation of the prevention strategies described. The COVID-19 pandemic has revealed common deficits in room and building ventilation, not least in schools. Apart from short-term measures for the prevention of airborne infectious diseases, a long-term strategy seems advisable to alleviate the deficits encountered in schools with respect to room and building ventilation. In view of a permanent improvement of indoor air and prevention against airborne infections the fitting of schools with fixed ventilation systems – preferably including heat and moisture recovery – appears to be a sustainable social investment.

Seit der weltweiten Ausbreitung des SARS-CoV-2 nimmt die Frage nach geeigneten und angemessenen Maßnahmen zu einer wirksamen Eindämmung der Pandemie eine zentrale Rolle ein. Die begrenzte Fähigkeit der Gesundheitsbehörden, gemeldete Infektionsfälle zurückzuverfolgen macht deutlich, dass die Mechanismen und Orte, an denen das Virus bevorzugt übertragen wird, vielfältig und in ihrer jeweiligen Relevanz nicht gut bekannt sind. Insbesondere zu Beginn der Pandemie gab es viele Unsicherheiten und Kontroversen bei der Planung und Priorisierung infektionsmindernder Maßnahmen im gesamtgesellschaftlichen Kontext.

Zahlreichen Hinweisen zufolge spielen menschliche Zusammenkünfte in Innenräumen eine zentrale Rolle bei der Verbreitung von SARS-CoV-2 [1] . Mechanismen der Infektion sind die Übertragung virushaltiger Aerosolpartikel bzw. Tröpfchen im Nahfeld einer infizierten Person sowie die Anreicherung und Übertragung virushaltiger Aerosolpartikel in Innenräumen [2, 3] .

An Bildungseinrichtungen wie Schulen kommen Menschen verschiedener Altersgruppen über viele Stunden auf engem Raum zusammen. Während Infektionen bei Kindern meistens einen milden Verlauf haben [4] , erkranken Erwachsene, wie zum Beispiel das Lehrpersonal und auch die Eltern und Großeltern der Kinder, abhängig von Alter und bestehenden Vorerkrankungen mit deutlich schwerwiegenderen Verläufen [5] . Als Präventionsmaßnahme wurde in Deutschland schon bald die verstärkte Lüftung von Innenräumen diskutiert [6] . Ab März 2020 wurde jedoch in vielen Bundesländern begonnen, Schulen zu schließen bzw. den Unterricht online zu verlagern. Mit Beginn der zweiten Infektionswelle im Oktober 2020 wurden Schulschließungen als schnelle und geeignete Maßnahme zur Verringerung der Infektionsfälle betrachtet.

Die Beurteilung von Infektionsrisiken in Innenräumen entwickelte sich mit dem Wissen über die aerogene Ver-breitung der Infektion, der Inzidenz der Erkrankung in der Bevölkerung, dem Auftreten von Virusmutationen [7] und zusätzlich mit ersten Erkenntnissen über die Langzeitfolgen von COVID-19-Erkrankungen bei Erwachsenen [8] und Kindern [9] . Zum Zeitpunkt des Schreibens (Oktober 2021) war die Kenntnis über die Entwicklung der Pandemie und ihre Einflussfaktoren noch immer im Fluss und es war kaum abzusehen, wann aufgrund von Impfungen und steigender Immunität in der Bevölkerung jegliche Präventionsmaßnahmen aufgehoben werden können.

unmittelbaren Umgebung. Wie bei nahezu allen Atemwegserkrankungen, die mit typischen Symptomen einhergehen, scheiden infizierte Personen Partikel aus, welche die Krankheitserreger enthalten. Eine Besonderheit von SARS-CoV-2 besteht darin, dass auch infizierte Menschen ohne Krankheitssymptome über einen Zeitraum von mehreren Tagen virushaltige Partikel ausscheiden können. Dies hat unter anderem dazu geführt, dass sich in der Anfangsphase der Pandemie viele Personen auf diesem Weg infiziert haben.

SARS-CoV-2-Einzelviren haben Durchmesser im Bereich 0,06-0,14 μm [10] . Sie werden in der Regel als Bestandteil größerer wässriger Partikel ausgeatmet, welche sich in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen (relative Luftfeuchte und Temperatur) bezüglich ihres Durchmessers und Wasseranteils ändern können [3, 11] . Im medizinischen Sprachgebrauch werden größere, teilweise gerade noch sichtbare, Aerosolpartikel häufig als "Tröpfchen" beschrieben und solche kleiner als 5 μm als "Aerosol(partikel)". Physikalisch handelt es sich bei beiden jedoch um Aerosolpartikel, bei denen vor allem die Partikelgrößenverteilung ausschlaggebend ist für deren Verhalten im Innenraum, die Möglichkeit der Inhalation und die Eindringtiefe in die Atemwege [12] . Anzahl und Durchmesser der ausgeatmeten Partikel hängen stark von der Art der menschlichen Aktivität ab: Bei ruhiger Atmung entstehen vorwiegend kleine Partikel (< 5 μm), beim Sprechen, Rufen, Singen oder unter körperlicher Anstrengung insgesamt vermehrt Partikel und beim Niesen und Husten zusätzlich größere Partikel bis zu einer Größe von 100 μm [13] [14] [15] . "Feuchte Aussprache" erzeugt noch größere, mit dem Auge sichtbare Speicheltropfen. Diese Informationen sind von hoher Bedeutung für die Bewertung der Situation an Schulen, wo Schülerinnen, Schüler und Lehrerpersonal eine große Bandbreite an Aktivitäten verfolgen.

In dicht belegten Innenräumen können virushaltige Aerosolpartikel zum Risiko werden, wenn sie sich bei begrenztem Luftaustausch im Raum anreichern. Während größere Partikel im Bereich von 100 μm innerhalb von Sekunden zu Boden sinken, können Partikel kleiner als 10 μm viele Minuten und Stunden in der Luft verbleiben [12, 16] . Größere Partikel bzw. Tröpfchenkommendahernurfüreine luftgetragene Infektion im Nahbereich einer infizierten Person infrage, wogegen kleinere Partikel, die sich mit der Luftströmung im gesamten Raum verteilen können, für Infektionen sowohl im Nahwie im Fernfeld sorgen können. In allen Fällen ist davon auszugehen, dass im Nahfeld (< 1,5 m) einer infizierten Person höhere Konzentrationen an möglicherweise infektiösen Partikeln anzutreffen sind. Die genauen Prozesse, die zur Emission, zur Ausbreitung und zur Veränderung der ausgeschiedenen Aerosolpartikel führen, sind von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren abhängig und bislang im Einzelfall kaum vorherzusehen.

Hinsichtlich der Infektiosität bei Kindern bestehen noch zahlreiche Unklarheiten. Beispielsweise ist nicht bekannt, welche Altersgruppen die höchste Infektiosität aufweisen, wobei angenommen werden kann, dass Kinder weniger infektiös sind als Erwachsene [1] . Problematisch im schulischen Kontext ist, dass die Mehrzahl der Kinder nach bisheriger Studienlage einen asymptomatischen oder milden Krankheitsverlauf zeigt [17] , wodurch unerkannte Infektionen wahrscheinlicher werden. Allerdings legen Erkenntnisse nahe, dass Schulkinder deutlich weniger zu Infektionen in Schulräumen beitragen als das Lehrpersonal [18] und dass Infektionen beim Aufenthalt in Schulräumen -bei Einhaltung der AHA + L-Regeln (Abstand einhalten, Hygieneregeln beachten, im Alltag eine Maske tragen und Lüften) -insgesamt selten sind [19] .

Grundsätzlich New variants of SARS-CoV-2, the progress of the vaccination campaign in children and adolescents, and the increase in general immunity might require a re-evaluation of the prevention strategies described. The COVID-19 pandemic has revealed common deficits in room and building ventilation, not least in schools. Apart from short-term measures for the prevention of airborne infectious diseases, a long-term strategy seems advisable to alleviate the deficits encountered in schools with respect to room and building ventilation. In view of a permanent improvement of indoor air and prevention against airborne infections the fitting of schools with fixed ventilation systems -preferably including heat and moisture recovery -appears to be a sustainable social investment.

SARS-CoV-2 · Infection · Aerosol · Ventilation · Air purification schools indoor virushaltigen Partikeln aus der Raumluft durch Maßnahmen wie Lüftung.

Grundsätzliche Präventionsmaßnahmen 

Jeder Mensch scheidet mit der Atmung potenziell virushaltige Partikel aus. Über die Atmung wird gleichzeitig auch Kohlendioxid (CO2) exhaliert, sodass der Ansatz naheliegt, die Raumluftqualität mittels einer CO2-Messung zu bewerten [48] . Sogenannte CO2-Ampeln sind meist recht einfache Messgeräte, mit denen der Lüftungszustand in einem Innenraum bewertet werden kann. Nach der Ad-hoc-AG des Umweltbundesamtes [49] gilt die Raumluftqualität bis 1000 ppm (engl.: "parts per million", dt.: Anteile pro Million) als hygienisch unbedenklich (grüner Ampelbereich), zwischen 1000 ppm und 2000 ppm als hygienisch auffällig (gelber Ampelbereich) und oberhalb von 2000 ppm als hygienisch inakzeptabel (roter Ampelbereich). Auch die Arbeitsschutzregel A3.6 orientiert sich an der Einhaltung einer CO2-Konzentration von 1000 ppm "in der Zeit der Epidemie" [34] . Unabhängig von mikrobiellen Erregern führen hohe CO2-Werte bei den Anwesenden zu bekannten Beeinträchtigungen der Konzentration und Ermüdungserscheinungen [50] . Es muss betont werden, dass man die CO2-Konzentration nicht als Maß für das Infektionsrisiko deuten kann. Im Rahmen der COVID-19-Pandemie haben sich CO2-Ampeln jedoch als nützlich erwiesen, zielgerichtet zu lüften, bzw. dazu beigetragen, Lüftungsprobleme in bestimmten Räumlichkeiten sichtbar zu machen.

Im Verlauf der COVID-19-Pandemie hat sich die Ansicht durchgesetzt, dass das Infektionsrisiko nur dann beherrscht werden kann, wenn eine Kombination verschiedener Maßnahmen umgesetzt wird, bei denen Lücken oder Schwächen bestimmter Einzelmaßnahmen durch andere Maßnahmen ausgeglichen werden ("Schweizer-Käse-Modell" [51, 52] ). Verantwortliche stehen dabei häufig vor der Herausforderung, entscheiden zu müssen, welche infektionsmindernden Maßnahmen in einer konkreten Situation angemessen und wirksam einzusetzen sind. Hieraus ist ein Bedarf nach leicht anwendbaren Prognosemodellen entstanden, welche die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung des SARS-CoV-2 durch Aerosole in konkreten Szenarien abschätzen.

Mathematische Modelle zur Simulation der Ausbreitung von Viruspartikeln in Innenräumen und einer anschließenden Infektion sind seit 2020 für SARS-CoV-2 entwickelt worden bzw. werden laufend weiterentwickelt [53] [54] [55] [56] [57] [58] . Viele der Modelle sind inzwischenonline nutzbar. Den Modellen ist gemein, dass sie die für eine luftübertragene Infektion wichtigen Prozesse beschreiben, wofür in der Regel auch immer starke Vereinfachungen vorgenommen bzw. Annahmen getroffen werden müssen. Zu den Prozessen und Annahmen gehören: 4 

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels gelten laut der US-amerikanischen Centers for Disease Control and Prevention (CDC; [26] ) trotz wissenschaftlicher Wissenslücken 3 wesentliche Grundannahmen der Übertragung des SARS-CoV-2 als gesichert: [66] , doch bezieht sich dies auf relative Feuchten oberhalb 80 %, die im Innenraum kaum auftreten.

Auch nach Überwindung der SARS-CoV-2-Pandemie können die erlernten Maßnahmen für die Innenraumluftqualität in Schulen dazu beitragen, andere aerosolübertragene Viruserkrankungen zu vermindern. Das Ausbleiben einer Grippewelle im Winter 2020/2021 deutet bereits darauf hin, dass die Präventionsmaßnahmen auch bei anderen Infektionskrankheiten eine Wirkung erzielen: Trotz COVID-19 lag die Prävalenz akuter Erkrankungen der Atemwege während des harten Lockdowns in Deutschland (Ende 2020 bis Ende Februar 2021) auf einem bislang nie dagewesenen niedrigen Niveau [67] . Auch international wurde über eine ungewöhnlich niedrige Influenzaaktivität berichtet, die deutlich unter den Ergebnissen der Vorjahre liegt [68] .

Dieser Artikel reflektiert den Stand des Wissens und die Lage der Pandemie im Oktober 2021. Die zukünftige Entwicklung wird auch zeigen, ob aufgrund des Auftretens neuer und evtl. leichter übertragbarer Virusvarianten von SARS-CoV-2 eine Neubewertung der Lüftungsund/oderLuftreinigungsmaßnahmenerforderlich sein wird. Dies betrifft des Weiteren auch die Aspekte des Abstands zwischen Menschen in Innenräumen, das Tragen von Masken, allgemeine Hygieneempfehlungen,die VerwendungvonDesinfektionsmitteln und letztlich auch die Gestaltung und Nutzungsart von Innenräumen. Möglicherweise könnte SARS-CoV-2 auch die architektonische Gestaltung und Nutzung von Schulneubauten beeinflussen. In jedem Fall werden zukünftig Fragen der Belüftung, aber auch der Größe und Deckenhöhe von Räumlichkeiten mehr als in den vergangenen Jahrzehnten eine Rolle spielen, denn eine ausreichende Lüftung an Schulen ist ein Schlüssel dazu, die Gesundheit und die Leistungs-und Konzentrationsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern bestmöglich zu erhalten und zu fördern. Die in diesem Artikel enthaltenen Bilder und sonstiges Drittmaterial unterliegen ebenfalls der genannten Creative Commons Lizenz, sofern sich aus der Abbildungslegende nichts anderes ergibt. Sofern das betreffende Material nicht unter der genannten Creative Commons Lizenz steht und die betreffende Handlung nicht nach gesetzlichen Vorschriften erlaubt ist, ist für die oben aufgeführten Weiterverwendungen des Materials die Einwilligung des jeweiligen Rechteinhabers einzuholen.

Weitere Details zur Lizenz entnehmen Sie bitte der Lizenzinformation auf http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/deed.de.

Epidemiologischer Steckbrief zu SARS-CoV-2 undCOVID-19

It is time to address airborne transmission of Coronavirus Disease 2019 (COVID-19)

Airborne transmission of respiratory viruses

Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) infection in children and adolescents: A systematic review

PredictorsofCOVID-19 severity: Aliteraturereview

Unterricht in der Coronakrise

Genetic variants of SARS-CoV-2-What do they mean?

Long covid: WHO calls on countries to offer patients more rehabilitation

Risk factors for long covid in previously hospitalised children using the ISARIC Global follow-up protocol: A prospective cohort study

Morphometry of SARS-CoV and SARS-CoV-2 particlesinultrathinplasticsectionsof infected Vero cell cultures

Humidity-dependentdecayof viruses, but not bacteria, in aerosols and droplets follows disinfection kinetics

Zum Verständnis der Rolle von Aerosolpartikeln beim SARS-CoV-2 Infektionsgeschehen -Positionspapier der Gesellschaft für Aerosolforschung (GAeF)

Size distribution and sites of origin of droplets expelled from the human respiratory tract during expiratory activities

Comparing aerosol concentrations and particle size distributions generated by singing, speaking and breathing

Emissionsrate und Partikelgröße von Bioaerosolen beim Atmen, Sprechen und Husten

Dismantling myths on the airborne transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 (SARS-CoV-2)

SARS-CoV-2-Infektion: Kinder reagieren auf Viren anders als Erwachsene

COVID-19: Infektions-undErkrankungsrisikofürLehrerundPersonal inKindertagesstättenimVergleichzumPersonalin Krankenhäusern und Altenpflegeeinrichtungen

COVID-19 in Schulen: Keine Pandemie-Treiber

Review of infective dose, routes of transmission and outcome of COVID-19 caused by the SARS-COV-2: comparison with other respiratory viruses. EpidemiolInfect149:e96

Close-range exposure to a COVID-19 carrier: transmission trends in the respiratory tract and estimation of infectious dose https

SARS-CoV-2 variants of concern and variants under investigation in England: technical briefing 16

RKI (2021) Übersicht zu besorgniserregenden SARS-CoV-2-Virusvarianten (VOC)

The role of respiratory droplet physicochemistry in limiting and promoting the airborne transmission of human coronaviruses: A critical review

Aerosol and surface stability of SARS-CoV-2 as compared with SARS-CoV-1

Scientific brief: SARS-CoV-2 transmission

Guidelines for reopening a nation in a SARS-CoV-2 pandemic: a path forward

Fundamental protective mechanisms of face masks against droplet infections

Face masks effectively limit the probability of SARS-CoV-2 transmission

Das Risiko einer Übertragung von SARS-CoV-2 in Innenräumen lässt sich durch geeignete Lüftungsmaßnahmen reduzieren. Stellungnahme der Kommission Innenraumlufthygiene am Umweltbundesamt

Anforderungen an Lüftungskonzeptionen in Gebäuden. Teil I: Bildungseinrichtungen

Vergleich von Fensterlüftungssystemen und anderen Lüftungs-bzw. Luftreinigungsansätzen gegen die Aerosolübertragung von COVID-19 und für erhöhte

Energetische Bewertung von Gebäuden -Lüftung von Gebäuden -Teil 3: Lüftung von Nichtwohngebäuden -Leistungsanforderungen an Lüftungs-und Klimaanlagen und Raumkühlsysteme

Infektionsschutzgerechtes Lüften -Hinweise und Maßnahmen in Zeiten der SARS-CoV-2-Epidemie

Lufthygiene in Unterrichtsräumen unter SARS-CoV-2-Bedingungen Teil I: Auswirkungen der Schallbelastung beim Einsatz mobiler Luftreiniger (MLR)

Was kann die freie Lüftung zur Reduktion einer Virenlast in Schulräumen leisten?

Pilotprojekt: Experimentelle Untersuchungen zum Infektionsrisiko in Klassenräumen in Stuttgarter Schulen. 05.07.2021, Universität Stuttgart -Institut für Gebäudeenergetik

Hybride Lüftungssysteme für Schulen. Abschlussbericht zum Teilprojekt A. Förderkennzeichen AZ 0327387A. Fraunhofer-Institut für Bauphysik

Zugegriffen: 5. Okt

Anforderungen an mobile Luftreinigungsgeräte zur Reduktion der aerosolgebundenen Übertragung von Infektionskrankheiten

Hinweise der DGUV zum ergänzenden Einsatz von Luftreinigern zum Infektionsschutz in der SARS-CoV-2-Epidemie

Air filtration as a tool for the reduction of viral aerosols

Testingmobile air purifiers in a school classroom: Reducing the airborne transmission risk for SARS-CoV-2

Können mobile Raumluftreiniger eine indirekte SARS-CoV-2 Infektionsgefahr durch Aerosole wirksam reduzieren?

Mobile Luftreiniger: Nur als Ergänzung zum Lüften sinnvoll

Strahlenschutzaspekte bei der Anwendung von UV-C-Strahlung zu Desinfektionszwecken

Risk of indoor airborne infection transmission estimated from carbon dioxide concentration

Impact of the indoor environment on learning in schools in Europe

Good and bad reasons: The Swiss cheese model and its critics

The Swiss cheese infographic that went viral

Quantitative assessment of the risk of airborne transmission of SARS-CoV-2 infection: Prospective and retrospective applications

Model calculations of aerosol transmission and infection risk of COVID-19 in indoor environments

Modellbasierte Berechnung des aerosolgebundenen Infektionsrisikos in Klassenräumen, Großraumbüros, Hörsälen und Sporthallen bei unterschiedlichen Nutzungssituationen

Reducing transmission of SARS-CoV-2

Simulation of SARS-CoV-2 aerosol emissions in the infected population and resulting airborne exposures in different indoor scenarios

Ventilation procedures to minimize the airborne transmission of viruses in classrooms

A paradigm shift to combat indoor respiratory infection

Airborne precautions

An overview on the role of relative humidity in airborne transmission of SARS-CoV-2 in indoor environments

Seasonality of respiratory viral infections: Will COVID-19 follow suit? Front Public Health

Estimating the impact of indoor relative humidity on SARS-CoV-2 airborne transmission risk using a new modification of the Wells-Riley model

The transmission of SARS-CoV-2 is likely comodulated by temperature and by relative humidity

fluenza Wochenbericht Kalenderwoche 13. RKI, Influenza Wochenbericht

WHO (2021) Influenza update -390