RisiCo

Da es aktuell noch keine ausreichend sichere Methode gibt, um ein absolutes aerosolgebundenes Infektionsrisiko für beliebige Umgebungen zu bestimmen, wurde ein Ansatz genutzt, mit dem ein relatives Infektionsrisiko durch einen Virustransport über Aerosolpartikel in unterschiedlichen Räumen und Nutzungen gegenüber einer Referenzumgebung berechnet werden kann. Dieses Verfahren wird in Müller et al. (2021) [Paper] beschrieben und basiert auf einer Referenzumgebung, für die in der Literatur eine Abschätzung des absoluten Infektionsrisikos angegeben wird. Diese Referenzumgebung entspricht einem nach dem Stand der Technik maschinell belüfteten Klassenraum. Die Belastung durch Aerosolpartikel wird für die Referenzsituation „Schulstunde“ auf Basis eines Raumvolumens von 200 m³, einer Luftwechselrate von 4,375 h⁻¹, einer Aufenthaltsdauer von 60 Minuten und der Anwesenheit von 25 Personen berechnet, die sitzen und von denen eine Person aktiv spricht. Der resultierende Luftvolumenstrom entspricht einem personenbezogenen Außenluftvolumenstrom von 35 m³/h/Person, welcher auf dem empfohlenen personen- und flächenbezogenen Luftstrom der Kategorie II nach DIN EN 15251 basiert.

Die Bestimmung des relativen Infektionsrisikos basiert auf einem einfachen Bilanzmodell, bei dem eine konstante Aerosolbelastung in Abhängigkeit raumtechnischer Parameter wie dem Raumvolumen $\begin{array}{}{V}_{\mathrm{}}\end{array}$, der Luftwechselrate $\begin{array}{}{\mathrm{LW}}_{\mathrm{}}\end{array}$ und der Raumbelegung $\begin{array}{}{n}_{\mathrm{R}}\end{array}$ berechnet wird. Insgesamt ergibt sich das relative stationäre Infektionsrisiko $\begin{array}{}{\mathrm{RR}}_{\inf }\end{array}$ entsprechend Gleichung (1) aus den Verhältnissen der mittleren abgegebenen Aerosolmenge, der mittleren Luftvolumenströme im Raum, der Anzahl an Anwesenden Personen, der jeweiligen (Ein-)Atemvolumenströme sowie der Aufenthaltsdauern zwischen Vergleichs- und Referenzumgebung. Für die Vergleichsräume kann ebenfalls der Einsatz eines Luftreinigers über den eingebrachten effektiven Volumenstrom $\begin{array}{}\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{LR,eff}}\end{array}$ berücksichtigt werden. Dabei ist zu beachten, dass Luftreiniger keinen Einfluss auf die CO₂-Konzentration im Raum haben.

$\begin{array}{}\mathrm{(1) }{\mathrm{RR}}_{\mathrm{Inf}}=\frac{\stackrel{‾}{\stackrel{\cdot }{n_{\mathrm{}}}}{}_{\mathrm{Aer}}}{\stackrel{‾}{\stackrel{\cdot }{n_{\mathrm{}}}}{}_{\mathrm{Aer,ref}}} \cdot \frac{V_{\mathrm{R,ref}} \cdot {\mathrm{LW}}_{\mathrm{ref}}}{V{}_{\mathrm{R}} \cdot \mathrm{LW} + \stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{LR,eff}}} \cdot \frac{n_{\mathrm{R}}}{n_{\mathrm{R,ref}}} \cdot \frac{\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A}}}{\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A,ref}}} \cdot \frac{\tau }{{\tau }_{\mathrm{ref}}}\end{array}$

Die Aerosolkonzentration im Raum wird über die mittlere abgegebene Aerosolmenge $\begin{array}{}\stackrel{‾}{\stackrel{\cdot }{n_{\mathrm{}}}}{}_{\mathrm{Aer}}\end{array}$ einer Person anhand von Gleichung (2) bestimmt. Die Anwesenden werden dafür in zwei Gruppen ($\begin{array}{}{\mathrm{g1}}_{\mathrm{}}\end{array}$ und $\begin{array}{}{\mathrm{g2}}_{\mathrm{}}\end{array}$) eingeteilt: Für jede Gruppe können neben der Anzahl an Personen die jeweiligen Atemvolumenströme $\begin{array}{}\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A}}\end{array}$ in Abhängigkeit ihrer körperlichen Aktivität sowie die abgegebene Aerosolkonzentration $\begin{array}{}{\zeta }_{\mathrm{Aer}}\end{array}$ abhängig von der Sprechaktivität (Sprechanteile und –lautstärke) angegeben werden. Als präventive Maßnahme kann weiterhin das Tragen von Mund-Nasen-Bedeckungen über die Partikelrückhalterate $\begin{array}{}{\mathrm{PR}}_{\mathrm{}}\end{array}$ berücksichtigt werden, welches sich zwar auf die ausgeatmete, nicht aber auf die eingeatmete Aerosolkonzentration auswirkt.

$\begin{array}{}\mathrm{(2) }\frac{\stackrel{‾}{\stackrel{\cdot }{n_{\mathrm{}}}}{}_{\mathrm{Aer}}}{\stackrel{‾}{\stackrel{\cdot }{n_{\mathrm{}}}}{}_{\mathrm{Aer,ref}}}=\frac{\frac{1\mathrm{}}{n\mathrm{}{}_{\mathrm{R}}}\left[\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A,g1}}\cdot {\zeta }_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{Aer,g1}}\cdot n_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g1}}\cdot (1_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{}}-{\mathrm{PR}}_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g1}})+\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A,g2}}\cdot {\zeta }_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{Aer,g2}}\cdot (n_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{R}}-n_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g1}})\cdot (1_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{}}-{\mathrm{PR}}_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g2}})\right]}{\frac{1\mathrm{}}{n\mathrm{}{}_{\mathrm{R,ref}}}\left[\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A,g1,ref}}\cdot {\zeta }_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{Aer,g1,ref}}\cdot n_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g1,ref}}\cdot (1_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{}}-{\mathrm{PR}}_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g1,ref}})+\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A,g2,ref}}\cdot {\zeta }_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{Aer,g2,ref}}\cdot (n_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{R,ref}}-n_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g1,ref}})\cdot (1_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{}}-{\mathrm{PR}}_{\mathrm{}}{}_{\mathrm{g2,ref}})\right]}\end{array}$

Das Risiko, sich durch die Aufnahme von Aerosolen zu infizieren, wird als linear abhängig von der Menge an eingeatmeten Aerosolen angenommen. Zur Berücksichtigung der eingeatmeten Aerosolmenge werden für die Atemvolumenströme $\begin{array}{}\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A}}\end{array}$ bzw. $\begin{array}{}\stackrel{\cdot }{V_{\mathrm{}}}{}_{\mathrm{A,ref}}\end{array}$ in Gleichung (1) nachfolgend aus Konvention die Werte für Gruppe 2 eingesetzt. Das berechnete Infektionsrisiko wird somit immer aus Sicht der Personen in Gruppe 2 betrachtet!

Im Folgenden können zwei Innenraumsituationen hinsichtlich eines relativen Infektionsrisikos miteinander verglichen werden. Es können raumtechnische Parameter wie das Raumvolumen und die Luftwechselrate bzw. Frischluftvolumenstrom (z. B. durch Fensterlüftung oder maschineller Belüftung) sowie die Aufenthaltsdauer in der jeweiligen Raumsitutation eingestellt werden. Zusätzlich zur Belüftung können Luftreiniger im Raum berücksichtigt werden. Dabei kann ein effektiver Frischluftvolumenstrom eingestellt werden. Dieser wird in Luftreinigern typischerweise als „Clean Air Delivery Rate“ (CADR) bezeichnet. Es können außerdem Raumsituationen, wie sie in Müller et al. (2021) [Paper] definiert wurden, als vordefinierte Presets genutzt werden.

Für die personenbezogenen Daten wird die Gesamtanzahl an Anwesenden Personen im Raum in zwei Gruppen eingeteilt, die sich hinsichtlich Anzahl, körperlicher und respiratorischer Aktivität sowie durch das Tragen von Mund-Nasen-Bedeckung unterscheiden können.

Das körperliche Aktivitätslevel der Personen äußert sich durch den Atemvolumenstrom. Je höher dieser ist, desto größer ist die Emission potentiell infizierter Aerosolpartikel, die an die Raumluft abgegeben wird. Ebenso erhöht sich durch den höheren Atemvolumenstrom die Menge eingeatmeter potentiell infizierter Aerosolpartikel.

Die respiratorische Aktivität äußert sich in der Partikelkonzentration der Atemluft und beeinflusst die Emission potentiell infizierter Aerosolpartikel zusätzlich zum Atemvolumenstrom. Das Tragen von Mund-Nasen-Bedeckung kann durch eine Partikelrückhalterate berücksichtigt werden, wodurch die Emission potentiell infizierter Aerosolpartikel reduziert wird. Typischerweise haben Stoffmasken eine Partikelrückhalterate von etwa 50%. Eine Filtration der eingeatmeten Luft wird vernachlässigt.

Die resultierenden Plots zeigen das relative Risiko für eine Variation der Parameter Luftwechselrate und Raumbelegung. Der Verlauf des relativen Risikos wird hier durch einen ampelfarbigen Verlauf dargestellt. Weiterhin sind in dem Diagramm Linien für konstante relative Risiken eingetragen (RR=0,5; RR=1; RR=2).

Durch die Aktivierung des Kästchens „Zeitaufgelöste Betrachtung“ können die zeitlichen Verläufe der CO₂-Konzentrationen und der auf das Referenzszenario bezogenen relativen Aerosolbelastungen sowie die relativen Risiken der beiden Vergleichszenarien bei instationärer Betrachtung berechnet werden. In diesem Fall können instationäre Effekte, wie z. B. Aufkonzentrationseffekte in der Raumluft, betrachtet werden.

Durch die zusätzliche Aktivierung des Kästchens „Intervalllüftung“ können wechselnde Belüftungsintervalle für die instationäre Berechnung, wie z. B. bei regelmäßiger Fensterlüftung, eingestellt werden. Dabei können Dauer und Luftwechsel der jeweiligen Phase individuell eingestellt werden. Die Phase der natürlichen Infiltration entspricht dem Luftwechsel durch Undichtigkeiten in der Gebäudehülle bzw. dem Luftwechsel durch dauerhafte maschinelle Belüftung. In der Phase der aktiven Lüftung können erhöhte Luftwechsel durch kurzzeitige Fensterlüftung berücksichtigt werden.