Vorbemerkung des Verfassers
Was hat Luft mit Design zu tun?

Der Verfasser ist weder Infektiologe noch Spezialist für Aussen- oder Innenluftfragen. Die Idee des dreiteiligen Blogs liegt vielmehr darin, in einer zunehmend unübersichtlicher werdenden Situation um Covid-19 aktuelle Forschungsergebnisse aufzubereiten und sie in einen grösseren Zusammenhang zu bringen. Das gängige Silo-Denken birgt die Gefahr in sich, die Übersicht über eines der aktuell brennendsten Themen zu verlieren. Der Fokus der nachstehenden Überlegungen liegt darin, die Bedeutung von Luft als elementarer Teil eines Gesundungsprozesses zu fokussieren. Diese Überlegungen reihen sich in meine früheren Blogbeiträge ein, welche entsprechende Fragen um Farbe, Lärm und Licht (folgt) beleuchten. Luft ist dabei jenes Element, welches am wenigsten sichtbar ist, dessen Gestaltung dennoch fundamental ist. Auch Luft und deren Behandlung in Luftströmen unterliegen der Gestaltung, was insbesondere für den Heilungsprozess folgenreich ist. Als Ort der Heilung und Genesung kommt der Luftqualität in Spitälern eine geradezu elementare Bedeutung zu. Neben Hygiene und Sicherheit trägt eine punktgenaue Lüftung und Klimatisierung zu einer besseren Raumluftqualität bei, mithin auch zu einer schnelleren Patientengenesung und einer nachgewiesenermassen höheren Mitarbeitendenproduktivität.

Die heute bekannten und wissenschaftlich belegten Zusammenhänge zwischen der Covid-19 Übertragungsrate und schlechter Luft fokussieren wir nachstehend in 3 Teilen:

• Teil 1 behandelt den Zusammenhang zwischen Klimaveränderung und Luftqualität
• Teil 2 fokussiert Luft als eines der 9 Fundamente «gesunder Gebäude»
• Teil 3 geht der Frage nach dem Zusammenhang von Luftqualität und Heilungsprozessen in Spitälern nach.

Die Aussagen sind – wie auch die meisten der zitierten Forschungsprojekte und deren Ergebnisse – vorläufiger Natur und bedürfen laufend wissenschaftlicher Überprüfungen. Sie beanspruchen nicht den Status abschliessender Erkenntnisse, sondern verstehen sich als Denkanstösse.

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Menschliche Atmung und Kohlendioxidgehalt (CO₂) 

Mit seiner Atmung und seinen Ausdünstungen ist der Mensch eine wesentliche Ursache von Verunreinigungen in der Innenraumluft. Der Kohlendioxidgehalt (CO₂) in Innenräumen ist vor allem ein Abbauprodukt der menschlichen Atmung. Der Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Raumluft korreliert mit dem Anstieg der Geruchsintensität menschlicher Ausdünstungen.

Seit 150 Jahren gilt die Konzentration von Kohlendioxid als Indikator für die Luftqualität in Gebäuden. Seit 1858 gilt hierfür der von Pettenkofer vorgeschlagene Richtwert von 1’000 ppm Kohlendioxid.

In genutzten Innenräumen hängt die CO₂ Konzentration ab von:

• Anzahl der Personen im Innenraum
• Raumvolumen
• Aktivität der Innenraumnutzenden
• Zeitdauer, welche die Raumnutzenden im Innenraum verbringen
• Verbrennungsvorgänge im Innenraum
• Luftwechsel bzw. Aussenluftvolumenstrom 

Neben der menschlichen Atmung und Ausdünstung spielen jedoch noch andere Faktoren eine wesentliche Rolle für die Qualität der Luft in Innenräumen.

Kriterien für gesunde Innenräume

Während das Aussenklima von vielen Faktoren beeinflusst wird, welche sich der individuellen Steuerung und Kontrolle entziehen, sind für Innenräume mittlerweile klare Kriterien bekannt.

Nach 40 Jahren wissenschaftlicher Forschung wurden im Harvard-Labor die nachstehenden 9 Kriterien für gesunde Gebäude destilliert:

• Lüftung
• Luftqualität
• Thermische Gesundheit
• Feuchtigkeit
• Stäube und Schädlinge
• Sicherheit und Gefahrenabwehr
• Wasserqualität
• Lärm
• Beleuchtung und Ansichten

Während einige Faktoren wie z. B. bessere Akustik und Beleuchtung evident sind, haben auch andere Faktoren wie Feuchtigkeit, Temperatur, Möbel, Teppichböden und sogar Staub auf die Gesundheit der Mitarbeitenden massive Auswirkungen – nicht nur auf ihre Gesundheit, sondern auch auf ihre Leistungsfähigkeit. (2)

In einer Studie mit jungen Erwachsenen wurde festgestellt, dass jede Abweichung von 1 °F (0,55 °C) von einer optimalen Innentemperatur bereits mit einem Leistungsabfall von 2 % einhergeht. In einer anderen Studie fanden Forschende heraus, dass sich die Leistung der Mitarbeitenden bei vier simulierten Bürotätigkeiten (Texteingabe, Addition, Korrekturlesen und kreatives Denken) um 1,7 % verbessert, wenn man die Rate der in ein Büro eingebrachten Aussenluft verdoppelt. Es ist daher keine Überraschung, dass eine Analyse der Krankenstandsdaten von mehr als 3’000 Arbeitnehmenden in 40 Gebäuden ergab, dass 57 % aller Krankenstände auf schlechte Belüftung zurückzuführen waren.

Werden Räume nach biophilen Gestaltungsprinzipien gestaltet (wozu u. a. die Berücksichtigung obgenannter Kriterien für «gesunde Gebäude» gehört), so weisen die Bewohnenden nachweislich einen niedrigeren Blutdruck, niedrigere Herzfrequenzen und eine bessere Leistung bei Kurzzeitgedächtnistests auf. (3)

Im Rahmen vieler Gebäudesanierungen wurden in jüngerer Vergangenheit die Gebäudehüllen besser gedämmt. In Kombination mit besseren Fenstern weisen heute deshalb viele Gebäude eine hohe Luftdichtigkeit auf. Dadurch entweichen allerdings Wohngifte, die sich in den Innenräumen finden, viel weniger ins Freie. Werden die Innenräume ungenügend belüftet, so steigt die CO₂-Konzentration. Erschwerend hinzu kommen Feuchtigkeitsprobleme und die Bildung von Schimmelpilzen. Ebenso treten manche Wohngifte, die sich in gewissen Materialien oder Möbeln befinden, bei ungenügendem Lüften in höherer Konzentration auf.

Raumluftqualität und Covid-19

Es scheint einen Zusammenhang zu geben zwischen schlechter Luftqualität und schweren Covid-19-Verläufen. Gefährdet sind offensichtlich Menschen, die in schlechter Luft oder in Gebieten mit hoher Feinstaubbelastung leben (siehe Teil 1 dieser Blogserie).

Innenraum- und Aussenklima haben einen entscheidenden Einfluss auf die Infektiösität des Coronavirus, vor allem wenn sie sich in den Wintermonaten wesentlich unterscheiden.

Es zeigte sich, dass bei einer relativen Luftfeuchtigkeit zwischen 20–35 % das Risiko sich mit einem Influenza-A-Virus anzustecken etwa dreimal so hoch ist im Vergleich zu einer mittleren Raumluftfeuchtigkeit von 50 %. Ursachen sind u. a. die schnellere und weitere Verteilung der feinen Tröpfchen sowie die längere Lebensdauer der Viren in zu trockener Luft. (4) 

Zur Physik des Covid-19-Virus

Als Hauptübertragungsweg für das Virus galt lange der direkte Kontakt von Mensch zu Mensch: wenn Infizierte durch Niesen oder Husten Sekret mit Viren abgeben und dieses von anderen Personen über die Nasenschleimhäute aufgenommen wird. Da diese Tropfen relativ gross und schwer sind, können sie nur sehr kurze Strecken in der Luft zurücklegen und sinken in der Regel schnell zu Boden. Die Empfehlung, einen Mindestabstand von 1,5 m bis 2 m einzuhalten (Social Distancing) basiert auf dieser Annahme. 

In letzter Zeit wurden jedoch auch Covid-19-Ausbrüche registriert, die offenbar auf die gleichzeitige Anwesenheit vieler Personen in einem Raum zurückzugehen scheinen (Chorproben, Schlachtbetriebe u. a.). Ein Sicherheitsabstand von 1,5 m reicht dann offenbar nicht mehr aus, wenn sich Infizierte und Gesunde über längere Zeit gemeinsam in einem Raum aufhalten. So konnten niederländische Forschende inzwischen nachweisen, dass winzige Tropfen von 5 Mikrometer Durchmesser – wie sie beim Sprechen entstehen – bis zu 9 Minuten in der Luft schweben können. (5)

Um die Ausbreitung über die in der Luft schwebenden Aerosole einzudämmen, empfehlen die Forschenden neben dem weiteren Tragen von Masken vor allem eine gute Belüftung von Innenräumen.

Aerosole

Mischungen winziger Teilchen in der Luft gelten als Aerosole. Es sind winzig kleine Tröpfchen, die der Mensch beim Ausatmen von sich gibt. Aerosole bestehen vor allem aus Wasser, welches in der Regel rasch verdunstet sowie einem Mix aus Viren und anderen Bestandteilen, welche sich nicht so schnell verflüchtigen (z. B. Speichelmasse). Diese verbleiben in der Luft und verteilen sich im Raum – ähnlich Feinstaub. In Innenräumen können Aerosole Stunden bis Tage verbleiben.

In Aerosolen fanden Forschende nun SARS-CoV-2-Viren, die sich vermehren können. Sie werten das als letzten Beweis dafür, dass Covid-19 über die Luft übertragen werden kann.

Kontaktübertragung, Tröpfcheninfektion – und Aerosole: Wissenschaftler*innen haben bereits wenige Wochen nach dem Corona-Ausbruch in Europa herausgefunden, dass sich das Virus wohl nicht nur durch Tröpfcheninfektion und den direkten Kontakt verbreitet, sondern auch über weite Strecken durch die Luft. Der endgültige Beweis dafür, dass Viren aus der Luft Zellen befallen und sich vermehren können, stand aber noch aus. Diesen – technisch äusserst anspruchsvollen – Nachweis erbrachte nun ein Forscherteam der Universität Florida. Diese haben in Versuchen bestätigt, dass von Corona-Infizierten ausgestossene Aerosole intakte Viruspartikel enthalten können. Das ist eine erste Bestätigung dafür, dass SARS-CoV-2 wahrscheinlich auch über die winzigen, lange in der Luft verbleibenden Schwebeteilchen übertragen werden kann. In Räumen einen Sicherheitsabstand von 1,5 m oder auch 2 m zu wahren, könne mithin ein falsches Gefühl von Sicherheit vermitteln, vermerkt die Studie. (6)

Wie genau das Coronavirus verbreitet wird – ob vor allem über eine Tröpfcheninfektion oder doch eher über Aerosole in der Atemluft ist noch nicht abschliessend geklärt. 

«Für das Corona-Virus scheint sich herauszustellen, dass sowohl Tröpfcheninfektionen als auch die luftgetragene Übertragung, also über Aerosole, relevant sind», sagt Martin Kriegel, Leiter des Hermann-Rietschel-Instituts, TUB Berlin.

Bei einer Tröpfcheninfektion gelangen die Viruspartikel in einem Speicheltröpfchen direkt auf die Schleimhäute eines anderen Menschen. Bei einer luftgetragenen Übertragung gelangen die Viren – gebunden in kleinsten flüssigen Partikeln – in die Atemwege. Für das Verhalten von Viren in der Luft ist die Grösse der Träger-Aerosole entscheidend, aber ebenso das Raumklima, die Luftwechselrate und die Art und Weise, wie gelüftet wird. 

«Grössere Partikel sinken schneller zu Boden. Kleinere Partikel folgen dem Luftstrom und können lange in der Luft verbleiben. (…) Ganz grundsätzlich kann man festhalten, dass bei typischen Luftwechselraten in Wohn- und Bürogebäuden die Erreger über Stunden im Raum verbleiben. Die Sinkgeschwindigkeit und auch die Lufterneuerung dauern sehr lange. Jede Erhöhung der Aussenluftzufuhr ist daher generell sinnvoll», meint Martin Kriegel (7).

Im New England Journal of Medicine hat der Mediziner Matthew Meselson von der Harvard-Universität den Aerosolverdacht erhärtet. Man könne nach einigen Publikationen zur Verweildauer und den Ansteckungsmechanismen des neuen Coronavirus davon ausgehen, «dass Aerosole von infizierten Personen ein Inhalationsrisiko darstellen können», zumindest in geschlossenen Räumen oder schlecht belüfteten Umgebungen. (8)

Die wenigen bisher bekannten Studien weltweit sind sich darin einig, dass Aerosole in der Virenübertragung eine weit grössere Rolle spielen als bisher angenommen wurde. Deshalb wird empfohlen, dass neben Händewaschen auch häufiges Lüften dringend notwendig sei. Dadurch kann die Konzentration an mit Viruspartikeln beladenen Aerosolen tief gehalten werden. Erreichen lässt sich das auch über moderne Belüftungssysteme. Dabei ist es aber essentiell, dass die Luft nicht nur umgewälzt, sondern zu 100 % von aussen zugeführt wird. Andernfalls könnten Klimaanlagen das Problem noch verschärfen, indem sie vorhandene Viren über den ganzen Raum verbreiten.

«Ein Umluft-Klimagerät, welches die Luft nicht reinigt und eher austrocknet, die Luft dazu noch kühlt – das sind alles Faktoren, die eine Aerosol-Übertragung begünstigen», sagt Walter Zingg, Spezialist für Infektionsprävention und Spitalhygiene Hôpitaux universitaires de Genève HUG, Mitglied der wissenschaftlichen Task-Force des Bundesrates. (9)

Luftfeuchtigkeit

Ein weiterer Aspekt, der bisher wenig beachtet wurde und in der nächsten Grippesaison besonders wichtig werden könnte, ist die Luftfeuchtigkeit in Innenräumen. 

Die Ausbreitung des Coronavirus wird nach Angaben eines Forscherteams aus Leipzig und Indien auch von der Luftfeuchtigkeit beeinflusst. In trockenen Räumen kommt es demnach zu einer leichteren Verbreitung.

«Liegt die relative Luftfeuchtigkeit der Raumluft unter 40 %, dann nehmen die von Infizierten ausgestossenen Partikel weniger Wasser auf, bleiben leichter, fliegen weiter durch den Raum und werden eher von Gesunden eingeatmet», erläuterte Ajit Ahlawat vom Institut für Troposphärenforschung (Tropos) in Leipzig. (10)

Die neuen Erkenntnisse sind besonders für die kommende Wintersaison von Bedeutung, wenn sich auf der Nordhalbkugel Millionen Menschen in beheizten Räumen aufhalten werden. Das Erwärmen der Frischluft sorgt auch dafür, dass diese trocknet. In kalten und gemässigten Klimazonen herrscht daher in Innenräumen während der Heizsaison meist ein sehr trockenes Raumklima. Dies könnte die Ausbreitung der Coronaviren fördern.

Fazit 

1. Das Element Luft gehört zu den 9 Fundamenten «gesunder Gebäude».
2. Bei der Übertragung von SARS-CoV-2 über die Luft ist hinreichend wahrscheinlich, dass die Exposition gegenüber dem Virus über die Luft kontrolliert werden sollte. Änderungen des Gebäudebetriebs, einschliesslich des Betriebs von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, können die Exposition über die Luft verringern. 
3. Die Gesundheitseinrichtungen sollten daher umgehend die momentan in den raumlufttechnischen Anlagen eingestellten und real gefahrenen Zu- und Abluftströme prüfen, um sicherzustellen, dass mindestens der Norm entsprechende Luftmengen vorhanden sind. 
4. Umluftkühlgeräte ohne Frischluftzufuhr (auch Ventilatoren) sind deshalb problematisch, weil sie die bestehende Raumluft (und damit potenziell Viren) im gesamten Raum verteilen, umwälzen und keine Frischluft zuführen. Dringend empfohlen wird deshalb das Umschalten von Lüftungsgeräten mit Umluft auf 100 % Aussenluft.

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Anmerkungen

(1) Healthy Buildings

(2) https://svlw.ch/743-gesunde-raeume-das-neue-minimum

(3) Allen J.G., Macomber J.D., Healthy Buildings, How Indoor Space Drive Performance and Productivity, Harvard University Press 2020, (11) ISBN 9780674237971

https://www.hup.harvard.edu/catalog.php?isbn=9780674237971

(4) Quelle: Lowen, A. et al.: PLoS Pathogens (2007) https://doi.org/10.1371/journal.ppat.0030151

(5) https://cordis.europa.eu/article/id/30316-scientists-in-the-netherlands-reveal-3d-structure-of-coronavirus/de

(6) Lednicky J.A., et al. 2020 Viable SARS-CoV-2 in the air of a hospital room with COVID-19 patients https://www.ijidonline.com/article/S1201-9712(20)30739-6/fulltext

(7) https://blogs.tu-berlin.de/hri_sars-cov-2/2020/08/21/dauerlueften-luftfilter-wie-umgehen-mit-den-aerosolen-in-innenraeumen/

(8) https://www.nejm.org/doi/pdf/10.1056/NEJMc2009324?articleTools=true

(9) https://www.srf.ch/news/schweiz/uebertragung-durch-aerosole-klimageraete-verbreiten-coronaviren

(10) Ahlawat, A., Wiedensohler, A. and Mishra, S.K. (2020). An Overview on the Role of Relative Humidity in Airborne Transmission of SARS-CoV-2 in Indoor Environments. Aerosol Air Qual. Res. (in press) DOI: 10.4209/aaqr.2020.06.0302

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