Jeder Mensch atmet ständig Aerosole und CO2 aus. Die Aerosole spielen bei der Infektion mit dem Corona-Virus eine große Rolle, können aber nur schwer gemessen werden. Die CO2-Konzentration in Luft lässt sich hingegen einfach messen und gibt Hinweise nicht nur auf die Qualität der Raumluft sondern auch auf die Aerosol-Konzentration und damit auf ein mögliches Infektionsrisiko.

Beim Ausatmen werden kleinste Partikel freigesetzt, die durch das Vorbeiströmen der Atemluft an der feuchten Rachenwand entstehen. Diese Aerosole verteilen sich schnell gleichmäßig im Raum und können für einen längeren Zeitraum in der Luft schweben. Bei infizierten Menschen, sind die Aerosole mit Corona-Viren belastet, die sich im Rachen befinden. Leider ist nicht genau bekannt, wie groß die Viruslast in den Aerosolen der Atemluft von infizierten Menschen ist, d.h. wie viel Virus pro Sekunde ein infizierter Mensch in Aerosolen ausatmet. 

Der CO2-Anteil in der Atemluft hängt eng mit der Zahl der Aerosole zusammen. Der CO2-Anteil in der ausgeatmeten Luft liegt bei Menschen recht konstant bei 4%, also 40 Milliliter pro Liter Atemluft. Jeder Mensch atmet zwischen 4 l/min in Ruhe und 50 l/min bei großer Anstrengung. Der CO2-Anteil in einem Raum ist ein daher guter Indikator für die geatmete Menge Luft und damit auch für die Anzahl an Aerosolen und er lässt sich einfach messen. 

In einer Risikobewertung von mit Viren beladenen Aerosolen auf der Grundlage der CO2-Konzentration haben Wissenschaftler*innen des Herman-Rietschel-Instituts an der TU Berlin abgeschätzt, nach welchem Zeitraum eine Person, die sich mit einer ansteckenden Person in einem Raum aufhält, eine Grenzkonzentration von 3000 Viren eingeatmet hat. Aus der Influenza-Forschung ist bekannt, dass sich eine Person sehr wahrscheinlich nach der Aufnahme von 3000 Influenza-Viren  angesteckt hat. Diese Zahl ist für die Infektion mit dem Corona-Virus nicht bekannt, die Annahme von 3000 Viren gibt aber einen Eindruck, welche Zeiträume bei Infektionen eine Rolle spielen. In der unten gezeigten Abbildung aus der Publikation lässt sich z.B. ablesen, dass bei einer CO2-Konzentration von 1000 ppm (grüne Kurve), was gerade noch als frische Luft gilt, und einer Emissionsrate der ansteckenden Person von 200 Viren/s nach etwa 23 Minuten die Grenzkonzentration von 3000 aufgenommenen Viren erreicht ist. Dabei wurde angenommen, dass sich sowohl das CO2 als auch die Aerosole gleichmäßig im Raum verteilt haben und sich in jedem Aerosol höchstens ein Virus befindet. base

d on CO2-concentration

Es erscheint sinnvoll, den CO2-Anteil der Raumluft als Hinweis zu nutzen, um in Räumen, an denen mehrere Menschen zusammenkommen, durch Lüften oder Einschränkung der maximalen Personenzahl die Belastung mit Aerosolen und damit das Infektionsrisiko gering zu halten. 

Das Max-Planck Institut für Chemie hat auf einer Web-Seite einen Rechner zum Ansteckungsrisiko durch Aerosole zur Verfügung gestellt, der auch in einem Artikel der Wochenzeitschrift Die Zeit beschrieben wird. 

Ein Model für die CO2-Konzentration in der Raumluft

Ein einfaches Modell für die zeitliche Entwicklung der CO2-Konzentration in einem Raum, das im folgenden beschrieben wird, kann helfen, um die maximale Anzahl von Personen in einem Raum festzulegen oder eine gute Lüftungsstrategie zu entwickeln. 

Vereinfacht hängt die CO2-Konzentration in einem Raum im wesentlichen von der Rate, mit der Menschen CO2 durch Atmung erzeugen, und der Rate, mit der die Raumluft gegen frische Luft ausgetauscht wird, ab. Der Luftaustausch kann über Fenster und Türen oder eine Lüftungsanlage, die Frischluft in den Raum bläst, stattfinden. 

Wenn wir das Volumen des Raumes mit  , die Rate mit der Menschen CO2 durch ihren Atem zuführen mit , den Anteil des Volumens des Raumes, der in einer Zeiteinheit ausgetauscht wird, mit  und die CO2-Konzentration der Frischluft mit ,bezeichnen, dann ergibt sich die zeitliche Änderung, d.h. die Zu- bzw. Annahme der CO2-Konzentration  mit der Zeit zu

\frac{dc}{dt} = -n c + n c_a +\frac{q}{V}

Für den Fall, dass  die CO2-Konzentration zum Zeitpunkt  ist, lässt die obige Gleichung lösen: 

c(t) = \left(c_0 - c_a - \frac{q}{n V}\right) e^{-n t} +  \left(c_a + \frac{q}{n V}\right)

Der Faktor  wird auch als Sättigungskonzentration bezeichnet.

Das Model wurde einer einfachen Excel-Tabelle implementiert, die hier zur Verfügung steht.

Messung der CO2-Konzentration in einem Büro

Nehmen wir als Beispiel einen Raum mit einer Fläche von etwa 20 m2 und einer Raumhöhe von 2,9 m, in dem sich eine Person aufhält, die ruhig arbeitet und etwa 8-11 l/min atmet. Die anfängliche CO2-Konzentration sei 380 ppm. In der Abbildung zeigen die blauen Punkte Messungen der CO2-Konzentration über einen Tag, die schwarze Linie das oben beschriebene Modell und die orangene Linie die Grenzkonzentration für frische Luft von 1000 ppm CO2.

Der Verlauf der CO2-Konzentration während der Messung erklärt sich aus den folgenden Änderungen:

ZeitraumAnzahl PersonenAtemleistung [l/h]LüftungAustauschrate n [h-1]
09:15 - 11:2018 (ruhiges Arbeiten)Fenster und Tür geschlossen0,01
11:20 - 11:5018Zwei Fenster auf Kippe2
11:50 - 13:1500Fenster und Tür geschlossen0,01
13:15 - 13:5018Fenster und Tür geschlossen0,01
13:50 - 15:0018Ein Fenster auf Kippe0,9
15:00 - 17:00111 (Videokonferenz)Ein Fenster offen5

Das Modell beschreibt den Verlauf der CO2-Konzentration recht gut und ermöglicht eine Schätzung der Austauschrate. Bemerkenswert ist, dass bei einer Austauschrate von 2 Raumvolumen pro Stunde (beide Fenster auf Kippe) auch nach einer halben Stunde die CO2-Konzentration gerade mal von etwa 900 ppm auf etwa 600 ppm gefallen ist. Eine Austauschrate von 5 Volumen pro Stunde (offenes Fenster) führt erst nach 15 Minuten zu einem Abfall von etwa 600 ppm auf etwa 400 ppm, der Konzentration der Außenluft.

Eine Vorhersage für die CO2-Konzentration in einem Büro

Damit kann die CO2-Konzentration abgeschätzt werden, die sich ergibt, wenn z.B. zwei Personen ruhig in dem oben beschriebenen Raum arbeiten und die Tür geschlossen, aber die ganze Zeit ein Fenster gekippt ist. Das Ergebnis ist in der Abbildung gezeigt. Nach etwa drei Stunden stellt sich eine konstante CO2-Konzentration von etwa 1200 ppm ein. 

Wenn nach drei Stunden das Fenster für eine halbe Stunde vollständig geöffnet wird, zeigt sich der folgende Verlauf für die CO2-Konzentration im Raum.

Ein gekipptes Fenster und Stoßlüften für 30 Minuten führt nicht zu einer guten Luftqualität in dem Raum.

Das folgende Beispiel zeigt die CO2-Konzentration in dem Raum mit zwei Personen wenn die Fenster geschlossen und jeweils nach 45 Minuten für 15 Minuten beide Fenster geöffnet werden. Um 12 Uhr haben die beiden Personen den Raum für eine Stunde verlassen. Die Fenster waren während der Mittagspause geschlossen.

 

Auch in diesem, im Herbst und Winter nur schwer umsetzbaren Szenario kann keine gute Raumluft eingestellt werden. Es zeigt sich, dass ein Raum mit einer Fläche von 20 m2 zu klein ist, um im Herbst und Winter eine akzeptable Raumluft einzustellen. Sicherlich wird sich die Situation bei geöffneter Tür anders darstellen. 

CO2-Überwachung im Institut

Die Abbildung zeigt die CO2-Überwachung im Institut, die über die interne Web-Seite hier abgerufen werden kann.

Zusammenfassung

Die Messung der CO2-Konzentration kann im kommenden Herbst und Winter eine Hilfe sein, um hohe Konzentrationen von Aerosolen in Räumen oder Fluren zu verhindern und damit mögliche Infektionsrisiken zu minimieren. Aber auch ohne Corona-Virus ist die Messung der CO2-Konzentration eine Hilfe, um daran erinnert zu werden, für frische Luft in den Räumen und Fluren des Instituts zu sorgen.