Sicherheit in Sportstätten hat durch Covid-19 eine neue Bedeutung erhalten. Ein Beitrag zum Infektionsschutz mit UV-C Technik von Martin Sembach, Director Strategic Business Development bei der GoGaS Goch GmbH & Co. KG.
Sicherheit, Zuverlässigkeit und Komfort gehören neben den Sportereignissen selbst weltweit zu den Grundbedürfnissen und Erwartung von Stadionbesuchern. Im Jahr 2020 kam insbesondere dem Begriff Sicherheit und den damit verbundenen Herausforderungen durch SARS CoV-2 eine noch größere Bedeutung zu.
So berichtete das Ärzteblatt in seiner Ausgabe vom 2. September 2020 darüber, wie es bei einer Reisegruppe in Hangzhou, China, Anfang 2020 zu einem so genannten Super Spreader Ereignis kam. Die Gruppe war auf zwei Busse aufgeteilt. Im ersten infizierten sich laut Ärzteblatt während einer etwa 50-minütigen Fahrt ca. 35 % der Reisenden, im zweiten Bus kein einziger Passagier. Beim ersten war die Klimaanlage außer Betrieb. Den nun vorliegenden Erkenntnissen einer Untersuchung und Studie von JAMA Intern Med. 2020;180(12) zufolge geht die Verbreitung im ersten Bus genau auf dieses Manko zurück.
UV-C Desinfektion mit einer Wellenlänge von 254nm.
Bild: GoGaS
Dieser Beitrag zeigt, basierend auf dieser Erfahrung, die sich im Übrigen recht leicht auf praktisch alle Räumlichkeiten in Stadien, Arenen und Sportstätten mit großer Menschendichte übertragen lässt, Möglichkeiten für einen besseren Schutz von Besuchern und Personal, durch den Einsatz validierter Techniken für die Raumluftdesinfektion auf. Zum Einsatz kommt dabei die seit mehr als 100 Jahren in der Medizin-, Lebensmittel-, Pharma- und Elektrobranche, erfolgreich angewandte UV-C Technologie.
Allgemeines Verständnis zur Luftzirkulation in Räumen
Im Allgemeinen werden Belüftung und Klimatisierung in Gebäuden zentral gesteuert. Lokal erfolgt lediglich die Feineinstellung nach den aktuellen individuellen Bedürfnissen. Dies bedeutet auch, dass, abgesehen von diesen lokalen Einstellungen, viele Luftströmungen vorbestimmt sind. Besucher und Personal haben in der Regel keinen direkten Einfluss darauf, und dies ist auch nicht gewollt. Verändert der Betreiber oder auch Sensoren diese Einstellungen von Belüftung bzw. Klimatisierung, so hat dies direkten Einfluss auf alle Personen im Gebäude. Genau hier liegt eines der zentralen Probleme im Kampf gegen infektiöse Erreger in der Raumluft, nicht nur in Bezug auf SARS-CoV-2. Im Falle infizierter Personen im Gebäude werden bei einer zentralen Steuerung pathogene Erreger, hier Aerosole, im schlimmsten Fall praktisch über alle Personen hinweg in den Räumen verteilt.
Dasselbe Problem besteht, wenn Desinfektionsmodule, unabhängig welcher Technik, einfach in vorhandene Lüftungsanlagen in Gebäuden nachgerüstet werden, auch wenn dies zunächst eine sinnvolle Variante zu sein scheint. Ein wesentlich besserer Schutz vor infektiösen Erregern lässt sich mit Bausteinen erreichen, bei denen die Lüftungs- und Klimaanlage sowie die Raumluftdesinfektion getrennte Kreisläufe haben. Noch weiter optimiert kann dieser Schutz werden, indem man diesen zweiten Luftkreislauf über das Gebäude und einzelne größere Räume hinweg nochmal aufteilt und somit getrennte laminare Luftkreisläufe erzeugt, die sich nicht direkt vermischen können. Je klarer diese Kreisläufe getrennt sind, desto besser der Schutz. Ideal wäre es also, die infektiöse Luft direkt am Besucher und dem Personal abzugreifen und zu eliminieren.
Die Energiedichte für die Zerstörung von SARS-CoV-2.
Bild: GoGaS
Unterschiedliche Ansätze der Raumluftdesinfektion in Gebäuden
Eine Sprühnebeldesinfektion, gleich welcher Art, lassen wir bei dieser Betrachtung im Sinne der erforderlichen Nachhaltigkeit sowie der Korrosionsgefahr außen vor, da diese keine wirklich dauerhafte Alternative darstellt. Derartige Wisch- oder Sprühverfahren greifen auf Dauer nicht nur sämtliche Oberflächen in Ihrer Beschaffenheit, Struktur und Farbechtheit an, sie müssen auch, was der Laie oft nicht weiß, je nach Hartnäckigkeit der Erreger immer wieder neu dosiert und gemischt werden. Pathogene Erreger haben die Fähigkeit ihre Resistenzeigenschaften zu verändern, um sich besser zu tarnen. Hier spricht man auch von einer Mutation. Ein weiteres Problem ist das Eindringen von Dämpfen und sonstiger chemischer Verflüchtigungen in praktisch alle Poren und Öffnungen. Beim Eindringen in sensible mechanische und elektronische Geräte kann dies zur Korrosion und gefährlichen Systemausfällen führen. Die Anwendung und das Ergebnis selbst hängen darüber hinaus von der Ausführungsqualität des Personals und der verfügbaren Zeit ab. Nicht zuletzt lässt sich diese Methode nicht im laufenden Betrieb mit Besuchern vor Ort anwenden.
Verfügbare Methoden für die Raumluftdesinfektion in Gebäuden
Als mögliche Alternativen stehen in der Praxis primär zwei unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Beide sind seit über 70 Jahren im Einsatz, jedoch mit unterschiedlicher Entstehungsgeschichte und Zielvorgaben. Damit ergibt sich eine ebenso unterschiedliche Gesamtbilanz für Investition, Nachhaltigkeit, Sicherheit, Zuverlässigkeit, Folgekosten sowie dem Wirkungsnachweis im Gesamtsystem.
Filtertechnik
Die jüngere Technik stellen dabei so genannte HEPA-Filter dar. Diese Technik entstand im Wesentlichen in den 40er und 50er Jahren des vergangenen Jahrhunderts mit dem Ziel der Ausfilterung von Trockenpartikeln, z. B. in Reinräumen, jedoch nicht als validierbares, sprich exakt mess- sowie präzise reproduzierbarem Desinfektionswerkzeug. Mit der Optimierung dieser Technik und der Verfügbarkeit so genannter H13- und H14-Filter wurde diese Technik in den letzten Jahrzehnten weiter optimiert. So lassen sich in der Zwischenzeit damit auch eine Vielzahl von Aerosolen ausfiltern, aber eben nicht alle in gleichbleibender Konstanz und definierter Form. Dies gilt auch im Dauerbetrieb. Diese Problematik macht es letztlich extrem schwierig, eine fundierte wissenschaftliche- und medizinische Validierung der Leistungsfähigkeit nach Medizin- und Desinfektionsstandards durchzuführen. Wie der Begriff selbst bereits sagt, handelt es sich um Filter. Dies ist herstellerunabhängig einer der Gründe, warum derartige Filter über Jahrzehnte oft nur in Anlagen mit gesichertem Zugang und Betreuung durch geschultes Fachpersonal wie in Flugzeugen oder dem Anlagenbau zur Anwendung kamen. Verbraucher-Anwendungen wie in Haushaltsgeräten, z. B. Staubsaugern, können hier unberücksichtigt bleiben, da es sich hierbei um Randgebiete der Einsatzmöglichkeiten handelt.
Wirkungsnachweis nach LOG Stufen.
Bild: GoGaS
Eine weitere Herausforderung bei dieser Methode sind potenziell toxisch belastete Wechselfilter während des Betriebs sowie am Ende der Nutzungsdauer. Da diese Technik, wie der Begriff bereits sagt, Partikel filtert und nicht eliminiert oder zerstört, verbleiben die Reststoffe letztlich im Filter. Über einen typischen Nutzungszeitraum von 6 Monaten, bei schwankenden Raumtemperaturen und sich stets verändernder Luftfeuchtigkeit, ist es auch für den Laien sehr einfach nachvollziehbar, welche Risiken der toxischen Belastung hier entstehen können. Derartig belastete Filter sind daher genau genommen Sondermüll und sollten unbedingt fachmännisch gewechselt und entsorgt werden. Daher kann jeder, der schon selbst einen Staubsaugerbeutel und Filter gewechselt hat die Problematik sofort verstehen.
Somit sollte auch hier unmissverständlich Klarheit darüber herrschen, dass Raumluftreiniger, die derartige Filter verwenden, durch geschultes und erfahrenes Fachpersonal überwacht und gewartet werden sollten. Dies gilt auch für das Tragen entsprechender Schutzausrüstung beim Filterwechsel sowie Reparatur- und Wartungsarbeiten. Hier können sich Partikel lösen, in die Lunge eindringen und damit massive Gesundheitsschäden verursachen. Ungeschultes und nicht entsprechend geschütztes Personal sollte derartige Tätigkeiten nicht ausüben. Unabhängig von Funktion und Wirkung wirft dieses Verfahren zahlreiche Fragen zur Nachhaltigkeit und Umweltfreundlichkeit im 21. Jahrhundert auf.
UV-C Wellen
Eines der weltweit am häufigsten untersuchten Verfahren ist als UV-C Desinfektion mit einer Wellenlänge von 254 nm bekannt. UV-C arbeitet komplett chemiefrei und benötigt keine Wechselfilter. Dieses Verfahren, das seine ursprüngliche Anwendung vor mehr als hundert Jahren im Kampf gegen die Tuberkulose fand, ist in der Zwischenzeit weltweit das bevorzugte Verfahren bei einer Vielzahl von Anwendungen, bei der der validierte Nachweis der Desinfektion zwingend erforderlich und gleichzeitig der Einsatz chemischer Stoffe nicht zulässig ist.
Dazu gehören, der breiten Öffentlichkeit nicht bekannt, Anwendungen in Wasserwerken, der Lebensmittel- und Pharmabranche und der Elektroindustrie. Global betrachtet ist diese Methode auch im Gesundheitswesen seit vielen Jahrzehnten flächendeckend sehr erfolgreich im Einsatz, auch in Deutschland. Erfahrene Anwender zeigen sich daher immer wieder über Ankündigungen verwundert, dass diese Wirksamkeit mit neuen Studien nachgewiesen werden soll. An dieser Stelle sei erwähnt, dass sich auch die Europäische Kommission für den flächendeckenden Einsatz validierter UV-C Systeme entschieden hat.
Worauf es ankommt
Wie so oft, gilt es auch hier ein paar grundsätzliche physikalische Fakten zu beachten, um beim Einsatz der Technik auch den erforderlichen Wirkungsnachweis nach anerkannten medizinischen Standards, LOG-Stufen, zu gewährleisten. UV-C Wellen werden von der Sonne abgestrahlt. Anders als A/B-Wellen jedoch von der Erdatmosphäre komplett ausgefiltert, dringen also nicht bin zu uns durch. Im Ergebnis bedeutet dies, vereinfacht ausgedrückt, dass sich pathogene Erreger im Laufe der Evolution nicht dagegen wehren mussten und somit keine Resistenzen entwickelt haben. Um genau diesen Vorteil im Kampf gegen pathogene Erreger zu nutzen wird die Wellenlänge mittels so genannter UV-C Lampen künstlich erzeugt, die Erreger damit bestrahlt (UV-C Strahlung) und deren DNS-Struktur nachhaltig zerstört. Im Vergleich zur chemischen Desinfektion können sich diese anschließend nicht mehr selbst reaktivieren oder vermehren. Für einen validierten Desinfektionsnachweis ist dabei das Zusammenspiel einiger grundsätzlicher Faktoren, wie z. B. die präzise modulierte Wellenlänge der Strahlung auf 254nm, dem so genannten Sweetspot entscheidend.
Je weiter von diesem Idealpunkt abgewichen wird, desto höher der Aufwand und geringer die Wirkung selbst. Dazu kommt die erforderliche Energiedichte der eingesetzten Lampen. Den besten Wirkungsgrad haben industrielle UV-C Lampen, deren Wirkungsgrad typischerweise um die 30 % beträgt. Empfohlen sind mindestens 25 %, bezogen auf den Sweetspot. Zum Vergleich: Sogenannte Consumer-Lampen (hier handelt es sich meist um B-Ware der Hersteller) haben einen Wirkungsgrad von gerade mal 12 – 15%, LED-Chips liegen aktuell bei ca. 10 %. Dazu kommen weitere wichtige Eigenschaften der jeweiligen Lampe, wie die Photonendichte, der maximale Temperaturbereich und die Stabilität bei der Ansteuerung (Vorwärmphase). Sind diese Parameter nicht präzise aufeinander abgestimmt, lässt sich keine verlässliche und dauerhafte Desinfektionswirkung erzielen (validieren).
Für den praktischen Betrieb kommen dann noch Abstand und Strahlungsdauer sowie die laminare Strömungsgeschwindigkeit und Dichte der Raumluft hinzu. Diese Parameter verdeutlichen bereits, wie zwingend erforderlich die finale digitale Validierung der tatsächlichen Desinfektionsleistung des Gerätes ist. Zu oft wird diese fälschlicherweise 1:1 aus dem Datenblatt der Lampe abgeleitet. Die Lampenwerte selbst haben jedoch keinerlei Aussagekraft über den Wirkungsgrad im praktischen Betrieb. Die erforderliche Energiedichte für die Zerstörung von SARS-CoV-2 ist in beigefügter Tabelle dargestellt.
Angaben in Datenblättern entsprechender UV-C-Lampen wie 99,9 % Desinfektion von Erregern, dürfen auf keinen Fall direkt übernommen werden und beziehen sich lediglich auf grundsätzliche Möglichkeiten des verwendeten Bauteils. Diese klare Angabe fehlt leider in fast allen Geräteangaben, ist nicht nur irreführend und kann hoch gefährlich sein.
Korrekt aufgebaut soll die UV-C Technik hervorragende Möglichkeiten bieten, die Raumluft in Stadien, Arenen und Sportstätten zuverlässig, digital validiert zu desinfizieren.
Bild: GoGaS
Abschirmung und Schutz nach Außen
Werden all diese Parameter berücksichtigt, ist es zuletzt erforderlich, eine Abstrahlung der UV-C Wellen nach außen zu verhindern sowie die Rückspeisung von Verschmutzungen in das Stromnetz zu vermeiden. Man nenn dies auch EMV (Elektromagnetische Abschirmung). Die erzeugten UV-C-Wellen (das sichtbare Licht ist letztlich nur eine Nebenerscheinung), dürfen nicht nach Außen gelangen, wenn sich im direkten Umfeld Menschen aufhalten. Der Begriff UVC-Licht ist in letzter Konsequenz falsch. Der Mensch verfügt über keinen ausreichenden natürlichen Schutz gegenüber UV-C-Wellen. Eine sichere Abschirmung nach geltenden EMV-Standards und Vorschriften lässt sich durch zertifizierte Auskleidungen innerhalb der Geräte sicherstellen. Für den Schutz des Stromnetzes werden in die Stromversorgung der Geräte entsprechende EVM-Filter nach Klasse B eingebaut. Damit ist ein sicherer Betrieb zu jeder Zeit, gewährleistet. Es besteht keinerlei Gefahr für Menschen, Tiere und Pflanzen im Umfeld beim praktischen Betrieb.
Wie beschrieben, können die Angaben zur Desinfektionsleistung der verwendeten Lampen die allgemein mit 99,99% angegeben wird, auf keinen Fall 1:1 in das fertige Gerät übernommen werden. Vielmehr spiegeln diese Angaben, lediglich physikalische und funktionale Eigenschaften, sowie Möglichkeiten der Lampen als Bauteil. So geben zahlreiche Hersteller in ihren Unterlagen der Ebene 3 an, dass Geräte in Ihrer Gesamtleistung, selbst bei einem dauerhaften 5- bis 6-fachen Luftwechsel in Summe oft nur 55 – 65% infektiöser Aerosole abtöten – jedoch ohne den Nachweis zu erbringen, welche Art infektiöser Aerosole damit wirklich gemeint sind. Leider finden sich solche Angaben nicht in Marketing- oder allgemein veröffentlichten Datenblättern, die einen Wirkungsgrad von 99,9% suggerieren.
Die Ruhruniversität Bochum (RUB) konnte bei ihren Untersuchungen zur Luftkeimvalidierung in Q4/2020 anhand getesteter Geräte und normiertem Testaufbau in umfangreichen Tests nachweisen, dass sich bei Geräten, die vorab als Gesamtsystem digital validiert wurden und die abgestimmte Umsetzung der im Abschnitt „worauf es ankommt“ beschriebenen Punkte erfüllen, selbst bei einem Luftwechsel von <1, schon nach kurzer Betriebsdauer eine Gesamtreduktion infektiöser Erreger von 70 % über alle Bereiche hinweg erzielen lässt. Für den Dauerbetrieb lassen sich damit die höchsten Werte erzielen. Wichtig ist hier unbedingt auch das Verständnis zu Vervielfältigungs- und Reproduktionsraten von pathogenen Erregern und wie man hier ein Gesamtergebnis berechnet.
Auch dieses Wissen ist bei vielen Anbietern von Geräten zur Raumluftdesinfektion leider nur ungenügend vorhanden. Erreicht man z. B. mit einem validierten Gerät auf Systemebene einen Desinfektionsgrad von z. B. 70% über alle pathogenen Erreger hinweg, so kann man dies wissenschaftlich validiert hochrechnen auf einen Gesamtdesinfektionsgrad von 94 % und mehr. Derart validierte Geräte desinfizieren die Raumluft in Summe, also Viren, Bakterien, Keime und Pilze. Im Ergebnis ist es daher wichtig zu verstehen, um welchen Grad sich die Gesamtinfektion der Raumluft reduzieren lässt, um eine Reproduktion und Verbreitung zu verhindern. Spätestens jetzt versteht auch der Laie, dass pauschale Angaben wie 99,9 % nicht ernst zu nehmen sind.
Raumluftdesinfektion mit UV-C in Stadien, Arenen und Sportstätten
Korrekt aufgebaut bietet die UV-C Technik hervorragende Möglichkeiten, die Raumluft in Stadien, Arenen und Sportstätten zuverlässig, digital validiert zu desinfizieren und dabei komplett auf den Einsatz von Chemie zu verzichten. Bei der Umsetzung stellt sich hier eine weitere Frage: zentral oder dezentral? Diese lässt sich ebenfalls recht leicht beantworten.
Zunächst sollte bei einer Raumluftdesinfektion immer darauf geachtet werden, unkontrollierte Luftströmungen unter Kontrolle zu bringen und wenn möglich in kleinere Einheiten aufzuteilen. Ziel dabei ist es, infektiöse Aerosole möglichst in dem Moment abzufangen, in dem sie in den Kreislauf eindringen. Durch eine Unterteilung in kleine Strömungseinheiten wird das Risiko der unkontrollierten Verbreitung deutlich reduziert. Bringt man die so aufgeteilten Strömungen dann noch dazu sich laminar zu bewegen, also ohne Strömungsabrisse, unkontrolliertes Wabern bzw. diffuses strömen, bleiben die Wege der Aerosole leichter unter Kontrolle. Dieses Prinzip wird auch bei der energetischen Beheizung, Belüftung und Klimatisierung und Technischer Gebäudeausstattung (TGA) großer Hallen und Gebäude angewandt.
Mit der richtigen UV-C Technik kann beim Desinfizieren der Raumluft in Sportstätten komplett auf den Einsatz von Chemie verzichtet werden.
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Zentraler Einbau
Eine scheinbar naheliegende Methode in Gebäuden ist der Einbau von UV-C Modulen in die zentrale Lüftungs- und Klimaanlage, gleich ob Neu- oder Bestandsimmobile. Hierbei gelten jedoch die oben beschriebenen Probleme und Schwierigkeiten, insbesondere des validierten Nachweises im Betrieb. Bei einem zentralen System wird die Raumluft des Gebäudes über die Lüftungs-, bzw. Klimaanlage geführt, in der Regel ergibt sich daraus ein einziger großer, jedoch zerklüfteter Kreislauf. Wird diese Anlage jedoch von Hand oder Sensoren nachgeregelt, z. B. wärmer, kälter sowie mehr oder weniger Luftzufuhr, also scheinbar ganz im Sinne von Besucher und Personal, verändert sich damit gleichzeitig die Strömungsdichte und Geschwindigkeit, mit der die Luft aus den Räumlichkeiten an der UV-C Strecke vorbei strömt. Damit ist die Validierung dahin. Daraus können sich große Abweichungen in der tatsächlichen Desinfektionsleistung ergeben, ergo, ein erheblich reduzierter Sicherheitsfaktor für alle Personen in den Räumlichkeiten.
Ein weiteres ungelöstes Problem bei Bestandsimmobilien ergibt sich aus dem Einbau eines UV-C-Nachrüstsatzes. Dieser verändert immer die von den Ausrüstern berechneten Luftströmungen der Anlage, was dazu führen kann, dass diese nicht mehr so zuverlässig funktioniert wie vor dem Einbau und ständig nachgeregelt werden muss, im schlimmsten Fall die Betriebserlaubnis, Garantie und Gewährleistung erlischt, oder auch eine neue brandschutztechnische Abnahme erfolgen muss. Je nach Dimensionierung erfordert dies auch eine bautechnische Nachtragsgenehmigung oder den kompletten Austausch der Steuerung.
Dezentraler Einbau, getrennteStrömungskreisläufe, modulare Erweiterung
Zu den UV-C-Geräten, die von der RUB getestet wurden, gehört auch die INTERsens-Baureihe von GoGaS. Diese setzt auf getrennte Strömungskreisläufe sowie einen dezentralen Einsatz außerhalb der vorhandenen Lüftungs- und Klimaanlage in Gebäuden. Wichtig sind entkoppelte Strömungskreisläufe in den jeweiligen Räumlichkeiten wie z. B. Gastronomie, Lounges, VIP Bereiche, Aufzüge, Sanitärbereiche, Umkleide- und Sammelräume, Pressebereiche, Büros- und Verwaltung usw. Je nach Größe der Räume kommen damit medizinisch validierte Geräte mit einem Volumen von 25 – 50 m3 (Aufzüge) bis 1000m3 (Foyers usw.) zum Einsatz.
Neben der validierten und sicheren Funktion der Geräte selbst lassen sich diese übrigens auch mit einem individuellen Mesh-Bezug bespannen, der auch für QR-Codes geeignet ist. Damit lassen sich nicht nur zusätzliche Einnahmen erzielen. Mit der individuellen Gestaltung der Bezüge und aufgedruckter QR-Codes erreichen damit auch Botschaften wie Image, CI und Werbung plus wichtige Sicherheitsinformationen und Hinweise punktgenau den Empfänger. Damit lässt sich ein validierter 24/7-Betrieb sicherstellen. Bei größeren Räumlichkeiten werden einfach weitere Module hinzugefügt. So bleiben die Strömungskreisläufe zuverlässig getrennt und die validierte Desinfektionsleistung sichergestellt.
Zusammenfassung
Schutz und Sicherheit von Besuchern und Personal in Stadien, Arenen und Sportstätten haben mit SARS CoV2 eine neue Bedeutung gewonnen. Der Run auf UV-C sowie die leichte Verfügbarkeit entsprechender Lampen hat eine Schwemme nicht validierter Geräte und Systeme hervorgebracht. Dennoch gilt die UV-C-Technik seit vielen Jahrzehnten als zuverlässig und vor allem als chemiefrei und umweltfreundlich. Eine digitale Gesamtvalidierung der Geräte ist dabei ebenso unerlässlich wie Strömungskenntnisse der Raumluft und industrielle Erfahrung in der Handhabung magnetischer Wellen. Die sichere und validierte Anwendung der UV-C Strahlung für die Raumluftdesinfektion muss 24 Stunden, 7 Tage die Woche gewährleistet sein. Die Sicherheit darf weder durch unkontrollierte Luftströmungen noch durch Eingriffe des Personals gefährdet werden. (Stadionwelt, 08.03.2021)
