Benutzer:Lichtsteuerung/UV-C: Luftdesinfektion

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UV-C Luftdesinfektion ist ein Verfahren zur Entkeimung der Raumluft mittels spezieller UV-C-Strahlung. Hierbei wird die mit Keimen kontaminierte Luft mit einer UV-C-Strahlung solange bestrahlt, bis der gewünschte Grad der Desinfektion erreicht wurde.

UV-C Strahlung

UV-C ist spezieller Teil des elektromagnetischen Spektrums, gemäß CIE-Klassifikation, der sich zwischen dem Bereich der Röntgenstrahlung und dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektrums des Lichts befindet. Der Spektralbereich der UV-Strahlung liegt definitionsgemäß zwischen 100 und 400 Nanometern (1 nm = 10^-9 m). Er ist für das menschliche Auge unsichtbar.

Natürlich wird die UV-C-Strahlung von der Sonne erzeugt, erreicht aber nicht die Erdoberfläche, da es im Gegensatz zu UV-A und UV-B die Erdatmosphäre nicht durchdringen kann. Dies bedeutet, dass alle auf der Erdoberfläche messbaren UV-C-Strahlungen künstlich erzeugt werden.

Technisch gesehen wird künstliche UV-C-Strahlung mit Hilfe von Strahlern erzeugt. Im Sprachgebrauch und auf den Seiten der Hersteller wird jedoch auch häufig die Bezeichnung (UV-C-)Lampe verwendet. UV-C LED-Lösungen sind zwar verfügbar, jedoch aufgrund ihrer sehr geringen Effizienz nur in Kleinst- bzw. Consumer-Anwendungen nutzbar. Darüber hinaus entsteht UV-C-Strahlung bei anderen technischen Prozessen, wie beispielsweise beim Schweißen.

Funktionsprinzip

Es ist erwiesen, dass Wellenlängen im photobiologischen ultravioletten Spektralbereich - also UV-C - Bakterien, Sporen und Viren (Keime) inaktivieren. Die Höchstleistung der zur Desinfektion genutzten UV-C-Lampen (253,7 nm) liegt nahe (80-85 %) an der maximalen Wirksamkeit von UV-C (265 nm). Diese, häufig als 254 nm-Technologie bezeichnete Strahlung, wird mindestens seit Anfang der 1930er Jahre zu Desinfektionszwecken erforscht. Bekannt ist hier die Forschung von William F. Wells.

Erste Erfahrungen wurden auch mit UV-C-Lampen gemacht, die mit einer Wellenlänge von 222 nm arbeiten. Jedoch liegen hier nur keine Studien in Bezug auf Luftdesinfektion vor. Das Wirkungsprinzip ist bei allen zur Desinfektion genutzten UV-C Strahlungen identisch.

Keime können durch physikalische, biologische und chemische Methoden zerstört oder beseitigt werden. UV-C arbeitet mit einem photolytischen Effekt, wobei die Strahlung den Mikroorganismus inaktiviert. Die UV-C-Strahlung schädigt das Erbgut, also die RNA oder DNA, der Keime, so dass sie sich nicht mehr vermehren können.

Jeder Keim hat eine eigene Robustheit gegenüber spezifischen UV-C-Strahlungen, diese wird typischerweise als D90 bzw. log1-Wert angegeben. Dies bedeutet die D90-Dosis reicht aus um 90% des spezifischen Keims zu inaktivieren.

Die notwendige Dosis ist nur Abhängig vom zu inaktivierenden Keim, sondern auch von der Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit, sowie dem Zustand des Keims. Keime in der Luft (z.B. Aerosole) sind also anders Robust als Keime auf Oberflächen oder im Wasser.

Alle bisher getesteten Bakterien und Viren sprechen auf die UV-C-Desinfektion an. Und das waren viele hundert im Laufe der Jahre, darunter auch verschiedene Coronaviren. Daher eignet sich UV-C-Strahlung zur Erweiterung der bestehenden Hygienekonzepte und kann im Kampf gegen COVID-19, Influenza oder auch Tuberkulose eingesetzt werden.

Definitionen

Desinfektion

ACH (Air CHange per Hour)

Wird die Raumluft innerhalb einer Stunde einmal durch Frischluft von Außen ersetzt, so ergibt sich eine Desinfektion von 63,2%. Jeder weitere Luftwechsel in der selben Stunden führt zu einer 63,2%igen Verbesserung. Dies gilt nur wenn tatsächlich alle Luftteile innerhalb einer Stunde einmal ausgetauscht wurden, also bei einem Luftaustauschwirkungsgrad von 100%.

Übersicht der Desinfektionswirkung in einem Raum bezogen auf unterschiedliche ACH-Raten bei einem perfektem Luftaustausch (η=1)

ACH	Desinfektionswirkung nach einer Stunde in %
1	63,2
2	86,5
3	95,0
4	98,2
6	99,75
12	99,994

eqACH (equivalent Air Change per Hour)

Wird die Kontamination der Raumluft um 63,2% reduziert ohne dabei tatsächlich die Raumluft gegen Frischluft zu wechseln, spricht man von einem äquivalenten ACH, kurz eqACH oder eACH.

Übersicht der Desinfektionswirkung in einem Raum bezogen auf unterschiedliche eqACH-Raten bei einem perfektem Luftaustausch (VE=1)

eqACH	Desinfektionswirkung nach einer Stunde in %
1	63,2
2	86,5
3	95,0
4	98,2
6	99,75
12	99,994

Abtötungsrate

Während man bei Filtersystemen die Wirkung über die Partikelgröße ableitet, muss bei UV-C-Systemen dies individuell pro Keim erfolgen. Um das ganze Thema etwas einfacher zu gestalten, kann man einen spezifischen Keim Betrachten, wie beispielsweise das SARS-CoV-2-Virus, oder man betrachtet einen "worst-case"-Keim, wie beispielsweise das Tuberculose Bakterium. Dabei muss man wissen, dass Bakterien im Durchschnitt deutlich resistenter gegen UV-C-Strahlung sind als Viren. Dies bedeutet also, dass bei einer guten Wirkung gegen Bakterien, die Wirkung gegen Viren noch besser sein wird.

Die Abtötungsrate wird bei aktiven Luftdesinfektionsgeräten für eine Einmalpassage der Luft durch das Gerät bemessen, bei passiven Lösungen allgemein über eine definierte Betrachtungsdauer. In beiden Fällen wird diese Effizienz dann als "log"-Wert angegeben. Log 1 bedeutet dabei, dass die Wirkung ≥90 % ist. Das Maximum ist bei log 9 erreicht, was dann für ≥99,9999999 % bedeutet. Technisch sind Keime bei log 9 nicht mehr in der Luft nachweisbar.

Abtötungsrate am Gerät

log	Effizienz in %
1	90
2	99
3	99,9
4	99,99
5	99,999
9	99,9999999

CADR

CADR, beschreibt den Abscheidungsgrad von Partikeln in der Luft, in Abhängigkeit von der Partikelgröße. Der CADR-Wert gibt die Reinigungsleistung eines Systems mit Filtern an, ohne eine eventuell kombinierte UV-C-Strahlung zu berücksichtigen. Es gibt 3 verschiedene CADR-Werte, in der Praxis wird jedoch nur ein Wert genannt.

HADR

HADR, beschreibt den Inaktivierungsgrad von Partikeln in der Luft. Der HADR-Wert gibt die Reinigungsleistung eines Systems mit UV-C-Strahlung an, ohne eventuell verbaute Filter zu berücksichtigen. Eine Publikation, die diesen Wert definiert, wird in Kürze erwartet.

UV-C-Strahlung

Dosis

Die Dosis wird als Strahlungsleistung über die Zeit definiert.:

Dosis [Jm^-2] = Strahlungsleistung [Wm^-2] x Zeit [s]

Lüftungstechnik

Luftaustauschwirkungsgrad

Die Lüftungseffizienz einer RLT-Anlage kann alternativ auch als Luftaustauschwirkungsgrad angegeben werden. Diese Beschreibung der Güte des Luftaustausches ermöglicht eine sehr einfache und schnell Berechnung des eqACH. Dabei wird ein Wert zwischen 1 (100%) und 0 (0%) angegeben. Ist der Luftaustauschwirkungsgrad η = 0,5 bedeutet dies, das obwohl die gesamte Menge der Raumluft getauscht wurden, effektiv noch 50% der vorher vorhandenen Luftteilchen weiter im Raum verblieben sind. Es wären also zwei Luftwechsel notwendig, damit tatsächlich alle Luftpartikel im Raum mindestens einmal ersetzt wurden.

Luftaustauschwirkungsgrade bei unterschiedlichen Systemen

ideale Verdrängungsströmung: η = 1,0

Praktisch realisierbare Verdrängungsströmung: η = 0,5 - 1,0

ideale Mischströmung: η = 0,5

Praktisch realisierbare Kurzschlussströmung: η = 0,5 - 0

Wirkung

Für die Luftdesinfektion ist die Betrachtungsweise der Desinfektion sehr wichtig. Man unterscheidet zwischen Desinfektionswirkung am Gerät und im Raum.

Die Desinfektionswirkung am Gerät ist dabei in der Regel sehr hoch, dies sagt jedoch sehr wenig über die Wirkung im Raum aus. Für die Betrachtung im Raum gibt es, abhängig von der eingesetzten Luftreinigungs-Technologie, unterschiedliche Werte, die nur schwer miteinander vergleichbar.

Zur Betrachtung von Krankheitserregern, also insbesondere Bakterien und Viren, im Raum eignet sich daher für einen praktischen Vergleich nur die Angabe des eqACH.

Einen Vergleichswert für Hybridgeräte, der CADR und HADR gemeinsam beinhaltet, existiert zur Zeit nicht. Auch gibt es momentan keine Vorgaben wie die unterschiedlichen CADR-Werte mit dem HADR-Wert verglichen werden können.

Berechnung der Wirkung bei aktiven Luftdesinfektionsgeräten

Heutige normale Klima- bzw. RLT-Anlagen, mit Zu- und Abluft haben einen Luftaustauschwirkungsgrad <0,5 oder auch <50%. Für mobile Luftreiniger kann kein Luftaustauschwirkungsgrad angegeben werden, da dieser von Position, Raumgröße und auch von der eigenen Luftwechselrate [V, in m³/h] abhängig ist. Es ist jedoch davon auszugehen, das diese ihren besten Luftaustauschwirkungsgrad in einem kleinen Radius um das Gerät haben und dieser ebenfalls <0,5 oder auch <50% ist. In der Praxis bedeutet dies, dass der Luftaustauschwirkungsgrad bei steigender Luftmenge pro Stunden und bei zunehmender Raumgröße sinkt, also schlechter wird.

Herstellerspezifisch gibt es unterschiede, jedoch die folgende Tabelle bei der Bestimmung des Wirkungsgrad für einen einzelnen mobilen Luftreiniger mit geringer Bauhöhe helfen.

Tabelle zur Abschätzung des Luftaustauschwirkungsgrades bei einem mobilen Luftreinger und 3m Deckenhöhe, Standposition mittig im Raum, ohne Mobiliar

Luftwechsel [m³/h]	Raumfläche [m²]	Luftaustauschwirkungsgrad [ ]
300	30	0,4
600	30	0,35
1200	30	0,3
300	60	0,3
600	60	0,25
1200	60	0,2
300	90	0,2
600	90	0,225
1200	90	0,25
300	120	0,1
600	120	0,15
1200	120	0,2

Aufgrund der hohen Luftgeschwindigkeit, die in der Regel direkt gegen die Decke gerichtet ist, entsteht bei bei hohen Luftwechseln bei nur einem Gerät eine starke Kurzschlussströmung. Die Ausgeblasene Luft trifft auf die Decke und verwirbelt dort, beziehungsweise reflektiert.

Für alle Luftwechselraten zählt jedoch, dass je näher die Geräte an der Wand stehen, desto geringer ist Luftaustauschwirkungsgrad.

Neben den mobilen Luftreinigern gibt es auch Wand- und Deckengeräte. Insbesondere Geräte zur Deckenmontage haben den Vorteil, die Luft weit in den Raum verteilen zu können. Hier ist auch bei hohen Luftwechselraten ein guter Luftaustauschwirkungsgrad möglich.

Beispiele

Zur Vereinfachten Darstellung wird in den folgenden Beispielrechnungen ein vereinfachter Luftaustauschwirkungsgrad für alle Raumgrößen von 0,3 verwendet.

Berechnung der Desinfektionswirkung bei unterschiedlichen Raumgrößen mit nur einem Luftreinigungsgerät

	Raum 1	Raum 2	Raum 3
Raumfläche [m³, bei 3m Deckenhöhe]	90	180	270
Luftwechsel [m³/h]	600
Luftwechselrate [ ]	>6	>3	>2
Zielkeim	SARS-CoV-2
eqACH [ ]	~1,8	~0,9	~0,6
Desinfektionswirkung im Raum [%]	~86	~63	~50

Angenommen, dass ein mobiler Luftreiniger optimal geeignet ist, wenn er einer mit einer Luftwechselrate von 300m³/h arbeitet, ergeben sich folgende Lösungen. Als Vergleichswert wird angenommen, dass man Alternativ die selben Luftwechselraten auch mit nur einem Gerät erreichen könnte.

Berechnung der Desinfektionswirkung bei unterschiedlichen Raumgrößen und konstanter Luftwechselrate [=3]

	Raum 1	Raum 2	Raum 3	Raum 1	Raum 2	Raum 3
Raumfläche [m³, bei 3m Deckenhöhe]	90	180	270	90	180	270
Luftwechsel [m³/h]	270	540	810	270	540	810
Luftwechselrate [ ]	3			3
Anzahl mobile Luftreiniger @ 300m³/h	1	2	3	1	1	1
Luftaustauschwirkungsgrad [ ]	0,4	0,4	0,4	0,35	0,25	0,225
Zielkeim	SARS-CoV-2
eqACH [ ]	1,2	1,2	1,2	1,2	0,75	0,67
Desinfektionswirkung im Raum [%]	>63,2	>63,2	>63,2	>63,2	<63,2	<63,2

Hier eine Vergleichsberechnung mit Daten, wie sie aktuell im Förderprogramm für mobile Luftreiniger in Schulen gefordert werden

Berechnung der Desinfektionswirkung bei unterschiedlichen Raumgrößen und konstanter Luftwechselrate [=6]

	Raum 1	Raum 2	Raum 3	Raum 1	Raum 2	Raum 3
Raumfläche [m³, bei 3m Deckenhöhe]	90	180	270	90	180	270
Luftwechsel [m³/h]	540	1080	1620	540	1080	1620
Luftwechselrate [ ]	6			6
Anzahl mobile Luftreiniger @ 300m³/h	2	4	6	1	1	1
Luftaustauschwirkungsgrad [ ]	0,4	0,4	0,4	0,35	0,2	0,175
Zielkeim	SARS-CoV-2
eqACH [ ]	2,4	2,4	2,4	2,1	1,20	1,05
Desinfektionswirkung im Raum [%]	~90	~90	~90	>86,5	>63,2	>63,2

Fazit aus der gezeigten Kalkulation

Je größer ein Raum ist, desto wichtiger wird der Luftaustauschwirkungsgrad. Dieser kann nur durch zusätzlich Zu- und Abluft-Punkte gesteigert, beziehungsweise konstant gehalten werden.

Berechnungsbeispiel aus der Tabelle

Raumvolumen: 90 m³

Luftwechsel pro Stunde am mobilen Luftdesinfektionsgerät: 600 m³/h, abhängig vom Gerät und der eingestellten Lüfterstufe

Luftwechselrate = 270 m³/h / 90 m³ = 3

Luftaustauschwirkungsgrad: η = 0,4

Zielkeim: SARS-CoV-2

Effizienz gegenüber Keim bei Einmalpassage: log 4 (≥99,99%), SARS-CoV-2 ist im Vergleich zu anderen Keimen leicht mit UV-C-Strahlung zu inaktivieren

eqACH = Luftwechsel pro Stunde * Luftaustauschwirkungsgrad * Effizienz gegenüber Keim bei Einmalpassage = 3 x 0,4 x 99,99% = 1,20 ≈ 1

Desinfektionswirkung im Raum: >63,2%, abgelesen aus Tabelle "eqACH (equivalent Air Change per Hour)"

Verbesserung der Wirkung

Zur Verbesserung der Wirkung kann man mehrere Optimierungen vornehmen. Dabei ist die Steigerung der Lüftungseffizienz die Wirkungsvollste. Eine bessere oder schlechtere Desinfektionswirkung bei einer EInmalpassage der Luft hat dabei nur einen sehr geringe Bedeutung. Daher macht es Sinn mehrere Optionen zu betrachten und zu bewerten, die einfachste Lösung ist in diesem Fall nicht die Wirkungsvollste.

Anzahl von Zu- und Abluft-Positionen

Dies führt dazu, dass die Luft im Raum sich besser verteilt und sogenannte Kurzschlüsse im Belüftungssystem bleiben jedoch erhalten. Der maximal erreichbare Luftaustauschwirkungsgrad bleibt <0,5 bzw. <50%. Bei mobilen Luftdesinfektionsgeräten würde dies durch zusätzliche Geräte im Raum erreicht werden. Diese sollten dann maximal möglichen Abstand zueinander haben, damit sie sich möglichst wenig gegenseitig negativ beeinflussen.

Positionierung von Zu- und Abluft

Liegen die Positionen von Zu und Abluft senkrecht im Raum gegenüber, Beispielsweise im Boden die Zuluft und in der Decke die Abluft, so kann der Luftaustauschwirkungsgrad auf 1 bzw. 100% gesteigert werden.

Erhöhung der Luftwechselrate

Häufig wird diese Variante bevorzugt, jedoch wird sie gleichzeitig dazu führen, dass der Luftaustauschwirkungsgrad sinkt. Daher macht diese Maßnahme nur in Kombination mit einer der zuvor genannten Maßnahmen Sinn.

Reduktion der Luftwechselrate

Bei reinen UVC-Systemen kann es Sinn machen, die Luftwechselrate zu reduzieren, da dies einen positiven Einfluss auf die Effizienz bei Einmalpassage hat. Dabei verdoppelt sich die Dosis im Gerät, und damit die Wirkung auf den Keim, bei einer Halbierung der Luftwechselrate.

Technische Lösungen

Schaut man sich die Lösungen an, so muss man sich im Klaren sein, wo die Technik wirken soll und wie.

So werden Lösungen angeboten die im Raum direkt wirken, oder über eine zentrale Desinfektionseinheit außerhalb des Raumes. Außerdem gibt es Lösungen die aktiv arbeiten (z.B. mit einem eigenen Lüfter) oder passiv (Ausnutzung vorhandener Luftbewegungen).

Schnellübersicht technischer UV-C Lösungen zur Luftdesinfektion

Bezeichnung der Technik	Wirkungsort	Aktiv?	Passiv?
in-duct	Zentrale in der Klimaanlage/RLT	ja	nein
Luftreiniger	dezentral im Raum	ja	nein
Upper Room	dezentral im Raum	nein	ja

Lösungen im Raum haben den Vorteil, dass sie sehr schnell ihre Wirkung zeigen. Die Luft wird kontaminiert und zeitnah gereinigt/ desinfiziert. Dezentrale Lösungen nutzen die vorhandene Infrastruktur, wie beispielsweise die Klimaanlage oder andere RLT-Anlagen.

Eine in-duct-Lösung hat gegenüber dem Luftreiniger den Vorteil, dass keine neuen Lüfter, sondern die bereits vorhandene Motoren verwendet werden. Es ist jedoch zur Zeit nicht nachgewiesen, ob diese Technik flächendeckend einetzbar ist, da bestehende Anlagen ausreichend Platz bieten müssen. Luftreiniger sind dagegen einfacher zu planen und schnell umsetzbar, jedoch weitaus ineffizienter im Vergleich zu zentralen Anlagen.

Weblinks

https://ghdcenter.hms.harvard.edu/guv-lighting

https://www.umweltbundesamt.de/themen/lueftung-lueftungsanlagen-mobile-luftreiniger-an

https://www.biologie-seite.de/Biologie/Photolyse