Überwachung der Raumluftqualität mit Kerlink und Microshare

 

Die Industrie arbeitet im Rahmen der renommierten Medizinischen Fakultät von Paris mit der Universität zusammen, um aufzuzeigen, wie Gebäudeverwalter die Ausbreitung von Viren eindämmen können.

„Feldstudien zu COVID-19 haben den Zusammenhang zwischen schlechter Luftqualität und steigenden Infektionszahlen aufgezeigt und machen deutlich, dass eine auf dem IoT basierende Lösung Gebäudeverwaltern künftig dabei helfen kann, die Ausbreitung von Viren wie dem COVID-19-Virus einzudämmen.“ – Prof. Bertrand Maury, Universität Paris-Saclay  

 

Microshare	Kerlink
> Hauptsitz: Philadelphia, USA > Gründungsjahr: 2013 > Tätigkeitsbereich: Datenmanagementlösungen für Smart Buildings und das Internet der Dinge (IoT)	> Sitz: Thorigné-Fouillard, Frankreich > Gründungsjahr: 2004 > Tätigkeitsbereich: globaler Anbieter von Lösungen für das Internet der Dinge

Projekt: Medizinische Fakultät – Hôpital Bicêtre AP-HP (Assistance Publique-Hôpitaux de Paris) Gründungsjahr: 1885 Tätigkeitsbereiche: Medizin, Gesundheitswesen, Hochschulbildung

 

 

Herausforderung

Eine 2018 von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) veröffentlichte Studie[1] hat gezeigt, dass die Raumluft 100-mal stärker belastet ist als die Außenluft und dass die Menschen heute mindestens 80 % ihrer Zeit in Innenräumen verbringen. Dieselbe Studie hat gezeigt, dass Schadstoffe in der Raumluft im Gegensatz zur Luftverschmutzung etwa 1.000-mal häufiger eingeatmet und somit in die Lunge gelangen und dort Krankheiten verursachen.

Eine britische Studie aus dem Jahr 2018[2] im Auftrag des British Council for Offices (BSO) berichtet, dass die Ausführung von Aufgaben, die Konzentration undAufmerksamkeit erfordern, unmittelbar von den raumklimatischen Bedingungen wie Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit und CO₂-Konzentration beeinflusst wird. Sie hat zudem gezeigt, dass eine präzise Temperaturregelung und eine angemessene Überwachung der CO2-Werte den Stresspegel von Mitarbeitern, Kunden, Besuchern oder Mietern direkt senken sowie deren Produktivität und Zufriedenheit steigern können. Diese Studie spiegelt die Ergebnisse einer 2012 durchgeführten Untersuchung wider, in der die direkten Auswirkungen erhöhter CO2-Konzentrationen in der Raumluft auf die Entscheidungsfindung bewertet wurden.[3]

Die COVID-19-Pandemie hat die Wissenschaftler zudem darauf aufmerksam gemacht, dass das Management der Luftqualität in Gebäuden eine zentrale Rolle als Schlüsselfaktor im Kampf gegen die Ausbreitung von Viren spielt. Es fehlen jedoch noch konkrete Bewertungs-, Mess- und Modellierungsinstrumente, um diese Theorien zu belegen und zu untermauern sowie die daraus resultierenden geeigneten Maßnahmen zu definieren. In diesem Zusammenhang kommt das Internet der Dinge (IoT) ins Spiel.

 

Entstehungsgeschichte des Projekts

Das Pilotprogramm des Krankenhauses Bicêtre (AP-HP) zielte darauf ab, die Ausbreitung von COVID-19 einzudämmen, indem Studierende, Lehrkräfte und Mitarbeiter bei ihren täglichen Aktivitäten in der Einrichtung anonym überwacht wurden.

Von Anfang an konzentrierte sich das Projekt auf die Entwicklung epidemiologischer Modelle zur Übertragung des COVID-19-Virus durch die anonyme Beobachtung von Infektionsketten (Kontaktverfolgung) im Zusammenhang mit längeren Kontakten in geschlossenen Räumen, wie beispielsweise öffentlichen Einrichtungen, Klassenzimmern oder Arbeitsstätten. Durch die Kombination von Standard-IoT-Technologie und Geräten von Kerlink, Microshare und Enless Wireless mit neuen mathematischen Modellen, die die Ausbreitung von COVID-19 simulieren, hat ein speziell für das Projekt zusammengestelltes Team Ende 2021 ein Pilotsystem an der Medizinischen Fakultät entwickelt und installiert. Neben den beteiligten Unternehmen umfasste das Projektteam Mitarbeiter der Medizinischen Fakultät sowie Wissenschaftler aus verschiedenen technologieorientierten Organisationen.

Fast 200 Studierende sowie etwa zwanzig freiwillige Mitarbeiter, die während ihrer Vorlesungen, Praktika und Dienstzeiten an der Medizinischen Fakultät Bluetooth-Tags trugen, nahmen im vierten Quartal 2021 an dem dreimonatigen Test teil. Das System überwachte anonym ihre Bewegungen und ihren Aufenthaltsort mithilfe spezieller mathematischer Modelle, die von zwei Wissenschaftlern der Universität Paris-Saclay, den Professoren Bertrand Maury und Sylvain Faure, entwickelt wurden, sowie durch die kontinuierliche Überwachung der Luftqualität in der Einrichtung. Diese Modelle simulierten die Ausbreitung des COVID-19-Virus in der Studierendenpopulation auf der Grundlage von Kontaktverfolgungsmatrizen.

Das Projekt wurde von der Universität Paris-Saclay mit 12.000 € für Verwaltungskosten finanziert und erhielt Unterstützung vom Vizedekan der Fakultät,^Dr. Olivier Lambotte, sowie von zwei Ärzten, den^Dr. Florent Besson und^Dr. Nicolas Noel, von der Medizinischen Fakultät Paris-Saclay (Standort Bicêtre-Krankenhaus AP-HP). Die Ergebnisse wurden von der klinischen Forschungseinheit der Medizinischen Fakultät Paris-Saclay validiert, und die erweiterten Kontaktverfolgungsmatrizen basieren auf einem vom CNRS entwickelten Algorithmus. Der Schutz der personenbezogenen Daten und der Identität der Teilnehmer des Pilotprojekts erfolgte in voller Übereinstimmung mit der DSGVO.

Die Überwachung der Luftqualität und die CO₂-Analyse innerhalb der Einrichtung wurden parallel durchgeführt, um deren Auswirkungen auf die Übertragungsketten zu bewerten.

 

Zeitplan und Umsetzung der Lösung

Um Daten vor Ort zu erheben, stützte sich das System auf die von Kerlink, einem Spezialisten für IoT-Lösungen, Microshare, einem Anbieter von hochmodernen Lösungen für das Datenmanagement im Zeitalter des IoT, sowie Enless Wireless, ein führender Hersteller von intelligenten, selbstversorgten Sensoren, die über Funk kommunizieren und für Anwendungen im Bereich Energieeffizienz und Komfort in Gebäuden bestimmt sind. Dieses Pilotprojekt lieferte wichtige Erkenntnisse für die Kontaktverfolgung (Stufe 1) und die Analyse der CO2-Konzentration (Stufe 2). Die gesammelten Daten flossen anschließend in ein mathematisches Modell (Stufe 3) ein, um die Kontaktfrequenzen und die Ausbreitung des Virus in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration in der Raumluft zu analysieren.

Stufe 1 – Kontaktnachverfolgung

Das LoRaWAN-kompatible System nutzte Wanesy™ Wave von Kerlink, einen multitechnologischen Tracking-Anker, der WLAN, BLE und^LoRaWAN® kombiniert, um Kontaktverfolgungsdaten von Bluetooth-Badges zu erfassen. Es umfasste außerdem ein Wirnet™ iFemtoCell -Indoor-Gateway von Kerlink, um die Daten an die Universal Contact Tracing-App zu übertragen^® (UCT) von Microshare zu übertragen, die durch die Übermittlung nur der unbedingt erforderlichen Informationen durchgängige Sicherheit, Vertraulichkeit und Zuverlässigkeit gewährleistet.

 

Die generierten Daten entsprachen den Anforderungen der DSGVO und wurden zum gewünschten Zeitpunkt über die zum Patent angemeldete Regel- und Freigabemaschine von Microshare ausschließlich an die dafür innerhalb der Organisation benannten, berechtigten Personen übermittelt.

„Die Universal Contact Tracing-Lösung von Microshare wurde für die Sicherheit der Nutzer sowie für einen universellen Zugang entwickelt und basiert auf tragbaren vernetzten Geräten, wodurch die für Smartphones typischen Sicherheitslücken und Datenschutzprobleme umgangen werden. Sie verfolgt anonym die Kontakte zwischen den Nutzern einer Einrichtung mithilfe von Ausweisen, Armbändern und Schlüsselanhängern und vermeidet dabei die Schwachstellen des Smartphone-Ansatzes, bei dem Daten deaktiviert werden können, Akkus leer werden oder das Gerät von Personen gemeinsam genutzt wird, die zu unterschiedlichen Zeiten arbeiten. Sie basiert zudem auf LoRaWAN®-Gateways, die von privaten Netzwerken getrennt sind, und vermeidet so die schwerwiegenden Sicherheitsprobleme, die mit WLAN oder Mobilfunkdaten verbunden sind.“ –Charles Paumelle, Produktmanager und Mitbegründer von Microshare

 

Stufe 2 – CO₂-Überwachung

Enless Wireless hat zu dem Pilotprojekt beigetragen, indem es Sensoren zur Messung der Raumluftqualität bereitgestellt hat, die einfach zu installieren und anzuschließen sind und über integrierte CO₂-Sensoren sowie Hochleistungsbatterien vom Typ D verfügen.

Die App zur Kontaktverfolgung in Gebäuden wurde daher mit einer Überwachung der Luftqualität gekoppelt, die Folgendes umfasste:

• die CO₂-Konzentrationen in den Räumen in Abhängigkeit von der Belegungsdichte und den Nutzungszeiten sowie die Einstellungen der Lüftungsanlage,
• Störungen der Lüftungsanlage oder erforderliche Wartungsarbeiten an den Lüftungsanlagen sowie
• die stündliche Luftwechselrate (SHR) oder der vollständige Luftwechsel in einem Raum, ein Leistungskennwert (KPI), den Gebäudemanager im täglichen Betrieb überwachen.

 

Stufe 3 – Algorithmus und wissenschaftliches Modell

Die ursprünglichen mathematischen Modelle, die im Pilotprojekt verwendet wurden, basieren auf internen Daten aus einem UCT-Versuch am Hauptsitz von Kerlink in Rennes, bei dem die Mitarbeiter im Jahr 2020, auf dem Höhepunkt der Pandemie, acht Monate lang mit Microshare-UCT-Ausweisen ausgestattet waren.

Die erweiterten Kontaktverfolgungsmatrizen wurden anschließend aus einem vom CNRS und der Universität Paris-Saclay entwickelten Algorithmus abgeleitet, bei dem die Professoren Bertrand Maury und Sylvain Faure die Algorithmen erstellt haben, die die epidemiologischen Modelle der Virusübertragung definieren. Dank des eingesetzten Systems konnte dieser Algorithmus auch eine erste Bewertung und Korrelation des Einflusses der CO2-Konzentration als Indikator für schlechte Luftqualität integrieren, die die Virusübertragung beschleunigen kann, beispielsweise ein CO2-Gehalt, der auf einen unzureichenden Luftaustausch in Innenräumen hinweist.

Wichtigste Schlussfolgerungen

Die Luftqualität sowie der CO₂-Gehalt in den Räumlichkeiten wurden stündlich gemessen, wobei die Belegungsrate, der Zeitplan und die Lüftungszeiten berücksichtigt wurden. Anhand der gewonnenen Messdaten konnten zudem Störungen der Lüftungsanlage erkannt, Wartungsmaßnahmen für die betroffenen Anlagen vorgeschlagen und Verhaltensweisen der Teilnehmer sowie Orte mit erhöhtem Ansteckungsrisiko aufgezeigt werden. So war es möglich, einen pädagogischen Ansatz zu definieren und das Personal der Medizinischen Fakultät bei der Planung der Nutzung der Hörsäle zu unterstützen sowie den Nutzern gesunde Verhaltensweisen zu vermitteln.

 

Ein geringer Luftwechsel führt zu einer hohen Konzentration an Aerosolen und möglicherweise auch an Viruspartikeln.

Die CO₂-Konzentration in einem geschlossenen Raum kann dazu dienen, den Luftaustausch zu überwachen und auf das Risiko einer erhöhten Exposition gegenüber in der Luft schwebenden Viruspartikeln hinzuweisen. Eine regelmäßige Belüftung ist daher unerlässlich, insbesondere durch das Öffnen von Fenstern oder die Einstellung einer optimalen stündlichen Luftwechselrate (LWR).

Prof. Lambotte, Vizedekan der Medizinischen Fakultät Paris-Saclay, erklärte, dass die Analyse der Übertragung des COVID-19-Virus und das Bestreben, ein „verbessertes Warnsystem“ auf der Grundlage epidemiologischer Modelle die Auslöser für dieses Projekt waren und dass die Ziele dank der Überwachung der Luftqualität auf der Grundlage der CO2-Konzentrationsanalyse erreicht werden konnten.

„Auf der Grundlage dieser ersten Ergebnisse kann die Medizinische Fakultät ihre Maßnahmen zur Eindämmung der Ausbreitung von Epidemien verfeinern, da sie nun ein besseres Verständnis der Interaktionen zwischen den Studierenden hat und die Luftqualität besser kontrollieren kann. Die mathematische Modellierung des Luftaustauschs in einem Hörsaal oder einem Auditorium ermöglicht es, im Voraus die maximale Anzahl an Personen zu schätzen, die anwesend sein dürfen, um den CO2-Gehalt unter einem festgelegten Grenzwert zu halten.“ –Prof. Olivier Lambotte, Vizedekan der Medizinischen Fakultät Paris-Saclay

 

„Der Test hat gezeigt, dass diese Lösungen Gebäudeverwaltern dabei helfen können, die Luftqualität in Arbeitsräumen zu verbessern, um das Risiko einer Ansteckung oder Virusübertragung zu verringern, was sich auf das Wohlbefinden, die Konzentrationsfähigkeit und die Leistungsfähigkeit der Nutzer auswirken kann. Darüber hinaus kann dieses System, das unsere zu 100 % Plug-and-Play-fähigen, eigenversorgten Geräte zur Überwachung der Raumluftqualität nutzt, eine kostengünstige Lösung für Krankenhäuser, Seniorenheime, Universitäten, Schulen und öffentliche Gebäude darstellen.“ – Caroline Javelle, Leiterin Marketing und Kommunikation bei Enless Wireless

 

„Der Test hat nicht nur Ärzten und Wissenschaftlern dabei geholfen, die Übertragungsmuster von COVID-19 zu beschreiben und zu verstehen, hat der Test gezeigt, dass LoRaWAN®-Lösungen für das Management der Raumluftqualität, bestehend aus einzelnen autonomen Kontaktverfolgungs-Beacons, vernetzten CO2-Sensoren, Apps und KI-Algorithmen, ein zuverlässiges, kostengünstiges und sowohl einfach zu implementierendes als auch benutzerfreundliches System für die Überwachung der Luftqualität in Gebäuden darstellen. » – Benjamin Maury, Leiter für internationale Partnerschaften bei Kerlink

 

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Weiterführende Literatur (auf Englisch)

„Managing Air Quality – Air Pollutant Types“ US-Umweltschutzbehörde
https://www.epa.gov/air-quality-management-process/managing-air-quality-air-pollutant-types

„Verbesserung der Produktivität am Arbeitsplatz“ British Council for Offices
https://emcoruk.com/workplace_productivity.pdf

 

[1]Siehe „Weiterführende Literatur“

[2]Siehe „Weiterführende Literatur“

[3] „Ist CO₂ ein Schadstoff in Innenräumen? Direkte Auswirkungen niedriger bis mäßiger CO₂-Konzentrationen auf die Entscheidungsfähigkeit des Menschen“, Usha Satish, Mark J. Mendell, Krishnamurthy Shekhar, Toshifumi Hotchi, Douglas Sullivan, Siegfried Streufert und William J. Fisk, in Environmental Health Perspectives, Band 120 – Ausgabe 12, Dezember 2012, Seiten 1674–1677.

 

*Redaktion: Kerlink

 

 

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