Sensitivity analysis of SARS-CoV-2 aerosol exposure Translated title: Sensitivitätsanalyse von SARS-CoV-2 Aerosol-Expositionen

Abstract

As vaccination campaigns are in progress in most countries, hopes to win back more normality are rising. However, the exact path from a pandemic to an endemic virus remains uncertain. While in the pre-vaccination phase many critical indoor situations were avoided by strict control measures, for the transition phase a certain mitigation of the effect of indoor situations seems advisable.

To better understand the mechanisms of indoor airborne transmissions, we present a new time-discrete model to calculate the level of exposure towards infectious SARS-CoV-2 aerosol and carry out a sensitivity analysis for the level of SARS-CoV-2 aerosol exposure in indoor settings. Time limitations and the use of any kind of masks were found to be strong mitigation measures, while how far the effort for a strict use of professional face pieces instead of simple masks can be justified by the additional reduction of the exposure dose remains unclear. Very good ventilation of indoor spaces is mandatory. The definition of sufficient ventilation in regard to airborne SARS-CoV-2 transmission follows other rules than the standards in ventilation design. This means that especially smaller rooms most likely require a significantly greater fresh air supply than usual. Further research on 50% group models in schools is suggested. The benefits of a model in which the students come to school every day, but for a limited time, should be investigated. In terms of window ventilation, it has been found that many short opening periods are not only thermally beneficial, they also reduce the exposure dose. The fresh air supply is driven by the temperature gradient and wind speed. However, the sensitivity towards these parameters is not very high and in times of low wind and temperature gradients, there are no arguments against keep windows open in order to make up for the reduced air flow rate. Long total opening periods and large window surfaces will strongly reduce the exposure. Additionally, the results underline the expectable fact that exposure doses will increase when hygiene and control measures are reduced. It seems advisable to investigate what this means for the infection rate and the fatality of infections in populations with partial immunity. Very basic considerations suggest that the value of aerosol reduction measures may be reduced with very infectious variants such as delta.

Zusammenfassung

In vielen Ländern schreiten die Impfkampagnen voran und die Hoffnungen auf eine Rückkehr zu mehr Normalität steigen. Trotzdem bleibt die Entwicklung von SARS-CoV-2 von einem pandemischen hin zu einem endemischen Virus weiter ungewiss. Während vor Beginn der Impfkampagnen viele kritische Situationen durch strickte Maßnahmen unterbunden wurden, scheinen in der Übergangsphase zumindest in Innenräumen abhelfende Maßnahmen angezeigt.

Um die Mechanismen der Aerosolübertragung in Innenräumen besser zu verstehen, wird ein zeitdiskretes Modell zur Berechnung der Aerosol Exposition vorgestellt. Mit Hilfe des Modells wurde eine Sensitivitätsanalyse der Exposition in Innenräumen durchgeführt. Gesichtsmasken und eine zeitliche Limitierung von Ereignissen wurden als starke Kontrollmaßnahmen identifiziert. Ob der zusätzliche Aufwand eines obligatorischen Einsatzes von professionellen Masken in Alltagssituationen den Mehraufwand rechtfertigt, konnte nicht geklärt werden. Eine ausreichende Belüftung von Innenräumen ist zwingend notwendig. Die Definition einer ausreichenden Belüftung folgt in Hinblick auf SARS-CoV-2 Aerosol Infektionen jedoch anderen Regeln als sie sonst bei der Auslegung von Lüftungsanlagen angewendet werden. Das führt dazu, dass insbesondere kleine Räume unter Umständen eine signifikant höhere Frischluftzufuhr als sonst benötigen. Weitere Untersuchungen des Wechselunterrichts an Schulen werden vorgeschlagen. Die Vorteile eines Wechselmodells, bei dem beide Gruppen täglich aber für limitierte Zeit zum Unterricht kommen, sollten untersucht werden. Im Falle einer Fensterlüftung sind viele kurze Intervalle wenigen langen nicht nur aus thermischen Gründen vorzuziehen, sie reduzieren auch die Aerosolexposition. Die Frischluftzufuhr über Fenster wird von Wind und Temperaturunterschied angetrieben. Trotzdem ist die Sensitivität gegenüber diesen Parametern nicht extrem ausgeprägt. In Zeiten von schwachem Wind und geringen Temperaturunterschieden spricht nichts gegen eine dauerhafte Öffnung der Fenster. Lange Öffnungsperioden sowie große Fensterflächen führen jeweils zu einer starken Reduktion der Aerosolbelastung. Die Ergebnisse lassen erwartungsgemäß den Schluss zu, dass die Expositionsdosen zunehmen werden, wenn Kontroll- und Hygienemaßnahmen in der Breite reduziert werden. Welche Folgen das in einer Bevölkerung mit partieller Immunität hat, sollte weiter untersucht werden. Auf Basis rudimentärer Betrachtungen kann man, zumindest für moderate Aerosolreduktionsmaßnahmen, eine leichte Tendenz erkennen, dass die relative Wirkung solcher Maßnahmen bei der Verhinderung von Infektionen, für deutlich ansteckendere Varianten (wie z.B. Delta) etwas reduziert ist.