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Corona-Krise Mit Simulation das Ansteckungsrisiko in der Kantine senken

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Nach der nötigen Schließung seiner Kantine während des Lockdowns war GEA auf der Suche nach einer Möglichkeit, diese zum Schutz seiner Mitarbeiter mit reduziertem Ansteckungsrisiko wieder zu öffnen. Die CFD-Simulationen brachten Licht ins Dunkel und lieferten auch unerwartete Ergebnisse hinsichtlich der Aerosolkonzentration.

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Im Verlauf der Covid-19-Pandemie hat die Bedutung von Aerosolen als potenzielles Risiko zugenommen. GEA nutzt Simulation, um die Betriebskantine so sicher wie möglich zu betreiben.
Im Verlauf der Covid-19-Pandemie hat die Bedutung von Aerosolen als potenzielles Risiko zugenommen. GEA nutzt Simulation, um die Betriebskantine so sicher wie möglich zu betreiben.
(Bild: gemeinfrei / CC0 )

Etwa ein Viertel der gesamten verarbeiteten Milch, die Hälfte des gesamten Bieres und ein Drittel der Hähnchennuggets weltweit wird mit Anlagen von GEA hergestellt. Als Anbieter von Technologiesystemen, insbesondere im Bereich Nahrungsmittel und Getränke, ist das Unternehmen gewohnt, schnell auf sich ändernde Marktbedingungen zu reagieren. Als sich Covid-19 Anfang 2020 auf der ganzen Welt verbreitete, standen Unternehmen vor der Herausforderung, Gesundheit und Lebensgrundlagen zu sichern. Sie mussten auf die Dynamik einer sich entwickelnden Krise reagieren und gleichzeitig dem Schutz der Mitarbeiter oberste Priorität einräumen.

Auswirkungen der Pandemie

Der GEA-Leitspruch ‚Engineering for a better World‘ hat seit der Coronavirus-Pandemie eine noch größere Bedeutung erlangt. Von Anfang war es für GEA das höchste Gebot alle Mitarbeiter bestmöglich zu schützen aber auch engen Kontakt mit den Kunden zu halten, um diese in dieser Zeit zu unterstützen. Das Unternehmen richtete eine globale Taskforce ein, um den täglichen Informations- und Analyseaustausch zu erleichtern und alle Mitarbeiter über die sich schnell entwickelnde Situation und die Sicherheitsmaßnahmen auf dem Laufenden zu halten.

„Wie viele andere Unternehmen hatten auch wir Pandemievorbereitungen getroffen. Diese waren aber nicht vollständig ausreichend im Hinblick auf die Auswirkungen von Covid-19”, erklärt Erich Nitzsche, Vice President Engineering Standards und Services bei GEA. „Unser Werk in China wurde sehr schnell geschlossen, weltweit mussten wir jedoch nur drei Standorte vorübergehend schließen. Aufgrund unseres Risikobewusstseins waren die Auswirkungen auf unser Geschäft sehr gering. Und wir hatten zu jeder Zeit eine voll funktionsfähige Logistikkette.“

Sicherheit durch Strömungssimulation

Gemäß den behördlichen Vorschriften und um die Sicherheit der Belegschaft zu gewährleisten, hat GEA die Kantinen, einschließlich der in Oelde, geschlossen. Mehr als 1.900 Mitarbeiter nutzen diese 645 qm² große Einrichtung täglich. „Die Kantine ist ein wirklich wichtiger Ort”, sagt Nitzsche. „Jeder kommt hierher, um sich beim Essen oder Espresso mit Kollegen auszutauschen. Wir mussten die Kantine schließen und desinfizieren. Und gleichzeitig stellt sich die Frage, wie wir diese wieder öffnen können, ohne die Gesundheit der Mitarbeiter zu gefährden. Dazu mussten verschiedene Szenarien durchgespielt werden, um den besten Weg zu finden.“

Digitaler Zwilling der Kantine gibt Aufschluss

Das permanente neu erlernte Wissen während der anhaltenden Pandemie zeigt, dass Aerosole bei der Ausbreitung von Covid-19 eine zentrale Rolle spielen. GEA wollte daher verstehen, wie sich der Virus in der Kantine durch Luftströme ausbreiten könnte unter Berücksichtigung der Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage, und beriet sich mit Dassault Systèmes, um ein entsprechendes Simulationsprojekt zu starten.

Der digitale Zwilling der Kantine einschließlich Lüftungsschlitzen sowie Mobiliar wie Tische, Stühle und Theken und maßstabsgetreue menschliche Modelle für realistische Szenarien in der Kantine.
Der digitale Zwilling der Kantine einschließlich Lüftungsschlitzen sowie Mobiliar wie Tische, Stühle und Theken und maßstabsgetreue menschliche Modelle für realistische Szenarien in der Kantine.
(Bild: Dassault Systèmes)

„Wir hatten die Idee, unsere Kantine als vollständigen digitalen Zwilling nachzubilden und die Luftströme und das Belüftungssystem zu simulieren, um mögliche Viren-Hotspots zu identifizieren und geeignete Gegenmaßnahmen abzuleiten”, sagt Nitzsche. „Simulation war das Mittel der Wahl und sollte Licht ins Dunkel bringen. Für uns war klar, dass wir dabei nur gewinnen können, denn wir können aus einer beliebigen Anzahl von Szenarien lernen. Es birgt keine Risiken, denn es gibt kein falsches Ergebnis. Zudem kannten wir Dassault Systèmes und deren Kompetenz in der Simulation, insbesondere in der Strömungssimulation. Von daher war es eine einfache Entscheidung, mit ihnen zusammenzuarbeiten, und sie haben genau das realisiert was vereinbart wurde.“

Sichere Remote-Projektabwicklung

Für GEA war es sinnvoll, das Simulationsprojekt an Dassault Systèmes auszulagern. Auf diese Weise profitierte GEA nicht nur von der IT-Infrastruktur und Serverleistung von Dassault Systèmes, die für die Simulationen auf der Cloud notwendig war, sondern auch vom technologischen Verständnis in Simulationen für Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, um das Projekt schnell in Angriff zu nehmen.

Das gesamte Projekt wurde aufgrund der Pandemie remote abgewickelt, was den Fortschritt in keiner Weise behinderte. Seitens Dassault Systèmes wurde von Anfang an entsprechend Personal projektiert, um den Erfolg sicherzustellen. „Dassault Systèmes hat eine Menge investiert,“ sagt Nitzsche. „Der Projektstart hat mir sehr gut gefallen. Es gab kein Hin und Her und bei unserer ersten Telefonkonferenz waren gleich 15 Personen engagiert im Projekt beteiligt. Für mich als Kunde war das toll. Sie alle stellten die richtigen Fragen und man konnte fast spüren, dass die Leute noch während des Telefonats aktiv wurden. Diese Investition am Anfang hat sich am Ende wirklich ausgezahlt. Es hat einen großartigen Eindruck hinterlassen.“ Dassault Systèmes hielt GEA durch regelmäßige Kommunikation jederzeit über die Fortschritte auf dem Laufenden und setzte klare Meilensteine.

Digitaler Zwilling als Basis der Simulation

Anhand der 2D-Baupläne und Fotos erstellte Dassault Systèmes einen präzisen digitalen Zwilling der Kantine einschließlich Lüftungsschlitzen sowie Mobiliar. Zudem wurden maßstabsgetreue menschliche Modelle für realistische Szenarien in der Kantine verwendet. Dann wurden die Zuluft- und Abluftbedingungen untersucht und zusammen mit der Lüftungsdokumentation das richtige Luftströmungsverhalten in der Kantine simuliert unter Berücksichtigung der natürlichen Luftleckagen an Not- und Eingangstüren.

Simulation identifiziert unerwartete Hotspots

Anschließend wurden zahlreiche Szenarien mit Simulia Power-Flow simuliert, in denen menschliche Modelle in verschiedenen Bereichen husten, um besser zu verstehen, wie sich der Virus in der Kantine und in der Küche ausbreiten kann.

Eine der wertvollsten Beobachtungen war es, etwas über die ‚blind spots‘ in diesem Bereich zu lernen. Das war die größte Überraschung für mich, denn unser erster Ansatz für eine Wiedereröffnung war, die Leute beim Essen möglichst weit auseinander in der Kantine zu platzieren. Jetzt können wir sehen, dass die Orte, die wir identifiziert hätten, Gefahrenzonen gewesen wären, da an diesen Stellen ein extrem geringer Luftaustausch stattfindet und sich somit Viren konzentrieren. Es war eine enorme Lernkurve und völlig entgegengesetzt zu unserem anfänglichen Denken

Erich Nitzsche, Vice President of Engineering Standards and Services, GEA

Die Simulationsergebnisse zeigen Stellen auf, an denen ein extrem geringer Luftaustausch stattfindet, was zu einer hohen Konzentration von Aerosolen führt.
Die Simulationsergebnisse zeigen Stellen auf, an denen ein extrem geringer Luftaustausch stattfindet, was zu einer hohen Konzentration von Aerosolen führt.
(Bild: Dassault Systèmes)

Simulation zeigt Ausbreitung der Aerosole

In der Tat zeigten die Simulationen deutlich, dass die Luft in bestimmten Bereichen sehr stabil ist und sich Aerosole dort konzentrieren können. Es wurde auch deutlich für GEA, wie schnell und weit sich Aerosole in der gesamten Kantine ausbreiten können. „Wir mussten feststellen, dass der Eingang zur Kantine ein Risikobereich ist”, erklärt Nitzsche. „Wenn jemand im Eingangsbereich hustet oder niest, kann er knapp 700 qm² kontaminieren.“

Basierend auf den Ergebnissen der Simulation können wir jetzt spezifische Maßnahmen wie die Überarbeitung des Ein- und Ausgangskonzepts sowie eine angepasste Sitzordnung einleiten. Die Simulationsergebnisse helfen uns, kreative Lösungsansätze zu finden, um diese Problematik zu lösen.

Peter Brüggenkötter, Leiter des HSE-Managements bei GEA

Simulation erhöht das Verständnis

Die Simulationen zeigen auch wie Oberflächen – beispielsweise Teller, Tabletts und Tische – während einer normalen Mittagspause kontaminiert werden können. „Wir haben ein tieferes Verständnis der Luftströme in unserer Kantine und der Kontamination von Oberflächen in diesem Bereich gewonnen”, ergänzt Nitzsche. „Aus diesen Visualisierungen lernen wir, dass wir, was auch immer wir in Zukunft tun, spezifische Maßnahmen zur Reinigung der verschiedenen Oberflächen ergreifen müssen, um keine kleinen ‚Biobomben‘ zu erzeugen.”

Simulation war das noch fehlende Puzzleteil. Wir hatten ursprünglich die Erwartung, dass die Ergebnisse 20 bis 30 % der Entscheidungsgrundlage bilden. Mit den jetzt vorliegenden Ergebnissen haben wir einen Vertrauensbereich von 60 bis 70 % gewonnen.

Erich Nitzsche, Vice President of Engineering Standards and Services, GEA

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