Réduction du risque d'infection grâce à une ventilation intelligente

Lorsque nous sortirons de la pandémie, il sera intéressant de voir à quoi ressemblera la « nouvelle normalité ». Les employés retourneront-ils entièrement dans leurs bureaux ? Ou y aura-t-il une nouvelle préférence pour des horaires de travail plus flexibles et pour le travail hybride (télétravail et présentiel) ? Dans tous les cas, une nouvelle responsabilité accrue apparaîtra, consistant à prendre en compte les dangers microbiologiques tels que la COVID-19 lors de la mise à disposition d'espaces intérieurs sûrs.

Dans l’article suivant, Anu Kätkä, une experte en qualité de l’air de Vaisala (Finlande), examine le rôle que jouent les systèmes de ventilation dans la protection des personnes dans les bureaux et autres espaces de travail contre les menaces microbiologiques futures. Elle explique également pourquoi la mesure fiable du dioxyde de carbone est cruciale, car elle constitue la meilleure indication pour une ventilation efficace.

Connaissances issues de la COVID-19

La COVID-19 est causée par le virus SARS-CoV-2, qui peut être transmis de deux manières par des personnes infectées. Premièrement, les virus peuvent survivre sur des surfaces pendant plusieurs semaines (1), notamment à des températures plus fraîches (2). Par conséquent, une transmission par contact avec des surfaces infectées est possible lorsque des personnes touchent ces surfaces et transfèrent le virus à leur bouche, nez ou yeux. Deuxièmement, le virus peut se propager dans de petites particules liquides provenant de la bouche ou du nez des personnes infectées lorsqu’elles toussent, éternuent, parlent ou respirent. Ces particules liquides varient des plus grosses gouttelettes respiratoires aux plus petites aérosols de moins de 5 µm de diamètre.

L’Organisation mondiale de la santé (OMS) indique ce qui suit : La transmission par aérosols peut se produire dans certains environnements, notamment dans des espaces intérieurs, surpeuplés et mal ventilés, où les personnes infectées passent plus de temps avec d’autres, comme dans les restaurants, les cours de fitness, les clubs nocturnes, les bureaux et/ou les lieux de culte (3).

Une publication récente dans The Lancet, qui soutient l’hypothèse selon laquelle le SARS-CoV-2 est principalement transmis par voie aérienne, a fourni « Dix raisons scientifiques en faveur de la transmission aérienne du SARS-CoV-2 » (4).

Grâce à la compréhension des modes de transmission, les gouvernements ont pu définir des stratégies appropriées pour lutter contre la propagation du virus, notamment par des mesures telles que le port du masque, la distanciation, le lavage des mains et la désinfection des surfaces. Il est également important que les gouvernements reconnaissent la menace croissante que représentent les espaces mal ventilés, en recommandant des activités en extérieur et en améliorant la ventilation.

En novembre 2020, le gouvernement britannique a publié une vidéo (5) soulignant l’importance de la ventilation pour réduire la propagation de la COVID-19. Selon leur rapport : « Des études montrent qu’une pièce ventilée avec de l’air frais peut réduire le risque d’infection par plus de 70 %. »

En janvier 2021, des centaines d’experts canadiens (médecins, scientifiques, spécialistes de la santé au travail, ingénieurs et professionnels des soins infirmiers) ont rédigé une lettre ouverte (6) à leur Premier ministre, l’appelant à « mettre à jour les directives provinciales sur la COVID-19, les règlements relatifs au lieu de travail et la communication publique pour refléter la science — la COVID-19 se propage par des aérosols inhalés. » L’une des recommandations clés de cette lettre est : « Recommander et utiliser des moniteurs de dioxyde de carbone (CO2) comme mesure de substitution en cas de ventilation insuffisante, afin de réduire le risque de transmission à grande distance dans l’air intérieur. Lors d’une épidémie de tuberculose, le risque d’infection a été significativement accru par des concentrations de CO2 supérieures à 1000 ppm. En améliorant la ventilation du bâtiment pour maintenir la concentration de CO2 à 600 ppm, l’épidémie a été stoppée. »

Importance de la taille des particules

L’OMS indique que les personnes infectées semblent être les plus contagieuses juste avant l’apparition des symptômes. De plus, certaines personnes infectées sont asymptomatiques. Il est donc logique de supposer que, par exemple, dans un environnement de bureau, la principale menace ne provient pas des personnes présentant des symptômes graves comme la toux ou les éternuements, mais de celles qui ignorent qu’elles sont malades. Ces personnes expirent probablement plus fréquemment des aérosols viraux de moins de 5 µm, qui ne respectent pas nécessairement les règles de distanciation. Ces aérosols fins ont une taille comparable à celle des particules de fumée de cigarette, qui ont tendance à ne pas se déposer facilement et à se disperser largement dans des espaces mal ventilés.

Un article récemment publié dans The Lancet (7) décrit des études sur les aérosols de toux et la respiration expirée de patients atteints de différentes infections respiratoires, montrant des similitudes frappantes dans la distribution de la taille des aérosols, avec des agents pathogènes présents dans de petites particules (⁸).

Le taux d’humidité influence également la propagation des aérosols, car un faible taux d’humidité rend ces particules plus légères et donc mieux dispersables dans l’air. De plus, il a été démontré que l’humidité affecte la susceptibilité aux infections virales, car l’exposition à l’air sec affaiblit la défense de l’hôte contre la grippe, réduit la réparation tissulaire et cause la dégradation cellulaire (8).

Mesures pour réduire les risques

Les évaluations classiques des risques pour la santé et la sécurité concernent des dangers tels que les chutes, les objets lourds, les blessures répétitives, les chutes, la surcharge, les chocs électriques, le feu et le travail en solo. Cependant, pour créer des environnements sûrs contre la COVID-19, les entreprises doivent également intégrer une évaluation du risque microbiologique. Il devient donc nécessaire d’identifier les sources potentielles de micro-organismes pathogènes ainsi que leurs modes de transmission.

Les désinfectants pour les mains peuvent être mis à disposition et les surfaces désinfectées régulièrement. Des procédures peuvent être établies pour réduire la probabilité de transmission de maladies, par exemple par des écrans, la distanciation ou même la pulvérisation de désinfectants. Malgré toutes ces mesures, une personne infectée peut rapidement contaminer de vastes zones. Une ventilation efficace est donc essentielle, et le système de contrôle doit effectuer des mesures précises et en temps réel dans chaque pièce pour pouvoir réagir rapidement. Certains systèmes ne surveillent que le CO2 dans les fumées d’échappement, ce qui ne permet pas de détecter les problèmes de mauvaise ventilation dans certains espaces.

Choix du paramètre de mesure optimal

Une des principales fonctions d’un système d’automatisation ou de gestion de bâtiment (GMS) est la régulation du confort thermique et l’optimisation de la consommation d’énergie. La température est donc sans doute le paramètre de contrôle le plus important dans les espaces occupés. Certains systèmes mesurent également et régulent l’humidité pour maintenir un taux relatif entre 40 et 60 %, afin de préserver la santé et le bien-être des occupants, protéger les systèmes informatiques et éviter des problèmes structurels ou liés à la moisissure dans le bâtiment.

En général, il n’y a pas de déviation notable dans la mesure de la température — contrairement aux capteurs d’humidité classiques. C’est pourquoi les capteurs Vaisala HUMICAP® sont privilégiés pour leur stabilité à long terme et leur résistance aux perturbations telles que la poussière ou la condensation. Ces capteurs capacitifs à film mince ont été adoptés comme norme industrielle dans de nombreuses applications nécessitant des mesures d’humidité précises, fiables et sans maintenance sur le long terme.

Un taux d’humidité élevé peut indiquer une activité humaine ou une mauvaise ventilation. Cependant, l’humidité varie considérablement en fonction de facteurs externes (conditions de congélation ou d’humidité pluvieuse, par exemple) plutôt que de la respiration humaine elle-même.

En résumé, la surveillance de la température et de l’humidité joue un rôle clé dans l’optimisation d’un GMS. Mais là où les gestionnaires de bâtiments doivent prendre en compte l’occupation des espaces par des personnes et réduire la pollution de l’air intérieur causée par les occupants, le CO2 constitue le paramètre supplémentaire idéal pour la régulation automatique de la ventilation.

Utilisation de la mesure du dioxyde de carbone comme indicateur d’une ventilation efficace

Le dioxyde de carbone (CO2) est expiré par les humains lors de la respiration. Une accumulation de CO2 indique que (a) des personnes se trouvent dans la pièce et (b) la ventilation est insuffisante. Un bon système de ventilation doit donc détecter cela et ajuster automatiquement la ventilation appropriée. Le système doit fonctionner de manière autonome et pouvoir ventiler chaque pièce de façon optimale — sans gaspiller d’énergie, ce qui peut arriver si la ventilation est trop forte ou inutile.

Avantages du suivi du CO2 et de l’humidité en dehors de la COVID

La norme américaine ASHRAE Green Standard 189.1 et la norme européenne FprEN 16798-3 recommandent l’utilisation de systèmes de ventilation à la demande pour réduire la consommation d’énergie tout en assurant une air intérieur propre.

Du point de vue du développement HVAC, le CO2 est un indicateur idéal de la qualité de l’air intérieur dans les bâtiments principalement utilisés par des personnes. L’humidité serait un paramètre encore meilleur ou du moins un paramètre supplémentaire utile, notamment dans les bâtiments où sont conservés des œuvres d’art, des livres, du vin, des artefacts historiques, ou dans ceux qui doivent être restaurés eux-mêmes.

En règle générale, l’air extérieur contient entre 250 et 400 ppm de CO2. En revanche, l’air expiré contient environ 50 000 ppm, soit 100 fois plus que l’air inhalé. Sans ventilation adéquate, le taux de CO2 dans les espaces occupés augmente progressivement.

Le bien-être et la performance des occupants peuvent être influencés par le taux de CO2. Les espaces bien ventilés avec une bonne circulation d’air contiennent généralement entre 350 et 1000 ppm, mais des valeurs supérieures peuvent provoquer de la somnolence, des maux de tête, une fatigue, une baisse de concentration, une augmentation du rythme cardiaque et de légers malaises. Une exposition à des concentrations très élevées (par exemple, par des brûleurs à huile ou à gaz ou des fuites de gaz) peut même entraîner la suffocation.

Les taux minimaux de ventilation recommandés sont indiqués dans la norme « ANSI/ASHRAE-Standard 62.1-2019 Ventilation pour une qualité d’air intérieur acceptable » pour une variété d’espaces.

Plusieurs études ont examiné l’impact de la concentration de CO2 sur la fonction cognitive. Par exemple, Allen et al. (2016) (9) ont constaté que les scores de fonction cognitive étaient inférieurs d’environ 15 % lors d’une journée avec un taux de CO2 modéré (~ 945 ppm) et de 50 % lors d’une journée avec des concentrations d’environ 1 400 ppm, par rapport à deux journées « Green+ » (~ 540 ppm). En moyenne, une augmentation de 400 ppm de CO2 est associée à une baisse de 21 % des performances cognitives d’un participant typique. Les systèmes de ventilation à la demande basés sur la mesure du CO2 peuvent donc améliorer le bien-être et la productivité, ce qui compense largement le coût du système de ventilation à la demande.

Choix du bon capteur de mesure du CO2

Il est important de résister à la tentation d’acheter les capteurs les moins chers qui répondent aux spécifications requises. En effet, si la précision et la portée sont importantes, la performance continue du GMS dépend de la stabilité des capteurs.

Les fournisseurs de systèmes HVAC préfèrent naturellement les capteurs que l’on peut « installer et oublier ». Par conséquent, il faut choisir des capteurs qui ne nécessitent pas de recalibrage fréquent pour éviter les dérives. Cependant, le processus de sélection est compliqué par les capteurs qui prétendent compenser les dérives via une solution logicielle, en supposant que les valeurs minimales mesurées correspondent à la concentration moyenne de CO2 à l’extérieur. Le risque avec ce type d’algorithme est que de petites erreurs s’amplifient avec le temps, conduisant à des erreurs très importantes à long terme. Pour éviter une calibration réelle, ces capteurs logiciels ne sont pas adaptés aux espaces très occupés et peuvent être trompés par des systèmes d’automatisation du bâtiment qui réduisent fortement l’admission d’air frais en dehors des pics d’occupation. Dans certains cas, même le béton des murs peut absorber le CO2, ce qui peut « tromper » l’algorithme et causer d’autres imprécisions.

Il peut exister un léger conflit d’intérêt entre les fournisseurs/techniciens de GMS et les propriétaires ou gestionnaires de bâtiments. Les premiers doivent garantir le bon fonctionnement immédiat du système, au moins pendant la période de garantie, tandis que ces derniers ont des exigences à plus long terme.

Le coût d’un bon capteur devient insignifiant comparé aux avantages qu’il procure. Les économies d’énergie grâce à une régulation précise à la demande peuvent être considérables. Plus important encore, il s’agit de protéger la santé et le bien-être des occupants, tout en améliorant les conditions de confort au travail.

La solution idéale consiste donc à opter pour les capteurs Vaisala CARBOCAP® de CO2, qui utilisent une technologie NDIR bifréquence, efficace dans une grande variété d’environnements, et capable d’effectuer une auto-calibration réelle via une référence interne. Le coût de cette technologie est négligeable par rapport aux économies d’énergie réalisées par un GMS efficace ou aux coûts de maintenance liés à des capteurs peu coûteux défaillants ou dégradés.

Il n’est pas rare que les capteurs Vaisala fonctionnent sans problème pendant jusqu’à 15 ans. Leur stabilité et leur fiabilité sont reconnues dans le monde entier. Les capteurs Vaisala ont été utilisés notamment sur le rover Curiosity lancé en 2011 et à bord du rover Perseverance, qui a atterri sur Mars en février 2021, pour la NASA.

En résumé, des mesures de prévention des maladies par une ventilation intelligente et fiable, basée sur des mesures précises du CO2, peuvent être renforcées sur Terre. De plus, une bonne qualité de l’air intérieur peut avoir des effets très positifs sur la santé et le bien-être des personnes dans les bâtiments.

Références :

1. Kampf, G. et al., (2020) Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents. Journal of Hospital Infection.
2. Ratnesar-Shumate, S. et al., (2020) Simulated sunlight rapidly inactivates SARS-CoV-2 on surfaces. The Journal of Infectious Diseases.
3. Organisation mondiale de la santé : https://www.who.int/news-room/q-a-detail/coronavirus-disease-covid-19-how-is-it-transmitted
4. Greenhalgh, T. et al., (2021) Ten scientific reasons in support of airborne transmission of SARS-CoV-2. The Lancet. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)00869-2 
5. Department of Health and Social Care, Royaume-Uni (2020) Un nouveau film montre l’importance de la ventilation pour réduire la propagation de la COVID-19. www.gov.uk/government/news/new-film-shows-importance-of-ventilation-to-reduce-spread-of-covid-19#:~:text=Coronavirus%20is%20spread%20through%20the,virus%20transmissions%20happen%20indoors.
6. Ricochet (2021) Il est temps que le gouvernement prenne au sérieux la transmission par aérosols de la COVID-19. https://ricochet.media/en/3423/there-is-still-time-to-address-aerosol-transmission-of-covid-19
7. Fennelly, K. P. (2020) Particle sizes of infectious aerosols: implications for infection control. The Lancet, Respiratory Medicine, Volume 8, Issue 9, P914-924.
8. Kudo, E. et al., (2019) Low ambient humidity impairs barrier function and innate resistance against influenza infection. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (22).
9. Allen J. G. et al., (2016) Associations of Cognitive Function Scores with Carbon Dioxide, Ventilation, and Volatile Organic Compound Exposures in Office Workers: A Controlled Exposure Study of Green and Conventional Office Environments. Environmental Health Perspectives 124:6 CID: https://doi.org/10.1289/ehp.1510037