Vermindering van het infectierisico door intelligente ventilatie

Wanneer we uit de pandemie komen, zal het interessant zijn om te zien hoe de „nieuwe normaliteit“ eruitziet. Zullen werknemers volledig terugkeren naar hun kantoren? Of zal er een nieuwe voorkeur ontstaan voor flexibelere werktijden en voor hybride werken (thuiswerken en kantoor)? In ieder geval zal er een nieuwe, verhoogde verantwoordelijkheid komen om microbiologische gevaren zoals COVID-19 mee te nemen in de inrichting van veilige binnenruimtes.

In het volgende artikel onderzoekt Anu Kätkä, een expert op het gebied van binnenklimaat bij Vaisala (Finland), de rol die ventilatiesystemen spelen bij het beschermen van personen in kantoren en andere werkruimtes tegen toekomstige microbiologische bedreigingen. Ze legt ook uit waarom betrouwbare metingen van kooldioxide van cruciaal belang zijn, omdat dit de beste maat is voor een effectieve ventilatie.

Inzichten uit COVID-19

COVID-19 wordt veroorzaakt door het SARS-CoV-2-virus, dat op twee manieren wordt overgedragen door geïnfecteerde personen. Ten eerste kunnen virussen op oppervlakken tot meerdere weken overleven (1), vooral bij koelere kamertemperaturen (2). Daardoor is overdracht mogelijk wanneer mensen geïnfecteerde oppervlakken aanraken en het virus overbrengen op mond, neus of ogen. Ten tweede kan het virus zich verspreiden via kleine vloeistofdeeltjes uit de mond of neus van geïnfecteerde personen, bijvoorbeeld bij hoesten, niezen, praten of ademhalen. Deze vloeistofdeeltjes variëren van grotere druppels tot kleinere aerosolen met een diameter van minder dan 5 µm.

De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) geeft aan: De aerosoloverdracht kan plaatsvinden in bepaalde omgevingen, vooral binnen, in overvolle en slecht geventileerde ruimtes, waar geïnfecteerde personen langere tijd met anderen verblijven, zoals in restaurants, fitnesslessen, nachtclubs, kantoren en/of gebedshuizen (3).

Een recent verschenen publicatie in The Lancet, die de hypothese ondersteunt dat SARS-CoV-2 vooral via de lucht wordt overgedragen, leverde „Tien wetenschappelijke redenen voor de aerogene overdracht van SARS-CoV-2“ (4).

Door inzicht in de overdrachtswegen konden overheden passende strategieën ontwikkelen om virusoverdracht te bestrijden, bijvoorbeeld met maatregelen zoals mondkapjes, afstand houden, handen wassen en oppervlaktedisinfectie. Het is ook belangrijk dat overheden de toenemende dreiging door ruimtes met aanbevelingen voor activiteiten in de buitenlucht en verbeterde ventilatie onderkennen.

In november 2020 publiceerde de Britse overheid een video (5), waarin het belang van ventilatie wordt benadrukt om de verspreiding van COVID-19 te verminderen. In haar rapport staat: „Onderzoeken tonen aan dat het risico op infectie in een ruimte met verse lucht met meer dan 70% kan worden verminderd door aerosoldeeltjes.“

In januari 2021 schreven honderden Canadese experts (artsen, wetenschappers, arbeidsveiligheidsexperts, ingenieurs en verpleegkundigen) een open brief (6) aan hun premier, waarin zij hem oproepen om „de COVID-19-richtlijnen van de provincie, de arbeidsvoorschriften en de openbare communicatie bij te werken om de wetenschap weer te geven – COVID-19 verspreidt zich via ingeademde aerosolen.“ Een van de belangrijkste aanbevelingen in de brief luidt: „Aanbeveling en inzet van kooldioxide (CO2)-monitors als vervangende maatregel bij onvoldoende ventilatie om het overdrachtsrisico over grote afstanden in de lucht te verminderen. Tijdens een tuberculose-uitbraak werd het risico op tuberculose-infectie aanzienlijk verhoogd bij CO2-concentraties boven 1000 ppm. Door de ventilatie van gebouwen te verbeteren tot een CO2-concentratie van 600 ppm, werd de uitbraak gestopt.“

Het belang van deeltjesgrootte

De WHO stelt dat geïnfecteerde personen het meest besmettelijk lijken te zijn kort voordat ze symptomen ontwikkelen. Daarnaast zijn sommige geïnfecteerde personen asymptomatisch. Het is daarom logisch te veronderstellen dat in bijvoorbeeld een kantooromgeving de belangrijkste bedreiging NIET van personen met zware symptomen zoals hoesten en niezen uitgaat, maar van mensen die niet doorhebben dat ze ziek zijn. Deze mensen ademen met grotere waarschijnlijkheid virale aerosolen uit met een diameter van minder dan 5 µm – deeltjes die de afstandsregels niet naleven. Deze fijne aerosolen zijn ongeveer even groot als deeltjes in sigarettenrook, die bekend staan om hun moeilijkheid om zich te laten afscheiden en die zich in slecht geventileerde ruimtes ver kunnen verspreiden.

In een recent gepubliceerd artikel in The Lancet (7) worden studies beschreven over hoest-aerosolen en uitgeademde adem van patiënten met verschillende luchtweginfecties, die opvallende overeenkomsten vertonen in de verdeling van de deeltjesgrootte, waarbij ziekteverwekkers voorkomen in kleine deeltjes (

Vocht beïnvloedt eveneens de verspreiding van aerosolen, omdat bij een lage luchtvochtigheid aerosolen lichter worden en daardoor beter in de lucht blijven hangen. Bovendien is aangetoond dat vochtigheid de vatbaarheid voor virusinfecties beïnvloedt, omdat blootstelling aan droge lucht de afweer van de gastheer tegen influenza-infecties verslechtert, het weefselherstel vermindert en celdood veroorzaakt (8).

Maatregelen ter risicoreductie

Gebruikelijke gezondheids- en veiligheidsrisicobeoordelingen richten zich op gevaren zoals uitglijden en struikelen, zware voorwerpen, herhaalde blessures, valpartijen, belasting, stroomstoten, brand en eenzame arbeid. Om echter COVID-veilige omgevingen te creëren, moeten bedrijven ook een beoordeling maken van microbiologisch risico. Het is daarom noodzakelijk om potentiële bronnen van pathogene micro-organismen en hun overdrachtswegen te identificeren.

Handdesinfectiemiddelen kunnen worden verstrekt en oppervlakken regelmatig worden gedesinfecteerd. Er kunnen procedures worden vastgesteld om de kans op ziekteoverdracht te verkleinen, bijvoorbeeld door displays, afstandsregels en zelfs het verstuiven van desinfectiemiddelen. Ondanks al deze maatregelen kan een geïnfecteerde persoon snel grote gebieden besmetten. Een effectieve ventilatie is daarom onmisbaar, en het besturingssysteem moet nauwkeurige en tijdige metingen in elke ruimte uitvoeren, zodat het snel kan reageren. Sommige systemen monitoren mogelijk alleen CO2 in de uitlaatgassen. Dit biedt echter niet de mogelijkheid om problemen met slechte ventilatie in bepaalde ruimtes te detecteren.

Selectie van de optimale meetparameter

Een van de belangrijkste functies van gebouwbeheersystemen (GBS) is het regelen van thermisch comfort en het optimaliseren van het energieverbruik. Temperatuur is daarom ongetwijfeld de belangrijkste regelparameter in bezette ruimtes. Sommige systemen meten en regelen ook de vochtigheid om een relatieve vochtigheid tussen 40 en 60% te handhaven. Dit bevordert de gezondheid en het welzijn van mensen, beschermt computersystemen en voorkomt structurele of schimmelgerelateerde problemen in het gebouw.

Temperatuurmetingen verlopen over het algemeen zonder afwijkingen – anders bij conventionele vochtigheidssensoren. Daarom worden Vaisala HUMICAP®-sensoren geprefereerd vanwege hun lange termijn stabiliteit en ongevoeligheid voor verstoringen zoals stof en condensatie. Deze capacitieve dunfilm-vochtigheidssensoren zijn uitgegroeid tot de industriestandaard in diverse toepassingen waar langdurige nauwkeurige, betrouwbare en onderhoudsvrije vochtmeting vereist is.

Een verhoogde vochtigheid kan wijzen op menselijke activiteit en slechte ventilatie. Vocht varieert echter sterk door externe factoren (bijvoorbeeld omstandigheden zoals vriesdroging of regenachtige vochtigheid) in plaats van door menselijke ademhaling.

Samengevat is het monitoren van temperatuur en vochtigheid essentieel voor het optimaliseren van een GBS. Maar waar facilitair managers de bezetting van ruimtes door personen in overweging nemen en de door mensen veroorzaakte schadstofbelasting van de lucht willen verminderen, is CO2 de ideale aanvullende parameter voor automatische ventilatieregeling.

Gebruik van kooldioxide-metingen als indicator voor effectieve ventilatie

Kooldioxide (CO2) wordt door mensen uitgeademd tijdens het ademen. Een ophoping van CO2 geeft aan dat (a) personen in de ruimte aanwezig zijn en (b) de ventilatie onvoldoende is. Een goed ventilatiesysteem zou dit dus moeten detecteren en automatisch de juiste ventilatie kunnen toepassen. Het systeem moet automatisch werken en in staat zijn om afzonderlijke ruimtes te ventileren, zodat elke ruimte optimaal wordt geventileerd – en er geen energie wordt verspild, wat kan gebeuren bij te sterke of onnodige ventilatie.

Nadelen van CO2- en vochtigheidsmonitoring buiten COVID-19

De ASHRAE Green Standard 189.1 (VS) en de Europese norm FprEN 16798-3 bevelen het gebruik aan van vraaggestuurde ventilatiesystemen om het energieverbruik te verminderen en tegelijkertijd te zorgen voor schone binnenlucht.

Vanuit het oogpunt van HVAC-ontwikkeling is CO2 een ideale indicator voor de luchtkwaliteit in ruimtes die vooral door mensen worden gebruikt. Vochtigheid zou een betere of op zijn minst een nuttige aanvullende parameter zijn, vooral in gebouwen waar kunstwerken, boeken, wijn, historische artefacten enzovoort worden bewaard, of in gebouwen die zelf gerestaureerd moeten worden.

Normaal bevat buitenlucht tussen de 250 en 400 ppm CO2. Daarentegen bevat uitgeademde adem ongeveer 50.000 ppm CO2, wat een 100-voudige toename is ten opzichte van ingeademde lucht. Zonder voldoende ventilatie stijgt het CO2-gehalte in ruimtes waar mensen verblijven geleidelijk.

Zowel het welzijn als de prestaties van personen in gebouwen kunnen worden beïnvloed door het CO2-gehalte. Drukke ruimtes met goede luchtverversing bevatten ongeveer 350 tot 1000 ppm, maar alles daarboven kan sufheid veroorzaken, terwijl waarden boven 2000 ppm hoofdpijn, slaperigheid, concentratieproblemen, verminderde aandacht, verhoogde hartslag en lichte misselijkheid kunnen veroorzaken. Blootstelling aan zeer hoge concentraties (bijvoorbeeld door olie- of gasbranders of gaslekken) kan zelfs leiden tot verstikking.

De aanbevolen minimale ventilatiesnelheden worden vermeld in de „ANSI/ASHRAE-Standard 62.1-2019 Ventilatie voor acceptabele binnenluchtkwaliteit“ voor verschillende soorten ruimtes.

Verschillende studies hebben de invloed van CO2-concentraties op cognitieve functies onderzocht. Zo werd in Allen et al. (2016) (9) vastgesteld dat de cognitieve functiewaarden op een gematigde CO2-dag (~945 ppm) met 15% lager waren en op een dag met CO2-concentraties rond de 1400 ppm met 50% lager dan op twee „Groen+“-dagen (~540 ppm). Gemiddeld ging een stijging van 400 ppm CO2 gepaard met een afname van 21% in de cognitieve scores van een gemiddelde deelnemer. Op basis van CO2-metingen kunnen vraaggestuurde ventilatiesystemen dus leiden tot verbeteringen in welzijn en productiviteit, die de kosten van het vraaggestuurde ventilatiesysteem zelf ruimschoots overtreffen.

Keuze van de juiste CO2-meter

Het is belangrijk om de verleiding te weerstaan om de goedkoopste sensoren te kopen die aan de vereiste specificaties voldoen. Want hoewel nauwkeurigheid en bereik belangrijk zijn, hangt de continue prestaties van het GBS af van de stabiliteit van de sensoren.

Leveranciers van HVAC-systemen geven natuurlijk de voorkeur aan sensoren die u „aanpassen en vergeten“ kunt. Daarom moeten sensoren worden gekozen die geen frequente herkalibratie vereisen om afwijkingen te voorkomen. Het selectieproces wordt echter verder bemoeilijkt door sensoren die aangeven dat afwijkingen worden gecompenseerd door een softwareoplossing die ervan uitgaat dat de laagste gemeten waarden overeenkomen met de gemiddelde CO2-concentratie buiten. Het gevaar van dit soort algoritme is dat kleine fouten in de loop van de tijd worden versterkt, wat op lange termijn leidt tot uiterst significante fouten. Als poging om echte kalibratie te vermijden, zijn deze softwarealgoritmesensoren niet geschikt voor ruimtes die continu in gebruik zijn, en kunnen ze ook worden misleid door gebouwautomatiseringssystemen die de frisse-luchtinlaat buiten de piekuren sterk verminderen. In sommige gevallen kan zelfs het beton in de muren CO2 absorberen, waardoor het algoritme wordt "geïntimideerd" en verdere onnauwkeurigheden ontstaan.

Er bestaat een lichte potentiële belangenconflict tussen GBS-leveranciers/-installateurs en gebouwbezitters/-facilitair managers. Bij de eerste moet het systeem onmiddellijk en minimaal gedurende de garantieperiode perfect functioneren, terwijl de laatste een meer lange termijn eis stellen.

De kosten van een goede sensor worden minder belangrijk in vergelijking met de voordelen die het biedt. Energiebesparingen door nauwkeurige vraaggestuurde regelingen kunnen aanzienlijk zijn. Nog belangrijker is dat de gezondheid en het welzijn van de mensen in het gebouw worden beschermd en dat de binnenruimtecondities de werkprestaties verbeteren.

De ideale oplossing is daarom het gebruik van Vaisala CARBOCAP® CO2-sensoren. Deze maken gebruik van een bifrequente NDIR-technologie die succesvol is in diverse omgevingen en een echte zelfkalibratie met een interne referentie kan uitvoeren. De kosten van deze technologie zijn in vergelijking met de energiekosten van een inefficiënt GBS of de onderhoudskosten, wanneer goedkope sensoren afwijkingen vertonen of uitvallen, verwaarloosbaar.

Het is niet ongebruikelijk dat Vaisala-sensoren tot 15 jaar probleemloos kunnen functioneren. Deze stabiliteit en betrouwbaarheid worden wereldwijd erkend. Vaisala-sensoren worden onder andere gebruikt op de Mars-rover Curiosity (2011) en aan boord van de Perseverance-rover, die in februari 2021 op Mars landde, in samenwerking met NASA.

Samengevat kan worden gesteld dat op aarde maatregelen ter preventie van ziekten door slimme ventilatie met betrouwbare CO2-metingen verder kunnen worden versterkt. Bovendien kan een goede binnenluchtkwaliteit een duidelijke positieve invloed hebben op de gezondheid en het welzijn van mensen in gebouwen.

Bronnen:

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. Wereldgezondheidsorganisatie: 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, Verenigd Koninkrijk (2020) Nieuwe film toont belang van ventilatie om verspreiding van COVID-19 te verminderen. 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) Tijd voor de overheid om aerosoloverdracht van COVID-19 serieus te nemen. 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