Obniżenie ryzyka zakażenia dzięki inteligentnej wentylacji

Gdy wyjdziemy z pandemii, będzie interesujące zobaczyć, jak wygląda „nowa normalność”. Czy pracownicy wrócą w pełni do swoich biur? A może pojawi się nowa preferencja dla bardziej elastycznych godzin pracy i hybrydowego modelu pracy (praca z domu i z biura)? W każdym przypadku pojawi się nowa, zwiększona odpowiedzialność za uwzględnianie mikrobiologicznych zagrożeń, takich jak COVID-19, przy zapewnianiu bezpiecznych przestrzeni wewnętrznych.

W poniższym artykule Anu Kätkä, ekspertka ds. klimatu pomieszczeń z Vaisala (Finlandia), bada rolę, jaką odgrywają systemy wentylacyjne w ochronie osób w biurach i innych miejscach pracy przed przyszłymi zagrożeniami mikrobiologicznymi. Wyjaśnia również, dlaczego niezawodne pomiary dwutlenku węgla są kluczowe, ponieważ stanowią najlepszy wskaźnik skuteczności wentylacji.

Wnioski z COVID-19

COVID-19 jest wywoływany przez wirusa SARS-CoV-2, który przenosi się na dwa sposoby. Po pierwsze, wirusy mogą przetrwać na powierzchniach nawet przez kilka tygodni (1), szczególnie w chłodniejszych temperaturach pomieszczeń (2). W związku z tym możliwe jest przeniesienie choroby, gdy ludzie dotykają zakażonych powierzchni i przenoszą wirusa na usta, nos lub oczy. Po drugie, wirus może się rozprzestrzeniać w małych kroplach płynów wydobywających się z ust lub nosa zakażonych osób, gdy kaszlą, kichają, mówią lub oddychają. Te krople różnią się wielkością od większych aerozoli oddechowych do mniejszych aerozoli o średnicy poniżej 5 µm.

Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) podaje, że: przenoszenie przez aerozole może mieć miejsce w określonych warunkach, szczególnie w pomieszczeniach zamkniętych, przepełnionych i słabo wentylowanych, gdzie zakażone osoby spędzają dłuższy czas z innymi, takich jak restauracje, zajęcia fitness, kluby nocne, biura i miejsca kultu (3).

Niedawne publikacje w „The Lancet”, które wspierają hipotezę, że SARS-CoV-2 jest głównie przenoszony drogą powietrzną, zawierają „Dziesięć naukowych powodów popierających aerogenną transmisję SARS-CoV-2” (4).

Dzięki poznaniu dróg przenoszenia wirusa rządy mogą opracować odpowiednie strategie zwalczania rozprzestrzeniania się wirusa, takie jak noszenie masek, zachowanie dystansu, mycie rąk i dezynfekcja powierzchni. Ważne jest również, że rządy dostrzegły rosnące zagrożenie związane z przestrzeniami, i wydały rekomendacje dotyczące działań na zewnątrz oraz poprawy wentylacji.

W listopadzie 2020 roku brytyjski rząd opublikował film (5), w którym podkreśla się znaczenie wentylacji w ograniczaniu rozprzestrzeniania się COVID-19. W raporcie stwierdzono: „Badania wykazały, że w pomieszczeniu z czystym powietrzem ryzyko zakażenia cząstkami można zmniejszyć o ponad 70%”.

W styczniu 2021 roku setki ekspertów z Kanady (lekarze, naukowcy, specjaliści ds. bezpieczeństwa pracy, inżynierowie i pracownicy służby zdrowia) wystosowały otwarty list (6) do swojego premiera, w którym wzywają do „aktualizacji wytycznych COVID-19, przepisów dotyczących miejsc pracy i komunikacji publicznej, aby odzwierciedlały naukę — COVID-19 rozprzestrzenia się przez inhalowane aerozole”. Jedną z kluczowych rekomendacji w liście jest: „Zalecenie i stosowanie monitorów dwutlenku węgla (CO2) jako środka zastępczego w przypadku niewystarczającej wentylacji, aby zmniejszyć ryzyko przenoszenia na duże odległości w powietrzu. Podczas wybuchu gruźlicy ryzyko zakażenia wzrosło znacząco przy stężeniach CO2 powyżej 1000 ppm. Poprawa wentylacji budynków do poziomu 600 ppm CO2 zatrzymała wybuch choroby”.

Znaczenie wielkości cząstek

WHO twierdzi, że zakażone osoby wydają się najbardziej zaraźliwe tuż przed pojawieniem się objawów. Ponadto niektóre zakażone osoby są bezobjawowe. Dlatego logiczne jest założenie, że np. w środowisku biurowym główne zagrożenie NIE pochodzi od osób z ciężkimi objawami, takimi jak kaszel i kichanie, lecz od tych, które nie zdają sobie sprawy, że są chore. Te osoby wydychają z większym prawdopodobieństwem wirusowe aerozole o średnicy mniejszej niż 5 µm — cząstki, które nie przestrzegają zasad dystansu. Te drobne aerozole są podobne wielkością do cząstek dymu papierosowego, które jak wiadomo, nie osiadają łatwo i mogą się szeroko rozprzestrzeniać w słabo wentylowanych pomieszczeniach.

W niedawnym artykule opublikowanym w „The Lancet” (7) opisano badania nad aerozolami kaszlu i wydychanym powietrzem od pacjentów z różnymi infekcjami dróg oddechowych, które wykazują zaskakujące podobieństwa w rozkładzie wielkości aerozoli, przy czym patogeny znajdują się w małych cząstkach (
Wilgotność również wpływa na rozprzestrzenianie się aerozoli, ponieważ przy niskiej wilgotności aerozole stają się lżejsze i lepiej utrzymują się w powietrzu. Ponadto wykazano, że wilgotność wpływa na podatność na infekcje wirusowe, ponieważ narażenie na suchy powietrze osłabia odporność gospodarza na grypę, zmniejsza naprawę tkanek i powoduje ich degradację (8).

Środki zmniejszające ryzyko

Tradycyjne oceny ryzyka zdrowotnego i bezpieczeństwa dotyczą zagrożeń takich jak poślizgnięcia i potknięcia, ciężkie przedmioty, powtarzające się urazy, upadki, przeciążenie, porażenie prądem, pożar i praca w pojedynkę. Jednak aby tworzyć środowiska bezpieczne dla COVID-19, firmy muszą również uwzględnić ocenę ryzyka mikrobiologicznego. Konieczne jest zidentyfikowanie potencjalnych źródeł patogennych mikroorganizmów oraz ich dróg przenoszenia.

Środki dezynfekcji rąk mogą być dostępne, a powierzchnie regularnie dezynfekowane. Można wprowadzić procedury zmniejszające prawdopodobieństwo przenoszenia chorób, takie jak ekrany, zasady dystansu, a nawet rozpylanie dezynfekcji. Pomimo tych działań, zakażona osoba może szybko skażać duże obszary. Dlatego skuteczna wentylacja jest niezbędna, a system sterowania musi wykonywać dokładne i terminowe pomiary w każdym pomieszczeniu, aby móc szybko reagować. Niektóre systemy monitorują jedynie poziom CO2 w spalinach, co jednak nie pozwala na wykrycie problemów z niewystarczającą wentylacją w określonych pomieszczeniach.

Wybór optymalnego parametru pomiarowego

Jedną z głównych funkcji automatyki budynkowej lub systemu zarządzania budynkiem (GMS) jest kontrola komfortu termicznego i optymalizacja zużycia energii. Temperatura jest więc bez wątpienia najważniejszym parametrem sterowania w pomieszczeniach o dużym obciążeniu. Niektóre systemy mierzą i kontrolują również wilgotność, aby utrzymać względną wilgotność w zakresie 40–60%. Ma to na celu zdrowie i dobre samopoczucie ludzi, a także ochronę systemów komputerowych i zapobieganie problemom strukturalnym lub grzybowym w budynku.

Podczas pomiarów temperatury zazwyczaj nie występują odchylenia — inaczej jest jednak w przypadku tradycyjnych czujników wilgotności. Dlatego Vaisala HUMICAP® czujniki są preferowane ze względu na ich długoterminową stabilność i odporność na zakłócenia, takie jak kurz czy kondensacja. Te kapacytacyjne cienkowarstwowe czujniki wilgotności stały się standardem przemysłowym w wielu zastosowaniach, w których wymagana jest długotrwała, dokładna, niezawodna i bezobsługowa pomiar wilgotności.

Podwyższony poziom wilgotności może wskazywać na aktywność ludzką i słabą wentylację. Wilgotność jednak znacznie się różni w zależności od czynników zewnętrznych (np. warunków takich jak suszenie zamrażaniem czy wilgotność deszczowa), a nie od oddychania ludzi.

Podsumowując, monitorowanie temperatury i wilgotności odgrywa kluczową rolę w optymalizacji systemu GMS. Jednak tam, gdzie menedżerowie obiektów muszą uwzględniać obciążenie pomieszczeń przez ludzi i ograniczać zanieczyszczenia powietrza pochodzące od nich, dwutlenek węgla (CO2) jest idealnym dodatkowym parametrem do automatycznego sterowania wentylacją.

Wykorzystanie pomiaru CO2 jako wskaźnika skutecznej wentylacji

Dwutlenek węgla (CO2) jest wydychany przez ludzi podczas oddychania. Nagromadzenie CO2 wskazuje, że (a) w pomieszczeniu znajdują się osoby oraz (b) wentylacja jest niewystarczająca. Dobry system wentylacyjny powinien to wykrywać i automatycznie dostosowywać odpowiedni poziom wentylacji. System musi działać automatycznie i być zdolny do wentylacji poszczególnych pomieszczeń, aby każde z nich było optymalnie wentylowane — bez marnowania energii, co może się zdarzyć przy nadmiernej lub niepotrzebnej wentylacji.

Korzyści z monitorowania CO2 i wilgotności niezwiązane z COVID-19

Standard Green ASHRAE 189.1 (USA) oraz europejska norma FprEN 16798-3 zalecają stosowanie systemów wentylacji dostosowanych do potrzeb, aby zmniejszyć zużycie energii i jednocześnie zapewnić czyste powietrze w pomieszczeniach.

Z punktu widzenia rozwoju HVAC, CO2 jest idealnym wskaźnikiem jakości powietrza w pomieszczeniach, które są głównie użytkowane przez ludzi. Wilgotność byłaby albo lepszym, albo przynajmniej przydatnym dodatkiem, szczególnie w budynkach przechowujących dzieła sztuki, książki, wino, zabytkowe artefakty itp., albo w budynkach, które same muszą być poddane renowacji.

Zazwyczaj powietrze zewnętrzne zawiera od 250 do 400 ppm CO2. W przeciwieństwie do tego, wydychane powietrze zawiera około 50 000 ppm CO2, co stanowi 100-krotny wzrost w porównaniu do wdychanego gazu. Bez odpowiedniej wentylacji poziom CO2 w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, stopniowo rośnie.

Zarówno samopoczucie, jak i wydajność ludzi w budynkach mogą być wpływane przez poziom CO2. Pomieszczenia o dużym obciążeniu i dobrej wymianie powietrza zawierają około 350 do 1000 ppm, ale wszystko powyżej tego może powodować senność, bóle głowy, zmniejszoną koncentrację, utratę uwagi, podwyższone tętno i lekkie nudności. Ekspozycja na bardzo wysokie stężenia (np. przez olejowe lub gazowe palniki albo wycieki gazu) może nawet prowadzić do uduszenia.

Zalecane minimalne wartości wentylacji są określone w „ANSI/ASHRAE-Standard 62.1-2019 Wentylacja dla akceptowalnej jakości powietrza w pomieszczeniach”.

W wielu badaniach analizowano wpływ stężenia CO2 na funkcje poznawcze. Na przykład, w badaniu Allen i in. (2016) (9) stwierdzono, że wyniki funkcji poznawczych przy umiarkowanym poziomie CO2 (~945 ppm) były o 15% niższe, a przy poziomie około 1400 ppm — o 50% niższe w porównaniu z dwoma „Zielonymi+” dniami (~540 ppm). Średnio, wzrost CO2 o 400 ppm wiązał się z obniżeniem wyników poznawczych o 21%. Dlatego systemy wentylacji dostosowujące się do stężenia CO2 mogą przyczyniać się do poprawy samopoczucia i wydajności, a ich korzyści znacznie przewyższają koszty samego systemu.

Wybór odpowiedniego czujnika pomiaru CO2

Ważne jest, aby oprzeć się pokusie zakupu najtańszych czujników spełniających wymagania techniczne. Chociaż dokładność i zakres są istotne, to od stabilności czujników zależy długoterminowa wydajność systemu GMS.

Dostawcy systemów HVAC preferują oczywiście czujniki, które można „ustawić i zapomnieć”. W związku z tym należy wybierać czujniki, które nie wymagają częstej kalibracji, aby uniknąć odchyleń. Proces wyboru komplikuje się, gdy czujniki deklarują, że kompensują odchylenia za pomocą oprogramowania, które zakłada, że najniższe odczyty odpowiadają stężeniu CO2 na zewnątrz. Zagrożeniem takiego algorytmu jest to, że drobne błędy mogą się z czasem nasilać, prowadząc do poważnych błędów w dłuższym okresie. Aby uniknąć konieczności rzeczywistej kalibracji, takie czujniki oprogramowania nie są odpowiednie do pomieszczeń o dużym obciążeniu i mogą być oszukiwane przez systemy automatyki budynkowej, które ograniczają dopływ świeżego powietrza poza szczytami. W niektórych przypadkach beton w ścianach może pochłaniać CO2, co również może „oszukać” algorytm i powodować dalsze niedokładności.

Może wystąpić niewielki konflikt interesów między dostawcami/systemami GMS a właścicielami budynków/zarządcami obiektów. Pierwsi muszą mieć system, który działa natychmiast i co najmniej przez okres gwarancji, a drudzy oczekują długoterminowej niezawodności.

Koszt dobrego czujnika traci na znaczeniu w porównaniu do korzyści, jakie przynosi. Oszczędności energii wynikające z precyzyjnego, dostosowanego do potrzeb sterowania mogą być znaczne. Co ważniejsze, celem jest ochrona zdrowia i dobrego samopoczucia osób w budynku oraz poprawa warunków pracy.

Dlatego idealnym rozwiązaniem jest wybór czujników Vaisala CARBOCAP® CO2. Wykorzystują one technologię NDIR o podwójnej częstotliwości, która skutecznie działa w różnych środowiskach i potrafi przeprowadzić prawdziwą samokalibrację z wewnętrzną referencją. Koszt tej technologii jest znikomy w porównaniu do kosztów energii systemu GMS, który jest nieefektywny, lub kosztów konserwacji, gdy tańsze czujniki się psują lub odmawiają posłuszeństwa.

Nie jest rzadkością, że czujniki Vaisala mogą działać bez zakłóceń nawet do 15 lat. Ta stabilność i niezawodność są powszechnie uznawane na całym świecie. Czujniki Vaisala są nadal używane na Marsie, m.in. na łaziku Curiosity od 2011 roku i na łaziku Perseverance, który wylądował na Marsie w lutym 2021 roku, w misjach NASA.

Podsumowując, na Ziemi można coraz skuteczniej zwiększać działania zapobiegające chorobom poprzez inteligentną wentylację i niezawodne pomiary CO2. Co więcej, dobra jakość powietrza w pomieszczeniach może mieć wyraźnie pozytywny wpływ na zdrowie i samopoczucie ludzi w budynkach.

Spis źródeł:

1. Kampf, G. i in., (2020) Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal agents. Journal of Hospital Infection.
2. Ratnesar-Shumate, S. i in., (2020) Simulated sunlight rapidly inactivates SARS-CoV-2 on surfaces. The Journal of Infectious Diseases.
3. Światowa Organizacja Zdrowia: https://www.who.int/news-room/q-a-detail/coronavirus-disease-covid-19-how-is-it-transmitted
4. Greenhalgh, T. i in., (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, Wielka Brytania (2020) Nowy film pokazuje znaczenie wentylacji w ograniczaniu rozprzestrzeniania 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) Czas, aby rząd poważnie potraktował transmisję aerozolową 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, Tom 8, Numer 9, P914-924.
8. Kudo, E. i in., (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. i in., (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