Эффективная вентиляционная система – инструмент борьбы с вирусной инфекцией

Jinkyun Cho, Ph.D, исследователь в KCL, Южная Корея, член ASHRAE;

Kyunghun Woo, исследователь в Samsung C&T Corporation, Южная Корея;

Byungsedn S. Kim, Ph.D, профессор Yonsei University, Южная Корея, член ASHRAE

В   больницах риск распространения загрязненного воздуха в основном зависит от направления воздушных потоков и его смены, возникающей в связи с расположением приточных и вытяжных воздухорас­пределителей. Улучшенная стратегия вентиляции в ИБ является самой продуктивной в устранении загрязнения, она базируется на наблюдениях и результатах моделирования от трех типов систем воздухоподготовки.

Вспышки коронавирусов (заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем (см. ^*)) в больницах повышают риск инфицирования пациентами медработников и других пациентов. В основном из-за плохой вентиляции и слабой дезинфекции в больнице, КБРС-вирусы (см. ^*)) начали быстро распространяться среди пациентов, посетителей и даже медработников. План ИБ с отрицательным давлением включает в себя комплексный процесс решений.

ВОЗДУШНО-КАПЕЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА

*) Воздушно-капельная передача – один из наиболее частых видов распространения инфекционных заболеваний, таких как оспа и туберкулез. Более 8 000 зарегистрированных случаев атипичной пневмонии повлекли за собой 774 случая летального исхода и подтолкнули к волне исследований и стандартизации медицинского оборудования в сфере заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем. В мае 2015 года во время вспышки коронавируса ближневосточного респираторного синдрома (КБРС) в Южной Корее 36 пациентов погибли и 186 человек были инфицированы.

Критичными параметрами дизайн-проекта являются технические параметры вентиляционной системы, местоположение, планировка, внутренняя отделка и оснащение ИБ. С учетом локации приточного и вытяжного воздуха риск распространения вируса в больнице зависит от смены движения и направления воздушных потоков.

Создание отрицательного давления в инфекционном блоке

Как показано в табл. 1, технические требования к ИБ при отрицательном давлении варьируются от страны к стране. ИБ должны быть спроектированы таким образом, чтобы доставлять чистый воздух из чистой зоны в загрязненную. Согласно стандарту ASHRAE¹, разница давлений требует сохранять отрицательное давление как минимум 2,5 Па. Актуальный уровень отрицательного давления будет зависеть от нескольких факторов: разницы объемов приточного (SA) и вытяжного (EA) воздуха; направления воздушных потоков; месторасположения точек, откуда происходит подача приточного воздуха и конструктивное наполнение палаты экстренной медицинской помощи. Для сохранения отрицательного давления в комнате объем вытяжного воздуха должен быть на 10 % больше объема приточного. В помещении с высокой воздухопроницаемостью система кондиционирования воздуха может оказаться неспособной обеспечить необходимый перепад в потоках приточного и вытяжного воздуха. Чтобы снизить концентрацию загрязнения, в существующих учреждениях здраво­охранения требуется обеспечить в инфекционных блоках кратность воздухообмена по крайней мере 6 ч^–1.

Таблица 1 Стандарты дизайна для ИБ для предотвращения загрязнения воздуха

Проблемой может быть то, что вентиляционная система в инфекционных блоках может допускать смешивание воздушных потоков и неприемлемый характер обтекания воздушным потоком поверхностей внутри ИБ. В идеале подготовленный чистый приточный воздух нужно подавать в зону рядом с медработником и удалять воздух из зоны нахождения пациентов. В традиционной схеме воздухообмена в ИБ используется система верхней (потолочной) подачи приточного и удаления вытяжного воздуха и/или установка рециркуляции воздуха с НЕРА-фильтром, таким как фильтровентиляционный модуль (fan filter unit, FFU).

При решении, показанном на рис. 1а, в некоторых местах комнаты концентрация загрязнения от источника инфицирования может из-за смешивания воздушных потоков в ИБ снижаться недостаточно, то есть приточный воздух движется по направлению к персоналу, однако воздух вблизи пациента не удаляется. В результате возникает высокий риск инфицирования пациентом медработника.

Рис. 1. Варианты вентиляционных систем в инфекционном блоке: а) типичная; b) усовершенствованная

Усовершенствованная схема системы вентиляции (рис. 1b) имеет более удачное расположение: вытяжные решетки установлены на стене у изголовья кровати на уровне пола, а на потолке со стороны изножья кровати предусмотрены приточные диффузоры. Вытяжные решетки должны быть расположены на высоте 150 мм от поверхности пола. Данная организация системы вентиляции была принята в нескольких больницах, однако пространство перед вытяжной решеткой при подобном расположении зачастую заставлено различными предметами, например медицинской мебелью. Поскольку места подачи приточного и удаления вытяжного воздуха очень важны, две настенные вытяжные решетки вместе с фильтровентиляционным модулем (FFU) должны быть установлены так, чтобы эффективно устранять загрязненный воздух (рис. 2). Конечная цель исследования – найти оптимальный вариант системы вентиляции, основным параметром которой является концентрация загрязняющих веществ, что позволяет придерживаться передовых методов проектирования.

Рисунок 2. Эффективный вариант установки вытяжных решеток для системы вентиляции в инфекционном блоке

Цифровое моделирование для системы вентиляции в инфекционном блоке

Схемы вычислительной гидродинамики (CFD) в цифровом моделировании

Исследование динамики воздушного потока и загрязнения воздуха в условиях, когда пациент кашляет, проведено на трех CFD-моделях. Местонахождение медработника, пациента, расположение дверей санузла и прихожей (тамбура), а также потоки приточного и вытяжного воздуха для ситуаций, проанализированных в данном исследовании, показаны на рис. 3.

Рис. 3. Моделирование вычислительной газодинамики в различных вентиляционных системах: а) вариант 1; b) вариант 2; c) вариант 3, и схема воздухоподготовки в инфекционном блоке с окружающими объектами

Площадь комнаты составляет 16 м², высота потолка – 2,6 м² (с учетом подвесного потолка). Тепловая нагрузка с учетом присутствия четырех человек (1 пациент и 3 медработника) предположительно составила 248 Вт (15,5 Вт/м²). Теплопоступления от освещения достигают 11,9 Вт/м². В комнате на восточной стене расположено окно, теплопоступления через которое составляют 30 Вт/м². Остальные наружные стены являются изолированными (отсутствие теплопритоков). Таким образом, общая тепловая нагрузка в ИБ равна 56,8 Вт/м².

Общий объем и температура приточного воздуха составляют соответственно 500 м³/ч и 16,4 ⁰С. Через дверь тамбура дополнительно поступает 100 м³/ч приточного воздуха. В подвесном потолке размещены прямоугольные диффузоры, каждый из которых имеет расход 250 м³/ч. Количество вытяжного воздуха составляет не менее 400 м³/ч; кроме того, через ванную комнату (санузел) дополнительно удаляется 200 м³/ч. Таким образом, общий расход вытяжного воздуха равен 600 м³/ч.

Исследование инфекционного блока предполагало контроль по отрицательному давлению при полностью закрытых дверях. Вначале применялись традиционные решения для зоны воздушных потоков. Потом в течение длительного времени индикаторный газ подавался в ИБ, а точнее прямо в ротовую полость выполняющего роль пациента манекена (далее – пациент). Источник заражения (рот пациента) находился на высоте 0,9 м над уровнем пола. Возможные траектории движения загрязненного пациентом воздуха анализировались путем отслеживания движения потока воздуха (табл. 2). Основное внимание уделялось высвобождению патогенных микроорганизмов с низким импульсом (иными словами, сильный кашель не рассматривался), и предполагалось, что большая часть болезнетворных организмов, находящихся на уровне лица пациента, станет распространяться с потоком воздуха и не будет оседать на различных поверхностях.

Таблица 2 Предельные условия при стандартной скорости воздухообмена

Рассмотрены три варианта местоположения вытяжных решеток (табл. 3) при условии, что во всех трех случаях потолочные приточные диффузоры расположены с левой стороны от головы пациента:

Таблица 3 Предельные условия вытяжного воздуха для вентиляционных решений

• Вариант 1: вытяжные решетки находятся на потолке около двери сан­узла (рис. 3а).

• Вариант 2: вытяжные решетки установлены под кроватью пациента на высоте 0,2 м над уровнем пола (рис. 3b).

• Вариант 3: вытяжные решетки находятся на стене за головой пациента на высоте 0,2 м над уровнем пола (рис. 3с).

Результаты цифрового моделирования

По каждому из трех вариантов было смоделировано распространение инфекции от пациента и распределение воздушного потока в ИБ (рис. 4) и показан уровень респирации медработников во время обслуживания пациента.

Рисунок 4 (подробнее)   Результаты моделирования изменения концентрации гексафторида серы с указанием местоположения медработников (HCW) и график вектора скорости при разных схемах вентиляции: а) вариант 1; b) вариант 2; c) вариант 3

В некоторых зонах наблюдался застой воздуха с высокой концентрацией загрязнения. Наблюдался переток воздуха между приточными диффузорами и вытяжными решетками. Моделирование с применением методов CFD-моделирования показало, как предотвратить в инфекционном блоке распределение загрязнения воздуха, основываясь на анализе полученного спектра распределения потоков воздуха. Отметим, что абсолютное значение концентрации загрязнения в данном исследовании не имеет значения, важнее относительный профиль концентрации между различными системами вентиляции.

Таблица 4 Предельный уровень заражения медработников

Значения концентрации загрязнения, которому подвержены медработники, приведены в табл. 4. Система вентиляции в варианте 1 имеет самые высокие значения концентрации загрязнения – от 33,1 до 72,7 ppm. Самая низкая концентрация во всех трех вариантах наблюдается около медработника 3 (HCW-3), а самая высокая – около медработника 1 (HCW-1). Во время обслуживания пациента медработник, скорее всего, будет находиться на расстоянии 1,4 м, где более высокий уровень воздействия загрязняющих веществ.

Это показывает, что вариант 1 – неэффективное решение для удаления загрязнения из ИБ. По сравнению с вариантом 1 схемы вентиляции в вариантах 2 и 3 обеспечивают более низкие значения концентрации загрязняющих веществ, соответственно в диапазонах 25,1–34,4 и 21,2–24,4 ppm.

При обслуживании медработниками пациента разница в уровне загрязнения оказалась существенной (табл. 5). На расстоянии 1,4 м от пациента средний уровень концентрации загрязнения в варианте 2 ниже на 11,9 %, чем в варианте 1. Наиболее эффективным решением по удалению загрязнения из ИБ является вариант 3, который по сравнению с вариантами 1 и 2 эффективнее соответственно на 24,2 и 14,0 %. Средняя концентрация во всей комнате при варианте 2 ниже по сравнению с вариантом 1 на 22,7 %. Уровень концентрации в варианте 3 составляет 34,8 ppm, что ниже по сравнению с вариантами 1 (48,4 ppm) и 2 (37,4 ppm).

Таблица 5 Процентная разница концентрации загрязнения по трем вентиляционным решениям

Система вентиляции, организованная по варианту 3, является лучшей для удаления загрязнений в воздухе из рассматриваемых и при любом раскладе улучшает эффективность очистки воздуха, поскольку чистый воздух движется от медработника к пациенту. Использование схемы с одним проходом помогает снизить риск передачи инфекции от пациента медработнику.

Полученные результаты подтвердили, что местоположение вытяжных решеток непосредственно за головой пациента может обеспечить потенциально готовую траекторию для удаления загрязненного воздуха из инфекционного блока без эффекта значительной рециркуляции и перетоков в поток приточного воздуха. Комбинация по местоположению и типам приточных диффузоров, а также уровню приточного и вытяжного воздуха в комнате может влиять на характер воздушного потока в ИБ, который в данном дизайн-проекте является довольно специфичным. Воздушный поток у кровати пациента скоростью ниже, чем 0,25 м/с, находится в рамках рекомендуемого порогового значения скорости движения воздуха.

Комплексные измерения в эксплуатационных условиях

С учетом полученных результатов при исследовании и сравнении различных систем вентиляции, в медицинском центре S, расположенном в Сеуле (Южная Корея), было принято решение внедрить систему вентиляции по варианту 3 для создания отрицательного давления в инфекционном блоке (ИБ). Для проведения комплексных измерений в эксплуатационных условиях в рамках проекта в этой больнице в 2016 году установлено соответствующее оборудование.

Исследование было проведено в инфекционном блоке, расположенном на втором этаже в новой трехэтажной изолированной от основного здания медицинского центра пристройке (изоляторе) до ее официального открытия. Новый изолятор имеет шесть ИБ с отрицательным давлением и два блока интенсивной терапии (БИТ). На втором этаже расположено четыре ИБ с коридором. Изолятор имеет на каждом этаже отдельную систему вентиляции с постоянным расходом воздуха (CAV), которая обеспечивает 100-процентную подачу свежего воздуха. Необходимая фильтрация была достигнута благодаря использованию восьми фильтров с информативным показателем минимальной эффективности (ИПМЭ). В прихожей (тамбуре) сохранялось давление –2,6 Па по отношению к коридору (рис. 5а), когда дверь между коридором и тамбуром была закрыта.

Рисунок 5 (подробнее)   а) разница давлений между комнатами; b) комната испытаний и предметы измерения; с) местоположение пробоотборников в ИБ

Таким же образом корректно функционирующий ИБ поддерживал давление –3,8 Па относительно тамбура при условии закрытой между ними двери. Каждые два ИБ имеют собственные санузлы, но общий тамбур. Воздух в ИБ удалялся через вытяжки санузлов. В ИБ также были установлены два приточных диффузора и одна вытяжная решетка на потолке и две вытяжные решетки на стене, расположенные за головой пациента на высоте 0,2 м от пола.

В исследовании использовались уникальные свойства гексафторида серы (SF6), делающие данный инертный газ наглядным индикатором при изучении воздушного потока, создаваемого вентиляционными системами. Это очень важно при определении области рассеивания выдыхаемого пациентом воздуха, являющегося источником загрязнения или патогена.

Общая кратность воздухообмена в инфекционном блоке составила 12 ч^–1. Места отбора проб и впрыскивания газа в ИБ показаны на рис. 5. Индикаторный газ при постоянном уровне подачи был распылен около кровати пациента на высоте 0,9 м от пола. Уровень концентрации индикаторного газа постоянно фиксировался в шести различных точках. Три точки (SP-1, SP-2, SP-3) находились около кровати пациента на высоте 1,4 м от пола и были предназначены для оценки уровня опасности заражения медработника при обслуживании пациента. Пробы воздуха забирались в двух точках (SP-4 и SP-5), расположенных рядом с двумя вытяжными решетками, и фиксировали уровень загрязнения при удалении воздуха из комнаты. Шестая точка отбора находилась в тамбуре (SP-6).

Результаты измерений

Для оценки эффективности удаления загрязнений и визуализации направления воздушного потока в ИБ использовалось дымовое тестирование, осуществленное посредством портативного генератора тумана. Результаты показали (рис. 6а), что воздух в помещении, не смешиваясь и не уходя внутрь ИБ, быстро выводится через две вытяжные решетки, установленные на стене в изголовье кровати с пациентом. Концентрация гексафторида серы, зафиксированная в шести контрольных точках, указана на рис. 6b.

Рисунок 6 (подробнее)   Проведение исследований: а) визуализация движения потока воздуха в ИБ посредством портативного генератора тумана и б) концентрация гексафторида серы в точках забора проб (SP)

Сразу после подачи индикаторного газа его концентрация в точках SP-1 и SP-5 быстро увеличилась. Через 20 мин концентрация SF6 достигла равновесия в каждой точке забора проб и имела сходные показатели. Точка SP-6 показала только следы наличия SF6. Это означает, что, когда дверь была закрыта, воздушного потока из ИБ в тамбур не возникало и в ИБ поддерживалось отрицательное давление. В точках SP-4 и SP-5 рядом с вытяжными решетками концентрация SF6 была выше (соответственно 46,2 и 47,1 ppm), чем в других трех точках забора проб, и имела более широкий диапазон значений, которые с увеличением скорости потока возрастали по сравнению с концентрацией в других местах. Концентрация загрязнения в точках SP-4 и SP-5 оказалась более чем в 2,2–3,3 раза выше, чем в точках SP-1 (21,5 ppm), SP-2 (17,8 ppm) и SP-3 (14,4 ppm). Предполагаем, что настолько малые средние данные получены из-за движения воздушного потока, возникшего благодаря большому размеру вытяжных решеток. Максимальные показатели концентрации загрязнения в точках SP-4 и SP-5 составили соответственно 142 и 132 ppm, что в 4,2–5,8 раза выше, чем в точках SP-1, SP-2 и SP-3, поэтому было сделано заключение, что загрязнение было удалено с высоким уровнем эффективности.

Результаты моделирования

Для верификации данных моделирования с применением методов CFD-моделирования результаты, полученные для вентиляции инфекционного блока по варианту 3 (рис. 3с), сравнили с реальными данными измерений в точках забора проб в медицинском центре. В смоделированной схеме распространения загрязнения при условиях установившегося процесса, кроме определения условий границ потока, должны быть определены границы распространения и учитываться условия источника выброса в соседних помещениях. Помимо общей тепловой нагрузки и температуры приточного воздуха граничные условия для вентиляционной схемы варианта 3 и в медцентре сопоставимы. Сравнение проводили для условий частичной нагрузки, которые преобладают на практике, в отличие от пиковой нагрузки. Поскольку натурные измерения проводились ночью, то разницы между температурой внутреннего и наружного воздуха практически не было, и предполагалось, что окна и наружные стены комнаты не выделяют теплоты. Полная тепловая нагрузка составила примерно 11,95 Вт/м² (учитывалось только искусственное освещение). Воздух снаружи подавался при температуре 24,6 °С.

Схема распределения концентрации загрязнения в горизонтальной плоскости на высоте 1,4 м от пола, позволяющая оценить уровень опасности заражения медработника при обслуживании пациента, представлена на рис. 7а. Рассеивание загрязнения несимметрично, поскольку на него влияет воздушный поток. На уровне дыхания пациента (0,9 м от пола) уровень концентрации загрязнения наивысший (рис. 7b). При удалении медработников от пациента концентрация гексафторида серы снижается. Рис. 7с иллюстрирует прогноз по распределению воздушного потока в вертикальной плоскости ИБ. Воздух движется по направлению к пациенту и выводится из помещения посредством двух настенных и одной потолочной вытяжных решеток. На пациента, лежащего в кровати, воздействует воздушный поток скоростью около 0,10 м/с, которая не превышает рекомендуемое значение 0,25 м/с.

Рисунок 7 (подробнее)   Результаты моделирования с применением методов вычислительной газодинамики: а), b) концентрация гексафторида серы и график вектора скорости воздуха

Измеренная концентрация в точках SP-1, SP-2 и SP-3 хорошо коррелирует с прогнозируемой концентрацией (табл. 6), это уровень дыхания медработника. Разница между результатами моделирования и измеренными показаниями варьируется от –9,7 до 7,0 %, поэтому можно сделать вывод, что используемая цифровая модель довольно точно дает оценку уровня загрязнения в инфекционном блоке. Если результаты моделирования попадают в интервал значений, полученных при фактических измерениях, то метод моделирования, как правило, считается корректным, поэтому мы использовали этот же метод моделирования для проведения дополнительного анализа. Во время валидационной работы должно быть отмечено, что мультикомпонентный тип газа и интенсивность источника выбросов 1,09 л/мин. Перед проверкой результатов прогнозирования на соответствие результатам реальных измерений модель уже была изменена и представляла разные виды вентиляции.

Таблица 6 Верификация прогнозных и фактических результатов измерений

Выводы

В исследовании проведена оценка исполнения систем вентиляции и кондиционирования воздуха в инфекционных блоках больниц в отношении распространения загрязнения воздушной среды от пациентов. Исследование проводилось в целях улучшения проектирования систем вентиляции, с использованием цифрового моделирования и экспериментальной работы.

Результаты показали, что траектории потока воздуха могут быть скоординированы посредством соответствующего расположения вытяжных решеток, что обеспечит эффективный контроль загрязнения. Оказалось, что правильное определение мест подачи приточного и удаления вытяжного воздуха очень важно и непосредственно влияет на рассеивание загрязнения в помещении. Таким образом, тщательный анализ конфигурации системы кондиционирования воздуха может помочь в достижении оптимизации траектории потоков воздуха для получения желаемой комбинации температурного комфорта и улучшить гигиенические условия в ИБ. В результате исследования:

• для снижения уровня загрязнения предложено устанавливать вытяжные решетки и приточные диффузоры так, чтобы приточный воздух поступал из чистой в загрязненную зону (от медработника к пациенту), затем удаляясь из ИБ;

• отмечена колоссальная разница в уровне загрязнения для медработника при обслуживании пациента. На высоте 1,4 м среднее значение концентрации загрязнения в варианте 2 (подача приточного воздуха с потолка и удаление вытяжного воздуха у стены под кроватью пациента на уровне 0,2 м над полом) было на 11,9 % ниже, чем в варианте 1 (расположение приточных и вытяжных диффузоров на потолке). Наиболее эффективным при устранении загрязнения в комнате стал вариант 3 (подача приточного воздуха с потолка и два вытяжных диффузора, расположенных за головой пациента), по сравнению с вариантами 1 и 2 соответственно на 24,2 и 14,0 %.

Литература

1. Lim, T., J. Cho, B. S. Kim. 2011. “Predictions and measurements of the stack effect on indoor airborne virus transmission in a high-rise hospital building.” Build Environ. 46: 2413–2424.
2. WHO. 2007. International travel and health. Geneva, Switzerland, World Health Organization.
3. Ha, K. “A lesson learned from the MERS outbreak in South Korea in 2015.” J Hosp Infect. 2016; 92: 232–234.
4. Wong, G., et al. 2015. “MERS, SARS, and Ebola: The role of super-spreaders in infectious disease.” Cell Host Microbe 18 (4): 398–401.
5. Mui, K. W., et al. 2009. “Numerical modeling of exhaled droplet nuclei dispersion and mixing in indoor environments.” J. Hazard. Mater. 167: 736–744.
6. Balocco, C., Lio, P. 2011. “Assessing ventilation system performance in isolation rooms.” Energ Build. 43: 246–252.
7. Zhao, B., et al. 2009. “How many airborne particles emitted from a nurse will reach the breathing zone/body surface of the patient in ISO class-5 single-bed hospital protective environments? A numerical analysis.” Aerosol Sci Tech. 43 (10): 990–1005.
8. ASHRAE/ASHE Standard 170–2013, Ventilation of Health Care Facilities.
9. CDC. 1994. “Guidelines for preventing the transmission of mycobacterium tuberculosis in health-care facilities.” 59 (208). U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Services, Federal Register.
10. AIA. 1987. “Guidelines for construction and equipment of hospital and medical facilities.” Washington D.C.: The American Institute of Architect Press.
11. Lee, B. H., et al. 2017. “Comparative Analysis of domestic and foreign guidelines for airborne infection isolation rooms (AIIRs).” Journal of KIAEBS. 11 (3): 230–237.
12. Khankari, K. 2016. “Patient room HVAC: Airflow path matters.” ASHRAE Journal 58 (6): 16–27.
13. Hang, J., Y. Li, R. Jin. 2014. “The influence of human walking on the flow and airborne transmission in a six-bed isolation room: Tracer gas simulation.” Build Environ. 77: 119–134.
14. Cheong, K. W. D., S. Y. Phua. 2006. “Development of ventilation design strategy for effective removal of pollutant in the isolation room of a hospital.” Build Environ. 41: 1161–1170.
15. Offermann, F. J., et al. 2016. “Potential airborne pathogen transmission in a hospital with and without surge control ventilation system modifications.” Build Environ. 106: 175–180.
16. . ASHRAE Standard 52.2–2007, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size.
17. ASHRAE Standard 55–2010, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.

Статья публикуется с разрешения редакции ASHRAE Journal. Оригинал статьи «Removal of Airborne Contamination in Airborne Infectious Isolation Rooms» опубликован в ASHRAE Journal, февраль 2019 г. ASHRAE не несет ответственность за точность перевода. Для того чтобы приобрести издание на английском языке, обратитесь в ASHRAE: 1791 Tullie Circle, NE, Atlanta, GA 30329–2305 USA, www.ashrae.org.

¹ ASHRAE/ASHE Standard 170–2017 «Вентиляция объектов здравоохранения».