Влияние величины воздухообмена и размера помещения на риск инфицирования человека вирусом COVID-19

J. Kurnitski, председатель комитета по технологиям и исследованиям REHVA, Таллинский технический университет, Aalto University

Влияние вентиляции на концентрацию вируса в различных зонах помещения показано на рис. 1. Перемешивающая вентиляция снижает высокую концентрацию вируса в воздухе помещения до допустимого значения на расстоянии примерно 1,5 м от источника выделения. 

Существует два основных способа снижения риска инфицирования человека: увеличение воздухообмена в помещении и сокращение времени пребывания в помещении. В существующих системах вентиляции, как правило, невозможно значительно ускорить вращение вентилятора (тем самым увеличив воздухообмен). Можно увеличить воздухообмен на 10–20 % и более в каком-то отдельном помещении за счет уменьшения воздухообмена в других помещениях в здании. Очевидно, что в условиях эпидемии системы вентиляции по потребности не должны применяться и должны работать с номинальной или максимальной мощностью. Количество наружного воздуха, поступающего в системы вентиляции, должно соответствовать минимальным значениям, приведенным в национальных санитарных требованиях, территориальных строительных нормах и других нормативных документах (которые также могут включать специальные правила для  COVID-19). Национальных правил по организации вентиляции не существует, но территориальные строительные законы должны содержать положение о практике проектирования и строительства со ссылкой на использование национальных европейских или международных стандартов и руководств. В соответствии с ISO 17772-1: 2017 и EN 16798-1: 2019 воздухообмен в помещениях офисов должен составлять 1,5–2 л/с на м² (10–15 л/с на человека) и примерно до 4 л/с на м² (8–10 л/с на человека) в конференц-залах и учебных классах.

Рисунок 1. Выделение инфицированным человеком (женщина справа) аэрозоля в зону дыхания другого человека (мужчина слева). При работающей системе вентиляции количество зараженных вирусом частиц в зоне дыхания человека намного ниже, чем при выключенной системе вентиляции: а – система вентиляции включена; б – система вентиляции выключена

При реконструкции систем вентиляции в существующих зданиях и проектировании систем вентиляции в новых зданиях возникает вопрос: следует ли увеличивать воздухообмен для снижения риска перекрестного инфицирования? Риск инфицирования в обычной практике не рассматривается в существующих стандартах как критерий для проектирования систем вентиляции. С другой стороны, риск перекрестного инфицирования хорошо известен и учитывается при проектировании систем вентиляции больниц путем увеличения кратности воздухообмена до 6–12 1/ч. Работа системы вентиляции больниц эффективно проявила и проявляет себя в условиях распространения COVID-19, поскольку перекрестное инфицирование находится под контролем, и есть статистика, свидетельствующая, что вентиляция с высоким воздухообменом способна поддерживать концентрацию вируса на низком уровне. 

В общественных зданиях явно более низкий уровень выделения вируса в помещениях и меньшее количество инфицированных людей на единицу площади. Таким образом, кратность воздухообмена может рассматриваться как основная мера решения проблемы снижения риска инфицирования. Также стоит отметить, что воздухообмен в размере 4 л/с на м², принятый для конференц-залов, и 5 л/с для классных комнат ненамного ниже воздухообмена, принимаемого для палат медицинских учреждений.

Вероятность инфицирования

Риск инфицирования людей может быть рассчитан для различных видов их деятельности и типов помещений с использованием стандартной модели Уэллса–Райли [1] для болезней, передающихся воздушно-капельным путем, скорректированной для вируса COVID-19 по интенсивности выделения вирусных частиц. В этой модели вирусная нагрузка выражается через скорость выделения частиц (E, частицы/ч). Частица, на которой переносится вирус, определяется как доза переносимых по воздуху капель, необходимая для того, чтобы инфицировать 63 % восприимчивых к вирусу людей. В модели Уэллса–Райли вероятность инфицирования (p) связана с количеством вдыхаемых частиц (n) в соответствии с уравнением (1):

Вдыхаемые частицы (n) зависят от средней по времени концентрации частиц (C_avg, частиц/м³), объема вдыхаемого воздуха (Q_b, м³/ч) и продолжительности пребывания людей в помещении (D, ч):

При расчете концентрации переносимых по воздуху инфекционных частиц может использоваться зависимость (3):

где:

E – интенсивность выделения частиц, частицы/ч;

V – объем помещения, м³;

λ – коэффициент снижения интенсивности выделения частиц [2] (частицы/ч) из-за суммарного эффекта вентиляции (λ_v, 1/ч), осаждения на поверхности (λ_dep, 1/ч) и распада вируса (k, 1/ч);

C – концентрация инфекционных частиц в воздухе, зависящая от времени ее пребывания (частицы/м³).

Скорость снижения концентрации инфекционных частиц при осаждении на поверхности 0,3 1/ч можно оценить на основании данных [3, 4]. В отношении распада вируса Fears [5] показывает отсутствие распада в вирусосодержащем аэрозоле в течение 16 часов при относительной влажности 53 %, тогда как в [6] оценили период полураспада переносимого по воздуху SARS-CoV-2 в 1,1 ч, что соответствует скорости распада 0,63 1/ч. Среднее значение по этим двум исследованиям составляет 0,32 1/ч.

Предполагая, что в начале концентрация частиц равна 0, уравнение (3) возможно решить и средняя концентрация будет определяться следующим образом:

где

t – время, ч.

Примеры расчетов можно найти в статьях [7] и [8]. Интенсивность выделения в воздух частиц варьируется в широком диапазоне от 3 до 300 частиц/ч в зависимости от активности и вида деятельности человека (табл. 1). Объем выдыхаемого воздуха зависит от степени активности выполняемой человеком работы (табл. 2).

Хотя значения количества частиц SARS-CoV-2, выделяемых в воздух, не совсем точны и определены при некотором ряде допущений, можно рассчитать вероятность риска инфицирования людей, а также оценить влияние работы систем вентиляции и характеристик помещения на процесс инфицирования. Результаты расчетов поставленной задачи представлены на рис. 2 для наиболее распространенных типов помещений и значений величины воздухообмена.

Рисунок 2 Оценка риска инфицирования человека в зависимости от типа помещения и величины воздухообмена

Предполагается, что во всех представленных помещениях находится один инфицированный человек, рассматриваемый как источник выделения вирусов. Скорости выделения частиц, в соответствии с табл. 1, приняты следующие: 5 частиц/ч для помещений офиса и классов, 15 частиц/ч – для обеденных залов ресторанов, 10 частиц/ч – для помещений магазина, 21 частица/ч – для спортклуба и 19 частиц/ч – для конференц-зала. Стандартные показатели инфицирования COVID-19 среди населения в целом составляют 1 случай на 1000 человек или 1 на 10 000 человек. Предполагаем, что в помещении находится один инфицированный человек как источник вирусов, а также для примера присутствуют: 10 человек – в помещении офиса, 25 – человек в помещении класса и 100 человек – в обеденном зале ресторана.

Оценка риска инфицирования (рис. 2) позволяет получить более полное представление о том, как аэрозоли, содержащие вирус, могут быть удалены с помощью вентиляции. Результаты показывают, что при работе вентиляции, соответствующей существующим стандартам, вероятность инфицирования людей достаточно низкая для помещений офисов открытой планировки (ниже 5 %); классных комнат; хорошо вентилируемых помещений ресторанов; при временном пребывании (не более 1,5 ч) в магазине; заседании в конференц-зале большого объема и площади. Небольшие офисные помещения, в которых размещаются 2–3 человека, и конференц-залы малой площади предполагают большую вероятность инфицирования находящихся там людей, поскольку даже в хорошо вентилируемых небольших помещениях воздухообмен на одного инфицированного человека намного меньше, чем в больших помещениях. Таким образом, в условиях эпидемии в помещениях маленьких по объему и площади может безопасно находиться только один человек. 

Также существует очень заметная разница между значениями воздухообмена 1 л/с·м² и 2 л/с·м², применяемыми для помещений офиса с открытой планировкой (обратите внимание, что 1 л/с·м² ниже значений, приведенных в стандарте). Разговоры и пение людей, а также физические упражнения способствуют интенсивной генерации вирусных частиц за счет увеличения частоты дыхания. Таким образом, многие закрытые спортивные сооружения (за исключением бассейнов и больших залов различного назначения) представляют собой объемы с более высокой вероятностью инфицирования людей.

Исходные данные и вероятность инфицирования людей представлены в табл. 3. Величина расчетного воздухообмена для помещений различного назначения рассчитывается как произведение удельного значения воздухообмена на площадь помещения, поэтому чем больше помещение, тем больше количество наружного воздуха следует в него подавать (предполагается, что во всех помещениях находится один инфицированный человек).

Таблица 3
Исходные данные и вероятность инфицирования человека для случаев, представленных на рис. 2

Результаты расчетов зависят от скорости выделения частиц, которая может изменяться в широком диапазоне, как показано в  табл. 1. Неопределенность этих значений высока. Кроме того, существуют такие распространители вируса, которые хоть и редко встречаются, но могут иметь высокую интенсивность выделения вирусных частиц (как в случае, описанном в [7]).

Вероятность инфицирования – это статистическое значение, применимое к большой группе людей, при этом различия в индивидуальном риске инфицирования могут быть существенными в зависимости от личного состояния здоровья и восприимчивости человека.

Предположение о полном перемешивании воздуха в помещении создает еще одну неопределенность, поскольку в больших и высоких помещениях концентрация вируса не всегда одинакова по всему объему помещения.

Предложенный расчет не дает прогноза абсолютного риска инфицирования человека, но позволяет сравнить эффективность решений по организации вентиляции для последующего выбора более рационального и эффективного варианта. Результаты расчетов позволяют проанализировать степень риска инфицирования людей. На  рис. 3  представлены результаты исследований для помещения офиса открытой планировки в случае, когда воздухообмен в системах вентиляции помещений составляет 2 л/с на человека (0,2 л/с·м²) и при плотности размещения людей 1 человек на 10 м²). Такой случай считается вероятным для 100 % относительного риска инфицирования. Это величина воздухообмена, которая составляет половину минимального значения воздухообмена – 4 л/с на человека, может использоваться для описания условий интенсивного распространения вируса. Кривая на  рис. 3  показывает, что воздухообмен величиной 2 л/с·м² снижает относительный риск инфицирования до 34 %, а удвоение значения воздухообмена до 4 л/с на м² уменьшает этот показатель до 19 %.

Рисунок 3. Относительный риск инфицирования в офисе с открытой планировкой площадью 50 м²

Рис. 3 позволяет оценить степень инфицирования людей в зависимости от величины воздухообмена помещений при плотности размещения 1 человек на 10 м². Таким образом, в первом случае вентиляция приводит к относительному риску инфицирования 43 %, а во втором – к 34 % .

Выводы

Несмотря на то что существуют решения по организации эффективной вентиляции помещений, текущая передовая практика и знания позволяют использовать многие помещения в зданиях во время вспышки COVID-19 до тех пор, пока показатели работы систем вентиляции соответствуют или, в идеале, превышают существующие стандарты и непрерывно ведется оценка риска инфицирования людей.

На концентрацию аэрозоля значительное влияние оказывает количество наружного воздуха, подаваемого на одного инфицированного человека, т.е., чем больше значение воздухообмена, тем быстрее происходит разбавление вирусов. В этом случае помещения больших размеров являются более безопасными для нахождения людей, а в помещениях маленьких размеров, занимаемых даже небольшим числом людей, возникает более высокий риск их заражения даже при хорошей вентиляции.

Ограничение присутствия людей в небольших помещениях до одного человека, сокращение времени пребывания там и применение физического (социального) дистанцирования в большинстве случаев позволяет поддерживать вероятность перекрестного инфицирования на разумном уровне.

Литература

1. Nicas M., Nazaroff W., Hubbard A. Toward Understanding the Risk of Secondary Airborne Infection: Emission of Respirable Pathogens // Journal of Occupational and Environmental Hygiene. – 2005. – № 2. – P. 143–154. – URL: https://doi.org/10.1080/15459620590918466.
2. Yang W., Marr L.C. Dynamics of airborne influenza. A viruses indoors and dependence on humidity // PLoS ONE. – 2011. – № 6. – e21481. – URL: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0021481.
3. Thatcher T. L., Lai A. C. K., et. al. Effects of room furnishings and air speed on particle deposition rates indoors // Atmospheric Environment. – 2002. – № 36. – P. 1811–1819.
4. Diapouli E., Chaloulakou A., Koutrakis P. Estimating the concentration of indoor particles of outdoor origin: A review // Journal of the Air & Waste Management Association. – 2013. – № 63. – P. 1113–1129. –URL: https://doi.org/10.1080/10962247.2013.791649.
5. Fears A. C., Klimstra W. B., Duprex P., et al. Comparative dynamic aerosol efficiencies of three emergent coronaviruses and the unusual persistence of SARS-CoV-2 in aerosol suspensions // medRxiv. – 2020. – URL: https://doi.org/10.1101/2020.04.13.20063784.
6. Doremalen N., Bushmaker T., et al. Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1 // The New England Journal of Medicine. – 2020. – № 382. – P. 1564-1567. – DOI: 10.1056/NEJMc2004973.
7. Miller S. L., Nazaroff W. W.; et al. Transmission of SARS-CoV-2 by inhalation of respiratory aerosol in the Skagit Valley Chorale superspreading event. Indoor Air. – 2020. – URL: https://doi.org/10.1111/ina.12751 https://doi.org/10.1101/2020.06.15.20132027.
8. Buonannoa G, Stabilea L, Morawska L. Estimation of airborne viral emission: Quanta emission rate of SARS-CoV-2 for infection risk assessment // Environment International. – 2020. – № 141. – 105794. – URL: https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105794.
9. Buonanno G., Morawska L., Stabile L. Quantitative assessment of the risk of airborne transmission of SARS-CoV-2 infection: Prospective and retrospective applications // Environment International. – 2020 – № 145. – P. 106112. – URL: https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.106112.
10. Adams W.C. Measurement of Breathing Rate and Volume in Routinely Performed Daily Activities. Final Report. – Human Performance Laboratory, Physical Education Department, University of California, Davis: 1993. – Prepared for the California Air Resources Board, Contract № A033-205.
11. Binazzi B., Lanini B., et al. Breathing pattern and kinematics in normal subjects during speech, singing and loud whispering // Acta Physiologica. – 2006. – № 186. – P. 233–246. – URL: https://doi.org/10.1111/j.1748-1716.2006.01529.x.

Перевод выполнен М. Н. Ефремовым.