Вентиляция, как один из способов борьбы с пандемией коронавируса

2020-03-30

К.т.н., доц.В.В.Левчий

Риск заражения коронавирусом можно прогнозировать по уровню углекислого газа CO2

В средствах массовой информации дается много рекомендация по противодействию распространению коронавируса, это и правила личной гигиены, соблюдение дистанции, защитные маски, ограничение общения и т.д.

К сожалению, предлагая людям оставаться дома и не выходить на улицу, слабо разъясняется вопрос, как снизить риск заражения вирусом в помещении. Попробуем восполнить этот пробел на примере вентиляции помещений.

Теория

Научно доказано, что качество воздуха, которым мы дышим в помещении, прямо влияет на вероятность заболевания инфекциями, передающимися воздушно-капельным путем, такими как туберкулез, корь, грипп и риновирусные инфекции. К числу последних, относится и коронавирус (COVID-19), пандемия которого началась в Китае в декабре 2019 года и быстро распространилась на весь мир.

Для прогнозирования риска передачи инфекционных заболеваний передающимися воздушно-капельным путем внутри помещений в современной науке используется уравнение Wells–Riley (1978 г.).
 

Где:

• P - вероятность заражения;
• D - количество случаев заболевания;
• S - количество контактирующих людей в помещении;
• I - число больных людей в помещении,;
• р - частота дыхания человека (м?/с);
• q – скорость квантовой генерации инфекции больным человеком (квант/с);
• t - общее время нахождения в помещении (с);
• Q – количество свежего воздуха, поступающего в помещение за единицу времени (м?/с).

Однако, на практике, использование этого уравнения затруднено, поскольку предполагает наличие установившихся условий и требует точного измерения величины подачи наружного воздуха. К сожалению, сейчас в большинстве квартир, магазинов, школ, офисов и больниц или вообще нет организованного притока свежего воздуха через приточную вентиляцию или помещения имеют малоэффективную вентиляцию, которая не может обеспечить его требуемое количество. В большинстве случаев, свежий воздух поступает в помещения за счет естественной инфильтрации, которую очень сложно контролировать.

В научном исследовании S. N. Rudnic (Department of Environmental Health, Harvard School of Public Health, Boston, MA, USA) и D. K. Milton (Department of Medicine, The Channing Laboratory, Brigham and Women's Hospital and Harvard Medical School, Boston, MA, USA), результаты которого изложены в статье «Risk of indoor airborne infection transmission estimated from carbon dioxide concentration» авторы предлагают альтернативный подход к прогнозированию риска инфицирования заболеваниями, передающимися воздушно-капельным путем. В основном уравнении новой теории для оценки количества свежего воздуха в помещении авторы предлагают использовать уровень содержания СО2 как индикатор качества воздуха. Полученное в исследовании уравнение является нестационарной версией уравнения Wells–Riley, которое теперь применимо для расчетов и в плохо вентилируемых помещениях. Также определяется соотношение между средним числом инфицирования и качеством воздуха, что демонстрирует вероятность существования достижимой критической доли вдыхаемого воздуха в помещении, ниже которой воздушное распространение респираторных инфекций и гриппа не произойдет.

Для оценки вероятности распространения инфекции среди людей, S. N. Rudnic и D. K. Milton используют показатель R0 - основное репродуктивное число. Это количество вторичных инфекций, которые возникают, когда один инфицированный находится в обществе других людей, восприимчивых к этой инфекции. Если значение R0 > 1, инфекция будет распространяться. Чем больше значение R0, тем больше вероятность развития эпидемии.

Репродуктивное число для инфекционных заболеваний, распространяющихся в помещениях (RA0), может быть выражено следующим образом:
 

где:

• RA0 – репродуктивное число для инфекционных заболеваний в помещениях;
• n – количество людей в помещении;
• f – доля воздуха в помещении, выдыхаемого находящимися в нем людьми;
• q – скорость квантовой генерации инфекции больным человеком (квант / с);
• t - общее время нахождения в помещении (с).

Для оценки доли воздуха, выдыхаемого людьми и скорости квантовой генерации инфекции больным человеком ученые предлагают использовать значение уровня СО2, как наиболее адекватного показателя.

В итоге, авторы исследования приводят графики вероятности заражения в зависимости от содержания СО2 в воздухе помещения для трех разных видов инфекций.

Семейство кривых, показанных на графике вверху, описывает возможность заражения при гипотетической вспышке кори со скоростью квантовой генерации инфекции кори q = 570 (1/ч). В этом случае, репродуктивное число (RA0) увеличивается почти линейно с увеличением количества людей при высоких концентрациях СО2. Тем не менее, репродуктивное число (RA0) не увеличивается напрямую с увеличением численности людей при низких концентрациях CO2. В последнем случае, рост вероятности заболевания с увеличением количества людей происходит значительно медленнее.

Но даже при самых низких концентрациях CO2, репродуктивное число намного больше 1. Это говорит о том, что корь будет распространяться очень быстро даже в зданиях с очень хорошей вентиляцией.

На рисунке вверху приведены графики изменения репродуктивного числа (RA0) для гипотетической вспышки гриппа, характеризующейся скоростью квантовой генерации 100 (1/ч), где предполагается, что инфицированный человек останется в здании в течение 4 часов. Снова видно выравнивание величины репродуктивного числа (RA0), хотя на этот раз оно происходит даже при высоких концентрациях CO2. При низких концентрациях CO2 величина репродуктивного числа (RA0) падает ниже 1. Критическая повторно вдыхаемая фракция составляет 0,25% что эквивалентно концентрации CO2 приблизительно 500 ppm. Таким образом, очень высокие показатели подачи наружного воздуха при ограничении количества людей в помещении могут быть эффективными в ограничении распространения гриппа.

На рисунке вверху приводится семейство кривых репродуктивного числа (RA0) для риновирусных инфекций, к которым относится и коронавирус (COVID-19). В этом случае, скорость квантовой генерации инфекции больным человеком была принята исходя из экспериментальных данных на уровне q = 4 (1/ч). Также предполагается, что в течение всего времени инфицированный человек проводит в здании в общей сложности 24 ч. На всех кривых присутствует стабилизация уровня для количества людей больше 20. И если приточная вентиляция обеспечит уровень содержания СО2 не выше 600-700 ppm, можно рассчитывать на предотвращение распространения инфекции.

Выводы

Исходя из результатов исследования становится очевидно, что одним из эффективных способов снижения риска распространения риновирусной инфекции, к которой относится коронавирус является организация качественной приточно-вытяжной вентиляции, которая обеспечит уровень СО2 не выше 600-700 ppm.

Если в помещении отсутствует система приточно-вытяжной вентиляции, этого эффекта можно добиться регулярным проветриванием с постоянным мониторингом уровня СО2.

Рекомендации.

Как правильно вентилировать помещения в условиях угрозы распространения респираторных инфекций.

Самыми правильными и эффективными способами вентиляции будут способы, применяемые в медицинских учреждениях и т.н. «чистых комнатах». В таких системах, приток свежего воздуха осуществляется ламинарным потоком через специальные воздухораспределители. Например через потолочные ламинаторы в одном направлении, например сверху – вниз. Рециркуляция воздуха полностью исключается, а приточный воздух тщательно фильтруется в HEPA фильтрах. Вентиляционное оборудование и автоматика кроме заданной температуры и влажности постоянно поддерживают избыточное давление в помещении. Это препятствует проникновению внешнего загрязненного воздуха.

К сожалению, такой способ дорогостоящий и имеет высокие эксплуатационные расходы.

Менее затратным является использование стандартной приточно-вытяжной вентиляции. В этом случае свежий воздух через приточную установку подается в помещение. Вытяжная установка вытягивает отработанный воздух из помещения. В приточной установке свежий воздух очищается от пыли, подогревается  или охлаждается.

Действующими строительными нормами регламентируется кратность воздухообменов, которая рассчитывается в зависимости от назначения помещения, количества людей, их режима пребывания и количества загрязнений, которые выделяются внутри. Уровень СО2 действующими строительными нормами в настоящее время не регламентируется. Поэтому, если вы хотите контролировать риск распространения респираторных заболеваний, нужно измерять уровень СО2 и регулировать производительность приточной и вытяжной систем для поддержания СО2 не выше 600-700 ppm.

Для измерения содержания СО2 можно приобрести готовый комнатный монитор качества воздуха, который измеряет как минимум температуру, влажность и содержание СО2. Цена на эти устройства начинается с 3000 грн.

Но можно из комплектующих, которые есть в интернет-магазине  https://arduino.ua самостоятельно собрать переносное устройство для измерения содержания СО2 в окружающем воздухе. Такое устройство будет полезным при посещении общественных мест – транспорта, магазинов, аптек и т.д. Если уровень СО2 будет превышать 600-700 ppm это укажет на повышенный риск заражения коронавирусом.

Как самостоятельно изготовить простое устройство для измерения уровня СО2 в воздухе.

Ниже приводится описание порядка изготовления переносного измерителя (монитора) уровня содержания углекислого газа (СО2) в окружающей атмосфере.

Для этого вам потребуются:

• датчик углекислого газа MH-Z19B;
• микроконтроллер Arduino PRO MINI, или аналогичный ему, например Arduino UNO;
• переходник USB-UART CP2102. Если вы будете использовать микроконтроллер Arduino с USB разъемом, этот переходник вам не понадобится;
• 7-сегментный индикатор на HT16K33;
• повышающий преобразователь MT3608 или аналогичный, для обеспечения питания 5В от двух батареек АА/ААА. Можно также для питания измерителя использовать два Li-Ion аккумулятора 18650. Тогда вам понадобится DC-DC понижающий преобразователь напряжения, например, на микросхеме LM2596. Если вы не планируете делать измеритель переносным, питание можно осуществлять по USB кабелю от компьютера или запитать от Power Bank.

Соберите схему, как показано на рисунке внизу.

Загрузите в микроконтроллер программу, листинг которой доступен для скачивания по ссылке внизу.

Для работы вам понадобятся несколько библиотек:

• SoftwareSerial.h – библиотека для работы с программным портом UART. Эта библиотека, как правило присутствует по умолчанию. Если ее нет, скачайте ее с https://github.com/PaulStoffregen/SoftwareSerial
• MHZ19.h - библиотека для работы датчиком СО2 MH-Z19B. Cкачайте ее с https://github.com/strange-v/MHZ19
• Adafruit_LEDBackpack.h, Adafruit_GFX.h - библиотеки для работы с 7-ми сегментным индикатором. Устанавливается в Arduino IDE через меню Инструменты – Управление библиотеками.

Средний ток, потребляемый схемой – 30 мА. Периодически, при измерении уровня СО2, датчик MH-Z19B потребляет ток в импульсе до 150 мА. Для корректного измерения необходимо дать прогреется датчику 30-60с, после чего он будет показывать текущее содержание СО2 в окружающей атмосфере.

Скачать полный листинг программы