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利用智能通风降低感染风险

建筑物和室内空气质量
 

观察世界各个国家和地区摆脱新冠疫情后的“新常态”是件有意义的事。员工们会不会返回办公室并全天在办公室工作?是否会出现对弹性工作时间和混合办公(家庭 + 办公室)的新需求?无论采取哪种方式,在布置安全的室内环境时,对于防范 Covid-19 等微生物带来的危害,组织需要承担起新的重大责任。

在下文中,来自维萨拉(芬兰)的室内环境专家 Anu Kätkä 详细介绍了通风系统未来将在保护办公室和其他工作场所的人们免受微生物威胁方面发挥的作用。她还解释了可靠的二氧化碳测量为什么至关重要,因为它是有效通风的理想衡量标准。

COVID-19 带来的经验教训

COVID-19 是由 SARS-CoV-2 病毒引起的,感染者会以两种方式传播该病毒。首先,病毒可以在物体表面存活长达数周时间 (1),尤其是在较低的室温下 (2)。因此,当人们接触被感染的表面并将病毒传递到他们的口、鼻或眼睛时,就有可能发生污染物传播。其次,当感染者咳嗽、打喷嚏、说话或呼吸时,病毒可以通过微小液体颗粒从感染者的口或鼻向外传播。这些液体颗粒大小不一,可以是较大的呼吸道飞沫,也可以是直径小于 5 微米的较小气溶胶。

根据世界卫生组织 (WHO) 的数据,在特定环境中,特别是在室内、拥挤和通风不足的空间,例如餐馆、健身房、夜总会、办公室和/或礼拜场所,感染者在这些空间与其他人共处较长时间,就有可能发生气溶胶传播。(3)

《柳叶刀》新近的一篇论文支持 SARS-CoV-2 主要通过空气传播的假设,该论文提出了支持 SARS-CoV-2 空气传播的十个科学理由。(4)

通过了解传播方式,政府已经能够制定适当的政策,通过戴口罩、保持社交距离、勤洗手和表面消毒等措施来抗击病毒传播。重要的是,政府还认识到了室内环境存在更高的威胁,因此建议民众积极开展户外活动并加强通风。

2020 年 11 月,英国政府发布了一段视频 (5),强调了通风对于减少 Covid-19 传播的重要性。他们在报告中表示:“研究表明,呆在空气新鲜的房间内可以将颗粒物感染的风险降低 70% 以上”。

2021 年 1 月,数百名加拿大专家(医生、科学家、职业健康和安全专家、工程师和护理专业人员)向加拿大总理写了一封公开信 (6),敦促他“更新省级 COVID-19 指南、工作场所法规和大众传播内容,让民众获悉 COVID-19 通过吸入的气溶胶传播这一科学原理。”信中的一项主要建议是:“建议部署二氧化碳 (CO2) 监测仪来指示可能存在的通风不足情形,以便降低病毒在共享的室内空气中大范围传播的风险。在结核病疫情期间,高于 1000 PPM 的 CO2 浓度显著增加了感染结核病的风险。改善建筑物的通风,使 CO2 浓度保持在 600 PPM 以下阻止了疫情的爆发。”

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颗粒物大小的重要性

WHO 表示,感染者在出现症状之前似乎很具传染性。此外,一些感染者没有症状,因此在办公室这样的环境中,可以合理地认为主要威胁不仅来自于有咳嗽和打喷嚏等严重症状的人,而且来自于并未意识到自己已经感染疾病的那些人。这些人更有可能呼出直径小于 5 微米的病毒气溶胶,这些颗粒不受社交距离限制。这些细小气溶胶的大小与香烟烟雾中的颗粒大致相当,众所周知,它们不易沉降,并且能够在通风不良的空间中广泛传播。

新近发表在《柳叶刀》上的一篇论文 (7) 介绍了对患有各种呼吸道传染病的患者咳出的气溶胶和呼出气体进行的研究,在气溶胶粒度分布方面(主要是小颗粒 (<5 μm) 的病原体),这些研究表现出惊人的相似性。这些颗粒可以立即被吸入,并且在大多数室内条件下可以无限期地保留在空气中,除非通过气流或通风稀释清除。

湿度也会影响气溶胶的传播,因为低湿度会导致气溶胶变轻,因此能够更好地保持在空气中。另外已经证明,湿度可影响病毒易感性,因为暴露在干燥空气中会削弱宿主对流感病毒感染的防御能力,降低组织修复能力,并导致细胞分解。(8)

风险缓解措施

传统的健康和安全风险评估可应对滑倒和绊倒、重物、重复性伤害、跌倒、压力、电击、火灾和独自工作等危险,但要打造不存在 Covid 感染风险的环境,组织还需要纳入微生物风险评估。因此,有必要确定病原微生物的潜在来源及其传播方式和途径。 

可以提供洗手液,并且可以经常对表面进行消毒。可以制定程序以减少疾病传播机会,例如采取筛查、保持社交距离甚至消毒剂雾化等措施。但是,即使采取了所有这些措施,一个感染者也可能会迅速污染大片区域。因此,有效的通风至关重要,控制系统需要对每个房间或空间进行准确及时的测量,以便及时做出响应。一些系统可能只是监测废气中的 CO2,但这并不能检测特定空间中通风不良的问题。

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选择理想测量参数

楼宇自动化/管理系统 (BMS) 的主要功能之一是控制舒适性温度并优化能耗,因此温度无疑是占用空间中重要的控制参数。一些系统还测量和控制湿度以保持 40-60% RH 的水平。这是出于对健康和舒适的考虑,以及保护计算机系统和避免建筑物中出现霉菌等相关问题。 

温度测量通常不会受漂移影响,但传统湿度传感器会出现漂移,因此维萨拉 HUMICAP® 传感器更受青睐,因为它们具有长期稳定性,并且对灰尘和冷凝等干扰不敏感。这些薄膜电容式湿度传感器已成为需要长期准确、可靠、免维护湿度测量的各种应用的行业标准。 

湿度水平升高可能表明人类活动和通风不良。不过,湿度会随着外部因素(例如冷冻干燥环境或多雨潮湿环境)而显著变化,而不会因人类呼气而明显变化。 

总而言之,温度和湿度监测在 BMS 的优化中发挥着重要作用,但在设施管理人员需要考虑人员占用和减少空间人为污染的情况下,CO2 是自动通风控制的理想附加参数

使用二氧化碳测量作为有效通风指标

人在呼吸时会呼出二氧化碳 (CO2),CO2 的积聚表明 (a) 房间内有人,(b) 通风不足,因此,良好的通风系统应该能够检测到这一点并自动应用正确的通风量。系统必须自动运行,并且必须能够对各个空间进行通风,以便每个空间都得到理想通风,并且不会浪费能源过度通风或对不需要通风的空间进行通风。 

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除了遏制 Covid 的传播,CO2 和湿度监测还有其他优势

ASHRAE 绿色标准 189.1(美国)和欧洲标准 FprEN 16798-3 建议采用需求控制通风 (DCV),在提升室内空气健康水平的同时减少对能源的使用。

在建筑物主要由人居住的情况下,从暖通空调设计的角度来看,CO2 是室内空气质量的理想指标。湿度将是更好的参数,至少是有用的附加参数,尤其是在用于存放艺术品、书籍、葡萄酒、历史文物等的建筑物或本身就需要保护的建筑物中。

通常情况下,室外空气中的 CO2 含量为 250-400 ppm。相比而言,呼出的气体中约含 50,000 ppm 的 CO2,比吸入气体中的 CO2 含量高 100 倍,因此,如果没有足够的通风,当人们呆在室内时,CO2 的水平会逐渐升高。

建筑物内人员的舒适度和表现都会受到 CO2 水平的影响。空气交换良好的占用空间内的 CO2 含量为 350-1,000 ppm,高于此浓度时会导致困倦,超过 2,000 ppm 会导致头痛、嗜睡、注意力低下、注意力不集中、心率加快和轻微恶心。暴露于非常高的水平(来自燃油/燃气燃烧器或气体泄漏)甚至可能导致窒息死亡。

ANSI/ASHRAE 标准 62.1-2019“可接受的室内空气质量通风要求”中针对各种室内空间提供了建议的最低通风率。

多项研究评估了 CO2 浓度对认知功能的影响。例如,Allen 等人(2016 年)(9) 发现,与 CO2 含量低至“Green+”级别的两天(约 540 ppm)相比,在 CO2 含量中等(约 945 ppm)的一天内,典型参与者的认知功能评分降低了 15%,在 CO2 浓度约为 1,400 ppm 的一天,认知功能评分降低了 50%。平均而言,CO2 浓度每增加 400 ppm,典型参与者的认知分数就会下降 21%。因此,基于 CO2 测量的 DCV 可以提供远超 DCV 系统本身成本的健康和生产效率改善。

选择合适的 CO2 变送器

BMS 的持续性能将依赖于传感器的稳定性,暖通空调系统的供应商理所当然更喜欢使用可以“一劳永逸”的传感器。因此,有必要选择不需要频繁重新校准即可避免漂移的传感器。不过,有些传感器声称可以通过实施软件解决方案,假定最低实测读数与 CO2 的平均室外浓度相同,以此来补偿漂移,这使得选择过程进一步复杂化。这种算法的危险在于,小误差会随着时间的推移而变大,从长远来看会导致非常大的误差。为了避免需要实际进行校准,这些软件算法传感器不适用于人们持续使用的空间,此外,楼宇自动化系统会在非高峰时段主动降低新鲜空气吸入量,而这些传感器无法识别这种情况。在某些情况下,即使是墙壁中的混凝土也可能会吸收 CO2,从而“欺骗”算法并造成进一步的不准确。

BMS 供应商/安装商和建筑物业主/设施管理人员之间可能存在轻微的利益冲突。对于前者,系统必须立即完美运行,并至少在保修期内保持性能,但对于后者,这一要求是更长期的。

与提供的好处相比,好传感器的成本显得微不足道。准确、基于需求的控制可以节省大量能源,但更重要的是,建筑物内人员的健康和福祉会得到保护,室内条件可改善工作场所的绩效。

因此,理想的解决方案是选择维萨拉 CARBOCAP® CO2 传感器。这是因为它们采用双波长 NDIR 技术,能够在各种环境中工作,并能够使用内部基准进行真正的自校准。与效率不高的 BMS 的能源成本或低成本传感器漂移或故障时的维护成本相比,这项技术的成本微不足道。

维萨拉传感器无故障运行长达 15 年的情况并不少见。这种稳定性和可靠性已在世界各地甚至更大范围内得到认可。维萨拉传感器仍在 2011 年发射的美国国家宇航局好奇号火星探测车和 2021 年 2 月登陆火星的毅力号火星探测车上运行。

总之,在地球上,可以通过智能通风和可靠的 CO2 测量来加强疾病预防措施。此外,良好的室内空气质量可以对建筑物内人员的健康和福祉产生重大的积极影响。 

 

参考文献:
1.    Kampf, G. et al(2020 年),“冠状病毒在非生物表面的存活时长以及生物杀灭剂对它们的灭活效果”,Journal of Hospital Infection。
2.    Ratnesar-Shumate, S. et al(2020 年),“模拟日光可快速灭活物体表面的 SARS-CoV-2 病毒”,The Journal of Infectious Diseases。
3.    世界卫生组织:https://www.who.int/news-room/q-a-detail/coronavirus-disease-covid-19-how-is-it-transmitted 
4.    Greenhalgh, T. et al(2021 年),“SARS-CoV-2 病毒可通过空气传播的十大科学论据”,《柳叶刀》。https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)00869-2  
5.  英国卫生和社会保健部(2020 年),“佐证通风对于减少 COVID-19 传播至关重要的新影片”,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 年),“政府务必重视 COVID-19 可通过气溶胶传播这一事实”,https://ricochet.media/en/3423/there-is-still-time-to-address-aerosol-transmission-of-covid-19 
7.    Fennelly, K.P.(2020 年),“传染性气溶胶的颗粒大小对传染控制的影响”,《柳叶刀-呼吸病学》第 8 册第 9 集,914-924 页。
8.    Kudo.E. et al(2019 年),“较低的环境湿度会降低人体的屏障功能以及对流行性感冒感染的先天抵抗力”,《美国国家科学院院刊》116 (22)。
9.    Allen J.G. et al(2016 年),“办公室员工的认知功能评分与二氧化碳、通风和挥发性有机化合物暴露情况的关联:对绿色和传统办公室环境的受控暴露研究”,《环境与健康展望》124:6 CID:https://doi.org/10.1289/ehp.1510037 

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