Ventilatie en Covid: afstand houden èn hoofd koel houden

Er is momenteel ontzettend veel te doen over ventilatie in relatie tot COVID-19. Ik heb geen enkele behoefte mij te mengen in het koor van amateur-virologen. Maar ik hoor en lees de laatste tijd zoveel bedenkelijke uitspraken en zienswijzen over ventilatie, dat ik besloten heb daar toch een blog-artikel aan te wijden.

Verspreiding van deeltjes

Zoals bekend spelen druppels een grote rol in de verspreiding van het coronavirus. De grotere druppels vallen al snel uit de lucht. De kleinere druppeltjes kunnen nog lang blijven zweven. Ik zal me in dit artikel niet bezig houden met de vraag of die kleine druppeltjes wel of niet verdampen, en of je er wel of niet ziek van zou kunnen worden. Ik beschouw ze even als vaste deeltjes. Hoe kunnen die deeltjes zich in een ruimte verspreiden, en welke rol speelt ventilatie daarin?

Voor hen die houden van aanschouwelijk onderwijs zou het mooi zijn om de verdeling van de deeltjes zichtbaar te maken. Dat is niet zo eenvoudig. Vandaar dat ik daarvoor een zijstap naar de akoestiek maak. Dan is met eenvoudige middelen een testje uit te voeren.

Iets dergelijks gebeurt er met de verspreiding van in de lucht zwevende deeltjes. Oorzaak is dan niet het weerkaatsen van geluidgolven maar de menging van de ruimtelucht onder invloed van luchtstromingen. Het effect is hetzelfde: net zoals het geluid zich gelijkmatig over de ruimte verdeelt, zullen ook deeltjes zich gelijkmatig in de ruimte verdelen. Waar in de akoestiek over het directe veld en het nagalmveld wordt gesproken, zal ik in dit artikel in relatie tot ventilatie de termen directe veld en verre veld gebruiken.

Directe veld

Het directe veld bestaat uit de luchtstraal die uit de mond en/of neus komt bij ademen, praten, zingen, schreeuwen, hoesten of niezen. Deze luchtstraal bevat druppeltjes van diverse afmetingen, variërend van minder dan 1 micrometer tot 10 micrometer of nog groter. De zwaarste druppels vallen al snel uit de luchtstraal. De kleinere kunnen langer met de lucht meegevoerd worden.

De uitgeademde lucht is warmer dan de omgevingslucht. Daardoor heeft deze lucht de neiging iets te stijgen. Maar daarnaast gebeurt er nog iets: de snelheid van de lucht neemt snel af. Daardoor zullen de zwaarste deeltjes die nog in de lucht zweven hier alsnog uit vallen. Zo vindt er dus in het directe veld een continue “sproei” van deeltjes uit de luchtstroom plaats.

De snel in snelheid afnemende straal zal uiteindelijk in de omgeving opgaan. Hier spreken we dan over het verre veld. De lengte van het directe veld is afhankelijk van de startsnelheid van de luchtstraal. Bij ademen zal die vrij kort zijn, bij niezen veel langer.

Hiervoor heb ik gesteld dat de concentratie van deeltjes in het verre veld gelijkmatig verdeeld is. Waarom zou dat zo zijn? Voordat ik daar verder op in ga, eerst iets over de deeltjesverdeling in een ruimte zonder ventilatie.

Ruimte zonder ventilatie

Stellen we ons een ruimte voor waarin op de vloer mensen aanwezig zijn. Deze geven zowel warmte als ook verontreinigingen af. Verontreinigingen kunnen de vorm hebben van vaste deeltjes (haren, huidschilfers), druppels, als ook losse moleculen (waterdamp in uitgeademde lucht, verdampt zweet, geur, CO₂).

Door de warmteafgifte van de mensen stijgt opgewarmde lucht richting plafond. De verontreinigingen in de lucht stijgen in deze warme pluimen mee. Alle lucht die van het vloerniveau richting plafond stroomt, zal ook weer retour moeten stromen. ANDERS BLIJFT ER BIJ DE VLOER GEEN LUCHT MEER OVER EN ZIT NA VERLOOP VAN TIJD ALLE LUCHT BIJ HET PLAFOND. Meestal gebeurt dat aan relatief koele zijwanden. De lucht koelt daar af, wordt daardoor zwaarder en daalt weer richting vloer.

En de lucht die naar beneden stroomt, neemt natuurlijk ook weer verontreinigingen mee. Zo ontstaat een situatie waarbij de warmte zich boven in de ruimte concentreert en de verontreinigingen in eerste instantie gelijkmatig verdelen.

Als deze situatie langer aanhoudt, zal boven in de ruimte zoveel warmte hangen dat er geen temperatuurverschil meer is met de stijgende lucht in de pluimen. De drijvende kracht voor het verder stijgen van deze lucht is dan verdwenen, waardoor de pluimen dan niet meer het plafond bereiken. De bovenste zone van de ruimte wordt dan dus niet meer doorspoeld. De verontreinigingsdeeltjes zullen onder invloed van de zwaartekracht langzaam gaan dalen. De grootste deeltjes het snelst, de kleinere langzamer.

Het gevolg is een laag van zeer vervuilde lucht die ergens halverwege de ruimte zweeft. Hoe lager de ruimte is, hoe groter de kans dat de vuile laag in de ademzone van de aanwezige mensen hangt.

Ruimte met ventilatie

Allereerst, wat verstaan we eigenlijk onder ventilatie?

Soms kan een ventilatiesysteem ook koelen of verwarmen. Maar vaak zijn dat ook aparte systemen. ‘Airco’s’ zijn bijvoorbeeld apparaten die lucht alleen maar koelen, en die geen verse buitenlucht naar binnen brengen. En verwarming gebeurt vaak met radiatoren. In het vervolg van dit artikel wordt met ventilatie uitsluitend het inbrengen van verse buitenlucht bedoeld.

Laten we als eerste variant een ruimte met mechanische ventilatie (dus aangedreven door een ventilator) bekijken. En laten we aannemen dat deze ruimte conform het huidige bouwbesluit met minimaal circa 25m³/h per persoon IN NEDERLAND KENNEN WE KLIMAATKLASSEN A T/M C. KLASSE A VRAAGT 60m³/h PER PERSOON, KLASSE B VRAAGT 40m³/h EN KLASSE C VRAAGT 25m³/h PER PERSOON. HET BOUWBESLUIT 2012 SCHRIJFT 6,5l/s OFWEL 23,4m³/h PER PERSOON. wordt geventileerd. Aan de buitenkant van een gebouw, of van een ruimte in een gebouw, is niet te zien met hoeveel lucht wordt geventileerd. Alleen door meting van de luchthoeveelheden is dit te controleren. Gebruik van CO₂-monitoren geeft wel inzicht in de hoeveelheid verse lucht ten opzichte van het aantal personen ALS ER MEER MENSEN IN EEN RUIMTE ZIJN, ZAL MEESTAL NIET DE HOEVEELHEID VIRUSDEELTJES TOENEMEN, OMDAT DE MEESTE MENSEN NU EENMAAL GEEN COVID HEBBEN. ALLEEN DE KANS DAT ER VIRUSDEELTJES VRIJKOMEN NEEMT TOE. HET BEPERKEN VAN HET AANTAL MENSEN IN EEN RUIMTE IS DUS VEEL EFFECTIEVER DAN HET VERGROTEN VAN DE VENTILATIE. dat in de ruimte aanwezig is.

De lucht wordt met een rooster met een bepaalde startsnelheid in de ruimte geblazen. Meestal zal dit een wand- of plafondrooster zijn. Nemen we als voorbeeld een wandrooster. Dan ziet de luchtstraal die daar uit komt er schematisch als volgt uit.

Door de stromingssnelheid van de lucht ontstaat in de luchtstraal een onderdruk. Hierdoor wordt lucht uit de omgeving mee in de luchtstraal gezogen. Dit verschijnsel wordt inductie genoemd. De meegenomen omgevingslucht dient versneld te worden naar de straalsnelheid. Dit gaat ten koste van de snelheid van de ingeblazen lucht (behoud van impuls). Op deze manier wordt de verse lucht dus tegelijkertijd gemengd en afgeremd. De hoeveelheid lucht in de straal groeit zo snel. Afhankelijk van het type rooster dat wordt toegepast en de afstand van het rooster tot de tegenoverliggende wand zal dit minimaal een aantal malen ORDEGROOTTE VAN MINIMAAL 3 TOT MISSCHIEN WEL 20 KEER DE INGEBLAZEN HOEVEELHEID. de oorspronkelijk ingeblazen hoeveelheid lucht zijn. Normaliter gebeurt dit langs het plafond en de wanden van een ruimte. Wanneer het systeem juist is ontworpen, is de luchtstraal geheel opgemengd en afgeremd voor zij de leefzone (het deel van de ruimte waar mensen verblijven) instroomt.

Bij goed ontworpen installaties heeft de ventilatielucht zich op dat moment dus gemengd met een aantal malen, ORDEGROOTTE VAN MINIMAAL 3 TOT MISSCHIEN WEL 20 KEER DE INGEBLAZEN HOEVEELHEID. laten we zeggen 10 x zoveel lucht uit de omgeving. Dat is de lucht die o.a. de verontreinigingen bevat die mensen produceren. Ofwel de lucht die de leefzone binnenstroomt is voor 10% ‘vers’ en voor 90% ‘vuil’. Naast de menging die door de ventilatieluchtstraal wordt veroorzaakt, zijn er nog andere oorzaken van menging. Dit zijn o.a. de eerder genoemde pluimen ten gevolge van warmteproductie van mensen en eventuele apparatuur. Maar er zijn nog veel meer oorzaken waardoor de lucht door elkaar wordt ‘geroerd’. Hieronder een overzicht:

Uit dit overzicht blijkt dat er naast het ventilatiesysteem nog talloze andere oorzaken zijn die de ruimtelucht mengen, roeren, circuleren. Het is maar hoe je het noemt. Buiten de ademhaling hebben alle processen gemeen dat ze geen virusdeeltjes aan de ruimte toevoegen. Angst voor in de ruimte circulerende luchtbehandelingsapparatuur die lucht ongefilterd weer terug blazen in de ruimte, is ongegrond. Want of dit apparaat nu wel of niet aan staat, de virusdeeltjes worden toch wel gecirculeerd, en voor het aantal deeltjes maakt het niets uit. Het enige systeem dat virusdeeltjes afvoert is het ventilatiesysteem. En het is zaak dat die altijd maximaal in bedrijf blijft.

Dit alles zorgt er in de praktijk voor dat alle verontreiniging in ruimten nagenoeg gelijkmatig in de ruimte verdeeld zal worden. Het overgrote deel van alle ventilatiesystemen functioneert op deze wijze.

In bovenstaande lijst staan 2 items, airco’s en tafelventilatoren, die wat extra aandacht vergen. Deze apparaten kunnen een luchtstroom van persoon naar persoon creëren, waarbij het directe veld van de uitademing wordt verstoord. Dit zou wellicht tot gevolg kunnen hebben, dat virusdeeltjes in hoge concentratie direct in het ademgebied van een ander persoon worden geblazen. Bij deze apparaten is de luchtstroming zeer goed, als een koude wind, voelbaar. De overige luchtapparatuur blaast (mits juist ontworpen en uitgevoerd) haar lucht langs het plafond en wanden, voordat deze met lage snelheid in de leefzone komt.

Natuurlijke ventilatie

De ventilatielucht kan ook op natuurlijke wijze de ruimte instromen. De meest effectieve manier is door het openen van ramen of deuren. Op deze wijze kan veel meer lucht in de ruimte worden gebracht, vooral omdat de raamopening veel groter is dan de roosteropening in het geval van een mechanisch systeem. Maar verder is het natuurkundige proces gelijk aan wat onder het vorige kopje is beschreven. Ook hier induceert de straal lucht uit de omgeving, waardoor menging optreedt. Wel is een verschil dat de straal veelal direct de leefzone instroomt. Bij lagere buitentemperaturen zal dit zeer oncomfortabel zijn.

Verdringingsventilatie

Er is een bijzondere vorm van ventileren waarbij juist geen gelijkmatige verdeling van de verontreiniging optreedt. Deze niet vaak in de praktijk voorkomende vorm wordt verdringingsventilatie genoemd. Maar voor hogere ruimten waarin warmteontwikkeling plaatsvindt, is het een interessante optie. Onderstaand plaatje maakt duidelijk waarom dit zo is.

Er wordt gebruik gemaakt van de natuurlijke stroming, zoals die ook optreedt in een niet geventileerde ruimte. Om deze stroming niet te verstoren, maar juist te ondersteunen, wordt bij verdringingsventilatie de lucht met zeer lage snelheid via grote op de vloer geplaatste roosters in de ruimte gebracht. De vuile lucht wordt aan het plafond afgezogen. Het gevolg is dat het onderste deel van de ruimte wordt schoon gespoeld. Omdat de mensen vaak ook juist in dit gebied verblijven (de leefzone) is dit erg gunstig. Door de hoeveelheid verse lucht af te stemmen op de warmteproductie van mensen (plus eventuele andere warmtebronnen), is de hoogte van de grens tussen schone en vuile lucht zodanig in te stellen dat de leefzone ‘schoon’ blijft. Schoon is natuurlijk altijd relatief. Bij dit systeem kan de schone zone veel schoner zijn dan met de gebruikelijk mengventilatie, zoals die hierboven besproken is. Dit zal zo zijn, als de verontreinigingen direct bij de warmtebronnen vrijkomen, waardoor de deeltjes direct in de pluimen worden meegenomen.

Hoeveel ventileren?

Zolang niet bekend is welke concentratie aan virusdeeltjes als ‘veilig’ kan worden beschouwd, weten we ook niet hoeveel geventileerd dient te worden om een ruimte ‘corona-proof’ te maken. Wat we in ieder geval weten, is dat in het directe veld van een geïnfecteerde de concentratie het hoogst is, onafhankelijk van de mate van ventilatie. Dus afstand houden is het belangrijkst!

Om de gemiddelde deeltjesconcentratie laag te houden, dient een bepaalde hoeveelheid lucht te worden geventileerd. Pas op: de vaak gebruikte term ventilatievoud (het aantal malen dat een ruimte per uur wordt ververst) is geen directe maat voor het bepalen van de benodigde ventilatie. Bepalend hiervoor is de absolute hoeveelheid lucht in m³/h. Wel is het ventilatievoud een maat voor hoe snel verontreiniging wordt afgevoerd nadat de bron is gestopt. Maar daarmee is het tegelijkertijd een maat voor hoe snel de verontreiniging in de ruimte wordt verspreid!

Wat we ook hebben gezien is dat met verdringingsventilatie een (veel) schonere leefzone is te creëren. Alleen is tot dusverre nog niet bewezen dat daarmee het besmettingsrisico is te verminderen. OMDAT DE MENSEN DOOR HUN WARMTEAFGIFTE DE DRIJVENDE KRACHT VORMEN DIE DE VUILE LUCHT RICHTING PLAFOND TRANSPORTEERT, STROMEN DE VIRUSDEELTJES MISSCHIEN JUIST WEL DOOR HET GEBIED WAAR WORDT INGEADEMD. EERLIJK GEZEGD DENK IK DAT HET MENSELIJK LICHAAM ZO SLIM IS VORMGEGEVEN, DAT ER NORMAAL GESPROKEN NOOIT VANUIT DIE VERVUILDE LUCHTLAAG WORDT INGEADEMD. Uit een overzichtsstudie Ai, Z. T., & Melikov, A. K. (2018). Airborne spread of expiratory droplet nuclei between the occupants of indoor environments: a review. Indoor Air, 28(4), 500-524. blijkt dat er wetenschappelijke studies zijn die rapporteren dat verdringingsventilatie tot een lagere blootstelling aan druppels leidt, maar er zijn er ook die precies het tegenovergestelde vinden. De auteurs van de review stellen dat dit wellicht wordt veroorzaakt door verschillen in de gebruikte randvoorwaarden van de computersimulaties. Zij stellen ook dat in de meeste simulatiestudies de modelverificatie en validatie ondermaats is geweest. Hun conclusie is dat, waar CFD (computersimulatie) in de normale ontwerppraktijk een vaste plaats heeft, dat in het gebied van de ziekteverspreiding via de lucht (airborne transmission) nog niet het geval is. Ik zou zeggen: tijd voor een test om het verschil in blootstelling TIP: GEBRUIK CO2 ALS TRACER VAN KLEINE DRUPPELTJES tussen meng- en verdringingsventilatie vast te stellen.

Tot slot: pijltjes dromenland

Veel voorstellen voor ventilatiesystemen worden onderbouwd met plaatjes waarin de luchtrichting met pijltjes staat aangegeven. In tegenstelling tot de meeste mensen, volgt lucht geen pijlen. Lucht volgt alleen de natuurwetten. Veelal wordt dit soort plaatjes gemaakt door personen die ofwel de natuurwetten niet kennen, of te weinig ervaring hebben om ze juist toe te kunnen passen.

Voorbeeld 1

Hier een voorbeeld waarin wordt gesuggereerd dat aerosolen van boven naar beneden worden verdrongen. Als toepassingsvoorbeelden worden operatiekamers en vliegtuigen genoemd. Een bijzondere combinatie. Overeenkomst is inderdaad dat in beide, boven wordt ingeblazen en onder afgezogen.

De vliegtuigindustrie claimt zelfs dat de lucht in een vliegtuig net zo schoon is als in een operatiekamer. Dat dit klinkklare onzin is, zal ieder weldenkend ZIET U IN GEDACHTEN AL MEER DAN 100 MENSEN ALS HARINGEN IN EEN TON IN EEN OPERATIEKAMER ZITTEN? mens aanvoelen. Zoals hierboven beschreven, zijn veruit de meeste ventilatiesystemen van het mengende type. En de installatie in een vliegtuig is daar een op-en-top voorbeeld van. Lucht wordt er met hoge snelheid uit minuscule roosters geperst. Perfecte menging is het resultaat. Van verdringing is totaal geen sprake. Als u meer over vliegtuigventilatie wilt weten, kijk dan eens naar deze Duitse reportage. Beter kan ik het niet uitleggen.

In Nederlandse operatiekamers komt het hierboven getoonde systeem niet veel voor. Wel in behandelkamers, daar is het de norm. Je kunt er wel degelijk een heel schone atmosfeer mee creëren, op voorwaarde dat de toevoerlucht heel schoon is (HEPA-filters) én dat er weinig verontreiniging DAT IS PRECIES HET VERSCHIL MET EEN VLIEGTUIG.   wordt geproduceerd. De reden dat er (deels) laag wordt afgezogen heeft te maken met de afvoer van ‘zware’ narcosegassen. In klasse 1 operatiekamers wordt (nog) meestal een verdringend luchttoevoersysteem toegepast, waar de lucht ook van bovenaf wordt ingeblazen. Momenteel is er in de ziekenhuiswereld veel discussie over de effectiviteit van dergelijke verdringende systemen. Zeker geen aanbeveling lijkt mij om een afgeleide van een dergelijk systeem voor normale gebouwen toe te passen.

Voorbeeld 2

Hier de suggestie om veel voorkomende systemen waar zowel boven wordt ingeblazen alsook wordt afgezogen, aan te passen door de afzuigpunten naar beneden te verleggen. Dit zou de ‘Corona bestendigheid’ verbeteren.

In het beste geval zal dit geen enkele verbetering opleveren. De virusdeeltjes zullen zoals ondertussen bekend gelijkmatig over de ruimte verdeeld zijn. Het zal dus niets uitmaken waar wordt afgezogen! Ofwel een aanpassing die geld kost én een vals gevoel van extra veiligheid geeft. Alleen doen als je geld over hebt…

Het wordt kwalijker als de luchttoevoer zou zijn uitgevoerd als een zogenaamde verdringende luchtverdeelslang. Dit is een textiele geweven slang die tegen het plafond hangt en waar de lucht met zeer lage snelheid uitstroomt. Dit is een (goedkopere maar minder effectieve) variant van het verdringingssysteem zoals hiervoor beschreven. Maar dit moet altijd met de afzuiging BOVEN worden uitgevoerd!! Als er beneden wordt afgezogen kunnen aan de randen van de ruimten zones ontstaan waar geen doorspoeling is, en waar zich virusdeeltjes zouden kunnen ophopen. Ofwel een aanpassing die geld kost én minder veiligheid oplevert! Niet doen dus.

Voorbeeld 3

Dit is een moderne variant van een pijltjestekening. Deze animatie moet blijkbaar suggereren dat de mensen geen verontreinigingen van elkaar kunnen inademen. Het is een feit dat in grote ruimten waar meerdere luchttoevoerroosters hangen, ieder rooster een eigen ‘verzorgingsgebied’ heeft. Dit is op te vatten als een ruimte met denkbeeldige wanden, waar het verzorgingsgebied van het ene rooster grenst aan die van het naastliggende rooster. Maar die denkbeeldige wanden hebben geen vaste positie. Ze wiebelen als het ware continu. En op de grens vindt turbulente uitwisseling van lucht met verontreinigingen plaats tussen de aangrenzende gebieden.

Deze animatie houdt overduidelijk geen rekening met factoren als heen en weer lopende mensen, open- en dichtgaande deuren, wel of niet geopende ramen. Misschien dat de achterliggende simulatie daar wel rekening mee heeft gehouden. Het plaatje is echter een aaneenschakeling van drie identieke animaties. Het is dus een wijze van presentatie met hoog theoretisch gehalte.

Nu heb ik niets tegen theorie. Ik gebruik haar dagelijks. Maar aan het einde van een theoretische analyse, stel ik mezelf (hopelijk) altijd de vraag: “En wat betekent dit nu voor de praktijk?” Voor dit onderhavige voorbeeld zou ik zeggen: 1) afstand houden, 2) de bezetting van de kantoortuin zo laag mogelijk houden om daarmee het risico dat er een geïnfecteerde binnen is, te minimaliseren en 3) zo veel mogelijk ventileren.

Conclusies

• In veruit de meeste gevallen zijn deeltjes in een ruimte gelijkmatig verdeeld. Dit is een gevolg van een veelheid van processen die in een ruimte plaatsvinden. Angst voor circulerende processen die lucht ongefilterd weer de ruimte inblazen, is ongegrond.

• Alleen in de nabijheid van vervuilingsbronnen (het directe veld)  is de concentratie hoger.

• Processen die dit directe veld verstoren zijn potentieel ‘gevaarlijk’. Hierdoor zouden virusdeeltjes in hoge concentratie van de geïnfecteerde naar andere personen kunnen worden geblazen. Voorbeelden hiervan zijn tafelventilatoren en airco’s die lucht als een koude wind direct over het lichaam blazen.

• Hoeveel ventilatie nodig is om coronaproof te zijn, is vooralsnog niet bekend.

• Met verdringingsventilatie kan in potentie een veel betere luchtkwaliteit worden gerealiseerd. Of hiermee de besmetting met het coronavirus wordt verminderd, is vooralsnog niet bewezen.

• Wantrouw plaatjes waarin luchtrichting met pijltjes is aangegeven. Meestal komen ze voort uit de wens die de vader is van de gedachte.

Consequenties voor de praktijk

Op basis van al het voorgaande geloof ik niet dat er een ei van Columbus is, dat ruimten coronaproof maakt. Een ventilatiesysteem dat minimaal aan het huidige Bouwbesluit voldoet is een goede basis. Het is niet realistisch te denken dat we in staat zijn gebouwen voor de winter coronaproof te maken. Te meer daar we nog niet eens weten hoeveel ventilatie daarvoor nodig is. Dus wat mij betreft gelden de volgende adviezen:

1. Afstand houden.

2. Ventileren: baat het niet, dan schaadt het niet. Dus uit voorzorg tijdelijk maximaal ventileren.

3. Natuurlijke ventilatie door te openen ramen en deuren is effectiever (maar in de winter zeer oncomfortabel).

4. Installeer CO₂-monitoren met stoplichtfunctie en gebruik die om alarm te geven IN FEITE IS ER GEEN DIRECTE RELATIE TUSSEN CO₂-GEHALTE EN CONCENTRATIE AAN VIRUSDEELTJES. NAARMATE EEN RUIMTE OP EEN GROTERE BEZETTING IS ONTWORPEN, WORDT DE MOGELIJKE VIRUSCONCENTRATIE LAGER. ANDERZIJDS: HOE MEER PERSONEN ER IN EEN RUIMTE ZIJN, HOE GROTER DE KANS DAT ER EEN GEÏNFECTEERDE BIJ ZIT.   als er meer dan een ingesteld aantal mensen in de ruimte is. Dus tijdelijk niet op CO₂ regelen.

    

5. Bij hoog CO₂-alarm de ruimte luchten door deuren en ramen tijdelijk open te zetten (ook in de winter). Zo mogelijk de ruimtebezetting verlagen, om te voorkomen dat het CO₂-gehalte na het luchten weer snel hoog oploopt.