Ventileren tegen corona: een objectieve risico indicator

De discussie over de relatie tussen coronabesmetting en ventilatie gaat gestaag door. Daarbij komt steeds maar weer het argument van (re)circulatie voorbij. Als ventilatie al een rol zou spelen, dan is het aspect circulatie wel het minst belangrijk in dit hele verhaal. Verder presenteer ik in dit artikel een hulpmiddel om ventileren tegen corona objectiever te maken: welke maatregelen helpen en welke niet?

Smoking gun

In mijn vorige artikel heb ik betoogd dat deeltjes overal in de ruimte zijn. Dus als je ze vindt in het afvoer- en/of circulatiedeel van het ventilatiesysteem, is dat zo logisch als wat. Hoewel de deeltjes zo klein zijn dat verreweg de meeste bij alle veranderingen van de luchtstromingsrichting in de installatie met de lucht meegevoerd worden en dus niet op constructiedelen zullen neerslaan. Dat verklaart wellicht dat er zo weinig virusdeeltjes gevonden worden. Velen zagen de vondst van virusdeeltjes op de airco van een verpleeghuis in Maassluis als ‘smoking gun’, het definitieve bewijs voor het aandeel van ventilatie in de coronabesmetting. Het zegt iets over het gebrek aan kennis van de dynamiek van lucht en deeltjes. Maar het is ook niet te verwachten dat de gemiddelde arts of journalist deze kennis heeft.

Maar daarmee is het werkelijke probleem wel uit zicht. Dat er virusdeeltjes op luchtroosters zitten is totaal niet interessant. Dat virusdeeltjes door besmette mensen worden uitgestoten, is algemeen bekend. Daar is geen enkele wetenschappelijke discussie over. Verder mogen we ook aannemen dat er geen tovenaars zijn die deeltjes in het niets laten verdwijnen. Dan is het dus 100% zeker dat er virusdeeltjes in de lucht zweven. Daar is geen smoking gun voor nodig.

Waar het om draait, is de vraag hoeveel van die deeltjes moet een mens inademen om besmet te raken. En juist dat is nu nog niet bekend.

Wells-Riley vergelijking

Daarmee is het voor een ventilatietechnicus feitelijk onmogelijk een passende coronaproof installatie te ontwerpen. Doen we ventileren tegen corona dan helemaal op gevoel? Dat lijkt me niet verstandig. Laten we eens enkele situaties onderling vergelijken. Ik maak daarbij gebruik van de Wells-Riley vergelijking.

Deze wordt al tientallen jaren gebruikt om infectierisico’s bij aerogene overdacht in te schatten.
De formule berekent de kans op besmetting op basis van een Poisson verdeling. Als parameters zijn benodigd:

1. de hoeveelheid uitgestoten besmettelijk materiaal
2. de hoeveelheid ventilatielucht
3. de activiteit van de aanwezige vatbare personen
4. de blootstellingsduur

Ad 1)

In de benadering door Wells-Riley dient de hoeveelheid besmettelijk materiaal gegeven te worden in zogenoemde ‘quanta’ per uur. Eén quantum is de hoeveelheid in de lucht zwevende deeltjes die benodigd is om 63% van aanwezige vatbare personen te infecteren. Ik gebruik in mijn berekening de quanta-gegevens uit een studie Buonanno, G. et al., 2020. Estimation of airborne viral emission: quanta emission rate of SARS-CoV-2 for infection risk assessment. Environment International, p.105794. van Giorgio Buonanno. Over de betrouwbaarheid en toepasbaarheid van deze data is volgens mij een hoop op te merken. Omdat dat alleen maar afleidt van de kern, doe ik dat niet. Ik presenteer alleen verschillen in berekende kansen, niet de absolute getallen. De verschillen zeggen iets over de effectiviteit van de ventilatie.

Ad 2)

De hoeveelheid ventilatielucht wordt, zoals we gewend zijn, ingevoerd in m³/h. Het quotiënt van de quanta/h en m³/h is de concentratie van besmettelijk materiaal in quanta/m³.

Ad 3)

De activiteit van de (gezonde) aanwezigen is bepalend voor de hoeveelheid lucht die per uur wordt ingeademd. Dit vermenigvuldigd met de concentratie is dus de hoeveelheid besmettelijk materiaal die per uur wordt ingeademd.

Ad 4)

Als laatste parameter dient de blootstellingsduur te worden ingevoerd. Ik heb hier in alle berekeningen gekozen voor 2,5 uur.

De Wells-Riley formule berekent het individuele risico op besmetting: wat is de kans dat ik geïnfecteerd wordt, als er één besmettelijk persoon in de ruimte aanwezig is.

Ventilatie Virus Risico Schatter

Hiernaast is het invoerscherm van de risicoschatter weergegeven. De hoeveelheid ventilatie kan worden ingegeven op basis van directe invoer, ventilatievoud of per persoon. Daarnaast bestaat de mogelijkheid om de invloed van CO₂-regeling mee te nemen. Ook kan een recirculatiefilter worden ingevoerd.

In onderstaande tabel staan diverse situaties waarvoor het infectierisico is berekend. Naast het infectierisico wordt ook de CO₂-concentratie berekend. Beide berekeningen houden rekening met de tijdconstanten (ventilatievoud) van de virusopbouw en CO₂-opbouw.

Resultaten

In onderstaande grafiek zijn de berekende infectierisico’s voor de verschillende situaties weergegeven. Op de horizontale as is het totale ventilatiedebiet afgezet. Uit de grafiek is een aantal interessante conclusies te trekken:

• het hoogste risico treedt op in de woonkamer (A)
• wanneer de fitnessruimte (punt I) buiten beschouwing wordt gelaten (zie later), blijkt er een duidelijke relatie te zijn tussen het ventilatiedebiet en het risico: hoe meer ventilatie, hoe kleiner het infectierisico
• als gevolg hiervan scoort het grote theater (J) erg goed. Hier is het risico op infectie via de lucht nagenoeg nul. Pas op: risico op besmetting door grote druppels op korte afstand is hierin niet meegenomen!
• twee andere interessante punten zijn K en L, een schoollokaal conform het ‘Bouwbesluit Bestaande Bouw’ respectievelijk ‘Bouwbesluit Nieuwbouw’. Deze scoren beide redelijk goed wat risico betreft. Waarbij de aantekening gemaakt moet worden dat we niet weten hoe groot het risico werkelijk is. Alle uitkomsten zijn relatief ten opzichte van elkaar.
• het vliegtuig (H) scoort ook erg goed, dankzij de HEPA filters? Ik kom daar later nog op terug.

Maar het is toch interessant om eens te kijken naar enkele andere veel gebruikte ventilatiegrootheden: de ventilatiehoeveelheid per persoon, het ventilatievoud en de CO₂-concentratie. Zie hiervoor onderstaande grafiekjes.

Natuurlijk is het wel zo dat in eenzelfde ruimte een hoger ventilatievoud of lagere CO₂-concentratie het risico verlagen. Maar een algemene uitspraak is op basis van deze grootheden niet te doen. En dat kan op basis van het ventilatiedebiet wel: hoe meer kubieke meters lucht worden geventileerd, hoe lager het risico.

De praktijk

Het vervelende is, dat die totale hoeveelheid lucht lastig te bepalen is. Daar zijn meettechnici met speciale apparatuur voor nodig. Gelukkig is er nog een eenvoudiger methode. Dat laat onderstaande grafiek zien. Wat we nodig hebben, is de toename van de CO₂-concentratie per aanwezig persoon. Laten we als voorbeeld situatie K nemen, het klaslokaal conform het Bouwbesluit Bestaande Bouw. De berekende CO₂-concentratie met 30 aanwezigen is daar 1922ppm. Ten opzichte van buiten is dat 1922 – 400 = 1522ppm. Per aanwezig persoon is de toename 1522 / 30 = 51ppm. Pas op, dit is dus een totaal andere grootheid dan de CO₂ toename waar we normaliter een systeem op ontwerpen! Onderstaand is de grootheid uitgezet tegen het infectierisico.

Dit is een grafiek die in de praktijk goed kan worden toegepast. En wel op 2 manieren.

1. Bij een niet in gebruik zijnde ruimte. Hierin kan een technicus met een CO₂-meter bepalen hoeveel de CO₂-concentratie toeneemt ten gevolge van zijn/haar eigen aanwezigheid. Als dat niet of nauwelijks te meten is, dan is het besmettingsrisico gering.
2. In een ruimte die gebruikt wordt. Door de toename van het CO₂-gehalte boven die van de buitenlucht (gemiddeld circa 400ppm) te delen door het aantal aanwezige personen, is uit de grafiek het relatieve infectierisico af te lezen.

Bij deze meting dient rekening te worden gehouden met de stijging van het CO₂-gehalte in de tijd. Pas als de gemeten waarde niet meer toeneemt, is de meting voltooid. Als minimale meettijd dient 30 minuten te worden aangehouden. Maar naarmate het ventilatievoud van de ruimte geringer is, zal de meetduur toenemen.

Het vliegtuig

Voor de situatie in een vliegtuig is een sectie van 9 rijen van 7 stoelen per rij beschouwd. De afmetingen en ventilatiegegevens zijn overgenomen uit een studie Zhang, T., Chen, Q.Y. & Lin, C.-H., 2007. Optimizing contaminant sensor locations in a twin-aisle aircraft cabin. van Purdue University. Zoals bekend hebben vliegtuigen een ‘speciale ventilatie’, waarbij de helft van de lucht over HEPA filters wordt gerecirculeerd. Er zijn luchtvaartmaatschappijen die daarom claimen dat de lucht in een vliegtuig net zo schoon is als in een operatiekamer. Als dat zo was zouden ziekenhuizen hun operatiekamers tegelijkertijd als wachtkamers kunnen gebruiken! Natuurlijk is die claim complete onzin, maar wat is de invloed van die filters op het infectierisico? Zie hiervoor onderstaande grafiek. Opmerking: de gefilterde lucht is op de horizontale as als ventilatielucht meegerekend.

Hiervoor zijn enkele varianten berekend, met verschillende filterkwaliteiten. De schaalverdeling van de verticale as is aangepast, maar dan nog zijn de verschillen in infectierisico nauwelijks zichtbaar. Zelfs als de recirculatielucht niet gefilterd wordt, neemt het risico in absolute zin nagenoeg niet toe (relatief gezien verdubbelt het risico ongeveer).

Die hele hoge vangstpercentages zijn nodig als er een verdringingssysteem aanwezig is, zoals bijvoorbeeld bij een UDF-systeem in een operatiekamer.

De plaats van een extra filter bij ventileren tegen corona

Het heeft geen zin bestaande filters in het luchttoevoersysteem te vervangen door of aan te vullen met filters met hoger vangstrendement. In deze lucht is geen virus aanwezig, dus is extra filtreren hier niet zinvol.

Ook het plaatsen van filters in de luchtafvoer heeft over het algemeen geen zin. Deze lucht heeft de ruimte al verlaten en filtreren zal het aantal virusdeeltjes in de ruimte niet verlagen. Het enige positieve effect is dat de afgeblazen lucht niet de aangezogen lucht kan vervuilen. Maar los van de coronacrisis is het altijd al zaak kortsluiting van afvoer- en verse lucht te voorkomen.

De enige plek waar een extra filter zin heeft is in recirculatielucht in de ruimte zelf. Pas op: dit is geen pleidooi om alle recirculatielucht te gaan filteren! Dit is zinloos. Zie hiervoor de inleiding (Smoking gun) en mijn vorige artikel.

De fitnessruimte

De fitnessruimte (punt I) springt in de grafieken boven de andere situaties uit. Dat heeft te maken met de aangenomen lichamelijke activiteit van zowel de besmettelijke persoon als de andere gezonde sporters. Iemand die besmet is, stoot meer druppeltjes uit bij hogere activiteit. Daardoor komt er dus meer infectieus materiaal in de lucht. De gezonde personen ademen veel meer door hun activiteit, en kunnen daardoor meer virus binnen krijgen. Dit verklaart waarom dit punt een uitschieter ten opzichte van de andere situaties is.

Er is hier gerekend met een debiet van 43m³/h per persoon. Dat is een getal vanuit een praktijksituatie. Het voldoet ruimschoots aan de eis van 23,4m³/h die het Bouwbesluit voor een gebouw met sportfunctie stelt. Bij de aangenomen lichamelijke activiteit zal een luchthoeveelheid van 43m³/h per persoon leiden tot een CO₂-percentage van 1750ppm. Vanuit dat oogpunt zou een hogere ventilatiehoeveelheid wel wenselijk zijn.
In onderstaande grafiek is het effect van enkele varianten weergegeven.

• basis: 2150m³/h (=43m³/h per persoon) na 2,5 uur
• 2 x zoveel lucht: 4300m³/h (=86m³/h per persoon) na 2,5 uur
• basis + filter: 2150m³/h ventilatie plus 2150m³/h over een recirculatiefilter (80% vangst) na 2,5 uur
• basis, 1 uur: 2150m³/h (=43m³/h per persoon) na 1 uur

De fitnessruimte geeft een aanmerkelijk hoger risico dan andere ruimten waar de activiteit lager is, maar de luchthoeveelheid ongeveer hetzelfde. Qua risico is de fitnessruimte vergelijkbaar met de vergaderruimte. Het is uiteindelijk aan de eigenaar van de ruimte om te besluiten of dit acceptabel is. Om de risico’s van deze ruimte enigszins in lijn te brengen met die van de overige ruimten, dient een fitness ruimte (of vergelijkbare sporthal) met minimaal circa 4500m3/h geventileerd dient te worden. Eventueel mag een deel van die lucht ook via een filter gerecirculeerd worden. Pas op: dit geldt voor iedere afzonderlijke ruimte, onafhankelijk van de grootte!

Groepsgrootte

Uit het voorgaande blijkt dat het risico afneemt bij toenemende ventilatiehoeveelheid. Het heeft vanuit dit oogpunt dus geen zin het aantal aanwezigen te verkleinen! Het persoonlijke infectierisico neemt daardoor niet af. Wel neemt dan de kans af dat er een willekeurig iemand wordt besmet, doordat er nu eenmaal minder mensen zijn. Anderzijds omdat de kans dat er een besmet persoon binnen is kleiner wordt.
Om de invloed hiervan te verduidelijken is het infectierisico berekend voor een serie denkbeeldige ruimten. Het ventilatiesysteem is ontworpen voor een toenemend aantal personen, maar steeds met 25m³/h per persoon. De werkelijke bezetting is steeds 50%. In onderstaande grafiek staan die kansen weergegeven. Let op: de verticale schaal is logaritmisch.

De blauwe lijn is het berekende risico zoals dat in dit artikel steeds is gedaan. De gele lijn geeft aan dat het risico dat één of meer personen geïnfecteerd worden, groter wordt als het aantal aanwezigen toeneemt. Feitelijk is de gele lijn berekend als 1 min de kans dat er niemand besmet wordt. De rode lijn geeft de kans weer dat er een besmet persoon onder de aanwezigen is. De groene lijn geeft de totale kans weer dat er iemand besmet raakt.

Alleen de blauwe lijn is te beïnvloeden door technische aanpassingen van de installatie. De gele lijn verandert dan automatisch mee. Stel dat een eigenaar of gebruiker de installatie niet wil of kan aanpassen. Dan is de enige manier waarop het risico toch is te verminderen, de toegestane bezetting te reduceren. Het individuele risico neemt dus niet af, maar omdat er minder mensen aanwezig zijn, neemt het totale risico wel af. Dat is zichtbaar gemaakt in onderstaande grafiek.

Bij kleine ruimten, ontworpen voor weinig mensen, leidt 50% bezetting tot een factor 4 maal lagere kans op besmetting. Bij zeer grote ruimten, ontworpen voor 100 mensen, is de afname minder, maar toch altijd nog een factor 1,5.

Conclusies

Ventileren tegen corona vergt op een aantal punten toch een andere denkwijze dan ‘normaal’ ventileren. De belangrijkste conclusies die getrokken kunnen worden zijn:

• • de Wells-Riley vergelijking geeft de mogelijkheid diverse ventilatietechnische oplossingen te beoordelen op infectierisico
  • de enige ventilatiegrootheid die een directe relatie heeft met het infectierisico, is het totale ventilatiedebiet
  • de CO2-toename per in een ruimte aanwezig persoon is een goede maat om het (relatieve) infectierisico in te schatten en is eenvoudig te meten
  • een filter in recirculatielucht binnen de verblijfsruimte kan zinvol zijn als het verhogen van de ventilatiehoeveelheid niet kan. Dit hoeft geen HEPA filter te zijn. Een filter met 80% vangst op PM1 is voldoende. Eventueel kan dit ook een UV-filter zijn (maar dan wel een die geen ozon produceert).
  • ruimten waarin gesport, gezongen of zwaar lichamelijk gewerkt wordt kennen een hoger besmettingsrisico
  • wanneer geen aanpassingen aan het ventilatiesysteem worden uitgevoerd, kan het besmettingsrisico worden verminderd door de bezetting te verlagen. Het individuele risico neemt daardoor niet af, maar omdat er minder aanwezigen zijn, is de kans dat er iemand besmet raakt wel (aanzienlijk) geringer.