通风系统对病毒传播风险的影响（综述）

全文:

ОБОСНОВАНИЕ

Представлен систематический обзор данных о влиянии систем вентиляции на распространение вирусов в зданиях. Около 90% зарегистрированных случаев инфекционных заболеваний связаны с острыми респираторными инфекциями [1]. За последние 20 лет зарегистрировано несколько крупных вспышек респираторных болезней, вызванных аэрозольными патогенами [2]. Высокая интенсивность распространения и длительная стойкость аэрозолей воздуха в помещениях приводят к резкому росту числа заболевших.

Значительное число случаев заболеваний Ближневосточным респираторным синдромом (MERS-CoV) и коронавирусом (COVID-19) продемонстрировало высокий уровень инфекций, связанных с внутрибольничным распространением. Установлено, что 41% больных, инфицированных COVID-19, получили его во время лечения [3]. Распространённость респираторных инфекций среди медицинского персонала составляет от 0,3 до 43,3%. Согласно государственному докладу о здравоохранении, вспышки внутрибольничных инфекций в медицинских организациях, зарегистрированные в 2023 г. в России, связаны главным образом с передачей вируса через воздух (79,11%). Во время пандемии COVID-19 в 2020 г. зарегистрирован пик показателей инфицирования, который достиг 130 803 случая. Инфекции верхних и нижних дыхательных путей являются наиболее распространёнными видами внутрибольничных инфекций [4–6].

Понимание механизма распространения инфекционных заболеваний с помощью аэрозолей имеет решающее значение для прогнозирования воздушного режима помещений и проектирования систем вентиляции.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Для оценки влияния систем вентиляции на риск передачи инфекционных заболеваний необходимо рассмотреть возможные механизмы распространения патогенов внутри помещений с учётом стабильности вирусов при различных параметрах микроклимата помещений.

Поиск теоретических исследований производили в базе данных PubMed по ключевым словам. Выборку научных исследований составили из статей типа Review и Systematic Review, имеющих полнотекстовые версии в открытом доступе.

При задании запроса по ключевым словам «virus» AND «aerosol transmission» было получено 510 результатов за последние 10 лет. Из них 393 статьи изданы в 2020 и 2021 гг., что обусловлено высокой актуальностью тематики исследования в условиях пандемии COVID-19. Анализ наиболее релевантных источников позволил выявить факторы, влияющие на механизм аэрозольного распространения вирусов в помещениях: состав воздушной среды, температура, относительная влажность и подвижность воздуха, кратность и схема организации воздухообмена систем вентиляции. Следующим этапом было составление выборки исследований по каждому параметру, например: («virus» AND «aerosol transmission») AND («relative humidity» OR «RH»).

Добавление слова «ventilation» сузило выборку до 89 статей с 2006 г. Из них исключили повторяющиеся статьи и вручную выбрали исследования, релевантные рассматриваемой тематике, поскольку термин «ventilation» зачастую используется в контексте методов респираторной терапии (искусственная вентиляция лёгких). В итоге к рассмотрению было принято 47 научных исследований.

Интересным фактом является то, что влияние систем вентиляции на риск распространения патогенных аэрозолей практически не рассматривалось до 2020 г. Лишь две статьи с 2006 по 2020 г. упоминают связь между увеличением уровня заболеваемости и эффективностью работы систем вентиляции [7, 8]. С 2020 г. наблюдается повышенный интерес к изучению механизма распространения вирусных инфекций внутри зданий и объектов транспортной инфраструктуры с учётом условий эксплуатации инженерных систем.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Аэрозольные пути передачи вирусных патогенов

К основным путям передачи вирусных заболеваний в здании можно отнести перекрёстное распространение патогенов от заболевшего человека, перетекание инфекции из заражённого помещения в коридор и смежные комнаты, транспортирование загрязнённого воздуха посредством систем вентиляции, передача вирусов через фомиты. Более ранние исследования подвергают сомнению возможность передачи вирусных респираторных инфекций с помощью аэрозолей [7]. Однако анализ вспышек заболеваний позволил выявить влияние воздушного режима помещений и эффективности работы систем вентиляции на передачу патогенов, которая возможна только при аэрозольном распространении инфекции в многоквартирных жилых домах [8, 9], предприятиях общественного питания [10], магазинах [11], фитнес-центрах [12] и общественном транспорте [13].

Аэрозоль представляет собой дисперсную систему, состоящую из взвешенных частиц в газовой среде. При дыхании, разговоре, чихании и кашле человек выделяет мелкие капельки жидкости, содержащие возбудителей вирусных заболеваний. Термин «аэрозоль» относится к частицам любого размера, которые могут находиться в сложившихся микроклиматических условиях во взвешенном состоянии. Диапазон изменения размеров частиц может составлять 5–6 порядков. Минимальным размером аэрозоля являются молекулярные кластеры, содержащие не менее 6–10 молекул, которые, с одной стороны, обладают значительной устойчивостью, а с другой стороны — способны не отскакивать от поверхности при столкновении с ней и необратимо прилипать. Мелкодисперсные системы аэрозолей (менее 50 мкм) являются наиболее опасными с точки зрения распространения заболевания. Они обладают высокой стабильностью витания и возможностью проникновения в нижние дыхательные пути, а также способствуют увеличению риска контактной передачи вирусов через фомиты. Частицы менее 20 мкм легко проникают в организм через гортань, менее 5–6 мкм — в альвеолярное пространство, что является характерным для таких вирусных заболеваний, как MERS-CoV [14].

Верхняя граница размеров аэрозолей может быть определена исходя из динамического поведения и устойчивости частиц дисперсной системы. В настоящее время формируется новая теория, что патогенными биоаэрозолями могут являться частицы с размером до 100 мкм [15, 16]. Локальные конвективные потоки воздуха, формирующиеся в помещении при кашле и чихании, распространяют аэрозольные частицы на расстояния свыше 2 м [17, 18].

Аэродинамика аэрозольных частиц в помещении определяется воздействием на взвешенные частицы различных внешних и внутренних факторов: сил гравитации и инерции, броуновского движения, электрофоретических и термических сил. При рассмотрении патогенных биоаэрозолей необходимо учитывать не только физические характеристики, влияющие на стабильность систем, но и учитывать биологическую инактивацию вирусов под влиянием окружающей среды.

Влияние параметров микроклимата на риск распространения вирусов

Температурно-влажностный режим помещения

Определение взаимосвязи между температурно-влажностным режимом помещения и динамикой вирусных аэрозолей является сложной междисциплинарной задачей, которая сводится к определению физико-химических свойств отдельного типа вирусного заболевания.

Риск распространения респираторных заболеваний выше в странах с холодными климатическими условиями, что вызвано не только ослаблением иммунитета при отрицательных температурах, но и низким влагосодержанием воздуха [19]. Жаркие и влажные климатические регионы, особенно в сезон дождей, менее подвержены вспышкам заболеваний, обусловленных аэрозольной передачей вирусов. Однако в условиях тропического климата повышается возможность контактного заражения [20].

Инактивация респираторных вирусов в результате денатурирования белков и нуклеиновых кислот происходит при высоких температурах воздуха — от 27 до 70 °С [21]. Данная температура превышает диапазон допустимых параметров воздуха в помещении, поэтому в дальнейшем этот фактор к рассмотрению не принимается.

Относительная влажность воздуха в помещении (φ, %) является одним из ключевых параметров, определяющих стабильность биоаэрозольной системы. Относительная влажность влияет не только на количество частиц, остающихся во взвешенном состоянии при дыхании и кашле, но и на выживаемость вирусов в аэрозоле [20]. При повышении относительной влажности воздуха испарение выдыхаемых капель замедляется, что приводит к повышенной концентрации крупных аэрозольных частиц, которые за счёт гравитационных сил начинают оседать. В идеальных условиях при рассмотрении изолированной капли в неподвижном воздухе оседание патогенных частиц будет происходить с незначительной скоростью [22]. Наличие турбулентных потоков, вызванных перемещением людей в помещении, открытием дверей, осуществлением проветривания и работой вентиляционных систем, уменьшает время испарения капли, увеличивая дальность её полёта и время осаждения [23]. Снижение относительной влажности приводит к усиленному испарению влаги с поверхности частиц аэрозоля и образованию капельных ядер, которые могут длительное время оставаться во взвешенном состоянии, перенося инфекционные заболевания в течение нескольких часов [24].

Поддержание требуемой относительной влажности необходимо не только с точки зрения стабильности аэрозольных систем, но и для нейтрализации вирусов. Исследователи выделяют различные зависимости жизнеспособности вирусов от относительной влажности воздуха: растущая инактивация с увеличением φ, снижающаяся инактивация при увеличении φ, U-образная жизнеспособность [21]. Для респираторных вирусов (гриппа и SARS-CoV-2) характерна U-образная жизнеспособность [25–27], что позволяет определить границы оптимальной относительной влажности воздуха в помещении. Таким образом, идеальная влажность для предотвращения аэрозольной передачи респираторных инфекций при комнатной температуре составляет 40–60% [28, 29].

В нормативно-технических документах Российской Федерации (ГОСТ 30494–2011, ГОСТ 12.1.005–88) предъявляются требования к оптимальной и допустимой относительной влажности в холодный и тёплый периоды года. Для жилых и общественных зданий оптимальная относительная влажность в зимнее время должна находиться в диапазоне 30–45%, в летнее время — 30–60%, а допустимая относительная влажность должна составлять не более 60 и 65% соответственно. Для производственных зданий параметры микроклимата помещений зависят от степени тяжести выполняемых работ. Оптимальные значения относительной влажности в течение года принимаются 40–60%, допустимые — не более 75%. При проектировании систем вентиляции в обслуживаемой зоне помещений необходимо поддерживать допустимые параметры. Обеспечение наиболее комфортных оптимальных критериев возможно при наличии технического задания или экономического обоснования. В холодный период года в большинстве зданий не создаются необходимые условия для поддержания требуемых значений относительной влажности для снижения риска распространения респираторных вирусов.

Подвижность воздуха в рабочей зоне помещения

Наряду с температурой и относительной влажностью, скорость движения воздуха в рабочей зоне (подвижность) оказывает значительное влияние на теплофизическое состояние среды помещения.

Воздух в вентилируемом помещении находится в непрерывном движении. При недостаточной равномерности воздухораспределения в помещении могут формироваться локальные застойные зоны, характеризующиеся повышенной температурой и концентрацией вредных веществ. При низкой подвижности в рабочей зоне вокруг человека образуется тонкая малоподвижная воздушная оболочка, которая быстро насыщается выдыхаемыми парами влаги и имеет повышенную температуру.

При увеличении скорости движения воздуха патогенный аэрозоль начинает интенсивно распространяться по помещению, тем самым увеличивая риск заражения людей, находящихся на расстоянии от источника заболевания [30]. С другой стороны, рост подвижности воздуха приводит к увеличению скорости испарения и образованию капельных ядер, что увеличивает скорость оседания аэрозольных частиц. В настоящее время вопрос об оптимальной скорости движения воздуха в рабочей зоне с точки зрения риска распространения вирусов остаётся недостаточно изученным. В рассмотренной выборке научных исследований не обнаружен диапазон рекомендуемой подвижности воздуха для снижения возможности заражения воздушно-капельным путем.

Качество воздушной среды в помещении

Низкое качество воздушной среды и повышенный уровень запылённости способствуют увеличению темпа распространения вирусов [31] и косвенно повышают уровень смертности от респираторных заболеваний [32].

В воздухе закрытых помещений могут содержаться летучие органические смеси, различные биологические загрязнители, пары, газы и пыль. Инфицированный человек при разговоре, дыхании и кашле выделяет аэрозольное облако, которое, распространяясь по помещению, может оседать не только на ограждающих конструкциях, мебели и технологическом оборудовании, но и связываться с загрязняющими агентами в воздухе. Мелкодисперсные частицы пыли PM 2.5 являются переносчиками вирусных патогенов, проникая глубоко в дыхательные пути человека [33]. Наличие органических поверхностно-активных веществ в воздухе способствует стабилизации и продлению жизнеспособности вирусных аэрозолей [34].

Все вышеперечисленные факторы, обусловливающие интенсивность распространения и стабильность вирусных аэрозолей зависят от эффективности работы инженерных систем в здании. Далее в настоящем исследовании выделены основные способы снижения инфекционной нагрузки помещений посредством систем вентиляции.

Влияние работы систем вентиляции на риск распространения вирусов

После пандемии COVID-19 многие международные организации по стандартизации и ассоциации инженеров определяют потребность обустройства «надлежащей вентиляции» закрытых помещений для снижения инфекционной нагрузки [35]. К сожалению, в настоящий момент существует недостаточное количество научных исследований, направленных на разработку конкретных мероприятий по изменению условий эксплуатации систем вентиляции при повышенных уровнях заболеваемости. Общие руководящие принципы включают в себя уменьшение численности людей в помещении, периодические проветривания и увеличение кратности воздухообмена [36–38]. Однако до сих пор не разработана система практических рекомендаций по внедрению особого режима работы вентиляционных систем жилых, общественных и административных зданий для снижения риска распространения вирусов.

Механические и естественные системы вентиляции

Дополнительная организация естественной вентиляции является хорошей мерой для снижения вирусной нагрузки в помещениях. В детских садах, школах, университетах и офисах рекомендуется производить обязательное проветривание помещений во время перерывов. Для планировок, имеющих окна, выходящие на разные фасады, необходимо обеспечивать естественную сквозную (перекрёстную) вентиляцию. Результаты исследований показывают, что сквозная вентиляция значительно снижает вирусную нагрузку: за 15 мин при стабильной скорости движения воздушного потока 1,5 м/с количество вирионов уменьшается с 10 000 до 0 для помещения площадью 100 м² [39]. Односторонняя вентиляция обладает меньшей эффективностью, однако она также позволяет снизить вирусную нагрузку вдвое.

В зимнее время наружный воздух зачастую обладает низким влагосодержанием. При естественном проветривании он поступает в помещение через открытые окна и форточки, нагревается от системы отопления. Потребление тепловой энергии в жилых и общественных зданиях при этом может составлять до 35% годового использования [40]. При этом относительная влажность стремительно уменьшается и может достигать 10–15%. Как было рассмотрено ранее, при низкой относительной влажности происходит уменьшение размера аэрозольных частиц вследствие испарения их водяной оболочки. При достижении размеров частиц менее 50 мкм их тяжело уловить и обеспечить эффективное удаление с помощью систем вентиляции [41].

При рассмотрении возможности использования естественной вентиляции в здании в первую очередь необходимо обеспечить оценку качества наружной среды. Применение периодического проветривания в районах с высокой загрязнённостью воздуха взвешенными частицами может повлиять на качество воздушной среды помещения и эффективность удаления вирусных аэрозольных агентов. Степень распространённости респираторных заболеваний увеличивается при повышенных концентрациях взвешенных частиц в воздухе [42]. Как показывают результаты исследований запылённости воздушной среды в помещениях музеев [43], применение местных увлажнителей барабанного типа позволяет не только обеспечить и поддержать оптимальную относительную влажность (от 40 до 60%), но и заметно снизить содержание мелкодисперсных частиц в воздухе. Наибольшее снижение концентрации пыли (свыше 70 %) наблюдается для частиц размером от 2,5 до 10,0 мкм. В основе работы барабанных устройств применяется принцип естественного испарения, благодаря чему превышение относительной влажности воздуха более 60% является невозможным. Местные увлажнители воздуха позволяют снизить жизнеспособность аэрозольных респираторных вирусов.

Централизованные системы вентиляции и кондиционирования воздуха повышают риск распространения аэрозольных инфекций по высоте здания, особенно в многоэтажных жилых комплексах, оборудованных вытяжными системами естественной вентиляции со сборными вертикальными каналами и тёплыми чердаками. При неблагоприятных погодных условиях возможно формирование эффекта обратной тяги, при котором загрязнённый воздух из вентиляционных каналов через вытяжные решётки проникает в квартиру [44].

Механические системы вентиляции обеспечивают эффективную подачу чистого приточного воздуха и удаление вредных выделений из помещения. Однако ошибки при проектировании, монтаже и эксплуатации систем могут привести к трагической ситуации, когда вентиляция сама становится источником заражения. При обследовании больничных палат [45, 46] пробы ПЦР из вентиляционных решёток и вытяжных установок показали положительные результаты, что доказывает возможность распространения вирусов посредством сети воздуховодов и их накопления на оборудовании. Несвоевременная замена фильтров, отсутствие очистки и дезинфекции воздуховодов приводят к транспортировке микроорганизмов и всплеску заболеваний в зданиях. Наибольшие проблемы при этом возникают в системах с рециркуляцией воздуха, поскольку стандартные фильтры грубой очистки, применяемые в общественных зданиях, не способны эффективно удалять частицы размером менее 5 мкм. Таким образом, в условиях роста заболеваемости рекомендуется проводить обязательный осмотр и очистку вентиляционных систем, а также обеспечивать переход на прямоточные схемы обработки воздуха.

Требуемая кратность воздухообмена

Экспертная группа по COVID-19 выделила три основных фактора, обусловливающих возможность возникновения вспышек заболевания в зданиях: наличие закрытых помещений с недостаточным воздухообменом, переполненные комнаты с массовым пребыванием людей и близкий контакт [47]. Увеличение кратности воздухообмена способствует снижению инфекционной нагрузки в помещениях. Рекомендованное значение расхода воздуха, приходящегося на одного человека, составляет не менее 30 м³/ч [47]. Эта цифра основана на многолетнем опыте в области гигиены помещений и безопасности труда и должна рассматриваться как основное требование. Согласно нормативно-техническим документам по проектированию систем вентиляции в России (СП 60.13330.2020), минимальный воздухообмен для помещений с непостоянным пребыванием людей должен составлять не менее 20 м³/ч, что ниже международного рекомендованного значения. В особую зону риска попадают помещения с массовым и кратковременным пребыванием людей: кинотеатры, театры, залы ожидания аэропортов и вокзалов, торговые центры. Даже отсутствие длительного контакта не исключает возможность передачи заболевания, поскольку вирусы могут оставаться инфекционными в аэрозолях в течение нескольких часов [48]. Обнаружение высоких концентраций вируса COVID-19 в столовых, конференц-залах и туалетных комнатах подтверждает возможность перекрёстной передачи вирусов при непродолжительном времени нахождения в помещении [49, 50].

Рекомендуемый минимальный расход воздуха для предотвращения вспышек заболеваний должен учитывать вирулентность инфекционных агентов. Для определения нормативного расхода воздуха при рассмотрении дельта-варианта SARS-CoV2 может потребоваться установить бóльшую интенсивность воздухообмена с учётом требований по обеспечению оптимальной подвижности воздуха в помещении для превентивной защиты от инфекции [51].

Схемы организации воздухообмена

Контроль движения воздушных потоков в помещениях является неотъемлемой задачей при обеспечении высокого качества воздушной среды. Результаты исследований показывают, что изменения общего и локального рисков заражения воздушно-капельным путём при различных схемах воздухораспределения являются сложными и нелинейными [52].

Применение смешанного воздухораспределения при подаче и удалении воздуха «сверху вверх» в идеальных условиях приводит к равномерному распределению температуры и концентрации вредных веществ по объёму помещения. С одной стороны, такая схема организации воздухообмена позволяет разбавить концентрацию аэрозоля, но с другой стороны — при недостаточном воздухообмене может быстро распространить инфекцию по помещению [53]. В случаях значительных расходов воздуха в небольших по площади помещениях (например, в кафе и ресторанах с плотной посадкой) бывает близкое расположение приточных и вытяжных устройств. Приточный воздух, поступая в помещение, не успевает опуститься в рабочую зону под воздействием вытяжных устройств. Такой эффект носит название «короткая циркуляция воздуха». В рабочей зоне помещения формируются застойные зоны, представляющие собой острова с повышенными температурами и концентрациями вредных веществ.

При вытесняющей вентиляции подача воздуха осуществляется в рабочую зону помещения, вытяжка производится из верхней части помещения. Под воздействием внутренних избытков теплоты формируется восходящий конвективный поток воздуха, создающий стратификацию температуры и загрязняющих веществ по высоте помещения. Эффективность вытесняющей вентиляции с точки зрения риска распространения вирусов зависит от месторасположения инфицированного человека относительно других людей, находящихся в помещении. Вероятность заражения при применении вытесняющей вентиляции ниже, чем при смешанной, когда люди сидят неподвижно и держатся на расстоянии (более 1,5 м в случае COVID-19), в то время как при их близком расположении друг к другу отмечается обратная зависимость [54].

Наибольшую эффективность показали сложные схемы, использующие несколько вариантов раздачи воздуха: например, смешанное воздухораспределение совместно с персонализированными системами вентиляции [53]. Персонализированная подача приточного воздуха непосредственно в зону дыхания человека позволяет снизить риск перекрёстного заражения до 50% [53, 55].

ОБСУЖДЕНИЕ

Большинство рассмотренных публикаций отмечают значительное влияние эффективности работы систем вентиляции на риск распространения вирусных респираторных заболеваний. Стоит отметить недостаточность проведённых исследований по динамике жизнеспособности аэрозолей вирусных инфекций при различных уровнях загрязнения воздушной среды. В рассмотренной выборке научных исследований не выявлен диапазон рекомендуемой подвижности воздуха для снижения возможности заражения. Рекомендуется проведение более развёрнутых исследований по применению местных увлажнителей воздуха и их влиянию на жизнеспособность респираторных вирусов. Выявлены несоответствия международных и отечественных нормативно-технических требований по обеспечению комфортных параметров микроклимата и качества воздушной среды в помещениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существуют убедительные и достаточные доказательства аэрозольной передачи вирусных респираторных инфекций, что приводит к острой необходимости междисциплинарных исследований по влиянию параметров микроклимата и условий работы инженерных систем на риск распространения заболеваний.

На основе проведённых теоретических исследований составлен перечень практических рекомендаций для снижения вероятности вспышек заболеваний в общественных и жилых зданиях.

1. Необходимо поддерживать оптимальные параметры относительной влажности воздуха в помещениях в пределах 40–60%. Локальные увлажнители воздуха барабанного типа позволяют снизить инфекционную нагрузку в помещениях, при правильной эксплуатации очищая воздух от мелкодисперсных частиц и обеспечивая низкую жизнеспособность вирусных патогенов.
2. Рекомендованная кратность воздухообмена, приходящаяся на одного человека, составляет не менее 30 м³/ч.
3. В переходный и холодный периоды года, являющиеся наиболее опасными с точки зрения распространения респираторных заболеваний, необходимо усиливать контроль за эффективностью работы вентиляционных систем (проверка работоспособности и проектных условий функционирования), очисткой и дезинфекцией воздуховодной сети и оборудования, обеспечивать своевременную замену фильтров.
4. Применение персонализированных систем вентиляции позволяет снизить риск передачи вирусных аэрозолей.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Д.В. Абрамкина — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; В. Верма — обзор литературы, сбор и анализ литературных источников, подготовка и написание текста статьи. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’contribution. D.V. Abramkina — literature review, collection and analysis of literary sources, writing the text and editing the article; V. Verma — literature review, collection and analysis of literary sources, preparation and writing of the text of the article. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. The authors confirm the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this article.

作者简介

Darya V. Abramkina

Moscow State University of Civil Engineering

编辑信件的主要联系方式.
Email: dabramkina@ya.ru
ORCID iD: 0000-0001-8635-1669
SPIN 代码: 2376-9125

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor

俄罗斯联邦, 26 Yaroslavskoye hwy, Moscow, Russia, 129337

Vishal Verma

Moscow State University of Civil Engineering

Email: vishalverma2k16@gmail.com
ORCID iD: 0009-0006-5290-9162

Graduate Student

俄罗斯联邦, 26 Yaroslavskoye hwy, Moscow, Russia, 129337

参考

补充文件