Minimizing the spread of airborne viruses through air conditioning and ventilation systems

8 Oct 2020
news images

What steps are you taking to improve indoor air quality and keep your occupants safe?

انقر هنا لعرض هذا المقال باللغة العربية

Click here to view this article in Arabic.

Recent research shows the virus that causes COVID-19 can survive in the air for much longer than other viruses, remaining infectious for up to 16 hours.

We already know larger droplets such as those from a cough or sneeze are a key method of virus transmission, but normal breathing and speaking still create tiny aerosol particles that remain in the air.

The CDC has also recently updated its guidance to include airborne transmission as a mode of transmission of this virus when in enclosed spaces with inadequate ventilation or air handling.

When we know how easily viruses are spread in public spaces, are there steps that hospitals, schools, offices, and other densely populated buildings should be taking to protect public health?

We spoke with CCG’s UAE Head of MEP Nasser G. Nasser to get his overview and advice on the different methods of air filtration and how to protect the occupants of your building through enhancing indoor air quality.

What does the research show?

Researchers from Tulane University investigated the durability of the tiny aerosol particles and how infectious they remain in the air. It was discovered that the SARS-CoV-2 particles that cause COVID-19 remain infectious for 16 hours with very little deterioration. This makes this strain an anomaly, as other types of coronaviruses deteriorate over this time.

It is important to interpret these results carefully as this was conducted in an artificial laboratory, and isn’t entirely reflective of how the particles would behave in real life settings. Currently, the World Health Organization considers droplet transmission of SARS-CoV-2 as a dominant mode of transmission but does not consider airborne transmission to be one except in specific settings related to healthcare procedures.

However, the US Centers for Disease Control and Prevention (CDC) has recently updated its guidance to include airborne transmission as one of the modes of transmission of this virus in certain circumstances such as in enclosed spaces, through prolonged exposure to respiratory particles or resulting from inadequate ventilation or air handling.

All of this clearly underscores the importance of adequate ventilation and air handling.

What can be done to reduce the spread of airborne viruses in indoor environments?

The virus is most commonly spread through larger droplets, for which the most effective prevention is social distancing, safe hygiene practices and Personal Protective Equipment (PPE). However, transmission of SARS-CoV-2 through the air is sufficiently likely that airborne exposure to the virus should be controlled. Changes to the operation of heating, ventilating, and air-conditioning systems can reduce airborne exposure.

Ventilation and filtration provided by heating, ventilating, and air-conditioning systems can reduce the airborne concentration of SARS-CoV-2 and thus reduce risk of transmission through the air. However, disabling these systems is not generally a recommended measure to reduce virus transmission because unconditioned spaces can cause thermal stress to people that may be directly life threatening and might also lower resistance to infection.

There are various methods of air treatment that have been or are being developed that can either remove or deactivate infectious particles.

Increased ventilation rate

Ventilation is the supply of outdoor air to a building. The higher the ventilation rate, the more frequent the exchange of air is. This helps dilute pathogens and reduce exposure to contaminated air, but increases running costs. Ventilation standards such as ASHRAE 62.1 (published by the American Society for Heating, Refrigeration & Air-Conditioning Engineers) attempt to strike a balance between indoor air quality and energy consumption. Nevertheless, it is recommended to increase fresh air supply and reduce air recirculation as much as possible when the building is operating under adverse conditions such as an airborne pandemic.  Ventilation rates vary depending on the building, indoor environment and occupants, but increased rates are usually associated with fewer adverse health effects. Ventilation rates can be increased naturally through windows or doors or mechanically by fans and air handling units.

ePM1 filters

While these air filters are not designed specifically to prevent the spread of airborne viruses, their high filtration efficiency reduces the risk. They are considered as first line to reducing the risk of transmission of airborne diseases through HVAC systems. This is because viruses usually attach to airborne particulate matter and aerosols, which this filter removes from the air.

HEPA (High Efficiency Particulate Air) filters

These filters remove pathogens and are considered vital in critical environments within hospitals and healthcare facilities. Since particles are trapped rather than deactivated, the filters must be treated and disposed of as biohazardous waste, using appropriate PPE.

UV disinfection

UV germicidal irradiation reduces transmission of airborne viruses and infections by using short-wave ultraviolet (UV-C) light to deactivate pathogens and microorganisms including mold, bacteria and viruses. UV-C works to sterilize the air by damaging the DNA and RNA of airborne pathogens, rendering them harmless. They can be used as stand-alone devices or installed into HVAC systems. They are commonly used alongside HEPA air filtration as complementary systems for disinfecting high-risk areas of hospitals. Recent research showed UV-C light sources effectively deactivate SARS-CoV-2 and a 5mJ/cm2 dose reduces the virus by 99% in 6 seconds. It is worth mentioning that direct exposure to UV rays can be detrimental to human health.

Bipolar Ionization

Bipolar Ionization was introduced in the 1970s to control pathogens in food manufacturing, and was effective during previous outbreaks of SARS, norovirus and more recently, MERS virus. The technology takes in air molecules and turns them into bipolar charged atoms (positive & negative ions) before releasing them. These ions attach to and deactivate viruses, bacteria, mold, and allergens, by producing a chemical reaction. They also increase their size and mass, which causes them to drop to the floor or to get caught by the filter. It works as an active process, continuously disinfecting air and significantly reducing microbes in a short time. Many hospitals and public buildings employ this method, and its main advantage is the ease of retrofitting it into existing HVAC systems.

Which systems are implemented in hospitals?

Currently, hospitals use central ePM1 filters, central and terminal HEPA filtration systems, UV disinfection and they apply higher ventilation rates compared to non-healthcare buildings. Some hospitals also utilize bi-polar ionization. HEPA filtration is mainly focused on critical spaces where patients are at high-risk, such as operating and isolation rooms, or where processes requiring clean environments are carried out such as sterile IV preparation. In the Middle East, general patient care spaces commonly do not employ systems or technologies specifically designed for removing or eliminating pathogens, but that is changing in newer facilities.

Which systems are used in other buildings?

In the vast majority of non-medical buildings, nothing is used that is capable of removing or eliminating pathogens. Some buildings employ ePM1 filters and a smaller portion employ bipolar ionization. Most rely mainly on ventilation to dilute airborne pathogens, although this cannot happen fast enough to prevent spread through HVAC systems in an airborne pandemic situation such as SARS-CoV-2, and especially not in high density occupancies.

What are the regulations governing air filtration in densely populated spaces during an airborne pandemic?

Currently, there aren’t any. However, guidance and advice has been issued by ASHRAE, CIBSE and REHVA. These organizations provide up-to-date information on how to operate and use building services to minimize virus spread through HVAC and plumbing systems. Governmental and national public health institutions should be consulted for each country to confirm regulations.

Will there be regulations, or will more buildings implement these systems as a result of the pandemic?

CCG’s MEP Manager, Nasser, personally believes there should be changes made to the current codes, standards and regulations as a result of the pandemic, especially since scientists believe pandemics will become more common.

Following the guidance from ASHRAE, CIBSE and REHVA, building readiness plans, assessments and systems evaluations should be incorporated into future editions of codes and standards.

Furthermore, changes should be introduced to ventilation design such as including an in-built pandemic operation mode in the controls where more outdoor air is introduced, higher efficiency filters temporarily replace standard filters and fan speeds are ramped up to overcome the resistance from these filters. Alternatively, a general increase in the fresh air requirements and filtration efficiency under normal operation may be considered.

Limitations on the sizes of zones sharing HVAC equipment might be enforced in new buildings to limit the spread of pathogens. However, it is not sustainable for HEPA filters or UV disinfection to be broadly implemented, due to the high capital and operational costs and consequent environmental impact.

What is your advice for current and new buildings?

Governmental and national public health institutions should be consulted in each country, to confirm regulations for businesses and public spaces. Follow the advice issued by ASHRAE, CIBSE and REHVA, create a building readiness plan and conduct a systems evaluation to maintain high indoor air quality and minimize occupants’ exposure to airborne virus particles. The potential benefit to public health during this pandemic will outweigh the temporary reduction in energy efficiency that comes as a result of these measures.

Nasser G. Nasser has over 14 years of experience in building services covering all aspects of MEP design, construction and project management from inception through to completion and beyond. His areas of expertise include healthcare facilities, high-rise towers, hospitality and residential buildings and more. He is a member of the Chartered Institute of Building Services Engineers, an AEE Certified Energy Manager and a NFPA Certified Fire Protection Specialist. He designed several healthcare facilities throughout the Middle East and in 2016, he led the mechanical services design for Sheikh Khalifah Central Hospital in Fujairah, UAE where he implemented all of the technologies mentioned in this article. The project is in the final stages of construction and is under CCG’s supervision.


"الحد من انتقال عدوى كورونا من خلال أنظمة التكييف والتهوية "

ما هي الخطوات التي يجب أن نتبعها لتحسين نوعية الهواء الداخلي للحفاظ على الصحة العامة؟

وفقاّ لآخر الابحاث، أظهرت ان الفيروس الذي يسبب كوفيد-19 يمكن أن يعيش في الهواء لفترة زمنية أطول من الفيروسات الأخرى، وبفترة عدوى تصل الى 16 ساعة.

من المعروف أن قطرات الرذاذ الكبيرة الناتجة عن السعال والعطس هي من الطرق الأساسية لانتقال الفيروس، لكن التنفس الطبيعي والتحدث لا يزالان يخلّقان جزيئات صغيرة (قطرات لعابية ومخاطية تسمى الهباء الجوي - الإيروسول - التي تبقى عالقة في الهواء). وحيث أننا نعلم مدى سهولة انتشار الفيروسات في الأماكن العامة؛ يجب ان نتساءل هل هناك خطوات يجب أن تتخذها المستشفيات والمدارس والمكاتب وغيرها من المباني المكتظة بالسكان لحماية الصحة العامة؟

تحدثنا مع رئيس قسم الهندسة الميكانيكية والكهربائية لمجموعة اتحاد المستشارين في دولة الإمارات المهندس ناصر الناصر لتسليط الضوء واعطاء نظرة عامة ونصائح حول الطرق المختلفة لفلترة أو تنقية الهواء وكيفية حماية شاغلي المباني من خلال تحسين نوعية الهواء الداخلي.

ما الذي أظهرته هذه الابحاث؟

قام باحثون من جامعة تولين بالتحقق من ديمومة جزيئات الهباء الجوي الصغيرة (الايروسول) ومدى قدرتها على العدوى في الهواء، واكتشفوا أن جزيئات SARS-CoV-2 التي تسبب كوفيد-19 تبقى معدية لمدة قد تصل إلى 16 ساعة مع تدهور ضئيل للغاية، مما يجعل هذه السلالة غير اعتيادية، على عكس الأنواع الأخرى من فيروسات كورونا التي تتضاءل تلقائيا بشكل أسرع.

من المهم تفسير هذه النتائج بعناية والانتباه إلى انه تم إجراء تلك الدراسات في مختبر اصطناعي متخصص، ولا يعكس تمامًا آلية تفاعل هذه الجسيمات وتأثيراتها في ظروف الحياة الواقعية. في الوقت الحالي، تعتبر منظمة الصحة العالمية أن انتقال فيروس SARS-CoV-2 عبر القطرات هي أحد الطرق الرئيسية للعدوى ولكنها لغاية الآن لا تعتبر الفايروس منقول جوا أو عبر الهواء. ورغم ذلك، يتعين علينا النظر في الآثار العملية المحتملة لما ذكر لتعزيز الصحة العامة. علاوة على ذلك، قام مركز السيطرة على الامراض (CDC) مؤخرًا بتحديث إرشاداتها حول كيفية انتقال الفيروس لتشمل الانتقال الجوي كواحد في ظل ظروف خاصة تشمل هذه الظروف المساحات المغلقة والتعرض المطول لجزيئات الجهاز التنفسي وعدم كفاية التهوية أو معالجة مع الهواء.

ما الذي يمكن فعله للحد من انتشار الفيروسات المحمولة جواً في البيئة الداخلية؟

ينتشر الفيروس بشكل أكثر شيوعًا من خلال رذاذ القطرات الكبيرة، وأكثر الطرق فعالية للحماية هي التباعد الاجتماعي واتباع تعليمات النظافة الأمنة واستخدام معدات الحماية الشخصية  (PPE)واهمها الكمامة. ومع ذلك، فإن انتقال فيروس SARS-CoV-2  عبر الهواء، من المحتمل حدوثه ويترتب عليه محاولة الحد من انتشاره من خلال التغييرات والتحسينات في تشغيل أنظمة تدفئة وتهوية وتكييف الهواء للتقليل من انتقال الفيروس.

يمكن للتهوية والفلترة التي توفرها أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف أن تقلل من تركيز فايروس SARS-CoV-2 المحمول جواً، وبالتالي تقلل من خطر انتقال العدوى عبر الهواء. ومع ذلك، بشكل عام، لا يعد تعطيل هذه الأنظمة إجراءً موصى به لتقليل انتقال الفيروس لأن الفضاءات غير المكيّفة يمكن أن تسبب إجهادًا حراريًا للموجودين فيها وقد يقلل ذلك مناعتهم.

هناك طرق مختلفة لمعالجة وتنقية الهواء تم تطويرها أو قيد التطوير والتي يمكنها إما إزالة أو تقليل انتشار الجسيمات المعدية:

زيادة معدل التهوية

التهوية هي إمداد المبنى بالهواء الخارجي. ان زيادة معدلات التهوية تقلل من التعرض للهواء الملوث، ولكنها تزيد من تكاليف التشغيل. ان معايير تهوية المباني مثلASHRAE 62.1 ، الصادر عن الجمعية الأمريكية لمهندسي التبريد والتدفئة وتكييف الهواء، تسعى إلى تحقيق التوازن بين جودة الهواء الداخلي والترشيد في استهلاك الطاقة. وعلى الرغم من ذلك، يوصى بزيادة إمداد الهواء النقي وتقليل إعادة تدوير الهواء قدر الإمكان عندما يعمل المبنى في ظل ظروف مغايرة كالظروف الحالية المتعلقة بفيروس كورونا. وتعتمد معدلات التهوية على مساحة المبنى وأعداد شاغلي المبنى وعلى العموم ترتبط زيادة التهوية بانخفاض الأثار الصحية السلبية، ويمكن زيادة معدلات التهوية بشكل طبيعي من خلال النوافذ أو الأبواب أو ميكانيكيًا من خلال المراوح ووحدات معالجة الهواء.

فلاتر ePM1

على الرغم من أن هذه النوعية من فلاتر الهواء ليست مصممة خصيصًا لمنع انتشار الفيروسات المنقولة جواً، الا أن كفاءتها العالية في فلترة وتنقية الهواء تقّلل من المخاطر. وتعتبر بمثابة خط الدفاع الاول للحد من مخاطر انتقال الأمراض المنقولة جواً من خلال أنظمة لتدفئة والتهوية والتكييف، وذلك لأن الفيروسات عادة ما تلتصق بالجسيمات والهباء الجوي (الايروسيل) المحمولة جواً، والذي يعمل هذا الفلتر على ازالتها من الهواء.

فلاتر أو أجهزة تنقية الهواء عالية الكفاءة HEPA

تعمل هذه الفلاتر على إزالة مسببات الأمراض وتعتبر ضرورية في الفراغات الحساسة داخل المستشفيات ومباني الرعاية الصحية حيث يمكنها التقاط الجزيئات التي تحتوي على البكتيريا والفيروسات، ويمكن أن تساعد في تقليل انتقال المرض. وحيث أن الفلاتر تقوم بالتقاط هذه الجسيمات ولا تقوم بتعطيل مفعولها فعند انتهاء عمرها يجب معاملتها كنفايات بيولوجية خطرة والتخلص منها بشكل آمن واستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة.

التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية

يقلل استخدام الإشعاع فوق البنفسجي من انتقال الفيروسات والجراثيم المحمولة بالهواء، حيث تُستخدم هذه التقنية الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة (UV-C) لإبطال مفعول مسببات الأمراض والكائنات الدقيقة بما في ذلك العفن والبكتيريا والفيروسات. وتقوم هذه الأشعة بتعقيم الهواء من خلال إتلاف الحمض النووي لمسببات الأمراض المحمولة جواً، مما يبطل مفعولها المضر. ويمكن استخدامها كأجهزة قائمة بذاتها أو تركيبها في أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف، وتستخدم بشكل تكميلي مع فلاتر HEPA  لتعقيم وتنقية الهواء في المناطق عالية الخطورة كالمستشفيات. وأظهرت الأبحاث الحديثة أن مصادر ضوء UV-C تعمل بشكل فعّال في القضاء على نشاط SARS-CoV-2   حيث انخفض عند جرعة 5 مللي جول لكل سم 2 وقلّل من انتشار الفيروس بنسبة 99٪ في 6 ثوانٍ. ولكن يجب التنويه أن التعرض المباشر للأشعة المنبعثة من هذه الأجهزة خطر ويجب إطفائها بالكامل عند صيانتها.

تأيّن الهواء

في هذا النوع من تنقية الهواء، يتم إنشاء مناخ حيوي غني عن طريق إطلاق أيونات سلبية وإيجابية، وتم استخدام التأين ثنائي القطب في السبعينيات للسيطرة على مسببات الأمراض في تصنيع الأغذية

ظهرت هذه التقنية في السبعينيات من القرن الماضي للسيطرة على مسببات الأمراض في الصناعات الغذائية، وأثبتت فعاليتها ضد تفشي أمراض السارس والنوروفيروس والعديد من سلالات الأنفلونزا. وتعمل هذه التكنولوجيا بالتقاط جزيئات الهواء وتحويلها إلى ذرات مشحونة (أيونات) قبل إطلاقها، وتلتصق هذه الأيونات بالفيروسات والبكتيريا والعفن والمواد المسببة للحساسية وتُبطل نشاطها عن طريق تفاعل كيميائي.  وتقوم هذه التقنية بتعقيم الهواء بشكل مستمر وتقلل بشكل ملحوظ وبوقت قصير كمية الميكروبات في الهواء. ويتم استخدام هذه الطريقة في العديد من المستشفيات والمباني العامة، وتتمثل ميزتها الرئيسية في سهولة أضافتها في أنظمة HVAC القائمة.

ما هي الأنظمة المستخدمة حالياً في المستشفيات في معالجة الهواء؟

تستخدم المستشفيات فلاتر ePM1 المركزية وفلاتر HEPA المركزية والموضعية والتعقيم بالأشعة فوق البنفسجية وتتطبق معدلات تهوية أعلى من المباني غير الصحية وبعضها يستخدم نظام التأين ثنائي القطب. ويتركز استخدام نظام فلترة HEPA بشكل أساسي على الأماكن الحساسة حيث يكون المرضى معرضين لمخاطر عالية، مثل غرف العمليات والعزل وتستخدم أيضا في غرف تحضير المحاليل الوريدية وذلك لتوفير البيئة النظيفة المطلوبة. أما بالنسبة لمناطق الرعاية الطبية العامة في منطقتنا، فليس من الشائع وجود أنظمة متخصصة بمعالجة وتنقية الهواء من الميكروبات. ولكن التوجه في المنشآت الطبية الحديثة هو بتبني بعض التقنيات الحديثة التي ذكرناها.

وما هي الأنظمة المستخدمة في المباني الأخرى؟

في الغالبية العظمى، لا يتم استخدام أي أنظمة أو فلاتر قادرة على إزالة مسببات الأمراض أو القضاء عليها في المباني غير الطبية. حيث أن بعض المباني تستخدم فلاتر ePM1 والبعض الآخر يستخدم نظام التأين ثنائي القطب.  تعتمد معظم هذه المباني على أنظمة التهوية بشكل أساسي لتخفيف تركيز مسببات الأمراض المحمولة في الهواء، على الرغم من أن هذه الطريقة غير فعّالة في منع انتشار الفيروسات من خلال أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في حالة الجائحة المحمولة جواً مثل SARS-CoV-2، وخاصة في المنشآت ذات الكثافة السكانية العالية.

ما هي اللوائح والتعليمات التي تتحكم بتنقية الهواء في الأماكن المكتظة بالسكان للوقاية من الجائحة؟

لم يتم إصدار أية تعليمات ملزمة للمهندسين وأصحاب المشاريع لضرورة تنقية الهواء لمنع انتشار الفيروسات في هذه الأماكن، ورغم ذلك، تم مؤخراً إصدار بعض النصائح والتعليمات من قبل منظمات ASHRAE و CIBSE و REHVA حول كيفية تشغيل واستخدام خدمات المباني لتقليل انتشار الفيروسات من خلال أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وأنظمة السباكة. من الواجب استشارة مؤسسات الصحة العامة الحكومية والوطنية لكل بلد لتطبيق متطلبات الأنظمة والقوانين المعمول فيها.

هل ستكون هناك لوائح وتعليمات، أو هل سيتم تطبيق المزيد من هذه الأنظمة نتيجة الجائحة؟

من وجهة نظر المهندس ناصر الناصر، أنه يجب إجراء تغييرات على القوانين والمعايير واللوائح الحالية لتواكب ما تعلمناه من هذه الجائحة، خاصة وأن العلماء يعتقدون أن الأوبئة المماثلة ستصبح أكثر شيوعًا.

بناءً على إرشادات منظمات ASHRAE و CIBSE و REHVA ، فانه يجب أيضاً دمج كل من خطط جاهزية البناء وتقييمات الأنظمة واخذها بعين الاعتبار في المواصفات وقوانين التصميم المستقبلية.

علاوة على ذلك، يجب إدخال التغييرات على تصميم أنظمة التهوية لتشمل على سبيل المثال وضع تشغيل الوبائي مدمج في عناصر التحكم حيث يتم إدخال المزيد من الهواء الخارجي، وتحل الفلاتر ذات الكفاءة العالية محل فلاتر العادية بشكل مؤقت وزيادة سرعات المروحة للتغلب على مقاومة هذه الفلاتر. بالمقابل قد يتم رفع معدلات التهوية وكفاءة الفلاتر بشكل عام وبغض النظر عن الحالة الوبائية.

من المحتمل أيضا تقييد مساحة المناطق المخدومة بنظام تكييف وتهوية واحد للحد من الانتشار. ولكن من غير المحتمل فرض استخدام أنظمة فلترة HEPA والأشعة فوق البنفسجية بشكل واسع لما تمليه هذه الأنظمة من كلف مبدئية وتشغيلية والانعكاسات البيئية.

 ما هي نصيحتك للمباني القائمة والجديدة؟

يجب استشارة مؤسسات الصحة العامة الحكومية والوطنية في كل بلد لتطبيق وتأكيد اللوائح والتعليمات الخاصة بالشركات والأماكن العامة. واتباع كافة النصائح الصادرة عن منظمات ASHRAE و CIBSE و REHVA  (المختصة في توفير الخبرة الفنية والمنتجات التعليمية والأبحاث اللازمة من أجل بيئة مريحة وصحية وموفرة للطاقة) والقيام بإنشاء خطة استعداد للمبنى وعمل تقييم لأنظمة التكييف الداخلية للحفاظ على الجودة العالية للهواء الداخلي، وذلك من اجل تقليل التعرّض لجزيئات الفيروسات المحمولة جواً. ستفوق الفائدة المحتملة على الصحة العامة خلال هذه الجائحة الانخفاض المؤقت في كفاءة الطاقة الناتج عن تطبيق هذه التدابير.

المهندس ناصر الناصر لديه أكثر من 14 عامًا من الخبرة في خدمات المباني تغطي جميع جوانب تصميم وتنفيذ وإدارة أنظمة الميكانيك والكهرباء والصحة العامة ومكافحة الحريق. تشمل مجالات خبرته منشآت الرعاية الصحية والمباني العالية الفندقية والسكنية وغيرها. وهو عضو في المعهد المعتمد البريطاني لمهندسي خدمات المباني (CIBSE) ومدير طاقة معتمد(CEM)  وأخصائي معتمد في الحماية من الحرائق من قبل الرابطة الوطنية الأمريكية للحماية من الحرائق(NFPA) . قام المهندس ناصر بتصميم العديد من المستشفيات في المنطقة وفي عام 2016، قام بتصميم أعمال الخدمات الميكانيكية لمستشفى الشيخ خليفة المركزي في مدينة الفجيرة، الإمارات العربية المتحدة، حيث قام بتطبيق جميع التقنيات التي تم ذكرها في هذه المقالة.  المشروع في المراحل النهائية من البناء وتحت إشراف المهندس ناصر الناصر وفريق عمل مجموعة اتحاد المستشارين.

المراجع موجودة في النسخة الإنجليزية.

Similar News

For better web experience, please use the website in portrait mode