Ventiler, quantifier le taux de CO2, filtrer

Posted on 6 octobre 2020 by admin

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En résumé

  • La ventilation des locaux est un facteur clé de réduction de la transmission épidémique, améliorable par des mesures simples et peu coûteuses.
  • L’équipement du milieu scolaire et universitaire en capteurs de taux de CO2 est nécessaire pour recenser les salles dont la ventilation pose problème, avec un objectif quantitatif (650 ppm) et un niveau au-delà duquel une révision du protocole de ventilation s’impose (850 ppm).
  • Des purificateurs d’air doivent être installés dans les lieux de restauration collective, puis dans les pièces dont la ventilation ne peut être améliorée.
  • Les tests salivaires rapides de groupe, les masques FFP2 non-médicaux et l’installation graduelle de VMC à double-flux constituent des moyens complémentaires pour diminuer la contagion.

Ils ne manquent pas d’air…

“On doit s'attaquer très fermement aux foyers d'infections [clusters] locaux, sinon à Noël on aura [en Allemagne] des chiffres comme ceux de la France.” [1]

A. Merkel, le 28 septembre 2020

“Les aérosols sont déterminants, les endroits fermés sont un problème. Nous devons donc faire attention à la ventilation.“) [2]

A.Merkel, le 29 septembre 2020

“Les établissements sont prêts à recevoir les étudiants”

F.Vidal 3 septembre 2020

“Ce ne sont pas des clusters par promotion mais des clusters par groupe d'amis (...) Rien ne nous dit que les contaminations se fassent au sein des établissements de l'enseignement supérieur.”

F.Vidal, le 28 septembre 2020

“Les récentes évolutions de la #COVID19 conduisent à restreindre les capacités d’accueil des établissements d’enseignement supérieur situés en zones d’alerte renforcée ou d’alerte maximale à 50% de leur capacité nominale dès le 6 octobre.”

F.Vidal, le 5 octobre 2020

“N’oublions pas que les étudiants comme les néo-bacheliers ne se sont pas rendus en cours pendant près de six mois et pour s’adapter aux méthodes de l’enseignement supérieur, il faut une part de cours à distance.”

C.Kerrero, recteur de la région Ile-de-France, le 5 octobre 2020

En dernière instance, la rentrée en “démerdentiel” procède de ce qu’on appelle en algorithmique un interblocage (deadlock en anglais), qu’il faudrait baptiser ici «L'étreinte mortelle de la bureaucratie". Les universitaires attendent les instructions des directeurs de composantes et laboratoires, lesquels sont à l’affût des normes et des procédures qui ne manqueront pas d’être édictées par les Doyens de Faculté qui, eux-mêmes, guettent les spéculations éclairées — n’en doutons pas — des présidences, lesquelles temporisent pour ne pas contrevenir aux directives à venir du ministère, cependant que le cabinet dudit ministère sursoit à toute décision avant les arbitrages de l'Elysée et de Matignon, dont les conseillers, faute de renseignement objectivé sur la situation, poireautent en prenant connaissance sur Twitter des plaintes des universitaires.

Reboot.

Nous proposons ci-dessous une fiche pratique à l’usage des collègues comme de la technostructure pour mettre en œuvre des moyens simples de réduction de la propagation épidémique en milieu confiné.

Etat épidémique

L’épidémie a cru, pendant les trois derniers mois, d’un facteur 2 toutes les trois semaines, environ. Le taux de reproduction épidémique (nombre de personnes contaminées en moyenne par une personne atteinte) est légèrement supérieur à 1. Pour l’abaisser le plus bas possible en dessous de 1, et juguler l’épidémie, il est nécessaire de cumuler des politiques publiques normatives et incitatives pour atteindre par chacune un facteur d’abaissement de la transmission.

Facteurs de transmission épidémique

Les personnes contaminées asymptomatiques génèrent un aérosol de micro-gouttelettes, dont une fraction n’est filtrée ni par les masques de tissu, ni par les masques chirurgicaux, et induisent une concentration de virus qui dépend :

  • du nombre de personnes secrétant du virus dans la pièce,
  • du flux de ventilation de la pièce
  • du volume de la pièce
La probabilité qu’une personne saine soit contaminée croit avec
  • la concentration en particules virales, possiblement avec un effet de dose (non-linéarité), voire un effet de seuil
  • le temps de présence dans l’atmosphère contaminée
Chaque personne a un système immunitaire spécifique qui implique que cette probabilité de contamination — pour grossir le trait, le seuil de concentration virale — varie entre individus. De plus, les données actuelles suggèrent que l'infection par le SARS-CoV-2 accroitrait la production du récepteur du virus ACE2 par les cellules pulmonaires, favorisant la fixation ultérieure d'autres virus sur ces cellules, ce qui augmenterait la probabilité de contamination. Toutefois cette probabilité n'est pas connue, même en moyenne.

En résumé, on peut agir sur la ventilation, qui permet de maintenir la concentration virale la plus basse possible, sur la dénaturation ou le piégeage des particules virales, sur la qualité des masques et sur la détection préventive de personnes atteintes.

Ventilation (quantification, contrôle et mesures effectives)

Les gouttelettes exhalées de taille inférieure à 5 µm (aérosols) se maintiennent en suspension dans l’air pendant plusieurs heures. Le renouvellement de l’air est donc requis pour éviter une transmission aéroportée par ces aérosols potentiellement chargés en virus. Pour quantifier le renouvellement de l’air dans une salle, on peut mesurer la concentration de CO2 dans l’air à l’aide de capteurs infra-rouge. Dans l’hypothèse basse de linéarité entre probabilité d'infection et concentration virale, la concentration de CO2 dans l’air, une fois soustraite celle du milieu extérieur, détermine directement la probabilité de contamination, indépendamment du nombre de personnes dans la pièce et de son volume, quand une personne sécrétant du virus s’y trouve. Des modèles hydrodynamiques plus fins peuvent être produits si besoin.

Il convient d’aérer le plus possible, en conservant une température permettant de travailler confortablement. La mesure la plus simple consiste à exiger que les portes des salles soient ouvertes et d’aérer 5 minutes en grand toutes les 30 ou 45 ou 60 minutes, et plus longtemps en début de matinée, à la pause déjeuner et en fin d’après-midi. Il est nécessaire d’aérer très fortement les lieux de restauration, où la transmission est extrêmement rapide et efficace. Il convient aussi de demander aux élèves et aux étudiants de se vêtir chaudement (pulls, polaires, etc) pour pouvoir aérer. Le chauffage doit être réglé pour prendre en compte l’aération. Ces consignes doivent faire l’objet d’une circulaire envoyée à tous les personnels et l’information communiquée à tous les usagers, lesquels seront invités à s’en saisir et à les adapter localement. Il convient d’inverser la logique d’intervention de l’Etat, appelé à fournir une aide effective, y compris matérielle, et une boîte à outils d’aide à la décision aux composantes des établissements universitaires.

La seconde mesure consiste à équiper tous les établissements de capteurs de CO2 de sorte à optimiser la ventilation de chaque pièce:

  • fenêtre entrebâillée en permanence ou ouverte périodiquement en grand
  • révision des systèmes de ventilation forcée, quand ils existent, et réglage des vitesses de ventilation

La mesure de CO2 s’effectue à 1 m 50 ou 2 m du sol, avec un relevé au cours du temps. Le taux de CO2 doit être amené, en permanence, au niveau le plus bas possible. Un objectif quantitatif consiste à essayer d’atteindre 200 ppm de plus qu’à l’extérieur (soit 650 ppm à Paris). Les mesures préliminaires effectuées en milieu universitaire et scolaire montrent des taux anormalement élevés, y compris là où les VMC sont aux normes. Passer de 1500 ppm à 650 ppm permet de gagner au moins un facteur 5 en probabilité d’infection, et probablement beaucoup plus, par effet de seuil/de dose. Il conviendrait de fixer un maximum raisonnable (850 ppm est une valeur type recommandée par différents scientifiques) au delà duquel il faille:

  • diminuer la jauge d’occupation
  • ajouter un système de filtration (voir ci-dessous)
  • faire réviser la ventilation forcée pour augmenter le débit
Il convient d’avoir un recensement exhaustif des salles à risques, avec une attention particulière pour les lieux de restauration.

Budget pour améliorer la ventilation — L’essentiel passe par des circulaires ministérielles et par une campagne de sensibilisation par des scientifiques, évitant le ton des campagnes du printemps.
Budget pour les capteurs CO2 — Equiper chaque établissement scolaire, et chaque UFR d’un capteur CO2, produit à 50 €, coûte 3 millions €. Il faut pour cela une commande d’Etat de 60 000 capteurs-enregistreurs, et le recrutement et la formation de techniciens aidant à la mise-en-œuvre.
Intégration à des projets pédagogiques — L’utilisation de capteurs infra-rouge peu onéreux, à monter sur des cartes de type Arduino, leur test dans une enceinte fermée dans lequel une bougie se consume, et la caractérisation de la ventilation peut faire partie de séances pédagogiques, à partir de fiches détaillées, adaptées aux différents niveaux.

Purificateurs d’air

Les salles de restauration (en priorité), les amphis et les salles de classe peuvent être équipées de système de purificateurs d’air, créant une circulation intérieure au travers de filtres HEPA (technique robuste, appareils commerciaux ou en kit existants) ou au voisinage d’un néon UV-C, entouré d’un tuyau opaque. L’investissement n’est pas spécifique au Covid, mais sera rentabilisé par la prévention de toutes les maladies respiratoires. La seconde technique est prometteuse, mais demanderait une PME nationalisée pour la production — il existe cependant quelques systèmes commerciaux pour les halls de grande surface.

Tests salivaires rapides

Détecter la présence d’une personne sécrétant une charge virale importante, en utilisant des tests salivaires, même peu sensibles, réduirait significativement la transmission du virus. Il convient de mettre à disposition des tests salivaires produits pour un usage collectif (pour 20 personnes par exemple) avec résultat rapide. Le consortium formé par la société de biotechnologie SKILLCELL, filiale du groupe ALCEN, le laboratoire du CNRS SYS2DIAG (CNRS/ALCEN) et la société VOGO a mis au point ces tests. Commander pour l’institution scolaire des tests collectifs quotidiens assurerait une baisse importante de la transmission.

Masques

Les masques de norme UNS comme les masques en tissu ne sont pas efficaces pour filtrer des aérosols qui sont de taille < 5 µm. Les masques souples intissés ont un effet important mais sont souvent mal portés, produisant des fuites d’air par les bords. Les masques FFP2 filtrent efficacement les aérosols (à l’exhalation comme à l’inspiration), et de plus s’adaptent de façon étanche au visage et évitent les fuites d’air. Les masques FFP2, N95 ou KN 95 non médicaux, testés sur une journée (taille de l’élastique, confort, étouffement de la voix, humidité accumulée), assurent une filtration efficace et une étanchéité sur la peau. Le port généralisé de ce type de masques par les élèves, les étudiants et les enseignants limiterait considérablement les contaminations aéroportées. Il est indispensable à court terme, d’équiper de masques FFP2 non médicaux les personnes à risque, les personnels d’accueil et de restauration.

Budget — 20 centimes par masque à la production en France, 9 centimes en Asie. Option maximale: 1 million € par jour. Par comparaison, les tests PCR coûtent entre 10 et 100 millions € par jour à la sécurité sociale.

Ventilation à double flux

La plupart des bâtiments scolaires ont été construits avant la mise en place des normes sur la qualité de l’air et la mise en place de système de ventilation. La plupart n’ont qu’un système de ventilation manuelle — des fenêtres — limité par les normes de sécurité. Un programme d’installation de ventilation à double flux doit être mis en place, pour améliorer graduellement la situation, à moyen terme. Le dimensionnement doit être fait avec précision, pour éviter les nuisances sonores inutiles.

Bibliographie

[1] "Man muss lokale Infektionsherde sehr deutlich angehen, sonst haben wir an Weihnachten Zahlen wie in Frankreich"

[2] "Aerosole sind entscheidend, die geschlossenen Räume sind ein Problem; wir müssen also auf Belüftung achten"

Ventilation, CO2 concentration measurement, filtration

Posted on 6 octobre 2020 by admin

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Abstract

  • Premises ventilation is a key factor for epidemic transmission reduction, and it can be improved with easy-to-implement and low-cost measures.
  • It is necessary to supply universities and schools with CO2 sensors to identify rooms were ventilation is problematic, with a quantitative objective (650 ppm) and a threshold level (850 ppm) above which a revision in the ventilation protocol is mandatory.
  • Air purifiers need to be installed in collective catering places, and in rooms where ventilation cannot be improved.
  • Quick group saliva tests, non-medical FFP2 masks and gradual setup of double-flux CMV (Continuous Mandatory Ventilation) are complementary means to reduce contagion.

In last instance, the start of the schoolyear in “getting by” mode is what is called in algorithmic a deadlock, that should be called here “the mortal grip of bureaucracy”. Academics are waiting for instructions from their laboratory heads, who are looking for norms and procedures which will be enacted by the Deans, who themselves are looking for enlightened speculations from presidencies, who procrastinate in order not to contravene with upcoming ministry directives, while the ministerial cabinet is postponing any decision before it has received any arbitration from Elysée and Matignon, whose advisors, lacking objective information on the situation, are waiting while learning about academics complaints on Twitter.

Reboot.

Here, we propose a factsheet to be used by our colleagues as well as the technostructure in order to setup simple means to reduce epidemic propagation in confined environment.

Epidemic status

In the last 3 months, the epidemic has increased approximately by a factor 2 every 3 weeks. The basic reproductive rate (average number of contaminated people by one single sick person) is slightly over 1. In order to lower this number under 1 and curb the epidemic, it is necessary to combine normative and incentive public policies, which will both lower the transmission factor.

Factors of epidemic transmission

Contaminated people who are asymptomatic create a micro-droplets aerosol, from which a fraction is neither filtrated by fabric masks nor by surgical masks and induces a virus concentration which depends on the:

  • number of people secreting virus in the room,
  • ventilation flux in the room
  • room volume
The probability that a healthy person is contaminated depends on the
  • concentration in viral particles, possibly with a dose effect (non-linear), or even a threshold effect
  • amount of time spent in the contaminated atmosphere
Each person has a specific immune system, thus this contamination probability - basically the viral concentration threshold - varies between each individual. Moreover, current data suggests that SARS-CoV-2 infection increases the production of virus receptors ACE2 by pulmonary cells, favoring subsequent binding of other viruses on these cells, which would increase contamination probability. However, this probability is not yet known, even on average. denaturation and trapping, on masks quality, and on preventive detection of affected people.

To summarize, we can act on ventilation, which allows to maintain viral concentration as low as possible, on viral particles.

Ventilation (quantification, control and effective measures)

Exhaled droplets smaller than 5 µm (aerosols) stay suspended in the air for several hours. Air renewal is thus required to avoid airborne transmission by potentially virally charged aerosols. To quantify air renewal in a room, we can measure CO2 concentration in the air with infra-red sensors. Under the low assumption that there is a linear relationship between infection probability and viral concentration, the room CO2 concentration (minus the outside ambient CO2 concentration) can be used to directly determine the probability of contamination, independently of the number of people in the room, of its volume, when a sick person secreting virus is inside. Refined aerodynamics models can be produced if necessary.

Rooms should be manually ventilated (aka with windows) as much as possible, while keeping an inside temperature compatible with a work environment. The simplest measure is to require room doors to remain open and to ventilate with all windows open during 5 minutes every 30 or 45 or 60 minutes. This manual ventilation should be longer in the early morning, during lunch break and late afternoon. It is necessary to strongly ventilate catering places, where transmission is extremely rapid and efficient. Students should be asked to dress warmly (sweaters, fleece, etc.) to enable manual ventilation. Heating systems should be set according to regular manual ventilation. These instructions must be sent to all staff via a memo and this information must be communicated to all users, who will be invited to take them up and adapt them locally. The logic of state intervention should be reversed; it should instead provide effective assistance, including material, along with a decision-making toolbox intended for higher education institutions.

The second measure consists in providing all schools and higher education institutions with CO2 sensors in order to optimize ventilation in each room:

  • Have windows always partially opened or periodically fully opened
  • Revision of forced ventilation systems, when they exist, and ventilation speed adjustment

CO2 concentration needs to be measured over time, at a height of 1.5 m to 2 m (4.9 to 6.6 ft) above floor level. CO2 always needs to be brought down to the lowest possible level. A quantitative objective would be to reach a maximum CO2 level that is 200 ppm higher than the outside concentration (hence 650 ppm in Paris). Preliminary measurements performed in various schools and universities show abnormally high CO2 levels, including in places where CMV are up to standards. Bringing a CO2 level from 1500 ppm to 650 ppm enables to decrease infection probability by at least a factor 5, and perhaps much more thanks to the threshold / dose effect. A reasonable maximum threshold CO2 level should be fixed (850 ppm is a typical value recommended by different scientists), above which it is necessary to:

  • Reduce the number of people within a room
  • Add a filtration system (see below)
  • Have the CMV revised in order to increase the air flow rate
An exhaustive census of risk rooms should be performed, with a particular focus on catering places.

Budget to improve ventilation — Most of it done via ministerial memos and an awareness campaign performed by scientists, avoiding the tone used in previous campaigns (in the Spring).
Budget for CO2 sensors — Providing each school and higher education institutions department with a CO2 sensor, produced at a unit cost of 50 €, costs 3 million €. To enable this, the State should order 60,000 sensors-recorders, as well as hire and train technicians who will help their set-up.
Inclusion on educational projects — The use of low cost infra-red sensors, to be mounted on Arduino cards, their testing in a closed enclosure in which a candle is burning, and ventilation characterization can be integrated within educational sessions, with detailed factsheets, adapted to different levels.

Air Purifiers

Catering rooms (in priority), amphitheaters and classrooms can be equipped with air purifier systems, creating an internal air circulation going through HEPA filters (robust technique, existing commercial devices), or in the vicinity of a UV-C lamp, surrounded by an opaque tube. This investment is not covid-specific and will be profitable by enabling all kind of respiratory diseases prevention. The second technique is promising but would require a nationalized SME for its production - there are however some commercially available systems currently used in superstores.

Rapid saliva tests

Being able to detect when a person is secreting a large viral dose, using saliva tests, even with low sensitivity, would significantly reduce virus transmission. Saliva tests with rapid result, produced for collective use (for 20 people, for example) should be made available. The consortium formed by the biotechnology company SKILLCELL - subsidiary company of the ALCEN group - the CNRS laboratory SYS2DIAG (CNRS/ALCEN), and the company VOGO developed such a test. Ordering collective daily tests for the school institution would ensure a significant drop in transmission.

Masques

Masks of the norm “Non-Sanitary Use” (NSU) like fabric masks are not efficient to filter aerosols that are smaller than 5 µm. Soft non-woven masks have a great effect but are often misplaced, inducing air leaks on the sides. FFP2 masks efficiently filter aerosols (at exhaling as well as at inhaling) and can be sealed around the face, avoiding leaks. Non-medical FFP2, N95, or KN 95 masks, which were tested on a full day (size of the strap, comfort, voice muffling, accumulated humidity) ensure an efficient filtration and sealing on the skin. The widespread use of this type of masks by students and professors would considerably limit airborne contaminations. It is crucial on the short term to equip with non-medical FFP2 masks people that are at risk, reception and catering personnel.

Budget — 20 cents per mask for a French production, 9 cents for an Asian one.Maximal option: 1 million €. In comparison, PCR tests cost between 10 and 100 million € per day.

Double flux ventilation

Most of school facilities were built before the setup of norms on air quality and of ventilation systems. Most of them only have a manual ventilation system - windows - that are limited by security norms. A program to install double flux ventilation systems needs to be setup, to gradually improve the situation in the medium term. The sizing must be carefully made to avoid useless noise.

Bibliographie