Conception d'un VAC hospitalier pour la préparation et l'intervention en cas de pandémie

Conception d'un VAC hospitalier pour la préparation et l'intervention en cas de pandémie

La pandémie de COVID-19 a exposé des vulnérabilités critiques dans les infrastructures de soins de santé, en particulier dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVAC). Les hôpitaux conçus pour des opérations de routine ont du mal à contenir des agents pathogènes atmosphériques, ce qui a entraîné une augmentation des infections nosocomiales chez les patients et les travailleurs de la santé.

Cet article fournit un cadre complet pour les ingénieurs, les gestionnaires d'installations et les administrateurs de soins de santé afin de concevoir, de moderniser et de maintenir des systèmes de CVC résistants aux pandémies.

Pourquoi le CVC est essentiel dans la réponse pandémique

La transmission par voie aérienne de virus respiratoires se fait par l'intermédiaire de gouttelettes et d'aérosols exhalés qui peuvent rester suspendus à l'air intérieur pendant de longues périodes.

• Différences de direction et de pression du débit d'air[ – Contrôle de la circulation de l'air des zones contaminées vers les zones contaminées ou vice versa.
• Taux de change de l'air – Le nombre de fois que l'air de la pièce est remplacé par l'air filtré ou extérieur par une heure.
• Efficacité de la filtration[ – Enlever des particules aussi petites que 0,3 microns (bactéries et virus).
• Réglementation de l'humidité[ – Maintenir l'humidité relative entre 40 et 60 %, ce qui réduit la survie virale et améliore la décantation des gouttelettes respiratoires.
• – Bien que moins critique que l'humidité, la température influence le confort humain et la réponse immunitaire.

Sans une conception adéquate du CVC, même les meilleurs protocoles de contrôle des infections peuvent échouer. Par exemple, une pression négative inadéquate dans une pièce d'isolement peut permettre à l'air contaminé de s'échapper dans les couloirs, exposant ainsi le personnel et d'autres patients.

Principes clés de conception pour le CVC résistant à la pandémie

Les principes suivants devraient guider la conception de nouveaux systèmes de CVC hospitaliers et la modernisation de ceux qui existent déjà. Chaque principe traite d'une vulnérabilité spécifique identifiée lors de la pandémie de COVID-19.

1. Filtration améliorée

Pour la préparation aux pandémies, l'American Society of Heating, Refrigering and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) recommande d'utiliser des filtres ayant une valeur minimale de déclaration de l'efficacité (MERV) de 13 ou plus, avec l'HEPA (MERV 17-20) pour les zones à haut risque comme les salles d'isolement, les salles d'opération et les services d'urgence.

Considérations relatives à la mise en œuvre:

• Placer les filtres dans les voies de recirculation de l'air ainsi que dans les systèmes d'échappement pour capturer les contaminants avant leur réentrée.
• Utilisez des préfiltres pour prolonger la durée de vie du filtre HEPA et réduire la fréquence d'entretien.
• S'assurer que les boîtiers de filtre sont scellés pour éviter les dérivations d'air.
• Surveillez la chute de pression du filtre pour les remplacements programmés sans interrompre le débit critique d'air.

2. Augmentation des tarifs d'échange aérien

Pour la réponse pandémique, l'ASHRAE recommande de porter l'AHC à 12 ou plus dans les salles d'isolement et à 6-10 dans les zones de patients en général. L'AHC plus élevé réduit la concentration de particules infectieuses plus rapidement, ce qui réduit le risque d'inhalation.

Cependant, l'augmentation de l'ACH augmente également la consommation d'énergie et peut nécessiter des conduits plus grands, des ventilateurs et des refroidisseurs. Les ingénieurs peuvent utiliser la ventilation à commande de demande (DCV) avec des capteurs de CO2 en temps réel ou des particules pour augmenter le débit d'air seulement lorsque l'occupation ou les niveaux de risque sont élevés, en équilibrage avec l'efficacité énergétique.

Pour les hôpitaux existants qui ne peuvent pas moderniser les gestionnaires d'air entiers, les nettoyants portatifs à haute efficacité (avec filtres HEPA) peuvent servir de suppléments temporaires pour augmenter l'efficacité de l'ACH dans certaines pièces.

3. Primes de pression

Il est essentiel de maintenir des relations de pression appropriées entre les zones hospitalières pour prévenir la contamination croisée.

• Négative salles d'isolement de pression – L'air s'écoule dans la pièce depuis les couloirs environnants, empêchant l'air contaminé de s'échapper.Ces salles sont essentielles pour les patients atteints de maladies infectieuses aéroportées (p. ex., COVID-19, tuberculose, rougeole).
• Cas de pression [ – L'air pur s'écoule vers l'extérieur pour protéger les patients immunodéprimés ou les milieux stériles comme les salles d'opération et les unités de transplantation de moelle osseuse.
• Salles d'isolement d'infection aéroportées (AIIR)[ – Un sous-ensemble de salles de pression négatives avec échappement dédié et filtration HEPA. Pendant les pandémies, le besoin de RIA peut dépasser de loin la capacité typique, de sorte que les hôpitaux doivent prévoir la conversion en surtension des salles de patients régulières.

Stratégies pratiques pour le contrôle de la pression:

• Installez des moniteurs de pression différentielle avec des alarmes qui alertent le personnel lorsque les relations de pression sont compromises (p. ex., porte laissée ouverte).
• Utiliser les anterooms entre les salles d'isolement et les couloirs pour tamponner les changements de pression.
• Concevoir des zones d'alimentation et d'échappement flexibles de façon à ce que les chambres standard puissent être converties en pression négative ou positive en reconfigurant les amortisseurs de conduit et en ajustant la vitesse du ventilateur (souvent appelées « chambres convertibles »).
• S'assurer que les vestibules ou les sas sont présents aux entrées des zones à risque élevé pour maintenir l'intégrité de la pression lorsque les portes s'ouvrent.

4. Redondance du système de ventilation

Pendant une pandémie, la défaillance du CVC peut être catastrophique. La redondance doit être conçue pour les composants mécaniques et électriques :

• Installer des ventilateurs, des refroidisseurs et des unités de traitement de l'air pour les zones critiques (chambres d'isolement, unités de soins intensifs, services d'urgence).
• Fournir de l'énergie de secours à partir de générateurs de secours avec des commutateurs automatiques de transfert pour tous les équipements CVC desservant les zones de contrôle des infections.
• Systèmes de conception avec redondance N+1 (un composant supplémentaire au-delà de ce qui est nécessaire) pour les équipements critiques.
• Inclure des capacités de dépassement manuel afin que les gestionnaires d'installations puissent ajuster les débits d'air, les paramètres de pression et les niveaux de filtration sans compter sur des contrôles automatisés qui peuvent échouer.

5. Gestion du débit d ' air

Les agents pathogènes peuvent voyager par des courants aériens au-delà de la source immédiate. La gestion des courants d'air réduit le risque de contamination croisée :

• La conception fournit des diffuseurs d'air et des grilles de retour/échappement pour créer un flux unidirectionnel de zones propres à moins propres. Dans les salles d'isolement, l'échappement devrait être près de la tête du lit pour capturer les aérosols générés par le patient.
• Évitez le mélange turbulent qui peut propager des contaminants; utilisez le flux d'air laminaire dans les salles d'opération et les environnements de protection.
• Utiliser un approvisionnement en air à faible vitesse dans les salles des patients pour réduire au minimum la réentraînement de la poussière de plancher (qui peut contenir des agents pathogènes).
• Isoler les voies d'échappement des voies d'admission pour empêcher le court-circuitage de l'air contaminé dans le système d'alimentation.

Technologies et stratégies innovantes

La pandémie a accéléré l'adoption de technologies de pointe qui améliorent considérablement la lutte contre les infections. Ces innovations deviennent maintenant une pratique courante dans les établissements de soins de santé.

Stérilisation de la lumière UV-C

L'irradiation par rayonnement germicide ultraviolet (UVGI) utilise la lumière UV-C (longueur d'onde 254 nm) pour inactiver les microorganismes en endommageant leur ADN ou leur ARN.

• In-duct UV-C – Unités de manutention d'air ou de gaine montées à l'intérieur pour traiter l'air en mouvement. Efficace pour réduire la charge microbienne sur les bobines et les bacs de drainage, qui peuvent être des sources de moisissure et de bactéries.
• Salle supérieure UV-C[ – Installé près des plafonds dans les espaces occupés (p. ex., salles d'attente, baies des services d'urgence). L'air augmente naturellement en raison de convection, passant par le champ UV-C avant de recirculer.
• – Portable UV-C[ – Utilisé pour le nettoyage terminal des surfaces et de l'air dans les pièces inoccupées.

Des études montrent que les UVGI bien conçus peuvent réduire les concentrations virales dans l'air de 90% ou plus dans les hôpitaux. La combinaison des UV-C et de la filtration HEPA offre une approche à barrières multiples.

Surveillance en temps réel de la qualité de l'air

Les systèmes de CVC traditionnels fonctionnent selon des horaires et des consignes fixes. La surveillance en temps réel de la qualité de l'air permet un contrôle adaptatif en fonction des conditions réelles :

• Les capteurs CO2 indiquent l'occupation et la ventilation adéquates; le CO2 élevé est corrélé avec un risque plus élevé de transmission de maladies dans l'air.
• Les capteurs de particules (PM2,5 et PM10) détectent les niveaux d'aérosols, y compris les particules virales potentielles.
• Les capteurs de composés organiques volatils (COV) peuvent indiquer le nettoyage des résidus chimiques ou l'activité métabolique humaine.
• Les capteurs d'humidité maintiennent une HR optimale de 40 à 60 %, ce qui réduit la survie virale et améliore la fonction immunitaire respiratoire.

Les données de ces capteurs peuvent être intégrées dans les systèmes de gestion des bâtiments (BMS) pour régler automatiquement le débit d'air, la filtration et le fonctionnement UV-C. Les hôpitaux qui ont investi dans ces systèmes intelligents de CVC pendant la pandémie ont pu réagir rapidement aux surtensions en augmentant la ventilation dans les zones à haut risque sans intervention manuelle.

Systèmes CVC modulaires et évolutives

Les surtensions pandémiques imposent des exigences soudaines et imprévisibles au CVC hospitalier.

• Des unités de toit emballées qui peuvent être déployées rapidement pour créer des quartiers d'isolement temporaire.
• Manipulation d'air à skid avec filtres HEPA intégrés et UV-C qui peuvent être raccordés à des conduits existants.
• Des modules de pression négative containerisés qui convertissent les garages ou les lobbies en zones de traitement des surtensions. Par exemple, pendant la COVID-19, plusieurs hôpitaux ont utilisé des conteneurs de pression négative préfabriqués pour augmenter la capacité d'isolement en 48 heures.
• Des ventilateurs évolutives (petits ventilateurs multiples au lieu d'un grand ventilateur) qui permettent des augmentations progressives du débit d'air et fournissent une redondance si un ventilateur échoue.

Défis et considérations

La conception de systèmes de CVC résistants aux pandémies n'est pas sans obstacles. Les hôpitaux doivent équilibrer la lutte contre les infections avec les coûts, l'efficacité énergétique, l'espace et la complexité opérationnelle.

Coûts des infrastructures

La modernisation des bâtiments existants peut aussi nécessiter des modifications structurelles pour les nouveaux gestionnaires d'air, les conduits et les cheminées d'échappement. L'investissement initial en capital peut être important, mais les analyses des coûts du cycle de vie montrent que les coûts évités des infections, des litiges et des pertes de revenus justifient souvent les dépenses. Les systèmes de santé peuvent explorer les subventions des organismes de santé publique, comme le programme de préparation des hôpitaux du ministère de la Santé et des Services humains des États-Unis, pour financer des améliorations.

Limites d'espace

De nombreux hôpitaux plus anciens n'ont pas été conçus avec de grandes salles mécaniques ou un espace interstitiel pour des travaux de canalisations extensifs. L'ajout de filtres HEPA, de banques UV-C et de ventilateurs redondants peut nécessiter des solutions créatives telles que des installations sur le toit, des mezzanines extérieures ou la conversion de sous-sols inutilisés.

Consommation d'énergie

L'augmentation de l'ACH, l'utilisation de filtres à haut rendement et l'utilisation de lampes UV-C augmentent toutes les charges électriques et thermiques. Les hôpitaux sont parmi les bâtiments les plus à forte intensité énergétique, de sorte que la demande supplémentaire peut imposer à la fois le réseau et le budget.

• Ventilateurs de récupération d'énergie (ERV) qui transfèrent la chaleur et l'humidité de l'air d'échappement à l'air frais entrant, réduisant les charges de CVC.
• Des lecteurs de fréquence variable (VFD) sur des ventilateurs qui correspondent au débit d'air à la demande en temps réel plutôt que de fonctionner à vitesse constante.
• La ventilation contrôlée par la demande réduit le CHA lorsque les locaux sont inoccupés.
• Panneaux photovoltaïques solaires ou systèmes de cogénération qui compensent l'utilisation accrue de l'électricité.

Entretien et formation

Les systèmes de CVC avancés exigent des techniciens qualifiés pour la mise en service, l'entretien de routine et le dépannage. De nombreux hôpitaux font face à une pénurie de personnel qualifié de CVC. Pendant la pandémie, certaines installations ont subi des pannes dues à des filtres bloqués ou à des ampoules UV-C défaillantes qui sont passées inaperçues. La mise en œuvre d'un solide programme de maintenance préventive avec des alertes automatisées pour le remplacement des filtres, la durée de vie des lampes UV-C et la tension de la ceinture de ventilateur est essentielle.

Conformité à la réglementation et aux normes

La conception du CVAC hospitalier doit être conforme à plusieurs codes et normes : la norme 170 de l'ASHRAE (Ventilation des établissements de soins de santé), les Lignes directrices de l'AIA pour la conception et la construction des hôpitaux, le NFPA 99 (Code des établissements de soins de santé) et les codes locaux du bâtiment.

Études de cas : Adaptations à la VAC pandémiques réussies

1. Centre médical de l ' Université du Nebraska

L'UNMC a été l'un des premiers hôpitaux américains à traiter les patients d'Ebola et plus tard COVID-19. Leur unité de biocontainment dispose d'un système de CVC dédié avec filtration HEPA, pression négative et stérilisation UV-C. Pendant la surtension COVID-19, ils ont converti des chambres de pression négatives standard en AIIR en augmentant le débit d'air d'échappement et en ajoutant des nettoyants HEPA portables.

2. Hôpital général du Massachusetts (HGH)

MGH a amélioré sa ventilation du service d'urgence pendant la pandémie en installant des ventilateurs de plafond à haute performance (pour améliorer le mélange) et en plaçant des purificateurs d'air HEPA portatifs dans chaque baie de traitement. Ils ont également utilisé la surveillance du CO2 pour identifier les zones où la ventilation est inadéquate et l'approvisionnement ajusté en conséquence.

3. Hôpital universitaire national, Singapour

L'hôpital universitaire national de Singapour a déployé un système modulaire de conteneurs à pression négative qui pouvait être assemblé dans les parkings en quelques jours. Chaque conteneur avait un ventilateur d'échappement et une lampe UV-C filtrés par HEPA. Cela a fourni une capacité de surtension critique pour les patients de COVID-19 tout en maintenant la séparation du système de CVC principal de l'hôpital.

Conclusion

La pandémie de COVID-19 a été un rappel flagrant que les systèmes de CVC hospitaliers sont la première ligne de défense contre les infections atmosphériques. La conception de la préparation à la pandémie signifie aller au-delà des exigences minimales de code pour intégrer une filtration accrue, des taux d'échange d'air plus élevés, des différentiels de pression flexibles et une redondance fiable.

Les hôpitaux doivent élaborer des procédures opérationnelles normalisées pour convertir les salles, former le personnel aux contrôles de CVC et maintenir les systèmes de façon proactive. Investir dans le CVC résistant aux pandémies est un investissement dans la sécurité des patients et du personnel qui paie des dividendes pendant les saisons de grippe ordinaires et les urgences de santé publique futures.