Открытые окна и хорошая система отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) являются отправной точкой для обеспечения безопасности классных комнат во время пандемии Covid-19. Но они не являются последним словом, согласно новому исследованию, проведенному исследователями из Массачусетского технологического института.
Исследование показывает, как определенные конфигурации классных комнат могут влиять на качество воздуха и требуют дополнительных мер, помимо использования систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или открытых окон, для уменьшения распространения аэрозолей - этих крошечных частиц, потенциально переносящих Covid, которые могут оставаться в воздухе во взвешенном состоянии. на часы.
"Есть наборы условий, в которых мы явно обнаружили проблему, и если вы посмотрите на прогнозируемую концентрацию аэрозолей вокруг других людей в помещении, в некоторых случаях она была намного выше, чем в [стандартных] моделях. сказал бы Леон Гликсман, профессор архитектуры и инженерии Массачусетского технологического института, который является соавтором новой статьи с подробным описанием исследования.
Действительно, исследование показывает, что некоторые обстоятельства могут создать концентрацию потенциально проблемных аэрозолей на 50-150 процентов выше стандартной базовой концентрации, которую эксперты считают «хорошо смешанным» воздухом в помещении.
«Это усложняется, и это зависит от конкретных условий помещения», - добавляет Гликсман.
Документ «Схемы распространения аэрозоля SARS-CoV-2 в типичных классах» заранее опубликован в онлайн-форме в журнале Building and Environment. Авторы Герхард К. Ренкен и Эмма К. Резерфорд, студенты Массачусетского технологического института, участвовавшие в исследовании в рамках Программы исследований возможностей бакалавриата при поддержке Энергетической инициативы Массачусетского технологического института; Нихилеш Ганта, аспирант Центра вычислительной науки и техники Массачусетского технологического института; Джон Конголетос, аспирант программы строительных технологий Массачусетского технологического института и научный сотрудник Тата-центра Массачусетского технологического института; и Гликсман, старший автор и профессор строительных технологий и машиностроения в Массачусетском технологическом институте, десятилетиями изучающий вопросы циркуляции воздуха.
Борьба между вертикалью и горизонталью
SARS-Cov-2, вирус, вызывающий Covid-19, в основном передается воздушно-капельным путем через аэрозоли, которые люди выдыхают и которые могут оставаться в воздухе в течение длительного периода времени, если в помещении не все в порядке. -вентилируемый. Таким образом, во многих помещениях с ограниченным потоком воздуха, в том числе в классных комнатах, может быть относительно более высокая концентрация аэрозолей, в том числе выдыхаемых инфицированными людьми. Системы HVAC и открытые окна могут помочь создать «хорошо смешанные» условия, но в некоторых сценариях могут потребоваться дополнительные методы вентиляции, чтобы свести к минимуму аэрозоли SARS-Cov-2.
Чтобы провести исследование, исследователи использовали вычислительную гидродинамику - сложное моделирование воздушного потока - для изучения 14 различных сценариев вентиляции в классе, девять из которых включали системы HVAC, а пять - открытые окна. Исследовательская группа также сравнила свое моделирование с прошлыми экспериментальными результатами.
Одним из идеальных сценариев является то, что свежий воздух поступает в классную комнату на уровне земли и постоянно поднимается выше, пока не выйдет из комнаты через потолочные вентиляционные отверстия. Этому процессу способствует тот факт, что горячий воздух поднимается вверх, а тепло человеческого тела естественным образом генерирует восходящие «тепловые шлейфы», которые несут воздух к потолочным вентиляционным отверстиям со скоростью около 0,15 метра в секунду..
Учитывая потолочную вентиляцию, цель состоит в том, чтобы создать восходящее вертикальное движение воздуха для циркуляции воздуха из комнаты, ограничивая при этом горизонтальное движение воздуха, которое распространяет аэрозоли среди сидящих студентов.
Вот почему ношение масок в помещении имеет смысл: маски ограничивают горизонтальную скорость выдыхаемых аэрозолей, удерживая эти частицы рядом с тепловыми шлейфами, поэтому аэрозоли поднимаются вертикально, как наблюдали исследователи в ходе моделирования. Обычный выдох создает аэрозоль со скоростью 1 метр в секунду, а кашель создает еще более высокую скорость, но маски удерживают эту скорость на низком уровне.
«Если вы носите хорошо подогнанные маски, вы уменьшаете скорость выхлопа [дыхания] до такой степени, что выходящий воздух уносится перьями над людьми», - говорит Гликсман. «Если это свободная маска или вообще нет маски, воздух выходит с достаточно высокой горизонтальной скоростью, чтобы его не захватили эти восходящие шлейфы, и поднимается с гораздо меньшей скоростью».
Два проблемных сценария
Но даже в этом случае, как обнаружили исследователи, могут возникнуть осложнения. В их наборе симуляций, сосредоточенных на закрытых окнах и использовании HVAC, проблемы с воздушным потоком возникли в моделируемом классе зимой с холодными окнами по бокам. В этом случае, поскольку холодный воздух возле окон естественным образом опускается вниз, он нарушает общий восходящий поток воздуха в классе, несмотря на тепловые шлейфы людей.
«Из-за холодного воздуха из окна часть воздуха движется вниз», - говорит Гликсман. «В ходе моделирования мы обнаружили, что да, тепловой шлейф человека в маске будет подниматься к потолку, но если человек находится близко к окну, аэрозоли поднимаются к потолку и в некоторых случаях захватываются этим нисходящим потоком. и опустили до уровня дыхания в комнате. И мы обнаружили, что чем холоднее окно, тем больше эта проблема."
В этом сценарии человек, зараженный Covid-19 и сидящий у окна, с большой вероятностью будет распространять свои аэрозоли. Но есть решения этой проблемы: среди прочего, размещение обогревателей рядом с холодными окнами снижает их влияние на воздушный поток в классе.
В другом наборе симуляций с открытыми окнами стали очевидны дополнительные проблемы. Хотя открытые окна в целом хороши для притока свежего воздуха, исследователи выявили один проблемный сценарий: горизонтальное движение воздуха из открытых окон, выровненных с рядами сидений, создает значительное распространение аэрозолей.
Исследователи предлагают простое решение этой проблемы: установка оконных дефлекторов, фурнитуры, которая может отклонять воздух вниз. Таким образом, более прохладный свежий воздух с улицы будет поступать в класс к ногам сидящих в нем людей и способствовать улучшению общей циркуляции.
"Преимущество в том, что вы направляете чистый воздух снаружи на пол, а затем [с помощью дефлекторов] вы получаете что-то, что начинает выглядеть как вытесняющая вентиляция, где теплый воздух от людей снова будет притягивать воздух вверх, и он будет двигаться к потолку», - говорит Гликсман. «И опять же, это то, что мы обнаружили, когда проводили моделирование, концентрация аэрозоля в этих случаях была намного ниже, чем если бы вы просто позволяли воздуху входить прямо горизонтально."
Энергетический штраф
Помимо последствий для безопасности во время пандемии, Гликсман отмечает, что улучшенный поток воздуха во всех классах имеет последствия для энергии и окружающей среды.
Если система HVAC сама по себе не создает оптимальных условий в классе, может возникнуть искушение включить систему на полную мощность в надежде создать больший поток. Но это и дорого, и вредно для окружающей среды. Альтернативный подход заключается в поиске решений для классных комнат, таких как перегородки или использование высокоэффективных фильтров в системе рециркуляции воздуха ОВКВ.
«Чем больше наружного воздуха вы привносите, тем ниже будет средняя концентрация этих аэрозолей», - говорит Гликсман. «Но с этим связан энергетический штраф».
Гликсман также подчеркивает, что текущее исследование изучает качество воздуха при определенных обстоятельствах. Исследование также проводилось до того, как более трансмиссивный дельта-вариант вируса Covid-19 стал преобладающим. Это развитие, отмечает Гликсмэн, усиливает важность «снижения уровня концентрации аэрозоля за счет маскировки и более высокой скорости вентиляции» во всем классе и особенно подчеркивает, что «локальная концентрация в зоне дыхания [возле голов находящихся в помещении] должна быть свернуто."
И Гликсман подчеркивает, что было бы полезно провести больше исследований, посвященных более глубокому изучению проблем.
«То, что мы сделали, - это ограниченное изучение конкретных форм геометрии в классе», - говорит Гликсман. «В некоторой степени это зависит от конкретных условий. Не существует одного простого рецепта улучшения воздушного потока. На самом деле это говорит о том, что мы хотели бы, чтобы было проведено больше исследований».