Хорошая вентиляция помещений для разбавления и рассеивания загрязнителей воздуха внутри помещений давно признана, а с пандемией COVID-19 ее важность стала еще более повышенной. Но новые эксперименты, проведенные исследователями воздуха внутри помещений в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab), показывают, что определенные обстоятельства приводят к плохому смешиванию воздуха в помещении, а это означает, что переносимые по воздуху загрязнители не могут быть эффективно рассеяны и удалены вентиляцией на уровне здания.
Используя CO2 в качестве трассера для отслеживания небольших дыхательных аэрозолей, которые перемещаются с воздушными потоками в помещении, команда лаборатории Беркли обнаружила, что, когда потолочные вентиляционные отверстия (или диффузоры) подают нагретого воздуха создавались термически стратифицированные условия, которые блокировали поток чистого воздуха вниз, в «зону дыхания» на средней высоте помещения. В результате, даже когда люди сидят на расстоянии более 6 футов друг от друга, некоторые люди могут подвергаться воздействию респираторных аэрозолей от других со скоростью в 5-6 раз выше, чем если бы одно и то же помещение было хорошо перемешано. Их исследование «Измеренное влияние кондиционеров над головой на воздействие переносимых по воздуху загрязняющих веществ в результате имитации речи на собрании и в классе» было недавно опубликовано в журнале Indoor Air..
«Когда все хорошо перемешано, все оказываются в одинаковых условиях», - сказал Вуди Дельп, исследователь воздуха в помещениях из лаборатории Беркли. «Когда это плохо перемешано, с точки зрения COVID, у вас могут быть потенциальные горячие точки. Таким образом, если в комнате есть один инфицированный человек, вместо того, чтобы его выдыхаемый воздух был полностью рассеян, а затем должным образом разбавлен и удален системой HVAC, другой человек, сидящий рядом с ним или даже в другом конце комнаты, может получить высокую концентрацию этого инфицированного. выделяемый человеком вирусный аэрозоль."
Delp отмечает, что такая ситуация может возникнуть только в случае подачи нагретого воздуха от потолочных диффузоров. При подаче холодного или нейтрального воздуха тепловое расслоение не наблюдалось; вместо этого в этих обстоятельствах оказалось, что комната хорошо смешана.
Хотя основные риски, связанные с верхним отоплением, известны уже много лет, ранее они не оценивались количественно в контролируемых, но реалистичных условиях собрания или классной комнаты. Результаты важны для понимания того, насколько большим может быть риск, когда пассажиры намеренно разнесены в целях безопасности. «Вентиляция необходима для поддержания хорошего качества воздуха», - сказал Бретт Сингер, ведущий автор исследования и глава группы внутренней среды Berkeley Lab.«Но если вы нагреваете потолочное помещение, не смешивая воздух в помещении намеренно, вы не получите всех преимуществ вентиляции».
К счастью, исследование показало, что есть простое решение: использование переносных воздухоочистителей, которые всасывают воздух снизу и выталкивают его через верх. «Они заботятся о смешивании, а затем фильтруют воздух, так что они получают двойную выгоду», - сказал Сингер.
9 манекенов в комнате
Исследователи разместили восемь тепловых манекенов (которые похожи на манекены для розничной торговли, но вместо этого используются для научных исследований) и пригласили исследователя для работы с устройством для выброса аэрозолей в комнате размером 20 на 30 футов, установленной сначала как конференц-зал, в котором участники сидят по кругу, а затем переконфигурирован как классная комната, где один стоит в передней части комнаты, а восемь участников смотрят вперед. Сингер отметил, что в большинстве предыдущих исследований влияния несовершенного смешивания на рассеивание загрязняющих веществ использовались только один или два смоделированных обитателя.
В этом исследовании манекены испускали потоки тепла, как человек. CO2 выпускался на уровне рта для имитации небольших респираторных аэрозолей. Температура CO2, а также скорость его высвобождения были отрегулированы так, чтобы имитировать разговор человека.
Эксперименты проводились в FLEXLAB(R), строительном симуляторе и испытательном стенде Berkeley Lab. «С помощью FLEXLAB мы смогли контролировать каждый аспект системы HVAC, благодаря чему мы смогли повторять множество различных условий для двух типов конфигураций помещения», - говорит Челси Пребл, научный сотрудник Berkeley Lab и Калифорнийский университет в Беркли и соавтор исследования. «Мы также смогли измерить температуру и скорость воздуха по всей комнате в дополнение к нашим измерениям CO2. Это помогло нам проверить и количественно оценить проблему смешивания».
Исследование ограничено только небольшими аэрозолями
Предыдущие исследования установили, что CO2 может выступать в качестве показателя дисперсионного поведения малых дыхательных аэрозолей или частиц размером менее 5 микрон. Микрон - это одна миллионная часть метра. В то время как респираторные аэрозоли состоят из частиц самых разных размеров, от субмикронных до миллиметров, в этой статье основное внимание уделяется более мелким частицам, которые движутся в основном с воздушными потоками. Более крупные частицы, которые ведут себя иначе, станут предметом будущего анализа.
«Мы выпустили частицы и CO2 на разные манекены и попытались увидеть, как эти трассеры и частицы распространяются по комнате», - сказал Хаоран Чжао, постдокторант лаборатории Беркли. сотрудник и соавтор исследования. «У нас были датчики CO2 в каждом углу комнаты на разной высоте, а также в зоне дыхания каждого манекена».
Авторы осторожно отмечают, что их исследование касается только относительного риска плохо смешанных состояний по сравнению с хорошо смешанным; его нельзя использовать напрямую для прогнозирования риска заражения.
Мы знаем цепочку событий, которая требуется, чтобы разоблачить человека, и она сложна и необычайно изменчива. Инфицированный человек при разговоре и дыхании выделяет капли и аэрозоли различного размера. Но даже когда некоторые из них вдыхаются кем-то другим, они могут заразиться, а могут и не заразиться», - сказал Дельп. «Из других исследований мы знаем, что количество вирусов, выделяемых отдельным инфицированным человеком, может варьироваться в широких пределах. Один человек может выделять на миллионы больше вирусов, чем другой зараженный человек, и это зависит от течения инфекции, а также, по-видимому, отличается для дельты по сравнению с более ранними вариантами. И в довершение всего, количество вирусов, необходимое для инициации инфекции, также, вероятно, варьируется между людьми и размерами вдыхаемых аэрозолей. Как ученые и инженеры по качеству воздуха в помещениях, мы сосредоточены на том, что можно сделать с вентиляцией, фильтрацией и распределением воздуха, чтобы снизить риски, даже если не известны все детали биологии».
Исследование финансировалось Министерством энергетики через Национальную виртуальную биотехнологическую лабораторию, консорциум национальных лабораторий Министерства энергетики, занимающийся реагированием на COVID-19. Другими соавторами исследования были Йован Пантелич, Майкл Сон и Томас Кирхштеттер.