Энергичный и быстрый воздухообмен не всегда может быть полезным, когда речь идет о снижении уровня частиц коронавируса в многокомнатном здании, согласно новому исследованию моделирования.
Исследование показывает, что в многокомнатном здании быстрый воздухообмен может быстро распространять вирус из комнаты-источника в другие комнаты при высоких концентрациях. Уровень частиц резко возрастает в соседних комнатах в течение 30 минут и может оставаться повышенным примерно до 90 минут.
Выводы, опубликованные в Интернете в окончательной форме 15 апреля в журнале Building and Environment, получены группой исследователей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. В команду входят специалисты по строительству и HVAC, а также специалисты по аэрозольным частицам и вирусным материалам.
«Большинство исследований изучали уровни частиц только в одной комнате, а для здания с одной комнатой усиленная вентиляция всегда полезна для снижения их концентрации», - сказал Леонард Пиз, ведущий автор исследования. «Но для здания с более чем одной комнатой воздухообмен может представлять опасность в соседних комнатах, повышая концентрацию вируса быстрее, чем это могло бы произойти в противном случае.
«Чтобы понять, что происходит, рассмотрите, как пассивный дым распространяется по всему зданию. Возле источника воздухообмен уменьшает дым рядом с человеком, но может распространять дым на более низких уровнях в близлежащие помещения», - добавил Пиз.«Риск не нулевой для любого респираторного заболевания».
Команда смоделировала распространение частиц, подобных SARS-CoV-2, вирусу, вызывающему COVID-19, через системы кондиционирования воздуха. Ученые смоделировали, что происходит после пятиминутного приступа кашля у человека в одной комнате трехкомнатного небольшого офисного здания, запустив симуляции с частицами размером в пять микрон.
Исследователи изучили влияние трех факторов: различных уровней фильтрации, разной скорости включения наружного воздуха в систему подачи воздуха в здание и разной скорости вентиляции или воздухообмена в час. Для помещений, расположенных ниже по течению, они обнаружили ожидаемую явную выгоду от увеличения количества наружного воздуха и улучшения фильтрации, но эффект от увеличения скорости вентиляции был менее очевиден.
Более чистый наружный воздух снижает передачу инфекции
Ученые изучили влияние добавления различного количества наружного воздуха к подаче воздуха в здание, от отсутствия наружного воздуха до 33 процентов подачи воздуха в здание в час. Как и ожидалось, включение более чистого наружного воздуха снизило риск передачи инфекции в смежных помещениях. Замена одной трети воздуха здания в час чистым наружным воздухом в помещениях, расположенных ниже по течению, снизила риск заражения примерно на 20 процентов по сравнению с более низкими уровнями наружного воздуха, которые обычно присутствуют в зданиях. Команда отметила, что в модели предполагалось, что наружный воздух чистый и не содержит вирусов.
«Больше наружного воздуха, безусловно, хорошо для риска передачи, если в воздухе нет вирусов», - сказал Пиз.
Надежная фильтрация снижает передачу
Второй изучаемый фактор - сильная фильтрация - также оказался очень эффективным в снижении передачи коронавируса.
Команда изучила влияние трех уровней фильтрации: MERV-8, MERV-11 и MERV-13, где MERV означает отчетное значение минимальной эффективности, общепринятую меру фильтрации. Чем выше число, тем сильнее фильтр.
Фильтрация заметно снизила вероятность заражения в смежных помещениях. Фильтр MERV-8 снизил пиковый уровень вирусных частиц в смежных помещениях всего на 20% по сравнению с отсутствием фильтрации. Фильтр MERV-13 снизил пиковую концентрацию вирусных частиц в подключенной комнате на 93 процента, что составляет менее одной десятой от того, что было с фильтром MERV-8. Исследователи отмечают, что более сильные фильтры стали более распространенными с начала пандемии.
Усиление вентиляции - более сложная картина
Самый удивительный результат исследования связан с вентиляцией - эффектом, который исследователи называют обменом воздуха в час. То, что хорошо для исходной комнаты - снижение риска передачи внутри комнаты на 75 процентов - не так хорошо для подключенных комнат. Команда обнаружила, что высокая скорость воздухообмена, 12 воздухообменов в час, может вызвать скачок уровня вирусных частиц в течение нескольких минут в соединенных комнатах. Это увеличивает риск заражения в этих помещениях на несколько минут более чем в 10 раз по сравнению с тем, что было при более низкой скорости воздухообмена. Более высокий риск передачи в соединенных комнатах сохраняется в течение примерно 20 минут.
"Для комнаты с источником явно лучше вентиляция. Но этот воздух куда-то уходит", - сказал Пиз. «Возможно, усиление вентиляции не всегда является решением».
Интерпретация данных
«Существует множество факторов, которые необходимо учитывать, и расчет риска для каждого случая индивидуален», - сказал Пиз. «Сколько людей находится в здании и где они расположены? Какого размера здание? Сколько комнат? На данный момент не так много данных о том, как вирусные частицы перемещаются в многокомнатных зданиях.
«Эти цифры очень специфичны для этой модели - этого конкретного типа модели, количества вирусных частиц, выделяемых человеком. Каждое здание отличается, и необходимо провести дополнительные исследования», - добавил Пиз.
Соавтор Тимоти Солсбери, эксперт по управлению зданиями, отмечает, что многие из компромиссов могут быть оценены количественно и взвешены в зависимости от обстоятельств.
Более мощная фильтрация приводит к более высоким затратам на электроэнергию, как и подача большего количества наружного воздуха, чем обычно используется в обычных условиях. энергетический штраф за нагрев или охлаждение дополнительного наружного воздуха», - сказал Салсбери.
«Существует множество факторов, которые необходимо сбалансировать - уровень фильтрации, уровень наружного воздуха, воздухообмен - чтобы свести к минимуму риск передачи инфекции. У управляющих зданиями определенно есть своя работа», - добавил он.
Проводятся дополнительные экспериментальные исследования
Команда уже проводит серию экспериментальных исследований в том же духе, что и исследование моделирования. Как и в недавно опубликованном исследовании, дополнительные анализы рассматривают влияние фильтрации, включения наружного воздуха и воздухообмена.
Эти продолжающиеся исследования включают в себя настоящие частицы, состоящие из слизи (не включающие настоящий вирус SARS-CoV-2), и рассматривают различия между частицами, выбрасываемыми из различных частей дыхательных путей, таких как ротовая полость, гортань и легкие. Исследователи используют аэрозольную машину, которая рассеивает вирусоподобные частицы так же, как они рассеиваются при кашле, а также технологию флуоресцентного отслеживания, чтобы отслеживать, куда они попадают. Другие факторы включают различные размеры частиц, как долго вирусные частицы могут оставаться заразными и что происходит, когда они падают и разлагаются.
Помимо Пиз и Салсбери, авторами опубликованного исследования являются Нора Ванг, Рональд Андерхилл, Джулия Флаэрти, Алекс Влачокостас, Гурихар Кулкарни и Дэниел Джеймс..
Исследование, последнее из серии выводов PNNL о COVID-19, объединяет сильные стороны PNNL в области строительных технологий и аэрозольных исследований. Работа финансировалась через Национальную виртуальную биотехнологическую лабораторию, консорциум всех 17 национальных лабораторий Министерства энергетики, занимающихся реагированием на COVID-19, при финансовой поддержке Закона о помощи, помощи и экономической безопасности в связи с коронавирусом, или CARES, Act.