Undersøgelsen giver forslag til at holde klasseværelset frisk

Åbne vinduer og god varme, ventilation, og klimaanlæg (HVAC) er udgangspunkter for at holde klasseværelserne sikre under COVID-19-pandemien. Men de er ikke det sidste ord, ifølge en ny undersøgelse fra forskere ved MIT.

Undersøgelsen viser, hvordan specifikke klasseværelseskonfigurationer kan påvirke luftkvaliteten og nødvendiggøre yderligere foranstaltninger, ud over brug af HVAC eller åbne vinduer, for at reducere spredningen af ​​aerosoler – de små, potentielt COVID-bærende partikler, der kan forblive svævende i luften i timevis.

"Der er sæt forhold, hvor vi tydeligt fandt ud af, at der er et problem, og når du ser på den forudsagte koncentration af aerosoler omkring andre mennesker i rummet, i nogle tilfælde var det meget højere end hvad [standard]-modellerne ville sige, " siger Leon Glicksman, en MIT arkitektur- og ingeniørprofessor, som er medforfatter til et nyt papir, der beskriver forskningen.

Ja, undersøgelsen viser, at nogle omstændigheder kan skabe en koncentration af potentielt problematiske aerosoler, der spænder fra 50 til 150 procent højere end standardbaselinekoncentrationen, som eksperter betragter som "velblandet" indendørsluft.

"Det bliver kompliceret, og det afhænger af de særlige forhold i rummet, " tilføjer Glicksman.

Papiret, "Mønstre af SARS-CoV-2 aerosol spredes i typiske klasseværelser, " vises på forhånd online formular i journalen Bygning og Miljø . Forfatterne er Gerhard K. Rencken og Emma K. Rutherford, MIT studerende, der deltog i forskningen gennem Undergraduate Research Opportunities Program med støtte fra MIT Energy Initiative; Nikhilesh Ghanta, en kandidatstuderende ved MIT's Center for Computational Science and Engineering; John Kongoletos, en kandidatstuderende i Building Technology Program ved MIT og en stipendiat ved MIT's Tata Center; og Glicksman, seniorforfatteren og en professor i bygningsteknologi og maskinteknik ved MIT, som har studeret luftcirkulationsproblemer i årtier.

Kampen mellem lodret og vandret

SARS-CoV-2, virus, der forårsager COVID-19, overføres i vid udstrækning på luftbåren måde via aerosoler, som mennesker udånder, og som kan forblive i luften i længere tid, hvis et rum ikke er godt ventileret. Mange indendørs indstillinger med begrænset luftstrøm, herunder klasseværelser, kunne således indeholde en relativt højere koncentration af aerosoler, inklusive dem, der udåndes af inficerede personer. VVS-systemer og åbne vinduer kan være med til at skabe "godt blandede" forhold, men i visse scenarier, yderligere ventilationsmetoder kan være nødvendige for at minimere SARS-Cov-2 aerosoler.

For at gennemføre undersøgelsen, forskerne brugte computational fluid dynamics - sofistikerede simuleringer af luftstrøm - til at undersøge 14 forskellige klasseværelsesventilationsscenarier, ni involverer HVAC-systemer og fem involverer åbne vinduer. Forskerholdet sammenlignede også deres modellering med tidligere eksperimentelle resultater.

Et ideelt scenarie involverer frisk luft, der kommer ind i et klasseværelse nær jordoverfladen og bevæger sig støt højere, indtil den forlader rummet gennem loftsventiler. Denne proces understøttes af det faktum, at varm luft stiger op, og folks kropsvarme genererer naturligt stigende "varmefaner, "som fører luft mod loftsåbninger, med en hastighed på omkring 0,15 meter i sekundet.

Givet loftventilation, derefter, Målet er at skabe opadgående lodret luftbevægelse for at cirkulere luft ud af rummet, samtidig med at den vandrette luftbevægelse begrænses, som spreder aerosoler blandt siddende elever.

Det er derfor, det giver mening at bære masker indendørs:Masker begrænser den vandrette hastighed af udåndede aerosoler, holde disse partikler i nærheden af ​​varmefaner, så aerosolerne stiger lodret, som forskerne observerede i deres simuleringer. Normal udånding skaber aerosolhastigheder på 1 meter i sekundet, og hoste skaber stadig højere hastigheder - men masker holder den hastighed lav.

"Hvis du bærer velsiddende masker, du undertrykker hastigheden af ​​[åndedrættet] udstødningen til det punkt, hvor luften, der kommer ud, bliver båret af fanerne over individerne, " siger Glicksman. "Hvis det er en løstsiddende maske eller slet ingen maske, luften kommer ud med en høj nok vandret hastighed til at den ikke bliver fanget af disse stigende faner, og stiger meget lavere."

To problematiske scenarier

Men alligevel, fandt forskerne, komplikationer kan opstå. I deres sæt af simuleringer fokuseret på lukkede vinduer og brug af HVAC, luftstrømsproblemer dukkede op i et simuleret klasseværelse om vinteren, med kolde vinduer i siden. I dette tilfælde, fordi den kolde luft nær vinduerne naturligt synker, det forstyrrer den overordnede opadgående strøm af klasseværelsesluft, trods folks varmefaner.

"På grund af den kolde luft fra vinduet, noget luft bevæger sig ned, " siger Glicksman. "Det vi fandt i simuleringerne er, Ja, en maskeret persons varmefane ville stige mod loftet, men hvis en person er tæt på vinduet, aerosoler kommer op til loftet og bliver i nogle tilfælde fanget af den nedadgående strøm, og bragt ned til åndedrætsniveauet i rummet. Og vi fandt ud af, at jo koldere vinduet er, jo større er dette problem."

I dette scenarie, en person, der er inficeret med COVID-19, der sidder i nærheden af ​​et vindue, vil være særligt tilbøjelige til at sprede deres aerosoler rundt. Men der er rettelser til dette problem:Bl.a. placering af varmeapparater i nærheden af ​​kolde vinduer begrænser deres indvirkning på klasseværelsets luftstrøm.

I det andet sæt simuleringer, involverer åbne vinduer, yderligere problemer blev tydelige. Mens åbne vinduer generelt er gode til frisk luftstrøm, forskerne identificerede et problematisk scenarie:Horisontal luftbevægelse fra åbne vinduer på linje med sidderækkerne skaber betydelig spredning af aerosoler.

Forskerne foreslår en simpel løsning på dette problem:installation af vinduesskærme, armaturer, der kan indstilles til at aflede luften nedad. Ved at gøre dette, den køligere friske luft udefra kommer ind i klasseværelset nær fødderne af dets beboere, og bidrage til at skabe et bedre overordnet cirkulationsmønster.

"Fordelen er, du bringer den rene luft ind udefra til gulvet, og så [ved at bruge bafler] har du noget, der begynder at ligne forskydningsventilation, hvor den varme luft fra individer igen vil trække luften opad, og det vil bevæge sig mod loftet, " siger Glicksman. "Og det var igen det, vi fandt, da vi lavede simuleringerne, koncentrationen af ​​aerosol var meget lavere i de tilfælde, end hvis man bare lader luften komme direkte vandret ind."

Energistraffen

Ud over de sikkerhedsmæssige konsekvenser under pandemien, Glicksman bemærker, at bedre luftgennemstrømning i alle klasseværelser har energi- og miljømæssige konsekvenser.

Hvis et HVAC-system alene ikke skaber optimale forhold inde i et klasseværelse, fristelsen kan være at skrue helt op for systemet, i håb om at skabe større flow. Men det er både dyrt og miljøbelastende. En alternativ tilgang er at lede efter klasseværelsesspecifikke løsninger - som bafler eller brugen af ​​højeffektive filtre i den recirkulerende HVAC-luftforsyning.

"Jo mere udeluft du bringer ind, jo lavere den gennemsnitlige koncentration af disse aerosoler vil være, " siger Glicksman. "Men der er en energistraf forbundet med det."

Glicksman understreger også, at den aktuelle undersøgelse undersøger luftkvaliteten under specifikke omstændigheder. Forskningen fandt også sted, før den mere overførbare Delta-variant af COVID-19-virussen blev udbredt. Denne udvikling, Glicksman bemærker, understreger vigtigheden af ​​at "reducere aerosolkoncentrationsniveauet gennem maskering og højere ventilationshastigheder" i et givet klasseværelse, og understreger især, at "den lokale koncentration i vejrtrækningszonen [nær hovedet på værelsesbeboere] bør minimeres."

Og Glicksman understreger, at det ville være nyttigt med flere undersøgelser, der udforsker spørgsmålene til bunds.

"Det, vi har lavet, er en begrænset undersøgelse af bestemte former for geometri i klasseværelset, " Glicksman siger. "Det afhænger til en vis grad af, hvad de særlige forhold er. Der er ingen enkel opskrift på bedre luftgennemstrømning. Hvad dette virkelig siger er, at vi gerne vil se mere forskning udført."