Open ramen en een goede verwarming, ventilatie, en airconditioning (HVAC) zijn uitgangspunten om klaslokalen veilig te houden tijdens de COVID-19-pandemie. Maar ze hebben niet het laatste woord, volgens een nieuwe studie van onderzoekers van het MIT.

De studie laat zien hoe specifieke klasconfiguraties de luchtkwaliteit kunnen beïnvloeden en aanvullende maatregelen vereisen, buiten HVAC-gebruik of open ramen, om de verspreiding van aerosolen te verminderen - die kleine, mogelijk COVID-dragende deeltjes die uren in de lucht kunnen blijven hangen.

"Er zijn situaties waarin we duidelijk hebben vastgesteld dat er een probleem is, en als je kijkt naar de voorspelde concentratie van aerosolen rond andere mensen in de kamer, in sommige gevallen was het veel hoger dan wat de [standaard] modellen zouden zeggen, " zegt Leon Glicksman, een MIT-professor architectuur en engineering die co-auteur is van een nieuw artikel waarin het onderzoek wordt beschreven.

Inderdaad, de studie toont aan dat sommige omstandigheden een concentratie van potentieel problematische aerosolen kunnen creëren die 50 tot 150 procent hoger liggen dan de standaard baselineconcentratie die experts beschouwen als "goed gemengde" binnenlucht.

"Het wordt ingewikkeld, en het hangt af van de specifieke omstandigheden van de kamer, ’ voegt Glickman eraan toe.

De krant, "Patronen van SARS-CoV-2-aerosol verspreiden zich in typische klaslokalen, " verschijnt vooraf online formulier in het tijdschrift Gebouw en omgeving . De auteurs zijn Gerhard K. Rencken en Emma K. Rutherford, MIT-studenten die deelnamen aan het onderzoek via het Undergraduate Research Opportunities Program met steun van het MIT Energy Initiative; Nikhilesh Ghana, een afgestudeerde student aan het MIT's Center for Computational Science and Engineering; John Kongoletos, een afgestudeerde student in het Building Technology Program aan het MIT en een fellow aan het Tata Center van MIT; en Glickman, de senior auteur en een professor in bouwtechnologie en werktuigbouwkunde aan het MIT, die al tientallen jaren luchtcirculatieproblemen bestudeert.

De strijd tussen verticaal en horizontaal

SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, wordt grotendeels via de lucht overgedragen via aerosolen, welke mensen uitademen, en die lange tijd in de lucht kunnen blijven als een ruimte niet goed geventileerd is. Veel binnenopstellingen met beperkte luchtstroom, inclusief klaslokalen, zou dus een relatief hogere concentratie aan aerosolen kunnen bevatten, inclusief die uitgeademd door geïnfecteerde personen. HVAC-systemen en open ramen kunnen helpen om "goed gemengde" omstandigheden te creëren, maar in bepaalde scenario's, aanvullende ventilatiemethoden kunnen nodig zijn om SARS-Cov-2-aerosolen tot een minimum te beperken.

Om de studie uit te voeren, de onderzoekers gebruikten computationele vloeistofdynamica - geavanceerde simulaties van luchtstroom - om 14 verschillende ventilatiescenario's in de klas te onderzoeken, negen met HVAC-systemen en vijf met open ramen. Het onderzoeksteam vergeleek ook hun modellering met eerdere experimentele resultaten.

Een ideaal scenario houdt in dat frisse lucht een klaslokaal in de buurt van de grond binnenkomt en steeds hoger wordt, totdat het de kamer verlaat via plafondopeningen. Dit proces wordt ondersteund door het feit dat warme lucht opstijgt, en de lichaamswarmte van mensen genereert op natuurlijke wijze stijgende "warmtepluimen, " die lucht naar plafondopeningen voeren, met een snelheid van ongeveer 0,15 meter per seconde.

Gezien plafondventilatie, dan, het doel is om opwaartse verticale luchtbeweging te creëren om lucht uit de kamer te laten circuleren, terwijl de horizontale luchtbeweging wordt beperkt, die aërosolen verspreidt onder zittende studenten.

Dit is de reden waarom het dragen van maskers binnenshuis zinvol is:maskers beperken de horizontale snelheid van uitgeademde aerosolen, die deeltjes in de buurt van warmtepluimen houden, zodat de aerosolen verticaal opstijgen, zoals de onderzoekers in hun simulaties zagen. Bij normaal uitademen ontstaan ​​aerosolsnelheden van 1 meter per seconde, en hoesten zorgt voor nog hogere snelheden, maar maskers houden die snelheid laag.

"Als je goed passende maskers draagt, je onderdrukt de snelheid van de [adem]uitlaat tot het punt waarop de lucht die eruit komt wordt gedragen door de pluimen boven de individuen, " zegt Glicksman. "Als het een loszittend masker is of helemaal geen masker, de lucht komt naar buiten met een horizontale snelheid die hoog genoeg is om niet door deze stijgende pluimen te worden opgevangen, en stijgt met veel lagere tarieven."

Twee problematische scenario's

Maar toch, vonden de onderzoekers, complicaties kunnen optreden. In hun reeks simulaties gericht op gesloten ramen en HVAC-gebruik, luchtstroomproblemen ontstonden in een gesimuleerd klaslokaal in de winter, met koude ramen aan de zijkant. In dit geval, omdat de koude lucht bij de ramen van nature wegzakt, het verstoort de algehele opwaartse stroom van klaslucht, ondanks de hittepluimen van mensen.

"Vanwege de koude lucht uit het raam, wat lucht beweegt naar beneden, " zegt Glicksman. "Wat we in de simulaties vonden is, Ja, de warmtepluim van een gemaskerde persoon zou naar het plafond stijgen, maar als een persoon dicht bij het raam is, de aërosolen komen tot aan het plafond en worden in sommige gevallen opgevangen door die neerwaartse stroom, en naar het ademhalingsniveau in de kamer gebracht. En we vonden hoe kouder het raam is, hoe groter dit probleem is."

In dit scenario, iemand die besmet is met COVID-19 die bij een raam zit, zou bijzonder waarschijnlijk zijn aerosols verspreiden. Maar er zijn oplossingen voor dit probleem:onder andere het plaatsen van kachels in de buurt van koude ramen beperkt hun impact op de luchtstroom in de klas.

In de andere reeks simulaties, met open ramen, bijkomende problemen kwamen aan het licht. Terwijl open ramen goed zijn voor de frisse luchtstroom in het algemeen, de onderzoekers identificeerden wel één problematisch scenario:horizontale luchtbeweging van open ramen in lijn met zitrijen zorgt voor een aanzienlijke verspreiding van aerosolen.

De onderzoekers stellen een eenvoudige oplossing voor dit probleem voor:het installeren van raamschermen, fittingen die kunnen worden ingesteld om de lucht naar beneden af ​​te buigen. Door dit te doen, de koelere frisse lucht van buiten zal het klaslokaal binnenkomen bij de voeten van de inzittenden, en helpen bij het genereren van een beter algemeen circulatiepatroon.

"Het voordeel is je brengt de schone lucht van buiten naar de vloer, en dan [door schotten te gebruiken] heb je iets dat begint te lijken op verdringingsventilatie, waar weer de warme lucht van individuen de lucht naar boven zal trekken, en het zal naar het plafond gaan, " zegt Glicksman. "En nogmaals, dat is wat we ontdekten toen we de simulaties deden, de concentratie aërosol was in die gevallen veel lager dan wanneer je de lucht gewoon direct horizontaal naar binnen laat komen."

De energiestraf

Naast de veiligheidsimplicaties tijdens de pandemie, Glicksman merkt op dat een betere luchtstroom in alle klaslokalen gevolgen heeft voor energie en milieu.

Als een HVAC-systeem alleen geen optimale omstandigheden creëert in een klaslokaal, de verleiding kan zijn om het systeem op volle toeren te draaien, in de hoop een grotere stroom te creëren. Maar dat is zowel duur als milieubelastend. Een alternatieve benadering is het zoeken naar klasspecifieke oplossingen, zoals schotten of het gebruik van zeer efficiënte filters in de recirculerende HVAC-luchttoevoer.

"Hoe meer buitenlucht je binnenbrengt, hoe lager de gemiddelde concentratie van deze aerosolen zal zijn, "zegt Glicksman. "Maar er is een energiestraf aan verbonden."

Glicksman benadrukt ook dat in het huidige onderzoek de luchtkwaliteit onder specifieke omstandigheden wordt bekeken. Het onderzoek vond ook plaats voordat de meer overdraagbare Delta-variant van het COVID-19-virus de overhand kreeg. Deze ontwikkeling, Glicksman merkt op, benadrukt het belang van "het verlagen van het aerosolconcentratieniveau door middel van maskering en hogere ventilatiesnelheden" in een bepaald klaslokaal, en onderstreept vooral dat "de lokale concentratie in de ademzone [in de buurt van de hoofden van de kamerbewoners] tot een minimum moet worden beperkt."

En Glicksman benadrukt dat het nuttig zou zijn om meer studies te hebben die de problemen diepgaand onderzoeken.

"Wat we hebben gedaan is een beperkte studie naar bepaalde vormen van geometrie in de klas, " zegt Glicksman. "Het hangt tot op zekere hoogte af van wat de specifieke omstandigheden zijn. Er is geen eenvoudig recept voor een betere luchtstroom. Wat dit echt zegt, is dat we graag meer onderzoek zouden zien."