Öppna fönster och bra uppvärmning, ventilation, och luftkonditioneringssystem (HVAC) är utgångspunkter för att hålla klassrummen säkra under covid-19-pandemin. Men de är inte sista ordet, enligt en ny studie från forskare vid MIT.

Studien visar hur specifika klassrumskonfigurationer kan påverka luftkvaliteten och nödvändiggöra ytterligare åtgärder, utöver VVS-användning eller öppna fönster, för att minska spridningen av aerosoler – de små, potentiellt covid-bärande partiklar som kan förbli svävande i luften i timmar.

"Det finns uppsättningar förhållanden där vi uppenbarligen fann att det finns ett problem, och när du tittar på den förväntade koncentrationen av aerosoler runt andra människor i rummet, i vissa fall var det mycket högre än vad [standard]-modellerna skulle säga, säger Leon Glicksman, en MIT arkitektur- och ingenjörsprofessor som är medförfattare till ett nytt dokument som beskriver forskningen.

Verkligen, studien visar att vissa omständigheter kan skapa en koncentration av potentiellt problematiska aerosoler som sträcker sig från 50 till 150 procent högre än standardbaslinjekoncentrationen som experter betraktar som "välblandad" inomhusluft.

"Det blir komplicerat, och det beror på de speciella förhållandena i rummet, ", tillägger Glicksman.

Pappret, "Mönster av SARS-CoV-2 aerosol sprids i typiska klassrum, " visas i förväg onlineformulär i tidskriften Byggnad och miljö . Författarna är Gerhard K. Rencken och Emma K. Rutherford, MIT-studenter som deltog i forskningen genom programmet Undergraduate Research Opportunities Program med stöd från MIT Energy Initiative; Nikhilesh Ghanta, en doktorand vid MIT:s Center for Computational Science and Engineering; John Kongoletos, en doktorand i Byggteknikprogrammet vid MIT och en stipendiat vid MIT:s Tata Center; och Glicksman, seniorförfattaren och professor i byggnadsteknik och maskinteknik vid MIT som har studerat luftcirkulationsfrågor i decennier.

Kampen mellan vertikal och horisontell

SARS-CoV-2, viruset som orsakar covid-19, överförs till stor del på luftburet sätt via aerosoler, som människor andas ut, och som kan förbli i luften under långa perioder om ett rum inte är välventilerat. Många inomhusmiljöer med begränsat luftflöde, inklusive klassrum, kan alltså innehålla en relativt högre koncentration av aerosoler, inklusive de som andas ut av infekterade individer. VVS-system och öppna fönster kan bidra till att skapa "väl blandade" förhållanden, men i vissa scenarier, Ytterligare ventilationsmetoder kan behövas för att minimera SARS-Cov-2 aerosoler.

För att genomföra studien, forskarna använde beräkningsvätskedynamik – sofistikerade simuleringar av luftflöde – för att undersöka 14 olika klassrumsventilationsscenarier, nio med VVS-system och fem med öppna fönster. Forskargruppen jämförde också sin modellering med tidigare experimentella resultat.

Ett idealiskt scenario innebär att frisk luft kommer in i ett klassrum nära marknivå och rör sig stadigt högre, tills den lämnar rummet genom takventiler. Denna process underlättas av det faktum att varm luft stiger, och människors kroppsvärme genererar naturligt stigande "värmeplymer, "som transporterar luft mot takventiler, med en hastighet av cirka 0,15 meter per sekund.

Med tanke på takventilation, sedan, syftet är att skapa vertikal luftrörelse uppåt för att cirkulera luft ut ur rummet, samtidigt som horisontell luftrörelse begränsas, som sprider aerosoler bland sittande elever.

Det är därför det är meningsfullt att bära masker inomhus:Masker begränsar den horisontella hastigheten för utandningsaerosoler, hålla dessa partiklar nära värmeplymer så att aerosolarna stiger vertikalt, som forskarna observerade i sina simuleringar. Normal utandning skapar aerosolhastigheter på 1 meter per sekund, och hosta skapar ännu högre hastigheter - men masker håller den hastigheten låg.

"Om du bär välsittande masker, du undertrycker hastigheten för [andningens] avgaser till den punkt där luften som kommer ut bärs av plymer ovanför individerna, " säger Glicksman. "Om det är en löst sittande mask eller ingen mask alls, luften kommer ut med en tillräckligt hög horisontell hastighet för att den inte ska fångas upp av dessa stigande plymer, och stiger i mycket lägre takt."

Två problematiska scenarier

Men även så, forskarna fann, komplikationer kan uppstå. I sin uppsättning simuleringar fokuserade på stängda fönster och HVAC-användning, luftflödesproblem uppstod i ett simulerat klassrum på vintern, med kalla fönster på sidan. I detta fall, eftersom den kalla luften nära fönstren naturligt sjunker, det stör det övergripande uppåtgående flödet av klassrumsluft, trots folks värmeplymer.

"På grund av den kalla luften från fönstret, lite luft rör sig ner, " säger Glicksman. "Det vi hittade i simuleringarna är, ja, en maskerad persons värmeplym skulle stiga mot taket, men om en person är nära fönstret, aerosolarna kommer upp till taket och i vissa fall fångas av det nedåtgående flödet, och förs ner till andningsnivån i rummet. Och vi fann ju kallare fönstret är, desto större är detta problem."

I detta scenario, någon infekterad med covid-19 som sitter nära ett fönster skulle vara särskilt benägen att sprida sina aerosoler runt. Men det finns korrigeringar för detta problem:bl.a. placera värmare nära kalla fönster begränsar deras inverkan på klassrummets luftflöde.

I den andra uppsättningen simuleringar, involverar öppna fönster, ytterligare problem blev uppenbara. Medan öppna fönster är bra för friskluftflödet överlag, forskarna identifierade ett problematiskt scenario:Horisontell luftrörelse från öppna fönster i linje med sätesraderna skapar betydande spridning av aerosoler.

Forskarna föreslår en enkel lösning för detta problem:att installera fönsterbafflar, armaturer som kan ställas in för att avleda luften nedåt. Genom att göra det här, den kallare friska luften utifrån kommer in i klassrummet nära fötterna på de åkande, och bidra till att skapa ett bättre övergripande cirkulationsmönster.

"Fördelen är att du för in den rena luften utifrån till golvet, och sedan [genom att använda bafflar] har du något som börjar se ut som förskjutningsventilation, där återigen den varma luften från individer drar luften uppåt, och den kommer att röra sig mot taket, " säger Glicksman. "Och återigen var det vad vi hittade när vi gjorde simuleringarna, koncentrationen av aerosol var mycket lägre i de fallen än om man bara låter luften komma in direkt horisontellt."

Energistraffet

Utöver säkerhetskonsekvenserna under pandemin, Glicksman konstaterar att bättre luftflöde i alla klassrum har energi- och miljökonsekvenser.

Om ett VVS-system ensamt inte skapar optimala förhållanden i ett klassrum, frestelsen kan vara att sätta igång systemet för fullt, i hopp om att skapa större flöde. Men det är både dyrt och miljöbelastande. Ett alternativt tillvägagångssätt är att leta efter klassrumsspecifika lösningar – som bafflar eller användning av högeffektiva filter i den återcirkulerande HVAC-luftförsörjningen.

"Ju mer utomhusluft du tar in, ju lägre medelkoncentrationen av dessa aerosoler kommer att vara, " säger Glicksman. "Men det finns en energistraff förknippad med det."

Glicksman betonar också att den aktuella studien undersöker luftkvaliteten under specifika omständigheter. Forskningen ägde också rum innan den mer överförbara Delta-varianten av COVID-19-viruset blev utbredd. Denna utveckling, Glicksman konstaterar, stärker vikten av att "minska aerosolkoncentrationsnivån genom maskering och högre ventilationshastigheter" i ett givet klassrum, och understryker särskilt att "den lokala koncentrationen i andningszonen [nära huvudet på de boende i rummet] bör minimeras."

Och Glicksman betonar att det skulle vara användbart med fler studier som undersöker frågorna på djupet.

"Vad vi har gjort är en begränsad studie för särskilda former av geometri i klassrummet, ", säger Glicksman. "Det beror till viss del på vilka de särskilda förhållandena är. Det finns inget enkelt recept för bättre luftflöde. Vad detta verkligen säger är att vi skulle vilja se mer forskning utförd."