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Las ventanas abiertas y un buen sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) son puntos de partida para mantener las aulas seguras durante la pandemia de Covid-19. Pero no son la última palabra, según un nuevo estudio de investigadores del MIT.
El estudio muestra cómo los entornos específicos del aula pueden afectar la calidad del aire y requieren medidas adicionales, más allá del uso de HVAC o ventanas abiertas, para reducir la calidad del aire. horas.
"Hay un conjunto de condiciones en las que hemos visto claramente que hay un problema, y cuando se observa la concentración esperada de aerosoles alrededor de otras personas en la habitación, en algunos casos, fue mucho más alta de lo que lo harían los modelos (estándar) ", dice Leon Glicksman, profesor de arquitectura e ingeniería en el MIT, coautor de un nuevo artículo que detalla la investigación.
De hecho, el estudio muestra que determinadas circunstancias pueden crear una concentración de aerosol potencialmente problemática que oscila entre un 50 y un 150% más que la concentración base estándar que los expertos consideran aire interior "bien mezclado".
“Se complica y depende de las condiciones particulares de la sala”, añade Glicksman.
El artículo, "Patrones de propagación del aerosol del SARS-CoV-2 en clases típicas", aparece por adelantado en forma en línea en la revista. Edificación y medio ambiente. Los autores son Gerhard K. Rencken y Emma K. Rutherford, estudiantes de pregrado del MIT que participaron en una investigación en el marco del Programa de Oportunidades de Investigación de Pregrado con el apoyo de la Iniciativa de Energía del MIT; Nikhilesh Ghanta, estudiante de posgrado en el Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales del MIT; John Kongoletos, estudiante graduado del Programa de Tecnología de la Construcción del MIT y miembro del Tata Center del MIT; y Glicksman, autor principal y profesor de tecnología de la construcción e ingeniería mecánica en el MIT, que ha estudiado los problemas de circulación del aire durante décadas.
La batalla entre lo vertical y lo horizontal
El SARS-Cov-2, el virus que causa el Covid-19, se transmite principalmente a través del aire a través de aerosoles, que las personas exhalan y que pueden permanecer en el aire durante largos períodos de tiempo si una habitación no está bien ventilada. Muchos ambientes interiores con flujo de aire limitado, incluidas las aulas, podrían contener una concentración relativamente mayor de aerosoles, incluidos los exhalados por personas infectadas. Los sistemas HVAC y las ventanas abiertas pueden ayudar a crear condiciones "bien mezcladas", pero en algunos escenarios, es posible que se requieran métodos de ventilación adicionales para minimizar los aerosoles del SARS-Cov-2.
Para realizar el estudio, los investigadores utilizaron dinámica de fluidos computacional (simulaciones sofisticadas de flujo de aire) para examinar 14 escenarios diferentes de ventilación en el aula, nueve con sistemas HVAC y cinco con ventanas abiertas. El equipo de investigación también comparó su modelado con resultados experimentales anteriores.
Un escenario ideal implica que el aire fresco ingrese a un salón de clases cerca del nivel del suelo y se mueva constantemente hacia arriba, hasta que salga de la habitación a través de las rejillas de ventilación en el techo. Este proceso se ve facilitado por el hecho de que el aire caliente se eleva y el calor corporal de las personas genera de forma natural "columnas de calor" ascendentes, que llevan el aire a las rejillas de ventilación del techo a un ritmo cada vez mayor.39; unos 0,15 metros por segundo.
Considerando la ventilación en el techo, por lo tanto, el objetivo es crear un movimiento de aire vertical hacia arriba para sacar el aire de la habitación, al tiempo que se limita el movimiento de aire horizontal, que difunde aerosoles entre los estudiantes sentados.
Esta es la razón por la que usar máscaras en interiores tiene sentido: las máscaras limitan la velocidad horizontal de los aerosoles exhalados, manteniendo esas partículas cerca de las columnas de calor para que los aerosoles se eleven verticalmente, como lo observaron los investigadores en sus simulaciones. La exhalación normal crea velocidades de aerosol de 1 metro por segundo y la tos crea velocidades aún más altas, pero las máscaras mantienen esa velocidad baja.
"Si usa máscaras ajustadas adecuadamente, suprime la velocidad del escape (respiración) hasta el punto en que el aire que sale es transportado por las plumas sobre los individuos", explica Glicksman. "Ya sea con una máscara suelta o sin máscara, el aire sale a una velocidad horizontal lo suficientemente alta como para no ser capturado por estas columnas ascendentes y se eleva a tasas mucho más bajas".
Dos escenarios problemáticos
Pero aun así, los investigadores encontraron que pueden surgir complicaciones. En su conjunto de simulaciones centradas en ventanas cerradas y el uso de HVAC, surgieron problemas de flujo de aire en un aula de invierno simulada, con ventanas frías a los lados. En este caso, debido a que el aire frío cerca de las ventanas desciende naturalmente, interrumpe el flujo general ascendente del aire del aula, a pesar de las columnas de calor de la gente.
"Debido al aire frío de la ventana, baja algo de aire", dice Glicksman. "Lo que encontramos en las simulaciones fue que, sí, la columna de calor de una persona enmascarada se elevaría hacia el techo, pero si una persona está cerca de la ventana, los aerosoles se elevan hasta el techo y, en algunos casos, son capturados por eso hacia abajo. flujo, y devuelto al nivel de respiración en la habitación. Y hemos descubierto que cuanto más fría está la ventana, mayor es el problema.
En este escenario, una persona infectada con Covid-19 sentada cerca de una ventana sería particularmente probable que esparciera sus aerosoles. Pero existen soluciones a este problema: entre otras cosas, colocar calentadores cerca de ventanas frías limita su impacto en el flujo de aire del aula.
En el otro conjunto de simulaciones, que involucran ventanas abiertas, se hicieron evidentes problemas adicionales. Si bien las ventanas abiertas son buenas para el flujo de aire fresco en general, los investigadores identificaron un escenario problemático: el movimiento de aire horizontal de las ventanas abiertas alineadas con las filas de asientos crea una propagación significativa de aerosoles.
Los investigadores sugieren una solución simple a este problema: instale deflectores en las ventanas, accesorios que se pueden ajustar para desviar el aire hacia abajo. Al hacer esto, el aire más fresco del exterior entrará al aula cerca de los pies de sus ocupantes y ayudará a generar un mejor patrón de circulación general.
"La ventaja es que traes el aire limpio del exterior al suelo y luego (usando deflectores) tienes algo que comienza a parecerse a una ventilación por desplazamiento, u otra. Tanto el aire caliente de los individuos atraerá el aire hacia arriba, y se moverá hacia el techo ”, dice Glicksman. "Y nuevamente, esto es lo que encontramos cuando hicimos las simulaciones, la concentración de aerosol fue mucho menor en estos casos que si simplemente dejaras salir el aire. 39; ingresa directamente horizontalmente".
Alejandra Menchaca PhD '12, vicepresidenta y experta en ciencia de la construcción y ventilación de la consultora de ingeniería Thornton Thomasetti, considera que la investigación es un paso adelante útil. El artículo "proporciona nueva información crítica sobre un aspecto de la dispersión de aerosoles exhalados por el flujo de aire interior", dice Menchaca, que no participó en la investigación. "Espero que la industria (de la construcción) pueda utilizar estos resultados para mejorar su comprensión de la dispersión de aerosoles y las variables clave, muchas de las cuales se ignoraron anteriormente, que influyen en ella".
La pena de energía
Además de las implicaciones para la seguridad durante la pandemia, Glicksman señala que una mejor circulación del aire en todas las aulas tiene consecuencias energéticas y ambientales.
Si un sistema HVAC por sí solo no crea las condiciones óptimas dentro de un aula, la tentación podría ser ejecutar el sistema por completo con la esperanza de generar más rendimiento. Pero es caro y ecológico. Otro enfoque es buscar soluciones específicas para el aula, como deflectores o el uso de filtros de alta eficiencia en el suministro de aire recirculante de HVAC.
"Cuanto más aire del exterior ingrese, menor será la concentración promedio de estos aerosoles", dice Glicksman. "Pero hay una penalización energética asociada".
Glicksman también señala que este estudio examina la calidad del aire en circunstancias específicas. La investigación también tuvo lugar antes de que se generalizara la variante Delta más transmisible del virus Covid-19. Este desarrollo, observa Glicksman, refuerza la importancia de "reducir el nivel de concentración de aerosoles mediante enmascaramiento y mayores tasas de ventilación" en un aula determinada, y en particular enfatiza que "la localización de la concentración en la zona de respiración (cerca de las cabezas de los ocupantes del habitación) debe minimizarse.
Y Glicksman señala que sería útil contar con más estudios que exploren los problemas en profundidad.
“Lo que hemos hecho es un estudio limitado para formas particulares de geometría en el aula”, dice Glicksman. “Depende hasta cierto punto de las condiciones específicas. No existe una receta sencilla para mejorar la circulación del aire. Lo que esto realmente dice es que nos encantaría ver más investigaciones realizadas. "
