Используя CO2 в качестве индикатора для отслеживания небольших респираторных аэрозолей, которые перемещаются с воздушными потоками в помещении, команда лаборатории Беркли обнаружила, что когда верхние вентиляционные отверстия (или диффузоры) подают нагретый воздух, это создает термически стратифицированные условия, которые блокируют поток чистого воздуха вниз. в «зону дыхания» на средней высоте комнаты. В результате, даже когда люди сидят на расстоянии более 6 футов друг от друга, некоторые пассажиры могут подвергаться воздействию респираторных аэрозолей от других со скоростью в 5-6 раз выше, чем если бы одна и та же комната была хорошо перемешана. Их исследование «Измеренное влияние потолочных систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха» на воздействие переносимых по воздуху загрязнителей в результате имитации разговора на собрании и в классе было недавно опубликовано в журнале Indoor Air.
«Когда все хорошо перемешано, все находятся в одинаковых условиях», – сказал Вуди Делп, исследователь воздуха в помещениях из лаборатории Беркли. "Когда он плохо перемешан, у вас могут быть потенциальные горячие точки с точки зрения COVID. Таким образом, если в комнате находится один инфицированный человек, вместо того, чтобы полностью рассеять его выдыхаемый воздух, а затем должным образом разбавить и удалить его системой HVAC, другой человек, сидящий рядом с ним или даже через всю комнату, может получить высокую концентрацию этого зараженного. вирусный аэрозоль, выпущенный человеком."
Delp отмечает, что такая ситуация может возникнуть только в случае подачи нагретого воздуха из верхних диффузоров. При подаче холодного или нейтрального воздуха исследователи не наблюдали термической стратификации; вместо этого было обнаружено, что в этих обстоятельствах комната хорошо перемешана.
Хотя основной риск, связанный с верхним отоплением, был известен в течение многих лет, ранее он не оценивался количественно в контролируемых, но реалистичных условиях собрания или класса. Результаты важны для понимания того, насколько велик может быть риск, когда люди намеренно разнесены в целях безопасности. «Вентиляция необходима для поддержания хорошего качества воздуха», – сказал Бретт Сингер, ведущий автор исследования и руководитель группы по внутренней среде Berkeley Lab. "Но если вы нагреваете над головой, не смешивая воздух в комнате намеренно, вы не получите полной отдачи от вентиляции."
К счастью, есть простое решение, как показало исследование: использование портативных воздухоочистителей, которые втягивают воздух снизу и выталкивают его через верх. «Они заботятся о смешивании, а затем также фильтруют воздух, поэтому имеют двойную выгоду», – сказал Сингер.
9 манекенов в комнате
Исследователи разместили восемь тепловизионных манекенов (которые похожи на манекены для розничной торговли, но вместо этого используются для научных исследований) и пригласили исследователя для работы с устройством для выброса аэрозолей в комнате размером 20 на 30 футов, сначала устроенной как конференц-зал, с участники рассаживались по кругу, затем их конфигурация была изменена, как в классе: один стоял в передней части комнаты, а восемь участников смотрели вперед. Сингер отметил, что в большинстве предыдущих исследований влияния несовершенного перемешивания на рассеивание загрязняющих веществ использовались только один или два имитируемых агента.
В этом исследовании манекены испускали шлейфы тепла, как и человек. CO2 был выпущен на уровне рта для имитации небольших респираторных аэрозолей.
Температура СО2, а также скорость его выброса были отрегулированы таким образом, чтобы имитировать говорящего человека.
Эксперименты проводились в FLEXLAB®, строительном симуляторе Berkeley Lab и испытательном стенде. «С помощью FLEXLAB мы смогли контролировать каждый аспект системы HVAC, и именно так мы смогли повторить так много разных условий для двух типов конфигураций занятости», – сказала Челси Пребл, научный сотрудник Berkeley Lab и Калифорнийский университет в Беркли и соавтор исследования. «Мы также смогли измерить температуру и скорость воздуха по всей комнате в дополнение к нашим измерениям CO2. Они помогли нам проверить и количественно оценить проблему смешивания."
Исследование ограничено только небольшими аэрозолями
Предыдущие исследования установили, что CO2 может действовать как показатель дисперсии небольших респираторных аэрозолей или частиц размером менее 5 микрон. Микрон – одна миллионная метра.
В то время как респираторные аэрозоли состоят из частиц самых разных размеров, от субмикронных до миллиметров, в этой статье основное внимание уделяется более мелким частицам, которые перемещаются в основном с воздушными потоками. Более крупные частицы, которые ведут себя по-другому, станут предметом будущего анализа.
«Мы выпустили частицы и CO2 на разных манекенах и попытались увидеть, как эти индикаторы и частицы распространяются по комнате», – сказал Хаоран Чжао, научный сотрудник лаборатории Беркли и соавтор исследования. «У нас были датчики CO2 в каждом углу комнаты на разной высоте, а также в зоне дыхания каждого манекена."
Авторы осторожно отмечают, что их исследование рассматривает только относительный риск плохо перемешанных условий по сравнению с хорошо перемешанными; его нельзя использовать напрямую для прогнозирования риска заражения.
"Мы знаем цепь событий, которая необходима, чтобы разоблачить человека, и она сложна и необычайно разнообразна. При разговоре и дыхании инфицированный человек выделяет капли и аэрозоли разного размера. Но даже когда некоторые из них вдыхаются кем-то другим, они могут заразиться, а могут и не заразиться », – сказал Делп. "Из других исследований мы знаем, что количество вирусов, выделяемых отдельным инфицированным человеком, может очень сильно варьироваться. Один человек может изгнать на миллионы вирусов больше, чем другой инфицированный – и это варьируется в течение инфекции, а также, по-видимому, отличается для дельта по сравнению с более ранними вариантами.
И в довершение всего, количество вирусов, необходимое для инициации инфекции, также, вероятно, зависит от людей и от размеров вдыхаемых аэрозолей. Как ученые и инженеры по качеству воздуха в помещениях, мы сосредоточены на том, что можно сделать с помощью вентиляции, фильтрации и распределения воздуха, чтобы снизить риски, даже если все детали биологии неизвестны."
Исследование финансировалось Министерством энергетики через Национальную виртуальную биотехнологическую лабораторию, консорциум национальных лабораторий Министерства энергетики, специализирующихся на реагировании на COVID-19. Другими соавторами исследования были Йован Пантелич, Майкл Зон и Томас Кирхштеттер.