El estudio proporciona consejos para mantener fresco el aire en el aula.

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 realizado por investigadores del MIT.

El estudio muestra cómo las configuraciones específicas del aula pueden afectar la calidad del aire y requieren medidas adicionales, además del uso de HVAC o ventanas abiertas, para reducir la propagación de aerosoles, esas diminutas partículas potencialmente portadoras de Covid que pueden colgar en el aire. horas.

«Hay una serie de condiciones en las que hemos descubierto claramente que existe un problema y, al observar la concentración esperada de aerosoles alrededor de otras personas en la habitación, en algunos casos fue mucho más alta que eso». [standard] los modelos dirían ”, dice Leon Glicksman, profesor de arquitectura e ingeniería del MIT que es coautor de un nuevo artículo que detalla la investigación.

De hecho, el estudio muestra que ciertas circunstancias pueden crear una concentración de aerosol potencialmente problemática que es de 50 a 150 por ciento más alta que la concentración de 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, «Los patrones de aerosol SARS-CoV-2 se propagan en clases típicas», aparece temprano en línea en la revista Building and Environment. Los autores son Gerhard K. Rencken y Emma K. Rutherford, estudiantes del MIT que participaron en la investigación a través 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 colega del Tata Center del MIT; y Glicksman, autor principal y profesor de tecnología de la construcción e ingeniería mecánica en el MIT, que ha estado estudiando 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 en gran medida por el 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. Por lo tanto, 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 se pueden requerir 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 es que el aire fresco ingrese a un aula cerca del nivel del suelo y se mueva constantemente hacia arriba, hasta que salga de la habitación a través de las rejillas de ventilación del techo. Este proceso se ve favorecido 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 una velocidad de aproximadamente 0,15 metros por segundo.

Dada la ventilación del techo, por lo tanto, el objetivo es crear un movimiento de aire vertical hacia arriba para dejar salir el aire de la habitación, limitando el movimiento del aire horizontal, que esparce aerosoles entre los estudiantes sentados.

Es por eso 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 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 esta velocidad baja.

«Si usa máscaras que le quedan bien, suprime la velocidad del [breath] escape hasta el punto donde el aire que sale es transportado por las columnas sobre los individuos «, dice Glicksman.» Ya sea con una máscara ancha o sin máscara, el aire sale a una velocidad horizontal lo suficientemente alta como para no ser capturado por estas columnas en ascenso y subir a velocidades mucho más bajas «.

Dos escenarios problemáticos

Pero aun así, encontraron los investigadores, pueden surgir complicaciones. En la serie de simulaciones centradas en ventanas cerradas y usando HVAC, surgieron problemas de flujo de aire en un aula simulada en invierno, con ventanas frías a los lados. En este caso, debido a que el aire frío cerca de las ventanas se hunde naturalmente, interrumpe el flujo general de aire hacia la parte superior del aula, a pesar de las columnas de calor de las personas.

«Debido al aire frío de la ventana, parte del aire baja», dice Glicksman. “Lo que encontramos en las simulaciones es, 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 suben al techo y en algunos casos son capturados por ese flujo hacia. bajo y llevado al nivel de la respiración en la habitación. Y descubrimos que cuanto más fría es la ventana, mayor es el problema.

En este escenario, es muy probable que alguien infectado con Covid-19 sentado cerca de una ventana esparza sus aerosoles. Pero existen soluciones para este problema: entre otras cosas, colocar calentadores cerca de ventanas frías limita su impacto en el flujo de aire del aula.

En la otra serie de simulaciones, que involucró ventanas abiertas, surgieron más problemas. Si bien las ventanas abiertas son buenas para el flujo de aire fresco en general, los investigadores identificaron un escenario problemático: el movimiento horizontal del aire desde las ventanas abiertas alineadas con las filas de asientos crea una difusión de aerosol significativa.

Los investigadores sugieren una solución simple a este problema: instale deflectores en las ventanas, accesorios que se pueden configurar para desviar el aire hacia abajo. De esta manera, el aire fresco y fresco del exterior ingresará al aula cerca de los pies de sus ocupantes y ayudará a generar un mejor patrón de circulación general.

«La ventaja es que lleva aire limpio del exterior al suelo y luego [by using baffles] tienes algo que comienza a parecerse a la ventilación por desplazamiento, donde nuevamente 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 esos casos que cuando dejamos entrar el aire directamente en forma horizontal «.

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 documento «proporciona nueva información crítica sobre un aspecto de la dispersión del aerosol exhalado de la corriente de aire interna», dice Menchaca, que no participó en la investigación. «Espero que [building] la industria puede utilizar estos resultados para mejorar su comprensión de la dispersión de aerosoles y las variables clave, muchas ignoradas hasta ahora, que influyen en ella «.

La pena de energía

Además de las implicaciones de seguridad durante la pandemia, Glicksman señala que la mejora del flujo de aire en todas las aulas tiene consecuencias energéticas y ambientales.

Si un sistema de HVAC por sí solo no crea las condiciones óptimas dentro de un aula, la tentación puede ser hacer funcionar el sistema a todo trapo con la esperanza de crear más flujo. Pero esto es costoso y gravoso para el medio ambiente. Un enfoque alternativo es buscar soluciones específicas de clase, como deflectores o el uso de filtros de alta eficiencia en el suministro de aire HVAC recirculante.

«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 el estudio actual examina la calidad del aire en circunstancias específicas. La investigación también tuvo lugar antes de que prevaleciera la variante Delta más transmisible del virus Covid-19. Este desarrollo, señala Glicksman, refuerza la importancia de «reducir el nivel de concentración de aerosoles mediante enmascaramiento y tasas de ventilación más altas» en una clase determinada y, lo que es más importante, enfatiza que «la concentración local en la zona de respiración [near the heads of room occupants] debe mantenerse al mínimo ”.

Y Glicksman señala que sería útil contar con más estudios que profundicen en los temas.

«Lo que hemos hecho es un estudio limitado de formas particulares de geometría en el aula», dice Glicksman. “Depende hasta cierto punto de cuáles son las condiciones particulares. No existe una receta sencilla para un mejor flujo de aire. Lo que esto realmente dice es que nos gustaría que se hicieran más investigaciones ”.