Finestre aperte e un buon riscaldamento, ventilazione, e il sistema di condizionamento dell'aria (HVAC) sono punti di partenza per mantenere le aule al sicuro durante la pandemia di COVID-19. Ma non sono l'ultima parola, secondo un nuovo studio dei ricercatori del MIT.

Lo studio mostra come configurazioni specifiche delle aule possono influenzare la qualità dell'aria e richiedere misure aggiuntive, oltre l'uso HVAC o finestre aperte, per ridurre la diffusione degli aerosol, quelli minuscoli, particelle potenzialmente portatrici di COVID che possono rimanere sospese nell'aria per ore.

"Ci sono serie di condizioni in cui abbiamo scoperto chiaramente che c'è un problema, e quando guardi la concentrazione prevista di aerosol intorno ad altre persone nella stanza, in alcuni casi era molto più alto di quello che direbbero i modelli [standard], "dice Leon Glicksman, un professore di architettura e ingegneria del MIT che è coautore di un nuovo articolo che descrive in dettaglio la ricerca.

Infatti, lo studio mostra che alcune circostanze possono creare una concentrazione di aerosol potenzialmente problematici che vanno dal 50 al 150 percento in più rispetto alla concentrazione di base standard che gli esperti considerano aria interna "ben miscelata".

"Diventa complicato, e dipende dalle condizioni particolari della stanza, " aggiunge Glicksman.

La carta, "I modelli di aerosol SARS-CoV-2 si diffondono nelle aule tipiche, " appare in anticipo modulo online nella rivista Edilizia e Ambiente . Gli autori sono Gerhard K. Rencken ed Emma K. Rutherford, studenti universitari del MIT che hanno partecipato alla ricerca attraverso l'Undergraduate Research Opportunities Program con il supporto della MIT Energy Initiative; Nikhilesh Ghanta, uno studente laureato presso il Center for Computational Science and Engineering del MIT; John Kongoletos, uno studente laureato nel Building Technology Program al MIT e un borsista al Tata Center del MIT; e Glicksman, l'autore senior e professore di tecnologia degli edifici e ingegneria meccanica al MIT che ha studiato i problemi della circolazione dell'aria per decenni.

La battaglia tra verticale e orizzontale

SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, è in gran parte trasmesso per via aerea tramite aerosol, che le persone espirano, e che possono rimanere nell'aria per lunghi periodi di tempo se una stanza non è ben ventilata. Molte impostazioni interne con flusso d'aria limitato, comprese le aule, potrebbe quindi contenere una concentrazione relativamente più elevata di aerosol, compresi quelli espirati da individui infetti. I sistemi HVAC e le finestre aperte possono aiutare a creare condizioni "ben miste", ma in certi scenari, potrebbero essere necessari ulteriori metodi di ventilazione per ridurre al minimo gli aerosol SARS-Cov-2.

Per condurre lo studio, i ricercatori hanno utilizzato la fluidodinamica computazionale, simulazioni sofisticate del flusso d'aria, per esaminare 14 diversi scenari di ventilazione in classe, nove con sistemi HVAC e cinque con finestre aperte. Il team di ricerca ha anche confrontato la loro modellizzazione con i risultati sperimentali passati.

Uno scenario ideale prevede che l'aria fresca entri in un'aula vicino al livello del suolo e si muova costantemente più in alto, fino a quando non esce dalla stanza attraverso le prese d'aria a soffitto. Questo processo è aiutato dal fatto che l'aria calda sale, e il calore corporeo delle persone genera naturalmente crescenti "pennacchi di calore, " che portano l'aria verso le bocchette del soffitto, alla velocità di circa 0,15 metri al secondo.

Data la ventilazione del soffitto, poi, lo scopo è creare un movimento verticale dell'aria verso l'alto per far uscire l'aria dalla stanza, limitando il movimento orizzontale dell'aria, che diffonde aerosol tra gli studenti seduti.

Ecco perché indossare maschere al chiuso ha senso:le maschere limitano la velocità orizzontale degli aerosol espirati, mantenendo quelle particelle vicino a pennacchi di calore in modo che gli aerosol salgano verticalmente, come hanno osservato i ricercatori nelle loro simulazioni. L'espirazione normale crea velocità dell'aerosol di 1 metro al secondo, e la tosse crea velocità ancora più elevate, ma le maschere mantengono questa velocità bassa.

"Se indossi maschere ben aderenti, si sopprime la velocità dello scarico [del respiro] fino al punto in cui l'aria che esce viene trasportata dai pennacchi sopra gli individui, " Dice Glicksman. "Se è una maschera larga o nessuna maschera, l'aria esce ad una velocità orizzontale sufficientemente elevata da non essere catturata da questi pennacchi in aumento, e aumenta a tassi molto più bassi."

Due scenari problematici

Ma anche così, i ricercatori hanno scoperto, possono emergere complicazioni. Nella loro serie di simulazioni incentrate sulle finestre chiuse e sull'uso dell'HVAC, problemi di flusso d'aria sono emersi in un'aula simulata in inverno, con finestre fredde sul lato. In questo caso, perché l'aria fredda vicino alle finestre sprofonda naturalmente, interrompe il flusso complessivo verso l'alto dell'aria in classe, nonostante i pennacchi di calore delle persone.

"A causa dell'aria fredda dalla finestra, un po' d'aria si abbassa, " Dice Glicksman. "Quello che abbiamo trovato nelle simulazioni è, sì, il pennacchio di calore di una persona mascherata si alzava verso il soffitto, ma se una persona è vicino alla finestra, gli aerosol salgono al soffitto e in alcuni casi vengono catturati da quel flusso verso il basso, e portato al livello del respiro nella stanza. E abbiamo scoperto che più fredda è la finestra, più grande è questo problema."

In questo scenario, qualcuno infetto da COVID-19 seduto vicino a una finestra sarebbe particolarmente propenso a diffondere i propri aerosol in giro. Ma ci sono correzioni per questo problema:tra le altre cose, posizionare riscaldatori vicino a finestre fredde limita il loro impatto sul flusso d'aria in classe.

Nell'altra serie di simulazioni, coinvolgendo finestre aperte, ulteriori problemi divennero evidenti. Mentre le finestre aperte sono buone per il flusso d'aria fresca in generale, i ricercatori hanno identificato uno scenario problematico:il movimento orizzontale dell'aria dalle finestre aperte allineate con le file di sedili crea una significativa diffusione di aerosol.

I ricercatori suggeriscono una soluzione semplice per questo problema:installare i deflettori delle finestre, raccordi che possono essere impostati per deviare l'aria verso il basso. Facendo questo, l'aria fresca e fresca dall'esterno entrerà nell'aula vicino ai piedi dei suoi occupanti, e aiutano a generare un migliore modello di circolazione generale.

"Il vantaggio è porti l'aria pulita dall'esterno al pavimento, e poi [usando i deflettori] hai qualcosa che inizia a sembrare una ventilazione a dislocamento, dove di nuovo l'aria calda degli individui attirerà l'aria verso l'alto, e si sposterà verso il soffitto, " dice Glicksman. "E di nuovo questo è quello che abbiamo scoperto quando abbiamo fatto le simulazioni, la concentrazione di aerosol era molto più bassa in quei casi rispetto a quando si lasciava entrare l'aria direttamente orizzontalmente."

La penalità energetica

Oltre alle implicazioni per la sicurezza durante la pandemia, Glicksman osserva che un migliore flusso d'aria in tutte le aule ha conseguenze energetiche e ambientali.

Se un sistema HVAC da solo non crea le condizioni ottimali all'interno di un'aula, la tentazione potrebbe essere quella di far girare il sistema al massimo, nella speranza di creare un flusso maggiore. Ma questo è sia costoso che oneroso per l'ambiente. Un approccio alternativo consiste nel cercare soluzioni specifiche per le classi, come i deflettori o l'uso di filtri ad alta efficienza nell'alimentazione dell'aria HVAC a ricircolo.

"Più aria esterna porti dentro, minore sarà la concentrazione media di questi aerosol, " dice Glicksman. "Ma c'è una penalità energetica ad esso associata."

Glicksman sottolinea inoltre che l'attuale studio esamina la qualità dell'aria in circostanze specifiche. La ricerca ha avuto luogo anche prima che la variante Delta più trasmissibile del virus COVID-19 diventasse prevalente. Questo sviluppo, Glicksman osserva, rafforza l'importanza di "ridurre il livello di concentrazione di aerosol attraverso il mascheramento e tassi di ventilazione più elevati" in una determinata classe, e sottolinea in particolare che "la concentrazione locale nella zona di respirazione [vicino alle teste degli occupanti della stanza] dovrebbe essere ridotta al minimo".

E Glicksman sottolinea che sarebbe utile avere più studi che approfondissero le questioni.

"Quello che abbiamo fatto è uno studio limitato per particolari forme di geometria in classe, " Dice Glicksman. "Dipende in una certa misura da quali sono le condizioni particolari. Non esiste una ricetta semplice per un migliore flusso d'aria. Ciò che questo dice veramente è che vorremmo vedere più ricerche fatte".