Janelas abertas e um bom aquecimento, ventilação, e sistema de ar condicionado (HVAC) são pontos de partida para manter as salas de aula seguras durante a pandemia COVID-19. Mas eles não são a última palavra, de acordo com um novo estudo de pesquisadores do MIT.

O estudo mostra como configurações específicas de sala de aula podem afetar a qualidade do ar e exigir medidas adicionais, além do uso de HVAC ou janelas abertas, para reduzir a disseminação de aerossóis - aqueles minúsculos, partículas potencialmente portadoras de COVID que podem permanecer suspensas no ar por horas.

"Existem conjuntos de condições em que descobrimos claramente que há um problema, e quando você olha para a concentração prevista de aerossóis em torno de outras pessoas na sala, em alguns casos, era muito maior do que os modelos [padrão] diriam, "diz Leon Glicksman, um professor de arquitetura e engenharia do MIT que é co-autor de um novo artigo detalhando a pesquisa.

De fato, o estudo mostra que algumas circunstâncias podem criar uma concentração de aerossóis potencialmente problemáticos variando de 50 a 150 por cento mais alta do que a concentração de linha de base padrão que os especialistas consideram como ar interno "bem misturado".

"Fica complicado, e depende das condições particulares da sala, "Glicksman acrescenta.

O papel, "Padrões de propagação de aerossol SARS-CoV-2 em salas de aula típicas, "aparece antecipadamente de forma online no jornal Construção e Meio Ambiente . Os autores são Gerhard K. Rencken e Emma K. Rutherford, Alunos de graduação do MIT que participaram da pesquisa por meio do Programa de Oportunidades de Pesquisa em Graduação com apoio da Iniciativa de Energia do MIT; Nikhilesh Ghanta, um estudante de pós-graduação no Centro de Engenharia e Ciência Computacional do MIT; John Kongoletos, um estudante de pós-graduação no Programa de Tecnologia de Construção no MIT e um bolsista no Tata Center do MIT; e Glicksman, o autor sênior e professor de tecnologia de construção e engenharia mecânica no MIT, que estuda questões de circulação de ar há décadas.

A batalha entre vertical e horizontal

SARS-CoV-2, o vírus que causa COVID-19, é amplamente transmitido por via aérea via aerossóis, que as pessoas exalam, e que podem permanecer no ar por longos períodos de tempo se a sala não for bem ventilada. Muitos ambientes internos com fluxo de ar limitado, incluindo salas de aula, poderia, portanto, conter uma concentração relativamente maior de aerossóis, incluindo aqueles exalados por indivíduos infectados. Sistemas HVAC e janelas abertas podem ajudar a criar condições "bem misturadas", mas em certos cenários, métodos de ventilação adicionais podem ser necessários para minimizar os aerossóis SARS-Cov-2.

Para conduzir o estudo, os pesquisadores usaram dinâmica de fluidos computacional - simulações sofisticadas de fluxo de ar - para examinar 14 diferentes cenários de ventilação em sala de aula, nove envolvendo sistemas HVAC e cinco envolvendo janelas abertas. A equipe de pesquisa também comparou sua modelagem com resultados experimentais anteriores.

Um cenário ideal envolve ar fresco entrando em uma sala de aula perto do nível do solo e subindo continuamente, até que saia da sala pelas aberturas do teto. Este processo é auxiliado pelo fato de que o ar quente sobe, e o calor corporal das pessoas gera naturalmente "plumas de calor crescentes, "que transportam o ar para as aberturas do teto, a uma taxa de cerca de 0,15 metros por segundo.

Dada a ventilação do teto, então, o objetivo é criar um movimento de ar vertical para cima para circular o ar para fora da sala, enquanto limita o movimento horizontal do ar, que espalha aerossóis entre os alunos sentados.

É por isso que usar máscaras em ambientes fechados faz sentido:as máscaras limitam a velocidade horizontal dos aerossóis exalados, mantendo essas partículas perto de plumas de calor para que os aerossóis subam verticalmente, como os pesquisadores observaram em suas simulações. A expiração normal cria velocidades de aerossol de 1 metro por segundo, e a tosse cria velocidades ainda mais altas - mas as máscaras mantêm essa velocidade baixa.

"Se você usa máscaras bem ajustadas, você suprime a velocidade da exaustão [da respiração] até o ponto em que o ar que sai é carregado pelas plumas acima dos indivíduos, "Glicksman diz." Se for uma máscara folgada ou nenhuma máscara, o ar sai a uma velocidade horizontal alta o suficiente para não ser capturado por essas plumas ascendentes, e aumenta a taxas muito mais baixas. "

Dois cenários problemáticos

Mas mesmo assim, os pesquisadores descobriram, complicações podem surgir. Em seu conjunto de simulações com foco em janelas fechadas e uso de HVAC, problemas de fluxo de ar surgiram em uma sala de aula simulada no inverno, com janelas frias nas laterais. Nesse caso, porque o ar frio perto das janelas afunda naturalmente, interrompe o fluxo geral de ar da sala de aula para cima, apesar das plumas de calor das pessoas.

"Por causa do ar frio da janela, algum ar se move para baixo, "Glicksman diz." O que descobrimos nas simulações é, sim, a pluma de calor de uma pessoa mascarada subiria em direção ao teto, mas se uma pessoa está perto da janela, os aerossóis sobem até o teto e, em alguns casos, são capturados por esse fluxo descendente, e baixado para o nível de respiração na sala. E descobrimos que quanto mais fria a janela está, quanto maior for o problema. "

Neste cenário, alguém infectado com COVID-19 sentado perto de uma janela provavelmente espalharia seus aerossóis. Mas existem soluções para este problema:Entre outras coisas, colocar aquecedores perto de janelas frias limita seu impacto no fluxo de ar da sala de aula.

No outro conjunto de simulações, envolvendo janelas abertas, questões adicionais tornaram-se evidentes. Embora as janelas abertas sejam boas para o fluxo de ar fresco em geral, os pesquisadores identificaram um cenário problemático:o movimento horizontal do ar de janelas abertas alinhadas com fileiras de assentos cria uma dispersão de aerossol significativa.

Os pesquisadores sugerem uma solução simples para esse problema:instalar defletores de janela, acessórios que podem ser ajustados para desviar o ar para baixo. Fazendo isso, o ar fresco mais fresco de fora entrará na sala de aula perto dos pés de seus ocupantes, e ajudam a gerar um melhor padrão geral de circulação.

"A vantagem é, você traz o ar limpo de fora para o chão, e então [usando defletores] você tem algo que começa a se parecer com ventilação de deslocamento, onde novamente o ar quente dos indivíduos puxará o ar para cima, e ele se moverá em direção ao teto, "Glicksman diz." E, novamente, foi isso que descobrimos quando fizemos as simulações, a concentração de aerossol era muito mais baixa nesses casos do que se você simplesmente permitir que o ar entre diretamente na horizontal. "

A penalidade de energia

Além das implicações de segurança durante a pandemia, Glicksman observa que um melhor fluxo de ar em todas as salas de aula tem consequências energéticas e ambientais.

Se um sistema HVAC sozinho não está criando as condições ideais dentro de uma sala de aula, a tentação pode ser ligar o sistema a todo vapor, na esperança de criar um fluxo maior. Mas isso é caro e ambientalmente taxativo. Uma abordagem alternativa é procurar soluções específicas para a sala de aula - como defletores ou o uso de filtros de alta eficiência no suprimento de ar de recirculação de HVAC.

"Quanto mais ar exterior você traz, quanto menor será a concentração média desses aerossóis, "Glicksman diz." Mas há uma penalidade de energia associada a isso. "

Glicksman também enfatiza que o estudo atual examina a qualidade do ar em circunstâncias específicas. A pesquisa também ocorreu antes que a variante Delta mais transmissível do vírus COVID-19 se tornasse prevalente. Este desenvolvimento, Glicksman observa, reforça a importância de "reduzir o nível de concentração de aerossol por meio de mascaramento e taxas de ventilação mais altas" em uma determinada sala de aula, e ressalta especialmente que "a concentração local na zona de respiração [perto das cabeças dos ocupantes da sala] deve ser minimizada."

E Glicksman enfatiza que seria útil ter mais estudos explorando as questões em profundidade.

"O que fizemos foi um estudo limitado para formas particulares de geometria na sala de aula, "Glicksman diz." Depende até certo ponto de quais são as condições particulares. Não existe uma receita simples para um melhor fluxo de ar. O que isso realmente diz é que gostaríamos de ver mais pesquisas feitas. "