打开窗户和良好的供暖、通风和空调 (HVAC) 系统是在 Covid-19 大流行期间保持教室安全的起点。但根据麻省理工学院研究人员的一项新研究，它们并不是硬道理。
该研究表明，特定的教室配置可能会如何影响空气质量，并需要采取额外的措施，除了使用暖通空调或打开窗户之外，还需要采取其他措施来减少气溶胶的传播——这些微小的、可能携带 Covid 的颗粒可以在空气中悬浮数小时。
“在某些情况下，我们清楚地发现存在问题，当您查看房间内其他人周围的气溶胶预测浓度时，在某些情况下，它比 [标准] 模型所说的要高得多，”说麻省理工学院建筑和工程教授 Leon Glicksman 是一篇详细介绍该研究的新论文的合著者。
事实上，该研究表明，在某些情况下，可能产生潜在问题的气溶胶浓度比专家认为的“混合良好”室内空气的标准基线浓度高 50% 到 150%。
“这变得很复杂，这取决于房间的特定条件，”格利克斯曼补充道。
论文“典型教室中传播的 SARS-CoV-2 气溶胶模式”提前在线发表在《建筑与环境》杂志上。作者是麻省理工学院本科生 Gerhard K. Rencken 和 Emma K. Rutherford，他们在麻省理工学院能源倡议的支持下通过本科研究机会计划参与了这项研究;Nikhilesh Ghanta，麻省理工学院计算科学与工程中心的研究生;John Kongoletos，麻省理工学院建筑技术项目研究生，麻省理工学院塔塔中心研究员;Glicksman 是麻省理工学院建筑技术和机械工程的资深作者和教授，他几十年来一直在研究空气循环问题。
纵横之争
SARS-Cov-2 是导致 Covid-19 的病毒，它主要通过气溶胶通过气溶胶传播，人们呼出气溶胶，如果房间通风不良，气溶胶可能会长时间留在空气中。因此，许多空气流动受限的室内环境(包括教室)可能含有相对较高浓度的气溶胶，包括受感染者呼出的气溶胶。HVAC 系统和打开的窗户可以帮助创造“混合良好”的条件，但在某些情况下，可能需要额外的通风方法来最大限度地减少 SARS-Cov-2 气溶胶。
为了进行这项研究，研究人员使用计算流体动力学——空气流动的复杂模拟——来检查 14 种不同的教室通风场景，其中九个涉及 HVAC 系统，五个涉及打开的窗户。研究小组还将他们的模型与过去的实验结果进行了比较。
一种理想的情况是新鲜空气进入接近地面的教室并稳步上升，直到它通过天花板通风口离开房间。这一过程得益于热空气上升这一事实，人们的身体温暖自然会产生上升的“热羽”，将空气以每秒 0.15 米的速度输送到天花板通风口。
考虑到天花板通风，目标是创造向上的垂直空气运动，将空气循环出房间，同时限制水平空气运动，这会在就座的学生之间传播气溶胶。
这就是为什么在室内戴口罩是有意义的：正如研究人员在模拟中观察到的那样，口罩限制了呼出气溶胶的水平速度，使这些颗粒保持在热羽附近，因此气溶胶垂直上升。正常呼气会产生每秒 1 米的气溶胶速度，而咳嗽会产生更高的速度——但口罩会保持较低的速度。
Glicksman 说：“如果你戴上合身的口罩，就会抑制 [呼吸] 排气的速度，使排出的空气被个体上方的羽流携带。”“如果是宽松的面罩或根本没有面罩，空气以足够高的水平速度排出，不会被这些上升的羽流捕获，并且以低得多的速度上升。”
两个有问题的场景
但即便如此，研究人员发现，并发症也可能出现。在他们专注于关闭窗户和暖通空调使用的一组模拟中，冬季模拟教室中出现了气流问题，窗户一侧是冷的。在这种情况下，由于窗户附近的冷空气自然下沉，尽管人们有热羽，但它扰乱了教室空气的整体向上流动。
“由于来自窗户的冷空气，一些空气向下移动，”格利克斯曼说。“我们在模拟中发现，是的，蒙面人的热羽会向天花板上升，但如果一个人靠近窗户，气溶胶就会上升到天花板，在某些情况下，会被向下的气流捕获，并降低到房间内的呼吸水平。我们发现窗户越冷，这个问题就越大。”
在这种情况下，坐在窗户附近的感染 Covid-19 的人特别有可能将他们的气溶胶传播到周围。但是有解决这个问题的方法：除其他外，将加热器放置在冷窗附近可以限制它们对教室气流的影响。
在涉及打开窗口的另一组模拟中，其他问题变得明显。虽然打开的窗户总体上有利于新鲜空气流动，但研究人员确实发现了一种有问题的情况：与座位排对齐的打开窗户的水平空气流动会产生显着的气溶胶扩散。
研究人员为这个问题提出了一个简单的解决方案：安装窗户挡板，可以设置为向下偏转空气的配件。通过这样做，来自外面的较冷的新鲜空气将进入教室里靠近居住者脚下的地方，并有助于产生更好的整体循环模式。
“优点是，你把干净的空气从外面带到地板，然后[通过使用挡板]你有一些开始看起来像置换通风的东西，来自个人的暖空气再次将空气向上吸入，它将向天花板移动，”格利克斯曼说。“这也是我们在进行模拟时发现的结果，在这些情况下，气溶胶的浓度比让空气直接水平进入时要低得多。”
能量惩罚
除了大流行期间的安全影响外，格利克斯曼还指出，所有教室中更好的空气流动会对能源和环境产生影响。
如果单独的 HVAC 系统不能在教室内创造最佳条件，那么诱惑可能是全面启动系统，以期创造更大的流量。但这既昂贵又对环境征税。另一种方法是寻找特定于教室的解决方案 - 例如挡板或在再循环 HVAC 空气供应中使用高效过滤器。
“你带入的外部空气越多，这些气溶胶的平均浓度就越低，”格利克斯曼说。“但有一个与之相关的能量损失。”
Glicksman 还强调，当前的研究是在特定情况下检查空气质量。这项研究也是在 Covid-19 病毒的更具传播性的 Delta 变体流行之前进行的。Glicksman 观察到，这种发展强调了在整个给定教室“通过掩蔽和提高通风率降低气溶胶浓度水平”的重要性，并特别强调“呼吸区 [靠近房间居住者头部] 的局部浓度应该是最小化。”
Glicksman 强调，进行更多深入探讨这些问题的研究会很有用。
“我们所做的是对课堂上特定几何形式的有限研究，”格利克斯曼说。“这在某种程度上取决于特定条件。没有一种简单的方法可以改善气流。这真正说明的是我们希望看到更多的研究完成。”
