Studi menawarkan saran untuk menjaga udara kelas tetap aman di tengah Covid-19
Massachusetts: Sebuah studi baru dari para peneliti di Institut Teknologi Massachusetts Dia menyarankan agar jendela terbuka dan sistem HVAC yang baik adalah titik awal untuk menjaga ruang kelas tetap aman selama pandemi Covid-19. Tapi ada lebih dari itu, menurut penelitian.
Hasil penelitian tersebut dipublikasikan dalam jurnal Building and Environment.
Studi tersebut menunjukkan bagaimana konfigurasi ruang kelas tertentu dapat mempengaruhi kualitas udara dan memerlukan tindakan tambahan, selain penggunaan HVAC atau jendela terbuka, untuk mengurangi penyebaran aerosol – partikel kecil yang berpotensi membawa Covid yang dapat tetap melayang di udara selama berjam-jam.
“Ada berbagai kasus di mana kami dengan jelas menemukan masalah, dan ketika Anda melihat konsentrasi aerosol yang diharapkan di sekitar orang lain di dalam ruangan, dalam beberapa kasus itu jauh lebih tinggi daripada yang seharusnya. [standard] Model mungkin berkata,” kata Leon Glicksman, dan Dengan Profesor Arsitektur dan Teknik dan rekan penulis makalah penelitian baru yang merinci penelitian.
Faktanya, penelitian tersebut menunjukkan bahwa beberapa kondisi dapat menciptakan konsentrasi aerosol yang berpotensi bermasalah mulai dari 50 hingga 150 persen di atas konsentrasi dasar standar yang oleh para ahli dianggap udara dalam ruangan “tercampur dengan baik”.
“Itu menjadi rumit, dan itu tergantung pada keadaan khusus ruangan itu,” tambah Glicksman.
Penulis makalah ini adalah Gerhard K. Rinken dan Emma K. Rutherford, mahasiswa sarjana di Massachusetts Institute of Technology yang berpartisipasi dalam penelitian oleh Program Peluang Penelitian Sarjana Didukung oleh Inisiatif Energi MIT; Nikelish Ganta, seorang mahasiswa pascasarjana di MIT Center for Computational Science and Engineering. John Kongolitos, mahasiswa pascasarjana di Program Teknologi Bangunan di MIT dan rekan di Tata Center MIT; Glicksman, penulis pertama dan profesor teknologi bangunan dan teknik mesin di MIT yang telah mempelajari masalah sirkulasi udara selama beberapa dekade.
Pertarungan antara vertikal dan horizontal
SARS-Cov-2, virus yang menyebabkan Covid-19, sebagian besar menyebar di udara melalui aerosol, yang dihembuskan orang, dan dapat tetap berada di udara untuk waktu yang lama jika ruangan tidak berventilasi baik.
Dengan demikian, banyak ruang tertutup dengan aliran udara terbatas, termasuk ruang kelas, dapat mengandung konsentrasi aerosol yang relatif lebih tinggi, termasuk yang dihembuskan oleh individu yang terinfeksi.
Sistem HVAC dan jendela yang terbuka dapat membantu menciptakan kondisi yang “tercampur dengan baik”, tetapi dalam beberapa skenario, metode ventilasi tambahan mungkin diperlukan untuk mengurangi aerosol SARS-Cov-2.
Untuk melakukan penelitian, para peneliti menggunakan dinamika fluida komputasi – simulasi aliran udara yang canggih – untuk memeriksa 14 skenario ventilasi kelas yang berbeda, sembilan melibatkan sistem HVAC dan lima melibatkan jendela terbuka. Tim peneliti juga membandingkan model mereka dengan hasil eksperimen sebelumnya.
Skenario yang ideal melibatkan udara segar memasuki ruang kelas dekat dengan permukaan tanah dan terus bergerak ke atas sampai keluar ruangan melalui ventilasi langit-langit.
Proses ini didukung oleh fakta bahwa udara panas naik, dan kehangatan tubuh manusia secara alami menghasilkan naiknya “kolom panas”, yang membawa udara ke ventilasi langit-langit, dengan kecepatan sekitar 0,15 meter per detik.
Mengingat ventilasi langit-langit, tujuannya adalah untuk menciptakan gerakan udara vertikal ke atas untuk mengalirkan udara keluar ruangan, sekaligus membatasi gerakan udara horizontal, yang menyebarkan aerosol di antara siswa yang duduk.
Itu sebabnya memakai masker di dalam ruangan masuk akal: Masker membatasi kecepatan horizontal aerosol yang dihembuskan, sambil menjaga partikel-partikel itu dekat dengan gumpalan panas sehingga aerosol naik secara vertikal, para peneliti mencatat dalam simulasi mereka.
Pernafasan alami menciptakan kecepatan aerosol hingga satu meter per detik, dan batuk menciptakan kecepatan yang lebih tinggi – tetapi masker menjaga kecepatan itu tetap rendah.
“Jika kamu memakai topeng yang pas, kamu menekan kecepatan [breath] Buang sampai udara yang keluar dihembuskan oleh kolom di atas individu.”
“Jika masker tidak memadai atau tidak ada masker sama sekali, udara keluar dengan kecepatan horizontal yang cukup tinggi sehingga gumpalan tinggi ini tidak mengambilnya, dan naik dengan kecepatan yang jauh lebih rendah,” tambah Glissman.
Dua skenario bermasalah
Namun meski begitu, para peneliti telah menemukan bahwa komplikasi dapat muncul. Dalam set simulasi mereka yang berfokus pada jendela tertutup dan penggunaan HVAC, masalah aliran udara muncul di musim dingin, dengan jendela dingin di sampingnya.
Dalam hal ini, saat udara dingin di dekat jendela secara alami meresap, hal itu mengganggu aliran udara musim ke atas secara umum, meskipun gumpalan panas orang naik.
“Karena udara dingin dari jendela, sebagian udara bergerak ke bawah,” kata Glicksman.
“Apa yang kami temukan dalam simulasi adalah, ya, kolom panas orang bertopeng akan naik ke langit-langit, tetapi jika orang itu dekat dengan jendela, aerosol akan naik ke langit-langit dan dalam beberapa kasus terbawa. dengan aliran ke bawah itu, dan Anda turun ke tingkat pernapasan di dalam ruangan. Dan kami menemukan bahwa semakin dingin jendela, semakin besar masalahnya.”
Dalam skenario ini, seseorang dengan Covid-19 yang duduk di dekat jendela sangat mungkin menyebarkan aerosol di sekitarnya. Tetapi ada solusi untuk masalah ini: antara lain, menempatkan pemanas di dekat jendela yang dingin membatasi efeknya pada aliran udara kelas.
Dalam rangkaian simulasi lainnya, yang melibatkan jendela terbuka, masalah tambahan muncul.
Sementara jendela yang terbuka bagus untuk aliran udara segar secara keseluruhan, para peneliti mengidentifikasi satu skenario bermasalah: pergerakan udara horizontal dari jendela yang terbuka sejajar dengan deretan kursi menciptakan difusi aerosol yang besar.
Para peneliti mengusulkan solusi sederhana untuk masalah ini: memasang penghalang jendela, perlengkapan yang dapat disesuaikan untuk mengalihkan udara ke bawah. Dengan melakukan ini, udara segar yang sejuk dari luar akan memasuki ruang kelas dekat dengan kaki penghuninya, dan membantu menciptakan pola sirkulasi keseluruhan yang lebih baik.
“Keuntungannya adalah kamu membawa udara bersih dari luar ke dalam tanah, dan kemudian— [by using baffles] “Anda memiliki sesuatu yang mulai terlihat seperti ventilasi perpindahan, di mana sekali lagi, udara hangat dari individu akan menarik udara ke atas, dan itu akan bergerak menuju langit-langit,” kata Glicksman.
“Dan sekali lagi, inilah yang kami temukan ketika kami menjalankan simulasi, konsentrasi aerosol jauh lebih rendah dalam kasus tersebut daripada jika Anda membiarkan udara masuk secara langsung secara horizontal,” tambah Glicksman.
Hukuman energi
Selain implikasi untuk keselamatan selama pandemi, Glicksman mencatat bahwa aliran udara yang lebih baik di semua ruang kelas memiliki konsekuensi energi dan lingkungan.
Jika sistem HVAC saja tidak menciptakan kondisi optimal di dalam kelas, godaannya mungkin untuk mengaktifkan seluruh sistem, dengan harapan menciptakan aliran yang lebih besar.
Tapi ini mahal dan membebani lingkungan. Pendekatan alternatif adalah mencari solusi khusus kelas – seperti partisi atau penggunaan filter efisiensi tinggi untuk mendaur ulang pasokan udara HVAC.
“Semakin banyak udara luar yang Anda bawa, semakin rendah konsentrasi rata-rata aerosol ini. Tapi ada penghalang energi yang melekat padanya,” kata Glicksman.
Glicksman juga menekankan bahwa studi saat ini meneliti kualitas udara dalam kondisi tertentu. Penelitian itu juga dilakukan sebelum penyebaran virus Covid-19 tipe delta yang lebih menular.
Glicksman mencatat bahwa perkembangan ini memperkuat pentingnya “mengurangi tingkat konsentrasi aerosol melalui penyelubungan dan tingkat aerasi yang lebih tinggi” di seluruh kelas tertentu, terutama menekankan bahwa “konsentrasi lokal di zona pernapasan [near the heads of room occupants] Itu harus diminimalisir.”
Glicksman menekankan bahwa akan berguna untuk melakukan studi lebih lanjut untuk mengeksplorasi masalah secara mendalam.
“Apa yang kami lakukan adalah studi terbatas bentuk geometri tertentu di kelas,” kata Glicksman.
“Itu tergantung sampai batas tertentu pada keadaan tertentu. Tidak ada satu resep sederhana untuk meningkatkan aliran udara. Apa yang sebenarnya dikatakan adalah bahwa kami ingin melihat lebih banyak penelitian dilakukan.”
Hasil penelitian tersebut dipublikasikan dalam jurnal Building and Environment.
Studi tersebut menunjukkan bagaimana konfigurasi ruang kelas tertentu dapat mempengaruhi kualitas udara dan memerlukan tindakan tambahan, selain penggunaan HVAC atau jendela terbuka, untuk mengurangi penyebaran aerosol – partikel kecil yang berpotensi membawa Covid yang dapat tetap melayang di udara selama berjam-jam.
“Ada berbagai kasus di mana kami dengan jelas menemukan masalah, dan ketika Anda melihat konsentrasi aerosol yang diharapkan di sekitar orang lain di dalam ruangan, dalam beberapa kasus itu jauh lebih tinggi daripada yang seharusnya. [standard] Model mungkin berkata,” kata Leon Glicksman, dan Dengan Profesor Arsitektur dan Teknik dan rekan penulis makalah penelitian baru yang merinci penelitian.
Faktanya, penelitian tersebut menunjukkan bahwa beberapa kondisi dapat menciptakan konsentrasi aerosol yang berpotensi bermasalah mulai dari 50 hingga 150 persen di atas konsentrasi dasar standar yang oleh para ahli dianggap udara dalam ruangan “tercampur dengan baik”.
“Itu menjadi rumit, dan itu tergantung pada keadaan khusus ruangan itu,” tambah Glicksman.
Penulis makalah ini adalah Gerhard K. Rinken dan Emma K. Rutherford, mahasiswa sarjana di Massachusetts Institute of Technology yang berpartisipasi dalam penelitian oleh Program Peluang Penelitian Sarjana Didukung oleh Inisiatif Energi MIT; Nikelish Ganta, seorang mahasiswa pascasarjana di MIT Center for Computational Science and Engineering. John Kongolitos, mahasiswa pascasarjana di Program Teknologi Bangunan di MIT dan rekan di Tata Center MIT; Glicksman, penulis pertama dan profesor teknologi bangunan dan teknik mesin di MIT yang telah mempelajari masalah sirkulasi udara selama beberapa dekade.
Pertarungan antara vertikal dan horizontal
SARS-Cov-2, virus yang menyebabkan Covid-19, sebagian besar menyebar di udara melalui aerosol, yang dihembuskan orang, dan dapat tetap berada di udara untuk waktu yang lama jika ruangan tidak berventilasi baik.
Dengan demikian, banyak ruang tertutup dengan aliran udara terbatas, termasuk ruang kelas, dapat mengandung konsentrasi aerosol yang relatif lebih tinggi, termasuk yang dihembuskan oleh individu yang terinfeksi.
Sistem HVAC dan jendela yang terbuka dapat membantu menciptakan kondisi yang “tercampur dengan baik”, tetapi dalam beberapa skenario, metode ventilasi tambahan mungkin diperlukan untuk mengurangi aerosol SARS-Cov-2.
Untuk melakukan penelitian, para peneliti menggunakan dinamika fluida komputasi – simulasi aliran udara yang canggih – untuk memeriksa 14 skenario ventilasi kelas yang berbeda, sembilan melibatkan sistem HVAC dan lima melibatkan jendela terbuka. Tim peneliti juga membandingkan model mereka dengan hasil eksperimen sebelumnya.
Skenario yang ideal melibatkan udara segar memasuki ruang kelas dekat dengan permukaan tanah dan terus bergerak ke atas sampai keluar ruangan melalui ventilasi langit-langit.
Proses ini didukung oleh fakta bahwa udara panas naik, dan kehangatan tubuh manusia secara alami menghasilkan naiknya “kolom panas”, yang membawa udara ke ventilasi langit-langit, dengan kecepatan sekitar 0,15 meter per detik.
Mengingat ventilasi langit-langit, tujuannya adalah untuk menciptakan gerakan udara vertikal ke atas untuk mengalirkan udara keluar ruangan, sekaligus membatasi gerakan udara horizontal, yang menyebarkan aerosol di antara siswa yang duduk.
Itu sebabnya memakai masker di dalam ruangan masuk akal: Masker membatasi kecepatan horizontal aerosol yang dihembuskan, sambil menjaga partikel-partikel itu dekat dengan gumpalan panas sehingga aerosol naik secara vertikal, para peneliti mencatat dalam simulasi mereka.
Pernafasan alami menciptakan kecepatan aerosol hingga satu meter per detik, dan batuk menciptakan kecepatan yang lebih tinggi – tetapi masker menjaga kecepatan itu tetap rendah.
“Jika kamu memakai topeng yang pas, kamu menekan kecepatan [breath] Buang sampai udara yang keluar dihembuskan oleh kolom di atas individu.”
“Jika masker tidak memadai atau tidak ada masker sama sekali, udara keluar dengan kecepatan horizontal yang cukup tinggi sehingga gumpalan tinggi ini tidak mengambilnya, dan naik dengan kecepatan yang jauh lebih rendah,” tambah Glissman.
Dua skenario bermasalah
Namun meski begitu, para peneliti telah menemukan bahwa komplikasi dapat muncul. Dalam set simulasi mereka yang berfokus pada jendela tertutup dan penggunaan HVAC, masalah aliran udara muncul di musim dingin, dengan jendela dingin di sampingnya.
Dalam hal ini, saat udara dingin di dekat jendela secara alami meresap, hal itu mengganggu aliran udara musim ke atas secara umum, meskipun gumpalan panas orang naik.
“Karena udara dingin dari jendela, sebagian udara bergerak ke bawah,” kata Glicksman.
“Apa yang kami temukan dalam simulasi adalah, ya, kolom panas orang bertopeng akan naik ke langit-langit, tetapi jika orang itu dekat dengan jendela, aerosol akan naik ke langit-langit dan dalam beberapa kasus terbawa. dengan aliran ke bawah itu, dan Anda turun ke tingkat pernapasan di dalam ruangan. Dan kami menemukan bahwa semakin dingin jendela, semakin besar masalahnya.”
Dalam skenario ini, seseorang dengan Covid-19 yang duduk di dekat jendela sangat mungkin menyebarkan aerosol di sekitarnya. Tetapi ada solusi untuk masalah ini: antara lain, menempatkan pemanas di dekat jendela yang dingin membatasi efeknya pada aliran udara kelas.
Dalam rangkaian simulasi lainnya, yang melibatkan jendela terbuka, masalah tambahan muncul.
Sementara jendela yang terbuka bagus untuk aliran udara segar secara keseluruhan, para peneliti mengidentifikasi satu skenario bermasalah: pergerakan udara horizontal dari jendela yang terbuka sejajar dengan deretan kursi menciptakan difusi aerosol yang besar.
Para peneliti mengusulkan solusi sederhana untuk masalah ini: memasang penghalang jendela, perlengkapan yang dapat disesuaikan untuk mengalihkan udara ke bawah. Dengan melakukan ini, udara segar yang sejuk dari luar akan memasuki ruang kelas dekat dengan kaki penghuninya, dan membantu menciptakan pola sirkulasi keseluruhan yang lebih baik.
“Keuntungannya adalah kamu membawa udara bersih dari luar ke dalam tanah, dan kemudian— [by using baffles] “Anda memiliki sesuatu yang mulai terlihat seperti ventilasi perpindahan, di mana sekali lagi, udara hangat dari individu akan menarik udara ke atas, dan itu akan bergerak menuju langit-langit,” kata Glicksman.
“Dan sekali lagi, inilah yang kami temukan ketika kami menjalankan simulasi, konsentrasi aerosol jauh lebih rendah dalam kasus tersebut daripada jika Anda membiarkan udara masuk secara langsung secara horizontal,” tambah Glicksman.
Hukuman energi
Selain implikasi untuk keselamatan selama pandemi, Glicksman mencatat bahwa aliran udara yang lebih baik di semua ruang kelas memiliki konsekuensi energi dan lingkungan.
Jika sistem HVAC saja tidak menciptakan kondisi optimal di dalam kelas, godaannya mungkin untuk mengaktifkan seluruh sistem, dengan harapan menciptakan aliran yang lebih besar.
Tapi ini mahal dan membebani lingkungan. Pendekatan alternatif adalah mencari solusi khusus kelas – seperti partisi atau penggunaan filter efisiensi tinggi untuk mendaur ulang pasokan udara HVAC.
“Semakin banyak udara luar yang Anda bawa, semakin rendah konsentrasi rata-rata aerosol ini. Tapi ada penghalang energi yang melekat padanya,” kata Glicksman.
Glicksman juga menekankan bahwa studi saat ini meneliti kualitas udara dalam kondisi tertentu. Penelitian itu juga dilakukan sebelum penyebaran virus Covid-19 tipe delta yang lebih menular.
Glicksman mencatat bahwa perkembangan ini memperkuat pentingnya “mengurangi tingkat konsentrasi aerosol melalui penyelubungan dan tingkat aerasi yang lebih tinggi” di seluruh kelas tertentu, terutama menekankan bahwa “konsentrasi lokal di zona pernapasan [near the heads of room occupants] Itu harus diminimalisir.”
Glicksman menekankan bahwa akan berguna untuk melakukan studi lebih lanjut untuk mengeksplorasi masalah secara mendalam.
“Apa yang kami lakukan adalah studi terbatas bentuk geometri tertentu di kelas,” kata Glicksman.
“Itu tergantung sampai batas tertentu pada keadaan tertentu. Tidak ada satu resep sederhana untuk meningkatkan aliran udara. Apa yang sebenarnya dikatakan adalah bahwa kami ingin melihat lebih banyak penelitian dilakukan.”