COVID-19: Studie šíření částic ve školní třídě
I přes větrání oknem může vzniknout vysoká koncentrace aerosolu
Šíření virem infikovaných částic od žáka sedícího vzadu u zdi. Okna nakloněna v poloze pro větrání.
Větrání má zásadní význam na omezení koncentrace virů včetně covid-19 ve vzduchu. Studie poukazuje na rozdíly mezi větráním okny v nakloněné – větrací poloze, okny plně otevřenými a větrací jednotkou.
„Upraveno podle podkladu WOLF GmbH“
Během vyučovací hodiny se navzdory větrání okny ve třídě hromadí potenciálně infekční aerosolové částice, někdy ve velmi vysokých koncentracích. Vyplývá to ze studie specialisty na vnitřní ovzduší, společnosti WOLF GmbH, která byla provedena s podporou Technické univerzity Berlín. „Částice ve vzduchu se rychle šíří v místnosti. Šíření lze účinně omezit v případě větrání okny pouze pomocí pravidelného intezívního nárazového vyvetrání,“ říká prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, vedoucí institutu Hermanna Rietschela. „Pokud by bylo provedeno vhodným způsobem, ovlivnilo by to výuku několika způsoby.“ V přímém srovnání s typickou každodenní variantou zkoumaného větrání okny lze šíření částic zabránit pomocí větracího zařízení a současně lze dosáhnout významného snížení koncentrace částic ve srovnání s větráním okny, které jsou otevřena jen částečně, nakloněním.
Studie ukazuje výhody nuceného větrání ve srovnání s větráním okny
Konkrétně bylo zkoumáno chování disperze aerosolů v typické školní třídě (přibližně 60 m2) v letním ránu s venkovní teplotou přibližně 20 °C. V místnosti je učitel a 24 studentů, z nichž jeden šíří coronavirus. Podle doporučení předních vědců simulace předpokládala trvale pootevřená okna nakloněním a zcela otevřená okna po dobu pěti minut každých 20 minut. Při emisi 50 aerosolových částic za sekundu způsobené pouze dýcháním nosem (při mluvení, kýchání a kašlání by šlo o podstatně vyšší hodnoty) jsou částice od infikované osoby sedící v zadní řadě u zdi již po pěti minutách přítomny v celé místnosti. V simulaci byly výpočty prováděny s fiktivním plynem, který ideálně sleduje pohyb vzduchu a tak popisuje šíření vzdušných částic (aerosolů). Čím dále od nakloněním otevřeného okna probíhá emise částic, tím větší je objem kontaminované místnosti, který může obsahovat více než 900 infikovaných částic na m3. Jakmile jsou všechna okna zcela otevřena, dojde během pěti minut k tak velké výměně vzduchu (LW 15/h), že koncentrace částic klesne pod 100 částic/m3, a tím se riziko infekce sníží na minimum. Koncentrace částic však po přivření oken opět stoupá ve stejném vzoru. „Ukázalo se, že větrání prostřednictvím nakloněných oken umožňuje výměnu jen malého množství vzduchu a že účinek zcela otevřených oken je účinnější,“ vysvětluje prof. Dr. Ing. Kriegel.
V rámci chápání výsledků této simulace je třeba vzít v úvahu, že jakékoli malé změny okrajových podmínek, např. bezvětří, roční doba nebo malý teplotní rozdíl mezi venkovní a vnitřní teplotou mají zásadní vliv na průběh koncentrace částic, takže je možný vznik i vyššího zatížení částicemi. Kromě toho v některých učebnách, zejména v horních podlažích školy, nelze z bezpečnostních důvodů zcela otevřít okna bez dohledu.
V tuto chvíli stále neexistují spolehlivé informace o tom, jak vysoká musí být koncentrace částic obsahujících viry, aby se člověk infikoval dýchacími cestami. Obecně se předpokládá, že riziko infekce se zvyšuje úměrně s koncentrací částic.
Studie také shromáždila srovnávací data pro učebnu vybavenou větracím zařízením od výrobce WOLF za stejných podmínek, ale s trvale zavřenými okny. V tomto scénáři větrací jednotka zásobovala místnost 800 m3 čerstvého vzduchu za hodinu výustkami umístěnými na stropě a spotřebovaný vzduch byl nepřetržitě odváděn centrálně na základě činnosti větrací jednotky. To znamená, že veškerý vzduch v místnosti ve třídě byl vyměňován 4,44krát za hodinu. Jedná se o zařízení, kterým lze učebny dovybavit s relativně malým úsilím.
Nebezpečné koncentrace CO2 a vysoké náklady na energii při větrání okny
Kromě aerosolů se studie zabývala také vývojem koncentrace CO2 a teploty ve třídě v rámci jedné vyučovací hodiny. Zatímco venkovní vzduch má koncentraci CO2 kolem 400 ppm, hodnoty v interiéru až 1 000 ppm jsou považovány za neškodné. Při vyšších koncentracích se však zvyšuje únava, snižuje koncentrace a objevuje malátnost. Podle německé agentury pro životní prostředí začíná hygienicky nepřijatelné rozmezí na koncentraci 2 000 ppm. Pro simulaci byla předpokládána emise CO2 0,016 m3/h na osobu. Zatímco nepřetržitý přísun čerstvého vzduchu z větracího zařízení zajistil koncentraci CO2 na úrovni maximálně 950 ppm během 45 minut, ve scénáři větrání okny bylo zjištěno až 1 300 ppm.
Lidé, ale i předměty v učebně jsou zdrojem trvalého tepelného zatížení 2 500 W. To znamená, že i přes větrání nakloněným oknem teplota během krátké doby stoupne až na 24 °C. Pokud jsou okna po dobu pěti minut zcela otevřena za účelem intenzivního větrání, jsou místa v blízkosti okna extrémně nepohodlná (studený průvan) v kombinaci se sníženou viditelností danou křídly oken a zhoršenou akustikou a tedy i sníženou srozumitelností výkladu učitele.
Se zvýšenou aktivitou ve třídě nebo zvýšenou venkovní teplotou se velikost teploty může výrazně zvýšit. V této simulaci dodávalo větrací zařízení čerstvý vzduch při venkovní teplotě 20 °C, aby byla udržována konstantní teplota. Větrací jednotka může být vybavena registrem vytápění nebo chlazení pro aktivní regulaci teploty přiváděného vzduchu.
S ohledem na nadcházející podzimní a zimní měsíce představuje větrání školy další výzvy. I když je poměrně obtížné snížit vnitřní teplotu na příjemnou úroveň 20 °C v obdobích, když je venkovní teplota vysoká, lze v chladných zimních měsících při větrání okny očekávat snížení pohodlí a prudké zvýšení nákladů na energii za účelem trvalého vytápění učeben.
Větrací jednotky nabízejí obrovský potenciál pro úspory energie, zejména s ohledem na cíle ochrany klimatu. Při účinném zpětném získávání tepla s účinností až 90 procent se vytváří ekologická i ekonomická přidaná hodnota ve srovnání s větrání okny, protože je zabráněno uvolnění investované energie na vytápění nebo chlazení do venkovního prostředí bez využití.
V současné době jsou diskutovány mobilní čističe (pračky) vzduchu jako možná alternativa pro snižování koncentrací aerosolových částia tedy i virů. Ty odfiltrují nebo deaktivují možné viry ze vzduchu v místnosti pomocí různých technologií. Čistič vzduchu však nenahrazuje větrání, nemá vliv na kvalitu vzduchu v místnosti. Tímto způsobem nelze regulovat nebo pozitivně ovlivňovat teplotu, koncentraci CO2, jiných nežádoucích látek a ani relativní vlhkost.
Studie velmi jasně ukázala, že potřebou intenzitu výměny vzduchu potřebnou k zajištění hygienického vzduchu v místnosti, zejména v současné situaci, lze realizovat při větrání okny jen se zvýšeným úsilím, ztrátami energie, snížením teplotní pohody a částečně i kvality výuky.
„Použitím větracího systému s odpovídající výměnou vzduchu lze snížit hladinu CO2 i znečištění aerosolem na rozumnou úroveň. Navíc, z důvodu výskytu Covid-19, lze snadno intenzitu větrání zvýšit,“ zdůraznil Bernhard Steppe, obchodní ředitel společnosti WOLF GmbH. Čím více čerstvého venkovního vzduchu proudí do místnosti, tím lepší je vnitřní klima.
Hermann Rietschel Institute TU Berlin
Institut Hermanna Rietschela, který se nachází na TU v Berlíně, již mnoho let zkoumá chování znečišťujících látek ve vzduchu v interiérech. S vypuknutím COVID-19 tým pod vedením prof. Dr.-Ing. Martin Kriegela zkoumal možné přenosové cesty a retenční čas viru za různých podmínek.
Skupina WOLF je jedním z předních poskytovatelů systémů otopných a větracích systémů. Spolu se svou mateřskou společností, společností CENTROTEC SE, je jedním z předních poskytovatelů komplexních řešení pro úsporu energie v oblasti staveb.
Obr. Vývoj rozložení koncentrace částic šířených od infikované osoby (1. řada, sedící u zdi) během vyučovací hodiny. Vliv větracího zařízení ve srovnání s větráním okny.
(Fensterlűftung = větrání okny, Lűftungsgerät = větrací jednotka, Zeit = čas, Koncentration (P/m3) = koncentrace částic ppm)
Obr. Řez prostředím třídy za ustáleného stavu podle analyzovaných scénářů větrání po krátké době ve třídě ukazuje rozložení teplot.
(Fenster gekipt = okna otevřena nakloněním, Fenster geöffnet = okna plně otevřena, Lűftungsgerät = větrací jednotka, Temperatur Grad Celsius = teplota ve °C)
Obr. Zobrazení rozložení koncentrace CO2 ve výšce 1,0 m po 45 minutách vyučovací hodiny, srovnání mezi větráním okny a větracím zařízením.
(Fensterlűftung = větrání okny, Lűftungsgerät = větrací jednotka)