Fenêtres ouvertes et un bon chauffage, ventilation, et le système de climatisation (CVC) sont des points de départ pour assurer la sécurité des salles de classe pendant la pandémie de COVID-19. Mais ils ne sont pas le dernier mot, selon une nouvelle étude de chercheurs du MIT.

L'étude montre comment des configurations spécifiques de salles de classe peuvent affecter la qualité de l'air et nécessiter des mesures supplémentaires, au-delà de l'utilisation du CVC ou des fenêtres ouvertes, pour réduire la propagation des aérosols - ces minuscules, particules potentiellement porteuses de COVID qui peuvent rester en suspension dans l'air pendant des heures.

"Il y a des ensembles de conditions où nous avons trouvé clairement qu'il y a un problème, et quand vous regardez la concentration prévue d'aérosols autour d'autres personnes dans la pièce, dans certains cas, il était beaucoup plus élevé que ce que diraient les modèles [standard], " dit Léon Glicksman, un professeur d'architecture et d'ingénierie du MIT qui est co-auteur d'un nouvel article détaillant la recherche.

En effet, l'étude montre que certaines circonstances peuvent créer une concentration d'aérosols potentiellement problématiques allant de 50 à 150 % plus élevée que la concentration de base standard que les experts considèrent comme un air intérieur « bien mélangé ».

"Ça se complique, et cela dépend des conditions particulières de la pièce, " ajoute Glicksman.

Le papier, "Les modèles d'aérosol SARS-CoV-2 se sont propagés dans des salles de classe typiques, " apparaît à l'avance sous forme en ligne dans le journal Bâtiment et environnement . Les auteurs sont Gerhard K. Rencken et Emma K. Rutherford, Étudiants de premier cycle du MIT qui ont participé à la recherche dans le cadre du programme d'opportunités de recherche de premier cycle avec le soutien de la MIT Energy Initiative ; Nikhilesh Ghanta, un étudiant diplômé du Center for Computational Science and Engineering du MIT; John Kongoletos, un étudiant diplômé du Building Technology Program du MIT et un membre du Tata Center du MIT; et Glicksman, l'auteur principal et professeur de technologie du bâtiment et de génie mécanique au MIT qui étudie les problèmes de circulation de l'air depuis des décennies.

La bataille entre vertical et horizontal

SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, est largement transmis par voie aérienne via les aérosols, que les gens expirent, et qui peuvent rester dans l'air pendant de longues périodes si une pièce n'est pas bien ventilée. De nombreux réglages intérieurs avec un débit d'air limité, y compris les salles de classe, pourrait ainsi contenir une concentration relativement plus élevée d'aérosols, y compris ceux exhalés par des individus infectés. Les systèmes CVC et les fenêtres ouvertes peuvent aider à créer des conditions « bien mélangées », mais dans certains scénarios, des méthodes de ventilation supplémentaires peuvent être nécessaires pour minimiser les aérosols SARS-Cov-2.

Pour mener l'étude, les chercheurs ont utilisé la dynamique des fluides computationnelle - des simulations sophistiquées du flux d'air - pour examiner 14 scénarios de ventilation différents en classe, neuf impliquant des systèmes CVC et cinq impliquant des fenêtres ouvertes. L'équipe de recherche a également comparé leur modélisation aux résultats expérimentaux antérieurs.

Un scénario idéal implique que de l'air frais pénètre dans une salle de classe près du niveau du sol et se déplace régulièrement plus haut, jusqu'à ce qu'il sorte de la pièce par les évents du plafond. Ce processus est facilité par le fait que l'air chaud monte, et la chaleur corporelle des gens génère naturellement des "panaches de chaleur, " qui transportent l'air vers les aérateurs de plafond, à une vitesse d'environ 0,15 mètre par seconde.

Compte tenu de la ventilation au plafond, alors, l'objectif est de créer un mouvement d'air vertical vers le haut pour faire sortir l'air de la pièce, tout en limitant les mouvements d'air horizontaux, qui répand des aérosols parmi les étudiants assis.

C'est pourquoi le port du masque à l'intérieur a du sens :Les masques limitent la vitesse horizontale des aérosols expirés, garder ces particules près des panaches de chaleur afin que les aérosols montent verticalement, comme les chercheurs l'ont observé dans leurs simulations. L'expiration normale crée des vitesses d'aérosol de 1 mètre par seconde, et la toux crée des vitesses encore plus élevées, mais les masques maintiennent cette vitesse basse.

« Si vous portez des masques bien ajustés, vous supprimez la vitesse de l'échappement [souffle] au point que l'air qui en sort est emporté par les panaches au-dessus des individus, " Dit Glicksman. " Si c'est un masque ample ou pas de masque du tout, l'air sort à une vitesse horizontale suffisamment élevée pour ne pas être capté par ces panaches ascendants, et augmente à des taux bien inférieurs."

Deux scénarios problématiques

Mais tout de même, les chercheurs ont trouvé, des complications peuvent survenir. Dans leur ensemble de simulations axées sur les fenêtres fermées et l'utilisation du CVC, des problèmes de circulation d'air sont apparus dans une salle de classe simulée en hiver, avec vitres froides sur le côté. Dans ce cas, parce que l'air froid près des fenêtres descend naturellement, il perturbe le flux global ascendant de l'air de la classe, malgré les panaches de chaleur des gens.

"A cause de l'air froid de la fenêtre, un peu d'air descend, " dit Glicksman. " Ce que nous avons trouvé dans les simulations est, Oui, le panache de chaleur d'une personne masquée s'élèverait vers le plafond, mais si une personne est près de la fenêtre, les aérosols montent jusqu'au plafond et sont dans certains cas captés par ce flux descendant, et ramené au niveau de la respiration dans la pièce. Et nous avons trouvé que plus la fenêtre est froide, plus ce problème est important."

Dans ce scénario, une personne infectée par COVID-19 assise près d'une fenêtre serait particulièrement susceptible de répandre ses aérosols autour. Mais il existe des solutions à ce problème :entre autres, placer des radiateurs près des fenêtres froides limite leur impact sur le flux d'air de la salle de classe.

Dans l'autre série de simulations, impliquant des fenêtres ouvertes, des problèmes supplémentaires sont devenus évidents. Alors que les fenêtres ouvertes sont bonnes pour le flux d'air frais dans l'ensemble, les chercheurs ont identifié un scénario problématique :le mouvement d'air horizontal des fenêtres ouvertes alignées avec les rangées de sièges crée une propagation importante des aérosols.

Les chercheurs proposent une solution simple à ce problème :l'installation de déflecteurs de fenêtre, raccords qui peuvent être réglés pour dévier l'air vers le bas. En faisant cela, l'air frais plus frais de l'extérieur entrera dans la salle de classe près des pieds de ses occupants, et aider à générer un meilleur schéma de circulation globale.

"L'avantage c'est que vous apportez l'air pur de l'extérieur vers le sol, et puis [en utilisant des baffles] vous avez quelque chose qui commence à ressembler à une ventilation par déplacement, où encore l'air chaud des individus attirera l'air vers le haut, et il se déplacera vers le plafond, " dit Glicksman. " Et encore une fois, c'est ce que nous avons trouvé lorsque nous avons fait les simulations, la concentration d'aérosol était beaucoup plus faible dans ces cas que si vous permettez simplement à l'air d'entrer directement horizontalement. »

La pénalité énergétique

En plus des implications pour la sécurité pendant la pandémie, Glicksman note qu'une meilleure circulation de l'air dans toutes les salles de classe a des conséquences énergétiques et environnementales.

Si un système CVC à lui seul ne crée pas des conditions optimales à l'intérieur d'une salle de classe, la tentation pourrait être de lancer le système à fond, dans l'espoir de créer un plus grand débit. Mais c'est à la fois coûteux et respectueux de l'environnement. Une autre approche consiste à rechercher des solutions spécifiques à la salle de classe, comme des chicanes ou l'utilisation de filtres à haute efficacité dans l'alimentation en air CVC de recirculation.

"Plus vous apportez d'air extérieur, plus la concentration moyenne de ces aérosols sera faible, " dit Glicksman. "Mais il y a une pénalité d'énergie qui y est associée."

Glicksman souligne également que la présente étude examine la qualité de l'air dans des circonstances spécifiques. La recherche a également eu lieu avant que la variante Delta plus transmissible du virus COVID-19 ne devienne répandue. Ce développement, Glicksman observe, renforce l'importance de « réduire le niveau de concentration des aérosols par le masquage et des taux de ventilation plus élevés » dans une salle de classe donnée, et souligne en particulier que "la concentration locale dans la zone de respiration [près de la tête des occupants de la pièce] doit être minimisée".

Et Glicksman souligne qu'il serait utile d'avoir plus d'études explorant les problèmes en profondeur.

"Ce que nous avons fait est une étude limitée pour des formes particulières de géométrie en classe, " dit Glicksman. " Cela dépend dans une certaine mesure des conditions particulières. Il n'existe pas de recette simple pour une meilleure circulation de l'air. Ce que cela dit vraiment, c'est que nous aimerions voir plus de recherches effectuées. »