Holičství a virus

Jak nástroje pro řízení proudění vzduchu snižují šíření COVID-19 v uzavřených prostorách.

Je akceptováno, že se virus SARS-CoV-2 šíří především z člověka na člověka prostřednictvím kapiček a aerosolů generovaných kašláním, kýcháním nebo dokonce mluvením.

Napsal Krishnendu Sinha

Vzhledem k tomu, že se v Indii rozvíjí pandemie COVID-19, důraz byl kladen na odblokování a otevření ekonomiky. Začala nastávat krutá realita, že dokud nebudou vyvinuty vakcíny nebo nové terapie, budeme se muset naučit s pandemií žít. Kromě změn v sociálním chování, jako je fyzické distancování a používání masek, bude hrát důležitou roli při snižování rizika přenosu a šíření koronaviru modernizace pracovišť a společných prostor, jako jsou obchody v sousedství, kancelářské budovy a učebny.

Je akceptováno, že se virus SARS-CoV-2 šíří především z člověka na člověka prostřednictvím kapiček a aerosolů generovaných kašláním, kýcháním nebo dokonce mluvením. Kapka, obvykle submilimetrová nebo větší, rychle padá na zem poté, co je vypuštěna vlivem gravitace. Aerosolové částice jsou mnohem menší (malé jako tisícina milimetru) a mohou zůstat viset ve vzduchu, potenciálně s sebou přenášet infekční virové částice a lidé je mohou vdechnout. Pochopení proudění vzduchu a ventilace, zejména v uzavřených prostorách, kde mají tendenci přetrvávat aerosoly, je proto klíčovým aspektem kontroly šíření infekce.

Otázka nyní zní: Jak lze snížit riziko nákazy COVID-19 v uzavřených prostorách, jako je obchod v sousedství nebo holičství? Holičství má několik jedinečných výzev. Zákazníci v obchodě zůstávají sedět na jednom místě po dobu stříhání, obvykle 10-15 minut. Co ovlivňuje riziko infekce v tomto období? Důležitá je samozřejmě etiketa masek, kterou holič a ostatní zákazníci dodržují, stejně jako fyzický odstup mezi zákazníky. Stejně důležitá je otázka: Existuje dostatečné větrání pro rozptýlení kapiček a aerosolů ve vzduchu? Možná, že sám holič má na mysli mnoho stejných otázek. V tom uzavřeném prostoru totiž tráví mnohem více času než zákazníci.

Uvažujeme o holičství v kampusu IIT-Bombay, kam chodí učitelé a studenti (většina z nich v současnosti pokračuje ve vzdělávání online, z domova). Holičství kampusu má uspořádání, které je možná podobné tomu, s jakým se člověk setká ve většině městských prostředí v zemi. Prodejna se obvykle skládá z uzavřené místnosti (v některých případech s klimatizací – to je případ kampusové prodejny) a obvykle není dobře větraná. V každém okamžiku má více než hrstku lidí. Zákazníci přicházejí a odcházejí a udržování sociálního odstupu je náročné. Lze v takovém scénáři řízení proudění vzduchu využít ke zlepšení ventilace a snížení rizika přenosu vzduchem?

Z technického hlediska se studium proudění vzduchu nazývá mechanika tekutin a je důležité v mnoha oblastech od letectví a strojírenství po astrofyziku a životní prostředí. Mechanika tekutin nás učí, jak vzduch proudí v průchodech a kolem překážek. Matematické rovnice mechaniky tekutin jsou dobře známé, ale jejich řešení je velmi obtížné. K předpovědi proudění vzduchu jsou zapotřebí vysoce sofistikované počítačové simulace, což představuje studijní obor nazývaný výpočetní dynamika tekutin. CFD nám může říci, jak se vzduch pohybuje v holičství a jak jsou infekční kapičky přenášeny proudy. Dokáže také vypočítat, jak může být proudění vzduchu měněno ventilátory, okny, klimatizací a řadou dalších faktorů.

CFD se již široce používá ke studiu proudění vzduchu v uzavřených prostorách, jako jsou železniční oddíly, kancelářské prostory a nákupní centra. Několik hlášených studií se zabývá zlepšením lidského pohodlí a snížením spotřeby energie, například lepším návrhem klimatizačních systémů. V těchto časech, kterým dominuje COVID-19, se studie CFD soustředily na účinek masek (ukazující, jak masky snižují počet emitovaných kapiček a vzdálenost, kterou urazí) a na proudění vzduchu a přenos aerosolu. trhy. Zpráva od skupiny v Hongkongu ukázala, jak se infekční kapky z jednoho zdroje mohou rozšířit do celého prostoru vysokorychlostní železnice.

Konkrétně v kontextu holičství lze CFD použít k navrhování řešení pro modernizaci, aby se minimalizovalo šíření infekce přenášené vzduchem. Jednoduchá opatření, jako je instalace odtahových ventilátorů nebo dokonce jednoduchého stojanového ventilátoru a otevření zadních dveří (naštěstí máme v holičství IITB), mohou znamenat velký rozdíl. Cílem je rychle rozptýlit kapičky z potenciálního zdroje uvnitř místnosti ven, aby se minimalizovalo riziko pro holiče a ostatní zákazníky. Již jednoduché výpočty nám mohou říci, jakou velikost a výkon odsávací ventilátory potřebují. Pokud například předpokládáme typickou velikost holičství 10 stop x 15 stop x 10 stop, pokud chceme vyměnit vzduch v místnosti každou minutu, bude to vyžadovat ventilátory, které dokážou vysát 1500 kubických stop vzduchu za minutu, nebo 1500 cfm, jak je uvedeno ve specifikacích odsávacího ventilátoru. Abychom to udělali dvakrát rychleji, můžeme nainstalovat buď dva takové ventilátory, nebo jeden odtahový ventilátor o výkonu 3000 cfm.

Zatímco jednoduché výpočty jsou dobrým výchozím bodem, pro důslednou analýzu potřebujeme podrobné CFD. Odsávací ventilátory mohou buď zvýšit přirozenou cirkulaci vzduchu v místnosti, nebo ji mohou bránit. Znalost přesných vzorců proudění vytvářených výfukovým ventilátorem se proto stává kritickým. Například mohou existovat sekundární proudy vzduchu, někdy známé jako mrtvé zóny, kde mohou vzduchové kapsy zůstat zachyceny po dlouhou dobu. Přirozeně tím nedochází k odvětrávání vzduchu z místnosti a člověk sedící v takové mrtvé zóně je náchylnější k dýchání perzistentních aerosolů. Umístění ventilátorů a větracích otvorů, aby se zabránilo takovým mrtvým zónám v kadeřnictví, je rozhodující pro řízení proudění vzduchu. Potřebujeme CFD modely k identifikaci mrtvých zón v místnosti a také k odhadu, jak dlouho se vzduch v takových kapsách zdržuje. Pomocí CFD můžeme uspořádat ventilátory a ventilační otvory v počítačovém modelu místnosti tak, abychom dospěli k nejlepšímu možnému řešení.

Lze vypočítat i scénáře, kdy se proudění vzduchu mění při příchodu nebo odchodu zákazníka dveřmi nebo při náhlém průvanu teplého vzduchu zvenčí. CFD může také předpovídat, jak se věci mění s počasím nebo zeměpisnou polohou. Avšak rovnice mechaniky tekutin se tak snadno nevzdávají ani moderním počítačům, protože problémy začínají být stále složitější. Například odpovědět na jednoduchou otázku typu co se stane s miliony kousků vlasů na podlaze? může rozšířit limity superpočítačů. Vědět, že to opravdu pomůže, protože nikdo nechce, aby se začali vznášet.

Retrofit řešení navržená pomocí CFD lze rozšířit do dalších uzavřených prostor, jako jsou rohové obchody s potravinami, malé restaurace a lékařské kliniky. Každý může mít svůj vlastní způsob řízení proudění vzduchu ke snížení infekce. CFD může pomoci vypracovat řešení pro dodatečné vybavení přizpůsobené jejich příslušným potřebám. U větších zařízení, jako jsou přednáškové sály, divadla a nákupní centra, se musíme vypořádat s mnohem více lidmi a více místy vstupu a výstupu. Velikost problému je větší, ale věda je stejná. Budeme potřebovat větší a více ventilátorů a ventilačních otvorů a CFD nám může říct, kam je nejefektivněji umístit. Chytrá řešení s daty v reálném čase lze případně vyladit podle počtu lidí přítomných v daném okamžiku. To může být potenciálně efektivnější z hlediska spotřeby energie a instalace.

Skupina indických výzkumníků s názvem Výzkum mechaniky tekutin pro COVID-19 (FMRC) se sešla, aby řešila problémy s prouděním tekutin, které přináší znovuotevření ekonomiky. Tato skupina zahrnuje výzkumníky z různých IIT (IIT-Bombay, IIT-Madras, IIT-Roorkee) az průmyslu a jejím cílem je používat pokročilé modelovací nástroje k navrhování řešení pro modernizaci, která pomohou snížit riziko přenosu infekce. Zvláště zajímavé jsou pro tuto skupinu otázky týkající se proudění tekutin v uzavřených místnostech, veřejné dopravě a samozřejmě ve třídách.

Autor je profesor leteckého inženýrství, IIT Bombay