Flujo de aire y ascensores

Aspectos destacados de un estudio de flujo de aire realizado para determinar el riesgo relativo de exposición al COVID-19 entre los pasajeros del ascensor

por Stephen R. Nichols, Dr. Sumei Liu, Dr. Xingwang Zhao, Dr. James T. Auxier, Tricia Derwinski, Dr. Murilo Bonilha y Dr. Qingyan (Yan) Chen

Los ascensores juegan un papel esencial para mantener a las personas de todo el mundo en movimiento todos los días. Sin embargo, la pandemia mundial de COVID-19 ha creado algunas preocupaciones en torno al riesgo relativo de infección en espacios comunes compartidos, incluidos los ascensores. Al principio de la pandemia, comenzaron a aparecer historias en publicaciones científicas y populares que plantearon preguntas sobre el uso de ascensores basándose en la comprensión de la transmisión aérea como un medio crítico de propagación de enfermedades y, al menos en parte, en la percepción errónea de que las cabinas de los ascensores son espacios sellados con flujo de aire limitado.

Resumen del estudio
La comprensión de los sistemas de ascensores, la ventilación y el diseño, junto con la naturaleza de COVID-19, sugiere que el riesgo relativo de exposición en los ascensores es menor en comparación con el de muchos otros espacios comunes. Sin embargo, no toma en cuenta la dinámica de situaciones específicas, incluido el flujo de pasajeros, las tasas de ventilación, el tamaño de las cabinas y las estrategias de mitigación que incluyen máscaras y purificación de aire.

Para comprender el verdadero impacto de estas dinámicas, Otis encargó a un equipo de la Universidad Purdue que realizara un estudio centrado en comprender la exposición relativa al COVID-19 en los ascensores. El estudio se centró en el flujo de aire e investigó el impacto de las tasas y tipos de ventilación, las tecnologías de purificación y las intervenciones, incluidas las máscaras en los entornos de los ascensores.

Los ascensores son, de hecho, espacios bien ventilados. Por código, se requiere que los ascensores tengan aberturas para ventilación. Junto con los ventiladores comúnmente presentes en los ascensores, estas aberturas proporcionan un alto nivel de intercambio de aire. El tiempo de exposición al aire y a otras personas en un ascensor también está limitado debido a la corta duración del viaje en ascensor: menos de 2 minutos, en promedio, para los edificios más altos y del orden de 30 s para muchos viajes. Si bien este conocimiento y un análisis simple sugieren que la transmisión aérea de aerosoles y partículas en los ascensores es mucho menor en comparación con la de muchos otros espacios comunes, no tiene en cuenta la dinámica de situaciones específicas, incluido el flujo de pasajeros, las tasas de ventilación, el tamaño de la cabina y estrategias de mitigación, incluidas máscaras y purificación del aire.

Cada escenario de viaje en ascensor es diferente, con múltiples variables importantes para el movimiento de personas, aire y ascensores. Otis encargó un estudio de investigación del flujo de aire del ascensor para comprender el impacto de estas dinámicas y apoyar a nuestros clientes y al público en bicicleta con información y soluciones basadas en la ciencia. El estudio se centró en comprender el riesgo relativo de exposición al COVID-19 en ascensores. Nos propusimos aprender cómo las estrategias de mitigación y otros factores impactan el uso de ascensores durante la pandemia. Más específicamente, el equipo de investigación llevó a cabo el estudio para:

• Evaluar el riesgo de transmisión de partículas en el aire infectadas con SARS-CoV-2 (el virus que causa la enfermedad COVID-19) al tomar un ascensor.

• Estudiar diferentes parámetros de diseño de ascensores, incluida la velocidad del ventilador, que podrían tener un impacto importante en el riesgo de exposición.

• Identificar el impacto de las estrategias y métodos de mitigación.

• Compare el riesgo de exposición de un ascensor con el de otros espacios cerrados, como una oficina o un autobús urbano.

La investigación utilizó modelado multizona para simular el flujo de aire entre zonas a través de la envolvente de un edificio y dinámica de fluidos computacional para simular la dispersión de partículas durante un viaje en ascensor de 2 minutos en comparación con el tiempo invertido.

en otros espacios comunes. Para el viaje en ascensor, modelamos múltiples escenarios, incluida la dispersión de partículas cuando las puertas se abren cuando los pasajeros suben y bajan del ascensor.

Junto con lo que ya sabemos sobre el diseño y el funcionamiento de los ascensores, los resultados del estudio muestran que viajar en un ascensor es una actividad de riesgo relativamente bajo. La investigación ha demostrado que cuanto mayor es el nivel de intercambio de aire, como el que proporcionan los ventiladores de ascensor de flujo más alto, menor es el riesgo de exposición. Al considerar los riesgos relativos entre las actividades comunes en interiores, el estudio encontró que el viaje en ascensor es comparable a un corto tiempo en una oficina o autobús. Sin embargo, cuando se considera la duración promedio más larga de una estadía en un autobús u oficina en comparación con un viaje en ascensor, observamos un riesgo de exposición relativo significativamente menor en un ascensor.

Además, se demostró que las estrategias de mitigación reducen aún más el riesgo. El uso adecuado de la mascarilla redujo el riesgo potencial a la mitad, la purificación del aire mediante ionización bipolar (NPBI) redujo el riesgo entre un 20% y un 30%, y la combinación de las dos estrategias dio como resultado una reducción del 60% al 65% en la exposición relativa. (Para obtener detalles de la comparación y más información, consulte el gráfico de la p.) Si bien los cálculos en sí mismos no varían, los resultados de los cálculos do varían, según el tiempo de viaje y las posiciones de los pasajeros en el elevador.

Evaluación del riesgo y el nuevo coronavirus

A medida que el mundo sigue navegando por la pandemia y las sociedades buscan formas de reanudar aspectos de la vida cotidiana, los expertos de todas las disciplinas reconocen que no existe una "solución milagrosa". Se necesita un enfoque basado en el riesgo, informado por la ciencia, para recomendar medidas de control razonables para cada situación (Defile, 2020). El nivel de riesgo se basa en la intensidad, frecuencia y duración de la exposición. Para cada aplicación, el nivel de exposición por medios aéreos o por contacto físico puede ser diferente. No todas las aplicaciones se pueden comparar fácilmente sin utilizar una combinación de técnicas y disciplinas diferentes.

A través de un enfoque basado en el riesgo, podemos determinar y priorizar elementos de una estrategia en capas que abarca recomendaciones tanto de comportamiento como de tecnología, cada una con diferentes niveles de efectividad y disrupción.

Estos principios generales son aplicables en el caso de ascensores. A medida que buscamos abordar las preocupaciones sobre el riesgo relativo de exposición en un ascensor, es necesario equilibrar varios factores y escenarios para lograr una gama de resultados y soluciones positivos para los clientes de Otis y el público que viaja. Necesitamos tener en cuenta la dinámica no solo del ascensor, sino también del entorno del edificio y el comportamiento de las personas. Comprender el riesgo relativo y cómo integrar diferentes capas de métodos y soluciones de control es clave.

Al considerar las respuestas a la pandemia actual, estas soluciones se centran principalmente en cuatro áreas clave:

1. Movimiento de personas y ascensores
2. Orientación para una conducción segura
3. Mitigación del riesgo de exposición
4. Soluciones de tecnología avanzada

Consideraciones adicionales son impulsadas por el movimiento vertical del ascensor, la apertura y cierre de puertas y el movimiento de personas dentro y fuera de los ascensores, todo dentro de un volumen de recinto razonablemente pequeño. Además, estos factores deben considerarse en el contexto de lo que la ciencia nos dice sobre cómo COVID-19 viaja por el aire.

Examen de la transmisión COVID-19

La Organización Mundial de la Salud (OMS), los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) y otros expertos indican múltiples modos de transmisión del SARSCoV-2.

La ciencia y la evidencia emergentes parecen respaldar que la transmisión aérea puede ser más crítica que la transmisión de superficie a superficie (OMS y Mandavilli, 2020). Con el creciente énfasis en la transmisión aérea, el énfasis en la calidad del aire interior y el flujo de aire sigue creciendo.

La transmisión aérea, ya sea a través de gotas grandes o aerosoles pequeños, depende del tamaño de partícula y la cantidad inhalada. Se exhalan diferentes cantidades de partículas durante diferentes situaciones. La respiración esparce menos partículas y más pequeñas que la tos. La cantidad de tiempo que se dedica a respirar, toser o hablar es importante, al igual que la distancia y la duración que se pasa cerca de un individuo y el flujo de aire de cómo se mueven las partículas en el espacio. La intensidad de la exhalación, la duración de la proximidad a una persona infectada y la frecuencia del contacto pueden contribuir al riesgo relativo de propagación de la infección. Un estudio reciente muestra que la concentración de virus es diferente en partículas de varios tamaños. Por ejemplo, las concentraciones de virus son típicamente más altas en las partículas más finas generadas en la profundidad de los pulmones y la garganta, que pueden ser expulsadas al toser. Por el contrario, las partículas generadas al hablar consisten principalmente en saliva, que puede contener un menor contenido de virus.

No se trata solo de la cantidad de partículas en el aire, sino del impacto de dónde van estas partículas y si se inhalan y descansan en la parte superior o inferior de los pulmones. Podemos modelar las partículas y el aire, pero también debemos tener en cuenta la dosis relativa acumulada de partículas para un individuo en diferentes escenarios. No es necesariamente suficiente estudiar el flujo de aire solo; La comprensión de la concentración y distribución de las partículas potencialmente infectadas de forma dinámica en diferentes momentos en diferentes situaciones nos brinda una evaluación más precisa del riesgo.

Muchos análisis rápidos pueden observar el aire perfectamente mezclado y simplificar la situación. Sin embargo, analizar el movimiento del aire, las personas y el ascensor juntos proporciona más detalles. Para un análisis completo, el trabajo adicional podría incluir un estudio detallado de la transmisión de superficie a superficie o fómites (partículas virales aterrizadas).

Existen múltiples formas de analizar la transmisión aérea y la propagación del virus utilizando técnicas de campos como la salud pública y la medicina, la ingeniería, las matemáticas y la estadística, y la teoría de redes.

Entendiendo los ascensores

Al examinar el riesgo relativo de exposición al COVID-19 en ascensores, la ciencia sobre la transmisión de partículas en el aire nos indica que debemos centrarnos en el flujo de aire. Aunque son relativamente pequeñas, las cabinas de los ascensores modernos son espacios bien ventilados con sistemas para hacer circular el aire con frecuencia.

Los ascensores tienen estándares de ventilación requeridos. Por código, se requieren aberturas para la convección natural y la mayoría de los ascensores tienen ventiladores o se pueden adaptar fácilmente para tener ventiladores. Los ventiladores de los ascensores suelen tener el tamaño adecuado para proporcionar un cambio de aire por minuto. Los cambios de aire por hora (ACH) son una medida del volumen de aire agregado o eliminado de un espacio en 1 h, dividido por el volumen del espacio. Los valores más altos corresponden a una mejor ventilación.

Según el código de ascensores de América del Norte, las cabinas deben proporcionar el 3.5% del área de la plataforma como aberturas de ventilación para fines de convección (American Society of Mechanical Engineers, 2019). El código europeo EN 81-1, que se aplica en gran parte del mundo, requiere un 2% de ventilación, que sigue siendo una cantidad significativa de aberturas, independientemente de la configuración de la cabina (British Standards Institution, 2014).

Un sistema dentro de un sistema

Al considerar un viaje en ascensor, tenemos en cuenta el aire y el espacio que el pasajero encuentra en la cabina, el hueco o hueco del ascensor y las otras partes del edificio donde se mueven las personas. La apertura para el ventilador y la apertura alrededor de las puertas pueden incluirse en el cálculo. Estas aberturas proporcionan entradas y salidas para la transferencia convectiva del flujo de aire pasivo y ayudan cuando hay una ventilación más activa. Dependiendo de la complejidad del edificio, factores adicionales, incluida la presurización; consideraciones de fuego; y sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) más sofisticados; y también se debe considerar el movimiento de aire entre el ascensor y el vestíbulo o pisos en diferentes paradas.

Introducción al modelado de flujo de aire

El flujo de aire es complejo. Se puede modelar en una computadora y midiendo el flujo de aire real en un experimento. A menudo se recomienda el modelado por computadora para estudiar múltiples escenarios y variables rápidamente. Los métodos de modelado por computadora y simulación numérica utilizados en este estudio están a la vanguardia en el estado de la ciencia.

Para un solo espacio cerrado, la dinámica de fluidos computacional (CFD) es la herramienta de modelado de contaminantes y flujo de aire más poderosa. El CFD se ha utilizado ampliamente porque puede proporcionar resultados informativos y precisos del transporte de partículas transitorias en entornos cerrados. Hay dos partes del modelado CFD sobre el transporte de contaminantes: modelado del flujo de aire y modelado de partículas / partículas.

Para obtener información sobre la distribución del flujo de aire, CFD resuelve numéricamente un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales para la conservación de masa, momento (ecuaciones de Navier-Stokes), energía y cantidades de turbulencia. La solución incluye las distribuciones de velocidad del aire, presión, temperatura, parámetros de turbulencia y concentración de contaminantes.

Para simular mejor el entorno del ascensor, utilizamos un modelo multizona, ya que se aplica a varias habitaciones conectadas con aberturas como puertas, ventanas y grietas. Los modelos multizona también asumen que cada zona es un espacio bien mezclado. Aunque la suposición de que la concentración uniforme de contaminantes en el aire en una zona puede no ser válida, es suficiente para simular el flujo de aire a través de las grietas entre una cabina de ascensor y un hueco de ascensor y entre un hueco de ascensor y vestíbulos. Esto se debe a que las incertidumbres en esos grandes espacios son muy altas. El flujo de aire a través de las pequeñas aberturas es más importante que la uniformidad de la distribución de la concentración de virus.

Los modelos Navier-Stokes (RANS) promediados por Reynolds son los modelos CFD más populares. Los modelos RANS resuelven las variables medias del aire, como la velocidad y temperatura del aire, y modelan las propiedades de turbulencia resolviendo ecuaciones de transporte de turbulencia. Para el modelado del flujo de aire en interiores, Zhang et al (2007) recomendó el RNG k- modelo después de revisar y comparar muchos modelos. Este modelo fue seleccionado para el presente estudio.

Si bien esta investigación no incluyó mediciones experimentales, la técnica de simulación numérica se basó en herramientas validadas. Por ejemplo, utilizamos el modelo lagrangiano en CFD para simular la dispersión de partículas en una sala limpia (Murakami et al, 1992). También comparamos las distribuciones de concentración de partículas simuladas y medidas. Los resultados del cálculo de Lagrange se basaron en un tamaño de muestra (es decir, el número de trayectorias) de 100,000. Los resultados concuerdan razonablemente con los datos experimentales.

El método de seguimiento de partículas de Lagrange podría introducir incertidumbre en los cálculos de concentración de partículas. Cuando el número de partículas es bajo, la concentración de partículas predicha puede no ser una solución estable debido a los factores aleatorios usados ​​en el modelo. Esto se puede ver en los resultados obtenidos en este proyecto.

Metodología de modelado de estudios

Utilizando el modelado por computadora multizona y los métodos de simulación numérica descritos anteriormente, el estudio se propuso examinar el riesgo de exposición potencial mediante la simulación de varias experiencias de viaje en ascensor.

Para considerar todo el proceso al tomar un ascensor, asumimos un escenario de viaje en ascensor en un edificio comercial con 35 pisos. Entre los seis pasajeros, dos pasajeros dejaron el elevador en el piso 10, otros dos en el piso 20 y los otros dos en el piso 35. Uno de los dos en el piso 35 era un paciente índice, mostrado por el color rojo en el siguiente figura. El viaje más largo tomó aproximadamente 2 min.

Este edificio típico y el recorrido representativo del ascensor nos permitió aislar variables y determinar que los detalles exactos de la velocidad o trayectoria del ascensor no eran tan importantes como el tiempo total en cada espacio.

Esta investigación utilizó el modelo multizona, ContamW, para simular el flujo de aire a través de las grietas entre la cabina de un ascensor y el hueco del ascensor y entre el hueco del ascensor y los vestíbulos. Los resultados del modelo de flujo de aire multizona se utilizaron como parte de las condiciones de los límites del termo-fluido para simulaciones detalladas de la transmisión de partículas del virus COVID-19 para el viaje en ascensor. Las simulaciones detalladas utilizaron la técnica CFD descrita anteriormente con el método Lagrangiano para la dispersión de partículas. Las simulaciones del viaje en ascensor de 2 minutos se dividieron además en ocho sub-casos para considerar los cambios de dominios de flujo en el viaje en ascensor. Las distribuciones de partículas y flujo de aire del sub-caso anterior se utilizaron como condiciones iniciales del sub-caso actual para garantizar una transferencia fluida de los datos para simulaciones precisas de la transmisión de partículas en el ascensor. El CFD utilizado fueron las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds con el RNG k- modelo de turbulencia construido en el programa informático ANSYS Fluent. ANSYS Fluent es uno de los códigos CFD más sofisticados disponibles y se usa comúnmente para simulación por computadora avanzada.

[Un] edificio típico y un recorrido representativo en ascensor nos permitieron aislar variables y determinar que los detalles exactos de la velocidad o trayectoria del ascensor no eran tan importantes como el tiempo total en cada espacio.

Esta investigación consideró principalmente las transmisiones de partículas en el aire generadas por la respiración del paciente índice. Cada ciclo de respiración duró 4 sy generó 525 partículas con un diámetro promedio de 0.4 µm. La investigación también estudió un caso de tos cuando el paciente índice tosió una vez al entrar al ascensor. También se estudió el impacto de diferentes parámetros de diseño de ascensores en la transmisión de partículas:

• Tasa de ventilación de 350 pies³/ min, 150 pies³/ min y 55 pies³/ min y tasa de infiltración de 36 pies³/ Min

• Aire que entra y que sale aire

• Cabina de ascensor amplia y cabina de ascensor profunda

Dado que el estudio utilizó el número de partículas o la masa de partículas inhaladas por ciclistas susceptibles como criterio de evaluación, no pudo mostrar el riesgo absoluto. Por lo tanto, comparamos el nivel de exposición a las partículas en el ascensor con el de una oficina y un autobús.

Este estudio investigó las fuentes de partículas generadas por un paciente índice a través de la respiración y la tos. Para la respiración, la simulación numérica utilizó un tamaño de partícula promedio de 0.4 μm de diámetro, con 525 partículas por ciclo de respiración. Cada ciclo de respiración duró 4 s.

Para toser, este estudio utilizó 16 tamaños y números de partículas diferentes, como se muestra en la siguiente figura (Chao et al, 2009). El número total de partículas por tos fue 1,951. Además, las condiciones de límite de flujo para respirar por la nariz y toser por la boca fueron de Gupta. et al (2011).

Resultados del estudio

Los hallazgos del estudio muestran que viajar en ascensor es una actividad de riesgo relativamente bajo. El alto nivel de intercambio de aire en un ascensor reduce el riesgo de exposición, lo que demuestra que es comparable a un corto tiempo en una oficina o un autobús. Las estrategias de mitigación que incluyen máscaras y purificación de aire con NPBI demostraron una mayor reducción del riesgo.

Ventilación y exposición

Debido a la corta duración del viaje en ascensor, los ascensores con altas tasas de ventilación representaron un menor riesgo de exposición. Aunque respirar genera partículas continuamente, el número y el tamaño de las partículas fueron menores que los de la tos. La dosis de masa de partículas acumulada de los ciclistas susceptibles para el caso de tos es hasta seis órdenes de magnitud más alta que las del caso de respiración.

Cuanto mayor sea la tasa de ventilación, menor podría ser la dosis acumulada. Sin embargo, este no siempre fue el caso, porque, en algunos casos, las distribuciones no uniformes de las partículas podrían causar una dosis más alta, incluso con una tasa de ventilación más alta. Una cabina profunda podría atrapar las partículas dentro del ascensor. La dirección del suministro de aire también influyó en la dispersión de partículas en la cabina del ascensor.

La exposición a las partículas en el vestíbulo del edificio del piso 1 fue baja en este caso, porque la ventilación del sistema HVAC y las columnas térmicas de los pasajeros harían que las partículas se dispersaran lejos de los pasajeros y los ascensores. Los movimientos de los jinetes podrían arrastrar algunas partículas en sus estelas. Las distribuciones de partículas en la cabina del ascensor no fueron uniformes. La persona que se paró frente al paciente índice tuvo la exposición más alta, y la persona que se paró al lado del paciente índice tuvo la dosis de partículas acumulada más alta debido a la exposición más prolongada.

Comparaciones con otras actividades

Para comprender mejor la verdadera naturaleza del riesgo en un ascensor, el estudio comparó los resultados cuantitativos de la dosis acumulada en escenarios de ascensores con los de otros espacios comunes y actividades asociadas con el trabajo de oficina. Más específicamente, examinamos un autobús con diferentes niveles de calidad del aire y un entorno de oficina. La atención se centra en el riesgo vinculado al flujo de aire, con el intercambio de aire identificado como un factor clave.

La dosis de partículas acumulada en un ascensor bien ventilado con 350 pies³El flujo por minuto fue equivalente a pasar solo 4 minutos en una oficina con 5 ACH de aire limpio. Incluso para un ascensor con ventilación más baja y 55 pies³/ min de flujo, la dosis para el viaje fue la misma que la de 15 minutos en la oficina. El autobús con 10 ACH de aire exterior presentaba un riesgo relativamente bajo, pero el autobús con un 90% de aire recirculado presentaba más de 25 veces el riesgo del ascensor.

Cuando tenemos en cuenta la duración de estas actividades, los ascensores presentan un riesgo significativamente menor en comparación. Como se señaló, el viaje en ascensor promedio dura menos de 2 minutos. Se demostró que un día de 8 h en una oficina o 1 h en un autobús produce dosis acumuladas exponencialmente más altas.

La atención se centra en el riesgo vinculado al flujo de aire, con el intercambio de aire identificado como un factor clave.

Además de los resultados cuantitativos, las comparaciones cualitativas pueden darnos una mejor idea del riesgo relativo de exposición de viajar en un ascensor. La siguiente tabla da una idea general de dónde puede caer el riesgo relativo de un viaje en ascensor con y sin mitigación en un espectro de otras actividades. Sin embargo, cabe señalar que es difícil hacer comparaciones cuantitativas con muchos escenarios diferentes.

Incluso en las simulaciones controladas por computadora, puede haber muchas variables, y tanto el entorno natural como el construido tienen mucha variación, especialmente cuando se combinan con el comportamiento humano.

El riesgo de cenar en un restaurante, por ejemplo, varía según el número de comensales, la proximidad, el tiempo pasado en el espacio y otros factores. Del mismo modo, el riesgo asociado a otras actividades de interior abarca todo el espectro debido a variables relacionadas tanto con el propio entorno como con el comportamiento de los ocupantes.

Aún así, con lo que hemos aprendido, generalmente podemos colocar el uso de un elevador en un riesgo de exposición relativamente bajo a medio: generalmente, una categoría segura comparable a una estadía en una habitación de hotel o una cena al aire libre, según los factores descritos.

Estrategias de mitigación

Aunque los resultados del estudio muestran que los ascensores se encuentran entre los espacios interiores de menor riesgo de infección por COVID-19, se debe considerar cualquier método de mitigación. Esta investigación consideró dos métodos de intervención: uso de mascarillas quirúrgicas y desinfección por NPBI.

Este estudio seleccionó mascarillas quirúrgicas como ejemplo para estudiar el impacto de las mascarillas en la dosis acumulada de personas susceptibles. Supusimos que la eficacia de filtrado de las partículas exhaladas del paciente índice era la misma que la de las partículas inhaladas por los ciclistas susceptibles. Esta investigación utilizó una eficiencia de filtración media del 33% para la mascarilla quirúrgica, según Bowen (2010).

Por lo general, podemos colocar el uso de un ascensor en un riesgo de exposición relativamente bajo a medio; en general, una categoría segura comparable a una estadía en una habitación de hotel o una cena al aire libre, según los factores descritos.

Los resultados indicaron que si todos los ciclistas usaban máscaras quirúrgicas, la dosis se puede reducir en un 50%. Este estudio asumió que un paciente índice tosería una vez al entrar al ascensor. La tos haría que otros ciclistas inhalaran una masa de partículas aproximadamente seis órdenes de magnitud más alta que la respiración continua por parte del paciente índice durante la duración del viaje.

También examinamos el impacto de NPBI como método de purificación del aire de la cabina. La ionización bipolar es una tecnología utilizada para mejorar la calidad del aire y reducir la intensidad de la exposición que cuenta con años de investigación y resultados de pruebas que respaldan su seguridad y eficacia. La ionización bipolar emite partículas cargadas tanto positiva como negativamente que se adhieren y desactivan sustancias nocivas como bacterias, alérgenos, moho, virus, compuestos orgánicos volátiles y otras partículas (Essien, 2017 y Hagbom, 2015).

En el caso de las bacterias y los virus, esta reacción química agota su capacidad de funcionamiento (al causar estrés oxidativo dentro del organismo) y provoca la destrucción física de su capa externa, inactivándolos de manera efectiva. El material particulado se puede eliminar a medida que los iones del aire se adhieren a ellos, lo que hace que se ionicen y, a su vez, atraigan otras partículas cargadas, lo que aumenta la velocidad de sedimentación a través de la gravedad (Kim, 2017).

Nuestro modelo indicó que el uso de NPBI redujo el riesgo de exposición entre un 20 y un 30%, según el tiempo de viaje y las posiciones de los pasajeros dentro del ascensor. Además, el uso de NPBI, combinado con el uso adecuado de máscaras por parte de todos los pasajeros, produjo una reducción del 60-65% en el riesgo relativo.

Conclusiones clave

Esta investigación utilizó un modelo combinado de CFD y multizona para estudiar la transmisión de partículas de COVID-19 en el aire al tomar un ascensor en un edificio de oficinas típico de 35 pisos. El CFD simuló la dispersión de las partículas en el aire exhaladas por un paciente índice al respirar en el ascensor. El modelo multizona se utilizó para calcular el flujo de aire entre los pisos y el hueco del ascensor y el flujo de aire dentro y fuera del ascensor a través de grietas y pequeñas aberturas. El estudio calculó la dosis acumulada de pasajeros susceptibles al tomar ascensores con el paciente índice en diferentes condiciones, como diferente tasa de ventilación, método de suministro de aire, geometría de la cabina del ascensor y método de intervención.

Incluso en las simulaciones controladas por computadora, puede haber muchas variables, y tanto el entorno natural como el construido tienen mucha variación, especialmente cuando se combinan con el comportamiento humano.

Los métodos de intervención estudiados incluyeron el uso de máscaras quirúrgicas por parte de los pasajeros y el uso de tecnología NPBI en el ascensor. Esta investigación también estudió un caso con una única tos del paciente índice cuando el paciente ingresó al ascensor. A modo de comparación, también calculamos la dosis acumulada para los ocupantes que permanecen 8 h en una oficina típica con suministro de aire limpio de 5 ACH y un viaje de 1 h en un autobús con suministro de aire limpio de 10 ACH y suministro de aire de 10 ACH con 90% de aire recirculado. El estudio llevó a las siguientes conclusiones:

• Debido a la corta duración del viaje en ascensor, los ascensores con alta ventilación tenían un riesgo bajo. Para el caso de referencia con 350 pies³/ min tasa de ventilación, la dosis de partículas más alta acumulada por una persona susceptible cercana al paciente índice fue de 1.59.

• Debido a la distribución altamente no uniforme de las partículas en la cabina del ascensor, la dosis acumulada no fue inversamente proporcional a la tasa de ventilación. La dosis se vio afectada por la posición del pasajero en relación con el paciente índice. También descubrimos que una cabina profunda podría atrapar una mayor parte de las partículas dentro del ascensor, y la dirección del suministro de aire tuvo un impacto insignificante en la dispersión de partículas en la cabina del ascensor.

• La dosis en un ascensor bien ventilado con 350 pies³El flujo por minuto fue equivalente a una estadía de 4 minutos en la oficina con un suministro de aire limpio de 5-ACH. Incluso para un ascensor mal ventilado con 55 pies³/ min de flujo, la exposición para el viaje fue la misma que una estancia de 15 minutos en la oficina. El autobús con aire exterior 10-ACH estaba muy limpio, pero el autobús con 90% de aire circulante estaba 25 veces más sucio que el aire del ascensor.

• Los métodos de intervención pueden reducir aún más la exposición. Por ejemplo, mediante el uso de ionización bipolar, la exposición se puede reducir aún más en un 20-30% dependiendo del tiempo de viaje y la posición del pasajero.

• El uso de NPBI combinado con el uso adecuado de la máscara por parte de todos los pasajeros puede reducir aún más la exposición en un 60-65%.

Limitaciones

Esta investigación tuvo las siguientes limitaciones:

• Dado que la simulación numérica de todo el proceso fue muy difícil, este estudio separó todo el proceso en ocho sub-casos y transfirió datos después de cada simulación de sub-caso. Dado que las variables para cada caso podrían no ser exactamente las mismas, es posible que se hayan introducido algunos errores.

• Dado que necesitamos simular personas que caminan, el uso de un modelo de persona con forma real requeriría enormes recursos informáticos. Además, Nielson (2003) encontró que no había una gran diferencia en la transferencia de calor y el flujo entre un modelo de forma real y un modelo simplificado. Por lo tanto, este estudio utilizó una columna rectangular para simular a una persona.

• Asumimos que los sistemas de HVAC en el vestíbulo del piso 1 suministraban aire fresco en el techo y que el vestíbulo estaba conectado con otros espacios. Por lo tanto, las salidas se asignaron en las dos paredes de conexión. Para el caso que simulamos, todas las partículas del paciente índice se movieron hacia arriba y luego a otros espacios. La exposición de todos los demás ciclistas susceptibles fue casi nula. Es posible que esto no siempre sea cierto en la realidad, ya que el tiempo de espera de 30 s fue relativamente largo. No se debe descuidar el impacto de la exposición en los ciclistas susceptibles.

• Este estudio utilizó un grupo de computadoras para realizar las simulaciones CFD. Cada simulación utilizó dos nodos con 24 núcleos de procesador por nodo en CPU Intel Skylake a 2.60 GHz. La memoria por nodo fue de 96 GB. El tiempo promedio de computación para cada sub-caso fue de casi 12 h. Eso significa que cada caso de prueba con ocho sub-casos necesitó casi 100 h de tiempo de cálculo. El esfuerzo computacional fue significativo.

Más áreas de estudio

El proyecto fue una primera fase del estudio de ascensores iniciado por Otis. Después de más de tres meses de investigación por dos posdoctorados a tiempo completo, este proyecto ha logrado los objetivos iniciales. Sin embargo, el equipo de investigación y el comité de revisión ad hoc recomendaron las siguientes áreas para un estudio adicional en el futuro cercano:

• La validación de los resultados de la simulación es fundamental. Sin embargo, debido a la corta duración de este proyecto, solo realizamos simulaciones numéricas para las distribuciones de partículas basadas en nuestra experiencia previa. Debe realizarse una validación experimental de los resultados numéricos.

• Esta investigación consideró dos métodos de intervención: desinfección NPBI y uso de máscaras. Deben examinarse otros métodos, como la oxidación fotocatalítica, la desinfección ultravioleta y el filtrado HEPA.

• Este estudio consideró solo el escenario de respiración y tos. Sin embargo, el diámetro geométrico, el tamaño y la cantidad de partículas generadas al respirar, toser, hablar y estornudar son diferentes. La masa de partículas grandes debidas al hablar, toser y estornudar podría ser varios órdenes de magnitud mayor que la de la respiración. Es importante mejorar el diseño del caso de referencia para poder determinar las dosis de masa acumuladas. Sería posible determinar una probabilidad de riesgo de infección más definitiva trabajando con epidemiólogos y toxicólogos.

• Este proyecto se centró principalmente en partículas en el aire, que la OMS, los CDC y otros expertos han identificado como una causa más probable de riesgo de infección. Sin embargo, existen otros medios de transmisión potencial que no modelamos en este estudio. Por ejemplo, dado que los espacios de los ascensores son muy pequeños, se podrían esparcir gotas grandes a la zona de respiración a través del contacto directo, o se podrían proyectar gotas debido al impulso. Esto debería estudiarse más a fondo.

• Es fundamental considerar el impacto de los diferentes métodos de distanciamiento social, especialmente la posición de frente de los ciclistas con diferente capacidad de carga. El estudio ha descubierto la importancia de las posiciones entre las cabinas normales y profundas.

• Además, el contacto con fómites no debe pasarse por alto en los ascensores. Nuestras simulaciones pueden determinar la deposición de partículas en diferentes superficies, como botones de ascensores y pasamanos. Deberíamos estudiar si la deposición de partículas sería una preocupación para la transmisión de infecciones por contactos de fómites.

• Nuestro estudio asumió que la cabina del ascensor comenzaría en condiciones limpias. Para los ascensores de uso frecuente, es posible que la cabina ya contenga el virus COVID-19. Sería beneficioso estudiar si las cabinas deben desinfectarse antes del próximo servicio y cuánto tiempo lleva ventilar una cabina a condiciones aceptables.

• El estudio actual utilizó tiempos estándar de cierre / apertura de puertas. El intercambio de aire cuando las puertas se abren, incluido el tiempo que permanecen abiertas, debe estudiarse más a fondo. El estudio puede incluir el impacto de pequeñas diferencias de presión entre la cabina y el área de aterrizaje versus la resistencia de los pasajeros. También podría examinar si es mejor hacer un tiro directo a un destino (menos tiempo) o detenerse periódicamente y tener más ventilación cuando hay una persona infectada a bordo.

AGRADECIMIENTOS

Sus autores desean agradecer a muchos colaboradores, nombrados y no nombrados, que ayudaron con este trabajo y continúan apoyando los esfuerzos en curso. Específicamente, el equipo de investigación expresa su agradecimiento a quienes ayudaron a revisar el trabajo, incluidos el Dr. Richard Corsi y el Dr. Elliott Gall de la Universidad Estatal de Portland, el Dr. Darby Jack y la Dra. Faye McNeill de la Universidad de Columbia y el Dr. Yuguo Li de la Universidad. de Hong Kong. Sus críticas y recomendaciones han sido visionarias y harán que la siguiente fase de este estudio sea mucho mejor. También estamos agradecidos con Rob Wheeler, Steve Kempf y Richard Pierce en Otis, quienes brindaron apoyo adicional.

Referencias

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Esteban R. Nichols es ingeniero de sistemas en Otis en su sede de Farmington, Connecticut. Desde marzo de 2020, ha sido el líder de investigación, desarrollo e integración en el grupo de trabajo global multifuncional en Otis centrado en la respuesta a una pandemia. Esto incluye la innovación rápida de cara al cliente, el desarrollo de tecnología y productos, la investigación, la estrategia y los esfuerzos de asociación. Nichols es dos veces ex alumno de la Academia Nacional de Ingeniería Fronteras de Ingeniería y recibió la Beca Gilbreth 2019. Obtuvo títulos en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Tufts y el Instituto Politécnico Rensselaer y un certificado profesional en Ingeniería de Sistemas del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Dra. Sumei Liu es investigador postdoctoral en la Universidad de Tianjin en Tianjin, China. Su tesis doctoral desarrolló modelos avanzados para la simulación precisa del flujo de aire en una comunidad de edificios. Recibió su licenciatura de la Universidad de Hunan en Hunan, China, y trabajó como ingeniera consultora en Built Environment Group en Tianjin antes de realizar su doctorado en la Universidad de Tianjin.

Dra. Xingwang Zhao recibió su licenciatura de la Universidad de Chongqing, China, y su doctorado de la Universidad de Tianjin. Fue profesor invitado e investigador postdoctoral en la Universidad de Purdue antes de unirse a la Universidad del Sureste en Nanjing, China, para su segundo puesto postdoctoral. Su investigación anterior incluyó el estudio y diseño de ambientes interiores térmicos y de calidad del aire utilizando el método adjunto, que busca condiciones de contorno de acuerdo con el objetivo de diseño del ambiente interior.

Dr. James T. Auxier lidera el desarrollo de tecnología global en Otis, enfocado en tendencias tecnológicas emergentes, necesidades comerciales y áreas estratégicas de desarrollo tecnológico. Tiene experiencia en las industrias de sistemas de construcción, aeroespacial y de dispositivos médicos y en asociaciones universitarias y experiencia en investigación, incluidos 15 años centrados en el desarrollo de tecnología aerotérmica. Obtuvo títulos en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Yale, una maestría en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Stanford y un doctorado en Ingeniería Biomédica de la Universidad de Kentucky.

tricia derwinski tiene más de 30 años de experiencia en el desarrollo de sistemas, subsistemas y componentes en Otis. Sus áreas de énfasis incluyen el diseño, integración y desarrollo de carcasas de cabina y techos estructurales, y ventilación forzada y natural. Fue ingeniera principal para la modernización de los ascensores del Empire State Building, así como la directora de sistemas de numerosos edificios emblemáticos y proyectos importantes en todo el mundo. Tiene una licenciatura en ingeniería civil de la Universidad de Washington y una maestría en ingeniería mecánica de la Universidad de Connecticut. Es miembro desde hace mucho tiempo del Comité de Normas de Desempeño de National Elevator Industry, Inc. y del Comité de Normas Internacionales A17 de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), así como participante en varios esfuerzos de la Organización Internacional de Normalización relacionados con la calidad de los ascensores y escaleras mecánicas. .

Dra. Murilo Bonilha es director de arquitectura de sistemas, innovación y modelado en Otis. Antes de unirse a Otis en diciembre de 2019, Bonilha trabajó en United Technologies Corp., donde dirigió programas de I + D sobre ruido y vibración, sistemas de software, electrónica de potencia y modelado de sistemas térmicos y aeroespaciales. También fue director general de los centros de investigación de UTC en China e Irlanda. Es miembro anterior de la junta del Consejo de Edificios Altos y Hábitat Urbano de China y es miembro anterior de la Junta Asesora Industrial del Centro de Investigación de Energía Limpia EE.UU.-China. Bonilha tiene una maestría en arquitectura e ingeniería de sistemas de la Universidad del Sur de California y un doctorado en acústica y vibraciones de la Universidad de Southampton en el Reino Unido.

Dra. Qingyan (Yan) Chen es el profesor James G. Dwyer de Ingeniería Mecánica en la Universidad Purdue en West Lafayette, Indiana, y el editor en jefe de Edificio y medio ambiente. Antes de convertirse en editor en jefe de Edificio y medio ambiente, se desempeñó como editor asociado de Investigación de HVAC & R y fue miembro de los consejos editoriales de otras seis revistas. Chen obtuvo su licenciatura en ingeniería en 1983 de la Universidad de Tsinghua, China, y una maestría en ingeniería y un doctorado en 1988 de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) en los Países Bajos. Realizó su investigación postdoctoral como científico investigador en el Instituto Federal Suizo de Tecnología y trabajó como director de proyectos para TNO en los Países Bajos. Antes de unirse a la Universidad de Purdue, fue miembro de la facultad de TU Delft y del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Ha publicado tres libros y más de 470 artículos en revistas y conferencias, y ha sido invitado a impartir más de 170 conferencias a nivel internacional.