COVID-19: onderzoek naar verspreiding van aerosolen in klaslokalen
Open ramen bieden geen garantie voor voorkomen hoge aerosolconcentraties in klaslokalen
Hoge niveaus van besmettelijke aerosoldeeltjes kunnen zich tijdens een les in een klaslokaal ophopen, zelfs met de ramen open. Dat is de conclusie van een onderzoek van de binnenklimaatexperts van WOLF GmbH, uitgevoerd met steun van de TU Berlijn. "In de lucht zwevende deeltjes verspreiden zich snel door een ruimte en kunnen door de ramen met regelmatige tussenpozen volledig te openen effectief worden gereduceerd ", aldus Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, hoofd van het Hermann Rietschel-Instituut. " In de praktijk zou dit al gauw betekenen dat de lessen worden verstoord.
De voordelen van het gebruik van mechanische ventilatie ten opzichte van raamventilatie
Tijdens het onderzoek werd gekeken naar de verspreiding van aerosolen in een klaslokaal (ca. 60 m²) op een zomerse ochtend met een buitentemperatuur van ca. 20 °C. Het gesimuleerde lokaal werd bezet door een leraar en 24 leerlingen, van wie er één besmet was met het coronavirus. In overeenstemming met het wetenschappelijk advies werden de ramen in het lokaal lichtjes opengelaten en vervolgens na 20 minuten volledig geopend. Op basis van een emissie van 50 deeltjes per seconde duurde het slechts vijf minuten voordat de aerosoldeeltjes van de geïnfecteerde persoon zich door de hele ruimte konden verplaatsen. Deze emissiesnelheid geldt bij een neusademhaling en zou veel hoger zijn als de geïnfecteerde persoon zou spreken, niezen of hoesten.
Het onderzoek bracht de verspreiding van deeltjes in de lucht in kaart met behulp van een gesimuleerd gas dat de beweging van de lucht in het klaslokaal nauwlettend volgde. Het volume van de besmette lucht nam toe naarmate de afstand tussen de besmette persoon en het open raam groter werd en bereikte meer dan 900 besmette deeltjes per m³ in delen van de klas. Het volledig openen van alle ramen gedurende vijf minuten zorgde voor voldoende luchtverversing (15 luchtwisselingen per uur) om de concentratieniveaus terug te brengen tot minder dan 100 deeltjes per m³, waardoor het risico op besmetting tot een minimum werd beperkt. De deeltjesconcentratie steeg echter weer volgens hetzelfde patroon toen de ramen in de kantelstand werden gezet. "De simulatie toonde aan dat een lichte opening van de ramen een vrij lage luchtverversingssnelheid geeft. Het is effectiever om de ramen volledig te openen", legt Prof. Dr. Ing. Kriegel uit. Zelfs bij relatief kleine veranderingen van parameters zoals de windsnelheid, het jaargetijde of het verschil tussen de binnen- en buitentemperatuur kan de deeltjesconcentratie ver boven de in de simulatie waargenomen waarden uitstijgen.
Wetenschappers zijn momenteel niet zeker hoeveel besmettelijke deeltjes er nodig zijn om iemand te besmetten met het coronavirus. Het is echter bekend dat het risico op besmetting toeneemt in verhouding tot de deeltjesconcentratie. In het onderzoek is ook gekeken naar de aërosolverspreidingsniveaus in een klaslokaal met permanent gesloten ramen, uitgerust met een ventilatie-unit met warmteterugwinning. In dit scenario werd met een hoeveelheid van 800 m³ per uur verse lucht naar de ruimte gevoerd en werd er continu vervuilde lucht afgezogen. Onder deze omstandigheden werd de lucht in het klaslokaal meer dan 4 keer per uur volledig ververst. Er zijn ook centrale ventilatiesystemen voor meerdere klaslokalen beschikbaar met bijvoorbeeld een capaciteit van ruim tienduizend kubieke meter lucht per uur. Deze ventilatiesystemen zorgen ervoor dat de binnenlucht gelijkmatig wordt ververst en verminderen hoge concentraties besmettelijke deeltjes aanzienlijk. Ze zorgen er ook voor dat de ramen van het klaslokaal op regelmatige tijdstippen niet volledig geopend hoeven te worden, wat een grote hoeveelheid tochtverschijnselen en temperatuurschommelingen kan veroorzaken. Daarnaast beschermen de filters de binnenlucht tegen fijnstof en pollen.
Raamventilatie leidt tot onveilige CO²-niveaus
In het onderzoek is ook gekeken naar de veranderingen in de temperatuur en het CO²-niveau in de klas tijdens een les. Het niveau van de koolstofdioxide in de buitenlucht is ongeveer 400 ppm. Binnenshuis worden niveaus tot 1000 ppm (= parts per million) als veilig beschouwd, waarbij echter voor een zeer goed binnenklimaat een niveau tot maximaal 800 ppm wordt aanbevolen. Bij hoge concentraties beginnen mensen zich slaperig en onwel te voelen, het kan zelfs hoofdpijn veroorzaken. Mensen kunnen zich moeilijk concentreren en leerprestaties worden negatief beïnvloed. Door de continue toevoer van verse lucht uit de ventilatie-unit werd het CO²-niveau gedurende 45 minuten op maximaal 950 ppm gehouden. Wanneer er uitsluitend gebruik werd gemaakt van raamventilatie, berekende de simulatie CO²-niveaus tot 1300 ppm.
Er werd een permanente warmtebelasting van 2500 W berekend voor de personen en apparatuur in het klaslokaal. Hierdoor nam de gesimuleerde temperatuur in korte tijd toe tot 24 °C, ondanks dat de ramen gedeeltelijk open waren. Het volledig openen van de ramen gedurende vijf minuten verlaagt het comfortniveau voor de personen door de koude tocht. Verhoogde activiteiten in het klaslokaal of een hogere buitentemperatuur kunnen leiden tot oncomfortabele pieken in de binnentemperatuur. Ten behoeve van de simulatie voert de ventilatie-unit de lucht in bij dezelfde temperatuur als de buitenlucht (isotherm / 20 °C) om de temperatuur constant en aangenaam te houden. Desgewenst kunnen ventilatiesystemen worden uitgerust met verwarmings- of koelbatterijen om de temperatuur van de lucht te regelen.
Vooral in de komende herfst- en wintermaanden zal het een grote uitdaging zijn om scholen goed te ventileren. Het verlagen van de temperatuur tot een aangename 20 °C is de belangrijkste hindernis bij warm weer. Bij koud weer zullen scholen te maken krijgen met een verminderd comfortniveau en een sterke stijging van de energierekening om de klaslokalen behaaglijk te houden. Ventilatie-units met warmteterugwinning zijn een manier om de energiebehoefte aanzienlijk te verminderen, met name in het licht van de klimaatdoelstellingen voor 2030. Ventilatie-units met warmteterugwinning bieden ecologische en economische voordelen ten opzichte van raamventilatie door tot 90 procent van de gebruikte energie voor koeling of verwarming terug te winnen.
Tijdens het onderzoek wordt ook de functie van verplaatsbare luchtzuiveringsinstallaties besproken. Deze maken gebruik van verschillende technologieën om virussen te filteren uit de lucht die binnenshuis circuleert of ze te inactiveren. Ze zijn echter geen vervanging voor een ventilatiesysteem en hebben geen invloed op de kwaliteit van de lucht. Ze zijn niet in staat om de relatieve luchtvochtigheid, het CO2-gehalte of de temperatuur te regelen of te verbeteren.
Dit onderzoek toont duidelijk aan dat, als je de richtlijnen voor raamventilatie volgt, er veel extra werk en opofferingen nodig zijn om de noodzakelijke luchtverversing te bereiken, vooral in de huidige situatie waarin de hygiëneniveaus zo belangrijk zijn. Het gebruik van een ventilatie-unit met warmteterugwinning voor een passende luchtverversing kan zowel CO2 als het aantal aërosolen tot een redelijk niveau reduceren en het comfort waarborgen.
Hermann Rietschel instituur aan de TU Berlijn
Het Hermann Rietschel Instituut aan de TU Berlijn heeft een lange geschiedenis van onderzoek naar de verspreiding van onzuiverheden in de lucht in binnenruimten. Sinds de uitbraak van COVID-19 onderzoekt het instituut onder leiding van Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel de transmissieroutes en de halfwaardetijd van het virus onder verschillende omstandigheden. Deze simulatie is uitgevoerd in samenwerking met het onderzoeksteam.