Luftstrom und Aufzüge

Höhepunkte einer Luftstromstudie, die durchgeführt wurde, um das relative Risiko einer COVID-19-Exposition bei Aufzugspassagieren zu bestimmen

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

Aufzüge spielen eine wesentliche Rolle, um jeden Tag Menschen auf der ganzen Welt in Bewegung zu halten. Die globale COVID-19-Pandemie hat jedoch einige Bedenken hinsichtlich des relativen Infektionsrisikos in gemeinsam genutzten Gemeinschaftsräumen, einschließlich Aufzügen, aufkommen lassen. Zu Beginn der Pandemie tauchten sowohl in populären als auch in wissenschaftlichen Veröffentlichungen Geschichten auf, die Fragen zum Fahren in Aufzügen aufwarfen, basierend auf dem Verständnis der Übertragung in der Luft als einem kritischen Mittel der Krankheitsausbreitung und zumindest teilweise der falschen Wahrnehmung, dass Aufzugskabinen versiegelte Räume mit eingeschränkter Luftstrom.

Studienübersicht
Ein Verständnis der Aufzugssysteme, der Belüftung und des Designs sowie der Art von COVID-19 legt nahe, dass das relative Expositionsrisiko in Aufzügen im Vergleich zu vielen anderen öffentlichen Räumen geringer ist. Es berücksichtigt jedoch nicht die Dynamik bestimmter Situationen, einschließlich Fahrgastfluss, Belüftungsraten, Kabinengrößen und Minderungsstrategien, die Masken und Luftreinigung umfassen.

Um die wahren Auswirkungen dieser Dynamik zu verstehen, beauftragte Otis ein Team der Purdue University mit der Durchführung einer Studie, die sich auf das Verständnis der relativen Exposition gegenüber COVID-19 in Aufzügen konzentriert. Die Studie konzentrierte sich auf den Luftstrom und untersuchte die Auswirkungen von Belüftungsraten und -arten, Reinigungstechnologien und Interventionen, einschließlich Masken in Aufzugsumgebungen.

Aufzüge sind in der Tat gut belüftete Räume. Laut Code müssen Aufzüge Öffnungen zur Belüftung haben. Zusammen mit den in Aufzügen üblichen Ventilatoren sorgen diese Öffnungen für einen hohen Luftaustausch. Die Expositionszeit gegenüber der Luft und anderen Personen in einem Aufzug ist auch aufgrund der kurzen Dauer der Aufzugsfahrt begrenzt – im Durchschnitt weniger als 2 Minuten für die höchsten Gebäude und in der Größenordnung von 30 s für viele Fahrten. Obwohl dieses Wissen und eine einfache Analyse darauf hindeuten, dass die Übertragung von Aerosolen und Partikeln in der Luft in Aufzügen im Vergleich zu vielen anderen öffentlichen Räumen viel geringer ist, berücksichtigt es nicht die Dynamik bestimmter Situationen, einschließlich Fahrgastfluss, Belüftungsraten, Kabinengrößen und Minderungsstrategien, einschließlich Masken und Luftreinigung.

Jedes Fahrszenario mit Aufzügen ist anders, mit mehreren Variablen, die für die Bewegung von Personen, Luft und Aufzügen wichtig sind. Otis hat eine Forschungsstudie zum Luftstrom in Aufzügen in Auftrag gegeben, um die Auswirkungen dieser Dynamik zu verstehen und unsere Kunden und das Fahrpublikum mit wissenschaftlich fundierten Informationen und Lösungen zu unterstützen. Die Studie konzentrierte sich auf das Verständnis des relativen Risikos einer COVID-19-Exposition in Aufzügen. Wir haben uns auf den Weg gemacht, um zu erfahren, wie sich Eindämmungsstrategien und andere Faktoren auf die Nutzung von Aufzügen während der Pandemie auswirken. Genauer gesagt führte das Forschungsteam die Studie durch, um:

• Bewerten Sie das Übertragungsrisiko von Partikeln in der Luft, die mit SARS-CoV-2 (dem Virus, das die Krankheit COVID-19 verursacht) infiziert ist, wenn Sie einen Aufzug nehmen

• Untersuchen Sie verschiedene Aufzugskonstruktionsparameter – einschließlich der Ventilatordrehzahl – die einen großen Einfluss auf das Expositionsrisiko haben könnten

• Identifizieren Sie die Auswirkungen von Minderungsstrategien und -methoden

• Vergleichen Sie das Expositionsrisiko eines Aufzugs mit dem anderer umschlossener Räume, z. B. eines Büros oder eines Stadtbusses

Bei der Untersuchung wurden Mehrzonenmodellierung verwendet, um den Luftstrom zwischen Zonen über die Gebäudehülle hinweg zu simulieren, und computergestützte Fluiddynamik, um die Partikeldispersion während einer 2-minütigen Aufzugsfahrt im Vergleich zur aufgewendeten Zeit zu simulieren

in anderen Gemeinschaftsräumen. Für die Fahrt mit dem Aufzug haben wir mehrere Szenarien modelliert, einschließlich der Partikelverteilung beim Öffnen der Türen beim Ein- und Aussteigen der Fahrgäste.

In Verbindung mit dem, was wir bereits über die Konstruktion und den Betrieb von Aufzügen wissen, zeigen die Ergebnisse der Studie, dass das Fahren in einem Aufzug eine relativ risikoarme Aktivität ist. Die Forschung hat gezeigt, dass das Expositionsrisiko umso geringer ist, je höher der Luftaustausch ist, wie er beispielsweise von Aufzugsventilatoren mit höherem Durchfluss bereitgestellt wird. Bei der Betrachtung der relativen Risiken zwischen üblichen Indoor-Aktivitäten ergab die Studie, dass die Aufzugsfahrt mit einer kurzen Zeit in einem Büro oder Bus vergleichbar ist. Betrachtet man jedoch die längere durchschnittliche Aufenthaltsdauer in einem Bus oder Büro im Vergleich zu einer Fahrt mit dem Aufzug, konnten wir ein deutlich geringeres relatives Expositionsrisiko in einem Aufzug feststellen.

Darüber hinaus wurde gezeigt, dass Minderungsstrategien das Risiko noch weiter reduzieren. Die richtige Verwendung der Maske halbierte das potenzielle Risiko, die Luftreinigung durch bipolare Nadelionisation (NPBI) reduzierte das Risiko um 20-30% und die Kombination der beiden Strategien führte zu einer 60-65%igen Reduzierung der relativen Exposition. (Für Vergleichsdetails und weitere Informationen siehe Grafik auf S. ) Während die Berechnungen selbst nicht variieren, sind die Ergebnisse der Berechnungen do variieren, je nach Fahrzeit und Position der Fahrer im Aufzug.

Risikobewertung und das neuartige Coronavirus

Während die Welt weiterhin durch die Pandemie navigiert und die Gesellschaften nach Wegen suchen, Aspekte des täglichen Lebens wieder aufzunehmen, erkennen Experten aller Disziplinen, dass es keine „Wunderwaffe“ gibt. Ein risikobasierter, wissenschaftlich fundierter Ansatz ist erforderlich, um angemessene Kontrollmaßnahmen für jede Situation zu empfehlen (Defile, 2020). Das Risikoniveau basiert auf der Intensität, Häufigkeit und Dauer der Exposition. Für jede Anwendung kann das Ausmaß der Exposition durch luftgetragene Mittel oder physischen Kontakt unterschiedlich sein. Nicht alle Anwendungen lassen sich ohne eine Kombination von Techniken und unterschiedlichen Disziplinen leicht vergleichen.

Durch einen risikobasierten Ansatz sind wir in der Lage, Elemente einer mehrschichtigen Strategie zu bestimmen und zu priorisieren, die sowohl Verhaltens- als auch Technologieempfehlungen mit jeweils unterschiedlicher Effektivität und Störung umfasst.

Diese allgemeinen Grundsätze gelten für Aufzüge. Da wir Bedenken hinsichtlich des relativen Expositionsrisikos in einem Aufzug ausräumen möchten, müssen mehrere Faktoren und Szenarien abgewogen werden, um eine Reihe positiver Ergebnisse und Lösungen für Otis-Kunden und das Fahrpublikum zu erzielen. Wir müssen nicht nur die Dynamik des Aufzugs berücksichtigen, sondern auch die Gebäudeumgebung und das Verhalten der Menschen. Das Verständnis des relativen Risikos und die Integration verschiedener Ebenen von Kontrollmethoden und -lösungen sind von entscheidender Bedeutung.

Bei der Betrachtung von Reaktionen auf die aktuelle Pandemie konzentrieren sich diese Lösungen hauptsächlich auf vier Schlüsselbereiche:

1. Personen- und Aufzugsbewegung
2. Anleitung für sicheres Fahren
3. Begrenzung des Expositionsrisikos
4. Fortschrittliche Technologielösungen

Zusätzliche Überlegungen werden durch die vertikale Bewegung des Aufzugs, das Öffnen und Schließen von Türen und die Bewegung von Personen in und aus den Aufzügen getrieben, alles innerhalb eines relativ kleinen Gehäusevolumens. Darüber hinaus müssen diese Faktoren im Zusammenhang mit dem gesehen werden, was die Wissenschaft uns über die Verbreitung von COVID-19 durch die Luft sagt.

Untersuchung der COVID-19-Übertragung

Die Weltgesundheitsorganisation (WHO), die Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten (CDC) und andere Experten weisen auf mehrere Übertragungswege für SARSCoV-2 hin.

Neue wissenschaftliche Erkenntnisse und Beweise scheinen zu belegen, dass die Übertragung über die Luft kritischer sein kann als die Übertragung von der Oberfläche zur Oberfläche (WHO und Mandavilli, 2020). Mit der zunehmenden Betonung der Übertragung durch die Luft nimmt die Betonung der Luftqualität und des Luftstroms in Innenräumen weiter zu.

Die Übertragung über die Luft entweder über große Tröpfchen oder kleine Aerosole hängt von der Partikelgröße und der eingeatmeten Menge ab. In verschiedenen Situationen werden unterschiedliche Mengen an Partikeln ausgeatmet. Beim Atmen werden weniger und kleinere Partikel verteilt als beim Husten. Die Zeit, die man mit Atmen, Husten oder Sprechen verbringt, ist wichtig, ebenso wie die Entfernung und Dauer, die man in unmittelbarer Nähe zu einer Person verbracht hat, und der Luftstrom, wie sich die Partikel im Weltraum bewegen. Die Intensität der Ausatmung, die Dauer, in der Sie sich in der Nähe einer infizierten Person aufhalten, und die Häufigkeit des Kontakts können alle zum relativen Risiko einer Ausbreitung der Infektion beitragen. Eine aktuelle Studie zeigt, dass die Viruskonzentration in Partikeln unterschiedlicher Größe unterschiedlich ist. Beispielsweise sind die Viruskonzentrationen in den feineren Partikeln, die tief in der Lunge und im Rachen entstehen und durch Husten ausgeschieden werden können, typischerweise höher. Umgekehrt bestehen die beim Sprechen erzeugten Partikel hauptsächlich aus Speichel, der einen geringeren Virusgehalt enthalten kann.

Es ist nicht nur die Anzahl der Partikel in der Luft, sondern auch die Auswirkung darauf, wohin diese Partikel gelangen und ob sie eingeatmet werden und sich entweder im oberen oder unteren Teil Ihrer Lunge befinden. Wir können die Partikel und die Luft modellieren, müssen aber auch die relative akkumulierte Dosis der Partikel für eine Person in verschiedenen Szenarien berücksichtigen. Es reicht nicht unbedingt aus, den Luftstrom allein zu untersuchen; Das dynamische Verständnis der Konzentration und Verteilung der potenziell infizierten Partikel zu verschiedenen Zeiten in verschiedenen Situationen ermöglicht uns eine genauere Risikoeinschätzung.

Viele Schnellanalysen können perfekt gemischte Luft betrachten und die Situation vereinfachen. Die gemeinsame Analyse der Bewegung von Luft, Personen und Aufzug liefert jedoch mehr Details. Für eine vollständige Analyse könnten weitere Arbeiten eine detaillierte Untersuchung der Übertragung von Oberfläche zu Oberfläche oder von Fomite (gelandete Viruspartikel) umfassen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Übertragung des Virus durch die Luft und die Ausbreitung des Virus zu analysieren, indem Techniken aus Bereichen wie öffentliche Gesundheit und Medizin, Ingenieurwesen, Mathematik und Statistik sowie Netzwerktheorie verwendet werden.

Aufzüge verstehen

Bei der Untersuchung des relativen Risikos einer COVID-19-Exposition in Aufzügen weist uns die Wissenschaft zur Übertragung von Partikeln in der Luft darauf hin, uns auf den Luftstrom zu konzentrieren. Obwohl sie relativ klein sind, sind moderne Aufzugskabinen gut belüftete Räume mit Systemen für eine häufige Luftzirkulation.

Aufzüge haben erforderliche Belüftungsstandards. Durch den Code sind Öffnungen für natürliche Konvektion erforderlich, und die meisten Aufzüge haben Ventilatoren oder können leicht mit Ventilatoren nachgerüstet werden. Aufzugslüfter sind oft so bemessen, dass sie einen Luftwechsel pro Minute ermöglichen. Luftwechsel pro Stunde (ACH) sind ein Maß für die Luftmenge, die einem Raum in 1 h zugeführt oder entnommen wird, dividiert durch das Raumvolumen. Höhere Werte entsprechen einer besseren Belüftung.

Gemäß der nordamerikanischen Aufzugsordnung müssen Kabinen 3.5 % der Plattformfläche als Belüftungsöffnungen für Konvektionszwecke bereitstellen (American Society of Mechanical Engineers, 2019). Der europäische Code EN 81-1, der in weiten Teilen der Welt angewendet wird, erfordert eine Belüftung von 2 %, was immer noch eine beträchtliche Anzahl von Öffnungen darstellt, unabhängig von der Kabinenkonfiguration (British Standards Institution, 2014).

Ein System im System

Bei der Betrachtung einer Aufzugsfahrt berücksichtigen wir die Luft und den Raum, den der Fahrgast in der Kabine selbst, dem Schacht oder Schacht und den anderen Teilen des Gebäudes vorfindet, in denen sich Menschen bewegen. Die Öffnung für den Ventilator und die Öffnung um die Türen dürfen in die Berechnung einfließen. Diese Öffnungen bieten Ein- und Auslässe für die konvektive Übertragung des passiven Luftstroms und helfen, wenn eine aktivere Belüftung vorhanden ist. Abhängig von der Komplexität des Gebäudes zusätzliche Faktoren, einschließlich Druckbeaufschlagung; Überlegungen zum Feuer; und anspruchsvollere Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC)-Systeme; und Luftbewegungen zwischen Aufzug und Lobby oder Etagen an verschiedenen Haltestellen sollten ebenfalls berücksichtigt werden.

Einführung in die Luftstrommodellierung

Der Luftstrom ist komplex. Es kann in einem Computer modelliert werden und durch Messen des tatsächlichen Luftstroms in einem Experiment. Computermodellierung wird häufig empfohlen, um mehrere Szenarien und Variablen schnell zu untersuchen. Die in dieser Studie verwendeten Computermodellierungs- und numerische Simulationsmethoden sind auf dem neuesten Stand der Wissenschaft.

Für einen einzelnen geschlossenen Raum ist Computational Fluid Dynamics (CFD) das leistungsstärkste Werkzeug zur Modellierung von Luftströmungen und Schadstoffen. CFD ist weit verbreitet, weil es informative und genaue Ergebnisse des transienten Partikeltransports in geschlossenen Umgebungen liefern kann. Die CFD-Modellierung zum Schadstofftransport besteht aus zwei Teilen: Luftstrommodellierung und Partikel-/Partikelmodellierung.

Um Informationen über die Luftstromverteilung zu erhalten, löst CFD numerisch einen Satz partieller Differentialgleichungen zur Erhaltung von Masse, Impuls (Navier-Stokes-Gleichungen), Energie- und Turbulenzgrößen. Die Lösung umfasst die Verteilungen von Luftgeschwindigkeit, Druck, Temperatur, Turbulenzparameter und Schadstoffkonzentration.

Um die Aufzugsumgebung am besten zu simulieren, haben wir ein Mehrzonenmodell verwendet, da es auf mehrere Räume angewendet wird, die mit Öffnungen wie Türen, Fenstern und Rissen verbunden sind. Die Mehrzonenmodelle gehen auch davon aus, dass jede Zone ein gut durchmischter Raum ist. Obwohl die Annahme, dass eine gleichmäßige Luftverunreinigungskonzentration in einer Zone nicht gültig ist, möglicherweise nicht gültig ist, reicht sie aus, um einen Luftstrom durch Risse zwischen einer Aufzugskabine und einem Aufzugsschacht und zwischen einem Aufzugsschacht und Vorhallen zu simulieren. Dies liegt daran, dass die Unsicherheiten in diesen großen Räumen sehr hoch sind. Der Luftstrom durch die kleinen Öffnungen ist wichtiger als die Gleichmäßigkeit der Viruskonzentrationsverteilung.

Reynolds-gemittelte Navier-Stokes (RANS)-Modelle sind die beliebtesten CFD-Modelle. RANS-Modelle lösen die mittleren Luftvariablen wie Luftgeschwindigkeit und Temperatur und modellieren Turbulenzeigenschaften durch Lösen von Turbulenztransportgleichungen. Für die Modellierung von Luftströmungen in Innenräumen, Zhang et al (2007) empfahl den RNG k- Modell nach Überprüfung und Vergleich vieler Modelle. Dieses Modell wurde für die vorliegende Studie ausgewählt.

Obwohl diese Forschung keine experimentellen Messungen umfasste, basierte die numerische Simulationstechnik auf validierten Werkzeugen. Zum Beispiel haben wir das Lagrange-Modell in CFD verwendet, um die Partikeldispersion in einem Reinraum (Murakami et al, 1992). Wir haben auch die simulierten und gemessenen Partikelkonzentrationsverteilungen verglichen. Die Ergebnisse der Lagrange-Berechnung basierten auf einer Stichprobengröße (dh der Anzahl der Trajektorien) von 100,000. Die Ergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Daten überein.

Die Lagrange-Partikelverfolgungsmethode könnte Unsicherheit in Partikelkonzentrationsberechnungen einbringen. Wenn die Partikelanzahl niedrig ist, ist die vorhergesagte Partikelkonzentration aufgrund der im Modell verwendeten Zufallsfaktoren möglicherweise keine stabile Lösung. Dies zeigt sich in den Ergebnissen dieses Projekts.

Methodik der Studienmodellierung

Unter Verwendung der oben beschriebenen Mehrzonen-Computermodellierung und numerischer Simulationsmethoden untersuchte die Studie das potenzielle Expositionsrisiko durch die Simulation verschiedener Fahrstuhlfahrten.

Um den gesamten Prozess beim Fahren mit einem Aufzug zu betrachten, haben wir ein Fahrstuhl-Szenario in einem Geschäftshaus mit 35 Stockwerken angenommen. Von den sechs Mitfahrern verließen zwei Mitfahrer den Aufzug auf der 10. Etage, zwei weitere auf der 20. Etage und die anderen zwei auf der 35. Etage. Einer der beiden auf der 35. Etage war ein Indexpatient, im Folgenden rot dargestellt Abbildung. Die längste Fahrt dauerte ungefähr 2 Minuten.

Diese typische Gebäude- und repräsentative Aufzugfahrt ermöglichte es uns, Variablen zu isolieren und festzustellen, dass die genauen Details der Aufzugsgeschwindigkeit oder des Fahrweges nicht so wichtig waren wie die Gesamtzeit in jedem Raum.

Bei dieser Untersuchung wurde das Mehrzonenmodell ContamW verwendet, um den Luftstrom durch Risse zwischen einer Aufzugskabine und einem Schacht sowie zwischen einem Aufzugsschacht und Vorhallen zu simulieren. Die Ergebnisse der Mehrzonen-Luftstrommodellierung wurden als Teil der thermofluidischen Randbedingungen für detaillierte Simulationen der Übertragung von COVID-19-Viruspartikeln für die Aufzugsfahrt verwendet. Die detaillierten Simulationen verwendeten die zuvor beschriebene CFD-Technik mit der Lagrange-Methode zur Partikeldispersion. Die Simulationen der 2-minütigen Aufzugsfahrt wurden weiter in acht Unterfälle unterteilt, um die Änderungen der Strömungsdomänen bei der Aufzugsfahrt zu berücksichtigen. Die Partikel- und Luftstromverteilungen des vorherigen Teilfalls wurden als Anfangsbedingungen des aktuellen Teilfalls verwendet, um eine reibungslose Übertragung der Daten für genaue Simulationen der Partikelübertragung in der Aufzugsfahrt zu gewährleisten. Der verwendete CFD waren Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Gleichungen mit dem RNG k- Turbulenzmodell, das im Computerprogramm ANSYS Fluent erstellt wurde. ANSYS Fluent ist einer der anspruchsvolleren verfügbaren CFD-Codes und wird häufig für erweiterte Computersimulationen verwendet.

[Ein] typisches Gebäude und eine repräsentative Aufzugsfahrt ermöglichten es uns, Variablen zu isolieren und festzustellen, dass die genauen Details der Aufzugsgeschwindigkeit oder des Fahrweges nicht so wichtig waren wie die Gesamtzeit in jedem Raum.

Diese Untersuchung berücksichtigte hauptsächlich die Übertragung von Schwebstoffen, die durch die Atmung des Indexpatienten erzeugt wurden. Jeder Atemzyklus dauerte 4 s und erzeugte 525 Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0.4 µm. Die Forschung untersuchte auch einen Hustenfall, bei dem der Indexpatient beim Betreten des Aufzugs einmal hustete. Der Einfluss verschiedener Aufzugsdesignparameter auf die Partikelübertragung wurde ebenfalls untersucht:

• Belüftungsrate von 350 ft³/min, 150 Fuß³/min und 55 ft³/min und Infiltrationsrate von 36 ft³/ Min

• Luft einblasen und Luft ausblasen

• Breite Aufzugskabine und tiefe Aufzugskabine

Da die Studie als Bewertungskriterium Partikelanzahl bzw. Partikelmasse verwendet, die von anfälligen Fahrern eingeatmet werden, konnte das absolute Risiko nicht dargestellt werden. Daher haben wir die Exposition gegenüber den Partikeln bei der Aufzugsfahrt mit der in einem Büro und einem Bus verglichen.

Diese Studie untersuchte Partikelquellen, die von einem Indexpatienten durch Atmung und Husten erzeugt wurden. Für die Atmung wurde in der numerischen Simulation eine durchschnittliche Partikelgröße von 0.4 µm Durchmesser verwendet, mit 525 Partikeln pro Atemzyklus. Jeder Atemzyklus dauerte 4 s.

Beim Husten wurden in dieser Studie 16 verschiedene Partikelgrößen und -zahlen verwendet, wie in der Abbildung unten gezeigt (Chao et al, 2009). Die Gesamtpartikelzahl pro Husten betrug 1,951. Außerdem wurden von Gupta . Strömungsrandbedingungen für das Atmen durch die Nase und das Husten durch den Mund et al (2011).

Studienergebnisse

Die Studienergebnisse zeigen, dass Aufzugfahrten eine relativ risikoarme Aktivität sind. Der hohe Luftaustausch in einem Aufzug senkt das Expositionsrisiko und ist vergleichbar mit einer kurzen Verweildauer im Büro oder Bus. Minderungsstrategien wie Masken und Luftreinigung mit NPBI zeigten eine weitere Risikoreduzierung.

Belüftung und Exposition

Aufgrund der kurzen Dauer der Aufzugsfahrt stellten Aufzüge mit hohen Lüftungsraten ein geringeres Expositionsrisiko dar. Obwohl beim Atmen kontinuierlich Partikel erzeugt wurden, waren Anzahl und Größe der Partikel geringer als bei Husten. Die akkumulierte Partikelmassendosis der anfälligen Reiter für den Hustenfall ist bis zu sechs Größenordnungen höher als die für den Atemfall.

Je höher die Beatmungsrate, desto geringer könnte die akkumulierte Dosis sein. Dies war jedoch nicht immer der Fall, da in einigen Fällen die ungleichmäßige Verteilung der Partikel auch bei höherer Beatmungsrate zu einer höheren Dosis führen konnte. Eine tiefe Kabine könnte die Partikel im Aufzug einfangen. Auch die Luftzufuhrrichtung hatte einen Einfluss auf die Partikelverteilung in der Aufzugskabine.

Die Belastung durch die Partikel in der Gebäudelobby der Etage 1 war in diesem Fall gering, da die Belüftung der HLK-Anlage und die Wärmefahnen der Mitfahrer dazu führen würden, dass sich die Partikel von den Mitfahrern und Aufzügen weg zerstreuen. Die Bewegungen der Fahrer könnten einige Partikel mitreißen. Die Partikelverteilungen in der Aufzugskabine waren sehr ungleichmäßig. Die Person, die vor dem Indexpatienten stand, hatte die höchste Exposition, und die Person, die auf der Seite des Indexpatienten stand, hatte die höchste akkumulierte Partikeldosis aufgrund der längsten Exposition.

Vergleiche mit anderen Aktivitäten

Um die wahre Natur des Risikos in einem Aufzug besser zu verstehen, verglich die Studie die quantitativen Ergebnisse der akkumulierten Dosis in Aufzugsszenarien mit denen in anderen üblichen Räumen und Aktivitäten im Zusammenhang mit Büroarbeit. Konkret haben wir einen Bus mit unterschiedlicher Luftqualität und eine Büroumgebung untersucht. Der Fokus liegt auf dem mit dem Luftstrom verbundenen Risiko, wobei der Luftaustausch als Schlüsselfaktor identifiziert wurde.

Die akkumulierte Partikeldosis in einem gut belüfteten Aufzug mit 350 ft³Der Durchfluss pro Minute entsprach einem Aufenthalt von nur 4 Minuten in einem Büro mit 5 ACH sauberer Luft. Auch für einen Aufzug mit niedrigerer Belüftung und 55 ft³/min Flow, die Dosis für die Fahrt entsprach 15 min im Büro. Der Bus mit 10 ACH Außenluft war relativ risikoarm, aber der Bus mit 90 % Umluft stellte mehr als das 25-fache des Aufzugsrisikos dar.

Berücksichtigt man die Dauer dieser Aktivitäten, werden Aufzüge im Vergleich deutlich risikoärmer. Wie bereits erwähnt, dauert die durchschnittliche Fahrt mit dem Aufzug weniger als 2 Minuten. Es zeigte sich, dass ein 8-stündiger Tag im Büro oder 1 Stunde im Bus exponentiell höhere akkumulierte Dosen ergab.

Der Fokus liegt auf dem mit dem Luftstrom verbundenen Risiko, wobei der Luftaustausch als Schlüsselfaktor identifiziert wurde.

Neben quantitativen Ergebnissen können uns qualitative Vergleiche ein besseres Gefühl für das relative Expositionsrisiko beim Fahren in einem Aufzug geben. Die folgende Tabelle gibt einen allgemeinen Eindruck davon, wo das relative Risiko einer Aufzugsfahrt mit und ohne Risikominderung auf ein Spektrum anderer Aktivitäten fallen kann. Es ist jedoch zu beachten, dass quantitative Vergleiche mit vielen verschiedenen Szenarien schwierig sind.

Selbst in kontrollierten Computersimulationen kann es viele Variablen geben, und sowohl die natürliche als auch die gebaute Umgebung weisen viele Variationen auf, insbesondere wenn sie mit menschlichem Verhalten kombiniert werden.

Das Risiko, in einem Restaurant zu speisen, hängt beispielsweise von der Anzahl der Gäste, der Nähe, der im Raum verbrachten Zeit und anderen Faktoren ab. In ähnlicher Weise erstreckt sich das mit anderen Indoor-Aktivitäten verbundene Risiko aufgrund von Variablen, die sich sowohl auf die Umgebung selbst als auch auf das Verhalten der Bewohner beziehen, über das gesamte Spektrum.

Dennoch können wir mit dem, was wir gelernt haben, das Fahren mit dem Aufzug im Allgemeinen einem relativ niedrigen bis mittleren Expositionsrisiko zuordnen: im Allgemeinen eine sichere Kategorie, die mit einem Hotelzimmeraufenthalt oder einem Essen im Freien vergleichbar ist, abhängig von den beschriebenen Faktoren.

Minderungsstrategien

Obwohl die Studienergebnisse zeigen, dass Aufzüge zu den Innenräumen mit geringerem Risiko für eine COVID-19-Infektion gehören, sollten alle Maßnahmen zur Eindämmung in Betracht gezogen werden. Bei dieser Untersuchung wurden zwei Interventionsmethoden berücksichtigt: die Verwendung von chirurgischen Masken und die Desinfektion durch NPBI.

In dieser Studie wurden chirurgische Masken als Beispiel ausgewählt, um den Einfluss von Masken auf die akkumulierte Dosis anfälliger Personen zu untersuchen. Wir nahmen an, dass die Filtereffizienz der ausgeatmeten Partikel des Indexpatienten die gleiche war wie die der eingeatmeten Partikel der anfälligen Fahrer. Bei dieser Untersuchung wurde nach Bowen (33) eine mittlere Filtrationseffizienz von 2010 % für die OP-Maske verwendet.

Wir können das Fahren mit einem Aufzug generell einem relativ geringen bis mittleren Expositionsrisiko aussetzen; im Allgemeinen eine sichere Kategorie, die mit einem Hotelzimmeraufenthalt oder einem Essen im Freien vergleichbar ist, abhängig von den genannten Faktoren.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Dosis um 50 % reduziert werden kann, wenn alle Fahrer chirurgische Masken tragen. In dieser Studie wurde davon ausgegangen, dass ein Indexpatient beim Betreten des Aufzugs einmal hustet. Der Husten würde dazu führen, dass andere Fahrer für die Dauer der Fahrt eine etwa sechs Größenordnungen höhere Partikelmasse einatmeten als der kontinuierliche Atem des Indexpatienten.

Wir haben auch die Auswirkungen von NPBI als Methode zur Reinigung der Kabinenluft untersucht. Bipolare Ionisation ist eine Technologie zur Verbesserung der Luftqualität und zur Verringerung der Expositionsintensität, deren Sicherheit und Wirksamkeit jahrelange Forschung und Testergebnisse bestätigen. Bei der bipolaren Ionisation werden sowohl positiv als auch negativ geladene Partikel emittiert, die sich an schädliche Substanzen wie Bakterien, Allergene, Schimmel, Viren, flüchtige organische Verbindungen und andere Partikel anlagern und diese deaktivieren (Essien, 2017 und Hagbom, 2015).

Im Fall von Bakterien und Viren führt diese chemische Reaktion sowohl zu einer Erschöpfung ihrer Funktionsfähigkeit (indem sie oxidativen Stress im Organismus verursacht) als auch zu einer physikalischen Zerstörung ihrer äußeren Schicht, wodurch sie effektiv inaktiviert werden. Feinstaub kann entfernt werden, wenn sich Luftionen an ihnen anlagern, wodurch sie ionisiert werden und wiederum andere geladene Teilchen anziehen, wodurch sich die Absetzgeschwindigkeit durch die Schwerkraft erhöht (Kim, 2017).

Unsere Modellierung zeigte, dass die Verwendung von NPBI das Expositionsrisiko um 20-30% verringerte, abhängig von der Fahrzeit und der Position der Fahrer im Aufzug. Darüber hinaus führte die Verwendung von NPBI in Kombination mit der ordnungsgemäßen Verwendung von Masken durch alle Passagiere zu einer Reduzierung des relativen Risikos um 60-65%.

Wichtigste Schlussfolgerungen

Bei dieser Untersuchung wurde ein kombiniertes CFD- und Mehrzonenmodell verwendet, um die luftgetragene Partikelübertragung von COVID-19 beim Fahren eines Aufzugs in einem typischen Bürogebäude mit 35 Stockwerken zu untersuchen. Der CFD simulierte die Ausbreitung der luftgetragenen Partikel, die von einem Indexpatienten beim Atmen bei der Aufzugsfahrt ausgeatmet werden. Das Mehrzonenmodell wurde verwendet, um den Luftstrom zwischen Stockwerken und dem Schacht sowie den Luftstrom in und aus dem Aufzug durch Risse und kleine Öffnungen zu berechnen. Die Studie berechnete die akkumulierte Dosis anfälliger Mitfahrer bei der Mitnahme von Aufzügen mit dem Indexpatienten unter verschiedenen Bedingungen, wie z. B. unterschiedlicher Beatmungsrate, Luftzufuhrmethode, Aufzugskabinengeometrie und Interventionsmethode.

Selbst in kontrollierten Computersimulationen kann es viele Variablen geben, und sowohl die natürliche als auch die gebaute Umgebung weisen viele Variationen auf, insbesondere wenn sie mit menschlichem Verhalten kombiniert werden.

Zu den untersuchten Interventionsmethoden gehörten das Tragen von chirurgischen Masken durch die Fahrer und der Einsatz der NPBI-Technologie im Aufzug. Diese Untersuchung untersuchte auch einen Fall mit einem einzigen Husten des Indexpatienten, als der Patient den Aufzug betrat. Zum Vergleich haben wir auch die kumulierte Dosis für die Insassen berechnet, die sich 8 Stunden in einem typischen Büro mit 5 ACH Reinluftversorgung und einer 1-stündigen Fahrt in einem Bus mit 10 ACH Reinluftversorgung und 10 ACH Luftversorgung mit 90 % Umluft aufhalten. Die Studie führte zu folgenden Schlussfolgerungen:

• Aufgrund der kurzen Dauer der Aufzugsfahrt hatten Aufzüge mit hoher Belüftung ein geringes Risiko. Für den Referenzfall mit 350 ft³/min Beatmungsrate betrug die höchste akkumulierte Partikeldosis einer anfälligen Person in der Nähe des Indexpatienten 1.59.

• Aufgrund der sehr ungleichmäßigen Verteilung der Partikel in der Aufzugskabine war die akkumulierte Dosis nicht umgekehrt proportional zur Belüftungsrate. Die Dosis wurde durch die Position des Passagiers relativ zum Indexpatienten beeinflusst. Wir fanden auch heraus, dass eine tiefe Kabine einen größeren Teil der Partikel im Aufzug einfangen könnte und die Richtung der Luftzufuhr einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Partikelverteilung in der Aufzugskabine hatte.

• Die Dosis in einem gut belüfteten Aufzug mit 350-ft³/min-Durchfluss entsprach einem 4-minütigen Aufenthalt im Büro mit einer 5-ACH-Reinluftversorgung. Selbst für einen schlecht belüfteten Aufzug mit 55 ft³/min Flow, die Exposition für die Reise war die gleiche wie bei einem 15-minütigen Aufenthalt im Büro. Der Bus mit 10-ACH Außenluft war sehr sauber, aber der Bus mit 90 % Umluft war 25 mal schmutziger als die Fahrstuhlluft.

• Interventionsmethoden können die Exposition weiter reduzieren. Beispielsweise kann durch die bipolare Ionisation die Exposition je nach Fahrzeit und Fahrgastposition um weitere 20-30% reduziert werden.

• Die Verwendung von NPBI in Kombination mit der ordnungsgemäßen Verwendung von Masken durch alle Passagiere kann die Exposition um 60-65% weiter reduzieren.

Einschränkungen

Diese Untersuchung hatte die folgenden Einschränkungen:

• Da die numerische Simulation des Gesamtprozesses sehr schwierig war, wurde in dieser Studie der Gesamtprozess in acht Teilfälle unterteilt und nach jeder Teilfallsimulation Daten übertragen. Da die Variablen für jeden Fall nicht exakt gleich sein konnten, wurden möglicherweise einige Fehler eingeführt.

• Da wir gehende Menschen simulieren müssen, würde die Verwendung eines realen Personenmodells enorme Rechenressourcen erfordern. Darüber hinaus stellte Nielson (2003) fest, dass es keinen großen Unterschied in der Wärmeübertragung und -strömung zwischen einem real geformten und einem vereinfachten Modell gab. Daher wurde in dieser Studie eine rechteckige Säule verwendet, um eine Person zu simulieren.

• Wir gingen davon aus, dass die HLK-Anlagen in der Lobby der Etage 1 Frischluft in die Decke lieferten und die Lobby mit anderen Räumen verbunden war. Daher wurden die Auslässe an den beiden Anschlusswänden zugeordnet. Für den simulierten Fall bewegten sich alle Partikel des Indexpatienten nach oben und dann in andere Räume. Die Exposition aller anderen anfälligen Fahrer war nahezu null. Dies mag in der Realität nicht immer zutreffen, da die Wartezeit von 30 s relativ lang war. Man sollte die Auswirkungen der Exposition auf die anfälligen Fahrer nicht vernachlässigen.

• In dieser Studie wurde ein Computercluster verwendet, um die CFD-Simulationen durchzuführen. Jede Simulation verwendete zwei Knoten mit 24 Prozessorkernen pro Knoten auf Intel Skylake-CPUs bei 2.60 GHz. Der Speicher pro Knoten betrug 96 GB. Die durchschnittliche Rechenzeit für jeden Teilfall betrug knapp 12 h. Das bedeutet, dass jeder Testfall mit acht Unterfällen fast 100 h Rechenzeit benötigt. Der Rechenaufwand war erheblich.

Weitere Studienrichtungen

Das Projekt war eine erste Phase der von Otis initiierten Aufzugsstudie. Nach mehr als dreimonatiger Untersuchung durch zwei hauptamtliche Postdocs hat dieses Projekt die ersten Ziele erreicht. Das Forschungsteam und der Ad-hoc-Überprüfungsausschuss empfahlen jedoch die folgenden Bereiche für weitere Studien in naher Zukunft:

• Die Validierung der Simulationsergebnisse ist unerlässlich. Aufgrund der kurzen Laufzeit dieses Projekts haben wir jedoch aufgrund unserer bisherigen Erfahrungen nur numerische Simulationen für die Partikelverteilungen durchgeführt. Eine experimentelle Validierung der numerischen Ergebnisse sollte durchgeführt werden.

• Diese Untersuchung berücksichtigte zwei Interventionsmethoden: NPBI-Desinfektion und das Tragen von Masken. Andere Methoden wie photokatalytische Oxidation, UV-Desinfektion und HEPA-Filterung sollten untersucht werden.

• Diese Studie betrachtete nur das Atem- und Hustenszenario. Der geometrische Durchmesser, die Größe und die Anzahl der Partikel, die beim Atmen, Husten, Sprechen und Niesen entstehen, sind jedoch unterschiedlich. Die Masse großer Partikel durch Sprechen, Husten und Niesen könnte um mehrere Größenordnungen höher sein als die des Atmens. Es ist wichtig, das Design des Referenzfalls zu verbessern, damit die akkumulierten Massendosen bestimmt werden können. Durch die Zusammenarbeit mit Epidemiologen und Toxikologen wäre es möglich, eine definitivere Wahrscheinlichkeit des Infektionsrisikos zu ermitteln.

• Dieses Projekt konzentrierte sich hauptsächlich auf luftgetragene Partikel, die von der WHO, CDC und anderen Experten als wahrscheinlichere Ursache für das Infektionsrisiko identifiziert wurden. Es gibt jedoch andere mögliche Übertragungswege, die wir in dieser Studie nicht modelliert haben. Da beispielsweise die Aufzugsräume sehr klein sind, könnten große Tröpfchen durch direkten Kontakt auf die Atemzone verteilt werden oder Tröpfchen könnten aufgrund von Impulsen projiziert werden. Dies sollte weiter untersucht werden.

• Es ist wichtig, die Auswirkungen verschiedener sozialer Distanzierungsmethoden zu berücksichtigen, insbesondere die Blickrichtung der Fahrer mit unterschiedlicher Belastbarkeit. Die Studie hat die Bedeutung der Positionen zwischen normalen und tiefen Fahrerhäusern festgestellt.

• Darüber hinaus sollte bei Aufzügen die Kontaktaufnahme nicht übersehen werden. Unsere Simulationen können Partikelablagerungen auf verschiedenen Oberflächen, wie Aufzugsknöpfen und Handläufen, bestimmen. Wir sollten untersuchen, ob Partikelablagerungen ein Problem für die Übertragung von Infektionen durch Kontaktpersonen darstellen.

• Unsere Studie ging davon aus, dass die Aufzugskabine in einem sauberen Zustand starten würde. Bei häufig genutzten Aufzügen kann die Kabine bereits das COVID-19-Virus enthalten. Es wäre von Vorteil zu untersuchen, ob Kabinen vor dem nächsten Service desinfiziert werden sollten und wie lange es dauert, eine Kabine auf akzeptable Bedingungen zu entlüften.

• In der aktuellen Studie wurden Standard-Türschließ-/Öffnungszeiten verwendet. Der Luftaustausch bei geöffneten Türen, einschließlich der Dauer der Türöffnung, sollte weiter untersucht werden. Die Studie kann den Einfluss kleiner Druckunterschiede zwischen Kabine und Landebereich auf den Fahrgastwiderstand einschließen. Es könnte auch untersucht werden, ob es besser ist, direkt zu einem Ziel zu schießen (weniger Zeit) oder regelmäßig anzuhalten und mehr zu lüften, wenn sich eine infizierte Person an Bord befindet.

Anerkennungen

Ihre Autoren möchten vielen namentlich genannten und ungenannten Mitarbeitern danken, die bei dieser Arbeit geholfen haben und die laufenden Bemühungen weiterhin unterstützen. Insbesondere dankt das Forschungsteam denen, die bei der Überprüfung der Arbeit geholfen haben, darunter Dr. Richard Corsi und Dr. Elliott Gall von der Portland State University, Dr. Darby Jack und Dr. Faye McNeill von der Columbia University und Dr. Yuguo Li von der University von Hongkong. Ihre Kritiken und Empfehlungen waren visionär und werden die nächste Phase dieser Studie viel besser machen. Wir danken auch Rob Wheeler, Steve Kempf und Richard Pierce von Otis, die zusätzliche Unterstützung geleistet haben.

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Stephen R. Nichols ist Systemingenieur bei Otis am Hauptsitz in Farmington, Connecticut. Seit März 2020 ist er der Forschungs-, Entwicklungs- und Integrationsleiter in der funktionsübergreifenden globalen Task Force bei Otis mit dem Schwerpunkt Pandemiereaktion. Dazu gehören führende kundenorientierte schnelle Innovation, Technologie- und Produktentwicklung, Forschung, Strategie und Partnerschaftsbemühungen. Nichols ist zweimaliger Alumnus der National Academy of Engineering Frontiers of Engineering und erhielt 2019 die Gilbreth-Lectureship. Er hat Abschlüsse in Maschinenbau der Tufts University und des Rensselaer Polytechnic Institute sowie ein Berufszertifikat in Systems Engineering des Massachusetts Institute of Technology erworben.

Dr. Sumei Liu ist Postdoc an der Tianjin University in Tianjin, China. Ihre Doktorarbeit entwickelte fortschrittliche Modelle für die genaue Simulation von Luftströmungen in einer Gebäudegemeinschaft. Sie erhielt ihren BS von der Hunan University in Hunan, China, und arbeitete als beratende Ingenieurin bei der Built Environment Group in Tianjin, bevor sie an der Tianjin University promovierte.

Xingwang Zhao erhielt seinen BS von der Chongqing University, China, und promovierte an der Tianjin University. Er war Gastwissenschaftler und Postdoktorand an der Purdue University, bevor er für seine zweite Postdoc-Stelle an die Southeast University in Nanjing, China, wechselte. Seine bisherige Forschung umfasste das Studium und die Gestaltung von thermischen und luftqualitätsbezogenen Innenräumen mit der adjungierten Methode, die nach Randbedingungen gemäß dem Entwurfsziel der Innenumgebung sucht.

Dr. James T. Auxier leitet die globale Technologieentwicklung bei Otis und konzentriert sich auf neue Technologietrends, Geschäftsanforderungen und strategische Bereiche der Technologieentwicklung. Er verfügt über Erfahrung in der Gebäudesystem-, Luft- und Raumfahrt- und Medizingeräteindustrie sowie über Hochschulpartnerschaften und Forschungserfahrung, darunter 15 Jahre mit Schwerpunkt auf der Entwicklung von aerothermischen Technologien. Er hat einen Abschluss in Biomedizintechnik der Yale University, einen Master in Maschinenbau der Stanford University und einen Doktortitel in Biomedizintechnik der University of Kentucky.

Tricia Derwinsky hat mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Systemen, Subsystemen und Komponenten bei Otis. Zu ihren Schwerpunkten zählen die Konstruktion, Integration und Entwicklung von Fahrerhausschalen und Strukturdecken sowie Zwangs- und natürliche Belüftung. Sie war leitende Ingenieurin für die Modernisierung der Aufzüge des Empire State Buildings sowie die Systemleitung für zahlreiche ikonische Gebäude und Großprojekte auf der ganzen Welt. Sie hat einen BS in Bauingenieurwesen der Washington University und einen MS in Maschinenbau der University of Connecticut. Sie ist langjähriges Mitglied des National Elevator Industry, Inc. Performance Standards Committee und des A17 International Standards Committee der American Society of Mechanical Engineers (ASME) sowie Teilnehmerin mehrerer Internationaler Organisationen für Normung im Zusammenhang mit der Fahrqualität von Aufzügen und Fahrtreppen .

Dr. Murilo Bonilha ist Direktor für Systemarchitektur, Innovation und Modellierung bei Otis. Bevor er im Dezember 2019 zu Otis kam, arbeitete Bonilha bei United Technologies Corp., wo er F&E-Programme in den Bereichen Lärm und Vibration, Softwaresysteme, Leistungselektronik sowie Wärme- und Luft- und Raumfahrtsystemmodellierung leitete. Außerdem war er General Manager von UTC-Forschungszentren in China und Irland. Er ist ehemaliges Mitglied des Council on Tall Buildings and Urban Habitat China Board und ehemaliges Mitglied des Industrial Advisory Board des USA-China Clean Energy Research Center. Bonilha hat einen Master in Systemarchitektur und Engineering von der University of Southern California und einen Doktortitel in Akustik und Vibration von der University of Southampton in Großbritannien

Qingyan (Yan) Chen ist James G. Dwyer Professor für Maschinenbau an der Purdue University in West Lafayette, Indiana, und Chefredakteur von Gebäude und Umwelt. Bevor er Chefredakteur von . wurde Gebäude und Umwelt, war er Mitherausgeber von HVAC&R-Forschung und war Mitglied des Editorial Boards von sechs weiteren Zeitschriften. Chen erwarb 1983 seinen Bachelor of Engineering an der Tsinghua University, China, und seinen Master of Engineering und PhD 1988 an der Delft University of Technology (TU Delft) in den Niederlanden. Er forschte als Postdoc als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Eidgenössischen Technischen Hochschule und arbeitete als Projektleiter für TNO in den Niederlanden. Bevor er an die Purdue University kam, war er Fakultätsmitglied der TU Delft und des Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er hat drei Bücher und mehr als 470 Zeitschriften- und Konferenzbeiträge veröffentlicht und wurde eingeladen, international mehr als 170 Vorträge zu halten.