Fluxo de ar e elevadores

Principais conclusões de um estudo sobre o fluxo de ar realizado para determinar o risco relativo de exposição à COVID-19 entre passageiros de elevador.

por Stephen R. Nichols, Dr. Sumei Liu, Dr. Xingwang Zhao, Dr.

Os elevadores desempenham um papel essencial na mobilidade diária de pessoas em todo o mundo. No entanto, a pandemia global de COVID-19 gerou algumas preocupações em relação ao risco de infecção em espaços comuns compartilhados, incluindo elevadores. No início da pandemia, começaram a surgir reportagens em publicações populares e científicas questionando os riscos de usar elevadores, com base na compreensão da transmissão aérea como um meio crucial de disseminação da doença e, pelo menos em parte, na percepção equivocada de que as cabines dos elevadores são espaços fechados com circulação de ar limitada.

Visão geral do estudo
A compreensão dos sistemas de elevadores, da ventilação e do projeto, juntamente com a natureza da COVID-19, sugere que o risco relativo de exposição em elevadores é menor em comparação com o de muitos outros espaços comuns. No entanto, essa compreensão não leva em consideração a dinâmica de situações específicas, incluindo o fluxo de passageiros, as taxas de ventilação, o tamanho da cabine e as estratégias de mitigação, como o uso de máscaras e a purificação do ar.

Para entender o verdadeiro impacto dessas dinâmicas, a Otis encomendou a uma equipe da Universidade Purdue um estudo focado na compreensão da exposição relativa à COVID-19 em elevadores. O estudo concentrou-se no fluxo de ar e investigou o impacto das taxas e tipos de ventilação, tecnologias de purificação e intervenções, incluindo o uso de máscaras em ambientes de elevadores.

Os elevadores são, na verdade, espaços bem ventilados. Por norma, os elevadores devem ter aberturas para ventilação. Juntamente com os ventiladores normalmente presentes nos elevadores, essas aberturas proporcionam um alto nível de troca de ar. O tempo de exposição ao ar e a outras pessoas em um elevador também é limitado devido à curta duração da viagem — menos de 2 minutos, em média, para os edifícios mais altos e cerca de 30 segundos para muitas viagens. Embora esse conhecimento e uma análise simples sugiram que a transmissão aérea de aerossóis e partículas em elevadores seja muito menor em comparação com muitos outros espaços comuns, isso não leva em consideração a dinâmica de situações específicas, incluindo o fluxo de passageiros, as taxas de ventilação, o tamanho da cabine e as estratégias de mitigação, como o uso de máscaras e purificação do ar.

Cada situação de uso de elevador é diferente, com múltiplas variáveis ​​importantes para a movimentação de pessoas, ar e o próprio elevador. A Otis encomendou um estudo de fluxo de ar em elevadores para entender o impacto dessas dinâmicas e fornecer aos nossos clientes e ao público em geral informações e soluções baseadas na ciência. O estudo focou na compreensão do risco relativo de exposição à COVID-19 em elevadores. Nosso objetivo era entender como as estratégias de mitigação e outros fatores impactam o uso de elevadores durante a pandemia. Mais especificamente, a equipe de pesquisa realizou o estudo para:

• Avalie o risco de transmissão de partículas aéreas infectadas com SARS-CoV-2 (o vírus que causa a doença COVID-19) ao usar um elevador.

• Estude diferentes parâmetros de projeto de elevadores — incluindo a velocidade do ventilador — que podem ter um grande impacto no risco de exposição.

• Identificar o impacto das estratégias e métodos de mitigação.

• Compare o risco de exposição em um elevador com o de outros espaços fechados, como um escritório ou um ônibus urbano.

A investigação utilizou modelagem multizona para simular o fluxo de ar entre zonas ao longo da envolvente de um edifício e dinâmica de fluidos computacional para simular a dispersão de partículas durante uma viagem de elevador de 2 minutos, comparando-a com o tempo gasto.

em outros espaços comuns. Para a viagem de elevador, modelamos vários cenários, incluindo a dispersão de partículas quando as portas se abrem, com os passageiros entrando e saindo do elevador.

Em conjunto com o que já sabemos sobre o projeto e a operação de elevadores, as conclusões do estudo mostram que andar de elevador é uma atividade de risco relativamente baixo. A pesquisa demonstrou que quanto maior o nível de troca de ar, como o proporcionado por ventiladores de elevador de maior vazão, menor o risco de exposição. Ao considerar os riscos relativos entre atividades comuns em ambientes internos, o estudo constatou que a viagem de elevador é comparável a um curto período de tempo em um escritório ou ônibus. No entanto, ao considerar a duração média mais longa de uma permanência em um ônibus ou escritório em comparação com uma viagem de elevador, observamos um risco de exposição relativo significativamente menor em um elevador.

Além disso, estratégias de mitigação demonstraram reduzir ainda mais o risco. O uso correto de máscaras reduziu o risco potencial pela metade, a purificação do ar por meio de ionização bipolar por agulha (NPBI) reduziu o risco em 20-30%, e a combinação das duas estratégias resultou em uma redução de 60-65% na exposição relativa. (Para detalhes de comparação e mais informações, consulte o gráfico na pág. ) Embora os cálculos em si não variem, os resultados dos cálculos do variam, dependendo do tempo de viagem e da posição dos passageiros no elevador.

Avaliação de Riscos e o Novo Coronavírus

Enquanto o mundo continua a lidar com a pandemia e as sociedades buscam maneiras de retomar aspectos da vida cotidiana, especialistas de diversas áreas reconhecem que não existe uma solução milagrosa. Uma abordagem baseada em riscos, fundamentada na ciência, é necessária para recomendar medidas de controle adequadas para cada situação (Defile, 2020). O nível de risco é determinado pela intensidade, frequência e duração da exposição. Para cada aplicação, o nível de exposição por via aérea ou por contato físico pode variar. Nem todas as aplicações podem ser facilmente comparadas sem o uso de uma combinação de técnicas e diferentes disciplinas.

Por meio de uma abordagem baseada em riscos, conseguimos determinar e priorizar elementos de uma estratégia em camadas que engloba recomendações comportamentais e tecnológicas, cada uma com diferentes níveis de eficácia e impacto.

Esses princípios gerais são aplicáveis ​​no caso de elevadores. Ao buscarmos soluções para as preocupações com o risco relativo de exposição em um elevador, diversos fatores e cenários precisam ser equilibrados para alcançarmos uma gama de resultados e soluções positivas para os clientes da Otis e para o público em geral. Precisamos levar em conta a dinâmica não apenas do elevador, mas também do ambiente do edifício e do comportamento das pessoas. Compreender o risco relativo e como integrar diferentes camadas de métodos e soluções de controle é fundamental.

Ao considerar respostas para a atual pandemia, essas soluções se concentram principalmente em quatro áreas principais:

1. Movimento de pessoas e elevadores
2. Orientações para uma condução segura
3. Mitigação do risco de exposição
4. Soluções de tecnologia avançada

Outras considerações decorrem do movimento vertical do elevador, da abertura e fechamento das portas e da movimentação de pessoas entrando e saindo dos elevadores, tudo isso dentro de um volume interno relativamente pequeno. Além disso, esses fatores devem ser analisados ​​no contexto do que a ciência nos diz sobre como a COVID-19 se propaga pelo ar.

Analisando a transmissão da COVID-19

A Organização Mundial da Saúde (OMS), os Centros de Controle e Prevenção de Doenças (CDC) e outros especialistas indicam múltiplos modos de transmissão para o SARS-CoV-2.

Estudos científicos e evidências emergentes parecem corroborar a ideia de que a transmissão aérea pode ser mais crítica do que a transmissão por contato direto com superfícies (OMS e Mandavilli, 2020). Com a crescente ênfase na transmissão aérea, a importância da qualidade do ar e da circulação de ar em ambientes internos também aumenta.

A transmissão aérea, seja por gotículas grandes ou aerossóis pequenos, depende do tamanho das partículas e da quantidade inalada. Diferentes quantidades de partículas são exaladas em diferentes situações. A respiração espalha menos partículas e de menor tamanho do que a tosse. O tempo gasto respirando, tossindo ou falando é importante, assim como a distância e a duração da proximidade com um indivíduo infectado e o fluxo de ar que influencia o movimento das partículas no espaço. A intensidade da exalação, a duração da proximidade com um indivíduo infectado e a frequência do contato podem contribuir para o risco relativo de propagação da infecção. Um estudo recente mostra que a concentração viral varia em partículas de diferentes tamanhos. Por exemplo, as concentrações virais são tipicamente maiores nas partículas mais finas geradas nas profundezas dos pulmões e da garganta, que podem ser expelidas pela tosse. Por outro lado, as partículas geradas pela fala consistem principalmente em saliva, que pode conter uma quantidade menor de vírus.

Não se trata apenas da quantidade de partículas no ar, mas também do impacto de para onde essas partículas vão e se elas são inaladas e se depositam nas partes superiores ou inferiores dos pulmões. Podemos modelar as partículas e o ar, mas também precisamos levar em consideração a dose acumulada relativa de partículas para um indivíduo em diferentes cenários. Não basta estudar apenas o fluxo de ar; compreender a concentração e a distribuição das partículas potencialmente infecciosas de forma dinâmica em diferentes momentos e situações nos proporciona uma avaliação de risco mais precisa.

Muitas análises rápidas podem se concentrar na mistura perfeita do ar e simplificar a situação. No entanto, analisar o movimento do ar, das pessoas e do elevador em conjunto fornece mais detalhes. Para uma análise completa, trabalhos futuros poderiam incluir um estudo detalhado da transmissão superfície a superfície ou por fômites (partículas virais depositadas).

Existem diversas maneiras de analisar a transmissão aérea e a disseminação do vírus usando técnicas de áreas como saúde pública e medicina, engenharia, matemática e estatística, e teoria de redes.

Compreendendo os elevadores

Ao analisar o risco relativo de exposição à COVID-19 em elevadores, a ciência sobre a transmissão de partículas pelo ar nos leva a focar no fluxo de ar. Embora relativamente pequenas, as cabines de elevadores modernos são espaços bem ventilados, com sistemas que recirculam o ar frequentemente.

Os elevadores devem atender a padrões de ventilação específicos. De acordo com as normas, são necessárias aberturas para a circulação de ar por convecção natural, e a maioria dos elevadores possui ventiladores ou pode ser facilmente adaptada para a instalação de ventiladores. Os ventiladores de elevadores são geralmente dimensionados para proporcionar uma renovação de ar por minuto. A taxa de renovação de ar por hora (ACH) mede o volume de ar adicionado ou removido de um espaço em 1 hora, dividido pelo volume do espaço. Valores mais altos correspondem a uma melhor ventilação.

Segundo o código norte-americano para elevadores, as cabines devem dispor de 3.5% da área da plataforma como aberturas de ventilação para fins de convecção (American Society of Mechanical Engineers, 2019). O código europeu EN 81-1, aplicado em grande parte do mundo, exige 2% de ventilação, o que ainda representa uma quantidade significativa de aberturas, independentemente da configuração da cabine (British Standards Institution, 2014).

Um sistema dentro de um sistema

Ao calcular o tempo de deslocamento de um elevador, consideramos o ar e o espaço que o passageiro encontra na cabine, no poço do elevador e nas demais áreas do edifício onde as pessoas se movimentam. A abertura para o ventilador e a abertura ao redor das portas podem ser incluídas no cálculo. Essas aberturas proporcionam entradas e saídas para a transferência convectiva do fluxo de ar passivo e auxiliam quando há ventilação ativa. Dependendo da complexidade do edifício, outros fatores, como pressurização, medidas de segurança contra incêndio, sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) mais sofisticados e a movimentação do ar entre o elevador e o térreo ou andares em diferentes paradas, também devem ser considerados.

Introdução à modelagem de fluxo de ar

O fluxo de ar é complexo. Ele pode ser modelado em computador e medido experimentalmente por meio de medições reais. A modelagem computacional é frequentemente recomendada para o estudo rápido de múltiplos cenários e variáveis. Os métodos de modelagem computacional e simulação numérica utilizados neste estudo representam o que há de mais moderno na área.

Para um único espaço fechado, a dinâmica dos fluidos computacional (CFD) é a ferramenta mais poderosa para modelagem de fluxo de ar e contaminantes. A CFD tem sido amplamente utilizada por fornecer resultados informativos e precisos sobre o transporte transiente de partículas em ambientes fechados. A modelagem CFD do transporte de contaminantes se divide em duas partes: modelagem do fluxo de ar e modelagem partícula/partícula.

Para obter informações sobre a distribuição do fluxo de ar, a CFD resolve numericamente um conjunto de equações diferenciais parciais para a conservação de massa, momento (equações de Navier-Stokes), energia e grandezas de turbulência. A solução inclui as distribuições de velocidade do ar, pressão, temperatura, parâmetros de turbulência e concentração de contaminantes.

Para simular da melhor forma o ambiente do elevador, utilizamos um modelo multizona, pois ele é aplicado a múltiplos ambientes conectados por aberturas como portas, janelas e frestas. Os modelos multizona também pressupõem que cada zona seja um espaço bem homogeneizado. Embora a suposição de concentração uniforme de contaminantes no ar em uma zona possa não ser válida, ela é suficiente para simular o fluxo de ar através de frestas entre a cabine do elevador e o poço do elevador, e entre o poço do elevador e os saguões. Isso ocorre porque as incertezas nesses grandes espaços são muito altas. O fluxo de ar através das pequenas aberturas é mais importante do que a uniformidade da distribuição da concentração viral.

Os modelos de Navier-Stokes com média de Reynolds (RANS) são os modelos de CFD mais populares. Os modelos RANS resolvem as variáveis ​​médias do ar, como velocidade e temperatura, e modelam as propriedades da turbulência resolvendo as equações de transporte de turbulência. Para modelagem de fluxo de ar em ambientes internos, Zhang et al (2007) recomendou o RNG k- Este modelo foi selecionado para o presente estudo após revisão e comparação de diversos outros modelos.

Embora esta pesquisa não tenha incluído medições experimentais, a técnica de simulação numérica foi baseada em ferramentas validadas. Por exemplo, utilizamos o modelo Lagrangiano em CFD para simular a dispersão de partículas em uma sala limpa (Murakami). et al, 1992). Também comparamos as distribuições de concentração de partículas simuladas e medidas. Os resultados do cálculo lagrangiano foram baseados em um tamanho de amostra (ou seja, o número de trajetórias) de 100,000. Os resultados estão em razoável concordância com os dados experimentais.

O método de rastreamento de partículas lagrangianas pode introduzir incertezas nos cálculos de concentração de partículas. Quando o número de partículas é baixo, a concentração de partículas prevista pode não ser uma solução estável devido aos fatores aleatórios utilizados no modelo. Isso pode ser observado nos resultados obtidos neste projeto.

Metodologia de Modelagem de Estudo

Utilizando os métodos de modelagem computacional multizona e simulação numérica descritos acima, o estudo teve como objetivo examinar o risco potencial de exposição, simulando diversas experiências de viagem de elevador.

Para analisar todo o processo de utilização de um elevador, consideramos um cenário de viagem em um prédio comercial com 35 andares. Entre os seis passageiros, dois desembarcaram no 10º andar, outros dois no 20º e os outros dois no 35º andar. Um dos dois que desembarcaram no 35º andar era um paciente índice, indicado pela cor vermelha na figura a seguir. A viagem mais longa durou aproximadamente 2 minutos.

Este edifício típico e o percurso representativo do elevador permitiram-nos isolar variáveis ​​e determinar que os detalhes exatos da velocidade ou do trajeto do elevador não eram tão importantes quanto o tempo total em cada espaço.

Esta investigação utilizou o modelo multizona ContamW para simular o fluxo de ar através de fissuras entre a cabine do elevador e a caixa do elevador, e entre a caixa do elevador e os saguões. Os resultados da modelagem do fluxo de ar multizona foram utilizados como parte das condições de contorno termofluidodinâmicas para simulações detalhadas da transmissão de partículas do vírus COVID-19 durante a viagem de elevador. As simulações detalhadas utilizaram a técnica de CFD descrita anteriormente com o método Lagrangiano para dispersão de partículas. As simulações da viagem de elevador de 2 minutos foram subdivididas em oito subcasos para considerar as mudanças nos domínios de fluxo durante a viagem. As distribuições de partículas e fluxo de ar do subcaso anterior foram utilizadas como condições iniciais do subcaso atual para garantir uma transferência suave dos dados para simulações precisas da transmissão de partículas durante a viagem de elevador. O CFD utilizado foi o das equações de Navier-Stokes com média de Reynolds (RNG k-1). Modelo de turbulência construído no programa de computador ANSYS Fluent. O ANSYS Fluent é um dos códigos CFD mais sofisticados disponíveis e é comumente usado para simulação computacional avançada.

Um edifício típico e um percurso de elevador representativo permitiram-nos isolar variáveis ​​e determinar que os detalhes exatos da velocidade ou do trajeto do elevador não eram tão importantes quanto o tempo total em cada espaço.

Esta investigação considerou principalmente a transmissão de partículas aerotransportadas geradas pela respiração do paciente índice. Cada ciclo respiratório durou 4 segundos e gerou 525 partículas com um diâmetro médio de 0.4 µm. A pesquisa também estudou um caso de tosse, quando o paciente índice tossiu uma vez ao entrar no elevador. O impacto de diferentes parâmetros de projeto do elevador na transmissão de partículas também foi estudado.

• Taxa de ventilação de 350 pés³/min, 150 pés³/min e 55 pés³/min e taxa de infiltração de 36 pés³/ Min

• Ar entrando e ar saindo

• Cabine de elevador ampla e cabine de elevador profunda

Como o estudo utilizou o número ou a massa de partículas inaladas por passageiros suscetíveis como critério de avaliação, não foi possível demonstrar o risco absoluto. Portanto, comparamos o nível de exposição às partículas durante a viagem de elevador com o de um escritório e de um ônibus.

Este estudo investigou as fontes de partículas geradas por um paciente índice através da respiração e da tosse. Para a respiração, a simulação numérica utilizou um tamanho médio de partícula de 0.4 μm de diâmetro, com 525 partículas por ciclo respiratório. Cada ciclo respiratório durou 4 segundos.

Para a tosse, este estudo utilizou 16 tamanhos e números diferentes de partículas, conforme mostrado na figura abaixo (Chao). et al, 2009). O número total de partículas por tosse foi de 1,951. Além disso, as condições de contorno de fluxo para respiração nasal e tosse bucal foram obtidas de Gupta. et al (2011).

Resultados do estudo

Os resultados do estudo mostram que viajar de elevador é uma atividade de risco relativamente baixo. O alto nível de renovação do ar em um elevador reduz o risco de exposição, tornando-o comparável a um curto período em um escritório ou ônibus. Estratégias de mitigação, incluindo o uso de máscaras e purificação do ar com NPBI (filtro de barreira não polimérica), demonstraram uma redução ainda maior do risco.

Ventilação e Exposição

Devido à curta duração da viagem de elevador, elevadores com altas taxas de ventilação representaram menor risco de exposição. Embora a respiração gerasse partículas continuamente, o número e o tamanho das partículas eram menores do que os da tosse. A dose de massa de partículas acumulada dos passageiros suscetíveis no caso da tosse é até seis ordens de magnitude maior do que no caso da respiração.

Quanto maior a taxa de ventilação, menor poderia ser a dose acumulada. No entanto, isso nem sempre acontecia, pois, em alguns casos, a distribuição não uniforme das partículas podia causar uma dose maior, mesmo com uma taxa de ventilação mais alta. Uma cabine profunda podia reter as partículas dentro do elevador. A direção do fluxo de ar também influenciava a dispersão das partículas na cabine do elevador.

A exposição às partículas no saguão do primeiro andar foi baixa neste caso, porque a ventilação do sistema de climatização e as plumas térmicas dos passageiros dispersavam as partículas, afastando-as dos passageiros e dos elevadores. Os movimentos dos passageiros podiam arrastar algumas partículas em seu rastro. A distribuição de partículas na cabine do elevador era bastante heterogênea. A pessoa que estava em frente ao paciente índice teve a maior exposição, e a pessoa que estava ao lado do paciente índice teve a maior dose acumulada de partículas devido à exposição mais prolongada.

Comparações com outras atividades

Para melhor compreender a verdadeira natureza do risco em um elevador, o estudo comparou os resultados quantitativos da dose acumulada em cenários de elevador com os de outros espaços comuns e atividades associadas ao trabalho de escritório. Mais especificamente, examinamos um ônibus com diferentes níveis de qualidade do ar e um ambiente de escritório. O foco está no risco associado ao fluxo de ar, com a troca de ar identificada como um fator chave.

A dose acumulada de partículas em um elevador bem ventilado com 350 pés³O fluxo de ar por minuto era equivalente a passar apenas 4 minutos em um escritório com 5 renovações de ar limpo. Mesmo para um elevador com ventilação reduzida e 55 pés (aproximadamente 16,7 metros) de altura.³Com um fluxo de ar de 10% por minuto, a dose durante a viagem foi a mesma que a de 15 minutos no escritório. O ônibus com 10 renovações de ar externo apresentou um risco relativamente baixo, mas o ônibus com 90% de recirculação de ar representou um risco mais de 25 vezes maior do que o elevador.

Ao considerarmos a duração dessas atividades, os elevadores apresentam um risco significativamente menor em comparação. Como mencionado, uma viagem de elevador dura em média menos de 2 minutos. Um dia de 8 horas em um escritório ou 1 hora em um ônibus demonstrou resultar em doses acumuladas exponencialmente maiores.

O foco está no risco associado ao fluxo de ar, sendo a troca de ar identificada como um fator chave.

Além dos resultados quantitativos, as comparações qualitativas podem nos dar uma melhor noção do risco relativo de exposição ao andar de elevador. A tabela abaixo oferece uma ideia geral de onde o risco relativo de uma viagem de elevador, com e sem medidas de mitigação, pode se situar em um espectro de outras atividades. Deve-se observar, no entanto, que fazer comparações quantitativas entre muitos cenários diferentes é difícil.

Mesmo em simulações computacionais controladas, podem existir muitas variáveis, e tanto o ambiente natural quanto o construído apresentam muita variação, especialmente quando combinados com o comportamento humano.

O risco de jantar em um restaurante, por exemplo, varia de acordo com o número de clientes, a proximidade, o tempo gasto no local e outros fatores. Da mesma forma, o risco associado a outras atividades em ambientes fechados abrange um amplo espectro devido a variáveis ​​relacionadas tanto ao próprio ambiente quanto ao comportamento dos ocupantes.

Ainda assim, com o que aprendemos, podemos geralmente classificar o uso de elevador como uma atividade de risco de exposição relativamente baixo a médio: em geral, uma categoria segura comparável à hospedagem em um quarto de hotel ou a refeições ao ar livre, dependendo dos fatores mencionados.

Estratégias de mitigação

Embora os resultados do estudo mostrem que os elevadores estão entre os espaços internos de menor risco para infecção por COVID-19, quaisquer métodos de mitigação devem ser considerados. Esta investigação considerou dois métodos de intervenção: o uso de máscaras cirúrgicas e a desinfecção por NPBI (inibidor biológico não químico).

Este estudo selecionou máscaras cirúrgicas como exemplo para analisar o impacto das máscaras na dose acumulada de pessoas suscetíveis. Assumimos que a eficiência de filtragem para partículas exaladas pelo paciente índice era a mesma que a eficiência de filtragem para partículas inaladas pelos usuários suscetíveis. Esta investigação utilizou uma eficiência de filtragem média de 33% para a máscara cirúrgica, de acordo com Bowen (2010).

De modo geral, podemos classificar o uso de elevador como uma atividade de risco de exposição relativamente baixo a médio; em geral, uma categoria segura comparável à hospedagem em um quarto de hotel ou a refeições ao ar livre, dependendo dos fatores mencionados.

Os resultados indicaram que, se todos os passageiros usassem máscaras cirúrgicas, a dose poderia ser reduzida em 50%. Este estudo partiu do pressuposto de que um paciente índice tossiria uma vez ao entrar no elevador. A tosse faria com que os outros passageiros inalassem uma massa de partículas aproximadamente seis ordens de magnitude maior do que a respiração contínua do paciente índice durante toda a viagem.

Também examinamos o impacto da NPBI como método de purificação do ar em cabines. A ionização bipolar é uma tecnologia utilizada para melhorar a qualidade do ar e reduzir a intensidade da exposição, com anos de pesquisa e resultados de testes que comprovam sua segurança e eficácia. A ionização bipolar emite partículas carregadas positiva e negativamente que se ligam e desativam substâncias nocivas como bactérias, alérgenos, mofo, vírus, compostos orgânicos voláteis e outras partículas (Essien, 2017 e Hagbom, 2015).

No caso de bactérias e vírus, essa reação química tanto reduz sua capacidade de funcionar (causando estresse oxidativo no organismo) quanto causa a destruição física de sua camada externa, inativando-os efetivamente. As partículas podem ser removidas à medida que os íons do ar se ligam a elas, fazendo com que se ionizem e, por sua vez, atraiam outras partículas carregadas, aumentando a taxa de sedimentação por gravidade (Kim, 2017).

Nossa modelagem indicou que o uso de NPBI reduziu o risco de exposição em 20 a 30%, dependendo do tempo de viagem e da posição dos passageiros dentro do elevador. Além disso, o uso de NPBI, combinado com o uso correto de máscaras por todos os passageiros, resultou em uma redução de 60 a 65% no risco relativo.

Principais conclusões

Esta investigação utilizou uma combinação de CFD (Dinâmica dos Fluidos Computacional) e um modelo multizona para estudar a transmissão de partículas aéreas da COVID-19 durante a utilização de um elevador num edifício de escritórios típico com 35 andares. O modelo CFD simulou a dispersão das partículas aéreas exaladas por um paciente índice durante a respiração no elevador. O modelo multizona foi utilizado para calcular o fluxo de ar entre os andares e a caixa do elevador, bem como o fluxo de ar para dentro e para fora do elevador através de fissuras e pequenas aberturas. O estudo calculou a dose acumulada em passageiros suscetíveis que utilizavam o elevador juntamente com o paciente índice, sob diferentes condições, tais como diferentes taxas de ventilação, métodos de fornecimento de ar, geometria da cabine do elevador e métodos de intervenção.

Mesmo em simulações computacionais controladas, podem existir muitas variáveis, e tanto o ambiente natural quanto o construído apresentam muita variação, especialmente quando combinados com o comportamento humano.

Os métodos de intervenção estudados incluíram o uso de máscaras cirúrgicas pelos passageiros e a utilização da tecnologia NPBI no elevador. Esta investigação também analisou um caso com uma única tosse do paciente índice ao entrar no elevador. Para comparação, calculamos ainda a dose acumulada para ocupantes que permaneceram 8 horas em um escritório típico com 5 renovações de ar limpo e para aqueles que viajaram 1 hora em um ônibus com 10 renovações de ar limpo e 10 renovações de ar com 90% de recirculação. O estudo levou às seguintes conclusões:

• Devido à curta duração da viagem de elevador, elevadores com alta ventilação apresentavam baixo risco. Para o caso de referência com 350 pés (aproximadamente 107 metros), o risco era baixo.³Com uma taxa de ventilação de 1.59 m/min, a dose de partículas acumulada mais alta por uma pessoa suscetível próxima ao paciente índice foi de 1,59.

• Devido à distribuição altamente não uniforme das partículas na cabine do elevador, a dose acumulada não foi inversamente proporcional à taxa de ventilação. A dose foi influenciada pela posição do passageiro em relação ao paciente índice. Também constatamos que uma cabine profunda podia reter uma porção maior das partículas em seu interior, e a direção do suprimento de ar teve um impacto insignificante na dispersão das partículas na cabine do elevador.

• A dose em um elevador bem ventilado com 350 pés³O fluxo de ar por minuto era equivalente a uma permanência de 4 minutos no escritório com um sistema de renovação de ar de 5 ACH. Mesmo para um elevador mal ventilado com 55 pés (16,76 m) de altura.³Com um fluxo de ar de 10 ACH (renovação de ar por minuto), a exposição durante a viagem foi equivalente a uma permanência de 15 minutos no escritório. O ônibus com 10 ACH de ar externo era muito limpo, mas o ônibus com 90% de ar recirculado era 25 vezes mais poluído do que o ar do elevador.

• Métodos de intervenção podem reduzir ainda mais a exposição. Por exemplo, utilizando ionização bipolar, a exposição pode ser reduzida em 20 a 30%, dependendo da duração da viagem e da posição do passageiro.

• O uso de NPBI combinado com o uso correto de máscaras por todos os passageiros pode reduzir ainda mais a exposição em 60 a 65%.

Limitações

Esta investigação apresentou as seguintes limitações:

• Como a simulação numérica de todo o processo era muito difícil, este estudo dividiu o processo em oito subcasos e transferiu os dados após a simulação de cada subcaso. Como as variáveis ​​para cada caso não podiam ser exatamente as mesmas, alguns erros podem ter sido introduzidos.

• Como precisamos simular pessoas caminhando, usar um modelo de pessoa com formato real exigiria enormes recursos computacionais. Além disso, Nielson (2003) constatou que não havia grande diferença na transferência de calor e no fluxo entre um modelo com formato real e um modelo simplificado. Portanto, este estudo utilizou uma coluna retangular para simular uma pessoa.

• Partimos do pressuposto de que os sistemas de climatização (HVAC) no saguão do primeiro andar forneciam ar fresco pelo teto e que o saguão era conectado a outros espaços. Portanto, as saídas de ar foram posicionadas nas duas paredes de conexão. No caso simulado, todas as partículas provenientes do paciente índice se deslocaram para cima e, em seguida, para outros espaços. A exposição dos demais passageiros suscetíveis foi praticamente nula. Isso pode não ser sempre verdade na realidade, visto que o tempo de espera de 30 segundos foi relativamente longo. Não se deve negligenciar o impacto da exposição sobre os passageiros suscetíveis.

• Este estudo utilizou um cluster de computadores para realizar as simulações de CFD. Cada simulação utilizou dois nós com 24 núcleos de processador por nó em CPUs Intel Skylake @ 2.60 GHz. A memória por nó era de 96 GB. O tempo médio de computação para cada subcaso foi de quase 12 horas. Isso significa que cada caso de teste com oito subcasos necessitou de quase 100 horas de tempo de computação. O esforço computacional foi significativo.

Outras áreas de estudo

O projeto foi a primeira fase do estudo sobre elevadores iniciado pela Otis. Após mais de três meses de investigação por dois pós-doutorandos em tempo integral, este projeto atingiu os objetivos iniciais. No entanto, a equipe de pesquisa e o comitê de revisão ad hoc recomendaram as seguintes áreas para estudos futuros:

• A validação dos resultados da simulação é essencial. No entanto, devido à curta duração deste projeto, realizamos apenas simulações numéricas para as distribuições de partículas com base em nossa experiência anterior. A validação experimental dos resultados numéricos deve ser realizada.

• Esta investigação considerou dois métodos de intervenção: desinfecção por NPBI e uso de máscaras. Outros métodos, como oxidação fotocatalítica, desinfecção ultravioleta e filtragem HEPA, devem ser examinados.

• Este estudo considerou apenas o cenário de respiração e tosse. No entanto, o diâmetro geométrico, o tamanho e o número de partículas geradas pela respiração, tosse, fala e espirro são diferentes. A massa de partículas grandes geradas pela fala, tosse e espirro pode ser várias ordens de magnitude maior do que a da respiração. É importante aprimorar o desenho do caso de referência para que as doses de massa acumuladas possam ser determinadas. Seria possível determinar uma probabilidade de risco de infecção mais precisa trabalhando em conjunto com epidemiologistas e toxicologistas.

• Este projeto focou-se principalmente em partículas em suspensão no ar, que a OMS, o CDC e outros especialistas identificaram como uma causa mais provável de risco de infecção. Existem, no entanto, outros meios de transmissão potencial que não foram modelados neste estudo. Por exemplo, como os espaços dos elevadores são muito pequenos, gotículas grandes podem ser espalhadas para a zona de respiração por contato direto, ou podem ser projetadas devido ao impulso. Isso deve ser estudado mais a fundo.

• É essencial considerar o impacto de diferentes métodos de distanciamento social, especialmente a posição dos passageiros em relação à capacidade de carga. O estudo constatou a importância das posições entre cabines normais e cabines profundas.

• Além disso, o contato com fômites não deve ser negligenciado em elevadores. Nossas simulações podem determinar a deposição de partículas em diferentes superfícies, como botões e corrimãos de elevadores. Devemos estudar se a deposição de partículas representaria uma preocupação na transmissão de infecções por contato com fômites.

• Nosso estudo partiu do pressuposto de que a cabine do elevador estaria inicialmente limpa. No entanto, em elevadores de uso frequente, a cabine pode já conter o vírus da COVID-19. Seria benéfico estudar se as cabines devem ser desinfetadas antes do próximo uso e quanto tempo leva para que a cabine atinja condições aceitáveis.

• O presente estudo utilizou tempos padrão de abertura e fechamento de portas. A troca de ar com as portas abertas, incluindo o tempo de permanência das portas abertas, deve ser estudada mais a fundo. O estudo pode incluir o impacto de pequenas diferenças de pressão entre a cabine e a área de desembarque em relação ao arrasto dos passageiros. Também poderia examinar se é melhor seguir direto para o destino (menos tempo) ou fazer paradas periódicas e aumentar a ventilação quando há uma pessoa infectada a bordo.

Agradecimentos

Os autores gostariam de agradecer a muitos colaboradores, nomeados e não nomeados, que auxiliaram neste trabalho e continuam a apoiar os esforços em andamento. Em especial, a equipe de pesquisa expressa sua gratidão àqueles que ajudaram na revisão do trabalho, incluindo o Dr. Richard Corsi e o Dr. Elliott Gall, da Portland State University, o Dr. Darby Jack e a Dra. Faye McNeill, da Columbia University, e o Dr. Yuguo Li, da University of Hong Kong. Suas críticas e recomendações foram visionárias e aprimorarão significativamente a próxima fase deste estudo. Agradecemos também a Rob Wheeler, Steve Kempf e Richard Pierce, da Otis, que forneceram apoio adicional.

Referências

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Stephen R. Nichols é engenheiro de sistemas na sede da Otis em Farmington, Connecticut. Desde março de 2020, ele lidera a pesquisa, o desenvolvimento e a integração na força-tarefa global multifuncional da Otis focada na resposta à pandemia. Isso inclui liderar iniciativas de inovação rápida voltadas para o cliente, desenvolvimento de tecnologia e produtos, pesquisa, estratégia e parcerias. Nichols é ex-aluno do programa Frontiers of Engineering da Academia Nacional de Engenharia, tendo recebido duas vezes a Bolsa Gilbreth em 2019. Ele possui diplomas em Engenharia Mecânica pela Universidade Tufts e pelo Instituto Politécnico Rensselaer, além de um certificado profissional em Engenharia de Sistemas pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT).

Dra. Sumei Liu é pesquisadora de pós-doutorado na Universidade de Tianjin, em Tianjin, China. Sua tese de doutorado desenvolveu modelos avançados para simulação precisa do fluxo de ar em um edifício residencial. Ela obteve seu bacharelado pela Universidade de Hunan, em Hunan, China, e trabalhou como engenheira consultora no Built Environment Group, em Tianjin, antes de iniciar seu doutorado na Universidade de Tianjin.

Dr.Xingwang Zhao Ele obteve seu bacharelado pela Universidade de Chongqing, na China, e seu doutorado pela Universidade de Tianjin. Foi pesquisador visitante e pós-doutoral na Universidade de Purdue antes de ingressar na Universidade do Sudeste, em Nanjing, na China, para seu segundo pós-doutorado. Suas pesquisas anteriores incluíram o estudo e o projeto de ambientes internos com foco em temperatura e qualidade do ar, utilizando o método adjunto, que busca condições de contorno de acordo com o objetivo do projeto do ambiente interno.

Dr. James T. Auxier Lidera o desenvolvimento tecnológico global na Otis, com foco em tendências tecnológicas emergentes, necessidades de negócios e áreas estratégicas de desenvolvimento tecnológico. Possui experiência nos setores de sistemas prediais, aeroespacial e de dispositivos médicos, além de experiência em parcerias e pesquisa com universidades, incluindo 15 anos dedicados ao desenvolvimento de tecnologia aerotérmica. É graduado em Engenharia Biomédica pela Universidade de Yale, possui mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade de Stanford e doutorado em Engenharia Biomédica pela Universidade de Kentucky.

Tricia Derwinski Possui mais de 30 anos de experiência no desenvolvimento de sistemas, subsistemas e componentes na Otis. Suas áreas de atuação incluem o projeto, a integração e o desenvolvimento de cabines e forros estruturais, além de ventilação forçada e natural. Foi engenheira-chefe da modernização dos elevadores do Empire State Building, bem como líder de sistemas para diversos edifícios icônicos e grandes projetos ao redor do mundo. É formada em Engenharia Civil pela Universidade de Washington e possui mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade de Connecticut. É membro de longa data do Comitê de Padrões de Desempenho da National Elevator Industry, Inc. e do Comitê de Padrões Internacionais A17 da Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), além de participar de diversas iniciativas da Organização Internacional de Normalização (ISO) relacionadas à qualidade de viagem em elevadores e escadas rolantes.

Dr. Murilo Bonilha é diretor de arquitetura de sistemas, inovação e modelagem na Otis. Antes de ingressar na Otis em dezembro de 2019, Bonilha trabalhou na United Technologies Corp., onde liderou programas de P&D em ruído e vibração, sistemas de software, eletrônica de potência e modelagem de sistemas térmicos e aeroespaciais. Ele também foi gerente geral dos centros de pesquisa da UTC na China e na Irlanda. Foi membro do Conselho de Edifícios Altos e Habitat Urbano da China e do Conselho Consultivo Industrial do Centro de Pesquisa de Energia Limpa EUA-China. Bonilha possui mestrado em arquitetura e engenharia de sistemas pela Universidade do Sul da Califórnia e doutorado em acústica e vibração pela Universidade de Southampton, no Reino Unido.

Dr. Qingyan (Yan) Chen é o professor James G. Dwyer de Engenharia Mecânica na Universidade Purdue em West Lafayette, Indiana, e editor-chefe de Construção e Meio AmbienteAntes de se tornar editor-chefe de Construção e Meio AmbienteEle atuou como editor associado de Pesquisa em HVAC&R e foi membro do conselho editorial de outras seis revistas científicas. Chen obteve seu diploma de bacharel em Engenharia em 1983 pela Universidade Tsinghua, na China, e um mestrado em Engenharia e doutorado em 1988 pela Universidade de Tecnologia de Delft (TU Delft), na Holanda. Realizou seu pós-doutorado como pesquisador científico no Instituto Federal Suíço de Tecnologia e trabalhou como gerente de projetos para a TNO, na Holanda. Antes de ingressar na Universidade Purdue, foi professor na TU Delft e no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Publicou três livros e mais de 470 artigos em periódicos e conferências, e foi convidado a proferir mais de 170 palestras internacionalmente.