Experimental study on the effect of ventilation airflow rate and separation distance on the risk of airborne COVID-19 infection

Abstract

Koronapandemien har vart i nærmere tre år og påvirket menneskers liv med inngripende tiltak for å redusere smitte. Viruset har fortsatt å utvikle seg, selv med forholdsregler og distribusjon av vaksiner. Eksperter fra hele verden har funnet grunner til å tro at den luftbårne smitten er dominerende og at ventilasjon spiller en viktig rolle i å fortynne viruset innendørs. Ventilasjon sammen med andre tiltak som sosial distansering og masker kan redusere smitten. Målet med masteroppgaven er å kvantifisere eksponering mot luftbårent koronavirus, smittesannsynlighet og gi ventilasjonsanbefaling for å redusere smittesannsynligheten.

Eksponering og smittesannsynlighet ble undersøkt med tre luftmengder (2.7, 5.1 og 9.6 luftvekslinger per time) og fire avstander mellom en sittende eksponert og en stående smittet person (0.7, 1.0, 1.5 og 2.0 meter). Sporingsgassmålinger ble benyttet for å kvantifisere eksponering. En personlig eksponeringsindeks/lokal luftkvalitetsindeks i inhalasjonssonen til den eksponerte ble brukt i en ny modifikasjon av Wells-Riley likningen for å regne ut smittesannsynlighet. Røykvisualiseringer ble utført for å få en forståelse for luftstrømmen og oppførselen til viruset i rommet.

Sporingsgassmålingene viste at 2.7 ACH gav høyest eksponering og 9.6 ACH lavest. Smittesannsynligheten viste den samme trenden, og var lav for alle scenarioer. Den høyeste eksponeringen ble observert ved to meter avstand mellom eksponert og smittet. Den laveste luftmengden hadde både den høyeste eksponeringen i inhalasjonssonen og den høyeste lokale luftkvalitetsindeksen. Selv om smittesannsynligheten var lav for hvert scenario ble smittevernstiltak diskutert. Det ble undersøkt om forbedret lokal luftkvalitetsindeks eller økt ventilasjonsmengde bidro mest til å redusere sannsynligheten.

To meter mellom en eksponert og en smittet kan være utilstrekkelig mot høy eksponering av luftbårent koronavirus om den eksponerte er plassert nært et avtrekk eller hvor luftstrømmen dytter viruspartikler mot denne lokasjonen. For å redusere smittesannsynligheten for 2.7 og 5.1 ACH bør økt ventilasjonsmengde på 1 ACH innføres som et tiltak. I et energi-effektivt perspektiv bør den lokale luftkvalitetsindeksen forbedres for den høyeste luftmengden, ettersom forskjellen i å innføre de to tiltakene er liten. Forbedring av lokal luftkvalitetsindeks i inhalasjonssonen til eksponerte personer fremmes som et mulig viktig tiltak.

The corona pandemic has now lasted for nearly three years, affecting people's lives by imposing intrusive measures to reduce infection risk. Even though precautions have been taken and vaccines have been distributed, the coronavirus has continued to evolve. Experts from around the world have discovered reasons to suspect that the airborne transmission route is crucial, and that ventilation plays a key role in diluting the virus indoors. Together with other infection-prevention measures like social distancing and face masks, this can lower the risk of infection. The goal of the thesis was to quantify exposure, probability of infection and propose ventilation recommendations to reduce the probability of infection.

Exposure and probability of infection by airborne coronavirus were investigated with three ventilation airflow rates (2.7, 5.1 and 9.6 ACH) and four distances between a sitting exposed and a standing infected person (0.7, 1.0, 1.5 and 2.0 meters). Tracer-gas measurements were used to quantify exposure. A personal exposure index/local air quality index was used in a new modification of the Wells-Riley equation to calculate the probability of infection. Smoke visualizations were conducted to gain a better understanding of the airflow pattern and the behavior of aerosols.

The tracer-gas measurements showed that 2.7 ACH gave the highest exposure, while 9.6 ACH gave the lowest. The probability of infection showed the same trend and was overall low for all scenarios. Two meters of separation distance gave the highest exposure. The lowest airflow rate had both highest aerosol concentration in the inhalation zone and the highest local air quality index. Even though the probability of infection was low for every scenario, infection-preventive measures were discussed. It was investigated if improved local air quality index or increased ventilation airflow rate contributed the most to reduce the risk of exposure.

It was concluded that a separation distance of two meters may be insufficient against high exposure of airborne coronavirus if located close to the exhaust or in a place where the airflow pushes aerosols towards this location. For 2.7 and 5.1 ACH, the exposure could be reduced by increasing the airflow rate by 1 ACH. For the highest airflow rate, improvement of the local air quality index is more appropriate in an energy-effective perspective. Improvement of the local air quality index in the inhalation zone of exposed persons is promoted as an infection-preventive measure.