Des fenêtres ouvertes et un bon système de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) sont des points de départ pour assurer la sécurité des salles de classe pendant la pandémie de Covid-19. Mais ils ne sont pas le dernier mot, selon une nouvelle étude de chercheurs du MIT.
L’étude montre comment des configurations spécifiques de la salle de classe peuvent affecter la qualité de l’air et nécessiter des mesures supplémentaires, au-delà de l’utilisation du CVC ou des fenêtres ouvertes, pour réduire la propagation des aérosols – ; ces minuscules particules potentiellement porteuses de Covid qui peuvent rester en suspension dans l’air pendant des heures.
« Il y a des ensembles de conditions où nous avons clairement constaté qu’il y a un problème, et quand vous regardez la concentration prévue d’aérosols autour d’autres personnes dans la pièce, dans certains cas, elle était beaucoup plus élevée que ce que le [standard] diraient des modèles », explique Leon Glicksman, professeur d’architecture et d’ingénierie au MIT et co-auteur d’un nouvel article détaillant la recherche.
En effet, l’étude montre que certaines circonstances peuvent créer une concentration d’aérosols potentiellement problématiques allant de 50 à 150 % plus élevée que la concentration de base standard que les experts considèrent comme un air intérieur « bien mélangé ».
« Cela devient compliqué, et cela dépend des conditions particulières de la pièce », ajoute Glicksman.
L’article, « Patterns of SARS-CoV-2 aerosol spread in typiques salles de classe », apparaît à l’avance sous forme en ligne dans la revue Building and Environment. Les auteurs sont Gerhard K. Rencken et Emma K. Rutherford, étudiants de premier cycle du MIT qui ont participé à la recherche dans le cadre du programme d’opportunités de recherche de premier cycle avec le soutien de la MIT Energy Initiative ; Nikhilesh Ghanta, étudiant diplômé au Center for Computational Science and Engineering du MIT ; John Kongoletos, étudiant diplômé du Building Technology Program du MIT et membre du Tata Center du MIT ; et Glicksman, auteur principal et professeur de technologie du bâtiment et de génie mécanique au MIT, qui étudie les problèmes de circulation de l’air depuis des décennies.
La bataille entre vertical et horizontal
Le SRAS-Cov-2, le virus qui cause le Covid-19, se transmet en grande partie par voie aérienne via des aérosols, que les gens expirent, et qui peuvent rester dans l’air pendant de longues périodes si une pièce n’est pas bien ventilée. De nombreux environnements intérieurs avec un débit d’air limité, y compris les salles de classe, pourraient ainsi contenir une concentration relativement plus élevée d’aérosols, y compris ceux exhalés par des personnes infectées. Les systèmes CVC et les fenêtres ouvertes peuvent aider à créer des conditions « bien mélangées », mais dans certains scénarios, des méthodes de ventilation supplémentaires peuvent être nécessaires pour minimiser les aérosols SARS-Cov-2.
Pour mener l’étude, les chercheurs ont utilisé la dynamique des fluides numérique – ; simulations sophistiquées du flux d’air – ; pour examiner 14 scénarios de ventilation de classe différents, neuf impliquant des systèmes CVC et cinq impliquant des fenêtres ouvertes. L’équipe de recherche a également comparé leur modélisation aux résultats expérimentaux antérieurs.
Un scénario idéal implique que l’air frais pénètre dans une salle de classe près du niveau du sol et se déplace régulièrement plus haut, jusqu’à ce qu’il sorte de la pièce par les évents du plafond. Ce processus est facilité par le fait que l’air chaud monte et que la chaleur corporelle des personnes génère naturellement des « panaches de chaleur » ascendants, qui transportent l’air vers les évents du plafond, à une vitesse d’environ 0,15 mètre par seconde.
Compte tenu de la ventilation au plafond, l’objectif est donc de créer un mouvement d’air vertical vers le haut pour faire sortir l’air de la pièce, tout en limitant le mouvement d’air horizontal, qui diffuse des aérosols parmi les étudiants assis.
C’est pourquoi le port de masques à l’intérieur est logique : les masques limitent la vitesse horizontale des aérosols expirés, gardant ces particules près des panaches de chaleur afin que les aérosols s’élèvent verticalement, comme les chercheurs l’ont observé dans leurs simulations. L’expiration normale crée des vitesses d’aérosol de 1 mètre par seconde, et la toux crée des vitesses encore plus élevées – ; mais les masques maintiennent cette vitesse faible.
Si vous portez des masques bien ajustés, vous supprimez la vitesse du [breath] évacuer au point que l’air qui en sort est emporté par les panaches au-dessus des individus. S’il s’agit d’un masque ample ou pas de masque du tout, l’air sort à une vitesse horizontale suffisamment élevée pour qu’il ne soit pas capturé par ces panaches ascendants, et monte à des vitesses beaucoup plus faibles. »
Leon Glicksman, professeur d’architecture et d’ingénierie au MIT
Deux scénarios problématiques
Mais même ainsi, les chercheurs ont découvert que des complications peuvent survenir. Dans leur ensemble de simulations axées sur les fenêtres fermées et l’utilisation de CVC, des problèmes de circulation d’air sont apparus dans une salle de classe simulée en hiver, avec des fenêtres froides sur le côté. Dans ce cas, parce que l’air froid près des fenêtres descend naturellement, il perturbe le flux ascendant global de l’air de la salle de classe, malgré les panaches de chaleur des gens.
« En raison de l’air froid de la fenêtre, un peu d’air descend », explique Glicksman. « Ce que nous avons trouvé dans les simulations, c’est que, oui, le panache de chaleur d’une personne masquée s’élèverait vers le plafond, mais si une personne est proche de la fenêtre, les aérosols montent jusqu’au plafond et, dans certains cas, sont capturés par ce flux descendant, et ramené au niveau de respiration dans la pièce. Et nous avons constaté que plus la fenêtre est froide, plus ce problème est important. «
Dans ce scénario, une personne infectée par le Covid-19 assise près d’une fenêtre serait particulièrement susceptible de répandre ses aérosols autour. Mais il existe des solutions à ce problème : entre autres, placer des radiateurs près des fenêtres froides limite leur impact sur le flux d’air de la salle de classe.
Dans l’autre série de simulations, impliquant des fenêtres ouvertes, des problèmes supplémentaires sont devenus évidents. Alors que les fenêtres ouvertes sont bonnes pour le flux d’air frais dans l’ensemble, les chercheurs ont identifié un scénario problématique : le mouvement d’air horizontal des fenêtres ouvertes alignées avec les rangées de sièges crée une propagation importante des aérosols.
Les chercheurs suggèrent une solution simple à ce problème : installer des déflecteurs de fenêtre, des raccords pouvant être réglés pour dévier l’air vers le bas. En faisant cela, l’air frais plus frais de l’extérieur entrera dans la salle de classe près des pieds de ses occupants et contribuera à générer un meilleur modèle de circulation globale.
« L’avantage est que vous faites entrer l’air pur de l’extérieur vers le sol, puis [by using baffles] vous avez quelque chose qui commence à ressembler à une ventilation par déplacement, où encore une fois l’air chaud des individus attirera l’air vers le haut, et il se déplacera vers le plafond « , dit Glicksman. » Et encore une fois, c’est ce que nous avons trouvé lorsque nous avons fait les simulations, le la concentration d’aérosol était beaucoup plus faible dans ces cas que si vous permettez simplement à l’air d’entrer directement horizontalement. »
La pénalité énergétique
En plus des implications pour la sécurité pendant la pandémie, Glicksman note qu’une meilleure circulation de l’air dans toutes les salles de classe a des conséquences énergétiques et environnementales.
Si un système CVC à lui seul ne crée pas des conditions optimales à l’intérieur d’une salle de classe, la tentation pourrait être de lancer le système à fond dans l’espoir de créer un plus grand débit. Mais c’est à la fois coûteux et respectueux de l’environnement. Une autre approche consiste à rechercher des solutions spécifiques à la classe – ; comme des chicanes ou l’utilisation de filtres à haute efficacité dans l’alimentation en air de recirculation CVC.
« Plus vous apportez d’air extérieur, plus la concentration moyenne de ces aérosols sera faible », explique Glicksman. « Mais il y a une pénalité énergétique qui y est associée. »
Glicksman souligne également que la présente étude examine la qualité de l’air dans des circonstances spécifiques. La recherche a également eu lieu avant que la variante Delta plus transmissible du virus Covid-19 ne devienne répandue. Cette évolution, observe Glicksman, renforce l’importance de « réduire le niveau de concentration d’aérosols par le masquage et des taux de ventilation plus élevés » dans une salle de classe donnée, et souligne en particulier que « la concentration locale dans la zone de respiration [near the heads of room occupants] doit être minimisé. »
Et Glicksman souligne qu’il serait utile d’avoir plus d’études explorant les problèmes en profondeur.
« Ce que nous avons fait est une étude limitée pour des formes particulières de géométrie en classe », explique Glicksman. « Cela dépend dans une certaine mesure des conditions particulières. Il n’y a pas de recette simple pour une meilleure circulation de l’air. Ce que cela dit vraiment, c’est que nous aimerions voir plus de recherches effectuées. »