| Abstract | The COVID-19 pandemic caused one of the most severe health, societal, and economic downturns in recent history, exposing significant vulnerabilities in society’s preparedness for such crises. Given that this pandemic is unlikely to be the last, with some researchers estimating a 40% chance of encountering another COVID-like pandemic within our lifetimes, addressing these vulnerabilities has become even more critical. A major route for the spread of many diseases is airborne transmission, where viruses and bacteria are carried by small (<5 μm) droplets of saliva. Due to their small size and light weight, these droplets are primarily affected by air drag rather than gravity, allowing them to remain suspended in the air and be carried by indoor airstreams. Building ventilation systems, which are designed to replace stale indoor air with fresh outdoor air and alter indoor airflow patterns, have become crucial in reducing the risk of airborne transmission. This increased focus on ventilation has led to a significant shift in public attention, making indoor air quality a primary concern in indoor environments, moving beyond the traditional focus on thermal comfort. As the pandemic progressed, leading organizations in the HVAC field, such as ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) and REHVA (Federation of European Heating, Ventilation, and Air Conditioning Associations), issued guidelines on HVAC system operation and design to help reduce the spread of the virus. However, these guidelines often lacked empirical support and specific operational details, relying instead on broad recommendations such as increasing airflow, which may not always be optimal or efficient.
The existing scientific literature on the impact of ventilation systems on aerosol dispersion is characterized by significant ambiguities and contradictions. Many studies advocate for displacement ventilation over mixing systems, citing its advantages due to the thermally stratified environment it creates. Such environments facilitate upward buoyant flow, which helps remove contaminants and aerosols from the breathing zone and directs them towards the ceiling. However, other studies point out the drawbacks of displacement ventilation, particularly under certain environmental conditions, and argue for the benefits of mixing ventilation systems. A major issue in current literature is the heavy reliance on Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, which are often inadequately validated against experimental data. Many studies use limited datasets focusing narrowly on specific physical properties, failing to capture the full complexity of indoor environments and leaving critical questions about optimal ventilation strategies unresolved. This study aimed to address these limitations by integrating rigorous experimental methods with comprehensive CFD validation, ensuring robust findings supported by extensive and reliable simulation results.
Experiments were primarily focused on validating CFD simulations, which were subsequently used for extensive and time-efficient analyses due to the resource-intensive and time-consuming nature of physical experiments. These experiments were conducted in a specialized ventilation test room,
which was equipped with three fully independent ventilation systems: mixing ventilation, displacement ventilation from the walls, and displacement ventilation from the floor. To simulate human interaction with the surrounding air, simplified models designed as cylinders with hemispherical tops were employed. Each model, fitted with two 25 W lightbulbs to generate heat, effectively replicated the thermal effects of a human body on the surrounding air. The primary focus was on accurately simulating the thermal plume ‒ the buoyant air rise caused by the temperature difference between the human body and the surrounding air. Extensive analysis confirmed the accuracy of this approach, as velocity measurements above the models closely matched those observed for real human subjects. A total of four such models were used in the experiments. Exhaled aerosols were simulated using the tracer gas method, a well-established technique known for its simplicity and accuracy in aerosol dispersion studies. Carbon dioxide (CO₂) was chosen as the tracer gas in experiments, due to its non-toxic nature and availability. CO₂ was introduced into one model designated as the infected source. Concentrations and temperatures were measured at strategic locations to ensure that the data collected was suitable for comparison with CFD simulations. Two sets of experiments were conducted: one with mixing ventilation and another with displacement ventilation from the walls. CFD simulations identical to these processes were performed, and the results were compared with experimental data. The comparison revealed a high degree of similarity, with the normalized root mean square error being 11% for the mixing ventilation test and 10% for the displacement ventilation from the walls. These results validated the CFD models, establishing a firm foundation for trusting the numerical simulations as accurate representations of real-world conditions.
A comprehensive set of CFD simulations was then designed to analyze the impact of ventilation on aerosol dispersion in closed environments and to assess various influential parameters. A total of 24 simulations were conducted, covering all combinations of the key parameters: three types of ventilation systems (mixing, displacement from the walls, and displacement from the floor) and four airflow rates (0.5, 1, 2, and 4 air changes per hour) chosen to encompass those recommended by HVAC standards ASHRAE 62.1-2022 and EN 16798-1:2019. The simulations also considered two distinct occupancy patterns ‒ office and classroom ‒ which differ primarily in the occupancy density.
The results indicate that displacement ventilation from the floor consistently outperformed other ventilation types, regardless of the occupancy pattern. On average, the infection probability at breathing height for displacement ventilation from the floor was 10% lower compared to displacement ventilation from the walls and 21% lower compared to mixing ventilation. Although displacement ventilation systems demonstrated superior performance compared to mixing ventilation, they exhibited greater variability in infection probabilities throughout the breathing zone. In some instances, the localized infection risk was up to five times higher than the average, with these variations becoming more pronounced at higher airflow rates.
This highlights that, while displacement ventilation provides better protection on average, mixing ventilation still holds value. Specifically, mixing ventilation offers practical advantages in environments with unpredictable occupancy dynamics or frequent spatial changes. Furthermore, a transient analysis examined the scenario of an infected person leaving the room after an extended period. The results showed that displacement ventilation from the floor provides the shortest time before the room is safe to reenter, further demonstrating its superiority. These findings highlight the advantages of displacement ventilation from the floor across all types but also emphasize the importance of customized ventilation solutions. Instead of a one-size-fits-all approach, each system should be carefully tailored to the specific needs and conditions of the space. |
| Abstract (croatian) | Pandemija COVID-19 uzrokovala je jednu od najvećih zdravstvenih, društvenih i ekonomskih kriza u novijoj povijesti, ukazujući na nespremnost društva da reagira na krizu takvih razmjera. S obzirom na to da pandemija COVID-19 nije posljednja te da neki istraživači procjenjuju 40% vjerojatnosti za pojavu još jedne pandemije sličnih razmjera za vrijeme naših života, od iznimne je važnosti pripremiti društvo za sljedeću pandemiju. Jedan od načina širenja zaraze je putem aerosola, sitnih kapljica sline (<5 μm) koje putuju zrakom i na taj način omogućuju širenje virusa i bakterija. Zbog svoje male veličine i mase, ove su kapljice pod većim utjecajem otpora zraka nego gravitacije, što im omogućuje da ostanu suspendirane i prenose se strujanjem zraka u prostoru. Ventilacija u zgradama, čija je uloga zamjena ustajalog unutarnjeg sa svježim vanjskim zrakom, pri čemu utječe na strujanje zraka u prostoru, postala je ključan čimbenik za smanjenje rizika od prijenosa zaraze aerosolom. Povećana svijest o važnosti ventilacije dovela je do toga da kvaliteta zraka u zatvorenim prostorima postane važnija od tradicionalnog fokusa na toplinsku udobnost. Tijekom pandemije, vodeće organizacije u području grijanja, ventilacije i klimatizacije (GViK), poput ASHRAE-a (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) i REHVA-e (Federation of European Heating, Ventilation, and Air Conditioning Associations), izdale su smjernice za rad i projektiranje GViK sustava s ciljem smanjenja širenja virusa. Međutim, te su smjernice često bile preopćenite i temeljene na ograničenim dokazima, oslanjajući se na jednostavne preporuke poput povećanja protoka svježeg vanjskog zraka, a što nije uvijek optimalno niti energetski učinkovito.
Znanstvena literatura u ovom području ukazuje na značajne nejasnoće i kontradikcije. Mnoge studije zagovaraju potisnu ventilaciju koja stvara temperaturnu stratifikaciju zraka u prostoru, pri čemu je cilj uzlazno strujanje zraka u prostoru sa svrhom uklanjanja nečistoća iz zone udisaja ljudi. S druge strane, neka istraživanja ukazuju na ograničenja takvog pristupa u određenim uvjetima i predlažu miješajuću ventilaciju kao bolju opciju. Nadalje, jedan od glavnih nedostataka u literaturi je snažno oslanjanje na numeričke simulacije računalnom dinamikom fluida (eng. Computational Fluid Dynamics, CFD), koje često nisu dovoljno validirane eksperimentalnim mjerenjima. Primjerice, mnoge studije koriste ograničena eksperimentalna mjerenja koja su fokusirana na specifična fizikalna svojstva, ne obuhvaćajući složenost strujanja zraka u prostor. To dovodi do netočnih rezultata istraživanja i nejasnoća oko optimalnih strategija ventilacije. Ovo istraživanje nastoji unaprijediti znanje u ovom području kombiniranjem opsežnih eksperimentalnih mjerenja i CFD simulacija, s naglaskom na validaciju i osiguravanje pouzdanih i točnih rezultata.
Eksperimenti su prvenstveno bili usmjereni na validaciju CFD simulacija, koje su potom korištene za opsežne i vremenski učinkovite analize, uzimajući u obzir dugotrajnost i kompleksnost provođenja eksperimenata. Eksperimenti su provedeni u posebno opremljenoj prostoriji s tri neovisna ventilacijska sustava: miješajuća ventilacija, potisna ventilacija iz zida i potisna ventilacija iz poda.
Kako bi se utjecaj čovjeka na okolni zrak točno simulirao, korišteni su pojednostavljeni modeli u obliku cilindara s polusferom na vrhu. Svaki je model bio opremljen s dvije žarulje od 25 W s ciljem generiranja topline sličnoj toplini koju generira ljudsko tijelo i time utječe na strujanje zraka u neposrednoj blizini. Posebna je pažnja usmjerena na točno simuliranje uzgonskog kretanja zraka iznad čovjeka – posljedica temperaturne razlike između ljudskog tijela i zraka u prostoriji. Detaljna analiza potvrdila je točnost ovog modela čovjeka, a što je potvrđeno mjerenjem brzine zraka iznad modela koje su bile vrlo slične onima zabilježenima iznad stvarnih ljudi. U eksperimentima su korištena ukupno četiri takva modela čovjeka. Širenje aerosola je simulirano metodom plina za praćenje – dobro poznatom tehnikom u ovom području koja se ističe jednostavnošću i točnošću. Specifično, korišten je ugljikov dioksid (CO₂) zbog svoje netoksičnosti i dostupnosti. CO₂ je ispuštan iz jednog od modela čovjeka, odabranog kako bi predstavljao zaraženu osobu. Na odabranim mjestima u prostoru mjerena je koncentracija CO2 i temperatura, a ta su mjerenja poslužila za usporedbu s rezultatima CFD simulacija. Provedena su eksperimentalna mjerenja korištenjem miješajuće ventilacije i potisne ventilacije iz zida. Usporedba s CFD rezultatima pokazala je visok stupanj podudarnosti (normalizirana srednja kvadratna pogreška od 11% za slučaj gdje se koristila miješajuća ventilacija i 10% za slučaj gdje se koristila potisna ventilacija sa zida).
Nakon validacije s eksperimentalnim mjerenjima, provedene su 24 CFD simulacije koje su analizirale utjecaj ventilacije na širenje aerosola u zatvorenim prostorima, uzimajući u obzir tri tipa ventilacijskih sustava (miješajuća, potisna iz zida i potisna s poda) i četiri različita protoka svježeg vanjskog zraka (0.5, 1, 2 i 4 izmjene zraka na sat). Ovi su specifični iznosi odabrani kako bi pokrili vrijednosti preporučene od strane relevantnih normi u ovom području – ASHRAE 62.1-2022 i EN 16798-1:2019. U simulacijama su analizirana dva scenarija korištenja prostora ‒ ured i učionica, a koji su se značajno razlikovali po broju ljudi koji borave u tim prostorima.
Rezultati simulacija pokazali su da je rizik od zaraze putem aerosola najmanji za slučaj potisne ventilacije s poda, neovisno o načinu korištenja prostora. Vjerojatnost zaraze na visini zone udisaja bila je u prosjeku 10% niža u odnosu na potisnu ventilaciju iz zida te 21% niža u odnosu na miješajuću ventilaciju. Međutim, iako je u prosjeku vjerojatnost zaraze putem aerosola manja za slučaj potisne ventilacija u odnosu na miješajuću, potisna je ventilacija uzrokovala značajnije varijacije unutar zone udisaja. Varijabilnost u rezultatima bila je značajnija za slučajeve s većom količinom svježeg zraka koja se ubacivala u prostor, pri čemu je u nekim simuliranim slučajevima korištenjem potisne ventilacije vjerojatnost zaraze bila i do 5 puta veća od prosječne.
Ovi rezultati pokazuju da, iako potisna ventilacija u prosjeku osigurava manji rizik od zaraze putem aerosola, miješajuća ventilacija svejedno ima neke prednosti. Miješajuća ventilacija nudi praktične prednosti u slučajevima gdje je teško predvidjeti raspored ljudi u prostoru ili u prostorima s učestalim premještanjem ljudi. Nadalje, tranzijentnim je simulacijama analiziran scenarij gdje zaražena
osoba napusti prostor nakon određenog perioda boravka u njemu. Rezultati su pokazali da je vrijeme koje je potrebno da se rizik od zaraze putem aerosola u toj prostoriji minimizira najkraće za slučaj korištenja potisne ventilacije iz poda, dodatno pokazujući prednost ovog sustava u odnosu na ostale tipove ventilacije. Konačno, rezultati potvrđuju prednosti potisne ventilacije iz poda u odnosu na druge tipove ventilacije, ali također naglašavaju važnost prilagođavanja ventilacijskih sustava za svaki specifični slučaj. Umjesto definiranja jedinstveno optimalnog rješenja za sve slučajeve, potrebno je pristupiti pažljivo svakom slučaju i prilagoditi ventilacijski sustav specifičnim potrebama i uvjetima prostora. |
