Indoor airflow patterns, dispersion of human exhalation flow and risk of airborne cross-infection between people in a room

Abstract

En los últimos años ha surgido un especial interés en entender los mecanismos de transmisión de infecciones cruzadas entre personas. El Síndrome Respiratorio Agudo Severo (SARS, por sus siglas en ingles) que tuvo lugar en Asia en el año 2003 reabrió el estudio de la transmisión de diferentes enfermedades vía aérea como una de las rutas de transmisión más activas. Las infecciones cruzadas entre personas son causadas por la transmisión de patógenos, como virus o bacterias, entre personas en ambientes interiores. Cuando una persona respira, habla, estornuda o tose, pequeñas partículas, denominadas “droplet nuclei”, que pueden contener contaminantes biológicos, son dispersadas en el aire. Estas pequeñas partículas pueden seguir las corrientes de flujos de aire dentro de una habitación y provocar altas concentraciones de contaminantes en diferentes áreas dentro de un recinto interior. Este hecho puede provocar una alta exposición a contaminantes exhalados y un riesgo de infección cruzada a personas susceptibles de ser contagiadas situadas en la misma habitación. Existen numerosas evidencias de que los sistemas de ventilación y distribución de aire juegan un papel crucial en la dispersión de los contaminantes exhalados por personas en recintos interiores. Sin embargo, existen muchos parámetros que influencian el riesgo de infección cruzada entre personas en una habitación climatizada, como son: la posición relativa entre las personas, la distancia de separación entre ellas, su diferencia de alturas, su nivel de actividad, las funciones respiratorias de las personas (si exhalan el aire por la nariz o por la boca, si se produce un estornudo, etc.) o la velocidad y nivel de turbulencia del aire en el micro-ambiente alrededor de las personas. El objetivo principal de esta tesis es analizar la relación de alguno de los parámetros detallados anteriormente con el riesgo de infección cruzada que se puede generar entre personas dentro de una habitación. La influencia de diferentes estrategias de climatización sobre el micro-ambiente de las personas, sobre la dirección de la exhalación y sobre la dispersión de contaminantes exhalados en el aire ha sido también estudiada. Se han realizado numerosos estudios experimentales considerando dos personas dentro de una misma habitación climatizada mediante diferentes sistemas. La simulación de la personas se ha llevado a cabo mediante maniquíes térmicos que incluían funciones respiratorias. La exhalación de uno de ellos era considerada la fuente biológica de contaminantes mientras que el otro era la persona susceptible de ser contagiada a través del aire. Los estudios experimentales incluyen diferentes posiciones relativas entre personas y distintas distancias de separación. Los resultados muestran una significativa influencia de la distancia de separación y la posición relativa entre las personas en la transmisión de patógenos por el aire y el riesgo de infección cruzada entre personas. Algunos de los sistemas de ventilación de aire considerados hasta ahora como adecuados en la prevención de este tipo de contagios a través del aire, como es el sistema de ventilación vertical a baja velocidad, no han mostrado especial protección contra las infecciones cruzadas en los ensayos experimentales. La exposición frente a contaminantes exhalados varía significativamente entre los distintos casos y los resultados han sido analizados minuciosamente a lo largo de esta tesis. Los resultados obtenidos dejan patente la influencia de las condiciones interiores de aire generada por los distintos sistemas de climatización en la transmisión de patógenos a través del aire en recintos interiores, en la calidad de aire que proporcionan a las personas y por lo tanto en el riesgo de infecciones cruzadas que se puede generar.

In recent years, an interest in understanding the mechanisms of cross-infection between people in the same room has increased significantly. The SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) outbreak occurred in Asia in 2003 reopened the study of the airborne disease transmission as one of the most prevalent transmission routes. Airborne cross-infection of diseases is caused by the transmission of pathogens, such as viruses or bacteria, between people and across environments. When a person is breathing, talking, sneezing or coughing, small particles, which may carry biological contaminants, are spread in the air. These tiny particles or droplet nuclei can follow the air flow pattern in the room and produce high contaminant concentration in different areas of the indoor environment. This fact can provoke a high exposure to exhaled contaminants and a risk of cross-infection to a susceptible person situated in the same room. Abundant evidence shows that the air flow distribution systems play a crucial role in the dispersion of these human exhaled contaminants. However, there are many parameters that influence the cross-infection risk between people situated close to each other in a ventilated room, such as: relative position and separation distance between people, difference in height between them, level of activity, breathing function or process (breathing frequency, exhalation through the mouth or through the nose, coughing, sneezing) or air velocity and turbulence level in the micro-environment around the persons. This thesis analyzes some of these parameters in the influence of cross-infection risk between two people in a room, which are simulated by two breathing thermal manikins. One of the manikins is considered the source of contaminants, which is exhaling contaminated air through the mouth. The influence of different ventilation strategies in the personal micro-environment, the direction of the human exhalation flow and the dispersion of exhaled contaminants has also been studied. Several experimental tests in a full-scale test room have been carried out in order to study the cross-infection risk between two people in a room. Different ventilation strategies and different separation distances, and relative positions, between the manikins produce different levels of contaminant exposure to the susceptible person (target manikin). These results have been discussed and carefully analyzed within this thesis.

Der har i de seneste år været en stigende interesse for at undersøge og forstå mekanismerne i krydsinfektion imellem folk, som opholder sig i det samme lokale. SARS-hændelsen (Severe Acute Respiratory Syndrome) som fandt sted i Asien i 2003 betød, at studier af luftbårne transmissionsruter for sygdomme blev et meget aktivt forskningsområde. Luftbåren krydsinfektion of sygdomme foregår ved transmission af patogene som virus eller bakterier imellem personer i indemiljøet. Når en person ånder, taler, nyser eller hoster, vil små biologisk forurenede partikler spredes i luften. Disse små partikler (droplet nuclei) følger luftstrømningsmønsteret i lokalet, og de kan danne høje koncentrationer i forskellige områder af indemiljøet. Dette kan betyde, at der kan opstå en høj eksponering for udåndet forurening og derfor en risiko for krydsinfektion af en påvirkelig person, som befinder sig i samme rum. Mange hændelser viser, at luftfordelingssystemerne spiller en væsentlig rolle i fordelingen af disse udåndede humane forureninger. Der er imidlertid mange parametre, som har indflydelse på risikoen for krydsinfektion imellem folk, som befinder sig tæt ved hinanden i et ventileret lokale, som for eksempel relativ position og afstand, forskel i højde, aktivitetsniveau, åndingsproces (åndingsfrekvens, udånding gennem mund eller gennem næse, hosten eller nysen) samt lufthastighed og turbulensniveau i mikromiljøet rundt om personer. Afhandlingen analyserer nogle af disse parametres indflydelse på risikoen for krydsinfektion imellem to personer i et lokale, idet man betragter en af personerne som en kilde til smitte. Den syge person udånder forurenet luft igennem munden. De forskellige luftfordelingsstrategiers indflydelse på det personlige mikromiljø, retningen af en persons udånding og fordelingen af den udåndede forurening er undersøgt. Der er udført adskillige forsøg for at undersøge risikoen for krydsinfektion i et fuldskala forsøgslokale, hvor to personer er simuleret ved hjælp af to termiske manikiner med åndingsfunktion. Forskellige ventilationsstrategier og forskellige afstande imellem manikinerne samt forskellige relative positioner giver en person (Target manikin) forskellig forureningspåvirkning. Resultaterne er diskuteret og analyseret i denne afhandling.