Rastgele Havalandırma Havalandırmaz

19 Kasım 2020 Dergi: Kasım-2020

Yazan: Prof. Dr. Seyhan Uygur Onbaşıoğlu

SARS CoV-2 virüsünün havada asılı kaldığının belirlenmesinden bu yana, kapalı ortamların havalandırılarak Covid 19’un yayılmasının önüne geçilmesi önerilmektedir. Ancak; iç ortamlardaki hava hareketlerinin ve havada asılı parçacıkların bu hareket ile izleyecekleri yolun dayandığı temeller; tekil bir havalandırmanın olmayacağını göstermektedir.

Kapalı bir ortamdaki virüslü damlacıkların yayılmalarını azaltmak için aşağıdaki değişkenler etkilidir:

  • Havalandırma menfezlerinin yeri
  • Kapalı ortamın boyutları ve kenar oranı (yükseklik/genişlik)
  • İçerideki kişilerin ve eşyaların konumları ve dolaşımları (mobiliteleri)
  • Hasta kişi(ler)in yayacakları virüs miktarı (virüs yükü)
  • Havalandırmanın miktarı
  • Menfezden giren havanın hızı
  • Virüs içeren damlacıkların boyutları
  • Damlacığın çıkış hızı ve miktarı (hastanın konuşma frekansı, ses şiddeti, hapşırması vs.)

Ayrıca, oluşturulan modelin ve çözüm yönteminin doğrulanmış olması gerekmektedir. Doğrulanmış bir model olmasa da, burada sunulan ön çalışmada, diğer tüm koşullar aynı tutularak, yalnızca, havalandırmanın biçimi değiştirilerek elde edilen sonuçlar (parçacık dağılımı, yayılımı, içeride kalma süresi); kapalı bir ortamın havalandırılmasının, her koşulda aynı tasarımla yapılmasının yalnızca faydasız değil; zararlı olabileceğini göstermektedir. 

Basit Bir Karşılaştırma

Havalandırma menfezlerinin yerinin etkisini irdelemek için ANSYS® paket programı ile yaptığımız çalışmada 7 m x 5m x 5 m boyutlarındaki bir odanın menfezleri şu şekildedir (Şekil 1):
A- 1.5 m yükseklikteki  1 m x 1  m boyutlarındaki menfezden basınç farkından dolayı doğal giriş
B- 4.25 m yükseklikteki  1 m x 0.5  m boyutlarındaki menfezden 1 m/s hız ile giriş.
C- 1.25 m yükseklikteki  1 m x 0.5  m boyutlarındaki menfezden 1 m/s hız ile giriş.
D- 4. 5 m yükseklikteki  1 m x 1  m boyutlarındaki menfezden basınç farkından dolayı doğal çıkış.

Sekil 1. incelenen oda geometrisi ve havalandirma menfezleriŞekil 1. İncelenen oda geometrisi ve havalandırma menfezleri

Ayrıca odanın merkezine, y =1.85 m yükseklikte 0.3 m çapında parçacık (damlacık) yayan bir küre yerleştirilmiştir. Küreye, x ve z eksenleri doğrultusunda, 2 m uzaklıkta, yine y = 1 .85 m yükseklikte 4 adet; böylece oluşan 4 m x 4 m karenin (+x+z) ve (+x-z ) köşelerine de 1’er tane olmak üzere toplam 6 özdeş küre (d = 0.3 m) yerleştirilmiştir. Merkezdeki küreden yayılan 3 µm çapındaki parçacıklar, su ile aynı fiziksel özellikleri taşımakta ve tüm küresel yüzey boyunca t = 60 s boyunca salınmaktadırlar. Toplam parçacık debisi = 10-3 kg/s olarak verilmiştir. Böylece; salgın konusunda ‘havada asılı kalan parçacık’ tanımı için virüsün kapalı ortamlardaki salımı ve yayınımına ilişkin yapılan son çalışmalardan Bhagat vd.'nin [1] diğer kaynaklardan aktardığı değerlere uygun olarak, insanın soluk vermesi sırasında salınan mikro damlacıklar modellenmeye çalışılmıştır. 

Bu çalışmada, damlacığın buharlaşması göz önüne alınmamıştır. Hastayı temsil eden merkezdeki küre ve diğer insanları temsil eden 6 kürenin yüzey sıcaklıkları 370C; içeriye A, B ve C girişlerinden birinden giren havanın sıcaklığı 170C ve odanın başlangıç sıcaklığı ise 270C olarak verilmiştir.
Şekil 2-4’te, çıkış menfezinin konumu ve koşulları sabit tutularak farklı giriş koşulları için parçacıkların oda içerisindeki dağılımları verilmektedir. 

Sekil 2a. Pencereden basinc farkı ile hava girmesi durumunda havada asili damlaciklarin dagilimi

Şekil 2. Pencereden basınç farkı ile hava girmesi durumunda havada asılı damlacıkların dağılımı 
t = 420s. a) 3 B görünüş

Sekil 2b. Pencereden basinc farkı ile hava girmesi durumunda havada asili damlaciklarin dagilimi

Şekil 2. Pencereden basınç farkı ile hava girmesi durumunda havada asılı damlacıkların dağılımı 
t = 420s. b) Önden görünüş


Sekil 3a.

Şekil 3. Tavana yakın menfezden V = 1 m/s hız ile hava girmesi durumunda havada asılı damlacıkların dağılımı t = 420s. a) 3 B görünüş

Sekil 3b.

Şekil 3. Tavana yakın menfezden V = 1 m/s hız ile hava girmesi durumunda havada asılı damlacıkların dağılımı t = 420s. b) Önden görünüş

Sekil 4a.

Şekil 4. Tabana yakın ve çıkış menfezine dik yüzeyde konumlandırılmış menfezden V = 1 m/s hız ile hava girmesi durumunda havada asılı damlacıkların dağılımı t = 420s. a) 3 B görünüş

Sekil 4b.

Şekil 4. Tabana yakın ve çıkış menfezine dik yüzeyde konumlandırılmış menfezden V = 1 m/s hız ile hava girmesi durumunda havada asılı damlacıkların dağılımı t = 420s. b) Önden görünüş

Her 3 durumda da giren hava parçacık taşımamakta; ancak içerideki kaynaktan (Şekil 1’de merkezdeki küre) çıkan parçacıkların oda içerisinde izleyecekleri yolu, havanın giriş menfezinin konumu ve koşulları önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle %100 temiz hava ile havalandırma yapılması, tek başına yeterli değildir. Ayrıca; filtrasyon da, filtreleme işleminin yapılması gerektiği konumun damlacıkların izlediği yola bağlı olması nedeniyle, tek başına yeterli değildir.

Örneğin; havanın, bir fan yardımıyla yüksek hızlı bir akım yerine, pencere (Şekil 1’de A menfezi) açılarak verilmesi, parçacıkların oda içerisinde yayınmalarına yol açmakta ve bulaş riskini artırmaktadır. Bu havalandırma yoluyla, odaya ~3.8 x 10-3 kg/s hava girişi olmaktadır. 

Havanın yukarıdaki menfezden (Şekil 1’deki B menfezi) 1 m/s hızdaki akım (kütlesel debi 0.6125 kg/s) ile verilmesi durumunda, damlacıklar, oda içerisinde yayınmasalar da, çıkışa ulaşıncaya dek döngüsel hareketler yapmaktadırlar. 

Havanın, 1 m/s ile C menfezinden girmesi ise parçacıkların doğrudan doğruya çıkış menfezine (Şekil 1’de D menfezi) yönlenmesini sağlamaktadır. 

Şekil 5-7’de aynı parçacığın son 60 s içerisindeki döngüsel hızları karşılaştırma amacıyla verilmiştir. 

Şekil 5’te A menfezinden giriş durumunda, son 60 s içerisinde içeride kalan 422 parçacıktan biri olan parçacığın döngüsel hızının negatiften pozitife geçerek tam bir döngü yaptığı görülmektedir. Şekildeki eğrinin altında kalan alan hesaplanarak bu parçacığın son 60 s içerisinde 0.02 m yol kat ederek havada asılı kaldığı anlaşılmıştır. 

Sekil 5.

Şekil 5. Belirlenmiş bir damlacığın, havalandırmanın pencere açılarak yapılması durumunda, döngüsel hızı.

Aynı parçacık, B menfezinden giriş olması durumunda son 60 s içerisinde içeride kalan 9 parçacıktan biri olup döngüsel hareketten daha çok salınım hareketi yapmaktadır ve son 60 s içerisinde  1.12 m yol kat ettiği anlaşılmıştır. 

Sekil 6.

Şekil 6. Belirlenmiş bir damlacığın, havalandırmanın tavana yakın menfezden V = 1 m/s hızla hava verilerek yapılması durumunda, döngüsel hızı.

C menfezinden giriş olması durumunda ise, içeride kalan 8 parçacıktan biri olan  aynı parçacık, sürekli pozitif döngüsel (saatin tersi yönünde) hareketler yaparak, 0.16 m yol kat etmektedir. 


Sekil 7.

Şekil 7. Belirlenmiş bir damlacığın, havalandırmanın tabana yakın ve çıkış menfezine dik yüzeyde konumlanmış menfezden V = 1 m/s hızla hava verilerek  yapılması durumunda, döngüsel hızı.

Elbette, burada karşılaştırma olarak incelenen tek bir parçacık söz konusudur. Tüm parçacıkların döngüsel ve doğrusal hızlarının istatistik olarak değerlendirilip parçacıkların kat ettiği toplam mesafe bulunabilir. 

Ayrıca şu noktalar da göz önüne alınmalıdır:

  • Damlacıkların buharlaşmaları modellenmemiştir.
  • Damlacık sayısı ve miktarı, yalnızca soluk verme ile sınırlandırılmış; hapşırma, öksürme, yüksek sesle konuşma,  göz önüne alınmamıştır.
  • Tek bir hasta (kaynak) düşünülmüştür.
  • Hasta ve diğer kişilerin hareketleri modellenmemiştir.
  • Oda içerisindeki eşyalar ve benzeri akış engelleri incelenmemiştir.

Elde edilen parçacık dağılımı ve davranışının; yalnızca giriş menfezinin konumuna ve girişi sağlayan etkiye (belirli bir hızla hava akımı verilmesi ya da pencere açılması) göre bile bu kadar değişiklik göstermesi, havalandırmanın gelişigüzel yapılmaması gerektiğinin kanıtıdır. 

Bu açıdan izlenecek yol önerileri olarak şunları söyleyebiliriz:

  • Var olan havalandırma düzenekleri modellenerek, model doğrulanmalı; daha sonra ortamın kullanım koşullarına göre istatistik inceleme yapılıp doğrulanan model ile  a) düzenek iyileştirilmeli/değiştirilmeli ya da b) varolan düzenekte damlacıkların uzun süre kaldıkları veya temas ettikleri yerler saptanarak  filtreleme cihazları yerleştirilmelidir.
  • Havalandırma düzenekleri olmayan toplu yaşam yerlerinde, yine doğrulanmış modeller kullanılarak ve içerideki etkinliklerin istatistik değerlendirilmeleri yapılarak, ivedilikle havalandırma düzenekleri kurulmalıdır.
  • Her koşulda, kapalı yerlerdeki kişi/alan oranı azaltılmalı ve maske kesinlikle çıkarılmamalıdır. 

Kaynaklar: 

[1] Bhagat, R.K., Wykes, M. S. D., Dalziel S.B.,  Linden, P.F. Effects of ventilation on the indoor spread of COVID-19, J. Fluid Mech. (2020), vol. 903.