Actualmente se presta mucha atención al papel de la ventilación en la reducción del riesgo de transmisión del virus SARS-CoV-2 en ambientes interiores de largo alcance (separación de >2 m). Sin embargo, la ventilación no es el único mecanismo para la reducción de virus del aire interior, otros incluyen la desintegración biológica del virus y la deposición de aerosoles en superficies. La magnitud de estos mecanismos de eliminación depende del volumen espacial. Esto significa que en espacios con un volumen mayor la tasa de ventilación equivalente es mayor, suponiendo que el número de ocupantes y el caudal de aire por persona (l/s por persona) sea el mismo. En consecuencia, la concentración de aerosoles virales (viables) en régimen estacionario también es menor. Una de las razones por las que no es sencillo prescribir una cierta tasa de ventilación para mitigar los riesgos de transmisión secundaria es que el volumen del espacio es importante. Aquí, tratamos de explicar por qué este es el caso:
Concentración en estado estacionario
Tendemos a utilizar dos métricas para cuantificar los flujos de aire, ya sea una tasa de volumen (l/s o m3/s), o una tasa de recambio de aire por hora(h-1). Cuando un contaminante se libera continuamente en un espacio, el aumento de su concentración eventualmente se detiene y alcanza un estado estacionario. Sin embargo, las dos métricas de flujo de aire revelan características diferentes sobre él.
Consideremos un gas trazador que se libera a un ritmo constante en dos oficinas, cuyo único mecanismo de eliminación es la ventilación, pero una oficina tiene el doble de volumen que la otra. Además, ambas son ventiladas con aire exterior que no contiene gas trazador. Si cada oficina recibe el mismo caudal de aire constante, la concentración del gas trazador alcanzará el mismo valor de estado estacionario en ambas habitaciones, independientemente de su volumen. Sin embargo, el número de moléculas del gas trazador (o el volumen del gas trazador) es mayor en el espacio más grande; véase la Figura 1.
Alternativamente, si cada oficina se ventila a una tasa de recambio de aire constante, entonces la concentración en estado estacionario del gas trazador es menor en el espacio más grande, pero el número de moléculas en cada oficina es el mismo; ver Figura 2.
Al considerar estos principios, podemos comenzar a explorar el riesgo de transmisión de largo alcance del SARS-CoV-2 (>2m) a través de aerosoles cargados de virus, en espacios interiores:
Consideremos dos oficinas hipotéticas, ambas con una altura de piso a techo de 3m, y ambas ocupadas por 20 personas que realizan la misma actividad. Oficina (A) tiene una densidad de ocupación de 10m2 por persona, dando un volumen de 600m3. La oficina (B) tiene una densidad de ocupación de 15m2 por persona, dando un volumen de 900m3.
Supongamos que hay sólo una persona contagiada en cada oficina que emite el virus exactamente al mismo ritmo. La oficina (A) se ventila a 10l/s/persona dando una tasa de flujo de aire total de 200 l/s. La oficina (B) se ventila a 7l/s/persona dando una tasa de flujo de aire total de 140 l/s.
La oficina (A) tiene una concentración de CO2 en estado estacionario de aproximadamente 1000ppm, mientras que la oficina (B) es de aproximadamente 1200ppm.
Suponiendo que el aire está bien mezclado, ¿en qué oficina los ocupantes son susceptibles a inhalar menos virus (viable), en promedio?
Concentración de virus viable en régimen estacionario
Al considerar la tasa de ventilación por sí sola, uno podría suponer que la Oficina (A) es más segura que la Oficina (B) ya que recibe 1,43 veces más aire exterior por unidad de tiempo, y porque la concentración de CO2 es menor. Sin embargo, el virus está encapsulado en aerosoles y es un organismo biológico, por lo que existen mecanismos de eliminación adicionales que funcionan de manera diferente a la ventilación y a los gases, pero cuyos efectos pueden expresarse como una tasa de recambio de aire equivalente, compuesta por:
- Tasa de ventilación, ψ – La tasa de recambio de aire, en función de la tasa de ventilación y el volumen de espacio V
- Tasa de decaimiento biológico, λ –función de la vida-media del virus, es decir, el tiempo para que la mitad de todos los virus presentes en un espacio se vuelvan inviables cuando están fuera de una célula huésped, y la tasa de inactivación biológica por dispositivos como los rayos UV.
- Absorción de las vías respiratorias, ζ – Un pequeño número de virus puede ser inhalado por los ocupantes del espacio, algunos de los cuales se exhalan, y algunos pueden depositarse en las vías respiratorias. Este número es proporcional a la concentración de virus viable en el aire y la frecuencia respiratoria de los ocupantes.
- Tasa de deposición superficial, γ – La tasa en que un aerosol que contiene virus se deposita en las superficies a través de deposición balística y la deposición de momento, y es una función del área del recinto.
- Tasa de filtración, ω – la velocidad a la que un virus transmitido por un aerosol es filtrado y removido del aire circulante por un equipo mecánico. En este ejercicio asumimos que no hay filtración presente.
El riesgo de que un ocupante susceptible se infecte está relacionado con el número de virus viables que se depositan en las vías respiratorias y la dosis requerida para que se produzca la infección. Cuanto mayor sea la concentración de virus que hay en un espacio, más virus se inhalan, aumentando el riesgo de una dosis infectiva. Por lo tanto, la cantidad del contaminante en estado estacionario en un espacio (número de moléculas de un gas o número de virus viables), o , es proporcional al cociente de la tasa de emisión,
, y la tasa de eliminación total, ϕ, también conocida como la tasa de cambio de aire equivalente, y expresada aquí como una tasa de recambio de aire equivalente (h-1).
La tasa de eliminación total es entonces la suma de todos los mecanismos de eliminación individuales
La concentración del contaminante, , depende del volumen del espacio, y está dada por
Para un gas trazador cuyo único mecanismo de eliminación es la ventilación, entonces ɸ=ψ, y así para las dos oficinas del ejemplo
Oficina A: ψ = 200l/s o 1,2h-1
Oficina B: ψ = 140l/s o 0,56h-1
Si la tasa de emisión del gas trazador, , es la misma en ambos espacios, la concentración del gas trazador en estado estacionario es menor en la Oficina A porque el caudal de aire es mayor. La tasa de recambio de aire también es mayor en la Oficina A, por lo que el número total de moléculas de gas trazador es menor.
Sin embargo, para el virus SARS-CoV-2, la contribución de los otros mecanismos de eliminación puede ser significativa. Ahora consideramos también los efectos de la descomposición biológica, la deposición y la absorción del tracto respiratorio. Los valores típicos se dan en la Tabla 1.
Tabla 1 Valores típicos de decaimiento biológico λ, deposición γ, absorción de las vías respiratorias ζ (ver Jones et al., 2020)[1] donde ψ es la tasa de cambio de aire, y φ es la tasa de cambio de aire equivalente
| ψ (h-1) | γ (h-1) | λ (h-1) | ζ (h-1) | ϕ (h-1) | ϕ (l/s) | |
| Oficina A | 1.200 (49%) | 0.619 (25%) | 0.630 (26%) | 0.010 (0,4 %) | 2.459 | 410 |
| Oficina B | 0.560 (31%) | 0.600 (33%) | 0.630 (35%) | 0.007 (0,4 %) | 1.797 | 449 |
El efecto de todos los mecanismos de eliminación se pueden resumir en una sola tasa de recambio de aire equivalente, ϕ, utilizando la ecuación (2). Su valor es mayor para la Oficina A (2.459h-1 comparado con 1.797 h-1), lo que significa que el número total de virus viables es menor en la Oficina (A), si la tasa de emisión de virus es la misma en ambas oficinas. Sin embargo, la concentración de virus viable es proporcional al riesgo de inhalar una dosis infectiva y no al número total.
Para comparar la concentración de virus viable en cada espacio, la tasa de recambio de aire equivalente debe convertirse en un caudal de aire equivalente, que depende del espacio. La Oficina (B) tiene el mayor caudal de volumen equivalente (449 l/s en comparación con 410 l/s de la Oficina A), y por lo tanto la concentración de virus viable es menor en Office (B), a pesar de tener una menor tasa de ventilación (140 l/s en comparación con 200 l/s). Por lo tanto, el riesgo de que el virus se deposite en las vías respiratorias de una persona susceptible es un 8% menor, lo que reduce la probabilidad de una dosis infecciosa, en promedio, y a pesar de que la concentración de CO2 en estado estacionario en la Oficina B es alrededor de un 20% más alta que la de la Oficina A. Si ahora las oficinas están ventiladas a 10l/s/persona, entonces la tasa de ventilación equivalentes son 410l/s y 509l/s para Oficina A y Oficina B, respectivamente.
El efecto del reservorio afecta la exposición
Un espacio interior puede actuar como un reservorio de aire fresco, que es útil para amortiguar el impacto de las emisiones contaminantes. Cuanto mayor sea el volumen del espacio, mayor será el efecto; véase la Figura 1a. Este efecto reservorio significa que el tiempo que se tarda en alcanzar el estado estacionario es más largo en la Oficina más grande (B) (volumen de 900m3 en comparación con 600m3),por lo que los ocupantes susceptibles también están expuestos a la concentración en estado estacionario del virus durante menos tiempo que en la Oficina A, lo que reduce su tiempo de exposición promediado.
Este ejercicio demuestra que el caudal de volumen equivalente total es el factor determinante para evaluar la concentración de aerosoles cargados de virus del SARS-CoV-2 en un espacio interior, que el caudal de ventilación exterior no puede utilizarse de forma aislada y que el caudal de aire equivalente total depende del volumen espacial. ¡El volumen del espacio importa!
Tenga en cuenta que en este ejemplo el número de ocupantes es el mismo en ambos espacios y, por lo tanto, la probabilidad de que un infectado esté presente es la misma. Si el número de ocupantes es diferente, la probabilidad de que un infectado esté presente cambia, ¡pero esa es otra historia!
POSIBLE TEXTO ADICIONAL
El dióxido de carbono exhalado (CO2) sólo se diluye mediante ventilación, por lo que no se ve afectado por los mecanismos de eliminación adicionales descritos aquí. Curiosamente, su concentración en estado estacionario es independiente del volumen espacial y depende únicamente del caudal de aire. Por lo tanto, el riesgo de inhalar el virus viable no se puede determinar a partir de una concentración de CO2.[2] Sin embargo, una concentración de CO2 en estado estacionario es útil para identificar espacios ocupados mal ventilados. En algunas circunstancias, se puede utilizar para estimar la tasa de ventilación, pero no puede indicar la tasa de ventilación equivalente.
Afiliación
Benjamin Jones es profesor asociado en la Universidad de Nottingham
Chris Iddon es investigador asociado en la Universidad de Nottingham
Ambos están participando en el proyecto AIRBODS financiado por el EPSRC que tiene como objetivo ofrecer orientación sobre la operación de ventilación y el diseño futuro de edificios no residenciales para cuantificar el riesgo y reducir la transmisión de SARS-CoV-2 en los edificios.
Traducción y cooperación de Constanza Molina, quien es académico asistente en la Pontificia Universidad Católica de Chile.
[1] Jones, B., Sharpe, P., Iddon, C., Hathway, E. A., Noakes, C. J., & Fitzgerald, S. (2021). Modelling uncertainty in the relative risk of exposure to the SARS-CoV-2 virus by airborne aerosol transmission in well mixed indoor air. Building and environment, 191, 107617.
[2] AIVC. Can a measured CO2 concentration show a building is SARS-CoV-2 safe? AIVC newsletter. November 2020. https://tinyurl.com/2daasfct