В июне 2020 года рабочая группа сотрудников Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» и студентов Института передовых производственных технологий (ИППТ) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) провела исследование распространения воздушно-капельных инфекций в офисных помещениях. Для выполнения проекта был выделен грант Фонда поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга.
Цель реализации проекта - решение задач подготовки социально значимых объектов к работе в условиях после эпидемии коронавирусной инфекции.
В ситуации восстановления штатной деятельности публичных учреждений после прохождения пика коронавирусной инфекции (COVID-19) компетенции исследователей были привлечены для цифрового моделирования безопасного для здоровья размещения людей в замкнутых помещениях.
При выполнении расчетов рассматривался набор задач, решение которых позволяет выявить влияние на возможность распространения инфекции таких факторов, как вид рассадки сотрудников в помещении, расстояние между столами и высота перегородок или экранов на столах сотрудников.
Так как соответствующих научных исследований обнаружено не было, целью работы стала проверка применимости рекомендаций относительно расположения рабочих мест и иных условий труда, в частности – обеспечения помещений системами вентиляции воздуха.
Математическе моделирование выполнялось для помещения с четырьмя посадочными местами, оборудованного приточно-вытяжной системой вентиляции с двумя каналами для подачи и двумя каналами для отведения воздуха. Производительность моделируемой системы вентиляции соответствует всем правилам и нормам для офисных помещений и определена по результатам опроса, проведенного среди представителей бизнес-центров. Дополнительно математическая модель помещения учитывала наличие компенсационного канала отведения воздуха с нулевым давлением.
Перед началом основной части исследования была решена серия тестовых задач для изучения процесса движения воздушных масс, выдыхаемых человеком. Математическое моделирование проводилось с учетом выдыхаемых мелких частиц или капель, которые могут содержать вирус. Предварительные расчетные исследования показали, что такие частицы имеют крайне малую массу, в связи с чем могут переноситься вместе с выдыхаемым воздухом на достаточно большие расстояния, представляя угрозу для окружающих.
Анимация движения частиц на выдохе
Перемещение частиц с выдохом
В рамках основного исследования рассматривалось три типа возможной рассадки сотрудников:
- прямоугольная рассадка;
- "рассадка цветком";
- обратная "рассадка цветком".
Для каждого типа рассадок рассматривалось несколько вариантов расстояний между столами сотрудников и несколько вариантов перегородок.
В первой части исследования было выполнено математическое моделирование воздушных потоков в помещении для трех типов рассадок с различным расстоянием между столами сотрудников. В целях повышения наглядности и визуальной определенности численных результатов в процессе математического моделирования считалось, что газ, выдыхаемый каждым из сотрудников, а также газ, поставляемый системой вентиляции, различны (т.е. для ситуации рассадки четырех сотрудников и наличия в помещении приточной вентиляции моделировались пять воздушных потоков). Подобный подход позволяет при анализе результатов корректно провести дифференциацию газов и оценить возможность заражения.
С учетом подкрашивания воздушных потоков для качественной оценки риска заражения было вычислено процентное соотношение между долями газов, находящихся в сферической области радиусом 0,5 м вблизи головы каждого из сотрудников.
Анализ результатов для различных вариантов компоновки посадочных мест показал, что при установке мест близко друг к другу наиболее опасной оказывается "рассадка цветком". При других вариантах возможность заражения оказывается ниже, однако по-прежнему остается высокой.
Распределение воздушных масс для трех видов рассадки при расположении столов близко друг к другу
При увеличении расстояния между посадочными местами возможность передачи инфекции между сотрудниками снижалась и, естественно, оказывалась минимальной при наибольшем расстоянии. При этом математическое моделирование показало, что с увеличением расстояния наиболее эффективно риск заражения снижается при "рассадке цветком".
Сравнительный анализ опасности рассадки в зависимости от расстояния между столами
Во второй части исследования была оценена эффективность применения перегородок или экранов для защиты сотрудников от распространения воздушно-капельных инфекций. В этом случае математическое моделирование подтвердило утверждение о том, что применение перегородок позволяет снизить возможность передачи, однако в результате проведения анализа также удалось подтвердить положительное влияние увеличения высоты перегородок.
Сравнительный анализ опасности рассадки в зависимости от высоты перегородок и расстояния между местами
Кроме прочего, проведенное исследование подтвердило, что риск распространения инфекции в помещении в существенной степени зависит от параметров системы вентиляции, и в случае некорректного ее функционирования вероятность заражения для ряда сотрудников может возрасти.
Результаты выполненного математического исследования применены при разработке специализированного интерактивного опросника для владельцев бизнеса и представителей предприятий, размещенного на сайте Фонда поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга. Проект Фонда, направленный на адаптацию социально значимых объектов, представил результаты по подготовке выставочных пространств и предполагает продолжение исследований для образовательных, спортивных и других учреждений.
Аналогичные проекты для собственников объектов и руководителей организаций могут быть реализованы по предъявляемым параметрам конкретных помещений, условий труда, систем вентиляции, другим показателям и характеристикам. По соответствующим вопросам можно обратиться в Фонд поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга или в Центр НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии».
Небезопасная (слева) и безопасная (справа) рассадка
