Effect of natural ventilation on airborne disease infection risk in lecture halls

Abstract

This dissertation shows that two calibration indices suggested by ASHRAE to calibrate energy and water demand simulations can be used to calibrate any type of simulation, including natural ventilation. The authors subsequently use these indices to create a calibrated simulation model of a three-story, 30-classroom lecture hall in tropical climate, and by virtue of assessing the air renovation profile of each of its classrooms, also create an airborne disease infection risk matrix for that building, which can be adapted to similar lecture halls. The risk matrix accounts for three different diseases’ quanta emission rates, three different occupation rates (10%, 50% and 90% occupation) and classroom permanence times of up to 250 minutes. Findings suggest ventilation chimney height to be more influential to air renovations than temperature difference alone, that higher occupation rates resulted in more air renovations per hour, but also in higher infection risk, and that differently from temperate climate research has shown, tropical classrooms equipped with thermal chimneys can rely on natural ventilation to reduce airborne infection risk to an acceptable threshold. Keywords: COVID-19. Building Energy Simulation. Measles. Tropical climate. Thermal Chimney.A presente dissertação mostra que dois índices de calibração sugeridos pela ASHRAE para calibrar simulações de consumo de energia e água podem ser utilizados para calibrar qualquer tipo de simulação, incluindo simulações de ventilação natural. Os autores utilizam estes índices para criar um modelo de simulação calibrado de um edifício de três pavimentos, com 30 salas de aula, em clima tropical e, através da avaliação do perfil de renovação do ar de cada uma das salas de aula, criam também uma matriz de risco de infecção por doenças transmitidas pelo ar para esse edifício, a qual pode ser adaptada a outros pavilhões de aulas semelhantes. A matriz de risco considera três taxas de emissão de quanta de doenças diferentes, três taxas de ocupação diferentes (10%, 50% e 90% do total de cadeiras ocupadas) e tempos de permanência em sala até 250 minutos. Os resultados sugerem que a altura da chaminé é mais significante para as renovações de ar do que a diferença de temperatura por si só, que taxas de ocupação mais elevadas resultam em mais renovações de ar por hora, mas também em maior risco de infeção, e que, ao contrário do que os estudos em climas temperados tem demonstrado, as salas de aula tropicais equipadas com chaminés térmicas podem contar com a ventilação natural para reduzir o risco de infecção por doenças aéreas para um limiar aceitável. Palavras-chave: COVID-19. Simulação Termoenergética. Sarampo. Clima tropical. Chaminé térmica .