Thiết kế không khí trong phòng kín như thế nào để ngăn ngừa lây lan COVID-19 và các dịch bệnh tương tự COVID-19 trong tương lai?

PGS.TS. Trần Văn Hiếu, Học viên Cao học Mai Hoàng Thùy Dung
Khoa Sinh học - Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
---------

Đại dịch COVID-19 do virus SARS-CoV-2 gây ra thiệt hại về xã hội và kinh tế trên toàn thế giới. Làn sóng bùng dịch đang diễn ra ở các quốc gia một lần nữa khiến các chính phủ phải lên kế hoạch phục hồi ngay lập tức như đóng cửa, hỗ trợ tài chính, và tiêm chủng hàng loạt. Đồng thời, các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đang tập trung vào các giải pháp khả thi lâu dài bao gồm giảm thiểu việc bùng dịch trong tương lai.

Các nghiên cứu cho rằng việc ho và hắt hơi sẽ làm phát tán mạnh các giọt bắn nhiễm khuẩn hơn. Tuy nhiên, những bệnh nhân F0 mà không có triệu chứng vẫn có thể truyền các vật trung gian mang bệnh và là những người góp phần đáng kể vào tổng số ca nhiễm. Đối với môi trường trong nhà hay trong phòng, ngoài việc giữ khoảng cách an toàn thì điều kiện thông gió ảnh hưởng đáng kể đến sự lây nhiễm của giọt bắn. Thiết kế thông gió không phù hợp sẽ không thể loại bỏ giọt bắn hiệu quả và tăng ô nhiễm bề mặt cho các vật dụng khác nhau.

Nghiên cứu này thực hiện phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) sử dụng các phương pháp số kết hợp với công nghệ mô phỏng trên máy tính để mô phỏng yếu tố chuyển động của luồng không khí đối lưu và động lực học của các hạt (coi là giọt bắn khi giao tiếp) được bắn ra theo các tốc độ khác nhau bởi các hoạt động hô hấp như ho, hắt hơi, nói chuyện bình thường và nói to, trong một không gian giả định tương tự một phòng làm việc kín điển hình. Hai kiểu thông gió (đầu vào/đầu ra ở trần nhà/tường và trần nhà/trần nhà) và ba tỷ lệ đổi mới không khí/giờ khác nhau (4, 6 và 8 ACH với ACH là số lần trao đổi không khí mỗi giờ) đã được sử dụng để thực hiện các mô phỏng. Hai mô hình người được đặt trong phòng mô phỏng lần lượt F0 và người tiếp xúc, cách nhau 2 m theo khoảng cách an toàn được khuyến cáo. Các kiểu thông gió và mô hình người đều được giả định trên máy tính theo phương pháp CFD. Nghiên cứu diễn giải việc thiết kế hệ thống lưu thông không khí ảnh hưởng như thế nào đến sự lây lan của dịch bệnh. Đồng thời đưa ra nguy cơ lây nhiễm tiềm ẩn của bệnh nhân F0 không triệu chứng. Bốn tình huống khác nhau được hiển thị bên dưới đã được sử dụng cho mục đích so sánh và giải thích:

Tình huống 1 (Sc1): vị trí đứng, kiểu thông gió trần - tường;
Tình huống 2 (Sc2): vị trí đứng, kiểu thông gió trần - trần;
Tình huống 3 (Sc3): vị trí ngồi - ngồi, kiểu thông gió trên trần - tường;
Tình huống 4 (Sc4): tư thế ngồi - ngồi, kiểu thông gió trần - trần.

Kết quả cho thấy đối với Sc1, các giọt bắn từ F0 chỉ lây nhiễm do ho hay nói chuyện lớn. Còn ở Sc2 thì tất cả các hoạt động hô hấp đều gây nhiễm cho người tiếp xúc. Thêm vào đó, ở cả hai trường hợp, khi thực hiện trong thời gian 10 phút thì việc nói chuyện lớn sẽ khiến người đối diện tiếp xúc với các giọt bắn nhiều hơn là ho.

Hiện tượng ở Sc1 có thể được biểu hiện trên cơ sở hình 1A, có một “bức rèm không khí” nằm xa F0 được tạo ra. “Bức rèm” này không cho các giọt bắn có vận tốc thấp và động lượng nhỏ vượt qua nó. Do đó, chỉ có các giọt bắn do nói chuyện lớn (tốc độ bắn ra tối đa) và do tiếng ho mới đến được người đối diện. Ở Sc2, do rào cản được tạo ra nằm gần F0 nên ngay cả các hạt tốc độ bắn ra thấp (nhưng động lượng vẫn còn lớn) cũng đủ để xuyên qua “bức rèm không khí” và đến người tiếp xúc. Trường hợp Sc3 và Sc4 cũng giống Sc1 và Sc2 tương ứng.

Hình 1. Biểu đồ vận tốc không khí ở trạng thái ổn định cho cả bốn tình huống Sc1– Sc4 lần lượt là A – D.

Đối với kiểu thông gió Sc1, dù các hạt bắn ra ở chế độ ho có kích thước nhỏ (động lượng lớn) nhưng vẫn không thể đến được người đối diện trong cả 220 giây (Hình 2A-C). Ngược lại với Sc2, các hạt bắn ra ở chế độ ho dù có kích thước lớn đã có sự lắng đọng ở 10 giây nhưng do điều kiện thông gió nên đã nhanh chóng lan ra đến người tiếp xúc ở 50 và 220 giây (Hình 2D-F).

Hình 2. Sự phân bố các hạt kích thước khác nhau của chế độ ho đối với Sc1 (A – C), và chế độ ho đối với Sc2 (D – F) ở 10, 50, và 200 giây tương ứng.

Ba tỷ lệ đổi mới không khí/giờ là 4, 6, 8 ACH được chọn để nghiên cứu với chế độ ho ở cả bốn trường hợp. Chỉ ở trường hợp Sc1 và Sc3, khi tăng số lần trao đổi không khí thì khả năng lây nhiễm của giọt bắn mới giảm đi. Điều này cho thấy mô hình lưu thông không khí trong phòng cũng làm ảnh hưởng đến hiệu quả loại bỏ các tác nhân gây nhiễm bằng việc tăng tỷ lệ trao đổi không khí.

Từ các kết quả của nghiên cứu, có thể thấy rằng việc nói chuyện bình thường vẫn có thể gây nhiễm bệnh dù đã giữ khoảng cách an toàn 2 m (Sc2 và Sc4). Các giọt bắn vẫn tồn tại ngay cả sau 30 phút nói chuyện cho thấy những bệnh nhân F0 không triệu chứng vẫn có nguy cơ cao lây truyền virus trong môi trường kín. Do đó, việc thiết kế mô hình lưu thông không khí trần nhà - tường để tạo ra “bức rèm không khí” là một chiến lược khả thi trong phòng ngừa và giảm thiểu việc lây lan bệnh. Hậu đại dịch, khi thế giới dần trở lại bình thường, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng không gian văn phòng được thiết kế ở điều kiện an toàn để giảm thiểu sự lây lan của các bệnh dịch tương tự COVID-19.

Lược dịch từ:

Mariam, Magar, A., Joshi, M., Rajagopal, P. S., Khan, A., Rao, M. M., & Sapra, B. K. (2021). CFD Simulation of the Airborne Transmission of COVID-19 Vectors Emitted during Respiratory Mechanisms: Revisiting the Concept of Safe Distance. ACS Omega.