Okullar ve üniversitelerin kapalı alanlarında koronavirüs bulaşma riski nasıl azaltılabilir?

Aşağıda detayları bulunan analizde SARS-COV2 virüsünün havada asılı kalabilen 10 mikron ve daha küçük damlacıklarla bulaşabildiği kabul ediliyor. Bu yazıda küçük damlacıklar, uçuşan parçacıklar olarak adlandırılıyor. İyi havalandırılmayan kapalı alanlarda, hastalığın bu yolla bulaşabildiğini öne süren (aşağıda listelenmiş) birçok yayın olmasına karşın bu konuda bilimsel bir fikir birliği henüz yok. (5 Ekim 2020’de Amerikan Hastalık Kontrol Merkezi CDC’nin “Covid-19 nasıl bulaşır” sayfasında yapılan güncellemede uçuşan parçacıkların da bulaşmaya neden olabileceği bilgisi eklendi.)

Bu konudaki bilimsel çalışmalar sürerken okul ve kurumlardaki önlemlerin, uçuşan parçacıklarla bulaşmanın mümkün olduğu kötü senaryoya göre alınmasının önemini vurgulamak istiyoruz. 

COVID-19 salgınının hayatımıza girmesiyle hepimiz günlük hayatımızda ve sosyalleştiğimiz ortak yaşam alanlarımızda hastalık bulaşı ile ilgili risk değerlendirmesi yaparak kişisel önlemler alıyoruz. Daha büyük çaplı önlemlerin kurumsal olarak alınması da ayrıca önem taşıyor. Mühendislik yöntemleri kullanılarak yapılan bu tür risk analizlerinde farklı mekanlar, farklı çalışma/kullanım koşulları vs. dikkate alınıyor ve mekanları kullanabilecek maksimum insan sayısı, kullanım süreleri, havalandırma ve dezenfeksiyon yöntemleri gibi konularda önerilerde bulunulabiliyor.

Bu yazıda eğitim kurumlarında sıklıkla rastlanan mekanlar ve tipik kullanım koşullarını dikkate alarak yaptığımız risk analizini ve sonuçlarını paylaşacağız.

Okullarda özellikle çok kullanıcılı ve iyi havalandırılmayan sınıflar, ofisler, yurt odaları, yemekhaneler, toplantı odaları, toplu taşıma araçları ve tuvaletler risk teşkil ediyor.

Virüsün özellikle iyi havalandırılmayan kapalı alanlarda damlacıkların yanı sıra daha küçük ve uçuşan parçacıklar yoluyla da bulaşabildiği ön kabulüyle yaptığımız analizin yüz yüze eğitimin yapılabilirliğinin tartışıldığı bu günlerde yararlı olacağını umuyoruz.  Aşağıda detaylarını görebileceğiniz gibi analiz sonucunda,  genel olarak havalandırma sisteminin odaya maksimum temiz hava sağlaması ve/veya pencerelerin sürekli açık tutularak temiz hava girişinin yapılması gerekliliği ortaya çıkıyor.  Bunun yanında dersliklerdeki mevcudun azaltılması gerekliliği ve ders sürelerinin de kısaltılmasının faydalı olacağı görülüyor.

Önemli not: Bu yazıda geçen havalandırmalar içeri temiz hava girmesini sağlayan havalandırmalardır.

Virüsün bulaşma yolları ve uçuşan parçacıklar

Virüs bulaşı, bulaştırıcı hasta bir kişinin solunum sisteminde bulunan virüs yüklü sıvının damlacık formunda havaya saçılması ve/veya çeşitli yüzeylere bulaşması ile başlar. Sonrasında damlaların doğrudan solunum sistemimize girmesi ya da yüzeylerden ağırlıklı olarak el teması ve elin ağız, burun ve göz teması ile  vücudumuza girmesi ile gerçekleşir. Alınan virüs miktarı, temas etme süresi ve bulaşan kişinin sağlık durumu çeşitli seviyelerde hastalığa yol açar.

Virüsün asıl bulaşma yolu olarak kabul edilen büyük damlalar hızlı bir şekilde yere çökerken, boyutları 10 mikron (mikrometre) ve altında olan küçük damlalar uzun süre havada asılı kalıp, havanın akışıyla hareket ederler. Küçük damlalar nefes alırken bile ortaya çıkarlar. Bu parçacıklara (küçük damlalara ya da virüslerin kendisine)  İngilizce’de “airborne” parçacıklar denir, bu yazıda uçuşan parçacık terimini kullanacağız.  Uzun sürelerle  ortak kullanılan kapalı alanlarda uçuşan parçacıkların da bulaş riski oluşturacağı çeşitli çalışmalarla gösterildi [1]–[6]. Bu parçacıklar basit maskelerle etkin olarak filtre edilemiyor.  Küçük parçalarla yapılan filtreleme testlerinde cerrahi maskelerin bu parçaları %33 oranında filtreleyebildiği görülmüş [7].

Yöntemle ilgili birkaç önemli not

Sonuçlar ve tavsiyeler bölümüne geçmeden önce sonuçları okuyabilmek için gerekli birkaç  noktayı sıralayalım. Daha fazla teknik detayı merak ederseniz yazının sonundaki ilgili bölümde bulabilirsiniz.

• Bu çalışmada virüsün kişiden çıktıktan sonra odanın her yerine aynı anda homojen yayıldığını kabul ediyoruz. Gerçekte ise hasta kişiye yakın olan kişilerin daha yüksek konsantrasyonda virüse maruz kaldığından hastalığın onlara bulaşma riski daha yüksek olacaktır. Ancak bu hesaplarda kimin hasta, kimin sağlıklı ve içerideki oda içi hava akışı bilinmediğinden, hesap edilen bulaş riski ortalama bir bulaş riskidir.
• Virüs yüklü damlaların, bahsi geçen fiziksel etkileri de kapsayan şekilde üç boyutlu uzayda nasıl yayıldıkları detaylı simülasyonlarla elde edilebilir. Damlacıkların buharlaşma yoluyla küçülmesi, ortamın sıcaklığının ve neminin damla üstüne etkisi modelde bulunmuyor. Bu eksikliklere rağmen, bu yaklaşımla elde edilen sonuçlar farklı mekânlar için karşılaştırmalı olarak kullanılabilir, sorunlu kapalı alanlar tespit edilebilir ve riski azaltıcı önlemler planlanabilir. 
• Hesaplamalarda, mekanı kullan kişilerden sadece bir kişinin hasta olduğu kabul ediliyor ve bu kişinin birim zamanda yaydığı virüs miktarı, kuanta/dakika cinsinden hesap edilip bu virüsün belli bir süre içerisinde insanlar tarafından solunum yoluyla emildiği varsayılıyor. Bu şekilde odanın kullanım süresi boyunca havada asılı kalan küçük parçacıklar yoluyla hastalığın bir kişiye bulaşma riskini hesaplıyoruz.
• Bir kuantum, maruz kalan insanların %63’ünü hasta edebilen virüs miktarı olarak tanımlanıyor [8]. Virüsün havadaki konsantrasyonu (kuanta/m³) hasta kişinin salınımı ile artarken, havalandırmanın ve/veya açık pencerelerin sağladığı temiz hava ile, katı yüzeylere çökmesiyle ve virüsün ortam şartlarından dolayı etkisiz hale gelmesi ile azalır. Sonuncusu, buradaki hesaplarda dikkate alınmıyor.
• Bir kuantumda kaç virüs olduğu, henüz güncel bir araştırma konusu:SARS-CoV-1 virüsüne benzer olduğunu düşünerek [9]  ve SARS-CoV-1’in bulaştırıcılığı üstüne yapılan çalışmayı [10] esas alarak, bir kuantumdaki virüs sayısının 10 ila 100 arasında değiştiğini öngörüyoruz [11]. Analizde maksimum minimum bulaş riskini bu iki değer için hesaplıyoruz.
• Yemekhane ve yurt odası hariç, sürekli cerrahi maske takıldığını kabul ediyoruz.
• Hesap yapılan kapalı ortamların özellikleri için “teknik detaylar” bölümüne (Tablo 2) bakabilirsiniz. Tüm odalar için, dört durumu çalıştık:
  • Temiz hava veren mekanik havalandırma ve camlar sürekli yarım açık
  • Temiz hava veren mekanik havalandırma açık ve camlar kapalı
  • Sadece camlar açık ve mekanik havalandırma yok/kapalı
  • Her şey kapalı
• İlköğretim ve lise sınıflarının boyutları T.C. Milli Eğitim Bakanlığı İnşaat ve Emlak Dairesi Başkanlığı (2015) standartlarına göre, havalandırma debileri TSE 3419 ve ASHRAE 62 (2001) standartlarına göre seçilerek binaların mevcut durumuna yaklaşık hesaplar yapılmaya çalışılmıştır. [12]–[14].

Sonuçlar ve tavsiyeler

Şekil 1’de, camla doğal havalandırma yapılan bir lise sınıfı için kuanta konsantrasyonun  ve bulaş riskinin zamanla nasıl değiştiği gösteriliyor. Kuanta konsantrasyonu belli bir sürede artıyor, ders aralarında azalıyor. Ancak virüsün bulaş riski kümülatif bir değer, dolayısıyla aradan sonra da artmaya devam ediyor.

Şekil 2’de, dikkate alınan tüm odalar için camların ve temiz hava sağlayan mekanik havalandırmanın açık ve kapalı durmalarında, ulaşılan bulaş risk değerlerinin maksimumu ve minimumu veriliyor.

Tablo 1’de, odaların sadece doğal olarak havalandırıldığı durumda, odadaki insanların tamamının kullanım süresi boyunca bir kuanta virüs solumasına izin verildiği takdirde, odada bulunabilecek maksimum insan sayısı ve odaların kapasitesinin yüzdesel olarak ne kadar seyreltilmesi gerektiği görülüyor. Bu tabloda ayrıca, ders sürelerinin kısaltılmasının etkisi de ayrıca görülebiliyor.

Risk ve oda kapasitesi hesaplarına önce genel sonra her tip oda için sonuç ve tavsiyeleri aşağıda verilmiştir.

• Genel tavsiyeler: Camların sürekli  yarım açık tutulması ve temiz havalandırmanın çalıştırılması her tip odada, bulaşı düşürücü etkiye sahip.
  Camların yarım açık tutulması,  ilköğretim ve lise sınıfları için ve dar toplantı odaları için riski neredeyse 2 kat seviyesinde düşürüyor.
  Sadece doğal havalandırması olan odalarda çalışma yapabilmek için, %70’e varan seyreltmenin gerekli olduğu görülüyor (Tablo 1).
  Ofis ve yurt odalarında, sadece camla yapılan doğal havalandırmanın, sadece mekanik havalandırmadan daha iyi olduğu ortaya çıkıyor. Bu durum, kişi başına düşen hacim büyüdüğünde ve hava debisi değişmediğinde, havanın temizlenmesi daha geç gerçekleştiğinden, riskin uzun süreli kullanımlarda artmasından kaynaklanıyor.

• Yurt odaları: En büyük riskin, yurt odalarında olduğu ortaya çıkıyor. Yani hasta bir kişi ile burada verilen özelliklerdeki bir odada bir gece geçiren bir kişinin minimum %50’ye varan olasılıkla hasta olabileceği görülüyor. Maksimum bulaş riski camlar açık olsa bile %90’ın üstüne çıkıyor. Bu hastalıkta semptomlar ortaya çıkmadan iki gün önce  bulaştırıcılığın başladığı [15], asemptomatik hastaların da bulaştırıcı olduğu ve presemptomatik hastaların uyku sırasında semptomatik hastaya dönüşebileceği ve çok fazla virüs saçabileceği düşünülürse, yurtlarda her odada bir kişi kalması en uygun çözüm olarak düşünülmelidir. Bu durum kapasite hesabında da ortaya çıkmıştır.
• Okul ve Üniversite Sınıfları: Okullarda, en fazla bulaş, liselerde ortaya çıkıyor. Bunun 3 nedeni var:
  • Oda hacimlerinin küçük olması,
  • Lise öğrencilerinin nefes debilerinin, ilköğretim öğrencilerine göre %40 fazla olması,
  • Lise öğrencilerinin, üniversite öğrencilerinden farklı olarak aynı sınıfta üst üste 4 ders saati geçirmeleri

Tablo 1’de de görüldüğü gibi en fazla seyreltmenin, yurt odalarından sonra lise sınıflarında yapılması gerektiği ortaya çıkıyor. Sınıflarda yapılacak seyreltmenin pratik yansıması öğrencilerin bir kısmının dersi çevrimiçi bir kısmının ise yüz yüze işlemesi olabilir. Bazı dersler imkanlar dahilinde  bina dışında da gerçekleştirilebilir. Sadece doğal havalandırması olan, sınıflarda seyreltme daha çok olmaktadır. Bunu bir miktar önlemin yolu, ders sürelerini kısaltmaktır. Ders sürelerinin, kısaltılması üniversitelerde seyreltmeyi %10 kadar düşürebiliyor (Tablo 1). Elbette ders sürelerinin azaltılıp araların uzatılması öğrencilerin ders aralarında sosyal mesafeyi koruyabildikleri sürece faydalı olacaktır.

Yüzyüze eğitim yapılabilmesi için tüm okullarda şube sayılarının arttırılması zorunlu görülüyor. Bu, daha uzun saatler eğitim, daha fazla öğretmen ve öğretim üyesinin istihdamı demek.

• Ofisler: Her ne kadar, ofis havalandırmaları TSE ve ASHRAE standartlarına göre yapılsa da camlar kapalı iken ofislerde günlük bulaş riskinin %45 seviyesine vardığı görülüyor. Bu hesaplarda öğlen bir saat ofiste kimsenin olmadığının varsayıldığı unutulmamalıdır. Kapasite hesabı, doğal havalandırmalı bir ofiste en iyi şartlarda kapasitenin %50 düşürülmesi gerektiğini gösteriyor. Eğer ofiste cam yok ve temiz hava sağlayan mekanik havalandırma yoksa, kapasitesinde azalma daha fazla olmalıdır. Bunun yanında, camı olan ofislerde sürekli yarım açık tutma ve belirli aralıklarda tam açıp havalandırma yapılmalıdır.
• Toplantı odaları: Toplantının 40 dakikalık iki seansta 10 dakika arayla yapıldığı varsayılıyor. Camlar kapalı iken ve temiz hava sağlayan mekanik havalandırma varken riskin %13 seviyesine vardığı görülmektedir. Tablo 1’deki kapasite hesabı, sadece camla havalandırılan bir toplantı odasında, kapasitede %50 lik bir azalmanın gerekliliğini gösteriyor. Uzun sürecek toplantılar odanın havasının temizlenmesine olanak sağlayacak şekilde molalarla düzenlenmeli. Eğer toplantı odalarına temiz hava sağlayan bir sistem yok ve pencere de bulunmuyorsa, bu alanlarda toplantı yapılmaması ya da toplantıların çok kısa tutulması gerektiği açık.
• Yemekhane: Hesaplarda risk az görülüyor, ancak pandeminin geliştiği bu dönemde, aynı anda 400 kişinin kullandığı bir yemekhanede birden fazla bulaştırıcı ihtimali yüksek olacaktır. Bu sebeple, yemekhanelerde de seyreltme uygulanmalı ve sınırlı sayıda insan aynı anda yemek yiyecek şekilde önlem alınmalı. Bunun için oda içindeki insanları sayabilen teknolojiler kullanılabilir.

Deneyim ve son söz

Mühendislik hesap yöntemlerinin bu zor günlerde normal hayatımıza riskleri minimize ederek dönmemiz için yardımcı olabildiğini görüyoruz.  Bu çalışmada gösterilen modelleme kullanılarak Özyeğin Üniversitesi (ÖzÜ) Çekmeköy Kampüsü ve üniversitenin diğer yerleşkelerinde bulunan 15 binada, bulunan 145 sınıf, 70 laboratuvar, 209 ofis, 47 toplantı odası, 146 WC, 1075 yurt odası, 1 yemekhane ve diğer ortak kullanım alanları incelendi ve sonuçlar ÖzÜ yetkilileriyle paylaşıldı ve açılış önlemlerinin planlanmasında bu bilgiler kullanıldı.

Burada yaptığımız gibi bir risk analiziyle her okuldaki mevcut derslik/yemekhane/tuvalet/ofis gibi mekanların boyutları ve havalandırma koşullarını dikkate alarak bu mekanları kullanabilecek maksimum kişi sayısı ve  maksimum kullanım süresi belirlenebilir. Bu çalışmaların bir sonraki adımında detaylı hesaplamalı akışkanlar dinamiğine dayanan analizler yapılmalıdır.

Ana hatlarıyla kurumlar ve okullarda kullanılan alanların kapasitelerinin önemli oranda azaltılması, birlikte geçirilen sürelerinin minimize edilmesi, havalandırma imkanı olmayan mekanların kullanılmaması, bazı etkinlikler için açık havanın tercih edilmesi, temiz havalandırma sistemlerinin ve  UVC dezenfeksiyon teknolojilerinin edinilmesi için uzun vadeli planların yapılması, gibi temel konuların önemini vurgulamak isteriz.

Özgür Ertunç (Özyeğin Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü)
M. Pınar Mengüç (Bilim Akademisi üyesi, Özyeğin Üniversitesi, Enerji Çevre ve Ekonomi Merkezi Direktörü)

Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.  İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.

Yöntem, tanımlar ve önkabuller üzerine teknik detaylar: 

Yaptığımız çalışmada Tablo 1’de gösterilen ve eğitim kurumlarında mevcut olan kapalı alanlarda, uçuşan parçacıklarla oluşabilecek bulaşmanın riskini Buonanno v.d. ‘yi [11] örnek alarak araştırıyoruz.

• • Temiz havanın mekanik havalandırmayla sağlandığı odalarda, TSE 3419 ve ASHRAE 62’ye göre ortalama olarak bir kişiye düşen temiz hava debisi 8,5 litre/saniye olarak kabul ediliyor [13], [14].
  • Sınıflarda yapılan çalışmada, camlar tam açıkken ve kapalıyken, her saatte odanın havasının kaç defa yenilendiğinin ölçüsü olan hava değişim sayısı saatte 3,77 ve 0,2 olarak ölçülmüştür [16]. Bu ölçümlere dayanarak,  pencerelerin sürekli yarım açık tutulduğu durum için hava değişim sayısının saatte 2 arttığı kabul edilmiş, pencere kapatıldığı zaman doğal havalandırmanın değişim sayısına katkısı saatte 0,2’ye düşürülmüştür.
  • İlköğretim ve lise sınıflarında, MEB  standartlarına [12] göre sınıf mevcudu 30 ve kişi başına düşen alan, liseler için verilen 1,85 m² kabul edilmiştir. Üniversite sınıflarında, toplantı odalarında ve yemekhanede, kişi başına düşen alan 2 m² , yurt odaları ve ofislerde 10 m² alınmıştır. Bu kabullerle hesaplanan hava değişim sayıları, yukarıdaki durumlar için sırasıyla Tablo 2’de verilmiştir.
  • Kuanta salınımı, kişinin nefes debisine, yani fiziksel aktivitesine bağlı ayrıca sesin yüksekliğine göre de değişiyor. Fısıldarken çok daha düşükken yüksek sesle konuşurken önemli oranda artıyor. Hasta bir kişinin, saçtığı uçuşabilecek kuanta miktarını, insanların odayı kullanma özelliklerine göre, nefes debileri [17], saçtıkları damla miktarı [18] ve damlarının içindeki kuanta miktarını esas alarak hesaplıyoruz.
  • İlköğretim okullarındaki öğrencilerin nefes debileri yetişkinlerin 0,6’sı olarak kabul ediliyor [19].
  • Birim sıvı hacmi başına düşen, canlı virüs sayısı 10⁸ ile 10¹¹ RNA/ml  arasında hastadan hastaya ve hastalık boyunca değiştiği ölçülmüş [20] olduğundan bu sayıyı 10⁹ RNA/ml  kabul ediyoruz.
  • Cerrahi maskelerin 10 mikrondan küçük parçalar için filtreleme verimliliğini, takma kusurlarını da göz önünde bulundurarak, tutucu bir değer olarak %20 olarak alıyoruz [7].

Kaynaklar

[1]      M. R. Moser, T. R. Bender, H. S. Margolis, G. R. Noble, A. P. Kendal, and D. G. Ritter, “An outbreak of influenza aboard a commercial airliner,” Am. J. Epidemiol., vol. 110, no. 1, pp. 1–6, Jul. 1979, doi: 10.1093/oxfordjournals.aje.a112781.
[2]      Y. Liu et al., “Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals,” Nature, vol. 582, no. 7813, pp. 557–560, 2020, doi: 10.1038/s41586-020-2271-3.
[3]      L. Morawska et al., “How can airborne transmission of COVID-19 indoors be minimised?,” Environ. Int., vol. 142, no. May, p. 105832, Sep. 2020, doi: 10.1016/j.envint.2020.105832.
[4]      L. Morawska and J. Cao, “Airborne transmission of SARS-CoV-2: The world should face the reality,” Environ. Int., vol. 139, no. April, p. 105730, Jun. 2020, doi: 10.1016/j.envint.2020.105730.
[5]      L. Morawska and D. K. Milton, “It is Time to Address Airborne Transmission of COVID-19,” Clin. Infect. Dis., pp. 1–23, Jul. 2020, doi: 10.1093/cid/ciaa939.
[6]      N. V. Patel, “If the coronavirus is really airborne , we might be fi ghting it the wrong way,” MIT Technology Review, vol. July 11, 2020.
[7]      L. E. Bowen, “Does That Face Mask Really Protect You?,” Appl. Biosaf., vol. 15, no. 2, pp. 67–71, 2010, doi: 10.1177/153567601001500204.
[8]      W. F. Wells, Airborne Contagion and Air Hygiene. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1955.
[9]      N. van Doremalen et al., “Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared with SARS-CoV-1,” N. Engl. J. Med., vol. 382, no. 16, pp. 1564–1567, Apr. 2020, doi: 10.1056/NEJMc2004973.
[10]    T. Watanabe, T. A. Bartrand, M. H. Weir, T. Omura, and C. N. Haas, “Development of a dose-response model for SARS coronavirus,” Risk Anal., vol. 30, no. 7, pp. 1129–1138, 2010, doi: 10.1111/j.1539-6924.2010.01427.x.
[11]    G. Buonanno, L. Stabile, and L. Morawska, “Estimation of airborne viral emission: Quanta emission rate of SARS-CoV-2 for infection risk assessment,” Environ. Int., vol. 141, no. April, p. 105794, 2020, doi: 10.1016/j.envint.2020.105794.
[12]    T.C. MİLLİ EĞİTİM BAKANLIĞI İNŞAAT VE EMLAK DAİRESİ BAŞKANLIĞI, “Eğitim Yapıları Asgari Standartlar Klavuzu 2015,” 2015.
[13]    TSE, “HAVALANDIRMA VE İKLİMLENDİRME TESİSLERİ – PROJELENDİRME KURALLARI TS 3419,” 2002.
[14]    ASHRAE, “Standard 62-2001 — Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality (ANSI Approved),” 2001.
[15]    X. He et al., “Temporal dynamics in viral shedding and transmissibility of COVID-19,” Nat. Med., 2020, doi: 10.1038/s41591-020-0869-5.
[16]    L. Stabile, G. Buonanno, A. Frattolillo, and M. Dell’Isola, “The effect of the ventilation retrofit in a school on CO 2 , airborne particles, and energy consumptions,” Build. Environ., vol. 156, no. January, pp. 1–11, 2019, doi: 10.1016/j.buildenv.2019.04.001.
[17]    W. C. Adams, “Measurement of Breathing Rate and Volume in Routinely Performed Daily Activities. Final Report.,” 1993.
[18]    L. Morawska, “Droplet fate in indoor environments, or can we prevent the spread of infection?,” Indoor Air, vol. 16, no. 5, pp. 335–347, Oct. 2006, doi: 10.1111/j.1600-0668.2006.00432.x.
[19]    D. W. Layton, “Metabolically consistent breathing rates for use in dose assessments,” Health Phys., vol. 64, no. 1, pp. 23–36, 1993, doi: 10.1097/00004032-199301000-00003.
[20]    R. Wölfel et al., “Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019,” Nature, 2020, doi: 10.1038/s41586-020-2196-x.