艾正濤 葉金軍 Melikov A K Markov D G

摘 要：新冠疫情暴發(fā)后，如何應(yīng)對呼吸道傳染病的傳播這一難題再次擺在了人們面前.通風(fēng)是最重要的工程防疫措施，ASHRAE、REHVA、SHASE以及中國的相關(guān)機構(gòu)、學(xué)會就如何 利用暖通空調(diào)系統(tǒng)有效防控 COVID-19的傳播相繼出臺了指導(dǎo)性文件.總結(jié)和分析系列指導(dǎo) 性文件中有關(guān)通風(fēng)量和氣流組織方面的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有工程防疫措施尚存在諸多需改進之處.傳統(tǒng)的全空間通風(fēng)在疫情期間表現(xiàn)出通風(fēng)量不足、對近距離短期暴露事件效率低下、能耗高等缺陷，而基于先進氣流組織的源頭控制技術(shù)具有控制效率高、個性化可調(diào)、響應(yīng)快速且節(jié) 能潛力大等優(yōu)勢，恰好可彌補全空間通風(fēng)的不足.在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地總結(jié)了基于先進氣流組 織的源頭控制措施在呼吸道傳染病傳播控制方面的技術(shù)類型，并考慮到后疫情時代通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計面臨以“平疫結(jié)合”為導(dǎo)向的發(fā)展趨勢，探討了在“平疫結(jié)合”中應(yīng)用源頭控制技術(shù)的優(yōu) 勢，以及在一些高風(fēng)險場景應(yīng)用源頭控制從而實現(xiàn)“平疫結(jié)合”的技術(shù)路線，并分析了為落實 “平疫結(jié)合”設(shè)計理念所需進一步探索的技術(shù)方向.所做探索預(yù)期為后續(xù)指南的編撰提供參考，為未來防疫通風(fēng)設(shè)計帶來新思路和新啟示.

關(guān)鍵詞：新冠疫情;源頭控制;先進氣流組織;平疫結(jié)合;交叉感染

中圖分類號：TU834 文獻標(biāo)志碼：A

Present Anti-pandemic Ventilation Measures and Application of Source Control Technology Based on Advanced Air Distribution

AI Zhengtao1?，YE Jinjun1，MELIKOV A K2，MARKOV D G3

（1.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2.International Centre for Indoor Environment and Energy，Technical University of Denmark，Copenhagen 2800，Demark;

3.Centre for Research and Design in Human Comfort，Energy and Environment（CERDECEN），Technical University of Sofia，Sofia1000，Bulgaria）

Abstract：After the outbreak of COVID-19，it is worrisome that how to cope with the spread of the pandemic.Ventilation is the most important engineering control measure，ASHRAE，REHVA，SHASE and authoritative insti-tutions in China have issued many documents on how to apply HVAC system to prevent and control the spread ofCOVID-19，and thus this paper summarizes the contents related to the ventilation rate and air distribution.Besides，traditional total volume ventilation has the disadvantages of insufficient ventilation rate，less efficiency for short-term exposure events at short range and high energy consumption during the pandemic.Source control based on ad-vanced air distribution has the advantages of high control efficiency，personalized adjustable，fast response and high energy saving potential，which can make up the disadvantages of the total volume ventilation scheme.Therefore，this paper systematically summarizes the technical types of source control based on advanced air distribution in coping the spread of respiratory infectious diseases.Considering that the design of ventilation system in the post-pandemic era is facing the development of“combination of normal time and pandemic period”，the advantages of applying source control in the post-pandemic era and the application schemes of source control in high-risk scenarios are dis-cussed，and the directions that need to be further explored in order to implement the design concept of“combination of normal time and pandemic period”are also discussed.This paper aims to provide a reference for the compilation of subsequent guidelines，and to bring some new ideas and enlightenments to the ventilation design for future pandemic prevention.

Key words：COVID-19;source control;advanced air distribution;normal time combined with pandemic pe-riod;cross-infection

新冠肺炎（COVID-19）疫情暴發(fā)以來，人類生命安全、社會、政治、經(jīng)濟等諸多方面都面臨著巨大挑 戰(zhàn)[1-3].新冠病毒（SARS-CoV-2）在人員間的傳播途 徑：接觸傳播、飛沫傳播、氣溶膠傳播等都已經(jīng)得到了充分的驗證[4-6].基于對病毒傳播機理的認識，一系列防控措施被提出并得到實施.美國疾病控制與預(yù)防中心（CDC）提出的風(fēng)險控制層級倒金字塔模型 將傳統(tǒng)的防控措施按照防控有效性從高到低分為了五大類，即移除風(fēng)險、替換風(fēng)險傳播媒介、工程控制、行政管理及使用個人防護設(shè)備[7].移除和替換是最有效的措施，但對于已有的傳播媒介，需要進行重大改造才可能實現(xiàn)對風(fēng)險的有效控制，成本高且不易 實施;行政管理和使用個人防護設(shè)備在疫情期間最為常見，如建筑入口的體溫檢測、保持安全社交距離以及戴口罩、穿防護服等，但是體溫檢測無法甄別無癥狀感染者，安全社交距離在人員密集場所難以保證，個人防護設(shè)備的有效性受到使用時長和穿戴方法的影響[8-9].工程控制措施具有廣泛適用且長期穩(wěn) 定有效的特點，通風(fēng)是最重要的工程控制措施，主要 途徑是提供充足的通風(fēng)量將人員區(qū)域病毒濃度稀釋 至安全閾值以及依賴氣流組織控制空氣從清潔區(qū)流向污染區(qū)，從而最大限度地降低暴露者吸入空氣中致病顆粒物的含量[10-11].

科學(xué)地運行暖通空調(diào)系統(tǒng)對控制疫情可以起到積極的作用，有助于復(fù)工復(fù)產(chǎn).新冠疫情暴發(fā)后，不同機構(gòu)、學(xué)會及時發(fā)布了有關(guān)暖通空調(diào)系統(tǒng)運行和? 維護的指南性文件，本文對暖通空調(diào)領(lǐng)域的權(quán)威機? 構(gòu)，美國供暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會（ASHRAE）、歐?? 洲供暖通風(fēng)和空調(diào)協(xié)會聯(lián)盟（REHVA）、日本空氣調(diào)? 和衛(wèi)生工學(xué)會（SHASE）以及中國相關(guān)機構(gòu)和學(xué)會在? 疫情期間發(fā)布的指南性文件進行了總結(jié)，對各指南?? 之間存在的異同點進行了比較和分析，旨在為后續(xù)? 相關(guān)指南/規(guī)范的制定提供參考.此外，自2003年非?? 典（SARS）暴發(fā)之后，許多學(xué)者便致力于揭示通風(fēng)房?? 間中人員間交叉感染機理，基于全空間通風(fēng)系統(tǒng)提?? 出了許多有效的防控措施[12-19]，但全空間通風(fēng)系統(tǒng)?? 存在通風(fēng)量不足、對近距離短期暴露事件效率低下、 耗能高等固有缺陷[18，20-21].為保障人員生命安全，疫?? 情嚴峻期間公共建筑幾乎全部處于停用狀態(tài)，對經(jīng)濟造成了極大的負面沖擊.針對這一問題，并考慮到呼吸道傳染病頻繁暴發(fā)，“平疫結(jié)合”設(shè)計思路被提?? 出，部分學(xué)者已經(jīng)就此對建筑通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計進行了討論，但提出的措施仍然基于傳統(tǒng)通風(fēng)方式[22-26].基于先進氣流組織的源頭控制措施通過控制人體微?? 環(huán)境，特別是呼吸區(qū)氣流和空氣品質(zhì)，從而達到對吸? 入和呼出空氣實施源頭控制的目的，具有效率高、個? 性化可調(diào)、響應(yīng)快速且節(jié)能潛力大等優(yōu)勢[27-29]，恰好? 可以彌補全空間通風(fēng)的固有缺陷，有理由認為將源?? 頭控制技術(shù)融入未來建筑的通風(fēng)系統(tǒng)是“平疫結(jié)合”設(shè)計的一條思路.因此，本文對基于先進氣流組織的

源頭控制技術(shù)進行了總結(jié)和分析，就基于先進氣流 組織的源頭控制在“平疫結(jié)合”設(shè)計理念中的技術(shù)可行性及設(shè)計路線進行了探索，得到了一些實際可行的設(shè)計建議，并基于“平疫結(jié)合”設(shè)計理念的需求，對需要進一步探索的技術(shù)研究方向進行了分析.

1? 防疫通風(fēng)指南總結(jié)

1.1 ASHRAE

為了應(yīng)對COVID-19的快速擴散，ASHRAE在疫 情初期重申了其在2014年發(fā)布的《關(guān)于空氣傳播傳 染病的立場文件》.隨著對病毒傳播機理的進一步認識，ASHRAE 首先發(fā)布了《關(guān)于COVID-19與建筑暖 通空調(diào)關(guān)系的聲明》，表示 SARS-CoV-2 通過空氣傳 播的可能性很大，暖通空調(diào)系統(tǒng)提供的通風(fēng)和過濾可以降低空氣中病毒濃度，從而降低空氣傳播風(fēng)險，認為關(guān)閉暖通空調(diào)系統(tǒng)不應(yīng)作為降低傳播風(fēng)險的推 薦措施[5].

在其后更新版本的ASHRAE 立場文件中[20]，為了對所提出的建議表達立場，文件按照A～E五個等級對所給出的建議定義確定性級別，見表1.

關(guān)于通風(fēng)控制，ASHRAE認為換氣次數(shù)保持在3次/h（即3ACH）可以將空氣中致病顆粒物濃度降 低95%，并建議在建筑被占用前和結(jié)束被占用后額 外運行2h[30].但在立場文件中表示即使是最強大的HVAC系統(tǒng)也不能控制所有氣流，認為控制空氣傳 播路徑的首要選擇是在帶病顆?；旌系绞覂?nèi)空氣之 前采取措施.此外，基于全空間通風(fēng)的稀釋和定向氣流策略對近距離暴露事件沒有顯著作用.對于自然 通風(fēng)，雖然可以通過改造實現(xiàn)更高效的控制，但自然 通風(fēng)受到地域氣候以及室外空氣質(zhì)量影響的現(xiàn)實狀況無法改變.文件中多次表示基于先進氣流組織的源頭控制措施有效，如源頭捕獲通風(fēng)、局部排風(fēng)、個性化送/排風(fēng).

ASHRAE發(fā)布的《COVID-19期間的建筑操作指 南》[31]認為，在大多數(shù)非醫(yī)療建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)在控制傳染病的傳播中發(fā)揮的作用有限，保持社交 距離（1～2m）、做好表面清潔和消毒、個人做好洗手等衛(wèi)生工作比暖通空調(diào)系統(tǒng)相關(guān)的任何措施都更重 要.在這些措施被確保實施之外，可以采用如增強通 風(fēng)、禁止按需通風(fēng)、提高系統(tǒng)內(nèi)過濾器級別以及保持系統(tǒng)長時間運行等作為補充措施.此外，使用帶有高效過濾器的便攜式空氣凈化器和紫外線燈進一步凈化室內(nèi)空氣也是有效的輔助措施.

1.2? REHVA

REHVA發(fā)布的最新版指南文件（相比于舊版本 而言）指出：對于商業(yè)建筑，若在使用期間能夠得到3ACH的換氣次數(shù)，則在使用前后額外運行1h 就足 夠，并建議將 CO2設(shè)定點改為550×10-6以指示系統(tǒng)以額定速度運行.REHVA認為已經(jīng)有充分的證據(jù)證明 SARS-CoV-2可通過空氣傳播，故通風(fēng)措施應(yīng)該成為傳播控制中最重要的工程控制措施[4].總結(jié)了15 條疫情期間具有實踐意義的措施如下：

1）通過機械通風(fēng)或自然通風(fēng)向可利用室外空氣資源的空間提供充足的通風(fēng).

2）至少在建筑開放前 2h以額定速度運行通風(fēng)系統(tǒng)，并在建筑結(jié)束使用后 2h關(guān)閉系統(tǒng)或降低通風(fēng)系統(tǒng)運行速度.

3）廢止按需通風(fēng)的通風(fēng)設(shè)置，強制通風(fēng)系統(tǒng)以額定速度運行.

4）定期打開窗戶（即使是機械通風(fēng)的建筑）.

5）以與主通風(fēng)系統(tǒng)類似的運行方式，保持廁所以額定速度運行通風(fēng)系統(tǒng).

6）避免打開廁所窗戶，從而使廁所保持負壓并 保證機械通風(fēng)氣流的正確方向.

7）提示使用者蓋上馬桶蓋沖洗馬桶.

8）將帶有再回風(fēng)功能的空氣處理機組切換為100%的新風(fēng)運行.

9）檢查余熱回收設(shè)備，確保泄漏得到控制.

10）確保裝配風(fēng)機盤管或分體式空調(diào)系統(tǒng)的房 間有足夠的新風(fēng)供給.

11）勿更改供暖、制冷和可能的加濕設(shè)定點.

12）按 計 劃 正 常 進行管 道 清 潔（不 需 要 額 外 清潔）.

13）根據(jù)維護時間表，正常更換室外中央新風(fēng)和抽氣過濾設(shè)備.

14）人員定期更換和維護過濾器時應(yīng)采取包括 呼吸保護在內(nèi)的常見的防護措施.

15）引入室內(nèi)空氣質(zhì)量（CO2）傳感器網(wǎng)絡(luò)，允許居住者和設(shè)備管理人員監(jiān)控通風(fēng)系統(tǒng)是否正常運行.

REHVA在指南文件中還提供了四個附錄，分別以“空氣傳播風(fēng)險評估和進一步的行動，通過在未來 建筑中改善通風(fēng)系統(tǒng)以減少傳染病的傳播”“檢查轉(zhuǎn) 輪式熱交換器以限制內(nèi)部泄漏”“病房通風(fēng)”“新冠肺 炎通風(fēng)與建筑服務(wù)指南（針對學(xué)校）”為主題.在滿足 上述15條措施之外，附件一建議在未來建筑設(shè)計以及建筑改造中，推薦使用Ⅰ類通風(fēng)率標(biāo)準(zhǔn)，因為Ⅰ類通風(fēng)率與Ⅱ通風(fēng)率相比可以顯著地降低感染風(fēng)險（Ⅰ類通風(fēng)率與Ⅱ通風(fēng)率參照 ISO17772-1：2017和EN16798-1：2019）.附件三建議普通病房的換氣次數(shù)至少為4 ACH;用作安置傳染病人的病房，應(yīng)至少為6 ACH;對于現(xiàn)有的傳染病隔離室，送風(fēng)率應(yīng)保證房間換氣次數(shù)在6～12 ACH;新建隔離室的換氣次數(shù)至少為12 ACH，且應(yīng)保證該房間維持負壓，與周圍區(qū)域壓差值≥5 Pa，從而保證正確的氣流流向.建議在病床正上方的天花板或墻壁上安裝排風(fēng)口，若使用了自然通風(fēng)，應(yīng)保證較高的通風(fēng)率，且自然通風(fēng)只應(yīng)在合適的室外氣候條件下才能使用.附件四針對現(xiàn)有學(xué)校普遍缺乏機械通風(fēng)的現(xiàn)狀給出了一些具有實踐 意義的短期優(yōu)化通風(fēng)建議，指出首先要保證教室具有通風(fēng)功能，在教室內(nèi)遠離新風(fēng)入口處約1.5m高度的地方安裝 CO2 監(jiān)測儀，設(shè)置黃/橙燈報警限值為800×10-6，紅燈設(shè)置為1000×10-6，并據(jù)此實施通風(fēng)計劃.

1.3SHASE

SHASE分別針對普通居民和暖通空調(diào)從業(yè)者前 后發(fā)布了多份文件[32-36].建議采用提前幾個小時開 啟系統(tǒng)、延遲關(guān)閉系統(tǒng)的運行策略，強調(diào)在條件允許時，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)24 h連續(xù)運行.此外，文件中表示SARS-CoV-2的感染力與氣候條件是相關(guān)的，在高溫高濕環(huán)境下病毒的感染能力會減弱，因此建議在確保必要換氣量（30m3/（h·人））的基礎(chǔ)上，嚴格遵守 建筑環(huán)境衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度要求（溫度：17～28℃;相對濕度：40%～70%RH）.CO2 濃度被建議作為判斷通 風(fēng)量是否充足的可視化標(biāo)識，在穩(wěn)態(tài)情況下，房間內(nèi) CO2 體積分數(shù)在1000×10-6以下，室內(nèi)換氣量就可以保證人均30m3/h以上.與REHVA類似，建議廁所的排風(fēng)扇要持續(xù)運行，對于有外窗的廁所，應(yīng)始終保持 外窗處于關(guān)閉狀態(tài)，提示使用者蓋上馬桶蓋再進行沖洗.

1.4中國通風(fēng)指南文件總結(jié)

疫情暴發(fā)后，中國建筑學(xué)會、中國制冷學(xué)會、國 務(wù)院應(yīng)對新型冠狀病毒肺炎疫情聯(lián)防聯(lián)控機制綜合 組等機構(gòu)前后發(fā)布了多份有關(guān)疫情期間建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)運行、維護和管理的指南文件.普遍建議對于全空氣系統(tǒng)，應(yīng)以全新風(fēng)模式運行，如果必須使用回風(fēng)，要以最大新風(fēng)比運行，新回風(fēng)比宜大于40%;對于無新風(fēng)的系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)建筑功能不同制定對應(yīng)的通風(fēng)計劃，通過開窗或開門或其他可行的方式確保 新風(fēng)供給，人均新風(fēng)量不低于30m3/h，如無法滿足，應(yīng)降低房間人員密度，否則應(yīng)立即停用該房間[37-39].與國外指南類似，中國指南中也指出延長系統(tǒng)運行時間，對于公共建筑，結(jié)束使用后保持新風(fēng)系統(tǒng)和排 風(fēng)系統(tǒng)繼續(xù)運行1h.有所不同的是，中國指南中指 出，若建筑在前一天使用結(jié)束后確保被全面通風(fēng)換氣，則在第二天建筑被使用前，系統(tǒng)可以全回風(fēng)運行[38-39]，其主要目的是對建筑預(yù)冷/預(yù)熱，從而為使用者提供舒適的室內(nèi)環(huán)境.以下分別針對通風(fēng)量和氣流組織相關(guān)內(nèi)容進行總結(jié)[37-47].

對于通風(fēng)量建議，總結(jié)如下：

1）人均新風(fēng)量不低于30m3/h.

2）對于辦公建筑，樓層集中排風(fēng)系統(tǒng)的總排風(fēng)量不小于該樓層新風(fēng)設(shè)計總送風(fēng)量的70%.

3）接待疑似患者或確診患者的區(qū)域新風(fēng)換氣次數(shù)不低于6 ACH.

4）利用宿舍、酒店等獨立房間設(shè)置隔離病房時，每個房間的換氣次數(shù)應(yīng)不小于6 ACH.

5）利用會展中心、體育館、廠房等高大空間設(shè)置 隔離病房時，人均通風(fēng)量應(yīng)不小于150m3/h.

6）對于醫(yī)院，污染區(qū)、入院檢查處的排風(fēng)應(yīng)滿足 換氣次數(shù)不小于12 ACH，出院消毒處置區(qū)的新風(fēng)量應(yīng)滿足換氣次數(shù)不小于6 ACH.

7）對于方艙醫(yī)院，采用自然通風(fēng)時，人均新風(fēng)量應(yīng)不小于226 m3/h.

8）隔離病房應(yīng)設(shè)置衛(wèi)生間、盥洗間，排風(fēng)應(yīng)滿足 換氣次數(shù)不小于12 ACH.

9）負壓隔離病房最小換氣次數(shù)應(yīng)為12 ACH，污 染區(qū)最小換氣次數(shù)應(yīng)為6 ACH，清潔區(qū)最小換氣次數(shù)應(yīng)為3ACH.

氣流組織方面的建議大多涉及醫(yī)療建筑，總結(jié)如下：

1）保持公共區(qū)域為負壓，建筑內(nèi)設(shè)置單獨的臨時隔離觀察區(qū)，并保持該區(qū)域為負壓.

2）對于方艙醫(yī)院，嚴格控制氣流流向，按不同的壓力梯度從清潔區(qū)→半污染區(qū)→污染區(qū).

3）相鄰并相通的不同污染等級房間的壓差不小于5 Pa，負壓程度由高到低依次為病房衛(wèi)生間、病房 房間、緩沖前室與半污染走廊，清潔區(qū)相對室外應(yīng)保 持正壓.

4）負壓隔離病房區(qū)域：病房保持-15 Pa，衛(wèi)生 間-20Pa，緩沖前室-10Pa，半污染走廊保持-5 Pa，污染走廊保持-10Pa.無法滿足上述壓差時，壓力梯度應(yīng)滿足第2）條的要求.

5）負壓隔離病房送風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在房間靠近醫(yī)護的上側(cè);排風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在病房內(nèi)靠近床頭的下部，應(yīng) 利于污染空氣就近盡快排出，防止送排風(fēng)氣流短路.

2? 現(xiàn)有防疫措施改進分析

2.1? 建筑設(shè)計決策流程改進

防疫通風(fēng)指南中，自然通風(fēng)被認為是一種可行的方案而被廣泛推薦，但現(xiàn)有建筑自然通風(fēng)潛力不 能被充分發(fā)揮.在當(dāng)前的建筑設(shè)計流程中，暖通空調(diào)設(shè)計者往往是在建筑設(shè)計圖紙完成之后再參與進 去，所做的設(shè)計大多只是在建筑設(shè)計圖紙的框架下進行暖通空調(diào)系統(tǒng)的配套設(shè)計，而建筑設(shè)計人員往 往缺乏對通風(fēng)技術(shù)的考慮，這一設(shè)計決策流程限制了自然通風(fēng)被高效合理的利用.因此，為最大化利用自然通風(fēng)作為疫情防控的有效措施，首先需要優(yōu)化建筑設(shè)計決策流程.正如 ASHRAE 立場文件中所指 出的，設(shè)計和施工團隊（包括 HVAC設(shè)計師）應(yīng)該參與到綜合設(shè)計流程中，從而可以在設(shè)計的早期階段 就將傳染病控制方案融入設(shè)計方案中[20].

2.2? 通風(fēng)氣流組織設(shè)計理念改進

全空間通風(fēng)方式在控制人員吸入空氣質(zhì)量上存在一些固有的缺陷[20-21，27-28，48]：

1）送風(fēng)口遠離室內(nèi)人員，新鮮空氣會先與室內(nèi)空氣混合，而后才能到達人員占用區(qū).因此，到達人員呼吸區(qū)的空氣大部分已經(jīng)被污染了.

2）全空間通風(fēng)方式控制呼吸道傳染病傳播的機理是通過稀釋以及定向氣流控制污染空氣的流動，對近距離短期交叉感染沒有顯著作用.

3）不僅需要服務(wù)于人員占用區(qū)，也需要為室內(nèi)無人員區(qū)域送風(fēng)，增加了能耗.

基于先進通風(fēng)的源頭控制措施可以在病源處移 除呼出的致病顆粒物或者直接向暴露人員提供高品質(zhì)的吸入空氣，個性化服務(wù)和可調(diào)特點使其具有較大的節(jié)能潛力，同時由于其具有快速響應(yīng)的優(yōu)點，可以有效地應(yīng)對近距離短期暴露事件，較為契合地彌 補了傳統(tǒng)的全空間通風(fēng)方案中存在的不足[15，28-29].個性化送排風(fēng)是基于先進通風(fēng)源頭控制技術(shù)的一種方式，在過去得到了較多的關(guān)注.有研究指出，傳統(tǒng)的天花板通風(fēng)系統(tǒng)只能將 5%的送風(fēng)輸送給居住者，而個性化通風(fēng)系統(tǒng)則至少可以將 50%的送風(fēng)直接輸 送給使用者[29]，節(jié)能優(yōu)勢明顯，且具有更高效的感染 風(fēng)險控制能力[12-14，28，49-50].高昂的初期投入限制了源 頭控制措施的推廣使用，但是基于疫情常態(tài)化的現(xiàn) 實情況，相比于停工停產(chǎn)帶來的經(jīng)濟沖擊，研究改進 并推廣應(yīng)用基于先進通風(fēng)的源頭控制設(shè)備具有必 要性.

3 基于先進氣流組織的源頭控制技術(shù)

3.1系統(tǒng)類型及應(yīng)用

現(xiàn)有的基于先進氣流組織的源頭控制措施根據(jù) 技術(shù)類型可以大致分為桌式系統(tǒng)、集成于座椅的個性化通風(fēng)系統(tǒng)、集成于病床的通風(fēng)系統(tǒng)以及穿戴式 通風(fēng)系統(tǒng).以下對這幾種系統(tǒng)的技術(shù)類型、應(yīng)用效果以及應(yīng)用場景進行介紹.

3.1.1? 桌式系統(tǒng)和座椅系統(tǒng)

通風(fēng)系統(tǒng)末端通過活動式風(fēng)管連接并基于桌面安裝的個性化通風(fēng)系統(tǒng)被稱為桌式系統(tǒng)，如圖1（a） 右圖.桌式系統(tǒng)的末端朝向、系統(tǒng)啟閉及送風(fēng)量大小一般可以由用戶根據(jù)自身需求進行個性化調(diào)節(jié).對于桌式系統(tǒng)的研究常見于辦公室，其最初研發(fā)的目的是滿足個性化熱舒適要求.隨著病態(tài)建筑綜合征、建筑關(guān)聯(lián)病以及呼吸道傳染病的頻繁暴發(fā)，室內(nèi)空氣質(zhì)量成為研究者關(guān)注的重點，對桌式系統(tǒng)的研究 開始關(guān)注吸入空氣品質(zhì).與基于熱舒適系統(tǒng)的研究有所不同，為提高吸入空氣品質(zhì)，系統(tǒng)末端的送風(fēng)更多地作用于人員呼吸區(qū)，通過提供一定速度的送風(fēng)作用于人員呼吸區(qū)邊界層，提高吸入空氣中新鮮空氣占比，營造安全的呼吸微環(huán)境，降低人員暴露量，從而實現(xiàn)對感染風(fēng)險的有效控制 [13-14，16，49，51].此外，Pantelic等人[52]報道稱相比于全空間混合通風(fēng)方式，桌式系統(tǒng)可以更有效地應(yīng)對來自不同感染源位置和距離的風(fēng)險.

桌式系統(tǒng)適用于用戶長期處于相對固定的位置，且置于桌面的風(fēng)管和末端裝置不會對用戶工作 造成干擾的場景，如辦公室、圖書館自習(xí)室等.而對于用戶前方視野不能被干擾、桌面空間有限的場景，如教室、門診室等，桌式系統(tǒng)是不適用的，此時可以考慮使用集成于座椅的個性化通風(fēng)系統(tǒng).

如圖1（b）所示，集成于座椅的固定式風(fēng)道連接安裝有末端裝置的活動式風(fēng)管，構(gòu)成座椅通風(fēng)系統(tǒng)[53].獨立的風(fēng)量調(diào)節(jié)器滿足個性化調(diào)節(jié)的要求.送 風(fēng)經(jīng)過集中處理，而后通過管道輸送至各座椅的系統(tǒng)，不需要安裝獨立的空氣過濾器.對于無管道系統(tǒng)，即各座椅系統(tǒng)之間相互獨立，則要求設(shè)置獨立的空氣過濾器，從而保證送風(fēng)空氣質(zhì)量.Gao和Niu等人[55-56]通過CFD模擬研究了圖示系統(tǒng)對人體微環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)使用該系統(tǒng)可以達到的最大送風(fēng)利用率高于傳統(tǒng)通風(fēng)方式所能達到的最大送風(fēng)利用率，實驗進一步揭示，使用該系統(tǒng)可以在低于3.0L/s的送風(fēng)量下實現(xiàn)人員吸入空氣中的80% 由該系統(tǒng)提 供，顯著地改善了吸入空氣質(zhì)量并實現(xiàn)節(jié)能.Li等人[51]則報道稱在置換通風(fēng)形式下僅對感染者使用該系統(tǒng)就可以使與之面對面就座的暴露者感染風(fēng)險 降低.

個性化送風(fēng)系統(tǒng)主要基于對暴露者進行末端保 護的目的，感染者呼出的帶病顆粒物仍然會擴散至房間空氣中，此時，脫離個性化送風(fēng)系統(tǒng)保護的暴露者的感染風(fēng)險則依賴于背景通風(fēng)系統(tǒng)的稀釋和移除 能力.使用個性化排風(fēng)系統(tǒng)，在感染者呼出的帶病顆 粒與室內(nèi)空氣混合前將其捕獲并處理后排除，在致 病源頭將感染風(fēng)險最大限度地降低.圖2（a）是針對飛機座艙設(shè)計的個性化通風(fēng)系統(tǒng)，系統(tǒng)送風(fēng)末端基于前排座位設(shè)置，向用戶供給高品質(zhì)吸入空氣，排風(fēng) 集成于本體座椅，及時排除用戶呼出的污濁空氣，研究表明該系統(tǒng)可以顯著降低呼吸道傳染病人際交叉 感染風(fēng)險[15]，達到對感染者的源頭移除和對暴露者的末端保護雙重保障，適用于前部空間能夠為后部系統(tǒng)提供安裝基礎(chǔ)的公共交通工具.對于電影院、階梯 教室等，單個座位空間充裕但送風(fēng)系統(tǒng)無法基于前排 座位安裝，且用戶前方視野不能受到干擾的場景，圖2（b）所示的送排風(fēng)末端都集成于本體座椅的系統(tǒng)則更加適用[55，57-58].此外，預(yù)期在來訪人員情況復(fù)雜，空間有限且通風(fēng)不足的門診室，可以在不對問診造成干擾的前提下實現(xiàn)對醫(yī)患的較好保護.

3.1.2 通風(fēng)病床

疫情期間，醫(yī)院是病源高度集中的場所，隔離病 房內(nèi)則無疑都是確診患者.有研究表明，由于室內(nèi)氣流、室內(nèi)溫度梯度與人體熱浮力驅(qū)動作用，患者躺 姿、醫(yī)護人員站姿的相對位置會顯著增加感染風(fēng) 險[59-61]，而這一場景在病房內(nèi)是常見的.針對這一高風(fēng)險場景，Melikov[28，62]報道了一種通風(fēng)病床系統(tǒng)，如圖3所示.系統(tǒng)由集成于病床的送排風(fēng)系統(tǒng)和病床 正上方的排風(fēng)系統(tǒng)組成，個性化送排風(fēng)系統(tǒng)確保了病患吸入空氣品質(zhì)并及時捕獲患者呼出空氣，使用高效過濾器和UVGI（紫外線照射殺菌）對呼氣進行處理，病床兩側(cè)送風(fēng)形成向上流動的氣幕，既可以將 醫(yī)患呼吸域隔離，還可以誘導(dǎo)醫(yī)護呼出氣流向上流動并排出，疫情期間，該系統(tǒng)可對醫(yī)護和患者都起到高效保護作用.在平時，將通風(fēng)病床應(yīng)用于ICU 病房可實現(xiàn)對危重患者的有效保護.此外，報道稱使用該系統(tǒng)配合背景混合通風(fēng)以3ACH的換氣次數(shù)運行可達到的室內(nèi)空氣質(zhì)量相當(dāng)于單獨使用混合通風(fēng)以12 ACH 運行下的空氣質(zhì)量，具有非常大的節(jié)能潛力.

3.1.3 穿戴式通風(fēng)系統(tǒng)

上述系統(tǒng)都是針對用戶活動區(qū)域受限的場景開發(fā)的，對于頻繁移動的用戶不起作用.Bolashikov等人[12，50，63]開發(fā)的穿戴式個性化通風(fēng)裝置適用于活動用戶，該裝置通過類似于麥克風(fēng)的送風(fēng)噴嘴以低流速向人體呼吸區(qū)提供清潔空氣，或在人體呼出空氣與室內(nèi)空氣混合前將其捕獲并進行凈化處理.如圖4所示，用戶攜帶的設(shè)備盒內(nèi)包含過濾器和紫外線 燈，用于對送風(fēng)或捕獲的呼出空氣進行清潔和殺菌處理，配備的小型風(fēng)機用于提供動力.報道稱該穿戴 式 送 風(fēng)系統(tǒng)為吸氣提 供的清 潔空氣比例可高達90%，用作局部排風(fēng)時，放置在距離嘴部較近的位置（0.02m或0.04 m），可以實現(xiàn)以遠低于混合通風(fēng)方式的換氣次數(shù)提供更加顯著的稀釋效果，最佳效果可以實現(xiàn)對呼出污染物的移除.穿戴式通風(fēng)系統(tǒng)適用于流動性人員，如醫(yī)護人員、公共交通工具乘務(wù)員等，可以高效地實現(xiàn)源頭控制或個性化保護，但局限于便攜的要求，該裝置尚未被報道可以同時實現(xiàn)個性化送排風(fēng)的目標(biāo).

3.2? 關(guān)鍵技術(shù)問題

個性化通風(fēng)系統(tǒng)為人體提供清潔吸入空氣的效率受到個性化送風(fēng)氣流與對流邊界層相互作用的顯 著影響[27，53].有研究指出，在舒適溫度范圍內(nèi)，人體對流邊界層的最大速度可達0.25～0.3m/s [53，64-65]，而為了保證送風(fēng)不對人體造成吹風(fēng)感，個性化送風(fēng)氣流速度需要維持在較低的范圍內(nèi).因此，如何以有限的送風(fēng)速度穿透對流邊界層從而為用戶提供足夠的清潔空氣是個性化通風(fēng)研究中的一個難題.

Bolashikov等人[12，27，50，57，66]認為送風(fēng)末端形式、送風(fēng)末端與口/鼻的相對位置、個性化送風(fēng)氣流特性以及對人體微環(huán)境的控制是解決上述問題的方向，研究得到了一些具有實用價值的發(fā)現(xiàn)如下：

1）橢圓形噴嘴的效果優(yōu)于圓形噴嘴.

2）四葉草瓣噴嘴可以實現(xiàn)在距離口/鼻較遠的位置提供較高比例的吸入空氣.

3）中心封閉的波瓣噴嘴，如四葉草波瓣噴嘴，不建議用于作為穿戴式的個性化通風(fēng)末端，因為這種類型噴嘴產(chǎn)生的波瓣形射流會夾帶室內(nèi)污染物進入用戶的呼吸區(qū).

4）隨著初始速度（送風(fēng)量）和噴嘴尺寸的增大，以及噴嘴與口/鼻之間的距離減小，吸入空氣中清潔空氣量增加.

5）噴嘴與面部（嘴/鼻子）之間的距離>0.4m，從側(cè)面供應(yīng)的效果優(yōu)于從正面和下方供應(yīng).

6）使用集成于桌子的可伸縮板與人體腹部貼 合，可以阻隔來自人體下半身的熱羽流，由此可以弱化人體呼吸區(qū)對流邊界層強度，使得個性化送風(fēng)氣流更容易被人體吸氣捕獲.

7）使用安裝在桌子邊緣的小型風(fēng)扇控制來自人體下半身的熱羽流，避免其流動至人體呼吸區(qū)，由 此弱化人體呼吸區(qū)對流邊界層強度，使個性化送風(fēng)氣流更容易被人體吸氣捕獲.

其他的一些學(xué)者得到部分實用性結(jié)論如下：

1）Melikov和Dzhartov[15]將水冷輻射板作為桌子 隔板，以此冷卻用戶體表，弱化其產(chǎn)生的對流邊界 層，可實現(xiàn)在較低的送風(fēng)速度下穿透邊界層，為用戶 提供清潔的空氣.

2）Khalifa等人[67]和Russo等人[68]發(fā)現(xiàn)使用同軸 噴嘴可以大幅增加個性化送風(fēng)氣流形成的清潔空氣區(qū)的范圍.

4? 討 論

針對機械通風(fēng)系統(tǒng)，現(xiàn)有指南幾乎都建議盡可能加強通風(fēng)，具體措施有兩個，一是使系統(tǒng)以最大新 風(fēng)量運行;二是盡可能地延長通風(fēng)時間.但是，現(xiàn)存 全空間通風(fēng)系統(tǒng)不具備在疫情期間大幅增加通風(fēng)量的能力.對氣流組織的控制也是最常用的措施之一，使氣流從清潔區(qū)流向污染區(qū)可以避免污染區(qū)內(nèi)潛在的致病性顆粒流向健康的暴露者，但該措施只對長 距離暴露有效，對于人員密度較高的室內(nèi)環(huán)境，近距 離暴露造成的感染風(fēng)險相對更高，而基于全空間通 風(fēng)方式的氣流定向控制對近距離短期暴露事件沒有顯著控制效果.由此，在疫情期間許多公共建筑只能被迫停用，商場停止?fàn)I業(yè)、寫字樓停止開放、工廠停 工，造成極大的負面影響.世界銀行發(fā)布的《全球經(jīng)濟展望》指出，2020年世界經(jīng)濟整體萎縮了4.3%[2];與2019年相比，2020年全球失業(yè)人數(shù)增加了1.098%[3].經(jīng)濟遭受重大打擊，失業(yè)率激增將會帶來 潛在的社會不穩(wěn)定性，因此，復(fù)工復(fù)產(chǎn)是迫切的要 求，短期應(yīng)急方案顯得尤為重要.在暖通空調(diào)領(lǐng)域，升級過濾器級別，使用帶有高效過濾器的空氣凈化器、UVGI（紫外線）等都是有效措施.但也必須意識到輔助措施會造成的潛在負面影響，過濾器級別越高則管道系統(tǒng)阻力越大，對系統(tǒng)動力設(shè)備造成挑戰(zhàn);UVGI可能會對人體造成輻射危害[69-70]，因此中國指 南中指出在沒有得到專業(yè)人員的指導(dǎo)時禁止使用UVGI;空氣凈化器是幾乎所有指南中都建議使用的輔助設(shè)備，但在使用空氣凈化器時不僅要注意其容量是否滿足需求，還應(yīng)注意其放置的位置以及出風(fēng)方向，這不但會影響其凈化效率，還可能對室內(nèi)既有氣流組織造成破壞，且不正確的送風(fēng)方向會造成更高的暴露風(fēng)險[71].

此外，中國指南中的系統(tǒng)運行時間表與國外指 南存在較大差異，中國指南中普遍建議在建筑結(jié)束 占用后通風(fēng)系統(tǒng)繼續(xù)運行1h，且在前一天建筑被全 面通風(fēng)換氣并清潔消毒的情況下，可在第二天早上以全回風(fēng)方式運行.相比之下，ASHRAE 建議建筑使用前后額外運行2h，REHVA以建筑使用前后額外 運行2h為最低要求，SHASE 則指出條件允許的情況下應(yīng) 24 h 連續(xù)運行系統(tǒng).這一點可以歸因于中國尚為發(fā)展中國家，且人口眾多，建筑總量大，而資源又相對有限.因此，在保證室內(nèi)環(huán)境安全的前提下，更 兼顧了對節(jié)能的考量.

多數(shù)指南中都建議盡量使用自然通風(fēng)，自然通 風(fēng)可以提供較大的通風(fēng)率且節(jié)能效果顯著[72]，但是自然通風(fēng)能夠為建筑提供的通風(fēng)量和氣流組織形式 嚴重依賴建筑通風(fēng)設(shè)計方案和室內(nèi)外相對氣候條件以及室外空氣質(zhì)量.其中室外氣候條件和空氣質(zhì)量是不可控因素，而對于建筑通風(fēng)設(shè)計方案，優(yōu)化當(dāng)前實施的建筑設(shè)計流程，讓設(shè)計和施工團隊（包括 HVAC設(shè)計師）參與到綜合設(shè)計流程中，在設(shè)計的早 期階段就將傳染病控制方案包融入設(shè)計方案中，預(yù) 期可以加強對自然通風(fēng)的有效控制和利用.此外，基于門窗、風(fēng)機及空調(diào)采暖系統(tǒng)一體化設(shè)計和智慧化聯(lián)動控制的室外空氣最大化通風(fēng)利用值得深入研究.

基于先進通風(fēng)的源頭控制技術(shù)，由于其具有控 制效率高、個性化可調(diào)、響應(yīng)快速且節(jié)能潛力較大等優(yōu)勢，較為契合地彌補了全空間通風(fēng)方式的不足，可以與傳統(tǒng)通風(fēng)方式互為補充，作為未來建筑“平疫結(jié)合”設(shè)計改革的一條思路.背景通風(fēng)為整體熱舒適性以及空氣質(zhì)量提供保障，源頭控制系統(tǒng)在平時狀態(tài)下根據(jù)用戶需求提供個性化熱舒適性調(diào)節(jié)或者空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)，若背景通風(fēng)系統(tǒng)可以為居住者提供舒適的熱濕環(huán)境以及優(yōu)良的室內(nèi)空氣質(zhì)量，則先進氣流 組織系統(tǒng)可以被關(guān)閉;疫情期間先進氣流組織系統(tǒng) 主要為用戶提供清潔吸入空氣或/和排除污濁呼出空氣，更加關(guān)注送/排風(fēng)量的調(diào)節(jié)，且應(yīng)持續(xù)運行.穿 戴式通風(fēng)系統(tǒng)更是有望應(yīng)對活動人員間的近距離短 期暴露事件.但是現(xiàn)有的源頭通風(fēng)控制技術(shù)仍然存在一些不足，需要引起關(guān)注并進行深入探索.

1）現(xiàn)有的對固定式源頭通風(fēng)控制技術(shù)的研究幾 乎都是基于人體處于相對固定位置下進行的，缺乏 考慮用戶本體（頭部扭動、咳嗽、噴嚏等）以及其他人員行為（行走、與處于固定位置的用戶交談等）對系統(tǒng)有效性的影響.因此，開發(fā)應(yīng)對人行為的感應(yīng)式源 頭通風(fēng)控制技術(shù)十分必要.

2）便攜式穿戴通風(fēng)系統(tǒng)是目前適用于活動性人員的唯一的源頭通風(fēng)控制技術(shù)，但由于便攜式要求，目前尚無報道稱可以同時實現(xiàn)送排風(fēng)功能.因此，集成個性化送排風(fēng)功能的便攜式穿戴通風(fēng)系統(tǒng)值得進一步探索.

3）通風(fēng)病床（不考慮置于天花板的排風(fēng)系統(tǒng)）和穿戴式系統(tǒng)都屬于無外置管道的系統(tǒng)，系統(tǒng)集成化程度高，可實現(xiàn)“即插即用”，但是該類系統(tǒng)的有效性 依賴凈化處理模塊的性能.一般而言，凈化效率越高，模塊造成的阻力越大，對動力系統(tǒng)要求越高，如何系統(tǒng)地解決動力、模塊阻力與系統(tǒng)有效性之間的矛盾值得探索.

5 總結(jié)

各指南都指出應(yīng)該盡可能地增大通風(fēng)量并延長系統(tǒng)運行時間，建議控制氣流從清潔區(qū)流向污染區(qū)，在細則上存在一些差異：

1）ASHRAE：換氣次數(shù)為3ACH，建筑被占用前 后應(yīng)分別額外運行2h.

2）REHVA：系統(tǒng)至少在建筑被占用前后以額定速度額外運行2h，對于可以被提供3ACH的商業(yè)建 筑，前后額外運行1h即可;以全新風(fēng)模式運行系統(tǒng);普通病房的換氣次數(shù)至少為4 ACH，傳染病病房應(yīng) 至少為6 ACH，現(xiàn)存的傳染病隔離室，換氣次數(shù)在6～12ACH，新建隔離室的換氣次數(shù)至少為12 ACH.

3）SHASE：24 h連續(xù)運行系統(tǒng)，人均最低新風(fēng)量為30m3/h.

4）中國指南：建筑在結(jié)束被占用后新排風(fēng)系統(tǒng) 繼續(xù)運行1h，確保前一天空間被全面通風(fēng)換氣并清 潔消毒的前提下，第二天建筑被占用前，系統(tǒng)可以以回風(fēng)運行，對建筑進行預(yù)冷/預(yù)熱;公共建筑的人均 新風(fēng)量不低于30m3/h，對于醫(yī)療建筑，換氣次數(shù)分別為：清潔區(qū)3ACH，污染區(qū)6 ACH，以及負壓隔離病 房12 ACH.

5）氣流組織控制方面，REHVA、SHASE 特別指 出廁所的排風(fēng)扇要持續(xù)運行，關(guān)閉廁所外窗;中國指 南建議在醫(yī)療建筑中，壓力從清潔區(qū)→半污染區(qū)→ 污染區(qū)依次降低，相鄰相通不同污染等級的區(qū)域壓 差不小于5 Pa;送風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在房間靠近醫(yī)護入口 上部;排風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在病床上部.

優(yōu)化建筑設(shè)計決策流程，在未來的建筑設(shè)計過程中，允許設(shè)計和施工團隊（包括 HVAC設(shè)計師）參與到綜合設(shè)計流程中，在設(shè)計的早期階段就將傳染 病控制方案包融入設(shè)計方案中，從而在未來建筑中實現(xiàn)高效使用自然通風(fēng)助力疫情防控.

基于人體微環(huán)境控制和先進氣流組織的人員呼 吸氣流源頭控制是傳統(tǒng)全空間通風(fēng)系統(tǒng)在應(yīng)對疫情 防控方面的重要補充，不同類型的源頭控制技術(shù)適用于不同的場景.桌式系統(tǒng)適用于用戶長期處于相對固定位置，且置于桌面的風(fēng)管和末端裝置不會對用戶工作造成干擾的場景;當(dāng)桌面空間無法提供安裝基礎(chǔ)或用戶前方視野不允許被干擾時，集成于座 椅的通風(fēng)系統(tǒng)則更加適用;針對人員密集的公共交通工具，前部送風(fēng)，座椅兩側(cè)排風(fēng)的座椅系統(tǒng)實現(xiàn)了對感染者源頭移除和對暴露者個性化末端保護的雙重保障;而針對前排座位無法提供安裝基礎(chǔ)的高風(fēng) 險場景，應(yīng)用送排風(fēng)末端都集成于本體座椅的系統(tǒng) 則更加有效;通風(fēng)病床可以實現(xiàn)對病患的源頭控制和末端保護，且有效地隔離醫(yī)患呼吸區(qū)，具有極大的實用價值;穿戴式通風(fēng)系統(tǒng)更具有靈活性，預(yù)期可以有效地應(yīng)對近距離短期暴露事件.

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