陳奕純，丁云飛，文坤波

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州，510006；2.中建三局集團(tuán)華南有限公司）

0 前言

自2019年末以來(lái)，新型冠狀病毒大規(guī)模傳播對(duì)全球的公共衛(wèi)生體系提出了挑戰(zhàn)。相關(guān)研究表明，病毒可以通過(guò)空氣傳播，具有傳染性的飛沫核長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，可以遠(yuǎn)距離傳播［1］。一些研究人員認(rèn)為，空調(diào)系統(tǒng)在空氣傳播中起著不可忽視的作用［2-4］。Nissen等人［3］在新冠肺炎疫情期間對(duì)某醫(yī)院病房通風(fēng)口和排風(fēng)管道末端的高效過(guò)濾器表面進(jìn)行采樣分析，檢測(cè)到了SARSCoV-2病毒的基因。傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)沒(méi)有過(guò)濾和殺死病毒的能力，并且室內(nèi)回風(fēng)還可能導(dǎo)致病毒繼續(xù)在室內(nèi)擴(kuò)散傳播，從而增加感染風(fēng)險(xiǎn)。增加通風(fēng)率可以有效降低密閉空間的感染概率［5，6］。但是已建成在用的空調(diào)系統(tǒng)難以提供額外的新風(fēng)來(lái)稀釋室內(nèi)的污染物，而且新風(fēng)量的增加也會(huì)導(dǎo)致更高的能源消耗［7］。

除了增加新風(fēng)量，過(guò)濾也是降低室內(nèi)污染物濃度常用的方法［8］。高效過(guò)濾器已被證明能夠有效過(guò)濾微生物氣溶膠［9，10］，理論上能夠攔截99.97 % 的顆粒物（直徑≥0.3μm），ASHRAE也推薦使用高效過(guò)濾器來(lái)減少SARS-CoV-2的氣溶膠傳播［11］。Pease等人［12］研究了病毒在使用同一空氣處理機(jī)組的多個(gè)房間內(nèi)傳播的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器等級(jí)越高，室內(nèi)感染概率越低。Li等人［13］在健身中心的中央空調(diào)系統(tǒng)中使用HEPA過(guò)濾器處理回風(fēng)，發(fā)現(xiàn)感染概率可以從13.7 %（無(wú)過(guò)濾器）降低到1.81 %。但Price等［14］發(fā)現(xiàn)在醫(yī)院通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，過(guò)濾器并不能從根本上殺滅微生物，甚至可能為細(xì)菌的繁殖提供良好的生存環(huán)境，帶來(lái)了較大的健康隱患。

一定波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)會(huì)破壞微生物的DNA或RNA的分子結(jié)構(gòu)，使其失活或無(wú)法繁殖，達(dá)到消毒殺菌的目的［15］。一些研究也表明，紫外線(xiàn)殺菌照射能夠有效降低麻疹病毒和SARS-CoV-2病毒的傳播風(fēng)險(xiǎn)［16，17］。許多研究建議將紫外線(xiàn)與過(guò)濾器結(jié)合起來(lái)以減輕室內(nèi)交叉感染［18］。

然而，現(xiàn)有研究大多是將過(guò)濾器和紫外線(xiàn)兩者串聯(lián)使用，測(cè)試其應(yīng)用效果，少有針對(duì)過(guò)濾器截留微生物后，微生物可能在其表面繼續(xù)繁殖問(wèn)題。本研究利用紫外線(xiàn)和過(guò)濾器構(gòu)建了高效殺菌裝置，紫外線(xiàn)的作用主要在于殺滅高效過(guò)濾器表面截留的微生物，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證紫外線(xiàn)對(duì)過(guò)濾器表面微生物的殺滅效果。將高效殺菌裝置應(yīng)用于醫(yī)院發(fā)熱診室空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)口處，評(píng)估其控制室內(nèi)病毒氣溶膠濃度的效果。

1 研究方法

首先利用高效過(guò)濾器和紫外線(xiàn)燈構(gòu)建了高效殺菌裝置，通過(guò)全尺寸通風(fēng)管道測(cè)試了高效殺菌裝置的殺菌效率。將高效殺菌裝置安裝于風(fēng)機(jī)盤(pán)管回風(fēng)口處，通過(guò)CFD模擬，預(yù)測(cè)患者呼出污染物在發(fā)熱診室內(nèi)的分布，并將模擬結(jié)果與改進(jìn)的Wells-Riley方程結(jié)合起來(lái)，評(píng)估了高效殺菌裝置對(duì)降低室內(nèi)人員感染概率的影響。

1.1 高效殺菌裝置性能

高效殺菌裝置是由紫外線(xiàn)燈（波長(zhǎng)253.7 nm）和高效過(guò)濾器（H12，額定風(fēng)量300 m3/h）構(gòu)成，紫外線(xiàn)燈位于高效過(guò)濾器迎風(fēng)面前50 mm，主要用于殺滅過(guò)濾器表面的微生物。根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通風(fēng)系統(tǒng)用空氣凈化裝置》（GB/T 34012-2017），建立了管道空氣消毒測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示，研究了高效殺菌裝置的殺菌效率以及紫外線(xiàn)燈對(duì)過(guò)濾器迎風(fēng)面上截留細(xì)菌的殺滅效果。采用金黃色葡萄球菌為實(shí)驗(yàn)菌種［19］，制備了細(xì)菌懸液，利用氣溶膠發(fā)生器往裝置內(nèi)連續(xù)噴射細(xì)菌懸液，空氣微生物采樣器分別在上、下游采樣口采樣，以獲得高效殺菌裝置上、下游的細(xì)菌濃度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

本研究設(shè)置了3組實(shí)驗(yàn)工況，如表1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《通風(fēng)系統(tǒng)用空氣凈化裝置》，細(xì)菌在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的自然消亡率和微生物氣溶膠的凈化效率分別按式（1）和（2）計(jì)算。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)時(shí)管道空氣溫度26±1 ℃，相對(duì)濕度60±5 %，圖2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看到，實(shí)驗(yàn)菌在裝置內(nèi)的自然消亡率為30.38 %；高效過(guò)濾器對(duì)實(shí)驗(yàn)菌的過(guò)濾效率為98.33 %，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器迎風(fēng)面上仍有細(xì)菌存活，經(jīng)過(guò)紫外線(xiàn)燈照射對(duì)過(guò)濾器表面照射可以有效殺滅過(guò)濾器上的細(xì)菌。當(dāng)高效過(guò)濾器與紫外線(xiàn)燈同時(shí)使用時(shí)，對(duì)細(xì)菌的殺滅率高達(dá)99.71 %，并且在迎風(fēng)面上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)存活的細(xì)菌。

圖2 不同實(shí)驗(yàn)工況下細(xì)菌的去除效率

1.2 發(fā)熱診室通風(fēng)系統(tǒng)模型

如圖3（a），發(fā)熱診室長(zhǎng)4.6 m，寬3.9 m，高2.7 m，采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)系統(tǒng)，將高效殺菌裝置安裝于風(fēng)機(jī)盤(pán)管回風(fēng)口處，處理后的回風(fēng)與室外新風(fēng)混合后送入室內(nèi)，如圖3（b）。采用百葉風(fēng)口側(cè)送風(fēng)，風(fēng)口尺寸為450 mm×120 mm，回風(fēng)口尺寸為450 mm×20 mm，另設(shè)排風(fēng)口，位于天花板上，尺寸為150 mm×150 mm。醫(yī)生佩戴N95口罩，患者未佩戴口罩。邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)置

圖3 配備風(fēng)機(jī)盤(pán)管系統(tǒng)的發(fā)熱診室布局

研究發(fā)現(xiàn)，粒徑小于5 μm的飛沫核是病毒的主要載體，更容易造成空氣傳播［21］，因此本研究重點(diǎn)關(guān)注粒徑小于5 μm的飛沫核，采用歐拉法來(lái)預(yù)測(cè)室內(nèi)污染物分布。許多研究已經(jīng)證明了CO2是模擬細(xì)小液滴或飛沫核擴(kuò)散的有效替代物［22，23］，因此以CO2作為示蹤氣體模擬患者呼出的污染物。本研究考慮了患者兩種呼吸活動(dòng)——正常呼吸和咳嗽，呼出的CO2濃度均為40,000 ppm［23］，并假設(shè)患者口部是CO2的唯一來(lái)源，患者口部大小為20 mm×20 mm［24］，呼吸過(guò)程被簡(jiǎn)化成連續(xù)的呼氣［23］，肺通氣率為8.4 L/min［25］。咳嗽過(guò)程簡(jiǎn)化為周期為15 s的脈沖函數(shù)，咳嗽時(shí)間為1 s，速度為10 m/s［26］，在Fluent軟件中借助UDF實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 患者咳嗽時(shí)的UDF函數(shù)

通過(guò)醫(yī)院掛號(hào)系統(tǒng)調(diào)查了廣州市17所醫(yī)院發(fā)熱門(mén)診的掛號(hào)情況，圖5為患者在17所醫(yī)院發(fā)熱診室最短和最長(zhǎng)的就診時(shí)間，患者在發(fā)熱診室內(nèi)的平均就診時(shí)間為4～6 min。

圖5 廣州市17所發(fā)熱診室最短和最長(zhǎng)的就診時(shí)間

假設(shè)有一名呼吸道傳染病患者前來(lái)就診，就診時(shí)間為6 min，即釋放污染物的持續(xù)時(shí)間為6 min，后續(xù)就診人員不是呼吸道傳染病患者。如表3所示，本研究模擬了6種不同工況，以探究高效殺菌裝置對(duì)降低醫(yī)生和后續(xù)就診人員感染概率的效果。

表3 工況條件設(shè)置

采用Fluent進(jìn)行仿真模擬，采用雷諾平均納維斯托克斯（RANS）方程和湍流模型來(lái)獲得診室內(nèi)的氣流速度、溫度以及污染物濃度［23］。近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

1.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究使用的仿真模型，搭建了一個(gè)全尺寸實(shí)驗(yàn)室，如圖6所示。兩個(gè)人體模型均勻纏繞著電發(fā)熱絲以模擬人員發(fā)熱量，以發(fā)熱的電熱膜代替夏季外窗得熱。在室內(nèi)設(shè)置了4條垂直測(cè)量線(xiàn)，當(dāng)室內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)，測(cè)量了室內(nèi)的溫度及風(fēng)速，并與模擬結(jié)果比較，如圖7a和7b所示，速度、溫度的平均偏差分別是0.02 m/s，0.55 ℃。隨后患者以5 ml/s的速度從口部釋放出二氧化碳，6分鐘后停止，采用二氧化碳檢測(cè)儀連續(xù)測(cè)量了醫(yī)生口鼻處的二氧化碳濃度值。如圖7c所示，二氧化碳濃度的平均偏差為4.68 ppm。

圖6 實(shí)驗(yàn)室布局圖

圖7 實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用攝入分?jǐn)?shù)IF來(lái)評(píng)估患者呼出的污染物對(duì)暴露人員的影響［27］，IF 越大，代表污染物的濃度越高，暴露人員的相對(duì)感染風(fēng)險(xiǎn)越高。

其中Ci是暴露人員吸入的污染物濃度；Ce是患者呼出的污染物濃度。

Wells-Riley模型常用于定量評(píng)估空氣傳播的感染風(fēng)險(xiǎn)［28］，但其假設(shè)空氣混合均勻且穩(wěn)定，存在一定的局限性，Wells-Riley模型如公式（5）所示。Zhang等人［29］定義了稀釋比，提出了一種適用于瞬態(tài)條件的Wells-Riley模型。稀釋比可以通過(guò)CFD模擬預(yù)測(cè)的污染物濃度來(lái)計(jì)算。

式中：P為感染概率，I為感染者數(shù)量，p1,p2分別為易感者和感染者的呼吸頻率(m3/min)，可以認(rèn)為兩者相等。q為感染者的量子生成速率(quanta/min)，t是易感者暴露時(shí)間(min)，Q是房間通風(fēng)量(m3/min)。D(t)為某處位置的稀釋率，Csource為感染者呼出的污染物濃度，Ctarget(t)為室內(nèi)某位置的污染物濃度。

根據(jù)Zhang的研究［29］，q取值為142 quanta/h。Fluent軟件模擬計(jì)算可獲得不同時(shí)刻室內(nèi)的污染物濃度分布，再通過(guò)公式計(jì)算出不同暴露時(shí)間下室內(nèi)的感染概率。

2 結(jié)果與討論

2.1 速度和溫度分布

圖8是醫(yī)生辦公桌中間位置截面的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)及溫度場(chǎng)。從圖中可以看出，經(jīng)風(fēng)機(jī)盤(pán)管處理后的空氣通過(guò)射流直接進(jìn)入醫(yī)生和患者呼吸區(qū)。室內(nèi)工作區(qū)的風(fēng)速為0.2～0.3 m/s，溫度在25～26 ℃之間，滿(mǎn)足人體舒適要求。

圖8 診室辦公桌中間位置截面速度和溫度分布云圖

2.2 不同區(qū)域呼吸區(qū)的污染物濃度分布

由于污染物在診室內(nèi)分布不均勻，對(duì)室內(nèi)人員的影響也不一樣，因此根據(jù)診室人的活動(dòng)特性，將房間分成4個(gè)區(qū)域，如圖9所示，分別為入口區(qū)（Ⅰ）、過(guò)渡區(qū)（Ⅱ）、醫(yī)生區(qū)（Ⅲ）、患者區(qū)（Ⅳ），分析污染物的分布特點(diǎn)。

圖9 發(fā)熱診室區(qū)域劃分

綜合考慮人體坐姿和站姿時(shí)的高度，將人體呼吸區(qū)高度定義為1.1～1.6m。圖10（a）和10（b）分別是患者正常呼吸和咳嗽狀態(tài)下最大暴露量（6 min）時(shí)呼吸區(qū)下部（1.1 m）及上部（1.6 m）高度的污染物濃度分布云圖。可以發(fā)現(xiàn)，患者正常呼吸時(shí)，污染物主要集中在患者頭部上方（1.6 m處），醫(yī)生所在的Ⅲ區(qū)污染物濃度較低，這主要是因?yàn)楹粑尫诺奈廴疚锸艿阶陨頍岣×突颊邿嵊鹆鞯挠绊懀块g上部擴(kuò)散；患者咳嗽狀態(tài)下產(chǎn)生的高速氣流使得污染物在水平方向迅速擴(kuò)散，1.6 m平面的污染物濃度較低。

圖10 診室內(nèi)呼吸區(qū)上部及下部污染物濃度分布

如圖11，以呼吸區(qū)為研究對(duì)象，對(duì)比分析四個(gè)區(qū)域在最大暴露量（6 min）時(shí)的二氧化碳平均濃度，可以發(fā)現(xiàn)，在不同工況下，患者所在Ⅳ區(qū)的污染物濃度始終高于其他區(qū)域，患者正常呼吸產(chǎn)生的污染物較患者咳嗽時(shí)少。對(duì)于沒(méi)有安裝高效殺菌裝置的情況，各區(qū)域的污染物濃度更高?；颊吆粑鼤r(shí)，回風(fēng)經(jīng)高效殺菌裝置處理后，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)的污染物濃度分別降低了38 %，28.4 %，27.7 %，15.8 %；患者咳嗽時(shí)，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ區(qū)的污染物濃度分別降低了11 %，15.2 %，3.8 %，6.5 %。

圖11 各區(qū)域呼吸區(qū)CO2濃度對(duì)比

2.3 醫(yī)生的攝入分?jǐn)?shù)和感染風(fēng)險(xiǎn)

如圖12（a）是醫(yī)生的攝入分?jǐn)?shù)隨暴露時(shí)間變化的曲線(xiàn)。在患者進(jìn)入診室后的6 min內(nèi)，醫(yī)生的攝入分?jǐn)?shù)快速增加，并在6 min后達(dá)到峰值；患者離開(kāi)后，醫(yī)生的攝入分?jǐn)?shù)開(kāi)始下降，對(duì)于回風(fēng)口沒(méi)有安裝高效殺菌裝置的情況，攝入分?jǐn)?shù)下降的速度較慢，患者離開(kāi)40 min后還沒(méi)達(dá)到穩(wěn)定；而安裝高效殺菌裝置的情況與全新風(fēng)類(lèi)似，在患者離開(kāi)后，攝入分?jǐn)?shù)快速下降，并在20 min后就達(dá)到較低水平，逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)的攝入分?jǐn)?shù)比沒(méi)有安裝高效殺菌裝置時(shí)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖12 醫(yī)生的攝入分?jǐn)?shù)和感染概率

圖12（b）是醫(yī)生在不同暴露時(shí)間下的感染概率，暴露時(shí)間越長(zhǎng)，感染概率越大。對(duì)于沒(méi)有安裝殺菌裝置的情況，在患者釋放污染物的6 min里，醫(yī)生的感染概率快速增加，40 min后還有明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說(shuō)明沒(méi)有經(jīng)過(guò)高效殺菌裝置處理的空調(diào)回風(fēng)導(dǎo)致污染物在室內(nèi)繼續(xù)擴(kuò)散，從而增加了醫(yī)生的感染概率。全新風(fēng)模式與安裝高效殺菌裝置時(shí)對(duì)醫(yī)生感染概率的影響幾乎相同，在患者釋放污染物的6 min里，醫(yī)生的感染概率快速增加，患者離開(kāi)后，感染概率緩慢增加并逐漸穩(wěn)定趨于定值。

從上述結(jié)果可以看出，安裝高效殺菌裝置對(duì)室內(nèi)的凈化效果與全新風(fēng)送風(fēng)模式接近一致，高效殺菌裝置能夠明顯降低室內(nèi)的污染物濃度，高效殺菌裝置的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，污染物濃度越低。高效殺菌裝置運(yùn)行40 min后，醫(yī)生的感染概率分別從0.27 %，0.77 %降低至0.096 %，0.295 %。

2.4 下一位就診人員的感染風(fēng)險(xiǎn)

患者周?chē)奈廴疚餄舛容^高,將對(duì)后續(xù)就診人員帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此假設(shè)下一位就診人員不是呼吸道傳染病患者，分析高效殺菌裝置對(duì)下一位就診人員感染風(fēng)險(xiǎn)的影響。

圖13（a）表示患者離開(kāi)后，下一位就診人員的感染概率隨暴露時(shí)間的變化。可以發(fā)現(xiàn)，患者正常呼吸對(duì)下一就診人員感染概率的影響較小，感染概率隨暴露時(shí)間線(xiàn)性增加，未安裝高效殺菌裝置的情況下感染概率增加更明顯；患者咳嗽，下一位就診人員在進(jìn)入1分鐘后感染概率快速增加，6分鐘后，全新風(fēng)系統(tǒng)、回風(fēng)經(jīng)高效殺菌裝置處理以及回風(fēng)未經(jīng)處理的感染概率分別為4.6 %、4.7 %、5.8 %，這表明全新風(fēng)與安裝高效殺菌裝置能夠降低下一就診人員的感染風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 下一位就診人員的感染概率

圖13（b）表示感染者離開(kāi)后，下一就診人員間隔一段時(shí)間后再進(jìn)入室內(nèi)，感染概率隨等待時(shí)間的變化。從圖可以發(fā)現(xiàn)，等待的時(shí)間越長(zhǎng)，感染風(fēng)險(xiǎn)越低。對(duì)于安裝高效殺菌裝置的情況，下一就診人員等待1分鐘后，感染概率就低于2 %，因此我們建議就診人員可在上一就診人員離開(kāi)后1-2分鐘再進(jìn)入室內(nèi)，以降低感染風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

1.由高效過(guò)濾器和紫外線(xiàn)燈構(gòu)成的高效殺菌裝置對(duì)細(xì)菌的殺滅率高達(dá)99.71 %，并且能夠有效防止細(xì)菌在過(guò)濾器上滋生繁殖。

2.通過(guò)CFD模擬發(fā)現(xiàn)，高效殺菌裝置能夠顯著降低室內(nèi)的污染物濃度，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，污染物濃度越低。安裝高效殺菌裝置能夠有效減少室內(nèi)人員的感染概率，其效果與全新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)接近。

3.高效殺菌裝置能夠有效降低下一就診人員感染概率，下一就診人員等待1分鐘，感染概率就低于2 %，等待的時(shí)間越長(zhǎng)，感染風(fēng)險(xiǎn)越低。