【HVAC】方舱医院人员活动区避免交叉感染之热分层控制建议与依据

写在前面

当前，新冠肺炎疫情防控工作到了最吃紧的关键阶段。在这场没有硝烟的战争中，除了无数医疗卫生专家及医护人员奔赴前线与病毒作战外，大量暖通空调专业人士也正在发挥专业优势助力疫情防控。为了更好地探索、研讨暖通空调技术在“病毒防控及相关设施建设运行”方面的应用，我们正在筹划相关的专栏。

本文为其中一篇约稿文章，供稿团队为清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室和西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室，原文题目为《热分层环境人际间飞沫传染风险与对策研究》，文章内容将经过同行评议后在《暖通空调》杂志刊出，现先通过微信和大家分享。

作者通过理论和实验相结合的研究方法，得出如下结论并提出建议：

1）当前武汉地区方舱医院内上千名轻症病人同处一室，存在自愈患者被再次感染的风险。

2）在当前季节和方舱医院实际环境下，室内空间可能出现贴壁流动造成的热分层。

3）经过CFD模拟研究及百级洁净室内进行的单分散气溶胶颗粒物发生器实验验证，发现室内人员活动区域内的热分层能够显著影响近距离内的飞沫传染。如有效控制热分层，例如将温度梯度由1.50℃/m减少到1.08℃/m，那么可把相距1m内的两个人中易感者吸入5μm飞沫的数量可降低80%以上。

4）建议：方舱医院应注重热分层控制，可优先通过提高新风量和在玻璃幕墙等冷壁面下方布置加热器等措施，抑制人员活动区域内的热分层现象，降低交叉感染风险。

希望本文的研究结果能为方舱医院的感染控制提供一些参考。

摘要

目前正值新冠肺炎疫情防控关键时期。临时方舱医院由大空间场馆建筑快速改建而成，每间医院可以容纳上千张床位，其目的是将传染源从人群中隔离出来，遏制疫情扩散。但上千名新冠肺炎患者同处一室，存在自愈患者再次感染风险。冬季工况下，方舱医院冷壁面贴壁流动容易引起热分层。本研究采用两个精确描述人体几何特征的三维数值模型，运用计算流体力学（CFD）方法，模拟了典型温度分层条件的呼出飞沫的近距离散布。通过统计易感者口部吸入飞沫的数量，结合实验室结果，量化评估了人际间飞沫传染的风险。研究发现将人员活动区域的竖直温度梯度由1.50K/m降低至1.08K/m，1m内吸入传染者呼出的5μm飞沫数量下降80%以上。因此，应优先增加新风量，并在玻璃幕墙下布置加热器降低贴壁流动，避免形成竖直温度分层，稀释人员所在区域的飞沫和飞沫核浓度，有效降低交叉感染风险。

关键词

方舱医院 建筑通风 热分层 飞沫传播

作者清华大学建筑技术科学系 生态规划与绿色建筑教育部重点实验室 刘荔西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院 西部绿色建筑国家重点实验室 张毅 付林志 王怡

0引言

截止2020年2月11日，新型冠状病毒肺炎疫情已造成我国42744人感染，1017人死亡^[1]。已有证据表明，新型冠状病毒肺炎的主要传播途径为近距离飞沫传播和接触传播。切断传播途径主要依靠隔离、洗手、佩戴口罩和通风。2月5日起，武汉地区开始将会展中心、体育馆等大空间场馆改建为隔离轻症患者的“方舱医院”，并由2月9日起逐步投入运行。每间医院内可容纳1000多名病人，医务人员按照二级防护要求佩戴口罩、隔离衣、手套、护目镜等个体防护设备^[2]。这些措施能够有效防止新冠疫情在武汉地区的持续扩散。

新冠肺炎轻症患者中相当一部分可以在隔离期内自愈^[3]。但是，方舱医院的上千名轻症病人同处一室，彼此近距离暴露频繁，存在自愈患者通过飞沫传播途径被再次感染的风险。飞沫由病人呼吸、说话、咳嗽等方式释放到室内空气中，如直接被近距离内的易感者吸入或沉降于易感者眼、唇等黏膜上造成感染，即构成飞沫传染途径。如飞沫在这个过程中蒸发失去水分形成飞沫核，他人可吸入至呼吸道更深处，如能造成感染，即为近距离空气传染途径^[4]。病人呼出的飞沫的其他部分进入室内环境，大飞沫沉降于表面，小飞沫蒸发至飞沫核，如携带的病毒仍具有活性，可分别构成接触传染途径和长距离空气传染途径。

需要特别指出的是，尽管建筑通风通常只被看作切断长距离空气传染途径的有效手段，建筑通风通过营造室内热湿环境，仍然可以影响近距离内飞沫和飞沫核的人际传播，例如室内温湿度可以影响飞沫蒸发速度、飞沫核的形成与散布^[5-6]。同时，已有研究中发现，热分层可以一定程度上偏转一个人的呼出气流轨迹^[7-8]，抑制体表热羽流^[9]。Bjorn等人^[10]和Zhou^[11]等人发现当呼吸区域竖直温度梯度足够大时，人体呼出气态污染物在呼吸高度区域存在明显的“自锁现象”。Qian等人^[12]发现在存在热分层的医院病房中，人体呼吸活动产生的飞沫沿着呼气方向可以穿过较长距离并在呼吸高度区域发生停滞，从而大大增加人际间疾病传播的风险。Gao和Niu^[14]以房间不同高度飞沫平均浓度表征飞沫的分布情况，模拟计算了不同温度梯度下人体呼出飞沫的扩散分布情况。

方舱医院环境是典型的大场馆空间，通风标准与传染病医院标准要求差距较大，无法直接利用原有通风系统，需要快速有效的改造方法和技术，降低而非促进近距离内飞沫传染。同时，亦须考虑病毒变异成能够长距离空气传染，安装适当的消毒灭活设备处理排气。不仅如此，大型场馆建筑中多带有落地窗甚至玻璃幕墙，见图1。武汉地处夏热冬冷地区，2月室外最低温度不到0℃，冷表面上的下降气流流向地面后可形成平面流动（plane flow），配合门窗渗风可在医院人活动空间内形成较大的低温区域，在高大空间中形成类似置换通风的竖直温度梯度。

已有文献多集中在对不同热分层条件下呼出飞沫的扩散及分布进行研究，未聚焦于易感者的吸入暴露剂量，只能定性评估感染风险。在方舱医院中，当两人或多人拉近距离，她/他们的呼吸气流和热羽流交叠形成了相对独立于室内宏观环境的气流微环境，本研究旨在量化冬季工况下热分层对气流微环境内人际间飞沫的吸入暴露剂量，为改进武汉地区方舱医院通风效果提供策略，降低近距离飞沫传染。

图1 方舱医院照片 （来自网络）

1数值模拟方法

研究运用ANSYS FLUENT15.0软件模拟不同热分层条件的气-固两相流场。考虑节约计算时间成本，采用稳态气流流场和颗粒物相互耦合的方法，通过Lagrangian方法进行颗粒物非稳态追踪，预测颗粒运动轨迹，得到易感者口部吸入飞沫核的数量。

1.1 连续相模拟

控制方程的通用形式可以表述为：

（1）

式中：Φ为通用变量，可以代表u，v，w，T等求解变量；Г为广义扩散系数；S为广义源相；ρ为流体密度，kg/m³；t为时间，s；div为散度；grad为梯度。

室内空气主要由于温度变化引起密度变化，使用boussinesq假设来处理由于竖直温度梯度引起的浮升力。采用Realizablek-ε模型对室内流场进行数值模拟^[13]。除压力项采用标准离散格式外，其他项均采用了二阶迎风格式进行离散，并采用SIMPLE算法对离散方程组进行求解。

1.2离散相模拟

病人呼吸活动产生飞沫的主要粒径范围为0.5~15μm，飞沫核主要粒径范围0.1~5μm^{[5, 14]}。本研究重点关注近距离传播，同时考虑方舱医院内人员主要佩戴手术口罩，选择呼吸过程产生的5μm飞沫和飞沫核为典型，忽略飞沫的蒸发过程。未来研究可以进一步考虑飞沫初始粒径分布、包含飞沫蒸发和飞沫核形成机制等。

基于Lagrangian法的DPM（DiscretePhase Model）离散相模型来追踪颗粒物运动轨迹。对传染源口部颗粒物稀疏相进行判定，证实离散相体积分数小于10%，符合DPM模型基本要求。由牛顿第

二定律可得到单个颗粒的运动方程为：

（2）

式中为颗粒受到的流体曳力；为颗粒所受的重力和浮升力；F_i表示其他作用力，包括视质量力、热泳力、布朗力以及Saffman力等各个作用力。在室内颗粒物运动受力中，压力梯度力、虚拟质量力、Basset force比曳力小两个量级，在研究中可忽略不计^[15-16]。因此考虑布朗力、热泳力、Saffman力的作用，从而简化颗粒运动方程：

（3）

1.3 物理模型及边界条件

1.3.1 物理模型

方舱医院室内空间布置方式有开敞式和半封闭式，本研究以半封闭式的布置为例，选取5m×3.5m×2.5m（长×宽×高）的空间，再现方舱医院内典型人员活动区域内可能的热分层现象，就可能的竖直温度梯度范围进行研究讨论。

房间采用典型的置换通风系统，送风口尺寸0.48m×0.48m，排风口尺寸0.48m×0.48m，观测窗尺寸1m×1m，加热板尺寸0.4m×0.3m×0.02m，通过改变加热板功率来改变置竖直温度梯度。选取房间中心截面作为物理观测面，模型如图2所示。两个激光扫描的三维真实人体模型用于建模，每个人体模型高1.7m，面积为1.51m²，如图3所示。

1 送风口 2 排风口 3 加热板 4 窗 5 房间中心截面 6 预留风口

图2 数值模型示意图 

7 人体模型A（传染源）  8 人体模型B（易感者）

图3 人体模型示意图

 为了描述热分层下房间流场特性，引入房间阿基米德数Ar_room。同时考虑描述人体呼出射流浮力与流体惯性的相对作用，引入射流阿基米德数Ar_exh。阿基米德数越大，即说明流场受浮力主导越明显，反之则受流体惯性影响越大。阿基米德数为0时，房间流场分别即为惯性主导的混合状态。

（4）

（5）

式（4），（5）中 β为空气体积膨胀系数，K^-1；l为房间水利直径，，m；d为人体口部特征尺寸，m；u_r为房间当量流速，，m/s；q为房间通风量，m³/s；u_exh为人体呼气出口峰值速度，m/s；T_n, T₀, T_exh,T_a分别为排风温度、送风温度、呼气气流温度、环境空气温度，K。具体模拟工况及基本参数见表 1，表中所有工况置换通风热分层高度均大于1.8m。

表1 模拟工况设置

1.3.2 边界条件

由于验证实验中假人只能持续呼气或持续吸气，因此设置人体模型A持续呼气，人体模型B持续吸气，以呼吸过程的平均速度作为呼吸气流的边界条件。选取人体正常呼吸分钟通气量8.36L/min^[17]，对应模型人体呼吸过程平均速度2.14m/s。人体模型A口部作为飞沫释放口，飞沫粒径5μm，密度为2165kg/m³。数值模拟中共计追踪4000个颗粒。对于离散相边界条件，送风口、排风口、人体模型A口部、人体模型B口部采用escape边界。其他壁面采用trap边界条件。其他边界条件见表 2。

表2 边界条件参数表

注：数值计算中不考虑辐射模型，人体对流热量占总热量40%^[18]。

1.4 网格划分及无关性验证

本研究采用增强壁面函数对近壁区域进行求解。在人体表面设置10层边界层网格以保证较好的边界层流动模拟精度，并对两人之间的呼吸流动覆盖区域进行局部加密，见图4，5。

图4 人体表面边界层网格

图5 人体呼吸区域网格加密

分别选取数量为159.5万、201.8万、252.0万、295.4万的网格进行无关性验证。选取参考线x=2.5m、y=0.8m上的50个点作为观测点，将不同网格数下观测点的温度及速度分布进行对比，如图 6，7所示。从图中可以看出网格数量为159.5万、201.8万时，数值模拟结果偏差较大。而网格数量为252万、295.4万时，数值模拟结果相差不大，温度误差为0.02%、速度误差为14.08%。因此，选择数量252.0万的网格进行数值模拟，人体表面及各壁面边界层第一层网格高度为0.0015m，y⁺<5。

图6 不同网格数下观测点温度分布对比

图7 不同网格数下观测点速度分布对比

1.5 实验验证

为排除环境背景颗粒物影响，验证实验选择在西部绿色建筑国家重点实验室的百级洁净室内进行。实验流程如图 8所示。由振动孔单分散气溶胶颗粒物发生器（TSI VOAG 3450）产生Nacl单分散颗粒物，通过暖体假人A口部持续释放，由空气动力学粒径谱仪（TSI APS 3321）对暖体假人A呼出颗粒物的数量浓度及暖体假人B吸入颗粒物的数量浓度进行测量。奥尔堡大学自制的人造肺用于为人体提供持续稳定的呼吸气流，暖体假人A持续呼气，暖体假人B持续吸气。实验参数设置见表 3。

表3 实验基本参数 

通过人体吸入暴露比将实验与数值模拟结果进行比较，吸入暴露比定义为：

实验与数值模拟结果对比如图 9所示，人体吸入暴露比随时间逐渐增大到最大值后，再减小到趋向稳定。数值模拟与实验结果基本吻合且变化趋势相同，最大误差为9.3%，因此认为数值模拟方法准确可靠，适用于人际间飞沫传播的研究分析。

图8 实验流程图

图9 实验和数值模拟中人体吸入暴露比对比

2数值模拟结果与分析

2.1 稳态流场分析

两人相距0.5 m时，经处理后的新鲜冷空气由房间下部送入室内，随室内热源产生的对流气流向房间上部区域流动形成房间主导气流，并产生竖直方向的温度梯度。当加热板为200W时，房间平均温度梯度为1.08K/m；而当加热板功率为400W时，房间平均温度梯度可达到1.50K/m。此时房间热环境仍符合舒适要求。观察两个温度梯度下人体呼出射流轨迹（见图10），发现温度梯度的增大抑制了人体呼出射流的向上偏转，使人体呼出射流的偏转角变小。同时温度梯度的增大抑制了人体羽流的向上发展，明显改变了人体羽流形状。两人距离0.5m时，人体模型A呼出的射流可以更加直接穿透人体模型B的热羽流，到达人体模型B的呼吸区域。

a. Ar_room=1.24×10⁵， 

b. Ar_room=1.71×10⁵，

图10 置换通风不同温度梯度下，房间稳态流场分布

2.2 呼吸高度上的飞沫分布

人体模型口部高度为1.52m，截取房间高度1.4~1.6m区域作为人体呼吸高度区域，统计不同温度梯度下，这一区域飞沫核分布情况，见图11，12。飞沫核在人体羽流驱动下被带到房间上部区域，人体呼吸高度区域飞沫核浓度逐渐减少。同一时刻人体呼吸高度区域飞沫核数量浓度随着Ar_room的增大而增大。这主要是由于人体呼吸区域温度梯度的增大，抑制了携带飞沫核射流的向上运动。同时飞沫核在运动过程中所受浮升力减小，导致更多的飞沫核停留在这一高度区域。这可以由飞沫的分布云图直观看出，如图12所示。

图11 两人距离0.5m，置换通风不同温度梯度下，人体呼吸高度区域飞沫核分布

a. Ar_room=1.24×10⁵， 

b. Ar_room=1.71×10⁵，

图12 两人距离0.5m，置换通风不同温度梯度下，飞沫分布云图（t=20s）

2.3 飞沫吸入暴露剂量

由于研究使用单分散颗粒物表征呼出飞沫，易感者吸入暴露剂量即为其吸入颗粒数量。传染源口部呼出相同数量的飞沫， 200s内易感者口部吸入飞沫在三种温度梯度下的总数量分别为27，168，239。温度梯度由1.50K/m减少到1.08 K/m，易感者吸入飞沫的数量可降低88.7%，见图13；除此之外，产生初始暴露的时间由2s推迟到5s。两人距离1.0 m时，200s内易感者口部吸入飞沫在3种温度梯度下的总数量分别为7，24，37，温度梯度由1.50 K/m减少到1.08 K/m，易感者吸入飞沫的数量可降低81.1%，但不影响产生暴露的初始时间，均为传染源呼出后20s，见图14。说明即使当两人在1m以内的近距离、飞沫能够快速完成人际传播时，调节热分层仍然能够明显降低易感者吸入暴露剂量。其原因在于较低的竖直温度梯度下，呼吸气流向上偏转较多，利于将典型粒径的小飞沫携带脱离两人间的气流微环境；同时较低的竖直温度梯度下体表热羽流更强烈，在近距离时使传染源呼出气流更难穿透，热羽流体现为对直接传播途径的风幕保护作用。

图13 两人距离0.5m，不同温度梯度下易感者吸入暴露

图14 两人距离1m，不同温度梯度下易感者吸入暴露

因此，向方舱医院内增加人员活动区域内的新风量，在玻璃幕墙等冷壁面下方放置加热器减小贴壁流动，减弱热分层现象，利于降低近距离内的飞沫传染。

当两人距离较远时，如图15，16所示，易感者的吸入暴露剂量远小于近距离。热分层的影响效果不再明显。原因为易感者吸入飞沫不再来源于传染者直接呼出的部分，而是从环境中将混合的飞沫通过吸入时引起的压差流动输送到呼吸区、或者通过热羽流卷吸至体表边界层后向上输送到呼吸区，形成了长距离的空气传染途径。然而目前并没有证据表明新冠病毒能够在长时间的飞沫运动中保持活性，亦无证据将其完全排除。但仍然可以通过提高新风量来稀释空气中的飞沫和飞沫核浓度，降低交叉感染风险。

图15 两人距离1.5m，不同温度梯度下易感者吸入暴露

图16 两人距离2m，不同温度梯度下易感者吸入暴露

3结论

（1）当前武汉地区方舱医院内上千名轻症病人同处一室，存在自愈患者被再次感染的风险。

（2）在当前季节和方舱医院实际环境下，室内空间可能出现贴壁流动造成的热分层。

（3）经过CFD模拟研究及百级洁净室内进行的单分散气溶胶颗粒物发生器实验验证，发现室内人员活动区域内的热分层能够显著影响近距离内的飞沫传染。如有效控制热分层，例如将温度梯度由1.50 K/m减少到1.08 K/m，那么可把相距1m内的两个人中易感者吸入5μm飞沫的数量可降低80%以上。

（4）为此建议，方舱医院应注重热分层控制，可优先通过提高新风量和在玻璃幕墙等冷壁面下方布置加热器等措施，抑制人员活动区域内的热分层现象，降低交叉感染风险。

研究团队

清华大学与西安建筑科技大学合作研究团队聚焦民用和工业建筑内颗粒物污染问题，在国家重点研发计划和自然科学基金等项目的资助下，通过搭建百级洁净室、改进呼吸暖体假人、实现体外剂量测量系统等方法，量化了呼出飞沫、高温烟尘、厨房油烟等污染的源特性、输送机制以及暴露剂量，成果广泛应用于公共健康和职业健康领域。

课题背景

课题来自“十三五”国家重点研发计划项目《建筑室内空气质量控制的基础理论和关键技术研究》，旨在将室内空气温湿度和污染物浓度控制参数综合考虑，以人的健康和舒适要求为核心，揭示室内空气局部时间和局部空间温湿度和污染物浓度综合、分级控制机理，识别在给定条件下确定优化控制策略的方法。

第一作者

刘荔 博士 清华大学建筑学院副教授

于2007-2012年在香港大学攻读博士学位期间，与李玉国教授共同确立了近距离传播机制，即邻近效应，并参与编纂了首个WHO医院自然通风控制疾病传播的指南。发现近距离呼吸道疾病传播不只通过飞沫传播（大液滴），在室内高密人群环境中，短距离空气传播可能更重要，揭示了普通医用口罩不能完全阻止近距离传播的原理。这一发现被法国院内感染协会采纳用于法国医用防护标准，受到了协会主席Pierre Parneix教授等疾病防控专家的高度赞扬。2012年受丹麦科学院院士Peter V. Nielsen教授邀请，先后任丹麦奥尔堡大学土木工程系助理教授、副教授。2018年7月起任清华大学建筑学院副教授。结合影像学和材料学，建立了能够精细化测量呼出飞沫和飞沫核粘膜暴露和呼吸道暴露剂量的体外系统，为精细化分析不同传播途径下的剂量-症状关系提供了方法和模型，获得相关发明专利及软件著作权多项。担任中国环境学会室内环境与健康分会青委会副主任，Indoor Air期刊编委。

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