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人体呼出气溶胶在通风建筑中传播的研究进展

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2012年第z1期

论文作者:兰信颖 冯国会 明月 张一

文章页码:68 - 74

关键词:气溶胶;液滴核;通风;拉格朗日模型;欧拉模型

Key words:aerosols; droplet nuclei; ventilation; Lagrangian model; Eulerian model

摘    要:对人体呼出气溶胶在通风建筑环境中的传播进行论述,并从实验和模拟两方面综述国内外的研究进展和难点。研究结果表明:目前涉及的多为医疗环境通风对人体呼出气溶胶传播的影响,并且实验和模拟多采用粒子代替人体呼出气溶胶;应用计算流体力学只能模拟某一粒径的粒子,无法真实模拟人体呼出污染物,且选择欧拉法还是拉格朗日法取决于要解决问题的目标和特点;有关人体运动对气溶胶传播的影响还有待深入研究。

Abstract: The dispersal of expiratory aerosols in ventilated build environment was reviewed. In terms of both experiment and modeling, the research progress and difficulties at home and abroad were summarized. The results show that the studies are mostly referred to the relationship between ventilation and expiratory aerosols in medical environment, and the experiment and modeling are using particles instead of expiratory aerosols at present; the CFD can just simulate single particle size instead of actual expiratory aerosols, and choosing Lagrangian method or Eulerian method depends on the problem’s aim and feature; the influence of human motion on expiratory aerosols dispersal need to be studied deeply.



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人体呼出气溶胶在通风建筑中传播的研究进展

兰信颖1, 2,冯国会3,明月3,张一3

(1. 重庆大学 城市建设与环境工程学院,重庆,400030;

2. 沈阳工业大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳,110870;

3. 沈阳建筑大学 市政与环境工程学院,辽宁 沈阳,110168)

摘要:对人体呼出气溶胶在通风建筑环境中的传播进行论述,并从实验和模拟两方面综述国内外的研究进展和难点。研究结果表明:目前涉及的多为医疗环境通风对人体呼出气溶胶传播的影响,并且实验和模拟多采用粒子代替人体呼出气溶胶;应用计算流体力学只能模拟某一粒径的粒子,无法真实模拟人体呼出污染物,且选择欧拉法还是拉格朗日法取决于要解决问题的目标和特点;有关人体运动对气溶胶传播的影响还有待深入研究。

关键词:气溶胶;液滴核;通风;拉格朗日模型;欧拉模型

中图分类号:TU96+2            文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2012)S1-0068-07

Dispersal of expiratory aerosols in ventilated build environment: A review

LAN Xin-ying1, 2, FENG Guo-hui3, MING Yue3, ZHANG Yi3

(1. College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China;

2. School of Architecture and Civil Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;

3. College of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract: The dispersal of expiratory aerosols in ventilated build environment was reviewed. In terms of both  experiment and modeling, the research progress and difficulties at home and abroad were summarized. The results show that the studies are mostly referred to the relationship between ventilation and expiratory aerosols in medical environment, and the experiment and modeling are using particles instead of expiratory aerosols at present; the CFD can just simulate single particle size instead of actual expiratory aerosols, and choosing Lagrangian method or Eulerian method depends on the problem’s aim and feature; the influence of human motion on expiratory aerosols dispersal need to be studied deeply.

Key words: aerosols; droplet nuclei; ventilation; Lagrangian model; Eulerian model

近年来,随着全球一系列的流行病爆发,包括:结核(TB, 1990年)、严重急性呼吸系统综合症(SARS,  2003年)和甲型H1N1流感(2009年),人类面临空气传播感染的风险已经不容忽视[1-6]。这些疾病的传播途径之一是以人体呼出的气溶胶作为载体进行的。此外,人们90%以上的时间是在家、办公室或者学校等室内环境中度过的[7],因此,研究人体呼出气溶胶在建筑环境中的传播就显得尤为重要。人类的呼气行为主要包括呼吸、讲话、咳嗽、打喷嚏等。这些行为中都有大量气溶胶被释放出来。Wells[8]指出人体呼出气溶胶的初始尺寸较大,在传播过程中不断蒸发而收缩,最终形成了液滴核,能够在空气中悬浮很长时间。Duguid[9]通过实验得到了人体呼出气溶胶的尺寸分布,同时Loudon等[10]也进一步证实了Wells的观点。影响人体呼出气溶胶分布的主要因素是气溶胶的尺寸和环境中的通风方式。事实上,通风方式决定了环境中的空气分布,反过来空气分布又决定了气溶胶的分布。Li等[7]从多学科的角度对传染病传播和室内通风的关系做了阐述,研究表明室内通风、空气流动和传染病的传播之间有着紧密的联系,包括麻疹、结核、水痘、流感、天花及SARS。 因此,研究感染者所呼出的气溶胶在典型通风房间中的传播极为重要。本文作者从实验和模拟2方面回顾了建筑环境中人体呼出气溶胶的传播,同时对一些最新的研究进展予以讨论。

1  实验研究

部分进行实验研究的文献中的实验条件和研究方法见表1。

1.1  实验室

人体呼出气溶胶传播的实验研究通常在环境室中进行。环境室通常采用化学性质稳定的惰性材料,如玻璃或者不锈钢,因为这种材料不吸收也不释放挥发性有机化合物(VOC)。

为了模拟真实的房间,所有的影响因素例如家 具,压力,热源和通风模式等因素均应考虑[11-21]。根据环境室的大小,可以分为全尺寸实验室和比例模型实验室。相比而言,前者更加准确,因为体积更加接近真实的房间,但是价格昂贵。后者虽然没有前者精确,但是较为便宜。近年来,多采用全尺寸实验室和隔离病房来分析不同通风模式对呼出气溶胶传播的影 响[11-13, 22-23]

1.2  气溶胶的发生

呼吸、咳嗽、打喷嚏产生的细小液滴由水、空气或细小粒子组成。它们产生气溶胶的速率和时间间隔不同,因此对室内环境和人体有着不同的影响。所以,气溶胶发生方法对于采用实验方法研究人体呼出气溶胶的传播有着重要的影响。

通常气溶胶发生主要通过液滴雾化,这种方法能够产生单分散固相颗粒。Abdallah等[21]就是在伴随着热效应的机械通风实验室内用这种方法研究呼出液滴的传播。他们通过稀释标准聚苯乙烯微球产生10 μm的单分散微粒。稀释的悬浮液被放入杯子中,杯子上连一个喷枪。用一个流量控制阀控制释放的速度。通过连接压缩机的喷枪快速释放粒子来模拟人体呼出气溶胶的过程。

香港大学研制的呼吸机被用来模拟包括人体咳嗽在内的多相流。采用一个空气雾化喷嘴,以产生多分散的液滴。通过调整进入喷嘴的空气和液体的速度和压力,就可以产生类似人体咳嗽的模拟[24-25]。其中人体的唾液用94%(体积分数)的混合液和6%(体积分数)的甘油模拟,这种方法在文献[17, 24-27]中都有使用。采用呼吸机对含有某种对人体无害的微生物的溶液进行雾化,可以模拟微生物学研究中的含有病原体的呼吸粒子[19]

示踪气体(CO2, N2O, SF6)也可以被用来模拟人体呼吸。文献[20, 22]在医院病房和置换通风房间内用示踪气体模拟小液滴核。此外,在医院病房内还常用示踪气体模拟人体呼出的小液滴核,用微粒模拟大液滴,同时用烟雾进行可视化模拟[12, 27-29]

1.3  人体的模拟

作为污染源的人体呼气是具有脉动性、自然间歇性及非等温的射流过程。呼气射流的特性取决于自身温度、动量和房间温度条件,以及同其他主要气流间的相互作用,例如人体周围的边界层。在试验中模拟人体的常规方法是将其简化为小区域或点源,通过指定速度和病原体浓度来研究呼气气溶胶的空间分布及评估气溶胶病毒的暴露[19]。但是这种简化方法不能形成空气薄层或者是紧紧依附于人体表面上的“边界层”,也不能形成人体“热羽”。

在研究中也可以使用人体模型,用于模拟人体的真实情况,从而获得一系列有用的分析结果。最初人体模型应用于通风系统的研究中,目前已经成功应用于呼气气溶胶的传播和气溶胶浓度暴露的研究     中[20, 30-31]。近年来又产生了一些先进的热人体模型,这些模型能模拟人体体表温度,形成人体“热羽”,产生具有浮力的热呼吸射流,进而真实地模拟人体正常的呼吸过程[12, 27, 32]。热人体模型也可用于控制传染方面的研究。通过使用热人体模型,在医院病房内选择最有效通风方式来降低病人之间通过呼气产生交叉感染的可能性[12]。另外,通过对普通人体热模型进行一些小的实际改进,产生了能运动的热人体模型。这种模型用来分析周期性运动对人体呼出气溶胶传播的影响。

1.4  实验方法和设备

通过测量气流参数可以表明呼气气流的特性。有许多设备可以用来测量空间内某一点的空气速度、温度和湿度等参数。最近,可视化技术用于描述气流的瞬时空间分布情况,其中包括烟气可视化技术。文献[33]在病房里采用细小油雾烟气来视觉化人体呼气射流和液滴核的分布。颗粒速度成像(PIV)技术也广泛用于呼出气溶胶传播的研究[17-18, 32]

表1  文献中的实验数据和方法总结

Table 1 A summary of detailed experimental conditions of data and methods in references



传染风险评估可以用来研究疾病感染的可能  性,也可以用来评估各种感染控制方法的优劣。这种风险评估是通过对粒子浓度的测量进行的。目前测试颗粒浓度的主要工具是激光粒子计数器和气溶胶分光仪[18-19]

1.5  沉积

随着人们对颗粒暴露对人体健康影响关注程度的加深,颗粒在室内沉积的研究也不断受到重视。沉积是研究呼气气溶胶分布的重要影响因素。但是最近的许多研究更关注液滴核而没有考虑大液滴的移动和沉积,事实上肺部感染病人呼吸过程中也释放出大液  滴[13]。实验过程中有许多方法可以描述沉积,但文献中只采用了显微镜下对颗粒计数的方法。

1.6  通风方式

从以往文献中的实验结果可以看出,不同的通风方式对排除人体呼出气溶胶所起的功效不同。Qian  等[13]发现对于排除细小的颗粒,采用天花板回风的方式比采用地板回风的方式效果好。他同时指出大颗粒主要靠沉积方式去除而不是通风方式。Jovan等[18]指出个性化通风可以减小污染物的浓度峰值,也可以缩短全部射流距离内的暴露时间。同时指出个性化通风可以使A型流行性感冒和肺结核的感染风险降低27%~65%。同时从风险评估结果中可以看出,个性化通风所提供的防护效率在距离1.75 m时最低,因为此时个性化通风产生的气流被咳嗽产生的气流切断。研究结果表明:在桌面设置个性化通风可以降低气溶胶传染的风险。Qian等[12]指出在房间内较高位置设置排风口对排除人体呼出的高于环境温度的细小颗粒和气体污染物更有效,对于去除大粒径颗粒无效。在房间底部设置排风口对去除大粒径颗粒更有效,因为大颗粒由于重力的作用更易于沉积到地板上。

1.7  实验研究的文献中的主要结论

Yin等[11]用全尺寸实验室来模拟具有1张病床的病房,同时在该实验室内对比分析了病人呼吸和咳嗽时的浓度分布情况。他们得出结论,在咳嗽工况下,采用置换通风房间上部污染物浓度较高。同风量下,采用置换通风时病人坐在床上时的污染物浓度低于病人仰卧在床上的污染物浓度。

Qian等[12]在全尺寸实验病房中以N2O为示踪气体来模拟病人呼出的液滴核,分别在混合通风、向下送风和置换通风3种通风方式下测量其传播情况,得出如下结论:混合通风和向下送风情况下,呼气射流穿透距离短,被送风气流快速稀释。呼气液滴核在病房内充分混合情况下,床间距对接受者的暴露情况无影响。置换通风下呼气射流穿透距离长,同时由于温度边界层的封锁作用,可以观察到呼气颗粒核的高浓度层。

Qian等[13]在具有6张床、有不同位置排风口的隔离病房中研究呼吸颗粒,发现在花板排风下气态和小颗粒的去除效率高于地板排风。大颗粒主要通过沉积去除而不是依靠通风去除。

Chao等[17]在一个有向下气流的小室内通过光学技术来测量气溶胶的分布。他们发现小粒径气溶胶(初始粒径≤45 μm)在气流向下时沉积时间为20 s,而在天花板回风时时间增加到32~80 s。当气流向下时水平传播距离在0.3 m内,紊流分布起主要作用。天花板回风时,水平传播距离增大到2 m,紊流和主流传播共同起作用。

2  颗粒的模拟方法研究

模拟条件、数据和方法[34-39]见表2。通常,应用计算流体力学模拟颗粒传播和分布有2种方法:欧拉法和拉格朗日法。欧拉法将颗粒作为连续相,控制方程源于质量守恒,给出了颗粒浓度场的细节。拉格朗日法描述单个颗粒的运动轨迹,运动方程源于单个颗粒所受各种外力的共同作用,得到单个颗粒的轨迹,要想得出统计结论要对大量颗粒样本进行分析。对每种方法都有一些相应的模型来处理不同的颗粒运动和分布特性。在文献[40-42]中每种方法的发展,从简单模型到复杂模型,都被描述及总结出来。

对于某一给定问题,选择欧拉法还是拉格朗日法取决于要解决问题的目标和特点[37]。欧拉法多用于获得室内颗粒污染物的浓度[43-45],文献[43, 46-49]中采用的欧拉模型中还考虑了重力的影响。拉格朗日法用于预测总体的粒子分布情况和平均浓度的瞬态变化情况。近年来,拉格朗日法也用于预测通风房间内颗粒物的浓度分布,同时通过实验将模拟结果与实验结果相比较[50]

表2  文献中模拟数据和方法总结

Table 2  A summary of detailed simulation conditions of data and methods in references

3  结论

(1) 由于呼吸气溶胶较难产生,因此,一些研究将重点放在液滴或液滴核上。同时,蒸发、沉积和凝结常被忽略。

(2) 大多数研究涉及的都是医疗环境中通风对人体呼出气溶胶传播的影响,没有足够的数据证明学校、办公室、超市及其他非医疗环境中通风和呼出气溶胶分布的关系。

(3) 使用运动的人体模特来分析接受者的周期性运动对感染者呼出气溶胶传播的影响的研究还有待深入。

(4) 从研究方法来看,大多研究依赖CFD模拟的方法,并未进行实验验证,这主要是由于实验条件所限,很难找到一个合适的进行微生物颗粒传播实验的场所。

(5) 目前应用计算流体力学只能模拟某一粒径的粒子,无法真实模拟人体呼出的污染物。对于某一特定问题,选择欧拉法还是拉格朗日法取决于要解决问题的目标和特点。

(6) SARS过后,国内外学者主要通过研究通风室内人体呼出污染物的浓度分布情况、人体暴露分析、室内流场和温度场以及排污效率等,寻求适合环境的通风方式,以减小人员受空气传播疾病感染的可能性。

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(编辑 赵俊)

收稿日期:2012-01-15;修回日期:2012-02-15

基金项目:辽宁省博士基金资助项目(20101088);沈阳市科技局项目(F11-264-1-17)

通信作者:兰信颖(1977-),女,辽宁沈阳人,博士研究生,讲师,从事室内空气品质保障研究;电话:024-25496580;E-mail: lanxinying1977@sohu.com

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