有限空間空氣穩定性下人員呼吸過程暴露風險分析

鄧曉瑞 ，龔光彩 ，王瑞 ，何怡倩 ，石星 ，賀習之

（1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.清華大學 建筑學院，北京 100084；3.湖南工商大學 前沿交叉學院，湖南 長沙 410205；4.中國核電工程有限公司，北京 100840）

有限空間是指由天然材料或人工材料圍成的微小空間環境，如住宅、辦公室、交通工具［1-2］等.在現代社會中，人每天有近90%的時間待在微小空間中［3］，所以有限空間內環境質量對人們的身體健康、工作效率都有很大的影響［4-5］.

空氣為各種污染物質提供了主要的傳播媒介及路徑.建筑內通風不足以及氣流組織設計不完善，容易造成攜帶病毒的載體在人群中通過空氣擴散傳播，擴大人群患病風險.比如2001年SARS［5］，2009年H1N1 豬流感［6］，2013 年H7N9 禽流感［7］以及2019 年的新型冠狀病毒感染（COVID-19）［8］，都說明了室內空氣質量會對人的身體健康和生命安全產生直接影響.

空氣污染對人群的暴露評估是健康風險評估的基本組成部分［9］.研究表明，環境空氣以呼吸暴露為主.感染人群的呼吸活動是病原體傳播的主要途徑，特別是打噴嚏與咳嗽，一次會產生數量龐大的飛沫，這些飛沫在空氣中能傳播很遠的距離［10］.新型冠狀病毒感染與甲型流感均是由RNA 病毒引發的呼吸系統疾病，主要通過飛沫、接觸和氣溶膠傳播［11］.新型冠狀病毒感染具有的臨床表現之一即為咳嗽［12］.一旦病毒攜帶者咳嗽或打噴嚏，就會有成百上千的病菌飄浮在空氣中，對新冠病毒的傳播產生一定影響［13］.由于人體無時無刻不在呼吸，所以呼吸過程產生的氣體體量遠遠大于咳嗽或打噴嚏產生的氣體體量，會對房間里其他人員造成更大的健康威脅.因此，在研究呼吸系統疾病傳播規律時，對人體正常呼吸過程所攜帶病毒的研究十分重要.Nielsen 等［14］指出當兩個人相距較近時，對呼吸微環境中污染物的控制十分重要.改善呼吸微環境中的空氣質量可以提高人體熱舒適性，并有利于控制呼吸微環境中呼出氣體所含污染物的擴散與傳播.

在置換通風中，頂部輻射供冷和地暖房間通常會出現下熱上冷的溫度梯度，底部輻射供冷的房間通常出現下冷上熱的垂直溫度分布特點［15］.研究表明，這種垂直的溫度梯度會影響污染物的傳播與擴散.這類空氣現象稱為室內空間空氣穩定性（Indoor Air Stability，IAS）［16］，或者有限空間空氣穩定性（Limited Space Air Stability，LSAS）［17］，并可用無量綱準則數Gc定量描述不同穩定性工況.

本文以人體呼吸微環境為研究對象，通過全尺寸雙人實驗與數值模擬方法深入研究有限空間空氣穩定性對通風房間中人體呼吸微環境中污染物傳播機理，并對室內人員暴露風險進行評估.本文得到的有限空間空氣穩定性與個體暴露之間的關系可以用于指導室內通風系統設計，并為降低呼吸微環境中的污染物濃度，降低交叉感染的風險提供依據.

1 研究方案

1.1 研究對象

雙人實驗在湖南大學有限空間空氣穩定性實驗室中進行，實驗室尺寸為4.0 m × 3.8 m × 2.4 m.實驗室圍護結構在實驗過程中默認為絕熱工況，同時實驗室完全密閉，不存在縫隙滲透造成的多余氣流.為了形成實驗室內部不同空氣穩定性條件，在實驗室頂部安裝空氣載能輻射空調系統［圖1（a）］，在實驗室底部設置了4 個地暖墊［圖1（b）］對地面溫度進行控制，可實現10～60 °C溫度自由調節，每個地暖墊的尺寸為2.0 m×2.0 m.送風口、排風口分別位于南側墻底部和北側墻頂部，尺寸為0.16 m×0.26 m，非對稱分布，構成下送上回的氣流組織形式.

圖1 溫度控制裝置示意圖Fig.1 Schematic diagrams of temperature control device

1.2 研究方法

1.2.1 實驗方案

在每次實驗之前，空氣載能輻射空調系統和地暖墊至少提前運轉4 h.目的是在實驗房間內獲得穩定的垂直溫度分布.測試對象被視為熱源和污染物源.實驗進行過程中，為了防止受其他熱負荷的影響，實驗室內燈光關閉，并用遮陽布將窗戶密封.

新風分別以326 m3/h 和269 m3/h 的風量從送風口進入實驗房間.在污染物釋放階段，兩名受試者面對面站立，相距1.0 m［圖2（a）］，實驗開始瞬間，同時勻速呼吸（鼻吸嘴呼），持續30 min.污染物釋放階段結束時，兩名受試者離開房間，此時實驗進入第二階段，即污染物衰減階段，同樣持續30 min，目的是觀察當室內無污染源存在的情況下，有限空間空氣穩定性對呼吸微環境中污染物去除的影響.

圖2 實驗設置與網格獨立性檢驗Fig.2 Experimental setup and grid independency test

在本研究中，呼吸釋放的CO2被用作測量呼吸微環境中污染物水平的指標.CO2濃度傳感器測量呼吸微環境中的瞬時CO2濃度.傳感器沿三個支架L5、L6、L7分布，見圖2（a）與圖2（b）.這項研究中的呼吸微環境被定義為距離地面1.10 m（胸腔高度）到1.70 m（頭頂高度）高度之間，距受試者前方長度為1.00 m 的矩形區域.測量點a1位于與受試者嘴部水平距離0.20 m處，距地面1.50 m 處（嘴部高度）.測量點b1和c1與測量點a1處于相同的高度，每個距離嘴部的長度分別為0.50 m，0.80 m；測量點a2、b2和c2位于1.70 m 處，測量點a3、b3和c3置于1.50 m 高度處.參照《民用建筑室內熱濕環境評價標準》（GB/T 50785—2012）［18］中對測點分布的要求，室內溫度梯度分布由25 個溫濕度自記儀測量得到，呈梅花形均勻分布在L1、L2、L3、L4、L5上［圖2（b）］，分別位于0.10 m、0.60 m、1.10 m、1.70 m、2.30 m 處，分別表示人體腳踝處、人體膝蓋處、人體坐姿時頭部、人體站姿時頭部以及實驗室頂板底部.

1.2.2 數值模擬

為了將數值模擬結果與實驗數據進行對比，建立與實際測試對象保持一致的模擬模型.計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）廣泛應用于有限空間內氣流場分布特征的研究中［19-20］.本模擬采用基本幾何模型與真人實驗室1∶1 設置.網格通過ICEM 軟件進行劃分.在確定計算所用網格數量之前，對于幾何模型進行網格獨立性檢驗，根據模擬實際情況，劃分1 937 399（網格A）、2 324 634（網格 B），以及5 551 878（網格 C）三種網格規模.經觀察，發現網格A 在人活動區域處的速度模擬不靈敏，而網格B 和網格C 對人活動區域的溫度分布模擬較為準確，且兩種網格數下模擬得到的溫度分布情況重合度高［圖2（c）］，網格B、C 中人活動區域的速度分布在高度為1.5 m 處，較其他區域高，符合 1.5 m處為呼吸高度這一特點，在房間底部和頂部受送排風氣流的影響，其速度較房間中部高，符合流場物理規律（流場符合物理特性是溫度場、濃度場合理的基礎）.考慮計算資源的限制，最終選用網格B 用于本模型計算.送風口為速度入口，進風溫度采用實驗實測溫度（25 ℃）.排風口為壓力出口.嘴、鼻為速度入口，呼吸過程使用正弦函數，呼氣溫度為34 ℃.側墻采用標準無滑移壁面函數.假人體表溫度設置為34 ℃.送風口CO2濃度采用實驗實測數據（440 cm3/m3），嘴部CO2濃度邊界條件為45 000 cm3/m3.頂板和底面溫度設置與實驗數據中的溫度值保持一致.詳細邊界條件見表1.計算過程中采用RNG 湍流模型進行模擬計算.采用SIMPLEC 壓力速度耦合方法和二階迎風空間離散方案求解.首先進行穩態計算，穩態計算達到收斂后，將計算模型設置為非穩態，時間步長為0.01 s，共計算60 s.

表1 CFD邊界條件設置情況Tab.1 Boundary conditions for CFD

1.3 暴露評價指標

將呼吸微環境當作一個整體進行研究，計算每一個實驗工況下呼吸微環境中所有測量點的CO2濃度的平均值，然后對比分析不同通風量下有限空間空氣穩定性對CO2的分布影響情況.計算公式為：

式中：Ci為每個測量點的瞬時CO2濃度，cm3/m3.

對于呼吸微環境中暴露分析，定義個體暴露指數C（personal exposure index）為：

式中：C0為測量點a1的初始CO2濃度（穩定型為487 cm3/m3，不穩定型為453 cm3/m3）.

2 結果與討論

2.1 有限空間空氣穩定性對污染物濃度的影響

圖3 中顯示了當通風量為326 m3/h、269 m3/h 時的穩定型與不穩定型下呼吸微環境中平均CO2濃度隨時間的變化情況.從圖中可以看出，無論何種通風量，穩定型中的CO2濃度始終處于較高的水平（800～950 cm3/m3），CO2在不穩定型中的濃度相對來說較低，維持在550～700 cm3/m3.這說明在穩定型工況下，污染物更容易在呼吸微環境中堆積.

圖3 呼吸微環境中的平均CO2濃度隨時間分布情況Fig.3 Average CO2 concentration in the breathing microenvironment under different conditions

在污染物釋放階段，當通風量從269 m3/h 增加到326 m3/h后，穩定型中呼吸微環境中的CO2濃度幾乎無變化，仍維持在800～950 cm3/m3.在不穩定型中，通風量為269 m3/h 下呼吸微環境中的平均CO2濃度略高于其在通風量為326 m3/h 時的濃度.而在污染物衰減階段，無論是穩定型還是不穩定型，當通風量為326 m3/h時，呼吸微環境中的CO2濃度總是低于通風量為269 m3/h 的情況，這說明改變通風量會顯著影響污染物衰減階段時的呼吸微環境中的CO2濃度，通風量增加會使呼吸微環境中的CO2濃度降低.具體地，在第 60 min 時，由于通風量的增加，穩定型中污染物濃度降低了8.5%，在不穩定型中，污染物濃度降低了6%.在相同通風量下，不穩定型中污染物濃度較穩定型中污染物濃度低13%～15%.

2.2 個體暴露指數分布情況

以通風量為269 m3/h 為例，對穩定型和不穩定型實驗中受試者的暴露情況進行分析.選取有受試者參與的污染物釋放階段作為研究對象.

圖4 給出了在雙人交互呼吸實驗過程中，呼吸微環境中的個體暴露指數在不同測量點隨時間分布曲線.從總體上看，穩定型中的個體暴露指數一直高于不穩定型中的個體暴露指數.這是因為穩定型中由于熱力分層的封鎖作用導致污染物滯留在呼吸微環境中不易消散，所以使個體暴露水平停留在一個較高的水平.相反，在不穩定型中，呼氣氣流與周圍空氣之間的摻混作用很強烈，導致呼吸微環境中的湍流程度增加，擴大了污染物擴散范圍，導致呼吸微環境中污染物含量減小，降低了在不穩定型環境中的個體暴露指數，從而減小感染風險.為了減少呼吸氣流對暴露指數分析的影響，選取呼吸微環境中部區域b1、b2兩點進行分析.在b1點處，穩定型中的個體暴露指數在0.4～0.9 之間波動，在b2點處，個體暴露指數最大值也達到了0.4～0.6，然而在不穩定型中，b1、b2兩點處的個體暴露指數在0.2～0.4 區間內緩慢上升，感染風險降低40%～54%.這說明不穩定型能有效排除污染物，降低感染風險.

圖4 雙人實驗時穩定型和不穩定型中個體暴露指數在不同測量點處隨時間的分布（Q=269 m3/h）Fig.4 Variation of exposure index with time under stable and unstable conditions（Q=269 m3/h）

個體暴露指數在每個監測點處的分布都顯示出周期性波動，此波動與人體呼吸正弦規律保持一致，尤其在穩定型中，絕大部分測量點都能觀察到這一現象.這是由于呼氣過程產生大量CO2，在這個過程中，個體暴露指數會隨CO2濃度的增加而達到峰值，由于受試者的吸氣作用，以及呼出氣流與周圍環境的卷吸作用，呼吸微環境中的CO2濃度顯著下降.個體暴露指數的分布隨著呼吸的進行周期循環.但是在不穩定型中，由于周圍空氣的強對流作用，呼出氣流與周圍環境的摻混作用劇烈，呼出氣流在呼吸微環境中很難維持原有運動狀態，所以個體暴露指數振動幅度隨著與受試者距離的增大而大幅減小.

在30 min 的暴露過程中，在低于呼吸高度的下部微環境中也觀察到了污染物的分布.總的來說，呼吸微環境上部（a2、b2、c2）的個體暴露指數值高于呼吸微環境下部（a3、b3、c3）的數值，并仍然體現出穩定型中的個體暴露水平高于不穩定型中的個體暴露水平這一規律，在穩定型環境中受感染的風險增大.

2.3 數值模擬模型驗證

將模擬所得通風量為326 m3/h 時，不穩定型房間內垂直溫度變化與實驗測量值進行比較，結果如圖5 所示.模擬結果和實驗結果顯示出相似的趨勢，數值結果與實驗結果之間的平均差異為1.01%，因此該模型可用來計算呼吸微環境中的流場和污染物的分布.

圖5 不穩定型中模擬溫度梯度與實際溫度梯度比較Fig.5 Comparison of vertical temperature profile between numerical results and experimental results of the unstable condition

2.4 污染物濃度分布云圖

圖6為穩定型和不穩定型在不同通風量下，z=2 m截面上第50 s時的CO2濃度分布圖.為方便比較不同工況下的濃度分布，對計算結果進行無量綱化，即C=C1/C0，其中C1為計算所得CO2濃度，單位為cm3/m3，C0為呼氣釋放CO2濃度，45 000 cm3/m3.

圖6 截面z=2 m上的污染物濃度分布云圖Fig.6 Distribution of contaminant on cross section of z=2 m

圖6（a）和圖6（b）為通風量為109 m3/h 時的污染物濃度分布云圖.對比穩定型［圖6（a）］和不穩定型［圖6（b）］可以看出，不穩定型中假人之間的呼吸微環境污染物濃度最低，而穩定型中的污染物容易在呼吸微環境積聚.當通風量為326 m3/h 時，不同室內空氣穩定性對污染物分布的影響更加明顯.在z=2 m截面上，穩定型中［圖6（c）］呼吸微環境上部污染物濃度較高.這是由于首先呼出氣流溫度高于呼吸微環境中的環境溫度，所以受浮力影響，熱空氣上升，帶動呼出氣流中的污染物向上升；其次，人體表面熱羽流也會影響呼出氣流的運動狀態；最后實驗所采取的下送上回的通風方式，進風氣流推動呼吸微環境中的污染物向上運動.這個時候呼吸微環境中的感染風險較高.不穩定型工況下［圖6（d）］，假人A與假人B 的呼吸微環境中的污染物含量最小，此時感染風險最低.

對比圖6（a）、圖6（b）和圖6（c）、圖6（d），可以明顯觀察到，增加通風量會導致污染物在不同有限空間空氣穩定性下的擴散范圍增大，原因是通風量提升了室內氣流的混合程度，所以呼出的污染物會隨室內氣流運動，分布范圍更廣，但其仍符合基本有限空間空氣穩定性下污染物分布特征.將本研究中第50 s 的模擬結果與前期研究［21］中不同暴露時間節點相比較，可以發現，穩定型與不穩定型對呼吸過程人員暴露風險的影響與暴露時間長短無關，即穩定型中人員暴露風險總是大于不穩定型中的人員暴露風險.

3 結論

本文基于真人實驗與數值模擬研究了有限空間空氣穩定性對通風房間中人體呼吸微環境中污染物傳播機理及室內人員暴露情況，得到以下結論：

1）在呼吸氣流的初始釋放階段，個體暴露水平主要取決于呼吸活動，通風系統和有限空間空氣穩定性在此期間的影響較小.隨著污染物與污染源距離越遠，有限空間空氣穩定性與通風方式對呼吸微環境中的人員暴露情況的影響越來越重要.

2）在穩定型中，呼出的污染物更傾向于沿其原始釋放方向傳播，造成呼吸微環境中污染物堆積.在不穩定型中，除靠近受試者位置暴露量較大以外，呼吸微環境中其余各測試點處的個體暴露指數都很小.與穩定型相比，不穩定型在b1，b2點處感染風險減少40%～54%.不穩定型有利于稀釋呼吸微環境中污染物濃度，有效減少個體暴露，這一特點與暴露時間無關.

3）增加通風量可降低污染物衰減階段中污染物濃度.低通風量情況下，有限空間空氣穩定性對室內氣流運動起主導作用；隨著通風量的增大，進風氣流與室內流場摻混程度加大在衰減階段，穩定型、不穩定型中污染物濃度分別減少8.5%、6%.污染物分布仍符合基本有限空間空氣穩定性下污染物分布特征，即不穩定型中呼吸微環境中污染物濃度水平遠低于穩定型中的污染物濃度水平.