交通建筑中新型冠狀病毒的空氣傳播風(fēng)險(xiǎn)與室內(nèi)環(huán)境控制策略
發(fā)表于: 來自:暖通空調(diào)
摘要:對(duì)交通建筑中新型冠狀病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)及防控思路進(jìn)行了梳理,分析了不同類型交通建筑中人員密度變化規(guī)律、感染者比例及通風(fēng)稀釋倍數(shù)?;诟腥靖怕试u(píng)價(jià)模型及安全稀釋倍數(shù)指標(biāo),對(duì)不同類型交通建筑在不同運(yùn)營模式下的室內(nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明,在環(huán)境控制手段良好的前提下,航站樓及火車站的主要旅客停留區(qū)域總體安全,新型冠狀病毒感染的概率較低。提出了基于CO2濃度的室內(nèi)環(huán)境控制策略,建議根據(jù)室內(nèi)CO2濃度適時(shí)調(diào)整通風(fēng)量,以保證室內(nèi)達(dá)到安全水平,為當(dāng)下全國有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)背景下的交通建筑疫情防控提供運(yùn)行指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:新型冠狀病毒 交通建筑 空氣傳播 通風(fēng)稀釋倍數(shù) 感染風(fēng)險(xiǎn)
作者:中國建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司 戎向陽 劉希臣
引言
自2020年1月新型冠狀病毒肺炎(以下簡(jiǎn)稱新冠肺炎)疫情暴發(fā)以來,已在我國及199個(gè)境外國家擴(kuò)散(截至2020年4月21日),在中國上下共同努力下,我國疫情控制形勢(shì)總體向好。但目前全球確診和疑似病例數(shù)還在持續(xù)攀升,截至2020年4月5日全球累計(jì)確診新冠肺炎的患者總數(shù)已超過100萬人。
交通建筑每日存在大量的流動(dòng)性人員,尤其是春運(yùn)、復(fù)工階段,人員密度增大,給新型冠狀病毒(以下簡(jiǎn)稱新冠病毒)的防控提出了更大的挑戰(zhàn)。與2003年的SARS相比,此次疫情具有相同的暴發(fā)時(shí)間及相似的傳播途徑;與此同時(shí),經(jīng)過十多年的高速發(fā)展,我國交通運(yùn)輸行業(yè)的體量遠(yuǎn)超SARS暴發(fā)時(shí)期。其中鐵路客運(yùn)量是2003年的近百倍,航空、公路運(yùn)輸量也實(shí)現(xiàn)了數(shù)十倍的增長,交通建筑的規(guī)模及數(shù)量遠(yuǎn)大于當(dāng)年,因此,目前交通建筑內(nèi)的人員流動(dòng)特性更為復(fù)雜。發(fā)達(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)使得交通建筑的旅客運(yùn)轉(zhuǎn)效率及覆蓋范圍大大提升,因此對(duì)當(dāng)下疫情防控是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
對(duì)于交通建筑,如何進(jìn)行環(huán)境控制并預(yù)測(cè)其內(nèi)部病毒傳播風(fēng)險(xiǎn),是保證旅客健康及建筑安全運(yùn)行的基礎(chǔ),也是當(dāng)下全國有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)背景下的疫情防控重點(diǎn)?;诖耍疚膶?duì)新冠病毒在交通建筑內(nèi)的空氣傳播風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步探討,并提出相應(yīng)的室內(nèi)環(huán)境控制策略,為交通建筑在疫情時(shí)期室內(nèi)環(huán)境運(yùn)行控制提供參考。
1、病毒的空氣傳播途徑
目前,關(guān)于新冠病毒傳播機(jī)理尚待進(jìn)一步明確,但從相關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的文件及報(bào)告中可知,病毒主要依靠飛沫及密切接觸傳播,同時(shí)不排除通過氣溶膠傳播的可能性?!缎滦凸跔畈《痉窝自\療方案(試行第七版)》指出,在相對(duì)封閉的環(huán)境中長時(shí)間暴露于高濃度氣溶膠的情況下,存在經(jīng)氣溶膠傳播的可能。國家衛(wèi)生建康委員會(huì)編制的《新型冠狀病毒傳播途徑與預(yù)防指南》指出,飛沫沉積在物品表面(如桌子或門把手)上,人若觸摸口、鼻或眼睛會(huì)傳染病毒。世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《Report of the WHO-China joint mission on coronavirus disease2019(COVID-19)》指出,新冠病毒在無防護(hù)下可通過飛沫、密切接觸在感染者與被感染者之間傳播。關(guān)于新冠病毒在空氣中的飄浮及存活時(shí)間,歐洲暖通空調(diào)學(xué)會(huì)(REHVA)認(rèn)為,在普通室內(nèi)環(huán)境中病毒的存活時(shí)間可達(dá)3h,并存在氣溶膠長距離傳播的可能性;美國疾病控制與預(yù)防中心(CDC)對(duì)“鉆石公主號(hào)”郵輪進(jìn)行了持續(xù)的觀察與研究,發(fā)現(xiàn)新冠病毒在郵輪船艙中至少存活了17d。
目前全球出現(xiàn)了大量封閉空間傳播新冠病毒的案例,例如山東任城監(jiān)獄,截至2020年2月20日,通過核酸檢測(cè)確定監(jiān)獄內(nèi)確診207人;日本“鉆石公主號(hào)”郵輪,截至2020年3月15日,船上確診病例總數(shù)為712人,累計(jì)死亡6人。這些空間均具有相對(duì)密閉、通風(fēng)換氣不良、病毒傳播面廣的特征,因此可以推測(cè),新冠病毒除通過飛沫和接觸傳播外,存在通過氣溶膠傳播(空氣傳播)的可能性。
綜上所述,雖然關(guān)于新冠病毒的傳播途徑及傳播機(jī)理尚待進(jìn)一步研究明確,但通過各權(quán)威機(jī)構(gòu)及最新研究發(fā)布的病毒傳播途徑和大量封閉空間的傳播案例可知,空氣傳播的風(fēng)險(xiǎn)不能排除。而交通建筑中人員密集,又屬于相對(duì)封閉空間,因此可能存在病毒通過空氣傳播導(dǎo)致人員感染的風(fēng)險(xiǎn)。
2、空氣傳播的防控思路
呼吸道傳染病感染概率與眾多因素有關(guān),如病原體數(shù)量、傳播途徑、接觸時(shí)間及宿主的易感性等,目前針對(duì)傳染的防控主要圍繞這些因素開展。
對(duì)于交通建筑,由于受交通工藝流程的影響,旅客在建筑內(nèi)部的停留時(shí)間無法大幅度縮短,特別是航站樓及火車站,受值機(jī)/檢票、安檢、候機(jī)(車)等眾多環(huán)節(jié)的制約,旅客的在室時(shí)間一般為0.5~1.5h。因此,交通建筑的防控重點(diǎn)是對(duì)病原體數(shù)量的控制,主要有消殺及稀釋2種方法。消殺指采用紫外線、酒精、消毒劑等將病毒殺死,以降低空間中的病毒濃度。該方法主要用于對(duì)固定表面的消殺,實(shí)踐證明行之有效,但對(duì)懸浮于空氣中的病毒的消殺作用并沒有得到充分的實(shí)證,且由此帶來的副作用也難以評(píng)估。通風(fēng)稀釋是一種有效降低室內(nèi)病毒濃度的方法,在抗擊SARS的實(shí)踐中有顯著效果。江億等人認(rèn)為,在絕大多數(shù)情況下,病菌、病毒不會(huì)由室外新風(fēng)帶入,污染源主要是室內(nèi)的患者。因此,可以大量引入室外新風(fēng),稀釋病毒濃度至安全值以下,從而降低其傳播的可能性。
通過以上分析可知,通風(fēng)是降低室內(nèi)病毒濃度經(jīng)濟(jì)、安全、有效的防控手段。因此本文主要從通風(fēng)稀釋的角度對(duì)病毒在交通建筑內(nèi)的傳播風(fēng)險(xiǎn)及防控措施進(jìn)行分析。
3、疫情期客流變化與感染者比例分析
人員密度及感染者比例是影響交通建筑內(nèi)旅客感染風(fēng)險(xiǎn)的2個(gè)重要指標(biāo)。人員密度越大,說明旅客間的距離越近,旅客位于病毒覆蓋范圍的概率就越大,通過飛沫和接觸傳播的風(fēng)險(xiǎn)就越大,高人員密度也會(huì)導(dǎo)致相同通風(fēng)量下的稀釋效果減弱;感染者比例直接決定了病原體數(shù)量,同樣影響相同通風(fēng)量下的稀釋能力。因此,在分析交通建筑感染風(fēng)險(xiǎn)時(shí),首先需要確定這2個(gè)指標(biāo)。
交通建筑中,目前汽車客運(yùn)站及地鐵車站采用即到即走的運(yùn)營方式,旅客在車站內(nèi)的停留時(shí)間較短;而航站樓及鐵路車站是交通建筑中旅客停留時(shí)間較長的2類建筑,旅客與病毒接觸的時(shí)間相對(duì)較長,因此本文選擇航站樓及鐵路車站作為代表性交通建筑進(jìn)行分析。
3.1 人員密度確定
本次疫情暴發(fā)正值我國的春運(yùn)高峰期,受疫情影響,民航、鐵路的旅客發(fā)送量發(fā)生了急劇變化,如圖1,2所示。

圖1 2020年春運(yùn)期間民航每日旅客發(fā)送量

圖2 2020年春運(yùn)期間鐵路每日旅客發(fā)送量
根據(jù)項(xiàng)目組前期的大量實(shí)地調(diào)研及某平臺(tái)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),大型機(jī)場(chǎng)及火車站在不同客流量下的人員密度見表1。
表1 交通建筑典型區(qū)域在不同客流量下的人員密度

3.2 感染者比例確定
目前尚無航站樓及火車站內(nèi)人員感染的報(bào)導(dǎo),但有在交通工具中感染的案例。交通建筑是旅客乘坐交通工具的必經(jīng)之地,從人員構(gòu)成上,除工作人員及接送人員外,交通建筑與交通工具的人員構(gòu)成基本一致,說明在感染比例方面,交通建筑與交通工具具有明顯的相關(guān)性。因此本文將對(duì)交通工具的感染案例及比例進(jìn)行分析,通過相關(guān)性獲得交通建筑的感染者比例。
據(jù)報(bào)道,1月4日至2月11日,我國709個(gè)車船航班確認(rèn)有新冠肺炎患者,其中火車458班次、飛機(jī)137班次。民航方面,發(fā)現(xiàn)有感染者的國內(nèi)航班,其感染人數(shù)均≤2人,按1月23日前交通工具基本滿座(100% 客流量)進(jìn)行測(cè)算,感染者比例小于1.5%;按1 月23 日后平均客座率不足50%進(jìn)行測(cè)算,則感染者比例約為3%。對(duì)于正常國際航班(包機(jī)除外),發(fā)現(xiàn)感染者最多的為莫斯科至上海的SU206H 航班,共7位感染者,此航班全部滿員,感染者的占比約為2.5%。機(jī)場(chǎng)方面,日最多感染航班出現(xiàn)在武漢機(jī)場(chǎng),最多感染航班達(dá)14個(gè)/d(1月21,22日),約占出港航班數(shù)的70%~75%。
通過上述的測(cè)算可知,在已發(fā)現(xiàn)感染人員的航班中,感染者比例均不大于3%,而有感染人員的航班占機(jī)場(chǎng)總航班比例最高為70%~75%。在進(jìn)行航站樓感染者比例確定時(shí),取最不利情況,即認(rèn)為機(jī)場(chǎng)所有的航班中均存在感染人員,且感染者比例為3%,因此從安全的角度,確定航站樓內(nèi)的感染者比例為3%。
鐵路方面,根據(jù)報(bào)道發(fā)現(xiàn)病例的大部分車次中,感染人數(shù)均≤3人,1月23日前列車基本滿座,新冠肺炎感染者比例小于0.5%;23日后,平均客座率不足50%,新冠肺炎感染者比例約為1%;發(fā)現(xiàn)感染者最多的車次為1月22日武昌—汕頭的K799,共發(fā)現(xiàn)5例確診和1例疑似病例,該車次滿員,新冠肺炎感染者比例約為0.5%?;疖囌痉矫?,日最多感染車次出現(xiàn)在武漢站,最多感染車次達(dá)19個(gè)/d(1月20日),約占發(fā)車數(shù)的10%~15%;武昌站、漢口站情況較嚴(yán)重。
采用與航站樓相同的測(cè)算原則,確定火車站內(nèi)感染者比例為1%。
4、各種運(yùn)行模式下感染風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)
4.1 運(yùn)行模式確定
航站樓、火車站的建筑運(yùn)營方式和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式直接影響建筑內(nèi)的通風(fēng)量,最終影響建筑內(nèi)的病毒感染概率。因此,在進(jìn)行感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估前,首先確定交通建筑運(yùn)營方式。
根據(jù)項(xiàng)目組對(duì)大量交通建筑運(yùn)營方式的調(diào)研結(jié)果,將航站樓及火車站歸納為3種可能出現(xiàn)的運(yùn)行場(chǎng)景,并分別稱為正常、通常及非常運(yùn)行工況。
1)正常工況:旅客出入口正常啟閉,建筑整體氣密性較好,滲風(fēng)量較??;空調(diào)系統(tǒng)正常開啟,將新風(fēng)比提高到30%,室內(nèi)溫度達(dá)標(biāo),滿足使用要求。
2)通常工況:部分旅客出入口常開,以滿足安檢要求,滲風(fēng)量較大;空調(diào)系統(tǒng)全回風(fēng)運(yùn)行,新風(fēng)靠室外滲透風(fēng)供給,室內(nèi)溫度基本達(dá)標(biāo)。
3)非常工況:所有出入口全開,利用自然通風(fēng),空調(diào)系統(tǒng)全部停運(yùn),室內(nèi)溫度不保證,該模式也是疫情期間部分交通建筑使用的方式。
4.2 不同運(yùn)行模式下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
4.2.1 評(píng)價(jià)模型
對(duì)不同運(yùn)行模式下的交通建筑室內(nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)過程中,由于旅客空間均為大空間,空調(diào)系統(tǒng)不涉及服務(wù)多房間的問題,因此不考慮回風(fēng)對(duì)病毒傳播的影響。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)采用2個(gè)原則:1)當(dāng)患者呼出的空氣被稀釋10000倍時(shí),認(rèn)為人在該空間中沒有感染風(fēng)險(xiǎn);2)當(dāng)稀釋倍數(shù)小于10000時(shí),則采用江億院士在2020年3月11日“新冠病毒封閉空間傳播規(guī)律研討會(huì)”上提出的感染風(fēng)險(xiǎn)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。
本文采用上述評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)時(shí)作如下假定:
1)區(qū)域內(nèi)任意處被感染的概率相等;
2)病毒濃度即感染者數(shù)量、呼出的病原體數(shù)量在整個(gè)分析時(shí)段內(nèi)穩(wěn)定;
3)忽略病毒在分析時(shí)段內(nèi)的死亡率;
4)忽略通過泄漏、過濾或沉降等方式移出分析區(qū)域或建筑內(nèi)的病毒數(shù)量;
5)人員在空間內(nèi)分布均勻;
6)以空間內(nèi)的平均稀釋倍數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),未考慮通風(fēng)的不均勻性。
4.2.2 評(píng)價(jià)邊界條件
根據(jù)評(píng)價(jià)模型,并在滿足相應(yīng)的假定條件下,通過不同工況下的人均新風(fēng)量、人員密度及停留時(shí)間可測(cè)算出稀釋倍數(shù)及感染概率。分析過程中,采用的邊界條件如下:
1)航站樓(值機(jī)廳、到達(dá)廳、候機(jī)廳)及火車站候車廳的感染者比例根據(jù)上述分析分別確定為3%,1%。
2)人在靜坐時(shí)的呼吸量為0.3m3/h,但考慮到交通建筑中人員基本處于走動(dòng)狀態(tài),評(píng)價(jià)過程中每人的呼吸量取0.4m3/h。
3)對(duì)于正常工況,室內(nèi)新風(fēng)由空調(diào)系統(tǒng)供給,不同區(qū)域的空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量指標(biāo)由大量的設(shè)計(jì)調(diào)研和實(shí)地調(diào)研獲得,根據(jù)此送風(fēng)量指標(biāo)及設(shè)定的30%新風(fēng)比、各客流情況下的人員密度,計(jì)算得出不同區(qū)域的人均新風(fēng)量。
4)對(duì)于通常及非常工況,室內(nèi)新風(fēng)由室外滲透,此時(shí)通過數(shù)值模擬計(jì)算新風(fēng)量,并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證。針對(duì)航站樓的值機(jī)廳、到達(dá)廳、候機(jī)廳及火車站的候車廳分別建立模型,如圖3所示。

圖3 不同類型交通建筑的CFD 模型
4.2.3 結(jié)果分析
根據(jù)實(shí)測(cè)調(diào)研及數(shù)值模擬,得到不同工況下的新風(fēng)量,結(jié)合表1中的人員密度及不同類型建筑內(nèi)的感染者比例,測(cè)算出的不同運(yùn)行工況下的稀釋倍數(shù)及感染概率見表2~4。
表2 正常工況下不同類型交通建筑在不同客流量下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

表3 通常工況下不同類型交通建筑在不同客流量下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

表4 非常工況下不同類型交通建筑在不同客流量下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

5、室內(nèi)環(huán)境運(yùn)行控制參數(shù)
從利用通風(fēng)稀釋控制病毒傳播的角度,只要知道空間內(nèi)的病毒濃度,就可以確定所需的稀釋新風(fēng)量,但目前的技術(shù)手段難以直接獲得空氣中病毒濃度的相關(guān)數(shù)據(jù)。如果從病毒來源看,將CO2濃度作為指導(dǎo)運(yùn)行的控制參數(shù)是可行的,因?yàn)榻煌ńㄖ?nèi)新冠病毒來源于感染者的呼吸,與建筑內(nèi)CO2的來源一致;當(dāng)然將CO2濃度作為控制指標(biāo)的前提是必須知道空間內(nèi)感染者比例,這個(gè)比例無法實(shí)測(cè),只能通過對(duì)疫情變化情況、病毒傳播強(qiáng)度、傳播案例分析得到。
通過對(duì)疫情期間進(jìn)入交通建筑的感染者比例分析,可以初步得到這個(gè)重要數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上,將CO2濃度作為室內(nèi)環(huán)境控制參數(shù)來指導(dǎo)運(yùn)行管理應(yīng)該是一種最具可操作性的方法,這樣可以在保證室內(nèi)安全的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行,減少不必要的能源浪費(fèi)。
如果把“將患者呼出的空氣稀釋10000倍以上”作為環(huán)境安全的控制目標(biāo),同時(shí)結(jié)合室內(nèi)的感染者比例、室外CO2濃度、人員呼出氣體中CO2濃度,通過下式即可測(cè)算出室內(nèi)安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的CO2濃度,當(dāng)實(shí)測(cè)濃度低于該值時(shí)視為室內(nèi)環(huán)境安全。
室內(nèi)安全的CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)由感染者比例及室外CO2濃度決定,其影響關(guān)系如圖4所示。

圖4 室內(nèi)安全狀態(tài)下CO2 濃度變化
實(shí)際運(yùn)行過程中,可采用上述思路結(jié)合疫情變化對(duì)交通建筑內(nèi)的感染者比例進(jìn)行評(píng)估,從而確定合理的CO2濃度控制目標(biāo),并對(duì)典型區(qū)域的CO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),若高于控制指標(biāo),則可加大新風(fēng)量,從而保證室內(nèi)環(huán)境安全。
根據(jù)項(xiàng)目組近幾年對(duì)大量交通建筑的室內(nèi)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果,航站樓中值機(jī)廳、候機(jī)廳、到達(dá)廳及火車站候車廳等區(qū)域的CO2濃度均低于上述安全指標(biāo),說明這些區(qū)域空氣環(huán)境一般均處于安全狀態(tài)。
6、結(jié)論與思考
本文基于江億院士提出的感染概率評(píng)價(jià)模型及稀釋倍數(shù)指標(biāo),對(duì)交通建筑在不同運(yùn)行模式及客流量下新冠病毒的空氣傳播風(fēng)險(xiǎn)與室內(nèi)環(huán)境控制策略進(jìn)行了分析,可以得出以下結(jié)論:
1)在環(huán)境控制手段良好的前提下,航站樓及火車站的主要旅客停留區(qū)域總體是安全的,在這些空間內(nèi)造成新冠病毒感染的概率較低。
2)建筑內(nèi)感染者比例影響室內(nèi)通風(fēng)量的確定,應(yīng)通過對(duì)傳染案例、疫情變化的分析,研究和掌握感染者比例,并根據(jù)此數(shù)據(jù)制定相應(yīng)的室內(nèi)CO2濃度控制目標(biāo),指導(dǎo)運(yùn)行管理。
3)上述研究是基于平均值的旅客空間空氣傳播風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)考慮人員分布和通風(fēng)的不均勻性,對(duì)安檢區(qū)、值機(jī)區(qū)、聯(lián)檢區(qū)、候機(jī)(車)區(qū)等典型區(qū)域進(jìn)行CO2濃度監(jiān)測(cè),適時(shí)調(diào)整通風(fēng)量。
4)采用全面停用空調(diào)系統(tǒng)、所有出入口全開的運(yùn)行方式,不僅室內(nèi)環(huán)境舒適性很差,而且通風(fēng)稀釋效果在某些區(qū)域也有不同程度的下降,因此,這種運(yùn)行方式在供暖季節(jié)是不可取的。
本文的分析結(jié)果是在現(xiàn)有的感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型和通過對(duì)交通工具患者數(shù)量的調(diào)查基礎(chǔ)上得出的,可供當(dāng)前全國有序復(fù)工復(fù)產(chǎn)背景下的交通建筑疫情防控參考。隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累和研究的深入,感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系將不斷完善;進(jìn)入交通建筑的感染者比例與病毒傳播強(qiáng)度、當(dāng)?shù)乜偢腥救丝诒壤戎g的關(guān)系將不斷揭示:這些都有助于準(zhǔn)確制定建筑內(nèi)防止空氣傳播的策略。
?。ㄈ目怯凇杜照{(diào)》2020年第50卷第6期12-18頁)