060 气流组织形式对室内致病菌传播影响的综合指标评价.doc

气流组织形式对室内致病菌传播影响的综合指标评价天津大学环境学院 丁研 田喆 朱能摘要：本文采用全尺寸气流实验室结合三种风口形式对上送风、侧送风和下送风三种气流组织形式的普通办公环境风速场进行测试，采用不均匀系数、空气特性分布指标ADPI评价不同气流形式下的气流均匀性，用自净时间和换气效率指标对各形式的污染物去除能力进行评价，并用发菌实验模拟办公环境下致病菌携带者在轻微连续咳嗽的状态下产生示踪微生物气溶胶，通过合理的发生系统和采样方法，提出两项生物安全性指标对其他办公位置的浓度影响水平进行评价。通过综合分析比较，下送风气流组织形式对室内环境的传染病防控有较好的效果，而不同的风口形成的送风流态也影响着气流的分布。关键词：气流组织形式；发菌实验；气流均匀性；生物安全性；综合指标评价1. 引言病毒依附于细菌后将以微生物气溶胶的形式在空气中广为传播，而建筑室内环境中的人们则更容易接触和感染病菌1。在当前呼吸道传染病多发，高致死率疾病接连出现的形势下，寻找到可以减少人体患病风险的污染物去除途径具有十分现实的意义。气流组织形式对于室内污染物的分布、扩散有着非常重要的影响。对于具有较大换气次数的生物安全实验室来说，上送下排是最理想的气流组织形式2。然而，如何在换气次数较小的普通室内环境中依靠对致病菌传播过程的实验找到最能满足人体生物安全性的气流组织形式是本文所要探索的问题。2. 实验方法以全尺寸气流实验室作为模拟普通办公环境的实验舱，尺寸为553m（长宽高）。天花板安装两个方形散流器，选择一个作为送风口，另一个做排风口使用，以安装在侧墙上方的单百叶风口作为侧送风形式送风口，以软管连接静压箱的形式配合地板散流器实现下送风的气流组织形式。在空间架设15个测点通过微风速传感器测试房间风速场，并计算不同气流组织形式下的不均匀系数和空气特性分布指标ADPI。房间风速测点的布置位置如图1所示。图1 气流实验室风速测点位置布置示意图为了更好地反映不同气流组织形式对于污染物的去除能力，本文以CO2为示踪气体采用浓度自然降低法通过自净时间和换气效率两项指标对所研究的三种气流组织形式进行评价。发菌实验采用中国科学院菌种保藏中心提供的枯草杆菌（Bacillus subtilis）黑色芽孢变种（菌号ATCC：15442；1.3343）作为示踪微生物。此菌颜色与杂菌差别明显3，其粒径和性状与炭疽杆菌、白喉杆菌等致病菌相似，且对实验人员不会造成伤害。通过喷雾发菌的方法模拟人体以1.5m/s的气流速度轻微连续咳嗽4产生传染性致病菌气溶胶的工况，并通过多点采样的方法以呼吸区某点通风效率和呼吸区安全指数两项指标考察浮游菌对其他办公位置处的浓度影响。发菌实验在气流实验室中进行，如图2所示，发菌源处为致病菌携带者所处的办公区域，采样点5为发菌源后面的采样点，用以评估发菌源周围的示踪微生物浓度，其布置原则是不能正对模拟发菌源的Collison喷雾器喷口。采样点1布置在排风口位置处，用以测量排风口处的示踪微生物浓度。采样点2为正对发菌源的位置点，用以模拟正对致病菌携带者的办公位置。采样点3和采样点4分别是发菌源两边的位置点，用以模拟致病菌携带者左右两侧的办公位置。采样点的高度均为1.11.2米的人体坐姿呼吸区高度处。图2 发菌采样位置示意图3. 实验结果3.1 风速测试及气流均匀性评价3.1.1 不均匀系数不均匀系数包括温度不均匀系数和风速不均匀系数，由于室内温度条件是大多数微生物适宜生长的范围，而局部温度变化不会对菌浓产生影响，故在本文中不予考虑。风速不均匀系数的计算方法如下：（1）求n个测点的算术平均值： (1)（2）均方根偏差： (2)（3）不均匀系数： (3)表1 不同气流形式下的不均匀系数送风形式换气次数不均匀系数上送风n=100.722854侧送风n=101.247242下送风n=100.854085不均匀系数越小，则证明均匀性越好。从测试结果来看，上送风的气流组织形式对于气流的均匀分布具有优势，相比于下送风散流器送风口，上送风散流器送风口更利于气流的均匀分布。而侧送风的气流组织形式尤其是单百叶送风口的侧送风不利于气流的扩散，可见风口对于空气的诱导能力将影响气流形式的好坏。3.1.2 空气特性分布指标空气分布特性指标是基于气流分布房间内的人体热舒适性感觉而提出的，对于本文而言可以从另一个侧面反映各气流组织形式下的气流分布特性。作为冷吹风（感）的指标，美国供暖制冷空调工程师协会定义了有效吹风温度（EDT）。 (4)式中分别为室内某测点的温度和室内平均温度，为室内某测点的风速。由于本文不考虑室内温度影响，因此认为式中项的值为零，即室内温度场已达到均匀分布的程度。则原式变为 (5)EDT用于判断工作区任何一点是否有吹风感。而对整个工作区的气流分布的评价则用空气分布特性指标ADPI（Air Diffusion Performance Index）来判断，ADPI定义为各测点满足EDT和风速要求的点占总点数的百分比。 (6)表2 不同气流形式下的ADPI值送风形式换气次数ADPI上送风n=1053.3%侧送风n=1086.67%下送风n=1073.33%通过测试空气分布特性指标ADPI可以看到，侧送风较好，而上送风较差。逐点观察发现，上送风的不达标测点是由于部分测点风速过小造成的，上送风散流器的位置偏离天花板中心，从而使另一侧的测点平均风速偏小。3.2 浓度测试及污染物去除能力评价3.2.1 自净时间自净时间是评价室内换气效果的重要指标，但常规方法都是依靠粒子计数的方法评价洁净室的换气效果。普通环境的背景粒子浓度过高，常规方法并不适用，而示踪气体所具有的可测性、稳定性和环境中浓度较低的特性恰好弥补了常规方法的不足。因此，本文采用CO2自然衰减法进行测量评价，以开启送排风至达到背景浓度所用的时间作为不同气流组织形式下的自净时间。图3上送风示踪气体浓度自然衰减曲线图4侧送风示踪气体浓度自然衰减曲线图5下送风示踪气体浓度自然衰减曲线表3 不同气流形式下的自净时间送风形式换气次数自净时间上送风n=10900s侧送风n=101290s下送风n=10960s自净时间越短说明室内通风系统排除污染物的能力越强，由于普通环境本身在小换气量的前提下不具有自净能力，所以各气流形式下示踪气体衰减达到背景浓度的时间都很长。然而，横向比较三种气流组织形式可以发现，上送风和下送风的自净时间相当，而侧送风的自净时间较长。3.2.2 换气效率换气效率是评价换气效果优劣的一个重要指标，是气流分布的特性参数。所考察点的换气效果优劣取决于该点的局部平均空气龄。因此换气效率用空气龄定义。换气效率定义为名义通风时间常数和实际房间换气时间的比值。房间平均空气龄： (7)名义时间常数： (8)换气效率： (9)式中：室内平均空气龄，s；室内空气最短滞留时间，s；时刻排风口示踪气体浓度，%；实际房间换气时间，s；换气效率。本文经过对实验数据的多次拟合计算发现，尽管使用EXCEL以高次多项式可以拟合出比较近似的衰减曲线，但所得到的多项式不能够准确地反映实验测试数值，而且计算繁琐。然而以数值积分的思想求解空气龄问题可以充分利用实验的测试数据而且计算简便。将房间平均空气龄的定义式差分离散后，可以得到差分公式如下 (10)式中： 示踪气体浓度衰减至背景浓度的时刻；监测时间间隔，s。表4 不同气流形式下的换气效率送风形式换气次数换气效率上送风n=1055.28%侧送风n=1057.56%下送风n=1049.74%换气效率越大，则室内平均空气龄越小，说明室内空气滞留时间越短，换气效果越好。其范围是01,一般对于混合送风方式，换气效率在50%左右，从结果上看，换气效率均在50%左右，说明各气流形式的混合都比较充分。3.3 发菌实验及生物安全性控制效果评价3.3.1 呼吸区某点通风效率建立呼吸区某点通风效率的指标用以评价各测点的污染物排除能力，该指标值越大说明某测点的污染物排除效果越好。 (11)式中：呼吸区某点通风效率；排风处污染物浓度，cfu/m3；呼吸区某点污染物浓度，cfu/m3；送风污染物浓度，cfu/m3。认为送风洁净的情况下，即当时，简化指标为表5 各采样点呼吸区通风效率采样点2采样点3采样点4采样点5上送风1.671.501.571.14侧送风1.061.561.231.35下送风1.562.292.361.10通过发菌实验的测试结果可知，对于上送风，采样点2即发菌源对面的测点通风效率较高；对于侧送风，发菌源右边的测点通风效率相对较高，对比检查风速场各测点测量值发现发菌源右边的侧送风口风速较左边的风口略大一些；对于下送风，发菌源两边的测点采样点3和采样点4具有最高的通风效率。3.3.2 呼吸区安全指数建立呼吸区安全指数用以评价室内各测点呼吸区范围内的生物安全性，该指标值越小则说明某点呼吸区的生物安全性越高。 (12)式中：呼吸区安全指数；呼吸区污染物浓度，cfu/m3；全室平均污染物浓度，cfu/m3。表6 各采样点呼吸区安全指数采样点2采样点3采样点4采样点5上送风0.790.880.841.16侧送风1.140.780.980.90下送风0.940.640.621.33通过发菌实验的测试结果可知，对于上送风，采样点2即发菌源对面的测点安全性较高；对于侧送风，由于风口平衡性原因，发菌源右边的风口风量较大进而造成右边测点安全性相对较高；对于下送风，发菌源两边的测点采样点3和采样点4具有最高的生物安全性。总体结论与呼吸区某点通风效率指标评价所得到的结论一致。4. 主观分析评价通过气流均匀性、污染物去除能力和生物安全性控制效果三种形式共六项客观评价指标对天花板散流器上送风、单百叶风口侧送风和地板散流器下送风进行了多指标评价分析。然而，每一项指标的侧重点都不相同，如果要得到一个综合评定的结果就需要把各项指标统一在一个数量级水平上进行主观分析。不均匀系数、空气分布特性指标、自净时间和换气效率都是基于空气分布均匀性而出发所建立的评价指标，旨在通过全面稀释通风去除室内空气污染物质。因此首先对这四项指标归纳一个统一的主观评价因素A，以三种形式中的最优值为基线，其他两种形式与其相比得到相应的百分数，数值越大则越好。表7 主观因素A评价指标百分率散流器上送风单百叶风口侧送风散流器下送风100%58%85%53.3%86.67%73.33%100%69.8%93.8%55.28%57.56%49.74%3.0862.7203.019从上表可以看到，依照本文中的主观评价方法，在以气流均匀性为基础的主观评价因素A中，上送风最好，下送风次之，再次是侧送风，与客观评价指标分析结果相合，因此可以认为上送风在气流均匀分布以及全面稀释通风上具有优势。室内生物安全性控制效果评价是本文研究的重点，因此单独将所建立的两项指标归结为主观评价因素B，因素B与因素A转化方法相同，数值越大则越好。表8 主观因素B评价指标百分率散流器上送风单百叶风口侧送风散流器下送风80.3%71.0%100%95.6%92.1%100%1.7591.6312从上表可以看到，依照本研究中的主观评价方法，在以生物安全性为基础的主观评价因素B中，下送风最好，上送风次之，再次是侧送风，与客观评价指标分析结果相合，因此可以认为下送风在控制室内生物污染的角度上具有优势。表9 主观因素综合评价指标百分率散流器上送风单百叶风口侧送风散流器下送风3.0862.7203.0191.7591.6312综合评价4.8454.5055.019 综合所有的六项评价指标，可以从上表中看到下送风的气流组织形式是本文所认为的相对最良好的气流形式。5. 结论本文通过应用不均匀系数、空气特性分布指标ADPI、自净时间、换气效率、呼吸区某点通风效率和呼吸区安全指数等评价指标对天花板散流器上送风、单百叶风口侧送风和地板散流器下送风三种气流组织形式下的气流均匀性、污染物去除能力和生物安全性进行了主客观分析。分析结果表明：（1） 在风口位置设计合理、风口形式具有较好的空气诱导能力的前提下，上送风的气流组织形式在气流分布均匀性上是最好的。（2） 下送风的气流组织形式具有最高的生物污染传播的控制能力。综合各项指标认为下送风气流组织形式相比其他两种气流组织形式是在办公环境坐姿下生物安全性较高的气流组织形式。（3） 气流形式的优劣同样与风口形式有关，单百叶风口侧送风和地板散流器下送风的风口形式都需要进一步的优化。（4） 气流形式的评价指标侧重点各不相同，结合实际情况采用主客观结合的综合指标评价方法可以找到最适合的气流组织形式。本论文受国家科技支撑计划既有建筑综合改造技术集成示范工程资助完成，课题编号2006BAJ03A10。参考文献1 Yan Ding, Zhe Tian, Neng Zhu et al. Measurement and Evaluation of the Indoor Microbe Contamination in Public PlacesJ. Fifth International Workshop On Energy And Environment Of Residential Buildings And Third International Conference On Built Environment And Public Health, VOL I And II, Proceedings, 2009, pp.