通风模拟可降低传染病风险
通风模拟可降低传染病风险
研究表明，改善室内通风可以大大减少传染病的传播。在经历新冠疫情后，如何让室内空间更安全，减少潜在的疾病传播，成为人们关注的重要议题。本文将从专业角度探讨室内通风与疾病传播的关系，并通过具体数据和模拟实验，为公共场所的通风改进提供科学依据。
背景
室内空间的疾病传播可分为近距离传播和远距离传播。近距离传播是指咳嗽时产生的飞沫可以到达你身上……就像这样。
远距离传播是指悬浮在空气中的细小气溶胶颗粒可能造成感染。
我们必须采取分层方法来防御这两种传播方式。对于近距离传播，口罩和保持社交距离被广泛认为是好的解决方案。对于远距离传播，减少传播的最有效方法是增加通风。
通风有助于减少房间内气溶胶的积聚，从而减少房间内人员的病毒载量，从而降低疾病传播率。
量化通气
通风和室内空气质量通常使用每小时空气变化次数 (ACH) 来测量。
以下是一些最低通风率的 ACH 值示例。
传染病研究表明，ACH 为 5-6 可以显著减少疾病传播。看来我们还需要做一些工作才能使学校教室达到这一水平，办公室、图书馆和博物馆也需要加强通风。
ACH 通常计算如下
ACH=总供气量（立方米/分钟）*60（分钟）/空间体积（立方米）
这种简化的计算充其量只是一个粗略的估计，因为它没有考虑到
- 空气再循环和流动模式
- 循环风扇和过滤器
- 打开窗户或门。
例子
这是一间典型的教室。面积 85.46 平方米（约920平方英尺），天花板高 3.05 米（约10英尺）
典型教室 261.18 立方米（约9200立方英尺）
为了达到 2.73 的 ACH 值，我们需要每分钟为这个房间提供略多于 14.2 立方米（约400立方英尺）的洁净空气。这个 ACH 值低于减少疾病传播的推荐值，但我们将以此为基准。
以下是在基线情景下地面以上 1 米处发生的情况。
距地面 1 米处通风 2 小时，供应量为 12.06 立方米/分钟（约420CFM）。
在上面的模拟中，我们假设房间充满了脏空气（红色）。然后我们开始排出干净的空气（蓝色）。蓝色表示旧空气浓度下降 90%。这有点武断，但它代表了我们可以从模拟中收集到的详细空气交换数据。
这个房间有 2 个实际的供气口和 2 个回气口。ACH 值为 2.73 时，房间内应每 22 分钟左右更换一次新鲜空气。这就是模拟显示的结果。
22 分钟时的基线通气性能
模拟显示，22 分钟后，房间内仍然充满脏空气/陈旧空气。这是因为新鲜空气不会像手工计算所假设的那样取代陈旧空气，而是新鲜洁净的空气与陈旧空气混合。
许多传染病最终都通过悬浮在空气中的气溶胶传播。为了确保室内区域的安全，我们需要将这些气溶胶移出房间并通过过滤器。这意味着将新鲜空气与旧空气混合是不够的。我们真的希望房间里的人只接触新鲜空气。但这需要多长时间？
60分钟后
80分钟后
85分钟后
90分钟后
上面的模拟结果显示，房间内的空气完全更换需要近 90 分钟。当我们启动 HVAC 系统并尝试让这个房间的空气交换率达到 5 ACH 时会发生什么？
在距离地面 1 米处进行通风，持续 2 小时，供应量为 21.74 立方米/分钟（约762CFM）。
45分钟后
55分钟后
在空气供应量大幅增加的情况下，大约 55 分钟后房间内的旧空气就完全清除了。
这些模拟考虑了房间的确切形状以及暖通空调送风和回风的位置和方向。模拟中还可以包括其他通风策略，例如
- 可操作的窗户和门
- 地面或吊扇
- 独立过滤系统
通过计算流体动力学分析，我们可以获得更多数据来评估不同通风策略的益处。