基于自然通风的SARS传播途径的案例研究

基于自然通风的SARS传播途径的案例研究一、自然通风的研究意义和香港淘大花园SARS感染事件概况建筑节能和改善室内空气品质是建筑可持续发展的两大主题。自然通风是实现建筑可持续发展的一种重要技术。然而只有很好地控制自然通风,才能使自然通风达到建筑节能和改善室内空气品质的双重目的。探求自然通风规律及自然通风建筑中的污染物的传播规律对自然通风系统的设计和控制、自然通风技术的有效利用以及控制污染物(如含SARS病毒颗粒物)的传播具有重要意义。自然通风虽然是一种经济节能的除去污染物的手段,然而它受建筑形式、热压、风压、室内外空气的热湿状况和污染情况等因素的强烈影响。如果对自然通风不加以控制,对它的利用也只是有限的,有时甚至是有害的,例如香港淘大花园SARS感染事件中自然通风成为了SARS传播的重要途径。所以研究自然通风规律及自然通风建筑中的污染物的传播规律对自然通风系统的设计和控制、自然通风的有效利用及控制对人体有害的顺粒物(如含SARS病毒孩粒物)的传播具有理论和实际意义。关于香港淘大花园SARS大规模感染事件中的SARS传播途径,众说纷纭,其中存在空气传播途径的猜测。针对香港淘大花园SARS病毒颗粒物的传播这种复杂的特殊问题,本论文对多区气流流动MIX模型作了一些合理和创造性的处理,模拟了香港淘大花园E座建筑各公寓的SARS病毒颗粒物浓度在SARS爆发期间的动态变化以及空气流动情况。将所模拟的结果与受感染的案例的空间分布进行对比发现,淘大花园E座各公寓的受感染的案例与由MIX模拟的结果存在一定的对应关系。据此可证实,空气传播是香港淘大花园SARS感染事件中SARS传播的重要途径,而风力和热羽的作用是引起空气流动的诱因。二、自然通风计算控制方程和多区气流流动MIX模型由多种模型用来预测建筑的自然通风量、渗透风量及气流通过开口或缝隙的流向.其中的一些模型,如AIOLOS、BREEZE、COMIS、CONTAM、MIX等,属于多区模型,如图1,即一幢建筑由一些通过气流流动路径相互联系的区域组成,每个区域代表一个单独的房间,流动路径可以是缝隙、开口或风管。图1.单区模型与多区模型示意图针对此次模拟，采用多区气流流动模型MIX模拟在香港淘大花园SARS爆发期间,E座各公寓间的SARS病毒传播和SARS颗粒物浓度的动态变化。自然通风量计算控制方程1.连续性方程基于流体为连续介质的假设和质量守恒定理由于通常空气在流动过程中密度的变化很小,所以上式可简化为其中m为质量流量,q为体积流量。2.孔口流量计算方程孔口流量计算方程实际上是由伯努利方程所得到的3.能量平衡方程假设建筑内有一热源强度为E的热源,系统做功为W,根据能量守恒方程可得其中ul,u2为点1和2处的内能,由于压力能与动能的变化相对于内能的变化较小,且忽略系统做功和湿度的影响,建筑的围护结构绝热,所以上式简化为4.布辛涅斯克(Boussinesq)近似通常给定的参数是温度和热源强度,而密度是未知的,所以有必要建立密度和空气温度的关系式。对于一般通风分析,室内外密度差小,采用布辛涅斯克近似可得其中Pi,Ti和Po,To分别为室内外空气密度和温度.采用多区气流流动模型MIX。由于精确模拟空气流动及含病毒颗粒的扩散是十分困难的,尤其对于复杂建筑,所以用MIX模型解决本问题时,作了如下假设:(1)以携带SARS病毒颗粒物的气溶胶作为被动示踪气体。(2)忽略SARS病毒颗粒物通过墙体、地板、天花板及屋顶的渗透传播。(3)假设室内所有内门是全开的且SARS病毒与室内空气充分混合,即室内SARS病毒颗粒物浓度分布均匀。(4)假设室内温度略高于室外温度(如0.5℃)E座(第16层7公寓除外),即认为热压对SARS传播的影响很小。(5)忽略楼梯间和电梯间SARS垂直方向的传播。(6)假设在模拟时间(即源头病人停留的时间)内16层7公寓的SARS病毒颗粒物的浓度保持恒定,16层7公寓厕所的排气扇开启。三、基于自然通风的SARS传播途径的研究2003年3月底,香港淘大花园爆发了ASRS,在不到三个星期的时间内,感染病例总数就达到了321例。这些受感染的案例的分布并不是随机的,而是呈现一定的规律,大多数案例发生在某几幢建筑及某些楼层,如E座建筑,如图2图2.香港淘大花园E座感染SARS病毒的居民在空间和时间上的分布该次SARS爆发事件与天井中的空气流动、E座各单元间的气流流动及淘大花园周围的风环境密切相关。然而在当时的热环境与风环境条件下,E座各单元间及天井中到底存在怎样的气流流动,SARS病毒到底怎样在E座各单元间、各楼层间进行传播的?调查发现,淘大花园SARS爆发流行的可能索引病例是一位住在深圳的慢性肾衰患者,于2003年3月14日和19日两次拜访住在淘大花园E座的16楼7号公窝的弟弟,并在第二次来访时一直呆到20日。该病人因患有痢疾曾多次用过16楼7号公寓的厕所,与他接触过的弟弟、弟媳以及两名护士都感染上SARS。后来有香港卫生署所做得问卷调查显示,淘大花园SARS病人除了具有发烧、头疼等症状外,有66%的人有腹泻症状。在这些调查的人当中,只有4%的人曾接触过SARS病人,8%的人在2003年3月17一23日之间去过大陆.由此可见,可能污染源最初是出现在E座16楼7号公寓。据统计分析显示淘大花园E座中的大部分居民是在3月19日—20日期间感染SARS。从图3可看出,在所选择的计算时间内,主导风向为东北向、偶尔也出现北向、东向和东南向风。风速的变化很大,并在1.16m/s一6.28m/s之间变化,平均风速为3m/s。室外温度的波动范围为13.8℃一16.5℃,平均温度为15.2℃。图3.香港启德气象站的气象参数分布图根据香港特别行政区卫生署的调查报告显示:(1)污水系统:E座4楼有污水道排气管爆裂,在疾病爆发期间,多个单元的地台排水位之聚水器已干涸多时,丧失了应有的阻隔功能,为污水管内的气体及液滴提供了出口。当卫生间的排气扇启动及厕所的门关闭时,液滴将会透过污水管带进浴室内。2003年3月21日,连接8号公寓的冲厕水管出现破损,导致冲厕水供应中断,排水管内污物的流动速度有可能减慢,有利于污水管内液滴的产生和移动。此外,用水桶冲厕也会增加浴室内液滴的产生.化验结果显示在一单位的厕盆内发现了冠状病毒。(2)热羽的“烟囱效应“:开动的排气扇会把浴室内受污染的液滴带到天井。这些液滴将会因天井内的气流流动而继续移动,直至依附在外墙表面。通过油性液滴测试的结果显示天井内有类似“烟囱效应”存在,液滴随“烟雾”上升,并有横向扩散.E座各公寓的SARS病毒颗粒物浓度变化图5、图6显示了E座16层和17一36层中的奇数层的各公寓的SARS病毒颗粒物的浓度随时间的变化情况。该图采用的浓度为相对浓度,即以第16层7公寓的浓度Co=4286μg/m³为基准浓度,将其他公寓的浓度除以Co便得各公寓的相对浓度。图5.E座各区（17一36层中的奇数层）SARS病毒颗粒物浓度变化分布图图6.E座16层各区SARS病毒颗粒物浓度变化分布图将MIX模型作了一些合理的处理,模拟了香港淘大花园E座建筑16一36层的各公寓的SARS病毒颗粒物浓度在SARS爆发期间的动态变化。由于SARS病毒颗粒物的传播是一个很复杂的问题,所以本文在模拟过程中对该问题作了一定的简化。根据环境调查结果和模拟结果可得:（1）在当时的气象条件下,SARS传播的路径为:在E座16层7公寓浴室中产生的大量SARS病毒颗粒通过排气扇或窗户等进入天井;进入天井的SARS病毒颗粒通过浮力驱动的热羽流在天井中传播,并在排气扇或风力产生的负压作用下进入E座7、8公寓的各层;进入E座7、8公寓各层的SARS病毒颗粒再在风力或机械力的作用下,通过各单元间的空气流动传播到E座的1一6公寓。（2）由于当时的主导风向下,1一4、8公寓处于下风向,而5、6、7公寓处于上风向,但7和8公寓距离污染源最近,所以造成8公寓感染人数最多,7公寓感染人数次之,5和6公寓感染人数最少的空间分布。（3）由各公寓的总感染人数与其相对平均浓度之间存在一一对应关系可推测E座SARS爆发时间不可能出现在3月19日21:00至3月20日1:00之间,而可能出现在3月19日2:000至3月20日8:00或3月19日14:00至3月20日14:00或3月19日8:00至3月20日14:00之间。（4）由于SARS病毒通过浮力驱动的热羽流在7和8公寓之间的天井中传播的同时还作水平扩散,所以启动7和8公寓的厕所内的排气扇或打开开向天井的窗户将会加快SARS的横向扩散,增加7公寓和8公寓内居民的感染风险。.