基于自然通风的SARS传播途径的案例研究应用.doc

基于自然通风SARS传播途径案例研究
一、自然通风研究意义和香港淘大花园SARS感染事件概况
建筑节能和改进室内空气品质是建筑可持续发展两大主题。自然通风是实现建筑可持续发展一种重要技术。然而只有较好地控制自然通风,才干使自然通风达到建筑节能和改进室内空气品质双重目。探求自然通风规律及自然通风建筑中污染物传播规律对自然通风系统设计和控制、自然通风技术有效运用以及控制污染物(如含SARS病毒颗粒物)传播具备重要意义。
自然通风虽然是一种经济节能除去污染物手段,然而它受建筑形式、热压、风压、室内外空气热湿状况和污染状况等因素强烈影响。如果对自然通风不加以控制,对它运用也只是有限,有时甚至是有害,例如香港淘大花园SARS感染事件中自然通风成为了SARS传播重要途径。因此研究自然通风规律及自然通风建筑中污染物传播规律对自然通风系统设计和控制、自然通风有效运用及控制对人体有害顺粒物(如含SARS病毒孩粒物)传播具备理论和实际意义。
关于香港淘大花园SARS大规模感染事件中SARS传播途径,众说纷纭,其中存在空气传播途径猜测。针对香港淘大花园SARS病毒颗粒物传播这种复杂特殊问题,本论文对多区气流流动MIX模型作了某些合理和创造性解决,模仿了香港淘大花园E座建筑各公寓SARS病毒颗粒物浓度在SARS爆发期间动态变化以及空气流动状况。将所模仿成果与受感染案例空间分布进行对比发现,淘大花园E座各公寓受感染案例与由MIX模仿成果存在一定相应关系。据此可证明,空气传播是香港淘大花园SARS感染事件中SARS传播重要途径,而风力和热羽作用是引起空气流动诱因。

二、自然通风计算控制方程和多区气流流动MIX模型
由各种模型用来预测建筑自然通风量、渗入风量及气流通过开口或缝隙流向.其中某些模型,如AIOLOS、BREEZE、COMIS、CONTAM、MIX等,属于多区模型,如图1,即一幢建筑由某些通过气流流动途径互相联系区域构成,每个区域代表一种单独房间,流动途径可以是缝隙、开口或风管。

图1. 单区模型与多区模型示意图
针对本次模仿，采用多区气流流动模型MIX模仿在香港淘大花园SARS爆发期间,E座各公寓间SARS病毒传播和SARS颗粒物浓度动态变化。

自然通风量计算控制方程
1.持续性方程
基于流体为持续介质假设和质量守恒定理

由于普通空气在流动过程中密度变化很小,因此上式可简化为

其中m为质量流量,q为体积流量。

2.孔口流量计算方程
孔口流量计算方程事实上是由伯努利方程所得到

3.能量平衡方程
假设建筑内有一热源强度为E热源,系统做功为W,依照能量守恒方程可得

其中ul,u2为点1和2处内能，由于压力能与动能变化相对于内能变化较小,且忽视系统做功和湿度影响，建筑围护构造绝热,因此上式简化为

4.布辛涅斯克(Boussinesq)近似
普通给定参数是温度和热源强度,而密度是未知,因此有必要建立密度和空气温度关系式。对于普通通风分析,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。由于精准模仿空气流动及含病毒颗粒扩散是十分困难,特别对于复杂建筑,因此用MIX模型解决本问题时,作了如下假设:
(1)以携带SARS病毒颗粒物气溶胶作为被动示踪气体。
(2)忽视SARS病毒颗粒物通过墙体、地板、天花板及屋顶渗入传播。
(3)假设室内所有内门是全开且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),即以为热压对SARS传播影响很小。
(5)忽视楼梯间和电梯间SARS垂直方向传播。
(6)假设在模仿时间(即源头病人停留时间)内16层7公寓SARS病毒颗粒物浓度保持恒定,16层7公寓厕所排气扇启动。

三、基于自然通风SARS传播途径研究
3月底,香港淘大花园爆发了ASRS,在不到三个星期时间内,感染病例总数就达到了321例。这些受感染案例分布并不是随机,而是呈现一定规律,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病毒居民在空间和时间上分布

该次SARS爆发事件与天井中空气流动、E座各单元间气流流动及淘大花园周边风环境密切有关。然而在当时热环境与风环境条件下,E座各单元间及天井中究竟存在如何气流流动，SARS病毒究竟如何在E座各单元间、各楼层间进行传播?
调查发现,淘大花园SARS爆发流行也许索引病例是一位住在深圳慢性肾衰患者,于3月14日和19日两次拜访住在淘大花园E座16楼7号公窝弟弟,并在第二次来访时始终呆到20日。该病人因患有痢疾曾多次用过16楼7号公寓厕所,与她接触过弟弟、弟媳以及两名护士都感染上SARS。日后有香港卫生署所做得问卷调查显示,淘大花园SARS病人除了具备发热、头疼等症状外,有66%人有腹泻症状。在这些调查人当中,只有4%人曾接触过SARS病人,8%人在3月17一23日之间去过大陆.由此可见,也许污染源最初是出当前E座16楼7号公寓。据记录分析显示淘大花园E座中大某些居民是在3月19日—20日期间感染SARS。

从图3可看出,在所选取计算时间内,主导风向为东北向、偶尔也浮现北向、东向和东南向风。风速变化很大,并在1.16m/s一6.28m/s之间变化,平均风速为3m/s。室外温度波动范畴为13.8℃一16.5℃,平均温度为15.2℃。

图3.香港启德气象站气象参数分布图

依照香港特别行政区卫生署调查报告显示：(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,各种单元地台排水位之聚水器已干涸多时,丧失了应有阻隔功能,为污水管内气体及液滴提供了出口。当卫生间排气扇启动及厕所门关闭时,液滴将会透过污水管带进浴室内。3月21日,连接8号公寓冲厕水管浮现破损,导致冲厕水供应中断,排水管内污物流动速度有也许减慢,有助于污水管内液滴产生和移动。此外,用水桶冲厕也会增长浴室内液滴产生.化验成果显示在一单位厕盆内发现了冠状病毒。(2)热羽“烟囱效应“:开动排气扇会把浴室内受污染液滴带到天井。这些液滴将会因天井内气流流动而继续移动,直至依附在外墙表面。通过油性液滴测试成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层中奇数层各公寓SARS病毒颗粒物浓度随时间变化状况。该图采用浓度为相对浓度,即以第16层7公寓浓度Co=4286μg/m³为基准浓度,将其她公寓浓度除以Co便得各公寓相对浓度。

图5.E座各区（17一36层中奇数层）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模型作了某些合理解决,模仿了香港淘大花园E座建筑16一36层各公寓SARS病毒颗粒物浓度在SARS爆发期间动态变化。由于SARS病毒颗粒物传播是一种很复杂问题,因此本文在模仿过程中对该问题作了一定简化。依照环境调查成果和模仿成果可得:
（1）在当时气象条件下,SARS传播途径为:在E座16层7公寓浴室中产生大量SARS病毒颗粒通过排气扇或窗户等进入天井;进入天井SARS病毒颗粒通过浮力驱动热羽流在天井中传播,并在排气扇或风力产生负压作用下进入E座7、8公寓各层;进入E座7、8公寓各层SARS病毒颗粒再在风力或机械力作用下,通过各单元间空气流动传播到E座1一6公寓。
（2）由于当时主导风向下,1一4、8公寓处在下风向,而5、6、7公寓处在上风向,但7和8公寓距离污染源近来,因此导致8公寓感染人数最多,7公寓感染人多次之,5和6公寓感染人数至少空间分布。
（3）由各公寓总感染人数与其相对平均浓度之间存在一一相应关系可推测E座SARS爆发时间不也许出当前3月19日21:00至3月20日1:00之间,而也许出当前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病毒通过浮力驱动热羽流在7和8公寓之间天井中传播同步还作水平扩散,因此启动7和8公寓厕所内排气扇或打开开向天井窗户将会加快SARS横向扩散,增长7公寓和8公寓内居民感染风险。

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