基于自然通風(fēng)的SARS傳播途徑的案例研究

1、基于自然通風(fēng)的SARS傳播途徑的案例研究一、自然通風(fēng)的研究意義和香港淘大花園SARS感染事件概況建筑節(jié)能和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)是建筑可持續(xù)發(fā)展的兩大主題。自然通風(fēng)是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的一種重要技術(shù)。然而只有很好地控制自然通風(fēng),才能使自然通風(fēng)達(dá)到建筑節(jié)能和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的雙重目的。探求自然通風(fēng)規(guī)律及自然通風(fēng)建筑中的污染物的傳播規(guī)律對自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制、自然通風(fēng)技術(shù)的有效利用以及控制污染物(如含SARS病毒顆粒物)的傳播具有重要意義。 自然通風(fēng)雖然是一種經(jīng)濟(jì)節(jié)能的除去污染物的手段,然而它受建筑形式、熱壓、風(fēng)壓、室內(nèi)外空氣的熱濕狀況和污染情況等因素的強(qiáng)烈影響。如果對自然通風(fēng)不加以控制,對它的利用

2、也只是有限的,有時(shí)甚至是有害的,例如香港淘大花園SARS感染事件中自然通風(fēng)成為了SARS傳播的重要途徑。所以研究自然通風(fēng)規(guī)律及自然通風(fēng)建筑中的污染物的傳播規(guī)律對自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制、自然通風(fēng)的有效利用及控制對人體有害的順粒物(如含SARS病毒孩粒物)的傳播具有理論和實(shí)際意義。 關(guān)于香港淘大花園SARS大規(guī)模感染事件中的SARS傳播途徑,眾說紛紜,其中存在空氣傳播途徑的猜測。針對香港淘大花園SARS病毒顆粒物的傳播這種復(fù)雜的特殊問題,本論文對多區(qū)氣流流動MIX模型作了一些合理和創(chuàng)造性的處理,模擬了香港淘大花園E座建筑各公寓的SARS病毒顆粒物濃度在SARS爆發(fā)期間的動態(tài)變化以及空氣流動情況。

3、將所模擬的結(jié)果與受感染的案例的空間分布進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),淘大花園E座各公寓的受感染的案例與由MIX模擬的結(jié)果存在一定的對應(yīng)關(guān)系。據(jù)此可證實(shí),空氣傳播是香港淘大花園SARS感染事件中SARS傳播的重要途徑,而風(fēng)力和熱羽的作用是引起空氣流動的誘因。二、自然通風(fēng)計(jì)算控制方程和多區(qū)氣流流動MIX模型由多種模型用來預(yù)測建筑的自然通風(fēng)量、滲透風(fēng)量及氣流通過開口或縫隙的流向.其中的一些模型,如AIOLOS、BREEZE、COMIS、CONTAM、MIX等,屬于多區(qū)模型,如圖1,即一幢建筑由一些通過氣流流動路徑相互聯(lián)系的區(qū)域組成,每個區(qū)域代表一個單獨(dú)的房間,流動路徑可以是縫隙、開口或風(fēng)管。 圖1. 單區(qū)模型與多區(qū)

4、模型示意圖針對此次模擬，采用多區(qū)氣流流動模型MIX模擬在香港淘大花園SARS爆發(fā)期間,E座各公寓間的SARS病毒傳播和SARS顆粒物濃度的動態(tài)變化。自然通風(fēng)量計(jì)算控制方程1.連續(xù)性方程基于流體為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)和質(zhì)量守恒定理由于通?？諝庠诹鲃舆^程中密度的變化很小,所以上式可簡化為其中m為質(zhì)量流量,q為體積流量。2.孔口流量計(jì)算方程孔口流量計(jì)算方程實(shí)際上是由伯努利方程所得到的3.能量平衡方程假設(shè)建筑內(nèi)有一熱源強(qiáng)度為E的熱源,系統(tǒng)做功為W,根據(jù)能量守恒方程可得其中ul,u2為點(diǎn)1和2處的內(nèi)能, 由于壓力能與動能的變化相對于內(nèi)能的變化較小,且忽略系統(tǒng)做功和濕度的影響, 建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕熱,所以上式簡化

5、為4.布辛涅斯克(Boussinesq)近似通常給定的參數(shù)是溫度和熱源強(qiáng)度,而密度是未知的,所以有必要建立密度和空氣溫度的關(guān)系式。對于一般通風(fēng)分析,室內(nèi)外密度差小,采用布辛涅斯克近似可得其中Pi, Ti和Po,To分別為室內(nèi)外空氣密度和溫度.采用多區(qū)氣流流動模型MIX。由于精確模擬空氣流動及含病毒顆粒的擴(kuò)散是十分困難的,尤其對于復(fù)雜建筑,所以用MIX模型解決本問題時(shí),作了如下假設(shè):(1)以攜帶SARS病毒顆粒物的氣溶膠作為被動示蹤氣體。 (2)忽略SARS病毒顆粒物通過墻體、地板、天花板及屋頂?shù)臐B透傳播。(3)假設(shè)室內(nèi)所有內(nèi)門是全開的且SARS病毒與室內(nèi)空氣充分混合,即室內(nèi)SARS病毒顆粒物濃

6、度分布均勻。(4)假設(shè)室內(nèi)溫度略高于室外溫度(如0.5)E座(第16層7公寓除外),即認(rèn)為熱壓對SARS傳播的影響很小。(5)忽略樓梯間和電梯間SARS垂直方向的傳播。(6)假設(shè)在模擬時(shí)間(即源頭病人停留的時(shí)間)內(nèi)16層7公寓的SARS病毒顆粒物的濃度保持恒定,16層7公寓廁所的排氣扇開啟。三、基于自然通風(fēng)的SARS傳播途徑的研究 2003年3月底,香港淘大花園爆發(fā)了ASRS,在不到三個星期的時(shí)間內(nèi),感染病例總數(shù)就達(dá)到了321例。這些受感染的案例的分布并不是隨機(jī)的,而是呈現(xiàn)一定的規(guī)律,大多數(shù)案例發(fā)生在某幾幢建筑及某些樓層,如E座建筑,如圖2圖2.香港淘大花園E座感染SARS病毒的居民在空間和時(shí)

7、間上的分布該次SARS爆發(fā)事件與天井中的空氣流動、E座各單元間的氣流流動及淘大花園周圍的風(fēng)環(huán)境密切相關(guān)。然而在當(dāng)時(shí)的熱環(huán)境與風(fēng)環(huán)境條件下,E座各單元間及天井中到底存在怎樣的氣流流動, SARS病毒到底怎樣在E座各單元間、各樓層間進(jìn)行傳播的?調(diào)查發(fā)現(xiàn),淘大花園SARS爆發(fā)流行的可能索引病例是一位住在深圳的慢性腎衰患者,于2003年3月14日和19日兩次拜訪住在淘大花園E座的16樓7號公窩的弟弟,并在第二次來訪時(shí)一直呆到20日。該病人因患有痢疾曾多次用過16樓7號公寓的廁所,與他接觸過的弟弟、弟媳以及兩名護(hù)士都感染上SARS。后來有香港衛(wèi)生署所做得問卷調(diào)查顯示,淘大花園SARS病人除了具有發(fā)燒、頭

8、疼等癥狀外,有66%的人有腹瀉癥狀。在這些調(diào)查的人當(dāng)中,只有4%的人曾接觸過SARS病人,8%的人在2003年3月17一23日之間去過大陸.由此可見,可能污染源最初是出現(xiàn)在E座16樓7號公寓。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示淘大花園E座中的大部分居民是在3月19日20日期間感染SARS。從圖3可看出,在所選擇的計(jì)算時(shí)間內(nèi),主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北向、偶爾也出現(xiàn)北向、東向和東南向風(fēng)。風(fēng)速的變化很大,并在1.16m/s一6.28m/s之間變化,平均風(fēng)速為3m/s。室外溫度的波動范圍為13.8一16.5,平均溫度為15.2。圖3.香港啟德氣象站的氣象參數(shù)分布圖根據(jù)香港特別行政區(qū)衛(wèi)生署的調(diào)查報(bào)告顯示: (1) 污水系統(tǒng):E座4樓

9、有污水道排氣管爆裂,在疾病爆發(fā)期間,多個單元的地臺排水位之聚水器已干涸多時(shí),喪失了應(yīng)有的阻隔功能,為污水管內(nèi)的氣體及液滴提供了出口。當(dāng)衛(wèi)生間的排氣扇啟動及廁所的門關(guān)閉時(shí),液滴將會透過污水管帶進(jìn)浴室內(nèi)。2003年3月21日,連接8號公寓的沖廁水管出現(xiàn)破損,導(dǎo)致沖廁水供應(yīng)中斷,排水管內(nèi)污物的流動速度有可能減慢,有利于污水管內(nèi)液滴的產(chǎn)生和移動。此外,用水桶沖廁也會增加浴室內(nèi)液滴的產(chǎn)生.化驗(yàn)結(jié)果顯示在一單位的廁盆內(nèi)發(fā)現(xiàn)了冠狀病毒。(2)熱羽的“煙囪效應(yīng)“:開動的排氣扇會把浴室內(nèi)受污染的液滴帶到天井。這些液滴將會因天井內(nèi)的氣流流動而繼續(xù)移動,直至依附在外墻表面。通過油性液滴測試的結(jié)果顯示天井內(nèi)有類似“煙

10、囪效應(yīng)”存在,液滴隨“煙霧”上升,并有橫向擴(kuò)散.E座各公寓的SARS病毒顆粒物濃度變化圖5、圖6顯示了E座16層和17一36層中的奇數(shù)層的各公寓的SARS病毒顆粒物的濃度隨時(shí)間的變化情況。該圖采用的濃度為相對濃度,即以第16層7公寓的濃度Co=4286g/m³為基準(zhǔn)濃度,將其他公寓的濃度除以Co便得各公寓的相對濃度。圖5.E座各區(qū)（17一36層中的奇數(shù)層）SARS病毒顆粒物濃度變化分布圖圖6.E座16層各區(qū)SARS病毒顆粒物濃度變化分布圖將MIX模型作了一些合理的處理,模擬了香港淘大花園E座建筑16一36層的各公寓的SARS病毒顆粒物濃度在SARS爆發(fā)期間的動態(tài)變化。由于SARS病毒

11、顆粒物的傳播是一個很復(fù)雜的問題,所以本文在模擬過程中對該問題作了一定的簡化。根據(jù)環(huán)境調(diào)查結(jié)果和模擬結(jié)果可得:（1）在當(dāng)時(shí)的氣象條件下,SARS傳播的路徑為:在E座16層7公寓浴室中產(chǎn)生的大量SARS病毒顆粒通過排氣扇或窗戶等進(jìn)入天井;進(jìn)入天井的SARS病毒顆粒通過浮力驅(qū)動的熱羽流在天井中傳播,并在排氣扇或風(fēng)力產(chǎn)生的負(fù)壓作用下進(jìn)入E座7、8公寓的各層;進(jìn)入E座7、8公寓各層的SARS病毒顆粒再在風(fēng)力或機(jī)械力的作用下,通過各單元間的空氣流動傳播到E座的1一6公寓。（2）由于當(dāng)時(shí)的主導(dǎo)風(fēng)向下,1一4、8公寓處于下風(fēng)向,而5、6、7公寓處于上風(fēng)向,但7和8公寓距離污染源最近,所以造成8公寓感染人數(shù)最多,7公寓感染人數(shù)次之,5和6公寓感染人數(shù)最少的空間分布。（3）由各公寓的總感染人數(shù)與其相對平均濃度之間存在一一對應(yīng)關(guān)系可推測E座SARS爆發(fā)時(shí)間不可能出現(xiàn)在3月19日21:00至3月20日1:00之間