《Building and Environment》：Influence of overhead HVAC and aerosol control strategies on coarse mode particle dispersion and exposure in a full-scale room experiment
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粗颗粒物在室内不同HVAC工况下的传播特性研究。在158m3实验室内模拟会议和教室场景，通过释放7-10μm颗粒和CO?，结合16个粒子计数器和26个CO?传感器，分析加热/冷却/中性送风、20%新风比、HVAC过滤及空气净化器等条件下颗粒空间分布与暴露差异。研究发现中性/冷却送风及PAC运行能有效改善颗粒混合，但导致部分人员暴露增加25%-67%。物理屏障对加热工况下粗颗粒直接传播抑制率达40%，但对冷却工况效果较弱。研究证实单点监测无法准确评估暴露风险，传统通风假设对粗颗粒控制有效性不足。
蔡允恩（Chai Yoon Um）|切尔西·V·普雷布尔（Chelsea V. Preble）|赵浩然（Haoran Zhao）|威廉·W·德尔普（William W. Delp）|托马斯·W·基尔希斯泰特（Thomas W. Kirchstetter）|李嘉宇（Jiayu Li）|斯特凡诺·斯基亚冯（Stefano Schiavon）|布雷特·C·辛格（Brett C. Singer）
美国加州伯克利劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）系统与能源技术分析部门（Systems and Energy Technologies Analysis Department），室内环境小组（Indoor Environment Group），邮编94720
摘要
粗颗粒呼吸气溶胶能够长距离携带病毒负荷，其运动规律与亚微米颗粒有很大不同，但在实际条件下的实验研究仍然有限。为了研究不同混合条件对暴露的影响，我们在劳伦斯伯克利国家实验室的FLEXLAB设施中，一个体积为158立方米的房间里，同时释放了7-10微米的颗粒和二氧化碳（CO?）——后者被用作气体和亚微米颗粒运动的指示物。该房间被设置为会议场景，同时放置了八个加热假人和一名研究人员。通过16个颗粒计数器和22-26个二氧化碳传感器测量了空间内的变化情况。实验条件包括：关闭暖通空调系统（HVAC），或以1000-1060立方米/小时的流量供应中性温度、冷却温度或加热温度的空气；有无20%的室外空气混合；以及是否使用暖通空调过滤系统、便携式空气净化器（PACs），或在扬声器和人员之间设置物理屏障。研究发现，通过中性或冷却的空气供应实现良好混合，或在加热时使用空气净化器，可以在某些位置降低粗颗粒的暴露量，但相比加热时混合不良的情况，会增加四分之一到三分之二假人的暴露量。物理屏障在加热时减少了粗颗粒的直接传播，但在冷却时效果较差。高度的空间变异性表明，单次测量结果无法代表所有人员的暴露情况。假设空气立即混合会高估了暖通空调过滤和上层房间杀菌紫外线消毒对粗颗粒的有效性，因为在大多数情况下，只有相对较少的颗粒能够到达回风格栅或上层房间。
引言
普遍认为，许多传染病是通过呼吸和发声等呼气过程释放的气溶胶在较长距离（>2米）内传播的，这种传播主要发生在封闭环境中[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。一旦气溶胶在室内释放，其扩散受到强制空气系统[[7], [8], [9]]、天花板风扇[[10], [11]]、热源引起的对流[[12], [13]]以及窗户和墙壁附近的热梯度[[14]]等因素的影响。虽然空气中的病毒浓度主要取决于排放量、房间大小以及包括通风和过滤在内的去除过程，但气溶胶中病毒的平衡粒径分布会影响其扩散和去除过程，从而影响暴露风险。
已有研究报道了呼吸、说话、咳嗽、唱歌和演奏管乐器时产生的呼吸气溶胶粒径分布[[15], [16], [17], [18], [19]]。使用Gesundheit-II呼吸气溶胶收集装置[20]的研究发现，呼吸和说话过程中，大于5微米颗粒中存在RNA拷贝，且数量较多[[21], [22], [23], [24]]。其他研究使用NIOSH两级生物气溶胶旋风采样器确定，35-46%的流感病毒RNA与大于4微米的颗粒相关[[25,26]]。虽然最大100微米的颗粒可被吸入，但几十年来一直使用10微米的截断值来制定暴露标准和指南[[27]]，因为这种尺寸的颗粒可以进入气管支气管区域，有些甚至可以到达肺部，这对疾病传播有影响[[28]]。这些研究表明，4-10微米大小的颗粒可能对病毒传播有贡献，不应被忽视。
了解呼出颗粒的传输动力学对于估计感染风险和选择控制措施非常重要。以往的研究主要集中在两种不同类型颗粒的传输和命运上：(1) 直径50-100微米或更大的颗粒，其中大于100微米的颗粒有时被称为“弹道颗粒”[[29]]，其传输受到较高沉降速度的限制；(2) 更小的颗粒，定义为亚微米（<1微米）或细颗粒（<2.5微米或可吸入颗粒（<4微米）），其运动主要受房间气流模式的影响。对于较大的颗粒，主要关注它们在不同呼气过程（包括咳嗽和打喷嚏[[30], [31], [32], [33]]）下的传输距离，以及各种物理控制措施对减少直接传播的有效性[[34], [35], [36], [37], [38], [39]]。研究表明，类似的气体在房间内的停留时间可以通过沉积过程与通风效果竞争[[41]]。AI等人（2020年）[42]指出，小于3-5微米的颗粒可以像气体一样模拟，而大于1微米的颗粒则不然。随着颗粒尺寸的增加，其扩散行为可能开始偏离较小颗粒的情况，因为沉积率急剧上升[[43], [44], [45]]。沉积率可能受到多种因素的影响，包括气流条件、表面积、建筑类型、排放源、人员活动和颗粒粒径分布[[43], [44], [45], [46], [47]]。
计算流体动力学（CFD）模型结合了理论物理属性，用于研究简化房间配置和空气混合条件下不同大小颗粒的行为。这些研究关注影响上层房间杀菌紫外线消毒（UR-GUV）[[48], [49], [50], [51], [52], [53], [54]]或空气净化器（PACs）[[55,56]]对亚微米和粗颗粒效果的气流和混合模式。这类研究需要基于实测数据集进行验证。
使用气体作为细颗粒的替代物，或包括释放亚微米或细颗粒的实验研究，考察了在特定空气分布设计和/或混合条件下的空间变化、污染物暴露和去除效果[[35,39,[57], [58], [59]]。大量研究专注于测量房间通风性能，通过通风效果或混合因素进行表征，但未使用假人或人员[[60], [61], [62]]。一些在小型房间（通常有1-2个加热假人）中进行的研究探讨了空气分布设计和供应空气条件的影响[[58],[63], [64], [65]]。还有一些研究在大型房间或装有8-12个加热元件的房间中使用示踪气体，在实际条件下研究空间变化[[35,39]]。一种使用低成本、快速响应传感器网络的方法已在大型房间和现场演示中应用，以研究空气流动是否有利于UR-GUV有效灭活病原体[[57,66]]。据我们所知，此前没有研究量化过在具有多个模拟人员的全尺寸房间内，任何条件下释放的粗颗粒的时间和空间扩散及混合情况，更不用说比较不同条件和/或处理方法了。
在这项研究中，我们旨在量化暖通空调运行条件、空气净化器和物理屏障对7-10微米粗颗粒在物理上保持距离（>2米）的会议和教室中的扩散和混合的影响。这里，7-10微米颗粒作为足够大的颗粒的替代物，因为它们的沉积率较高，其行为与气体不同，尽管它们的扩散也受到房间内气流模式的影响。本研究通过测量热调节和混合条件如何影响人员对粗颗粒与二氧化碳（CO?）（作为亚微米颗粒的替代物）的暴露情况，填补了现有研究的空白，这是在典型人员密度和暖通空调配置下的全尺寸房间中的研究。我们还评估了这些动态如何影响不同混合条件下的传染性气溶胶控制策略的有效性。我们之前报告了关于热分层、空气净化器和距离对CO?扩散影响的实验结果和分析[[35]]，而本文则关注粗颗粒的动态行为，并与CO?进行了比较。
概述
实验在一个气候控制室中进行，模拟了来自单个扬声器的污染物排放，以研究粗颗粒的扩散和暴露情况。房间配备了顶部空气供应和回风装置，模拟了会议或教室的场景。通过八个加热假人和一名操作气溶胶源的研究人员来模拟人体热羽流。
测量的空气温度和空气速度
图2和图3总结了在所研究的供应空气条件下的垂直温度分布和空气速度。顶部加热导致房间上层温度高于底部三分之二的占用区域。在冷却和中性供应空气温度条件下，房间内的温度在垂直方向上更加均匀。底部三分之二的区域在加热时的空气速度通常较低。
粗颗粒与气体的空间变异性
本研究首次测量了在全尺寸房间内，同时释放的粗颗粒与二氧化碳（作为亚微米颗粒的替代物）的时间和空间扩散情况，房间内有8-9名人员。测量使用了16个颗粒计数器和22-26个二氧化碳监测器，这些设备放置在不同高度和位置。
结论
与之前的实验结果一致，本研究发现，顶部加热导致的不良垂直混合会导致模拟人员暴露的高变异性；研究还发现，粗颗粒的变异性高于气体和小颗粒。使用中性或冷却的空气供应，或在加热时使用空气净化器，可以减少变异性并消除最高的暴露值，但对某些模拟人员来说会导致适度增加。
作者贡献声明
蔡允恩（Chai Yoon Um）：撰写——初稿、审稿和编辑、验证、可视化、方法论、正式分析、数据管理
切尔西·V·普雷布尔（Chelsea V. Preble）：撰写——审稿和编辑、验证、方法论、调查、数据管理、概念化
赵浩然（Haoran Zhao）：撰写——审稿和编辑、验证、方法论、正式分析、数据管理、调查、概念化
威廉·W·德尔普（William W. Delp）：撰写——审稿和编辑、方法论、正式分析、概念化
托马斯·W.
资助
本研究的实验部分得到了美国能源部科学办公室（U.S. Department of Energy Office of Science）的支持，通过国家虚拟生物技术实验室（National Virtual Biotechnology Laboratory）进行，该实验室是由多个能源部国家实验室组成的联盟，专注于应对COVID-19，资金来自《冠状病毒应对、紧急响应和复苏法案》（Coronavirus CARES Act）。FLEXLAB的使用以及手稿的分析和准备得到了能源部能源效率与可再生能源办公室（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）建筑技术办公室（Building Technologies Office）的支持，依据相关合同。
作者贡献声明
蔡允恩（Chai Yoon Um）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、正式分析、数据管理。
切尔西·V·普雷布尔（Chelsea V. Preble）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、调查、数据管理、概念化。
赵浩然（Haoran Zhao）：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、正式分析、数据管理、调查、概念化。
威廉·W·德尔普（William W. Delp）：撰写——审稿与编辑、方法论、正式分析、概念化。
托马斯·W.
