为交通微环境设计并初步实验评估一种个性化的空气净化系统

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Design and preliminary experimental assessment of a personalized air-cleaning system for transport microenvironments

个性化通风系统在交通微环境中通过双气流结构（外层高速环形气流与内层低速旋转气流）形成保护区域，实验显示可降低60%亚微米颗粒和45%超微米颗粒浓度。

　　

L. 斯塔贝尔（L. Stabile）|G. 格罗西（G. Grossi）|E. 卡拉奇（E. Caracci）|F. 阿尔皮诺（F. Arpino）|G. 科特尔莱萨（G. Cortellessa）|G. 布奥纳诺（G. Buonanno）

意大利弗朗切斯科雷地区卡西诺（Cassino）卡西诺与南拉齐奥大学（University of Cassino and Southern Lazio）土木与机械工程系

摘要

保护个人免受交通微环境中环境和呼吸颗粒物的影响是一个重大挑战。因此，能够保护呼吸区域的个性化通风解决方案是一种有前景的缓解策略，尽管其在交通微环境中的有效性在科学文献中仅得到了部分研究。 本文对一种个性化空气净化器进行了初步的数值实验研究，该空气净化器旨在减少交通微环境中亚微米颗粒物（代表交通排放颗粒物）和超微米颗粒物（代表非交通排放颗粒物及呼吸颗粒物）的暴露。所提出的设备基于“专门设计的”无颗粒气流喷射，旨在屏蔽处于固定位置的用户的呼吸区域。计算流体动力学（CFD）模拟被用作设计支持工具，以确定合适的气流喷射配置。随后在原型设备上进行了实验分析，以表征气流模式并解释流动行为。通过测量保护区域内的颗粒数量和PM₁₀浓度，实验评估了该概念的有效性。 实验结果表明，适当的气流喷射速率可以生成一个稳定的保护区域。颗粒浓度测量显示，与周围环境相比，保护区域内亚微米颗粒物减少了高达60%，超微米颗粒物减少了约45%。总体而言，这些结果表明所提出的方法在减少交通微环境中的颗粒暴露方面具有原理验证意义，但仍需进一步开发和定量优化。

引言

交通微环境是污染物暴露的关键场所[[1], [2], [3]]。实际上，乘坐公交车、汽车等出行的人可能会通过窗户（当窗户打开时）、暖通空调系统或车辆泄漏接触到高浓度的有毒气体和颗粒物[4,5]。事实上，即使窗户关闭，也有多项研究指出室内污染物浓度远高于室外[[6], [7], [8], [9]]。这种低效的过滤是一个严重问题，因为城市道路和高速公路属于污染物浓度非常高的室外环境[[10], [11], [12]]。 空气中的颗粒物是车辆排放的主要污染物，对通勤者的健康构成重大威胁[13,14]。特别是亚微米颗粒物（通常以数量浓度衡量）是车辆的主要排放物[15]，而超微米颗粒物（以PM₁₀衡量，即直径小于10微米的颗粒质量浓度）也是非排放污染物，来源于重新悬浮现象[16,17]和制动过程[18,19]。因此，交通微环境中的暴露会显著增加与空气颗粒物相关的健康风险[20]，这使得减少暴露的解决方案变得非常宝贵。 在交通微环境中，另一个健康问题是感染风险，这些风险来自同一空间内感染者释放的携带病毒的呼吸颗粒物（主要是超微米颗粒物）[21,22]。这些微环境是拥挤的空间，且空气供应不足，这就是为什么最近全球多起SARS-CoV-2疫情发生在公交车和其他交通微环境中的原因[[23], [24], [25]]。从环境颗粒物的角度来看，减少暴露于携带病毒的呼吸颗粒物是降低空气传播疾病感染风险的最合适方法[[26], [27], [28]]。 成功减少交通微环境中环境和呼吸颗粒物的暴露并非易事，因为多项研究表明，即使暖通空调系统提供了高空气交换率，室内外的颗粒物浓度比[6,9]（尤其是亚微米颗粒物）以及由呼吸颗粒物引起的感染风险[27,28]也无法得到充分缓解。因此，科学界正试图通过个性化通风解决方案来减少暴露对象的呼吸区域内的暴露[29,30]。目前科学界研究最多的个性化通风解决方案包括空气帘、定向气流喷射和便携式空气净化器[[31], [32], [33]]。 在飞机和长途公交车等交通环境中，位于每个乘客座位上方的可调空气供应喷嘴（称为“气雾器”）是最早且最普遍的个性化通风示例之一。它们允许乘客控制其呼吸区域内的气流方向和强度，从而提高热舒适度，并可能稀释局部排放的污染物。然而，尽管气雾器被广泛使用，但它们并非主要为去除污染物而设计，其在减少空气颗粒物或病原体暴露方面的有效性有限，尤其是在拥挤或通风不良的条件下[[34], [35], [36]]。除了气雾器之外，还有多项研究探索了通过控制和局部化气流模式来改善吸入空气质量的先进个性化通风系统[37]。例如，杨等人[38]评估了一种安装在天花板上的个性化通风系统的性能，强调了其相对于传统混合通风系统在提高吸入空气质量方面的潜力。同样，马霍尔等人[39]提出了一种低混合的共轴喷嘴设计，能够有效输送清洁空气，同时减少热不适和交叉污染。这些系统证明了优化气流方向和速度对于维持用户面部周围稳定、低混合的保护区域的重要性。 便携式空气净化器是能够清除空气中颗粒物的过滤装置；其有效性受流速和过滤效率的影响。由于HEPA过滤器被广泛采用，过滤效率通常很高；然而，要在大型环境中有效减少颗粒物暴露，需要较高的流速。例如，张等人[40]使用流速为100至300 m³ h^-1的便携式净化器来减少公交车内的PM_2.5暴露，实现了40%至70%的减少。然而，如此高的流速也可能给人们带来热不适[41]。其他个性化通风解决方案通过“专门设计”的流速调整来保护个别对象。这类个性化解决方案的设计并不容易，因为空气流与人体之间的相互作用复杂，可能会给用户带来热不适，并导致颗粒物从高浓度房间重新进入受保护微环境（科安达效应[42]）。例如，徐等人[43]证明个人通风可以减少直接从源头流向目标呼吸区域的暴露；然而，它也可能增加由传输和呼出污染物稀释引起的间接暴露。因此，个性化通风系统的设计需要谨慎进行。 虽然已经为室内或办公环境开发了多种个性化通风系统，包括气雾器和天花板安装的扩散器，但仍缺乏针对交通微环境特定限制的专用解决方案。这些空间的特点是可用体积有限、乘客位置固定、气流相互作用复杂以及污染物来源多变，这使得传统的个性化通风方法在保护效率和热舒适度方面都不理想。本研究介绍了一种专为交通应用设计的新型个性化空气净化器，采用双流空气动力学配置，包括一个外部高速环形喷射和一个中心低速旋流喷射。这种配置在用户呼吸区域周围形成了一个流体动力学屏蔽层，减少了颗粒物侵入并防止了热不适，这是文献中尚未报道的方法。

材料与方法

为了开发该扩散器，遵循了三个不同的步骤：a) 使用先进的计算流体动力学（CFD）技术进行扩散器设计；b) 进行实验性气流速度场表征；c) 对设备在减少颗粒物浓度方面的效率进行实验分析。 第2.2节中描述的CFD分析通过复杂的3D瞬态模拟来进行，以支持扩散器内部几何形状的定义。

实验流场特性结果

图4展示了使用第2.3节中描述的5孔数字探头测量的三种测试气流速率配置（C1、C2和C3）的实验平均速度等值线。由于远流区域的流速较低，z方向上的表面扩展范围限制在大约20厘米以内。鉴于探头的分辨率和不确定性，超出选定距离的结果意义不大。我们还注意到，

结论

本文对一种新型个性化空气净化器进行了初步的实验和数值研究，该空气净化器旨在减少交通微环境中亚微米和超微米颗粒物的暴露。该设备通过结合高速环形喷射产生的无颗粒外部屏蔽流和低速旋流喷射产生的无颗粒中心气流供应，来生成一个对应于用户呼吸区域的保护区域。

致谢

本研究在MOST – 可持续移动性中心（MOST – Sustainable Mobility Center）的支持下进行，并获得了欧盟下一代欧盟计划（Next-GenerationEU，项目名称：国家复苏与韧性计划（PNRR）– 任务4，组成部分2，投资1.4，项目编号1033 17/06/2022，CN00000023）的资助。本手稿仅反映作者的观点和意见，欧盟委员会对此不承担责任。

CRediT作者贡献声明

L. 斯塔贝尔（L. Stabile）：撰写——原始草案、方法论、研究。 G. 格罗西（G. Grossi）：撰写——原始草案、验证、方法论、研究。 E. 卡拉奇（E. Caracci）：方法论、研究。 F. 阿尔皮诺（F. Arpino）：撰写——审阅与编辑、监督。 G. 科特尔莱萨（G. Cortellessa）：软件、方法论。 G. 布奥纳诺（G. Buonanno）：撰写——审阅与编辑、项目管理、概念化。