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本研究通过实验与数值模拟，在配备天花板空调和空气净化器的学生办公室中，揭示了室内气流模式对生物气溶胶分布的影响，发现气流循环区域采样浓度显著高于滞留区域，为精准定位采样点及防疫设备布局提供依据。
Sanggwon An|Sangsoo Choi|Gihyeon Yu|Jiwoo Jung|Jungho Hwang
韩国首尔延世大学机械工程学院
摘要
在多用途设施中检测空气中的病原体（生物气溶胶），如细菌和病毒，对于防止空气传播的感染非常重要。为此，需要足够的空气量才能通过聚合酶链反应（PCR）测试来检测病原体。然而，确定在这些设施中应放置空气采样器的位置可能具有挑战性。在这项工作中，我们在一个安装了天花板式空调和空气净化器的学生办公室进行了案例研究，以评估室内气流对空气传播病原体检测能力的影响。我们研究了由感染者产生的唾液飞沫气溶胶的气流模式和轨迹，以估计进入每个空气采样器的飞沫气溶胶数量。气流模式显著影响了飞沫气溶胶的空间分布，从而导致采样结果的显著差异。将空气采样器放置在气流循环区域始终能够获得最高的样本浓度，这表明气溶胶并不是均匀分布在空间中的，而是由于气流的影响而在特定区域积聚。在长期空气采样过程中，感染性生物气溶胶（甲型流感病毒、HCoV-229E和百日咳博德特氏菌）仅在气流循环的区域被PCR测试检测到，而在气流停滞的区域则未被检测到。这些结果表明，气流模式会影响空气中的生物气溶胶分布，从而导致气溶胶在特定区域的积聚。因此，战略性地选择采样位置对于在室内环境中检测空气传播的病原体以及放置缓解设备至关重要。
引言
引起肺炎的细菌（例如肺炎支原体和百日咳博德特氏菌）以及腺病毒、流感病毒和冠状病毒等病毒可以在空气中悬浮并保持活性很长时间。这自然会导致密闭空间内的呼吸道感染风险增加[1]、[2]、[3]、[4]。这些呼吸道微生物主要在感染者咳嗽、打喷嚏、说话或呼吸时释放到空气中[5]、[6]、[7]。然而，微生物在周围空气中会迅速稀释。因此，空气中的微生物浓度（生物气溶胶）极低。尽管如此，在COVID-19大流行之后，监测多用途设施中的这些生物气溶胶引起了广泛关注，因为大约33%–59%的传播是由不咳嗽或不打喷嚏的无症状或前驱症状者引起的[8]。
检测生物气溶胶的第一步是采集足够体积的空气并制备样本悬浮液。这使得可以应用基于液体的检测方法，如实时定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）、核酸检测、免疫测定和细胞培养鉴定。Chia等人（2020年）在一家综合病房的重症监护室（ICU）的三个空气感染隔离室进行了空气采样[4]。每个房间使用了六个NIOSH BC 251采样器（每个采样器的流速为3.5升/分钟），采样时间为4小时。在距离患者1米的三个采样器中检测到了病毒RNA，而在距离2.1米的采样器中未检测到任何病毒RNA。他们的结果是有道理的，因为大多数由病毒源产生的唾液飞沫在没有足够气流的情况下会在距离源1-2米的范围内沉降[9]。
然而，当携带病毒的唾液飞沫遇到顺风时，它们可以从源头传播相当远的距离[10]。Liu等人（2020年）在一个两床病房中使用气溶胶化的枯草芽孢杆菌进行了全尺寸生物气溶胶浓度实验，研究了两种不同的气流模式[11]。他们在病房的不同位置使用了六个Andersen六级采样器。当天花板上的多个进气口相距较远且两侧墙壁上各有两个出气口时，生物气溶胶的分布更为均匀，而当多个进气口彼此靠近且一个侧壁上只有两个出气口时则不然。这一结果意味着生物气溶胶的分布可能因气流而异，正如Luongo等人（2016年）所报告的[12]。Yang等人（2020年）证明，在公交车内，暴露风险因气流方向而显著不同[13]。在他们基于计算流体动力学（CFD）的五种不同通风模式的调查中，他们发现当空气从前部向后部供应时，患者后面的区域感染风险更高；而当空气从侧面供应时，飞沫倾向于悬浮在空气中。Dao和Kim（2022年）使用CFD模拟确定了影响隔离室内多组分咳嗽飞沫传输和蒸发的关键因素[14]。他们分析了出气口位置对隔离室内飞沫清除效率的影响，并提出了一个最佳排气口位置以最大化效率。Park等人（2025年）评估了学校建筑物的通风策略（如通过窗户的自然通风、机械通风和使用空气净化器）对感染概率的影响[15]。他们表明，教室和走廊中的气流管理可以显著降低教室内部和之间的感染风险。Park等人（2025年）研究了私家车内的感染传播，以评估通风风扇和空气净化器对病毒气溶胶去除的效果，并量化和可视化了感染风险模式[16]。他们的CFD结果定量表明，车辆内的气流模式会导致感染风险因位置而异。Choi等人（2026年）表明，病毒气溶胶的分布可能因气流而波动[17]。他们在一名SARS-CoV-2活动感染患者的负压隔离室的两个不同位置采集了空气样本，实验结果显示病毒在通风口附近被检测到，而在地板附近则未检测到。他们还使用CFD预测了这些结果。
在这些研究中，当生物气溶胶的排放源已知且固定时，研究了气流中携带病毒的飞沫的传输[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。然而，在多用途设施中，生物气溶胶的排放源大多是未知的，空气通风可能会影响空气中的病毒检测。例如，Conte等人（2022年）研究了有通风系统的不同社区室内环境中的空气传播SARS-CoV-2 RNA[18]。在有人存在的时间段内收集了59个空气样本，在没有人的情况下收集了23个背景样本。所有收集的空气样本均检测出SARS-CoV-2阴性。Conte等人（2022年）认为通风是降低空气中SARS-CoV-2浓度的重要因素。Dinoi等人（2022年）报告称，与空气传播相关的关键参数取决于多个因素，包括气流的动态。他们认为室内环境的体积和通风情况强烈影响这些环境中SARS-CoV-2 RNA的存在和浓度[19]。
在这项研究中，实验和数值分析都在韩国首尔一所大学的室内空间进行，该空间有十四名研究生。空间内安装了空调和空气净化器。在数值研究中，假设了五个生物气溶胶排放位置。在每个位置，数值计算了飞沫颗粒的气流模式和轨迹，以计算当多个空气采样器位于不同位置时进入每个采样器的飞沫颗粒数量。然后通过空气采样和随后的PCR分析验证了数值计算的结果。为了确保实验的稳健性，进行了长期现场采样。选择的目标呼吸道传染性物种包括腺病毒、星状病毒、轮状病毒、甲型流感病毒、乙型流感病毒、肺炎支原体、百日咳博德特氏菌和肺炎衣原体。
数值计算
数值计算是在韩国首尔延世大学一名研究生的办公室进行的，该办公室安装了天花板式空调和空气净化器。本研究中研究的办公室长度为8,800毫米，宽度为5,150毫米，高度为2,500毫米（图1）。14名学生坐在椅子上的平均高度为1.3米，为了简化模型，他们的嘴巴被建模为矩形（8厘米×2厘米）。
办公室内的气流模式
在假设所有十四名学生都坐在椅子上且五个空气采样器都在各自位置运行的情况下计算了气流模式。这些模式主要受空调和空气净化器产生的气流影响。注意，空调的中心位于（X, Y, Z）=（4.4米，2.6米，2.5米），而空气净化器的中心位于（X, Y, Z）=（4米，3.7米，1米）（见图1）。
结论
在这项研究中，我们强调了采样位置在检测空气传播的呼吸道传染性生物气溶胶中的关键作用。实验和CFD结果都表明，气流模式影响了生物气溶胶的分布。CFD结果显示，一些气流被困在空间内，形成了流速低且流线封闭的区域，而其他气流则发生了循环。因此，位于
环境影响
这项研究表明，气流模式强烈影响生物气溶胶的空间分布，导致它们在气流循环区域积聚，而在停滞区域则稀少。这些由气流驱动的生物气溶胶检测差异通过CFD模拟和现场PCR测量得到了一致验证。这些发现表明，战略性地选择采样位置对于有效的室内空气传播病原体监测至关重要
作者贡献声明
Gihyeon Yu：验证、软件、形式分析。Jiwoo Jung：验证、方法论。Sanggwon An：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、调查、资金获取、概念化。Sangsoo Choi：验证、调查、数据管理。Jungho Hwang：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国卫生福利部通过韩国健康产业发展研究所的韩国式ARPA-H项目（项目编号：RS-2025-25455741）的资助
