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气溶胶传播风险研究 建筑排水系统压力波动与排气扇影响分析
作者：杜迪 | 张敏 | 陆峰 | 李瑞斌 | 吴燕 | 高乃平
同济大学汽车与能源工程学院，中国上海 201804
摘要
SARS-CoV-2 的粪-口传播途径已被证实是多层建筑内交叉感染集群的诱因，主要通过从缺陷排水系统中释放的含病毒气溶胶实现。虽然“烟囱效应”是一个公认的驱动因素，但马桶冲水引起的瞬态压力波动是气溶胶移动的更直接和更强烈的机制。然而，在高峰使用时段，多个公寓同时冲水以及使用浴室排风扇的情况会导致复杂的流动模式，这些模式目前尚未得到充分理解。本研究采用了一个全面的三维计算流体动力学（CFD）框架来分析这些相互作用。该模型结合了多相流的体积法（VOF）和颗粒跟踪的离散相模型（DPM），模拟了一个三层楼的排水系统。我们系统地研究了单层冲水与多层冲水事件、气溶胶释放源的垂直位置以及排风扇运行对楼层排水口产生负压的影响。结果表明，排水系统的压力呈现出动态的“S形”轴向分布，其正负压力区域交替出现，且多层冲水会放大这种效应。在多层冲水情况下，释放源的位置至关重要：其下方的冲水可以促使高达99.8%的颗粒向上移动。关键的是，排风扇的运行方式会对结果产生影响：在单层冲水条件下，排风扇的运行仅会适度增加受正压控制的较低楼层排水口的颗粒泄漏量（最多增加20.9%）；而在多层冲水条件下，上层未冲水的公寓中的排风扇可能会主动吸入由下方冲水产生的气溶胶，导致该公寓内的颗粒泄漏率高达54.4%。本文提出了一种基于颗粒行为的感染风险分类方法（高风险、潜在风险、低风险），并应用于实际分析。研究结果表明，感染风险并非均匀分布，而是高度依赖于特定的行为和系统运行模式。最后，我们提出了紧迫的实际建议：建筑规范应考虑改进较低楼层的排水系统设计；公共卫生指南应明确建议在预测的排水高峰期间避免使用浴室排风扇，以减轻室内空气质量下降和感染控制的隐患。
引言
全球COVID-19大流行由SARS-CoV-2病毒引起，这促使人们重新审视建筑环境中的空气传播途径。除了已知的呼吸道飞沫传播和直接接触传播途径外，大量证据表明还存在粪-口传播的可能性[1,2]。相当比例的患者在粪便中排出活病毒，有时即使呼吸道样本检测结果为阴性也是如此[3,4]。这在多层建筑中引发了严重的垂直传播担忧，因为排水系统可能成为携带病原体的气溶胶的传播通道。
历史上的案例，如香港淘大花园的SARS-CoV-1疫情以及香港、韩国和广州的高层建筑中的多起COVID-19聚集性感染事件，都与排水系统故障有关[5],[6],[7]。主要故障原因是楼层排水口或U形弯头的水封失效，这种水封是分隔室内环境和下水道网络的重要屏障。水封失效可能是由于长时间蒸发，或者更动态地，是由于排水系统内的高压瞬变造成的[8]。
排水系统中气溶胶移动的两个主要物理驱动力是“烟囱效应”（由排水系统内空气与室外环境之间的温度和密度差异引起）和马桶冲水产生的瞬态压力波[9]。“烟囱效应”会导致持续的上行或下行气流[10,11]，研究通常指出这种现象在冬季会增加上层公寓的感染风险[12]。
相比之下，马桶冲水产生的水动力效应会导致快速的高幅度压力波动，这些波动会破坏水封并在短时间内将气溶胶推出。这些被推动的气溶胶的感染风险因其尺寸特性而加剧。例如Gormley等人的实验研究表明，冲水后卫生管道系统中产生的气溶胶颗粒中，超过99.5%的颗粒直径≤5 μm，它们可以在排水管道系统和浴室通风系统中传播数小时[13,14]。因此，了解这些气溶胶在建筑排水系统中的传输动态对于准确评估风险至关重要。尽管已经认识到冲水传播的复杂性，但在实际的多用户条件下，相关研究仍然较少。大多数现有研究（无论是实验性的还是数值模拟的）都简化为单层冲水情况[15,16]。然而，建筑排水系统所承受的水力和气动负荷并非孤立存在；在早晚高峰时段，多个公寓同时冲水是常见现象。这种多层冲水会叠加压力波，形成更复杂且可能更严重的瞬态条件，从而显著改变气溶胶的扩散模式。
此外，人类行为引入了另一个关键变量：浴室排风扇的运行。虽然排风扇旨在去除湿气和异味，但它们会在浴室内部产生局部负压。这种负压可能与排水系统内的压力状态相互作用，抑制或更令人担忧的是，促进气溶胶从排水口流入生活空间[17,18]。多层冲水、病毒源的空间位置（即感染者使用的是哪个公寓的马桶）以及不同公寓中排风扇的运行状态之间的相互作用构成了一个重要的研究空白。理解这些耦合动态对于准确评估风险和制定有效的建筑运行指南至关重要。
为填补这一研究空白，本研究采用了高保真的计算流体动力学（CFD）方法，具体目标如下[19,20]：首先，在单层和多层冲水情况下量化并可视化排水系统内的瞬态压力场；其次，追踪1μm气溶胶颗粒的扩散和命运，这些颗粒代表了可长时间悬浮在空气中、能够深入肺部肺泡区域的可吸入粪源性气溶胶[21]，并在许多关于肠道病毒空气传播的研究中被频繁提及[10],[22],[23],[24],[25]；第三，分析排风扇运行（模拟为对楼层排水口的负压）对非冲水公寓内颗粒泄漏率的影响；最后，将这些发现综合成一种基于颗粒行为的感染风险分类方法，为不同楼层的居民提供参考，从而为公共卫生建议和建筑排水系统设计提供依据。
几何模型
计算域旨在模拟一个常见的单层排水系统的三层楼部分，与用于验证的物理实验装置一致。该系统由一个内径为25毫米（DN25）、总高度为3.40米的垂直聚氯乙烯（PVC）排水管组成。从下到上分别为F1、F2、F3的三层楼，每层都有一条长度为0.65米的水平支管，通过卫生三通将楼层排水口连接到主排水管。
排水系统中的压力瞬变
冲水过程在排水系统内产生高度动态的压力场。图7比较了不同楼层冲水时的压力分布，显示出典型的“S形”轴向压力分布，这与现有文献结果一致。瞬态压力场主要由三种机制控制：进水处的压缩、下落水柱的吸力以及排水系统底部的冲击。
结论总结
这项采用经过验证的CFD模型的数值研究阐明了马桶冲水、排风扇运行与三层建筑排水系统内气溶胶传输动态之间的复杂相互作用。通过对单层和多层冲水情况、气溶胶释放源位置以及排风扇运行的系统研究，得出了几个对公共卫生和建筑设计具有直接意义的关键发现。
CRediT作者贡献声明
杜迪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论、研究、概念构思。
张敏：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、概念构思。
陆峰：撰写 – 审稿与编辑、验证。
李瑞斌：撰写 – 审稿与编辑、方法论。
吴燕：撰写 – 审稿与编辑、监督。
高乃平：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。
