吊扇与上层房间紫外线消毒系统（UVGI）的协同作用对隔离病房中生物气溶胶的扩散及灭活效果的影响

《Journal of Building Engineering》：Synergistic effects of ceiling fan coupling with upper-room UVGI on the bioaerosol dispersion and inactivation efficacy in an isolation ward

降低室内生物气溶胶感染风险，顶扇与上室紫外线杀菌协同增效研究。通过CFD模型验证发现，顶扇使气溶胶分布均匀度提升63.9%-26.2%，UV功率增加使灭活率提高17.3%-27.4%。二者协同作用能超过单一措施效果，且能效比提升显著，为隔离病房通风系统优化提供新方案。

　　

黄昌|张远|吴超|胡阳|王菲菲|徐新华

中国武汉华中科技大学环境科学与工程学院，长江流域多媒体污染协同控制湖北省重点实验室，430074

摘要

上层房间杀菌紫外线照射（UR-UVGI）是减少室内活性生物气溶胶的关键技术。本研究通过数值模拟研究了吊扇（CF）与UR-UVGI结合使用对隔离病房内生物气溶胶扩散和灭活效果的协同作用。采用欧拉-拉格朗日方法预测生物气溶胶的扩散情况，并通过实测数据对数值模型进行了验证。随后系统分析了CF和UR-UVGI各自的单独影响及其协同效应。结果表明，CF能够使室内生物气溶胶分布更加均匀。吊扇的位置显著影响了悬浮生物气溶胶的数量，在吊扇位于中间、左侧和右侧的情况下，悬浮生物气溶胶的数量分别减少了63.9%、-26.2%和-12.1%。对于单独使用UR-UVGI的系统，当紫外线灯功率从4瓦增加到32瓦时，悬浮生物气溶胶的数量减少了17.3%至27.4%。当CF和UR-UVGI协同工作时，活性悬浮生物气溶胶的减少幅度大于任一方法单独使用时的效果。此外，由于CF增强了空气混合，消毒效果更加显著。与增加机械通风的送风量（ACH）相比，CF和/或UR-UVGI可以在较低的能量成本下减少室内悬浮生物气溶胶的数量，从而降低感染风险。特别是在高通风率的病房中，CF和UR-UVGI可以协同最大化去除活性空气传播生物气溶胶的效率，这是单纯增加送风量无法实现的。本研究的结果可以为集成CF和UVGI技术的隔离病房通风系统的设计或改造提供有价值的参考。

引言

近年来，开展了大量研究以降低包括SARS-CoV-2、流感和结核病在内的呼吸道传染病的感染风险。这些呼吸道传染病毒主要通过三种途径传播：间接接触、短距离飞沫传播以及通过生物气溶胶的长距离传播[1]、[2]。在没有良好通风的封闭环境中，后者途径可能更为突出[3]、[4]。医院负压隔离病房是治疗感染患者的关键医疗场所，需要一个健康安全的环境。在隔离病房中，患者会产生大量生物气溶胶，这可能增加医护人员（HCWs）的感染风险。因此，寻找有效的缓解策略以降低医护人员接触这些呼吸道传染病毒的风险非常重要。

紫外线杀菌照射（UVGI）起源于20世纪初，可以有效杀菌并消除附着在室内空气中的生物气溶胶上的病原体[5]。UVGI的原理主要是通过光化学反应破坏病原微生物的DNA和RNA等遗传物质，改变细胞的遗传转录特性，导致微生物失去蛋白质合成和复制能力，从而实现微生物灭活。微生物细胞核中的DNA对紫外线的吸收和光化学敏感性主要集中在波长为200～280nm的UVC波段。因此，短波长紫外线被认为是最有效的消毒光谱范围。UVGI技术及相关设备在暖通空调（HVAC）领域具有广泛应用潜力，即供暖、通风和空调[6]、[7]。受COVID-19大流行的推动，预计到2027年，全球紫外线杀菌设备的市场规模将达到91亿美元[5]。

UVGI在HVAC领域的应用主要包括两个方面：管道内UVGI[7]和上层房间UVGI（UR-UVGI）[9]。对于前者，研究人员将紫外线灯放置在空调通风管道中，当空气经过靠近灯管的紫外线照射区域时，空气中的生物气溶胶可以被杀死[5]。然而，由于空气流速相对较高且紫外线灯周围的停留时间较短[10]，管道内UVGI的效率较低[9]。对于UR-UVGI，紫外线灯通常安装在房间的上层空间，以限制紫外线光仅照射上层区域，避免人员暴露[11]、[12]。这样，感染者产生的空气传播生物气溶胶可以被传送到上层紫外线照射区域并被有效杀死。理论上，UR-UVGI可以实现“人机共存”。因此，研究UR-UVGI的性能对于优化和设计用于灭活空气传播生物气溶胶的室内UVGI系统至关重要。

关于UR-UVGI的研究通常通过实验和数值建模进行。首先，在实验室规模或全尺寸设置中进行测量，定量评估UR-UVGI的效率和机制常数（如紫外线敏感性系数eZ值）[13]、[14]、[15]。这些第一手准确的数据有助于研究UR-UVGI，并为开发数值模型提供参考数据库。基于确定eZ值的方法[11]，杨等人[16]在一个配备UR-UVGI的全尺寸实验室内进行了一系列实验，得到了四种常见细菌的eZ值。Nunayon等人[17]通过实验比较了静止式和旋转式UR-UVGI-LED系统对室内细菌气溶胶消毒效果的影响，发现在混合不良条件下旋转式系统的效率明显高于静止式系统，而在混合良好的条件下两者没有显著差异。最近的研究使用222nm远紫外线，探讨了紫外线输出[18]、光源布置[15]、[19]和位置[20]、[21]对UR-UVGI系统消毒细菌和噬菌体效果的影响。这些实验表明，不仅紫外线条件，空气混合也对UV-UVGI的消毒效果至关重要。

作为实验的补充，基于计算流体动力学（CFD）方法的建模在分析室内UR-UVGI系统中变得越来越重要，它依赖于准确预测紫外线照射和生物气溶胶的分布。在预测紫外线照射分布方面，通常使用视场因子方法[22]、[23]和离散坐标模型（DO）[24]、[25]。对于后者，欧拉-欧拉[26]和欧拉-拉格朗日[27]、[28]方法被广泛用于理解生物气溶胶与紫外线照射之间的相互作用。借助数值建模，可以全面评估UR-UVGI系统的性能。研究发现，UR-UVGI的消毒效果主要受应用场景的空间结构[29]、通风策略[30]以及紫外线灯的属性（包括灯的位置[31]和功率[15]、[32]等）的影响。为了提高消毒效果，增加微生物对紫外线照射的暴露剂量非常重要。由于UR-UVGI系统中紫外线照射发生在上层房间区域，因此促进生物气溶胶从下层占用区域传输到上层紫外线照射区域至关重要，这与大规模空气混合密切相关。例如，Noakes等人[30]报告称，占用区域与UR-UVGI区域之间的空气混合是提高UR-UVGI系统效果的关键。Nunayon等人[17]发现，在配备静止式UR-UVGI-LED系统的条件下，改善室内空气混合条件可以提高UR-UVGI的效果。另一方面，室内风扇可以更均匀地分布空气并提高气流速度，从而通过增强热传递创造更凉爽的感觉。最近的研究还发现，吊扇的运行可以通过混合空气来分散局部飞沫，从而大大降低暴露个体的短距离感染风险[33]。然而，在通风不良的环境中，吊扇可能会略微增加远距离暴露。鉴于吊扇促进室内空气和生物气溶胶混合的能力，可以推断它们对UR-UVGI的性能有不可忽视的影响，这需要进一步深入分析。尽管机械通风可以去除空气中的生物气溶胶，但从理论上讲，仅仅增加送风量（ACH）并不能无限减少它们。在高通风率的病房中，CF/UR-UVGI的效益和适用性值得进一步关注。

为解决上述研究空白，本研究旨在探讨吊扇（CF）和上层房间紫外线照射对室内生物气溶胶灭活的耦合效应。为此，首先在单床隔离病房中分别研究了CF布置和UR-UVGI的单独影响，随后分析了CF和UR-UVGI的协同效应，特别关注了紫外线灯功率的影响。本研究的结果可以为集成CF和UVGI技术的室内通风策略的设计或改造提供有价值的参考。

研究方法

研究方法包括两个方面：i）进行实验室规模实验，以获取某些典型微生物的紫外线消毒率，用于模型验证；ii）在有无吊扇的单床隔离病房中数值模拟UVGI的性能，以了解CF和UVGI的协同效应。

UR-UVGI实验和紫外线灭活模型的验证

这里展示了当前实验室规模的实验数据，用于验证UR-UVGI性能的数值模型。图1所示的实验室规模设置使用了约400,000个单元的结构化网格进行离散化。实验和预测中未考虑热传递。其他模型（包括湍流、紫外线分布和紫外线灭活）与2.3.1～2.3.2节中的相同。由于实验中测试了E. Coil的消毒效果，因此使用了eZ值

吊扇对生物气溶胶分布的单独影响

本小节讨论了吊扇（CF）及其位置对生物气溶胶分布和机械通风系统去除效率的影响。图中显示，CF分别安装在隔离病房的左侧、中间和右侧上层区域（见图1(b)）。图7展示了隔离病房两个垂直中心平面上的气流流线。总体而言，使用CF对室内气流模式有显著影响。如图7(a1)和(a2)所示

等效通风性能和能源效率

上述分析表明，使用CF和UR-UVGI对室内活性生物气溶胶的分布和减少有重要影响。图18显示了有无CF和UR-UVGI情况下的η_t。从图中可以看出，当CF位于病房中间时，η_t为64.4%，表明室内悬浮生物气溶胶显著减少。相比之下，当CF位于左侧和右侧时，η_t分别为-26.23%和-12.06%

结论

本研究探讨了CF和/或UR-UVGI对单床隔离病房内活性空气传播生物气溶胶分布和减少效率的协同效应。首先通过实测数据验证了用于预测湍流流动和紫外线灭活性能的数值模型。主要结论如下：

• (1)
  在病房内安装CF可以使生物气溶胶分布更加均匀。特别是CF的安装位置至关重要

作者贡献声明

黄昌：撰写——原始草稿、软件开发、方法论研究。张远：撰写——原始草稿、方法论研究、资金获取。王菲菲：撰写——审稿与编辑、监督、研究、资金获取。徐新华：撰写——审稿与编辑、资金获取。吴超：撰写——审稿与编辑、方法论研究。胡阳：撰写——审稿与编辑、方法论研究

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金（52508117；52378099）和湖北省科技研究项目（2025CSA138）的支持。实验在华中科技大学环境科学与工程学院的环境研究设施公共服务平台上进行，建模则在华中科技大学的高性能计算公共平台上完成