針對新型冠狀病毒肺炎的暖通空調系統研究現狀

關航，許鵬，肖桐

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804）

0 引言

自新型冠狀病毒肺炎（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）疫情爆發以來，世界衛生組織（World Health Organization，WHO）及其合作伙伴一直在與中國當局和全球專家合作，以進一步了解該病毒的傳播方式、最易感染人群、臨床疾病譜以及最有效的方法以發現、阻斷和控制人際傳播。通過對采樣病毒的基因組分析發現新冠病毒在傳播過程中發生變異，病毒變異體的傳播性增強，這種傳播能力的增強可能導致感染人數的增加，因此變異體的引入和社區擴散的總體風險被評估為很高/非常高[1-2]。

為了降低傳播風險，減少對醫療系統的壓力，歐洲疾病預防控制中心（European Centre for Disease Prevention and Control，ECDC）提出了4種非藥物干預的預防措施[3]。即封閉空間的病毒傳染源的控制，封閉空間中機械通風（暖通空調系統）和自然通風的工程控制，行政管理措施和個人防護行為。因此，如果采取有效措施，暖通空調（Heating Ventilating and Air Conditioning，HVAC）系統能在控制新冠病毒（SARS-CoV-2）傳播的過程中起良好的輔助作用。

本文從SARS-CoV-2傳播特性出發，研究了暖通空調系統對病毒傳播的影響，從通風系統、室內溫濕度、高效過濾器、空調系統的運行、壓差控制及紫外線殺菌（Ultra Violet Germicidal Irradiation，UVGI）設備6個方面客觀總結了目前國內外學者關于SARS-CoV-2傳播的暖通空調系統研究現狀。

1 病毒傳播特性

根據世界衛生組織（WHO）發布的立場文件，新冠病毒的傳播方式主要是接觸傳播、空氣傳播和糞口傳播。空氣傳播可以分為呼吸道飛沫傳播和氣溶膠傳播[4]。圖1所示為急性傳染病患者產生的飛沫與微粒傳播的空氣動力學[5]。當感染者咳嗽、打噴嚏或大聲說話時，病毒會從感染者的口鼻中的小液滴傳播。這些液體顆粒的大小有所不同，較大的液滴（直徑大于5 nm）在空氣中的停留時間較短，會很快沉降到較近的物體表面或地面[6]，液滴蒸發后形成液滴核或飛沫核（直徑小于5 μm）會在空氣中停留較長時間[7]。雖然有部分研究發現存在潛在的氣溶膠傳播，但一些研究報告中并未在氣溶膠中檢測到病毒。NOORIMOTLAGH等[8]搜集了11項關于SARS-CoV-2在室內空氣環境中傳播機制的實驗性研究，在大部分研究中，在所采集的樣本中檢測到了病毒顆粒，證實了病毒通過空氣傳播的可能性。JAYAWEERA等[9]探討了不同通風條件下，霧滴和氣溶膠在密閉空間（飛機、客車和醫療中心）的傳播感染傾向。TANG等[10]梳理了新冠病毒氣溶膠傳播的科學證據，并根據證據權重對新冠病毒氣溶膠傳播的可能性進行評級，指出新冠病毒的氣溶膠傳播的綜合證據的權重程度為8/9，需高度關注。也有研究指出病毒傳播也與特定場所有關[3]。

圖1 急性感染病患產生的飛沫和微粒傳播的空氣動力學[16]

2 HVAC在病毒傳播中的作用

一些研究探討了暖通空調系統在新冠病毒傳播中的作用。HWANG等[11]研究了韓國首爾的一棟公寓樓發生的集群感染病例之間的流行病學關系，所有感染病例均沿建筑物的兩條垂直線，這些病例之間沒有其他可能的接觸，只有通過浴室中的單個風管進行空氣感染。HORVE等[12]在從多個空氣處理系統的9個不同地點采集的大約25%的樣本中檢測到SARS-CoV-2，結果表明空氣處理器中存在的病毒RNA增加了病毒顆粒進入和在醫院空氣處理系統內移動的可能性。CHIRICO等[13]對比分析了6項關于暖通空調系統在SARS-CoV-2傳播過程中作用研究，其中有4項研究支持病毒粒子通過HVAC擴散。SODIQ等[14]對比了10項在不同國家（主要是中國和美國）研究的關于HVAC在病毒傳播中的影響時，得出暖通空調系統的設計、運行條件和送風/回風點的位置在一定條件下的空間中對有害微生物的傳播、控制或預防起著至關重要的作用。綜上所述，HVAC會影響新冠病毒的傳播。

除了進行病例之間的流行病學關系分析以及病毒采樣檢測外，眾多學者在評估空調系統對病毒傳播風險的影響時會采用數學模型（Wells-Riley模型、優化后的Wells-Riley模型等指數型劑量響應模型和β-泊松分布模型）、數值模擬（CFD）以及數學模型與數值模擬集成3種方法。GUO等[15]將空間流動影響因子方法與Riley模型結合，提出一種計算空間分布感染概率的新方法。BORRO等[16]基于CFD模擬室內環境的傳播風險，表明空氣流量增加時會顯著降低空氣中污染物濃度，但也導致液滴和污染物在空氣中的擴散更快更遠。ANGHEL等[17]基于有限元的CFD模擬方法研究了變風量空調系統下可能的氣溶膠散布以及新冠病毒傳播機制。HO[18]將CFD結果與感染模型相結合以確定空氣溶膠濃度、病毒載量和吸入率等參數變化時感染的概率。

目前通過在暖通空調系統中采取措施來控制室內環境中新冠病毒的感染傳播已經得到了全世界的認可。世界衛生組織以及國務院發布的疫情防控指南中將暖通空調系統可能在病毒傳播過程中起到的作用考慮在內。除此之外，美國采暖、制冷與空調工程師協會（American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）、歐洲暖通空調協會（Federation of European Heating，Ventilation and Air Conditioning Associations，REHVA）以及中國制冷學會針對此方面發布了一些應對新冠疫情空調通風系統運行管理指南。GUO等[19]依據以上組織發布的指南進行了總結與對比，ZHANG等[20]總結了新冠背景下降低病毒傳播風險的空調系統控制策略。

3 關于病毒的HVAC研究現狀

在先前的分析中得出HVAC在控制新冠傳播中起到至關重要的作用，因此有必要采取一些HVAC相關以措施減輕SARS-CoV-2在建筑物中的傳播風險。截至目前，在國際組織發布的疫情防控指南中，將加強通風作為主要的工程控制的建議，輔助以高效過濾器、空調系統的運行策略等手段。在該章節中，主要從通風系統、室內溫濕度控制以及空調系統的運行策略等方面總結了國內外關于新冠病毒的研究現狀。

3.1 通風系統對病毒傳播的影響

利用通風系統控制病毒傳播的機理是稀釋室內的病毒濃度。從工程應用角度而言，室內空氣污染物或病毒的去除效率取決于通風率和氣流模式。

DAI等[21]發現，為了確保感染概率小于1%，每位感染者通風率應至少為100～350 m3/h（暴露0.25 h）或1 200～4 000 m3/h（暴露3 h）。如果感染者和易感者戴著口罩，那么通風率可以分別降低到四分之一。WHO于2021年3月最新發布的《COVID-19背景下改善和確保良好的室內通風的路線》是在對現有文獻進行了范圍審查、并對主要國際公認當局在建筑通風方面的現有指導文件進行了評估后制定的[22]。文件中給出了醫院、公共建筑和住宅建筑下采用自然通風方式和機械通風方式時每人所需的最小通風率，當室內通風率不滿足每人所需的最小通風率要求時，應采取一些輔助手段，具體內容如表1所示。

表1 不同場合及不同通風方式下通風率的要求以及通風率不滿足要求時的補救措施

當采用自然通風方式時，應盡量交叉通風。無法測量通風率時，可以考慮測量空氣中二氧化碳水平，二氧化碳濃度應保持在8×10-4～1×10-3或以下以確保足夠的通風[4]。ASHARE[5]建議將病房內的通風率提高到2～6 ACH，非醫療建筑應保持室外空氣調節閥全開。REHVA[4]建議即使房間內沒人，也需要保持最小的通風率，即0.15 L/(m2·s)。在某些特殊場所，比如醫院病房里，在患者面部上方設置局部排風裝置也會顯著降低病毒的擴散。研究證明局部排風系統能夠在咳嗽事件發生后的第一秒內去除液滴和受污染的空氣[16]。SUN等[32]認為最小通風量或新風要求應隨著距離條件、暴露時間和通風系統的有效性而變化。

通風系統的通風效果除了與通風率有關外，還與室內的氣流組織形式有關。進風口、排風口的位置（相對于室內人員）決定了感染性細胞核的不同循環方式，導致感染的風險顯著增加或降低[18]。世界衛生組織建議，在機械通風系統不允許安裝空氣過濾器的情況下，應考慮在排風口附近的區域設置圍欄，使人或動物距排風口保持至少4 m的距離。如果進風口高于排氣口，則進氣口與排風口應相距至少2 m，如果進風口低于排氣口，則進氣口與排風口應相距至少4 m[23]。

很多學者建議在確保通風率的同時關閉室內空氣再循環[3,24]。此做法雖然對降低病毒傳播有顯著影響，但勢必會造成運行成本的提高。目前可以降低運行成本的措施是加裝余熱回收系統，可將成本降低50%以上[24]。還需要進一步確定不同場合下通風率值以達到控制病毒傳播和控制成本的平衡。

3.2 室內溫濕度狀態對病毒傳播的影響

暖通空調系統旨在控制室內溫濕度狀態，但是病毒在不同溫濕度下的存活率各異。SARS-CoV-2在4 ℃可以存活14 d；在37 ℃持續1 d，在56 ℃持續30 min[4]。隨著溫度的升高，SARS-CoV-2的滅活速率加快。在室溫（24 ℃）下，SARS-CoV-2的半衰期為6.3～18.6 h，但在溫度高達35 ℃時降至1.0～8.9 h[25]。SARS-CoV-2在高相對濕度下迅速喪失了傳染性[23]，這是因為在高濕度條件下，含脂包膜的流動性在低溫下較為穩定，保護了病毒體。低溫和低相對濕度條件有利于某些流感病毒的生存和傳播，并與呼吸道感染的增加有關[26]。溫度或濕度不能與冠狀病毒存活率獨立相關[26]。在典型的室內溫度為21～23 ℃，相對濕度為65%，SARS-CoV-2有很高的病毒穩定性，只有在相對濕度超過80%和溫度高于30 ℃時存活率才受到影響，這樣的溫濕度狀態對于室內環境熱舒適來說是不可接受的[4]。

ASHARE在2020年4月發布的立場文件中鼓勵設計人員將溫度和相對濕度考慮在內，雖然并未對室內溫度和濕度設定點給出明確建議[27]，但在2021年1月發布的《減少空氣傳播感染性氣溶膠接觸的核心建議》[28]中又指出維持空調系統的設計狀態點。有學者建議建議在冬季加濕，因為在非常低的相對濕度（10%～20%）的情況下，鼻粘膜更容易感染病毒[5]。REHVA[4]在指導文件中指出可以考慮在冬季加濕，達到20%～30%，但是在配有集中加濕裝置的系統中，無需改變空調系統的設定點。歐洲疾控中心對此與REHVA的意見相同[3]。AHLAWAT等[29]建議為公共建筑設定40%的最低相對濕度標準。顯然，學者們對于改變室內溫濕度狀態來降低病毒傳播的看法是有很大爭議的。因此，對于是否需要改變溫濕度設定值或者說在滿足人體熱舒適的情況下溫濕度如何影響病毒傳播還有待商榷。

3.3 高效過濾器對病毒傳播的影響

若全空氣系統或者空氣-水系統因為冷卻或加熱能力有限而無法避免集中再循環的情況下，應在在回風系統中更換高效過濾器[24]。ASHRAE建議提高HVAC系統空氣過濾器至MERV-13過濾級別或最高水平。用適合過濾小于0.1 μm顆粒的過濾器過濾內部再循環空氣可以降低單風管系統服務于多個房間的交叉感染風險。過濾病毒含量很低或沒有病毒的外部新鮮空氣（以捕獲污染粒子PM10和PM2.5，這些粒子被認為是病毒的載體）是很有必要的[24]。但是大多數污染粒子已經在過濾器的捕獲范圍內，這意味著標準的室外空氣過濾器為病毒含量很低或認為沒有病毒的室外空氣提供足夠保護，因此室外空氣過濾器無需更換為高效過濾器，按照正常程序維護更換即可[4]。

高效過濾器應設計到暖通空調系統安裝或空氣處理機組中。一般要求過濾器必須有緊密的配合性和適當的密封性，但是即使高效過濾器在尺寸上與現有的空氣管道兼容，也會通過限制有用的氣流，對回流通道引入很大的壓降，因此過濾器更換后應進行泄漏測試[30]。由于需要對HEPA過濾器進行定期更換清潔，因此它們的維護成本很高[24]。筆者建議，應在設計空氣處理機組或者暖通空調系統時將HEPA過濾器與系統的適配性考慮在內。

3.4 空調系統的運行策略對病毒傳播的影響

世界衛生組織建議，當人在建筑物內時，暖通空調系統應在連續運行，并應定期檢查、維護和清潔[18]。歐洲疾病預防控制中心建議，考慮在正常使用時間前后延長空調系統的運行時間[3]。ASHRAE建議在非醫療場所內空調系統應盡可能連續運行[27]。中國疾病預防控制中心發布的《夏季空調運行管理與使用指引》中對不同空調系統形式給出了較為詳細的指導：無論是何種系統形式，都應在每運行2～3 h通風換氣約20～30 min，并加強對空調系統的衛生管理；對于全空氣系統和風機盤管加新風系統，應在每天營業結束后繼續運行一段時間；對于風機盤管加新風系統，新風系統應全天運行；對于分體式空調、無新風的風盤系統或多聯機系統，應在每天使用分體空調前打開門窗通風20～30 min再開啟空調，建議調至最大風量運行5～10 min關閉門窗，分體空調關機后，打開門窗，通風換氣[31]。MARCONE[23]指出在具有風機盤管系統、熱泵或分體式空調系統的建筑物中，應關閉空調系統以防止傳染性病毒從地面飛起，從而增加病毒在空氣中的持久性。若系統無法關閉，應每周清潔過濾器。無論如何，都要經常打開窗戶或采用機械通風系統以確保空氣交換。當空調系統因工作需要不能關閉時，必須選擇恒速模式避免間歇運行，防止感染性核沉積在室內空調機組的過濾器上，然后在風機下次啟動時，病毒又回到空氣中循環。

3.5 壓力控制對病毒傳播的影響

對特殊場所采用壓力控制也是降低新冠病毒傳播的措施。一般免疫力受損的患者住在保護性房間，此時房間應維持正壓，而隔離病房維持負壓。保護性房間和隔離病房都需要設置前廳，作為公共區域和受保護空間之間的額外緩沖區，以防止病原體傳播，為醫院工作人員提供一個使用和移除個人防護設備的場所[5]。MILLER等[32]對特護病房進行實地壓差測量和CFD數值模擬，得出維持隔離空間與外部走廊之間每小時平均壓差（標準差）為-2.3 Pa（0.12 Pa）時，不會發生特護病房內病人之間的傳播或病人到醫護人員的傳播。該研究只對特護病房的壓差設定值進行研究，對于其他保護性房間或者其他醫療場所的壓差設定值還需進一步研究。

3.6 UVGI設備對病毒傳播的影響

紫外線照射可以誘導病毒的DNA或RNA結構發生變化（凋亡），導致其無法復制。許多微生物容易被紫外線滅活，包括細菌、病毒、真菌和孢子。但是紫外線會對人體健康造成威脅，它不會深入穿透人體組織，但它可以穿透眼睛和皮膚的外表面，眼睛最容易受到傷害。因此，國際組織和許多學者建議將UVGI設備用于醫療衛生場所，將其安裝在暖通空調系統的管道中或者放置在房間足夠高的位置，但UVGI設備需要正確安裝、調整和維護[3-4,27]。而在中央暖通空調系統無法增加換氣效率或減少空氣再循環的情況下，獨立的空氣清潔裝置和UVGI設備也可以發揮作用[3]。

5 結論

本文通過對國內外學者關于新冠病毒的暖通空調系統的研究進行對比，發現有明顯證據證明暖通空調系統在病毒傳播過程中起到作用，且這條路線得到了全世界的認可，所以有必要利用空調系統采取一些措施來控制病毒傳播，通過對最近的文獻進行綜述，得出如下結論：

1）應盡量開窗通風，保證充足的室外空氣；在有機械通風系統時，提高換氣次數，醫療場所下建議通風率最低值為2 ACH，非醫療場所下應保持室外空氣調節閥全開或10 L/(s·p)的通風率；還應注意進風口、排風口位置對病毒傳播的影響；

2）將回風系統的空氣過濾器提高至MERV-13過濾級別或最高水平，但要考慮其與現有設備的適配性；建議設計師在設計空氣處理機組和空調系統時考慮HEPA與系統的適配性；

3）空調系統應連續運行，使用后延長使用時間，我國要求系統在每運行2～3 h通風換氣約20～30 min；但有學者表示在具有風機盤管系統或者分體式空調系統的建筑物內，盡量停止運行空調系統；

4）對特殊場所進行壓力控制，保護性房間維持正壓，隔離病房維持負壓（病房與外部走廊之間維持在-2.3 Pa/h）；

5）在醫療衛生場所內使用UVGI設備；筆者建議系統運維人員采用感染數學模型對感染風險進行評估以便為制定HVAC系統運行策略提供參考，以實現降低SARS-CoV-2傳播風險的目的。