通风速率对混合通风房间内SARS-CoV-2暴露的影响：短期暴露风险的新见解

《Indoor Environments》：The effect of the ventilation rate on exposure to SARS-CoV-2 in a room with mixing ventilation

　　本研究针对疫情期间普遍建议的“增加通风以降低病毒传播风险”指南，通过计算流体动力学（CFD）模拟，揭示了在混合通风条件下，提高通风速率短期内可能增加近距离暴露风险的意外发现。研究人员系统分析了三种通风速率（0.5 h?1, 2.5 h?1, 5.0 h?1）下咳嗽产生的飞沫传播规律，发现通风速率增加至5 h?1时，5分钟内中位暴露量最高可提升134倍。这一反直觉结论对公共场所通风策略优化具有重要警示意义。

　　

在COVID-19大流行期间，增加室内通风速率被广泛认为是降低病毒传播风险的关键措施。官方指南普遍强调通过引入新鲜空气来稀释和清除空气中的病原体。然而，这些建议大多基于“充分混合”的假设模型，即病毒颗粒能在室内快速均匀分布。但现实情况是否如此？在通风条件改变时，病毒颗粒的传播路径和暴露风险究竟如何变化？这些问题的答案对于制定更精准的防控策略至关重要。

传统观点认为，增加通风总是有利于降低感染风险，但越来越多的研究表明，通风速率与暴露风险之间的关系可能比想象中复杂。特别是在短时间、近距离接触的场景下，增加通风反而可能加速病毒颗粒的扩散，导致暴露风险不降反升。这种反直觉的现象亟待科学验证。

为了深入探究这一问题，英国国防科学技术实验室（Dstl）的研究团队在《Indoor Environments》上发表了最新研究成果。他们采用计算流体动力学（CFD）方法，模拟了在机械通风的会议室环境中，不同通风速率对SARS-CoV-2病毒暴露风险的影响。研究特别关注了短时间尺度（5分钟和30分钟）内，通风条件变化对病毒传播动力学的影响。

研究人员构建了一个13.0米长、7.0米宽、2.6米高的会议室模型，采用混合通风方式，通过八个送风口和四个排风口实现空气循环。研究中设置了三种不同的空气变化率（ACH）：0.5 h^?1（代表住宅典型值）、2.5 h^?1（中间值）和5.0 h^?1（较高通风率）。模型中，咳嗽者位于房间特定位置，面向房间长轴方向咳嗽。

研究采用非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方法模拟空气流动，并通过拉格朗日粒子追踪技术计算飞沫运动轨迹。模型考虑了浮力效应、湍流扩散、飞沫蒸发和沉积等关键物理过程。特别值得一提的是，研究首次引入了两种病毒载量定义方式：基于飞沫体积的病毒浓度（c_V）和基于飞沫表面积的病毒浓度（c_SA），以探讨病毒在不同大小飞沫中的分布假设对结果的影响。

关键技术方法包括：计算流体动力学（CFD）模拟、拉格朗日粒子追踪技术、气溶胶动力学模型、病毒暴露量化方法。研究使用ANSYS Fluent软件进行仿真，通过网格敏感性分析和时间步长验证确保结果可靠性。模型验证基于实验室内示踪气体扩散数据，确保预测准确性。

3.1. 流场分析

结果显示，通风速率的变化不仅改变了气流速度，更显著改变了室内流场结构。在低通风率（0.5 h^?1）条件下，天花板附着的射流未能充分发展，室内下部空气混合效果差。而高通风率（5.0 h^?1）时，气流沿天花板运动后遇墙下冲，形成强烈的混合效应。这种流场结构的质变直接影响了飞沫的传播路径。

3.2. 粒子轨迹

通过分析不同尺寸飞沫的运动轨迹，研究发现小于20微米的小颗粒和20-100微米的中等颗粒受通风速率影响显著。通风速率增加时，这些小颗粒在室内混合更充分，传播范围更广。而大于100微米的大颗粒主要呈弹道运动，基本不受通风条件影响。特别值得注意的是，中等颗粒在通风增加时表现出更复杂的运动行为，部分颗粒被人体热羽流携带上升，减少了向地面的沉积。

3.3. 室内病毒总量动态

研究发现，通风速率对病毒清除速率的影响因颗粒大小而异。小颗粒（≤20微米）的清除速率随通风增加而加快，但中等颗粒（20-100微米）的清除速率在高通风条件下反而减慢。这种差异导致在咳嗽后的前12-24分钟内，高通风率房间的病毒总量可能高于低通风率房间。这一发现挑战了“通风总是加速病毒清除”的传统认知。

3.4. 暴露风险分析

最引人注目的发现是，增加通风速率在短期内可能增加暴露风险。在距离咳嗽者0-3米范围内，中位暴露量随通风速率增加呈现显著上升趋势。当通风率从0.5 h^?1增至5.0 h^?1时，5分钟内的中位暴露量最高增加134倍（基于体积病毒载量模型）。这种效应在近距离（0-1米）尤为明显，但随着时间延长（30分钟）和采用表面积病毒载量模型时有所减弱。

研究还发现，虽然中位暴露量在2-3米处普遍低于0-1米处，支持了2米社交距离的有效性，但1-2米处的暴露风险并不总是低于0-1米处，表明病毒传播路径存在复杂的三维特征。

3.5. 讨论

本研究揭示了通风速率影响暴露风险的三种竞争机制：增加混合传播速度、减少中等颗粒沉积、以及新鲜空气的稀释作用。在短时间内，前两种机制可能占主导，导致暴露风险增加；而长时间后，稀释作用逐渐显现，与常规认知一致。

研究的创新点在于首次系统量化了通风速率对病毒暴露的短期影响，并考虑了病毒载量分布的不确定性。然而，作者也指出了一些局限性，如未考虑人员移动、家具布置等现实因素，这些都可能影响实际的通风效果和暴露风险。

这项研究对公共卫生政策具有重要启示。首先，它强调了通风策略需要根据具体场景进行优化：在短时间聚集的场所（如电梯、排队区域），过高的通风速率可能适得其反；而在长时间停留的空间（如办公室、教室），增加通风仍是最有效的措施之一。其次，研究结果支持保持2米社交距离的重要性，特别是在通风条件较好的环境中。

该研究为理解室内病毒传播机制提供了新视角，指出简单的“充分混合”假设可能低估了近场暴露风险。未来研究需要结合真实环境中的复杂因素，如人员活动、家具布局、不同通风方式等，进一步优化防控策略。同时，病毒在飞沫中的实际分布特征也需要更精确的实证数据支持，以提高风险评估的准确性。

总之，这项研究打破了“通风总是有益”的简单思维，揭示了病毒传播动力学的复杂性，为制定更加科学、精准的室内环境防控措施提供了重要科学依据。在后疫情时代，这种基于物理机制的精细化研究将有助于我们在保障公共卫生的同时，更加高效地利用能源资源，实现健康与可持续发展的双赢。