置换通风房间中人体呼出污染物扩散规律和人员暴露研究

摘要

近年来大规模爆发的呼吸道疾病引起了人们对空气传播疾病的高度重视，患有呼吸道疾病的病人通过呼吸、咳嗽、打喷嚏等呼吸活动产生大量携带病原体、真菌或细菌的飞沫以及飞沫核，倘若被易感染人员吸入体内，会导致疾病交叉感染。室内环境是人员活动主要场所，感染人员与易感染人员之间发生空气传播疾病交叉感染的几率更大。因此，探究和掌握人体呼出污染物的扩散规律以及人员暴露情况，建立一套有效的感染风险预测模型，为预防和控制呼吸道传染疾病提供理论基础，也为室内通风和人员安全间距控制提供依据。 本文在自由射流理论的基础上对人体呼出气流建立理论模型，设计并搭建水箱实验台，初步验证射流积分模型预测射流浮升轨迹及分层环境中“滞留现象”的有效性。利用文献中全尺度呼吸假人的实验数据，进一步验证了模型预测人体呼出射流浮升轨迹、浓度衰减和空间分布特征的有效性。在此基础上，利用该理论模型分析并讨论了影响人体呼出气流扩散特性的各项因素，给出了降低室内环境中呼吸疾病交叉感染风险的建议和措施。最后，根据呼出污染物浓度空间分布特征给出了房间中人员的最大暴露浓度曲线，依据射流积分模型发展了易感染人员暴露模式判别模型，用于快速预测不同通风方式下易感染人员发生直接暴露的最大距离。 本文以置换通风房间中侧卧感染人员以及易感染人员为研究对象，关注感染人员呼出气流的发展规律及污染物在感染人员微环境中的散布情况，探讨了不同情况下易感染人员的暴露情况，主要得到以下几点结论： （1）水箱实验验证了射流积分模型，表明该模型能够有效预测分层环境下热射流的浮升特性；文献中全尺度实验数据表明射流积分模型能够有效预测温度均匀和分层环境下人体呼出射流的运动特性及气流携带污染物在空间中的扩散规律，为预测污染物浓度暴露和减少传染疾病交叉感染提供了一种快速、系统的计算模型。 （2）感染人员呼气特征（呼气角度、口径、速度）及房间通风条件（呼气温差、温度梯度、背景流速）等众多因素中，室内温度梯度对呼出污染物滞留高度的影响最大，在房间通风过程中需要格外注意温度梯度的控制，避免呼出污染物在易感染人员呼吸区域滞留。 （3）置换通风房间中人员间距大于1.5m后人员远距离处人员最大暴露浓度与房间中污染物滞留高度以及人员呼吸高度有关，高度差越小暴露浓度越高。人员呼吸区域位于污染物滞留高度时，发生直接暴露的范围最大。

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