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空氣動力學再戰病毒之室內氣溶膠傳播
時間:2020-02-13 18:12:59  作者:
前言
此前深圳市第三人民醫院確診患者的糞便中檢測出新冠病毒RNA陽性和香港長康邨康美樓上下樓層住戶感染事件中說明新型冠狀病毒很可能通過糞口及氣溶膠傳播。回顧SARS病毒在香港淘大花園通過糞口傳播導致傳染大面積的住戶的示例,結合當前新冠病毒防疫主要防御措施——居家隔離,海基科技技術人員利用空氣動力學理論與CFD技術對室內病毒糞口及氣溶膠傳播進行了傳播過程分析,并給出了居家生活方式建議。

淘大花園SARS病毒傳播事件關鍵回顧
1.事情經過回顧
1.1.起源
2003年3月22日,香港威爾斯親王醫院收治了一名33歲的男性患者A,他患有慢性腎病,曾是醫院的常客。但這一次,他不僅發燒腹瀉,還伴隨嚴重的呼吸障礙。A的病情引起了醫院的高度重視。半個月前,威爾斯親王醫院確診了香港首例SARS患者,并造成數十名醫護人員感染,A的癥狀和他們幾乎完全一樣。出于謹慎考慮,醫院在對A進行救治的同時,詢問了他過去幾天的行蹤。

1.2.室內傳播
據稱,A曾在3月14日和3月19日兩天,到過其弟弟位于淘大花園E座的家中,并且兩次都使用了衛生間的抽水馬桶。兩天后,A的弟弟和弟媳因為相同癥狀入住了香港基督教聯合醫院,很快被確診為SARS。

1.3.同單元傳播
此后兩天,淘大花園陸續出現SARS病例。截至3月26日,共有15名患者入院,來自7個家庭,多數居住在E樓的7號和8號單元。

1.4.疫情爆發與控制
這一現象立即引起了香港特區衛生福利及食物局的注意。在3月26日的例行會議上,時任局長楊永強要求立即對淘大花園疫情展開調查。

淘大花園是一個由19幢大樓簇擁組成的大型住宅區,共有住宅4896套,人口稠密。其中,E樓為36層樓,每層8個單元,呈井字形分布,每個單元約為48平米。A的弟弟就住在這幢樓的16層7號單元。

3月26日下午,香港衛生署九龍區辦事處的工作人員到淘大花園E座實地考察,他們到了出現病例的7個樓層,向20戶居民進行查問。起初,他們判斷病毒來自電梯或大堂等公共空間。這個想法很快就被推翻,因為大樓的清潔工每晚都要乘坐電梯收集垃圾,但沒有被感染。連日調查只得出一個結論,淘大花園的感染源頭就在E座,因為這里的病例出現得最早,數量也最多,占到了整個小區的4成以上。

調查沒有進展,疫情卻在加速擴散。截至3月30日,淘大花園的感染人數已經上升到了190人,其中E座93人。這一天的例會上,楊永強向當時的特區行政長官董建華提出了隔離E座的方案,董建華表示同意,并把這個任務指派給了時任衛生署長陳馮富珍。后來的公開資料顯示,陳馮富珍對隔離方案有所保留,包括她在內的眾多衛生署人士認為,一旦發出隔離令,香港將面臨巨大輿論壓力。但事態的惡化沒有給她猶豫的時間。

3月31日早晨6點,陳馮富珍代表香港衛生署對淘大花園E座發出為期10天的隔離令。隔離期間,除非有官方的書面文件,任何人不能出入大樓。這是自上世紀60年代霍亂疫情以來,香港首次發布隔離令。

1.5.轉機出現
就在這時,一個不經意的發現讓形勢出現了轉機。4月1日,隔離令生效的第二天,時任香港環境運輸及工務局局長廖秀冬在勘察E座時發現,大樓的污水管道和部分住戶的衛生間存在氣體流通,她將這一發現告知了楊永強。

楊永強立刻感到事態不同尋常,因為他在前幾天剛剛得知,部分患者的糞便樣本中攜帶SARS病毒。他們開始懷疑污水排放系統是導致SARS在E座垂直樓層傳播的原因。出于安全考慮,他們連夜撤走了E樓的200多戶居民,將他們送去遠離市區的度假村定點隔離。另一方面,廖秀冬牽頭成立了專職小組,對E座的污水排放系統展開詳細調查。

四天后,廖秀冬以技術報告的形式提交了初步調查結果,解釋了受污染的水如何產生液滴,這些液滴又是如何通過衛生間干涸的地漏進入其它住戶家中。

至此,懸置半個月之久的淘大花園SARS疑案終于告破。香港特區政府在4月17日公布了調查報告——真兇是藏在衛生間地漏下,毫不起眼的U形存水彎。

1.6.初步技術調查
致命的U型存水彎
U型存水彎是建筑中非常常見的一種管件,作用是隔絕下水道的空氣,防止臭氣進入室內。淘大花園E座,在建筑設計上有8個垂直的污水管,每條管道都收集來自同一單元各樓層的污水。這些污水分別來自抽水馬桶、洗手池和浴室的地漏,這3個衛生設備上都安裝了U型存水彎,只有當存水彎里有足夠的水量時,才能夠發揮隔離作用。

根據對E樓住戶的調查,多數居民都提到了衛生間臭味明顯的現象,反映出上述的3個存水彎里,至少有1個存在問題。抽水馬桶、洗手盆都是常用的,這2個存水彎應該長期留有積水,所以問題大概率是出在浴室地面的地漏上。

根據衛生署工作人員的入戶調查,淘大花園的大部分住戶都習慣于拿拖把拖地,而不是拿水沖洗,這就容易導致地漏下的U型存水彎存不下水,起不到隔離污水管臭味的作用。

SARS疫情爆發后,香港大學的科學家曾在淘大花園E座某一單元里做了一次實驗。當打開浴室的排風扇時,浴室內氣壓為負,污水管里的空氣可以通過地漏被吸入到浴室。如果污水管里的空氣中含有病毒,那么這條路線就成了病毒傳播最隱蔽的途徑,這也能夠解釋為什么淘大花園的傳染病例大多集中在垂直方向上的7號和8號單元。

但另一方面,污水管的水流是往下走的,按著這個規律,病毒傳播也應該往下。以16樓的首個患者為例,他不可能通過上述途徑感染到16樓以上的住戶,真實的情況卻是,不管是7號單元還是8號單元,集中感染的樓層都為13樓到24樓之間,這說明病毒還有向上的渠道。

1.7.補充技術調查
針對這一問題的解釋,4月17日香港特區發布的調查結果中并沒有提及,但一個月后世界衛生組織的調查報告作了補充。報告指出,當浴室抽氣扇開動時,可能會將從污水管抽出的病毒帶到天井,令受污染的空氣通過打開的窗戶,進入相隔數層的住戶。

淘大花園的建筑構造也助推了這種傳播。從平面圖上看,淘大花園內部區域接近于封閉區域,較難實現水平面的通風換氣;而在E座7號和8號單元之間,是一個寬度為1.5米的狹窄天井。根據空氣動力學,狹窄天井內的空氣很難橫向流動,但能夠在自然對流下快速上下流動。一旦帶有病毒的氣體在抽氣扇的作用下逸出室外,它就可以在這個狹長的空間里通行無阻,這就為病毒向上播散提供了可能。這也說明了病毒有可能以氣溶膠形式向上傳播。

該小區一共十九座塔樓,所有病例并不是按照概率分布,而是非常有集中性。E棟感染人數占小區總感染人數的41%,接近一半。C棟占15%,B棟占13%,D棟占13%。其余的18%分布在另外的11棟樓當中。

而在E棟中,最嚴重的是8號房的住戶,73%的住戶都被感染,其次是7號房的住戶,被感染的比例是42%。尤其是這兩個戶型10層以上的屬于重災區。

事后調查得知,這些感染居民90%以上未直接接觸感染者,都屬于這種“閉門家中坐,病從天上來”的類型,是典型的由于建筑設計的不合理,物業服務的不到位造成的。

2.結果與真相

在2003年的香港疫情中,香港一共確診病例1755人,死亡300人。然而淘大花園一個小區,就有321人感染,42人死亡,分別占總人數的五分之一和七分之一。向下靠地漏,向上靠天井,這就是淘大花園SARS病毒快速擴散的真相。

  • 馬桶-污水管-地漏-換氣扇-天井之間的層層交換,最終傳染了其他住戶。
  • 地漏缺水是一種巧合,導致了污水管的病毒重新進入室內。
  • 室內停水維修是一種巧合,導致了污水管的病毒非常聚集。
  • 污水管破裂是一種巧合,導致天井充滿了病毒。
  • 天井空氣不流通是一種巧合,這導致了向上的氣流把病毒帶到了高層的每一個住戶。

每一次的傳播,都是一種巧合。然而,基本上所有的巧合都是一種建筑設計不合理的必然。

室內病毒糞口傳播風險與空氣動力學分析
不能指望每一棟建筑設計都是絕對合理的。然而假定建筑設計基本合理的情況下,考慮到冬季居家隔離情況下,如果僅開啟衛生間小窗,緊閉其他門窗時,當打開廚房抽排時,是否可能會導致下水道污染物的氣溶膠反味污染,及更嚴重的會導致糞口傳播呢?就這個問題,我們采用計算流體動力學(也就是專業人士說的CFD)模擬開展空氣動力學分析,來觀察病毒氣溶膠形式的污染物傳播影響分析。

1.數學模型
CFD技術的物理模型基礎是基本的質量、動量、能量等守恒定律,在數學上用一組微分控制方程表示。


有興趣的朋友們可以自行查閱相關書籍了解進一步數學原理,也可以聯系海基科技的專業技術工程師。

2.計算場景與通風條件
研究對象為8m*8m*2.5m的房間,室內布局如圖3.1所示。

圖3.1 房間建模模型
下水道口為直徑100mm的開孔,氣溶膠含量為0.1%;當外窗微開,內門均開的情況下,在開啟抽油煙機的情況下對室內污染物成分進行分析。

3.計算結果分析
在開啟抽油煙機后,室內形成的流動軌跡情況如圖3.2所示,室內形成由外窗,下水道口流向抽油煙機的流動狀態。從下圖流線圖來看,室內臥室、起居室不可避免的受到氣溶膠污染。

圖3.2 室內流線圖


室內污染物流通動畫

定量來看,由氣流夾帶進入室內的污染性物的成分在室內高度1.2~1.5m(人的口,眼等粘膜所在區域)的大部分區域濃度仍在0.01%以上,其中重度污染為北側臥室,其次為客廳靠近抽油煙機出口的地方,污染度最低的地方為南側臥室。

圖3.3室內不同高度污染物濃度分布

對于新冠病毒,一旦出現較高濃度的氣溶膠分散,根據日本的新冠病毒存活時間數據(如下圖),室內人員將長時間暴露在病毒氣溶膠氛圍中。

可見,在維持室內清潔的同時,需做好衛生間與室內其他區域的隔離密封工作,避免不經意的負壓引流造成衛生間氣溶膠污染起居活動空間。

結語
基于以上案例分析和空氣動力學分析室內通風環境,室內防疫工作有重點,并需從細節做起:
  • 定期往地漏注水,不要讓U型彎干涸,保證其密閉性;有消毒液的居民,也可以往地漏里面倒一些,做到盡可能殺菌消毒。馬桶沖水的時候,蓋上馬桶蓋再沖,避免濺起病毒微粒。
  • 提醒物業定期檢查污水管的密閉性,保證下水管不能污染其他環境。
  • 直接向外的窗戶,要多多通風透氣,天井向外的連廊窗戶要多開,朝著天井的窗戶要少開。
  • 對于比較老的,類似于淘大花園,小區內部較為封閉設計的住戶,這一段還是少開窗戶,尤其感到天井有異味的時候,要招呼物業趕快處理。
病毒可怕,但科學合理防治,我們必將戰勝它!