廂式電梯通風方式對咳嗽飛沫核擴散的影響及風險分析

梅 丹，王晨霞，李佳倩，幸福堂

(武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081)

2020年新型冠狀病毒肺炎疫情暴發，大量人員感染死亡，并給全球經濟造成了巨大損失。新型冠狀病毒可在空氣中存活3 h，同時可通過氣溶膠傳播[1-2]。氣溶膠指氣溶膠顆粒、液滴核等在空氣中的懸浮液[3]，空氣中的顆粒易吸附細菌與病毒，被人體吸入后可能會導致感染[4]。人們一天90%的時間都呆在室內，長期暴露在室內顆粒物污染環境中，將對人體健康產生影響[5]。

人在咳嗽、打噴嚏時，大量的飛沫可能會攜帶病菌從人體口腔和鼻腔釋放，隨室內氣流運動，通過口腔、呼吸道等方式侵入人體，導致人體感染疾病[6]。 2020年11月，天津某小區接連出現8例新型冠狀病毒感染者，經調查發現，小區首個感染者曾乘坐電梯時未佩戴口罩，并在電梯中咳嗽、打噴嚏，污染了電梯環境，最終導致新型冠狀病毒在小區內傳播。電梯具有封閉性、空間狹小、人員聚集的特點[7]，是日常生活中呼吸系統疾病傳播的危險場所。攜帶病菌的飛沫核傳播對人的影響主要取決于飛沫核的濃度以及人員處于該環境的時間長短[8]，為預防呼吸系統疾病的傳播，有必要對不同通風方式下電梯轎廂內的飛沫核擴散展開研究，通過具體分析飛沫核的運動情況、濃度變化以及人員風險，為相關電梯場景下疾病的預防與通風設計提供指導意見。

1 對象與方法

1.1 研究對象 對某品牌常用的載重量800 kg，規格為10人的電梯進行研究。假設人員乘坐電梯到達高樓層，在電梯內停留約10 s的時間，通過研究電梯內后部通風、兩側通風、四角通風三種不同通風情況下，人員咳嗽飛沫的擴散運動，比較三種方式下氣流速度分布情況、飛沫核的濃度變化，并對通風效果進行評估。選取擬合效果較好的Realizable k-ε紊流模型模擬室內氣流運動，同時應用顆粒軌道模型研究人員咳嗽產生的飛沫核在10 s內的擴散運動過程。

1.2 電梯幾何模型 轎廂內部結構：深度(X)為1 400 mm，寬度(Y)為1 350 mm，高度(Z)為2 350 mm。頂棚設置進風口，其中四角通風的進風口為規格100 mm×100 mm的正方形通風口(1～4)；兩側通風方式為400 mm×40 mm的長方形通風口(5、7)；后部通風設置一個400 mm×40 mm的長方形通風口(6)，電梯門縫作為出風口(8)，規格為20 mm×2 350 mm。電梯內四周均勻分布4人。人員電梯模型見圖1。人員D位于飛沫釋放者A的正對面，人員C在D旁，人員B則在飛沫釋放者A的鄰位。

1.3 數學物理模型 本研究主要考慮的是粒徑為1 μm的咳嗽飛沫顆粒物。室內氣流一般為不可壓縮的湍流流動[9]，在電梯內部不考慮溫度的變化，即流體的溫度和密度不改變，將飛沫顆粒物隨氣流的流動視為氣固兩相流。飛沫核擴散運動會隨時間變化，則對其進行瞬態模擬。在飛沫核擴散過程中，電梯內部的氣流遵循湍流狀態下質量守恒方程、動量守恒方程，不考慮電梯內部溫度變化，則忽略飛沫核的能量變化。流動過程控制方程如下：

(1-1)

式中，Φ為通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量；г為廣義擴散系數；S為廣義源項。在Realizable k-ε模型中，關于k與ε的運輸方程如下：

(1-2)

(1-3)

采用拉格朗日法，通過求解顆粒物運動方程計算單個顆粒物的軌跡。單個顆粒的運動方程可由牛頓第二定律獲得：

(1-4)

1.4 初始條件及邊界條件 人員A口腔部位(嘴唇1)為飛沫釋放位置，一次咳嗽約需要0.5 s[11]才能釋放出飛沫，則設置0.5 s的穩態模擬，后9.5 s飛沫核隨氣流的運動軌跡將隨時間變化。電梯運行速度1 m/s，向上或下加速度為0.5 m/s2[12]，飛沫核以22 m/s[13]與水平夾角約30°斜釋放，劃分成水平速度19 m/s，垂直速度11 m/s。電梯啟動加速時間約為1 s，由于垂直方向加速度小，垂直方向上1 s內速度僅僅變化0.5 m/s，相對于11 m/s可以忽略不計。將唾液看成顆粒物，密度為1 003 kg/m3[14]，電梯勻速運動時，顆粒物自身速度在0.01 s內速度可降低至0.000 05 m/s[15]，隨后顆粒物隨氣流運動。空調風速相對于電梯設置為2 m/s。室內溫度保持不變，電梯出口邊界條件設置為-10 Pa。

1.5 網格劃分與方程離散求解 應用Ansys ICEM進行網格劃分[16]，在人體表面和四周墻壁等各壁面劃分邊界層網格，網格元素總數為124萬，網格質量均為0.3以上，在縫隙等部位進行局部加密，見圖2。黑色密集部位采用有限體積法建立離散方程，SIMPLE算法是計算不可壓縮流場的主要方法，因此選擇SIMPLE算法對離散方程組進行求解[17]。

1.6 模型驗證 為驗證顆粒軌道模型對室內空間飛沫傳輸過程仿真的適用性和科學性，基于幾何相似原理和動力相似原理[18]，參照一教學教室尺寸，在實驗室內，搭建了一個500 mm×600 mm×350 mm的玻璃小室(見圖3)，并在入口處以2.4 m/s的速度注入顆粒物，利用DUSTMATE儀器測量小室內可吸入顆粒物的濃度(PM1)，同時建立1∶1的仿真模型，選取74萬網格的小室模型，應用顆粒軌道模型進行模擬仿真，最后比較兩者的濃度監測值。將顆粒濃度的監測值與模擬計算值進行比較，見表1，相對誤差均小于5%。本研究建立的數值計算模型具有科學性和適用性，可用于研究電梯內飛沫核的擴散運動。

表1 顆粒濃度的監測值與模擬計算值比較

2 結果

2.1 通風方式對飛沫核擴散的影響 通風方式不同，飛沫核的運動方向、沉積速度、不同位置濃度等也會有一定的差異，通過研究轎廂內空氣流動的方向，速度大小可以分析飛沫核的擴散運動，并根據飛沫核濃度對通風效果進行評價。

2.1.1 轎廂氣流流場分析 截取研究截面1(飛沫釋放者A與其正對面人員D所在平面，見圖1。研究三種通風方式在不同時刻的速度分布情況，截面1速度矢量圖見圖4。比較同一時刻不同通風方式：根據速度標尺可以判斷速度大小位置分布，同一時刻后部與四角通風速度大小較為均勻，兩側通風較大風速集中在人員A附近。比較同一通風方式的速度方向以及產生的速度旋渦數量：均隨時間發生變化， 三種通風方式速度方向總體由上往下再往上，后部通風所產生的速度旋渦數由3個變為2個，且位置下移；兩側通風旋渦數由4個變為3個，集中在電梯中間部位；四角通風旋渦數隨時間逐漸增多，電梯頂部和底部各分布2個。

2.1.2 飛沫核擴散特征 選取6個時間點，研究10 s內三種通風方式下電梯飛沫核擴散情況，藍色顆粒代表飛沫核，見圖5。后部通風：飛沫由人員A到達人員D后，先向下運動，再由右下到左上呈倒“S”型路徑進行擴散；兩側通風：飛沫核到達人員D后向下，之后經右下再向上運動；四角通風：飛沫核到達人員D后，飛沫核由中間向上下兩方向運動，到達電梯頂部與底部后，再向人員A一側運動呈“C”型趨勢。在第5 s時，三種通風方式的飛沫聚集位置及數量已有明顯差異，后部及兩側通風的方式飛沫聚集在電梯中下部，而四角通風聚集在電梯一側，且懸浮數量較少。

2.1.3 飛沫核濃度分析 由擴散圖5可知，飛沫由人員A釋放后，集中在人員D一側。現選取截面1，分析同一時刻不同通風方式下的濃度差異，見圖6。0.5 s時，在后部及兩側通風方式下，釋放的飛沫核集中在人員腹部及以下；在四角通風方式下，飛沫核集中在面部區域，人員接觸飛沫顆粒物的風險較大。5 s時，后部通風方式下，飛沫核集中在人員之間的中間位置；兩側通風方式下，飛沫核位于電梯下部，截面處兩者的平均飛沫濃度分別集中在7.2×10-10kg/m3和9.7×10-10kg/m3左右；四角通風方式下，人員D后靠墻面聚集較多的飛沫核，平均濃度約為4.9×10-10kg/m3，較前兩者濃度分別降低了68%和51%左右。10 s時，在后部及兩側通風方式下，飛沫核分別集中在電梯上部、人員D周邊；而在四角通風方式下，飛沫核集中區域已不明顯。在不同時刻同一通風方式下，三者飛沫核濃度的最高值均逐漸變小，其中四角通風方式下，飛沫濃度變化最明顯，在10 s時，飛沫核的平均濃度已集中在5.4×10-10kg/m3左右，但在10 s時，平均濃度存在增加的現象。

2.2 三種通風方式下廂內人員風險分析 研究不同通風方式下，飛沫核濃度對轎廂內人員的影響，將飛沫顆粒物沉積數量作為人員接觸風險指標，以此比較人員的接觸風險大小，同時以懸浮量作為人員吸入風險指標。10 s時三種通風情況下人員飛沫核的沉積數量占比情況：人員D在10 s時飛沫核沉積數量占比最高，接觸飛沫核的風險最大，人員C次之，人員B占比均在0.1%以下，風險相對較小。10 s時，后部通風情況下，人員D占比達33.19%，人員C則占比2.13%；兩側通風情況下，人員D占比21.93%，人員C占比亦在1.24%；四角通風情況下，人員D飛沫核沉積數量占比達21.50%，人員C次之，飛沫核沉積量占比6.88%。在四角通風情況下，相比后部通風人員D接觸飛沫的風險有所降低，而人員C接觸飛沫顆粒物的風險顯著增加。見表2。

表2 10 s時三種通風下人員飛沫核的沉積數量占比(%)

10 s時三種通風情況下電梯轎廂內飛沫核懸浮數量：在四角通風情況下，顆粒物懸浮量最小，相比兩側通風情況，懸浮量下降31%，相比后部通風下降12%。但對比后部通風與兩側通風情況，隨通風量增加，顆粒物的懸浮量并未顯著下降，兩側通風情況比后部通風增加27%，人員風險也相應增加。見表3。

表3 10 s時三種通風情況下電梯轎廂內顆粒物沉積懸浮數量

3 討論

鄭聰[19]應用Fluent軟件，證明Realizable k-ε紊流模型對室內氣流模擬具有良好的科學性和適用性，因此本研究選取Realizable k-ε紊流模型模擬室內氣流運動，同時應用顆粒軌道模型研究某人員咳嗽產生的飛沫核在10 s內的擴散運動過程。研究主要考慮的是粒徑為1 μm的咳嗽飛沫顆粒物，原因是飛沫為含有少量固體小顆粒的小液滴，其粒徑97%約在0.5～12 μm[20]，水分完全蒸發后約為1 μm左右[21]，由于蒸發時間短，研究時可以將其蒸發時間忽略不計[22]，小粒徑的飛沫會隨氣流運動，被人體吸入，可能會造成呼吸系統疾病，危險性大。

飛沫核在室內主要隨氣流運動，良好的通風組織，可以幫助室內形成良好的清潔環境。 Zhang等[23]采用數值模擬方法研究高速鐵路旅客艙內呼吸性霧滴的擴散過程，結果表明，當從前門到后門有氣流時，霧滴擴散更遠，對旅客的影響更大。

模擬三種通風方式下的飛沫核運動，經過分析處理，得出以下結論： (1) 在其他條件相同的情況下，不同的通風方式所產生的氣流旋渦數量及位置分布有所差異，后部通風和兩側通風的旋渦數量隨時間逐漸減少，而四角通風情況下，逐漸增加。飛沫核整體將隨氣流由上到下再到上運動，由于速度旋渦不一樣，飛沫核擴散將產生不一樣的運動軌跡，各位置的飛沫核濃度也有所差異。(2) 氣流旋渦數量和位置的不同，使三種通風方式下，飛沫核的運動軌跡產生差異，后部通風情況下飛沫核隨氣流呈現倒“S”型軌跡運動，兩側通風時飛沫核隨氣流上下運動，四角通風則呈現“C”型軌跡。不同的速度旋渦會引起飛沫核擴散方向產生差異，當旋渦位置恰當時，可以有效地將飛沫帶離人員附近，且可以有效稀釋局部飛沫濃度；位置不恰當時，將會增加人員接觸飛沫顆粒物的風險。由后部通風至四角通風，通風速度不變，隨著通風口總體面積增加，通風量逐漸增加，飛沫核被稀釋的效果明顯，相同時間內人員吸入飛沫顆粒物的風險逐漸降低。(3) 在截面1對飛沫濃度進行分析，結果表明：經過10 s時間，后部通風、兩側通風、四角通風方式下，隨著通風量的增加，飛沫稀釋效果明顯，10 s內飛沫核濃度可以減少90%以上，相同時間內人員吸入飛沫顆粒物的風險逐漸降低。因此合理增加通風量可以有效稀釋飛沫濃度，改善空氣質量。(4) 在三種通風方式下，飛沫釋放者A的對立面，為接觸攜帶病菌飛沫的高風險區，四角通風能夠快速稀釋飛沫濃度，但人員C在該方式下，飛沫核沉積量占比達7%，接觸飛沫風險顯著增加，由此在有效稀釋飛沫濃度的同時，還應注意通風口位置分布，減少人員接觸飛沫風險。