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        新冠病毒傳播分析及綜合防控技術

        • 作者:
        • 中國暖通空調網
        • 發布時間:
        • 2021-07-20

        同濟大學   沈晉明  劉燕敏

               【摘  要】鑒于新冠病毒近距離飛沫傳播還是空氣傳播的討論,本文僅從理工科角度,依據氣溶膠力學來分析新冠病毒的傳播方式。認為介于兩者之間還應該存在著氣溶膠云的傳播方式。這是個值得爭議的新課題。如用氣溶膠云的傳播理論來理解疫情中各種案例就可以得出十分合理的解釋,也會使我們的控制對策思路變得十分清晰。新的傳播方式也會對干預措施與個人防護等一系列問題提出新的要求。

        0 引言

               世界衛生組織一直認為SARS-CoV-2傳播途徑是“在無防護下通過飛沫和密切接觸在感染者和被感染者之間發生,在醫療機構中或可存在因醫療操作產生氣溶膠而發生空氣傳播的可能”。這是基于中國75,465例COVID-19病例的分析,也被以后疫情中大量的感染事件所證實。

               7月6日在國際公認的空氣質量和健康專家,昆士蘭科技大學教授Lidia Morawska的帶領下,來自32個國家的239個學者簽署的“現在是解決Covid-19空氣傳播問題的時候了”的公開信,在《臨床傳染病雜志》(牛津大學學報)上發表。

               公開信以有力的證據表明SARS-CoV-2可以空氣傳播,特別是對疫情中幾起超級傳播的事件認為空氣傳播是唯一合理的解釋。人們在交談或呼吸時散發許多微小的液滴會在空中飄浮數小時。病毒飛沫可能傳播的距離超過了目前要求的1.5m社交距離。呼吁世衛組織要認識到除了某些醫療機構以外場所的空氣傳播的風險。這些簽署的學者來自科學和工程學的許多不同領域,包括病毒學,氣溶膠物理學,流體動力學,流行病學,醫學和建筑工程。

               世衛組織傳染病預防部門的負責人阿勒格朗齊(Benedetta Allegranzi)對此做出回應,世衛組織對于有關新冠病毒通過空氣傳播的“新證據”持開放態度。報告涉及的一些新冠病例與擁擠、密閉的室內場所有關,這表明病毒通過空氣和微粒進行傳播的可能性,比如在合唱團排練時、在餐館、禱告場所、健身房或者辦公室,尤其當感染者在擁擠和通風不良的室內場所與其他人進行過長時間的接觸。

               世衛組織新冠病毒病技術方面的負責人瑪麗亞(Maria van Kerkhove)表示,  “我們一直在討論空氣傳播、氣溶膠傳播作為傳播方式之一的可能性。重點關注了醫護人員使用防護口罩的問題,并在有氣溶膠生成的操作的地點采取防止空氣傳播的措施。我們也在研究其他環境中可能的空氣傳播,尤其是在通風較差的環境中,或者密閉環境中。”

               空氣傳播是由懸浮在空氣中的飛沫核(氣溶膠)在遠距離和長時間內保持感染力而引起的傳染病原體的傳播。但從流行病調查來看,目前超過1700萬被感染的人基本上都是通過飛沫和密切接觸感染。只有極少數案例難以解釋。至少可以說,空氣傳播不是主要傳播方式。
        一些傳染病專家也認為,這些證據大多來自于氣溶膠科學家和工程師在實驗室進行的研究,認為實驗研究不能反映人的咳嗽真實狀況,結論的數據也不“反映臨床情況”。日常生活中的人群感染率和傳播的數據很難與空氣傳播相吻合。并指出,許多新近研究尚未得到同行的審查。評價現有證據表明,基于氣溶膠的遠程傳播并不是SARS-CoV-2傳播的主要方式。

               這可能是理工科專家與公共衛生專家的不同看法。理工科專家重視理論分析與實驗結果,公共衛生專家重視流行病學調查,著重研究疾病分布及其決定性的因素,評價所采取的對策和措施的效果。作為專家可以憑一得之見發表論文,提出主張。但作為世界性的公共衛生機構要在疫情期間面向全世界提出合理的防控對策和措施,要有可靠、明確的證據支撐,必須慎之又慎。

               本文不是討論新冠病毒是飛沫傳播還是空氣傳播。含病毒的粒子從飛沫傳播到空氣傳播橫跨粒徑范圍很大。經典理論認為粒徑大于5μm是飛沫傳播,小于5μm是空氣傳播。如以這種“非此即彼”的思維方法來探討傳播方式問題是否合適?有些案例也很難僅僅用這兩種傳播方式能解釋清楚。如果從氣溶膠力學來探討,研究這些粒徑范圍內的氣溶膠粒子的形成、運動、沉降、飛揚、 擴散和凝并,新冠病毒是否還存在著尚未發現新的傳播方式?

        1 典型案例探討傳播途徑

               SARS-CoV-2是一種新的病毒株。與幾乎所有新發現的病毒一樣,傳播方式至少存在一些不確定性。 通過飛沫和密切接觸傳播途徑好理解,主要困惑集中在如何真正通過空氣傳播感染人??諝鈧鞑サ年P鍵問題是①SARS-CoV-2病毒最小的吸入感染劑量,誰也不知道。②病毒在空氣環境中存活時間,目前只是實驗數據。③在不同環境的空氣中病毒的實際水平,至今還沒人在空氣中采集或分離到活的新冠病毒。目前空氣采樣的檢測結果也是核酸檢測的結果。采用的PCR測定法檢測環境樣品中的RNA,也不能表示可以傳播的活病毒。

               目前絕大多數案例的流行病調查都證實了人與人之間近距離飛沫和密切接觸傳染。盡管SARS-CoV-2對于每個人來說都是易感,但是在疫情早期,醫護人員與COVID-19患者近距離診療與護理,即使風險最高、密切接觸家人也不是百分之百的被感染,且感染率不高,難以理解。

               空氣傳播直接證據還不夠充分,飛沫傳播距離最多不會超過2m。對一些超級傳播事件“飛沫和密切接觸”難以理解,似乎SARS-CoV-2空氣傳播方式是唯一合理的解釋,以此來佐證空氣傳播。但是有些聚集性感染案例空氣傳播也難圓其說。飛沫借助于不合適的通風空調氣流傳播又是一種新的解釋。

               下面我們分析一下被國內外引用最多的幾個案例。

               引用最多的案例是在線發表在美國疾控中心出版的《新發傳染病》雜志的一篇研究快報上。案例發生在廣州一家餐廳。1月23日,前排中間餐桌是來自武漢的一家進行午餐,紫色標識的人為感染者(見圖1)。坐在相鄰的桌子用餐是另外兩個家庭。當天晚些時候,有人出現發燒和咳嗽癥狀。截至2月5日,共有9人(紅色標識)確診感染了COVID-19。經研究認為是由空調通風引起的飛沫傳播,引起傳染的關鍵因素則是橫向的空調氣流。圖1模擬了當時就餐的空調氣流及其被感染者座位。有的學者認為,飛沫傳播距離不會超過2m。即使借助于空調氣流,送風氣流會隨著輸送距離延長,風速下降,其攜帶飛沫的能力變小,特別是空調的回風氣流其風速更小,不可能傳染到其他9人。只有空氣傳播才有可能。有的學者認為,空氣傳播病毒擴散性很好,可以擴散到全室,甚至長時間遠距離傳播。事實上,除了前排外,就是臨近的第二排餐桌無一人被感染!難以用空氣傳播來佐證。


        圖1  廣州餐廳聚集性疫情復原圖

               另一個常被引用的案例是2020年3月10日,在華盛頓州斯卡吉特縣61位成員參加合唱團練習,在一個房間里一起唱歌40分鐘。圖2準確確定了當時椅子的布置方式以及每位合唱團成員的位置。這合唱團成員84%是女性,平均年齡為69歲。研究人員確定了其中一位有輕度Covid-19癥狀的感染者(紅色標識),使得其余60人中有52人被感染(黃色標識)。當然,這可以用空氣傳播來描述這次疫情。有學者認為如果是空氣傳播,一老人唱歌向前呼出的病菌量,會橫向傳播那么遠?擴散面那么大還能保持著可感染的劑量?后來調查發現,在合唱練習后,他們分成兩組在兩個房間,又呆了50 min。接下來是15 min的休息時間,整個小組聊天,然后吃餅干和橘子,搬椅子等互動行為。認為這一案例很難作為因唱歌而超級空氣傳播的典型案例。 


        圖2   美國華盛頓州斯卡吉特縣合唱團排位圖

               還有湖南省某地長途客運車的案例有時也會被引用。感染者(紅色標識)于1月22日12點乘坐49座全封閉空調客運大巴。該大巴一層為行李艙,二層為客座艙,車長11.3m,車寬2.5m。司機座位在最靠前的次高層,除司機外共有48個客座(見圖3),車輛出站時搭乘46人,在路旁接客2人。調取當時車上的視頻發現,除了后排旅客上下車經過感染者外,途中感染者也沒有與其他旅客有近距離接觸行為。一位被感染的旅客(粉紅標識)與感染者同程30 min就下車了,其他還有7位同車的旅客被感染了(橙色標識),其中一位是無癥狀被感染者(藍色標識)。最遠的2位與感染者隔了6排相距約4.5米,而鄰座卻不被感染。因此從被感染者的座位分布來看,用空氣傳播來理解似乎不太好解釋。調研的結果還是認為由空調氣流引起的飛沫傳播,似乎有些勉強。


        圖3   湖南長途客運車聚集性感染的座位圖

               以上這些典型案例分析,最大的困惑點在于:飛沫傳播僅發生在近距離,即使借助于通風空調氣流也傳播不遠;而空氣傳播在一般情況下又難以達到可感染劑量,傳播彌漫且無方向性。出現的大規模疫情新冠病毒應該還存在著沒有被發現的其他傳播方式,值得我們去探討。

        2 探討新冠病毒新的傳播方式

               真正的空氣傳播,因擴散性能很好,病毒在氣流作用下不斷分散,傳播面會很廣。但與此同時很快被稀釋,濃度不斷下降,只有感染劑量很小的病菌才有可能。另外,在空氣中飄浮的分散的含病菌粒子,在空氣環境中受到溫度、濕度、陽光(紫外線)等因素影響,活力會很快衰竭。除非這病菌的生命力很強(或者說在空氣中存活時間很長)。至今,新冠病毒循證尚未具有這2大特性。

               聚集性COVID-19疫情往往是通過污染環境(包括空氣環境)、物品、人員接觸等多種暴露方式導致的。該空間中出現感染者,會不斷地產生攜帶病毒的液滴和氣溶膠。但被絕大多數是未感染的其他人的呼出物或室外空氣所稀釋。這種模式下感染者呼出的飛沫,產生飛沫傳播。但大多會在不到2m的半徑內迅速落地,一些飛沫不斷蒸發形成液核氣溶膠,也可能依存在懸浮顆粒物上,飄浮在空氣中,形成空氣傳播(見圖4)。一般來說液核含病原體非常少。只有在特定的條件下,如室內封閉、擁擠、通風不良;或感染者多,如診療場所;甚至在醫療操作時直接產生氣溶膠時,攜帶病毒的氣溶膠才會累積起來,濃度會升高。一般情況下難以使整個空間內達到感染的劑量。除了與感染者直接飛沫和密切接觸外,空氣傳染幾率很小。對于不時出現的大規模聚集性疫情僅僅用飛沫傳播或空氣傳播難以得出合理的解釋。下面我們探討一下SARS-CoV-2可能存在著尚未發現的其他傳播方式。


        圖4 飛沫傳播與空氣傳播

               人無論是打噴嚏、咳嗽,還是大聲唱歌、呼叫會噴發出大片飛沫飄散到空氣中;大多情況下是正常呼吸,講話,會吐出小片飛沫蔓延在室內。人所發出的這些液滴(見圖5)在粒徑譜上應該是連續的,下落的較大液滴與懸浮的較小液滴在之間存在著模糊的界限。如以5μm粒徑作為飛沫傳播與空氣傳播明確界限,可能不太合適。也許是使人產生非此即彼的思維方法的根源。但這界限還會被用來區分傳染性疾病與防護措施,人們會常說,結核病,麻疹,水痘是空氣傳播;流感,百日咳和腦膜炎是飛沫傳播。相應的各有一套非常具體的指南來分別應對這兩類傳染性疾病。


        圖5 模擬人發出的呼出物                          圖6 生成的氣溶膠云霧的設想

               如果按照呼出液滴粒徑的量級來分析氣溶膠形態也許更合適一些。大于101量級的顆粒(大于10 μm)為沉降型飛沫,產生飛沫傳播;小于100量級的顆粒(小于1 μm)為懸浮型液核,產生空氣傳播。在這兩個量級之間的范圍內(1 μm至10μm)的顆粒,也涵蓋了感染者呼吸道液滴傳播的主要粒徑范圍3-10μm。從理論上講,1 μm至10μm應是我們重點關注的粒徑范圍,也是最容易產生傳染的粒徑范圍。這一粒徑范圍內的液滴,在一定環境條件下(溫度、濕度、污染物種類與污染程度)有可能形成氣溶膠云(Aerosol cloud,以下簡稱氣云)。氣云是氣溶膠力學中的概念,常用在氣象學中。我們在此借用這種概念來描述的一種存在形態。由于沒有實測數據支撐,我們只是從氣云生成的機理來推測,如室內環境封閉,通風較差,室內人員多,空氣中含有人的呼出物和體表分泌物(如汗味)多,餐廳與海鮮肉類市場空氣中油脂與蛋白含量高(油膩氣味),相對濕度大等因素,容易形成氣云。反之,如果室內氣流流通快,氣云很容易被打散。如果室內污染物少,相對濕度低,難以聚集起氣云。特別對于新冠病毒來說,溫濕度等環節因素會通過影響病毒表面蛋白和脂質膜的特性來調節病毒的生存能力,在較高相對濕度(80%)下的穩定性會得到增強。

               如果感染者呼出物中這些1μm至10μm粒子以氣云的形式出現在室內,飄浮在空中。有些像室內香煙煙霧,但這氣云肉眼是看不見的,可想象類似于云霧一樣浮在空中,隨氣流蔓延、飄移(見圖6),就有可能產生一種新的傳播方式——氣云傳播。表1反映了這三種傳播方式的特性。

        表1 三種傳播方式與特性

        3 氣云傳播機理與控制對策

               如果新冠病毒除了飛沫傳播、空氣傳播外,還存在氣云傳播的方式的話。那么,我們用氣云傳播來理解各種案例就可以得出十分合理解釋,以上案例分析的困惑點也就迎刃而解了。我們的控制對策思路也會變得十分清晰。

               3.1 氣云傳播特性與暴露感染

               感染是病毒數量與暴露時間的積。對照表1,我們可以總結出氣云傳播特點,不難理解氣云的感染暴露的緣由。

               氣云能在空間局部保持最小感染劑量:由于氣云中含病毒粒子聚集在一起,不易擴散,存活時間也許更長,容易造成病毒量的局部積聚,不像空氣傳播,也能較長時間較遠距離保持感染劑量。

               氣云可到達室內空間任何地點:不像飛沫傳播距離短,氣云被氣流推動著在室內到處飄移,飄移的距離至少達到一般尺度的室內空間的任何地點。這對2m的安全社交距離提出了挑戰。

               氣云的傳播途徑與方向性清晰:不像飛沫傳播,氣云跟隨氣流性能好,又不像空氣傳播擴散性好,因此氣云隨氣流傳播的途徑與方向性清晰,如飄移到易感人群呼吸器官附近,就可能被吸入造成感染(見圖6)。

               氣云的傳播面較窄:不像空氣傳播面那么大,彌漫在空中。氣云的傳播面較窄,即使感染者鄰近人員,或處于氣流流動方向的人員,只要氣云沒有到達其呼吸器官,或沒有足夠的接種量也不會被感染。這增加了被感染的隨機性。

               氣云的暴露時間較長:不像偶爾打噴嚏、咳嗽直接噴發的大量飛沫,絕大多數時間是正常呼吸與說話,發出小液滴在一定條件下形成氣云,長時間蔓延、繚繞在空中,也有可能因氣流渦流而滯留在局部,增加了室內人員的暴露時間。

               上述案例可以用氣云傳播的特點就得到合理的解釋了。但是氣云傳播的不確定性,同時也對安全的社交距離,個人防護,暴露時間,被感染的風險,或幾率提出了挑戰。

               3.2 控制氣云傳播的對策

               避免產生氣云是最根本的辦法,室內人員戴口罩,控制人員密度,保持社交距離,室內良好通風,降低室內污染。

               控制氣云傳播的最簡單辦法就是用外力將這氣云打散,感染性顆粒分散開來,濃度下降,那就不具有傳染性了。

               保持室內通風良好,通風氣流會不斷擾亂或打散氣云。室外的新風不斷稀釋,病毒濃度就下降。

               室內采用上送下回的氣流組織,會使氣云盡快沉降,盡量減少它飄移。大大降低暴露時間。

               用空氣過濾器(但不是濾網)去除氣云,至少可以濾除一些顆粒物,更重要可以打散氣云。

               如果氣云被吸入通風空調系統,這氣云要經過風機高速旋轉加壓、通過多級過濾、不同的熱濕處理部件、以及新風的混合稀釋等,不可能還能維持感染劑量。即使這通風空調系統服務多個房間,也不可能造成交叉感染。疫情至今沒有發生一例由集中式空調引起的大規模感染事件。

               如果室內是分體空調、風機盤管機組等,上側送上側回氣流模式,換氣量又小,會在室內出現水平橫向氣流,推移這氣云四處飄移,遇到易感人群,傳染風險加大。特別是醫療機構風險更大。疫情中不時會出現在分散式空調房間中聚集性感染事件。

        4 結語

               本文只是從理工科角度,依據氣溶膠力學來分析新冠病毒的傳播方式。認為新冠病毒主要是近距離飛沫與接觸傳染,空氣傳播是可能的,但不是主要傳播途徑,應該還存在著氣溶膠云的傳播方式。這需要大量的流行病調查數據來支撐。聚集性案例不時會出現,如果用氣云傳播理論來理解疫情中這些案例就可以得出十分合理的解釋,我們的控制對策思路也會變得十分清晰。

               本文只是提出一種新的思路,或者說一種不成熟的想法,拋磚引玉,能引起討論、爭辯,質疑,甚至否定。如果認為有可能存在氣溶膠云傳播方式,這是一個新的課題,也是一門交叉學科。新的傳播方式會涉及到干預措施與個人防護裝置(PPE)等一系列問題。希望能與病毒學,氣溶膠物理學,流體動力學,流行病學,醫學等各個領域的學者一起進行合作、聯合研究,這將十分有益于當前的常態化疫情防控。

               備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊 總第37期(第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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