针对新型冠状病毒肺炎的暖通空调系统研究现状

关航，许鹏，肖桐

（同济大学机械与能源工程学院，上海 201804）

0 引言

自新型冠状病毒肺炎（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）疫情爆发以来，世界卫生组织（World Health Organization，WHO）及其合作伙伴一直在与中国当局和全球专家合作，以进一步了解该病毒的传播方式、最易感染人群、临床疾病谱以及最有效的方法以发现、阻断和控制人际传播。通过对采样病毒的基因组分析发现新冠病毒在传播过程中发生变异，病毒变异体的传播性增强，这种传播能力的增强可能导致感染人数的增加，因此变异体的引入和社区扩散的总体风险被评估为很高/非常高[1-2]。

为了降低传播风险，减少对医疗系统的压力，欧洲疾病预防控制中心（European Centre for Disease Prevention and Control，ECDC）提出了4种非药物干预的预防措施[3]。即封闭空间的病毒传染源的控制，封闭空间中机械通风（暖通空调系统）和自然通风的工程控制，行政管理措施和个人防护行为。因此，如果采取有效措施，暖通空调（Heating Ventilating and Air Conditioning，HVAC）系统能在控制新冠病毒（SARS-CoV-2）传播的过程中起良好的辅助作用。

本文从SARS-CoV-2传播特性出发，研究了暖通空调系统对病毒传播的影响，从通风系统、室内温湿度、高效过滤器、空调系统的运行、压差控制及紫外线杀菌（Ultra Violet Germicidal Irradiation，UVGI）设备6个方面客观总结了目前国内外学者关于SARS-CoV-2传播的暖通空调系统研究现状。

1 病毒传播特性

根据世界卫生组织（WHO）发布的立场文件，新冠病毒的传播方式主要是接触传播、空气传播和粪口传播。空气传播可以分为呼吸道飞沫传播和气溶胶传播[4]。图1所示为急性传染病患者产生的飞沫与微粒传播的空气动力学[5]。当感染者咳嗽、打喷嚏或大声说话时，病毒会从感染者的口鼻中的小液滴传播。这些液体颗粒的大小有所不同，较大的液滴（直径大于5 nm）在空气中的停留时间较短，会很快沉降到较近的物体表面或地面[6]，液滴蒸发后形成液滴核或飞沫核（直径小于5 μm）会在空气中停留较长时间[7]。虽然有部分研究发现存在潜在的气溶胶传播，但一些研究报告中并未在气溶胶中检测到病毒。NOORIMOTLAGH等[8]搜集了11项关于SARS-CoV-2在室内空气环境中传播机制的实验性研究，在大部分研究中，在所采集的样本中检测到了病毒颗粒，证实了病毒通过空气传播的可能性。JAYAWEERA等[9]探讨了不同通风条件下，雾滴和气溶胶在密闭空间（飞机、客车和医疗中心）的传播感染倾向。TANG等[10]梳理了新冠病毒气溶胶传播的科学证据，并根据证据权重对新冠病毒气溶胶传播的可能性进行评级，指出新冠病毒的气溶胶传播的综合证据的权重程度为8/9，需高度关注。也有研究指出病毒传播也与特定场所有关[3]。

图1 急性感染病患产生的飞沫和微粒传播的空气动力学[16]

2 HVAC在病毒传播中的作用

一些研究探讨了暖通空调系统在新冠病毒传播中的作用。HWANG等[11]研究了韩国首尔的一栋公寓楼发生的集群感染病例之间的流行病学关系，所有感染病例均沿建筑物的两条垂直线，这些病例之间没有其他可能的接触，只有通过浴室中的单个风管进行空气感染。HORVE等[12]在从多个空气处理系统的9个不同地点采集的大约25%的样本中检测到SARS-CoV-2，结果表明空气处理器中存在的病毒RNA增加了病毒颗粒进入和在医院空气处理系统内移动的可能性。CHIRICO等[13]对比分析了6项关于暖通空调系统在SARS-CoV-2传播过程中作用研究，其中有4项研究支持病毒粒子通过HVAC扩散。SODIQ等[14]对比了10项在不同国家（主要是中国和美国）研究的关于HVAC在病毒传播中的影响时，得出暖通空调系统的设计、运行条件和送风/回风点的位置在一定条件下的空间中对有害微生物的传播、控制或预防起着至关重要的作用。综上所述，HVAC会影响新冠病毒的传播。

除了进行病例之间的流行病学关系分析以及病毒采样检测外，众多学者在评估空调系统对病毒传播风险的影响时会采用数学模型（Wells-Riley模型、优化后的Wells-Riley模型等指数型剂量响应模型和β-泊松分布模型）、数值模拟（CFD）以及数学模型与数值模拟集成3种方法。GUO等[15]将空间流动影响因子方法与Riley模型结合，提出一种计算空间分布感染概率的新方法。BORRO等[16]基于CFD模拟室内环境的传播风险，表明空气流量增加时会显著降低空气中污染物浓度，但也导致液滴和污染物在空气中的扩散更快更远。ANGHEL等[17]基于有限元的CFD模拟方法研究了变风量空调系统下可能的气溶胶散布以及新冠病毒传播机制。HO[18]将CFD结果与感染模型相结合以确定空气溶胶浓度、病毒载量和吸入率等参数变化时感染的概率。

目前通过在暖通空调系统中采取措施来控制室内环境中新冠病毒的感染传播已经得到了全世界的认可。世界卫生组织以及国务院发布的疫情防控指南中将暖通空调系统可能在病毒传播过程中起到的作用考虑在内。除此之外，美国采暖、制冷与空调工程师协会（American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）、欧洲暖通空调协会（Federation of European Heating，Ventilation and Air Conditioning Associations，REHVA）以及中国制冷学会针对此方面发布了一些应对新冠疫情空调通风系统运行管理指南。GUO等[19]依据以上组织发布的指南进行了总结与对比，ZHANG等[20]总结了新冠背景下降低病毒传播风险的空调系统控制策略。

3 关于病毒的HVAC研究现状

在先前的分析中得出HVAC在控制新冠传播中起到至关重要的作用，因此有必要采取一些HVAC相关以措施减轻SARS-CoV-2在建筑物中的传播风险。截至目前，在国际组织发布的疫情防控指南中，将加强通风作为主要的工程控制的建议，辅助以高效过滤器、空调系统的运行策略等手段。在该章节中，主要从通风系统、室内温湿度控制以及空调系统的运行策略等方面总结了国内外关于新冠病毒的研究现状。

3.1 通风系统对病毒传播的影响

利用通风系统控制病毒传播的机理是稀释室内的病毒浓度。从工程应用角度而言，室内空气污染物或病毒的去除效率取决于通风率和气流模式。

DAI等[21]发现，为了确保感染概率小于1%，每位感染者通风率应至少为100～350 m3/h（暴露0.25 h）或1 200～4 000 m3/h（暴露3 h）。如果感染者和易感者戴着口罩，那么通风率可以分别降低到四分之一。WHO于2021年3月最新发布的《COVID-19背景下改善和确保良好的室内通风的路线》是在对现有文献进行了范围审查、并对主要国际公认当局在建筑通风方面的现有指导文件进行了评估后制定的[22]。文件中给出了医院、公共建筑和住宅建筑下采用自然通风方式和机械通风方式时每人所需的最小通风率，当室内通风率不满足每人所需的最小通风率要求时，应采取一些辅助手段，具体内容如表1所示。

表1 不同场合及不同通风方式下通风率的要求以及通风率不满足要求时的补救措施

当采用自然通风方式时，应尽量交叉通风。无法测量通风率时，可以考虑测量空气中二氧化碳水平，二氧化碳浓度应保持在8×10-4～1×10-3或以下以确保足够的通风[4]。ASHARE[5]建议将病房内的通风率提高到2～6 ACH，非医疗建筑应保持室外空气调节阀全开。REHVA[4]建议即使房间内没人，也需要保持最小的通风率，即0.15 L/(m2·s)。在某些特殊场所，比如医院病房里，在患者面部上方设置局部排风装置也会显著降低病毒的扩散。研究证明局部排风系统能够在咳嗽事件发生后的第一秒内去除液滴和受污染的空气[16]。SUN等[32]认为最小通风量或新风要求应随着距离条件、暴露时间和通风系统的有效性而变化。

通风系统的通风效果除了与通风率有关外，还与室内的气流组织形式有关。进风口、排风口的位置（相对于室内人员）决定了感染性细胞核的不同循环方式，导致感染的风险显著增加或降低[18]。世界卫生组织建议，在机械通风系统不允许安装空气过滤器的情况下，应考虑在排风口附近的区域设置围栏，使人或动物距排风口保持至少4 m的距离。如果进风口高于排气口，则进气口与排风口应相距至少2 m，如果进风口低于排气口，则进气口与排风口应相距至少4 m[23]。

很多学者建议在确保通风率的同时关闭室内空气再循环[3,24]。此做法虽然对降低病毒传播有显著影响，但势必会造成运行成本的提高。目前可以降低运行成本的措施是加装余热回收系统，可将成本降低50%以上[24]。还需要进一步确定不同场合下通风率值以达到控制病毒传播和控制成本的平衡。

3.2 室内温湿度状态对病毒传播的影响

暖通空调系统旨在控制室内温湿度状态，但是病毒在不同温湿度下的存活率各异。SARS-CoV-2在4 ℃可以存活14 d；在37 ℃持续1 d，在56 ℃持续30 min[4]。随着温度的升高，SARS-CoV-2的灭活速率加快。在室温（24 ℃）下，SARS-CoV-2的半衰期为6.3～18.6 h，但在温度高达35 ℃时降至1.0～8.9 h[25]。SARS-CoV-2在高相对湿度下迅速丧失了传染性[23]，这是因为在高湿度条件下，含脂包膜的流动性在低温下较为稳定，保护了病毒体。低温和低相对湿度条件有利于某些流感病毒的生存和传播，并与呼吸道感染的增加有关[26]。温度或湿度不能与冠状病毒存活率独立相关[26]。在典型的室内温度为21～23 ℃，相对湿度为65%，SARS-CoV-2有很高的病毒稳定性，只有在相对湿度超过80%和温度高于30 ℃时存活率才受到影响，这样的温湿度状态对于室内环境热舒适来说是不可接受的[4]。

ASHARE在2020年4月发布的立场文件中鼓励设计人员将温度和相对湿度考虑在内，虽然并未对室内温度和湿度设定点给出明确建议[27]，但在2021年1月发布的《减少空气传播感染性气溶胶接触的核心建议》[28]中又指出维持空调系统的设计状态点。有学者建议建议在冬季加湿，因为在非常低的相对湿度（10%～20%）的情况下，鼻粘膜更容易感染病毒[5]。REHVA[4]在指导文件中指出可以考虑在冬季加湿，达到20%～30%，但是在配有集中加湿装置的系统中，无需改变空调系统的设定点。欧洲疾控中心对此与REHVA的意见相同[3]。AHLAWAT等[29]建议为公共建筑设定40%的最低相对湿度标准。显然，学者们对于改变室内温湿度状态来降低病毒传播的看法是有很大争议的。因此，对于是否需要改变温湿度设定值或者说在满足人体热舒适的情况下温湿度如何影响病毒传播还有待商榷。

3.3 高效过滤器对病毒传播的影响

若全空气系统或者空气-水系统因为冷却或加热能力有限而无法避免集中再循环的情况下，应在在回风系统中更换高效过滤器[24]。ASHRAE建议提高HVAC系统空气过滤器至MERV-13过滤级别或最高水平。用适合过滤小于0.1 μm颗粒的过滤器过滤内部再循环空气可以降低单风管系统服务于多个房间的交叉感染风险。过滤病毒含量很低或没有病毒的外部新鲜空气（以捕获污染粒子PM10和PM2.5，这些粒子被认为是病毒的载体）是很有必要的[24]。但是大多数污染粒子已经在过滤器的捕获范围内，这意味着标准的室外空气过滤器为病毒含量很低或认为没有病毒的室外空气提供足够保护，因此室外空气过滤器无需更换为高效过滤器，按照正常程序维护更换即可[4]。

高效过滤器应设计到暖通空调系统安装或空气处理机组中。一般要求过滤器必须有紧密的配合性和适当的密封性，但是即使高效过滤器在尺寸上与现有的空气管道兼容，也会通过限制有用的气流，对回流通道引入很大的压降，因此过滤器更换后应进行泄漏测试[30]。由于需要对HEPA过滤器进行定期更换清洁，因此它们的维护成本很高[24]。笔者建议，应在设计空气处理机组或者暖通空调系统时将HEPA过滤器与系统的适配性考虑在内。

3.4 空调系统的运行策略对病毒传播的影响

世界卫生组织建议，当人在建筑物内时，暖通空调系统应在连续运行，并应定期检查、维护和清洁[18]。欧洲疾病预防控制中心建议，考虑在正常使用时间前后延长空调系统的运行时间[3]。ASHRAE建议在非医疗场所内空调系统应尽可能连续运行[27]。中国疾病预防控制中心发布的《夏季空调运行管理与使用指引》中对不同空调系统形式给出了较为详细的指导：无论是何种系统形式，都应在每运行2～3 h通风换气约20～30 min，并加强对空调系统的卫生管理；对于全空气系统和风机盘管加新风系统，应在每天营业结束后继续运行一段时间；对于风机盘管加新风系统，新风系统应全天运行；对于分体式空调、无新风的风盘系统或多联机系统，应在每天使用分体空调前打开门窗通风20～30 min再开启空调，建议调至最大风量运行5～10 min关闭门窗，分体空调关机后，打开门窗，通风换气[31]。MARCONE[23]指出在具有风机盘管系统、热泵或分体式空调系统的建筑物中，应关闭空调系统以防止传染性病毒从地面飞起，从而增加病毒在空气中的持久性。若系统无法关闭，应每周清洁过滤器。无论如何，都要经常打开窗户或采用机械通风系统以确保空气交换。当空调系统因工作需要不能关闭时，必须选择恒速模式避免间歇运行，防止感染性核沉积在室内空调机组的过滤器上，然后在风机下次启动时，病毒又回到空气中循环。

3.5 压力控制对病毒传播的影响

对特殊场所采用压力控制也是降低新冠病毒传播的措施。一般免疫力受损的患者住在保护性房间，此时房间应维持正压，而隔离病房维持负压。保护性房间和隔离病房都需要设置前厅，作为公共区域和受保护空间之间的额外缓冲区，以防止病原体传播，为医院工作人员提供一个使用和移除个人防护设备的场所[5]。MILLER等[32]对特护病房进行实地压差测量和CFD数值模拟，得出维持隔离空间与外部走廊之间每小时平均压差（标准差）为-2.3 Pa（0.12 Pa）时，不会发生特护病房内病人之间的传播或病人到医护人员的传播。该研究只对特护病房的压差设定值进行研究，对于其他保护性房间或者其他医疗场所的压差设定值还需进一步研究。

3.6 UVGI设备对病毒传播的影响

紫外线照射可以诱导病毒的DNA或RNA结构发生变化（凋亡），导致其无法复制。许多微生物容易被紫外线灭活，包括细菌、病毒、真菌和孢子。但是紫外线会对人体健康造成威胁，它不会深入穿透人体组织，但它可以穿透眼睛和皮肤的外表面，眼睛最容易受到伤害。因此，国际组织和许多学者建议将UVGI设备用于医疗卫生场所，将其安装在暖通空调系统的管道中或者放置在房间足够高的位置，但UVGI设备需要正确安装、调整和维护[3-4,27]。而在中央暖通空调系统无法增加换气效率或减少空气再循环的情况下，独立的空气清洁装置和UVGI设备也可以发挥作用[3]。

5 结论

本文通过对国内外学者关于新冠病毒的暖通空调系统的研究进行对比，发现有明显证据证明暖通空调系统在病毒传播过程中起到作用，且这条路线得到了全世界的认可，所以有必要利用空调系统采取一些措施来控制病毒传播，通过对最近的文献进行综述，得出如下结论：

1）应尽量开窗通风，保证充足的室外空气；在有机械通风系统时，提高换气次数，医疗场所下建议通风率最低值为2 ACH，非医疗场所下应保持室外空气调节阀全开或10 L/(s·p)的通风率；还应注意进风口、排风口位置对病毒传播的影响；

2）将回风系统的空气过滤器提高至MERV-13过滤级别或最高水平，但要考虑其与现有设备的适配性；建议设计师在设计空气处理机组和空调系统时考虑HEPA与系统的适配性；

3）空调系统应连续运行，使用后延长使用时间，我国要求系统在每运行2～3 h通风换气约20～30 min；但有学者表示在具有风机盘管系统或者分体式空调系统的建筑物内，尽量停止运行空调系统；

4）对特殊场所进行压力控制，保护性房间维持正压，隔离病房维持负压（病房与外部走廊之间维持在-2.3 Pa/h）；

5）在医疗卫生场所内使用UVGI设备；笔者建议系统运维人员采用感染数学模型对感染风险进行评估以便为制定HVAC系统运行策略提供参考，以实现降低SARS-CoV-2传播风险的目的。