基于自然通风的SARS传播途径的案例研究

基于自然通风的SARS传播途径的案例研究

一、自然通风的研究意义和香港淘大花园SARS感染事件概况

建筑节能和改善室内空气品质是建筑可持续发展的两大主题。自然通风是实现建筑可持续发展的一种重要技术。然而只有很好地控制自然通风,才能使自然通风达到建筑节能和改善室内空气品质的双重目的。探求自然通风规律及自然通风建筑中的污染物的传播规律对自然通风系统的设计和控制、自然通风技术的有效利用以及控制污染物(如含SARS病毒颗粒物)的传播具有重要意义。

自然通风虽然是一种经济节能的除去污染物的手段,然而它受建筑形式、热压、风压、室内外空气的热湿状况和污染情况等因素的强烈影响。如果对自然通风不加以控制,对它的利用也只是有限的,有时甚至是有害的,例如香港淘大花园SARS感染事件中自然通风成为了SARS传播的重要途径。所以研究自然通风规律及自然通风建筑中的污染物的传播规律对自然通风系统的设计和控制、自然通风的有效利用及控制对人体有害的顺粒物(如含SARS病毒孩粒物)的传播具有理论和实际意义。

关于香港淘大花园SARS大规模感染事件中的SARS传播途径,众说纷纭,其中存在空气传播途径的猜测。针对香港淘大花园SARS病毒颗粒物的传播这种复杂的特殊问题,本论文对多区气流流动MIX模型作了一些合理和创造性的处理,模拟了香港淘大花园E座建筑各公寓的SARS病毒颗粒物浓度在SARS爆发期间的动态变化以及空气流动情况。将所模拟的结果与受感染的案例的空间分布进行对比发现,淘大花园E座各公寓的受感染的案例与由MIX模拟的结果存在一定的对应关系。据此可证实,空气传播是香港淘大花园SARS感染事件中SARS传播的重要途径,而风力和热羽的作用是引起空气流动的诱因。

二、自然通风计算控制方程和多区气流流动MIX模型

由多种模型用来预测建筑的自然通风量、渗透风量及气流通过开口或缝隙的流向.其中的一些模型,如AIOLOS、BREEZE、COMIS、CONTAM、MIX等,属于多区模型,如图1,即一幢建筑由一些通过气流流动路径相互联系的区域组成,每个区域代表一个单独的房间,流动路径可以是缝隙、开口或风管。

图1. 单区模型与多区模型示意图

针对此次模拟，采用多区气流流动模型MIX模拟在香港淘大花园SARS爆发期间,E座各公寓间的SARS病毒传播和SARS颗粒物浓度的动态变化。

自然通风量计算控制方程 1.连续性方程

基于流体为连续介质的假设和质量守恒定理

由于通常空气在流动过程中密度的变化很小,所以上式可简化为

其中m为质量流量,q为体积流量。

2.孔口流量计算方程

孔口流量计算方程实际上是由伯努利方程所得到的

3.能量平衡方程

假设建筑内有一热源强度为E的热源,系统做功为W,根据能量守恒方程可得

其中ul,u2为点1和2处的内能, 由于压力能与动能的变化相对于内能的变化较小,且忽略系统做功和湿度的影响, 建筑的围护结构绝热,所以上式简化为

4.布辛涅斯克(Boussinesq)近似

通常给定的参数是温度和热源强度,而密度是未知的,所以有必要建立密度和空气温度的关系式。对于一般通风分析,室内外密度差小,采用布辛涅斯克近似可得

其中Pi, Ti和Po,To分别为室内外空气密度和温度.

采用多区气流流动模型MIX。由于精确模拟空气流动及含病毒颗粒的扩散是十分困难的,尤其对于复杂建筑,所以用MIX模型解决本问题时,作了如下假设:

(1)以携带SARS病毒颗粒物的气溶胶作为被动示踪气体。

(2)忽略SARS病毒颗粒物通过墙体、地板、天花板及屋顶的渗透传播。 (3)假设室内所有内门是全开的且SARS病毒与室内空气充分混合,即室内SARS病毒颗粒物浓度分布均匀。

(4)假设室内温度略高于室外温度(如0.5℃)E座(第16层7公寓除外),即认为热压对SARS传播的影响很小。

(5)忽略楼梯间和电梯间SARS垂直方向的传播。

(6)假设在模拟时间(即源头病人停留的时间)内16层7公寓的SARS病毒颗粒物的浓度保持恒定,16层7公寓厕所的排气扇开启。

三、基于自然通风的SARS传播途径的研究

2003年3月底,香港淘大花园爆发了ASRS,在不到三个星期的时间内,感染病例总数就达到了321例。这些受感染的案例的分布并不是随机的,而是呈现一定的规律,大多数案例发生在某几幢建筑及某些楼层,如E座建筑,如图2