文摘
卫生保健设施通风设计极大地影响疾病传播的气溶胶。渴望控制医院内感染,同时减少他们的碳足迹激励使用非常规的建筑设计解决方案和相关的控制措施。本文认为室内感染性气溶胶的来源和类型,和病原体生存能力和传染性行为以响应环境条件。气溶胶扩散、传热传质、沉积在呼吸道,和感染机制进行了讨论,强调实验和建模方法。关键建筑设计参数描述,包括类型的通风系统(混合、位移、自然和混合)、空气交换率、温度和相对湿度、气流分布结构,入住率,设计空气消毒(过滤和紫外线辐射),和架构编程(源和活动管理)卫生保健设施。本文描述了主要研究结果,并建议未来的研究需要在卫生保健设施通风设计方法来预防空气感染的风险。
1。介绍
传染病的传播是全球关注的社会和经济原因。例如,季节性流感每年杀死200 - 500人。在2009 - 2010年,全球甲型流感(H1N1)造成17000人死亡,其中许多都是健康成人(1,2]。在2002 - 2003年,严重急性呼吸系统综合症(SARS)造成超过700人死亡,蔓延至37个国家造成花费180亿美元在亚洲(2- - - - - -5]。最近疫情也提醒我们潜在的大流行,如1918 - 1920年的西班牙流感(50 - 100人死亡5]。
疾病可以无论人直接或间接接触传播,但本文在感染发生在卫生保健设施,因为他们经常包含大部分传染性或脆弱的人,因为政府和其他卫生保健提供者有明确的责任减轻感染发生在墙上。
人与人之间传播的疾病可以导致直接接触受感染的人或通过一个中间对象的间接接触。直接接触感染可以引起护理人员不参加病人之前洗手6]。另一个常见的直接接触传播是由于大型感染性气溶胶短距离旅行从源到受体。间接接触的一个重要方式是机载传输通过细气溶胶的传播,发生皮肤碎屑,真菌孢子在长距离室内空气和时间尺度。气溶胶可以生成和发布的人类呼气动作(演讲、咳嗽和打喷嚏),皮肤脱落,或从表面再悬浮7]。
气溶胶疾病传播的主要途径是许多疾病,如肺结核和曲霉病。此外,最近的研究表明,气溶胶感染的重要性被低估的常见疾病如流感,特别是在寒冷和干燥的季节8]。例如,现代实验技术检测感染性气溶胶产生的感染患者在呼吸、咳嗽或打喷嚏(1]。建筑通风设计而言,任何通风设计的最大影响的航空路线会感染,这是本文的重点。
感染控制包括阻止任何阶段的感染途径。对机载传输来说,这可能意味着减少病原体从传染病人的生成,使用消毒技术杀死病原体释放到空气中,或者只是隔离传染病人特别的房间。控制一般分为三类:管理、个人防护、环境和工程。行政控制旨在让传染病人远离弱势人群(感染检测、分类、沟通和教育),并确保技术控制(例如,工程和个人防护)正确使用。机载传输途径,个人防护包括某种形式的面具或口罩,防止病原体的分布或吸入(5]。工程和环境控制主要干预后病原体离开之前呼吸区从一个人进入另一个的呼吸区。
在最简单的层面上,一个工程控制可能包括增加房间的通风率。这通常会减少病原体的浓度,这将减少感染。然而,房间不混合,房间里的所有部分人不呼吸,和传染性病原体的变化随着时间的推移和环境条件。此外,增加通风不是免费的,因为它通常需要更大、更高耗能设备。通风率应该增加多少?哪种类型的系统在减少空气感染最有帮助?这些问题不能回答没有感染风险的定量估计至少一个工程系统相比的相对风险。这样的感染风险模型必须包括每一个过程从源到受体。因此,必须考虑整个感染途径。
图1显示了机载感染途径和环境与工程控制可能影响沿着路径的步骤。节2每一步,我们审查的感染途径。将显示在其中,每一步之前评论的主题,但我们关注的重点是因素可以影响不同的通风系统的相对风险。节3,我们将讨论工程控制,会影响感染的步骤。还讨论了不同通风系统的相对优势(关注卫生保健设施)和是否模型截面2可能申请风险评估。部分4总结与讨论挑战现存的方法,可用于卫生保健设施通风的设计。
2。预测空气感染风险:从源到受体
有效通风卫生保健设施的设计,一个需要能够量化和预测空气感染风险。一个通风设计策略的明智的选择在另一个需要使用合适的指标。提供一个有用的预测,许多输入参数需要提供一个空气感染风险模型或实验。这些参数的精度和范围,当然,取决于模型或实验的复杂性和预期结果所需的详细级别。机载感染过程的关键因素,确定我们的讨论的组织,存在于Wells-Riley风险模型的混合室(9] 在哪里感染的概率是感染病例数,是易感人群的数量,是艾滋病患者的数量,广达电脑产生率,是一个人的肺通气率(吸入),是曝光时间间隔,这个房间通风率和清洁空气。就暗示了这个方程,一个需要知道,,,,为了量化感染风险。
这个模型是有用的但只有简单情况下的混合室,在空气中的病原体是随机分布在空间。多个参数和并发症出现的场景不是混合的空气。此外,经验数据需要存在最小剂量量化的病原体感染所观察到的一个人。节2.5,我们将考虑和比较更复杂的风险模型,但它们都涉及同样的因素:气溶胶生成、病原体运输、传染性损失,吸入和沉积。
2.1。代的气溶胶
2.1.1。空气气溶胶的类别
气溶胶是悬浮体的固体或液体颗粒的气体。医学界储备机载空运的气溶胶电流长时间(分钟)和远距离(> 1米)。因此,小气溶胶的贡献机载感染模式,而较大的气溶胶(解决很快)做出贡献飞沫传染模式。这是一些如何使用条款的变化在文献[5,6]。
有协议,气溶胶小于5μ在空气动力学直径(也称为微滴核(5)有助于机载感染(1,6]。然而,代表(1)考虑气溶胶大于20μ米,而唐et al。10)考虑气溶胶超过60μm是导致飞沫传染。一些作者也定义一个中间尺寸范围气溶胶导致感染通过机载和液滴模式。这中间的行为取决于特定几何设置,在通风气流模式,以及气溶胶应对周边环境(1,10]。
必须特别注意气溶胶变化在大小飞行时间由于蒸发。气溶胶可能从液滴政权对机载政权由于质量损失。气溶胶成分和环境因素如温度、相对湿度确定这种变化,必须仔细考虑任何研究[1,6,7,10,11]。
有成百上千的机载传染性病原体(6,10,12落入三大类:病毒、细菌和真菌孢子。病毒是最小的直径在0.02 - -0.3μm。细菌直径在-10年0.5的范围μm。孢子的最大直径在-30年0.5的范围μ米(12]。
人类活动是机载病原体传播的关键来源。这些包括呼吸活动(呼吸、说话、咳嗽、打喷嚏等。),洗澡,冲洗,使用自来水(感染性气溶胶雾化,尤其是细菌存在于水或在当地管道),污水从厕所烟雾化及其在构建下降管系统,运输和湿法净化室内表面的7]。其他人类活动如床,走在地毯上,或皮肤脱落,造成再悬浮的气溶胶表面(8]。
此外,各种医疗过程也导致病原体的传播。一些程序可能会增加微滴核代插管,心肺复苏术,支气管镜检查,解剖和手术用高速设备。目前,没有精确的列表这样的程序,也有过任何通风设计的影响研究病原体的传播发布的高风险的过程(5]。
除了这些来源,每个建筑设施都有自己的微生物生态学,支持某些类型的病原体的生长和抑制的增长。例如,采暖通风和空调(HVAC)系统组件(如过滤器、冷却线圈、进风口,多孔保温风管可以支持的增长和传播孢子在某些领域。另一方面,充足的阳光和自然通风在其他领域可能病原体(消毒11,12]。
2.1.2。呼气气溶胶
呼气水滴在空中传播的感染尤其重要。人类到期(呼吸、咳嗽和打喷嚏)创建最小的气溶胶相比其他来源。特别关注人类呼气气溶胶来源的其余部分。
咳嗽和打喷嚏时研究了Jennison [13)应用高速摄影跟踪液滴的大小和运动主题打喷嚏。七十年前,它是不可能跟踪气溶胶小于100μm。然而,Jennison决定重要的长度和时间尺度的打喷嚏。
杜吉德[14]研究了液滴的大小由打喷嚏、咳嗽、说话使用幻灯片上发现的微观测量污点直接暴露在空气中从口中呼出。他能够检测到液滴大小的范围1 - 2000μm。仙童和印章15)使用光学粒子计数器测量水滴呼气(OPC) 0.09 - -3.0的范围μm。Papineni,罗森塔尔(16]研究液滴大小分布的健康个体而张口呼吸,呼出的鼻子呼吸,说话,和咳嗽。他们使用一个OPC和一个分析透射电子显微镜(ATEM)。OPC表明,绝大多数的水滴在1μm。ATEM测量进行了收集幻灯片和液滴蒸发后显微镜下观察它们的大小。最初的液滴尺寸修正计算。他们证实的存在较大的液滴在呼出的气息而不是鼻子呼吸。杨et al。17)使用空气动力实验研究了液滴的粒径分布粒子谱仪(APS)和扫描移动粒子谱仪(smp)。他们的样本袋装之前分析;因此,大量的蒸发和液滴沉降可能发生。曹国伟等的实验研究。18)被认为是真正的咳嗽特征口打开后使用干涉米氏成像(IMI)。他们发现,滴2 - 2000的范围μ(对应的整个测量范围IMI)。
大型报道液滴大小的变化可以归因于三个主要原因:(i)的敏感性不同的测量技术,(2)的不可重复的性质为每个主题以及咳嗽和打喷嚏咳嗽和打喷嚏的可变性不同主题,和(3)蒸发液滴在不同时间尺度的初始大小。粒度分布数据文献归纳在表格中找到1。
咳嗽是由迈克尔描述的生理20.作为三相反射:灵感,压缩和过期。咳嗽的峰值流量可能高达12 L / s。Piirila和Sovijarvi21咳嗽的)进行客观评估。他们调查了咳嗽作为原始反射通常由一个初始深度灵感,声门的闭包,和一个爆炸性的过期伴随着一个声音。据报道,咳嗽的流动特性是因人而异。他们报告说,咳嗽反射的不同阶段的持续时间可以很容易地测量图的流程和时间。他们建议声门的闭包在压缩阶段的持续时间的咳嗽在0.09 - -1.01范围不同。他们还定义了一个有用的参数描述咳嗽,咳嗽呼气流速峰值(CPEF)。Nishino [22)详细解释了咳嗽和打喷嚏的生理学和指出两者之间的异同。流动态打喷嚏咳嗽类似的时间流速的变化。然而,峰值速度更高,除了嘴巴呼气,呼气的一小部分退出的鼻子。打喷嚏,Jennison [13]报道退出速度高达90米/秒速度峰值时间(PVT) 57女士。总打喷嚏时间在0.07 - -0.20的范围。朱et al。23]进行粒子图像测速仪(PIV)测量和计算流体动力学(CFD)模拟咳嗽滴分散在平静的背景。实验,他们发现咳嗽的初始速度变化范围的第6 - 22 m / s和唾液注入的范围6.1 - -7.7毫克。曹国伟et al。18]报道平均过期气流速度为11.7米/秒为咳嗽和3.9 m / s。
古普塔et al。24)进行了实验研究,以描述人类呼出的流量和时间剖面。他们结合gamma-probability-distribution功能符合实验数据。这些函数将特别有用设置咳嗽和打喷嚏CFD研究边界条件。他们描述完整的分销,只有三个参数:咳嗽峰流量(CPFR)、峰值速度(PVT),和咳嗽过期体积(CEV)。这些边界条件实现CFD模拟Aliabadi et al。(25]。他们表明,挥发性咳嗽和打喷嚏气溶胶蒸发根据它们的大小在不同的时间尺度。一般来说,小水滴(< 20μ米)蒸发在更快的时间尺度比更大的水滴(> 50(毫秒)μ米)的蒸发时间的顺序是秒。在蒸发率最重要的因素是环境空气温度和相对湿度。
霍普(26)开创了过期的温度测量在不同的气候条件。他研究了鼻腔和口腔呼出的温度环境温度的函数(5°C -33°C)和环境相对湿度(10% - -90%)。在呼气气温明显的可变性。同样,麦克费登et al。27)提供热映射人类的航空公司使用由插入细热敏电阻测量探针进入呼吸道。他们发现在normal-to-high呼吸速率,温度在上呼吸道系统的范围33.9°C -35.5°C。
2.2。分散、热量和质量传递
气溶胶生成后,下一步在空气中的病原体的感染途径是分散在通风空间,可能对潜在的犯罪嫌疑人。这个分散是一个包含多个变量的函数如气溶胶大小、均值和脉动速度的空气,温度,气溶胶的速率传输质量或与环境(即热。、蒸发或冷却/加热)。这些过程不能建模分析除了最理想化的情况。相反,CFD模型所需的连续相(空气)和离散阶段(气溶胶)。
2.2.1。建模的气流
解决连续相(空气)通风流量需要集成和解决方案的质量,动量和能量方程,通常使用有限体积离散化方法(28]。
流体流动机制在很大程度上取决于雷诺数(无量纲惯性比粘性力,)和格拉晓夫数(无量纲比浮力的粘滞力,)。在这些方程,是速度,长度范围,运动粘度,重力加速度,热膨胀系数,表面温度,是远场温度。根据空间几何,从层流到湍流发生在过渡和浮力流(如热羽流)变得很重要。空气感染的过程在一个房间里涉及广泛不同的尺度。例如,流附近的一个喷嚏是高度动荡和不强烈受到重力和浮力。相比之下,在长时间(分钟)和更大的长度尺度(完整的房间),湍流强度是越来越重力和浮力的影响可能更大。一个呼气液滴的传热传质是由流动的条件直接的距离(1 - 100μ米)在滴,这始终是层流由于相关长度尺度和小aerosol-air相对速度。
通常,需要某种形式的湍流模型room-scale模拟,然而动荡精确建模是连续相建模的限制因素,有两个原因:(i)湍流的物理不是很好理解,(ii)准确建模的动荡是计算非常昂贵。
最准确的方法模型湍流直接数值模拟(DNS)。在这种技术中,所有长度尺度的涡流(流体结构)(从小型到大型)解决。然而,这种技术要求与增加巨大的计算能力或数字,因此,不应用于通风模拟。
作为妥协,大涡模拟(LES)技术已经被开发出来,它解决了大漩涡,但使用流的小尺度的简单模型。这个想法是,大漩涡背后的基本动机远距离运输气溶胶的主要机制。这大大降低计算成本,但它仍然给建模带来了挑战通风气流:(i)所需的计算成本仍然很高,(ii)许多实现气流是必要的统计上显著的结果,和(3)原始流的扰动字段是未知的或难以生成(29日]。
不计算成本的方法在建模湍流雷诺平均n - s(跑)建模。这种方法不能解决任何实时流的尺度,而是单独考虑流的时均和脉动分量。这些模型报告时均参数波动等动能和耗散率。许多变体跑模型是可用的(,,雷诺应力模型(RSM),等等)。许多研究人员使用标准或可实现的湍流模型在解决通风气流(30.- - - - - -32]。其他研究人员预测通风气流使用重整化群(RNG)湍流模型。相对于标准和可实现的模型,RNG模型有更好的能力高低或数字相同的流(29日,32- - - - - -38]。大多数跑模型计算经济和提供有用的结果,特别是当定性结果是寻求。然而,他们不考虑湍流的各向异性,常常难以达到融合的解决方案。一个补救方法是使用雷诺应力模型(RSM),允许各向异性湍流的并提供了更好的结果比其他跑模型如果最初的解决方案是正确地猜到。
另一种方法是将跑和莱斯获得分离涡模拟(DES) LES强劲的地区大规模使用等不稳定的一个人,虽然跑是用来模拟流到其他地方。使用这种技术,莱斯的网格足够好,大漩涡可以准确地得到解决29日]。
总结的主要优点和缺点的湍流模型在表提供2。由于其相对计算速度,今天跑是唯一的方法使用在通风系统的工程设计。
2.2.2。建模气溶胶分散、热量和质量传递
粒子分散可以使用几种方法建模。最简单的方法是假定气溶胶像气体(真只对亚微米气溶胶),求出气体浓度运输守恒方程。许多研究已经使用这种方法(32,33,35,36),但它不能被用来预测的热量的传递和质量连续的阶段。同时,气溶胶大于1μm是受到其他色散力包括重力的影响,不占气体分散建模。
另外,气溶胶的轨迹可以由力平衡,相当于气溶胶惯性的力量作用于它25,39] 在哪里是气溶胶的速度,是连续介质相速度,阻力加速度单位速度(由斯托克斯定律为最小的气溶胶或经验阻力系数较大的气溶胶),重力加速度,是气溶胶的密度,是连续相密度,是每单位质量加速度引起的布朗力。
忽略辐射,气溶胶质量的机制,并对流和蒸发温度的变化。有时间的变化率气溶胶质量和对流换热系数,气溶胶的能量平衡方程可以写成 在哪里是气溶胶质量,是气溶胶比热容,是气溶胶的温度,对流换热系数,气溶胶的表面积,是远场连续阶段的温度,然后呢汽化潜热。
产生显著的结果,各种大小的大合奏的水滴随机跟踪,报告和bin-based意味着分散的位置和直径分布的气溶胶(40]。许多文献研究采用这种建模方法(30.- - - - - -32,34,38]。
2.3。可行性和传染性
这个词生存能力是指病原体的生存在一个给定的环境条件。病原体称为感染性只有他们能够攻击宿主细胞和繁殖41]。因此,所有感染性病原体也可行,但反过来不一定是真的42,43]。本文并不关注详细和复杂的感染机制;然而,这里需要一个粗略的检查,因为传染性的不确定性数据可以主导风险估计和强烈影响通风设计。
在烟雾化、流体剪切应力可以灭活一些病原体。此外,烟雾化后,一种病原体的生存能力变化的函数不同的环境条件,包括相对湿度、温度、氧气和臭氧浓度、露天因素(白痴),和电磁辐射43]。另一方面,在许多传染性疾病过程取决于病原体感染剂量和毒性浓度(疾病促进因素),使代理能够克服生理和免疫防御机制在宿主(11]。
重要的是要注意,先天和适应性的宿主免疫反应(如过去的曝光和/或疫苗接种)将修改响应任何明显暴露。下列反应可能:(i)暴露但不是感染,(2)暴露和感染而不是病(由于快速免疫清除过去会被暴露和/或疫苗接种,(iii)暴露,感染,和病变。此外,病毒的传染性取决于先前的主机与另一个疾病的感染。大厅等。44)研究动态儿童流感病毒传染模式b。他们发现,感染症状不同类型和时间取决于先前的感染或疾病,孩子们已经有了。这些intrahost机制/因素不在本文的范围之内。
2.3.1。可行性和传染性的测量
有无数的方法来测量空气中的病原体的生存能力和传染性。下面的四个主要类别的技术进行了综述。
动物实验机载感染病原体的考虑许多物理和生物方面可行性和传染性。一些研究人员报道研究使用豚鼠,猴子,和牛1,42,45]。尽管许多病原物种是常见的人类和这些动物,一些困难存在于人类的生存能力和传染性测量推断使用这些测试。人类和动物的呼吸道有不同的生理机能。结果,呼吸道尺度依赖的过滤和沉积效率差别很大从一个到另一个生物(42]。此外,空中的真正传染性病原体的函数这两个源和受体。人类和其他生物的防御机制不同,导致不同的传染性病原体。
类的方法称为文化的方法,因为他们是基于细胞生长的原则。这些方法中最受欢迎和古典技术用来测量可行性和机载传染性病原体。使用这些方法,样本收集空气中的病原体的媒体(如琼脂板)和孵化的有利条件(温度、相对湿度和化学成分)调查病原体繁殖的方式。克隆形成单位(CFU)将病原体的繁殖能力的测量46,47]。
重要的是要考虑可行性和单独致病气溶胶的物理损失(48]。为了实现这一点,一些研究人员添加aerostable孢子或放射性标记细胞的一个已知的比例感兴趣的病原体是可行性研究。这些aerostable孢子或放射性标记细胞的可行性并没有改变在一个广泛的环境条件(48- - - - - -51]。传统文化的方法,存在一些困难。非常好的pathogen-containing气溶胶的捕捉固体媒体(如琼脂板)或液体媒体(例如,全玻璃除尘器)可能是困难的(41]。此外,可行的和可再生的细胞可能在团聚体收集的CFU低估了实际的计算。
另一个很大的方法称为类分子的方法。这些方法不依赖于细胞生长和可以同时检测可再生的和不可重现病原体(41]。反向transcriptase-polymerase连锁反应(rt - pcr)技术允许检测single-pathogen DNA或RNA通过billion-fold副本(1,7]。尽管准确检测基因组(DNA或RNA),这种技术的一个重要限制是rt - pcr不能建立的传染性病毒气溶胶检测(1]。一些研究人员使用显微镜直接提供一个可行的病原体的总数量在一份事先准备好的解决方案。这样一个技术依赖颜色染色病原体的解决方案通过添加化学物质(如酸)病原体的反应(41]。
另一个很大的方法称为类空斑实验方法。这些方法的主要特点是物种的利益的活动中观察到一个生物体或有机样品。对于传染性测试,病原体的攻击和伤害细胞测量。形成一个空斑实验,气溶胶采样(例如,与全玻璃撞击滤尘器)和多倍的稀释病原体股票的准备。然后,标准体积整除接种和孵化易感细胞附近的样本在盘子里。空斑形成受损细胞,它生长直到凝胶板结构的限制。这种视觉斑块允许效价计算的病原体点状单位(pfu)单位空间。有时,活细胞染色,斑块之间的色彩对比和活细胞明显(52- - - - - -54]。空斑实验方法揭示信息的能力活细胞附着和感染病原体在适宜的条件下。然而,很难推断正确的传染性病原体的宿主由于宿主因素的可变性已经上市。表3提供了可行性的摘要和传染性对经空气传播的病原体的测量技术。
真正的可行性和机载的传染性病原体取决于复杂的物理和生物机制影响病原体的生存而悬浮在空气中,沉积到敏感网站主机,能力战胜宿主的防御机制。没有现有的测量技术准确地占所有这些机制。因此,它必须被理解,任何测量技术,在最好的情况下,接近真实的生存能力和传染性的关注有限方面可行性或传染性。例如,如果分子方法,准确计数的病原体是可能的,但估计他们的再现性和真正的与主机交互是妥协。另一方面,如果使用了空斑实验方法,某种程度的病原体与宿主交互是占,虽然病原体的准确计算是妥协。因此,空气感染风险的预测效度在一个给定的建筑通风设置是有限的生存能力和传染性测量技术使用的类型。
2.3.2。环境因素影响传染性和生存能力
许多环境压力负责可行性和雾化的传染性病原体的损失。表4显示了压力和靶细胞组件的意义(43]。
烟雾化后,细菌和病毒在液态悬浮液分散变干如唾液然后相对干燥的空气包围。损失的水是最大的环境压力源病原体和导致丧失生存能力。另一方面,呼吸道的高相对湿度水平促进气溶胶生长和影响沉积部位和效率以及一些微生物的生存能力在吸入的修复机制。
病毒结构的相对简单解释了为什么气溶胶失活研究的结果是病毒比细菌更一致。失活的病毒影响以下变量:(i)病毒与脂质外膜更稳定在低相对湿度比在高相对湿度(20% - -30%),(2)病毒没有脂质更稳定在高相对湿度比在低相对湿度(70% - -90%),(3)病毒的核酸没有脂质膜可能是孤立的,而不是发现在干燥过程中,虽然它可以恢复prehumidification抽样,(iv)最小生存脂质和nonlipid膜病毒发生在中间相对湿度(40% - -70%)55,56]。例病毒与脂质膜包括Langat Semliki森林,疱疹性口炎、牛痘,流感(43]。一些nonlipid膜包括呼吸道病毒腺病毒、鼻病毒(56]。
由于更复杂的生物化学、结构和组织,很难推广的影响相对湿度对细菌的生存能力。革兰氏阴性细菌(细菌革兰氏染色不保留结晶紫染料的协议)等粘质沙雷氏菌,大肠杆菌,沙门氏菌pullorum,沙门氏菌的德比,铜绿假单胞菌,变形杆菌属寻常的在中间可行性较低(50% - -70%)高(70% - -90%)相对湿度环境。此外,一些革兰氏阳性细菌(细菌染色黑暗的蓝色或紫色的革兰氏染色法协议)等白色葡萄球菌,链球菌haemolyticus,枯草芽孢杆菌,链球菌引起的肺炎(1型)在中间发现了可行性较低相对湿度。相比之下,革兰氏阴性肺炎克雷伯菌显示相对稳定(更高的生存能力)中间相对湿度。一些研究也表明,革兰氏阴性巴斯德菌物种更好地生存在高相对湿度(56]。
除了是否革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌,这些细菌是否dry-disseminated或wet-disseminated也会影响生存能力。考克斯(43)前者定义为意义的生物是雾化干燥灰尘或冷冻干燥粉,而后者意味着生物雾化液体悬浮,例如,人类粘液或唾液。考克斯(43)发现,dry-disseminated细菌从环境中吸收水分,而wet-disseminated细菌失去对环境水通过蒸发。这样的含水量的变化(即。,rehydration or desiccation) affect the viability behavior. For example, Cox [43)发现,湿的传播巴斯德菌,生存能力达到最低相对湿度在50% - -55%,而对于干传播到达最低相对湿度为75%。
真菌已经在实验室条件下研究较少,大部分实验数据取得了通过监测在室内和室外环境中真菌的水平。真菌预计将出现在更高的水平自然通风建筑。一般来说,较高的相对湿度支持真菌的生存56]。
蒸汽压,因此相对湿度,是依赖于温度。因此,很难完全独立的湿度与温度的影响。然而,研究,试图找到温度对雾化的影响病原体稳定通常显示生存能力下降当温度升高(55]。
温度会影响病毒蛋白的状态(包括酶)和病毒基因组(RNA或DNA)。DNA病毒通常比RNA更稳定。通常,温度的增加导致病毒生存能力下降。保持温度60°C以上60分钟通常是足够的大多数病毒的灭活。周围的有机物质(如血液、唾液、粘液,等等)可以保护病毒对温度应力(56]。
病毒培养实验表明,温度低至7°C 8°C是机载流感最佳生存,生存逐步减少在中等温度下为20.5°C-24°C。这种关系适用于一系列相对湿度(23% - -81%)。其他在活的有机体内的豚鼠实验证实流感传播通过空气更好的在寒冷和干燥条件。最近的实验表明,更高的温度约为30°C实际上阻止流感的气溶胶传播(56]。
一般的研究显示,在温度高于24°C,细菌似乎普遍失去生存能力。这减少了可行性一直在观察革兰氏阳性的成员,革兰氏阴性,与胞内细菌:假单胞菌,巴斯德菌,沙门氏菌,沙雷氏菌属,埃希氏杆菌属,芽孢杆菌,Brodetella,衣原体,支原体物种(56]。
一般来说,高温真菌生存的支持。室内和户外的浓度曲霉属真菌和青霉菌物种可能相差很大在冬天和夏天,以及在城市或郊区的环境,较高的温度和相对湿度与郊区通常更有利于高空中孢子浓度(56]。表5显示了一个概要的温度和相对湿度的影响机载病原体的生存。
在实验室比较病原体的生存与户外显示,在同等条件下的感光,相对湿度和温度,室外空气往往比室内空气更有毒病菌,尤其是在城市地区(43,57]。考克斯(57]属性这失活一个露天的因素(白痴)。呆子失活可能是由多种因素,包括污染物浓度、相对湿度、压力波动,空气离子(43]。
尽管(白痴)的确切性质还不清楚,各种实验的努力已开展相关呆子机制与已知病原体失活的机制。在一项研究中,不同浓度的阿3,不,不2,所以2C3H8C3H6C2H4C2H2介绍了灭活病原体。在不同的实验,介绍了各种风险的呆子灭活的生物体。发现白痴与臭氧(O最密切相关的3)和C3H6(57]。
气溶胶观测到的电磁辐射引起的失活是波长的依赖。同时,相对湿度、氧气浓度、气溶胶年龄和其他气体的存在影响电磁辐射损伤的可行性。更短更精力充沛的波长(x射线和伽马射线)可以破坏病原体的DNA。紫外线辐射作为一种能源生产的胸腺嘧啶二聚体。长和可见光波长影响线粒体细胞色素的酵母和细菌。另一项研究也表明,雾化的生存细菌在污水处理厂是晚上比白天高55]。
2.3.3。可行性和传染性模型
可行性和传染性往往难以分开,这是很常见的模型产品作为一个参数(相当于假设所有可行的生物感染)。失活的微生物气溶胶是很多的函数参数:温度、悬浮流体化学、相对湿度、氧气,和时间。然而,所有这些因素的集成模型是一个复杂的任务,因为许多微生物的失活机制不清楚。此外,许多因素协同作用(如温度和相对湿度),很难制定一个全面的模型。最后,应对环境压力是独一无二的每个有机体(如遗传倾向)。因此,大多数发达模型实证文献中,通常只考虑这些因素,时间和温度或相对湿度的另一个因素。模型参数是适合每个微生物气溶胶的可行性衰变的实验兴趣。
期间和之后的烟雾化微生物的解决方案,有一个稳定的时期。在这个初始时期,许多微生物经验剪应力和瓦解。同时,气溶胶的兴趣,保持空中体验快速蒸发(前10年代)与温度、相对湿度和液滴中的某些溶质浓度变化迅速的水平可能有毒的微生物。最初的稳定时间是快相对于空气中的气溶胶的一生。同时,各种环境因素的相互作用过于复杂与当前的理解和建模方法(58]。
指数衰减通常用于模型可行性;虽然问题过于简单化了,但经常执行以及详细的模型有20个或多个参数(55]。对于任何的环境条件,给出了指数衰减模型 在哪里是生存在时间为零,是生存在时间,衰减常数。许多研究使用标准的指数衰减模型以适应曲线数据或可行性预测生存在其他上下文建模(12,54,59]。一些研究人员扩展标准指数模型表达衰减参数作为变量由水活动和关键活动暂停的解决方案。小波等。58)符合其他常量来获取一个指数衰减变量的表达式。
虽然指数衰减模型(4)提供了许多优势,它很容易使用,它也有一个主要缺点。它预测的可行性气溶胶年龄很大时接近于零。这是与实验数据显示一个初始的快速衰减,后跟一个缓慢衰减导致生存能力渐近方法非零最小值(57]。结果,特别是在使用机载感染风险的指数衰减模型预测长期,极端必须小心不要低估风险。
克服这个困难的指数衰减模型,一系列的高阶动力学模型由考克斯(57]。作为解释,每个模型只考虑两个参数,其中一个是时间,另一相对湿度,温度,或氧气。正如之前所述,相对湿度对微生物的生存有最大的影响。用动力学模型,需要实验数据对于一个给定的一组相对湿度,温度,为特定的病原体或氧气。一个那么有几个常量的数据获取模型。
其他指数模型(4)是灾难模型。假定在经典治疗,化学反应不断进行,而仔细检查表明这只是一个近似,因为在分子水平上,个人的反应不是连续的事件。连续近似变得更精确的分子数量增加。丧失生存能力在一个小气溶胶有不连续的性质,因为只有少量的微生物。微生物是活着还是死了,这两个国家之间的突然改变称为灾难(57]。突变理论的数学模型是描述系统的势能的控制参数。对于一些控制参数的值范围,势能曲线有一个稳定的平衡状态,代表可行的状态。如果控制参数改变,有可能导致灾难性的下降势能,从而导致灭活或非平衡状态(57]。
高阶动力学和生物病原体灭活灾难模型更合理的指数模型,但很少有足够的数据来支持更复杂的模型。上述可行性模型的优点和缺点都列在表6。
2.4。吸入和沉积
2.4.1。呼吸系统建设
人类呼吸系统由三个区域组成:(i)上呼吸道鼻咽和口组成的一部分,(ii)进行气道的喉,气管、大支气管,和(3)呼吸气体交换地区由二级支气管,终端细支气管和肺泡(43]。细胞在这些区域有不同的功能,与纤毛粘液产生鼻咽细胞,下行单一细胞接触组织液形成肺泡。
2.4.2。沉积机制
沉积在呼吸道的气溶胶发生通过不同的物理机制。气溶胶小于0.1μ米直径由布朗扩散运输到人工气道表面。对气溶胶在0.1左右μm和1.0μ米,沉积可能发生由于布朗扩散和压紧的联合行动。对气溶胶的规模从1增加μ约1000μ米,从嵌入到沉降变化(即沉积机制。,重力沉降)[55]。
沉积在呼吸道的气溶胶取决于束形态。此外,呼吸模式和呼吸模式必须考虑建模气溶胶沉积在人的肺部。人类有能力通过鼻子或嘴巴呼吸。呼吸模式可能发生按照规定或自主呼吸。呼吸模式经常被描述的潮汐容量和流量。一般来说,更大的潮汐卷导致更高的气溶胶沉积在肺aerosol-laden空气渗透入肺。较低的流速也导致更高的气溶胶沉降沉积和扩散过程(60,61年]。
温度和相对湿度在呼吸道不同类型的呼吸,和解剖位置。通常,温度37°C和99.5%的相对湿度可能认为鼻呼吸。口腔呼吸的温度37°C和90%的相对湿度可能假定。增加1%的相对湿度可以认为气道代(分支),直到达到最大值99.5%。相对湿度和温度影响吸湿气溶胶在人类肺癌的生长。这导致气溶胶直径和密度改变。因此,实际的气溶胶的大小在活的有机体内和在体外实验可能不同(60]。
2.4.3。呼吸道沉积模型
气溶胶沉积在肺部已经建模经验和机械化。在实证模型,流体和气溶胶动力学与呼吸有关的简化表达式(60]。机械建模气溶胶的沉积在呼吸道需要航空公司的形态的描述。整个气道树的分支结构和尺寸(例如,直径和长度)必须考虑每个气道。理想化的形态模型基于特定的实验观测和模型已用于气溶胶沉积建模(60]。
2.5。摘要:感染风险模型
物理和生物过程回顾本节确定(显式或隐式)的空气传播性疾病从源到受体。这个传输过程的模型被称为作为一个感染风险模型。
可以是感染风险模型确定的或随机。在确定性模型中,每个个体是假设有一个固有的耐受剂量的传染病。当他或她摄入剂量高于这个公差,感染发生。否则,它不。另一方面,随机模型不确定一个人是否会生病在一定剂量的条件。相反,获得感染的模型估计概率下摄入剂量(62年,63年]。随机性和确定性模型之间的区别比实际更多的哲学,因为即使一个潜在的感染过程是确定的,总有许多未解决的参数(从宿主和病原体的遗传变异湍流运输从源到受体),这样所有的实用模型减少概率计算。
一个感染风险模型的进一步分类阈值与nonthreshold。阈值模型假设一个最小数量的病原体是必要的感染,而nonthreshold模型假定任意数量的病原体,原则上,可以引起感染62年]。
2.5.1。Wells-Riley感染模型
莱利等。9)开发了第一个机载感染模型麻疹暴发的流行病学研究。他们的配方(1)是基于的概念广达的感染。量子数定义为所需的传染性气溶胶感染一个人。Wells-Riley方程假设混合室内空气和稳态感染性气溶胶浓度随通风率()。机载病原体的生物腐烂没有明确被认为是在这个方程;然而,这些信息是由量子隐式模型中嵌入的一代()。自Wells-Riley模型与实验测量的量子感染,它认为许多隐含的复杂性。
不同的研究人员使用混合Wells-Riley模型来预测感染风险(12,64年]。提高模型,其他的研究也将呼吸器过滤的影响,生存能力损失的病原体,沉积的传染性病原体和失活的病原体紫外线照射(62年,65年]。尽管这些努力已经走过了漫长的道路,他们不提供细节的空间分布的风险在一个给定的空间。为了克服这些困难,钱等。33)集成Wells-Riley方程为CFD模型预测风险的空间分布在通风空间。从本质上讲,混合模型应用于小房间的子域。
2.5.2。感染剂量反应模型
剂量反应模型需要感染剂量数据构造的剂量反应关系。这个试验得到的数据是在这样一个大易感人口暴露于病原体的不同剂量,并观察到多少比例的人口发展感染。例如,剂量导致50%的人口生病。
的耐受剂量生物概念是合理的,因为它认为免疫状态的变化和主人的敏感性的科目。有两种对立观点的过程微生物感染宿主的剂量反应关系的推导而言。第一个模型可以描述为确定性的假设,假定完成合作病原体引起感染宿主。根据这一假设,假设每个主机生物有一个固有的最小感染量,如果是暴露剂量超过这个最少,然后观察反应的结果。第二个模型可以描述为随机假设,假设病原体独立工作和每个人都可以有可能引起感染宿主(单)63年]。
确定的耐受剂量的剂量反应模型是直接实现的概念。这些模型需要实验感染人口数据适合耐受剂量的分布曲线。一些实验感染的分布结果表明,耐受剂量可以对数正态分布来描述(62年,63年,66年] 在哪里耐受剂量的频率分布,是标准化的耐受剂量,是摄入剂量,和是自然对数的平均值和标准偏差的耐受剂量。这些数据是由拟合病原体感染剂量数据在一个实验。Sze-To和超62年)将威布尔分布作为另一种可能性。
随机的解释也存在剂量反应模型。由于数学的复杂性,这些模型预测感染风险仅为一个怀疑(相对于人口)。一般来说,摄入剂量越大,感染的可能性就越大。在随机单冲击模型,主机必须包含至少一个病原体摄入剂量,达到感染网站生存,直到症状。对雾化病原体,指数和Beta-Poisson模型已经提出(62年,63年]。的指数模型 在哪里传染性病原体和摄入剂量。如果只有一个可用的感染剂量值,只能使用指数模型,其他模型至少需要两个感染剂量值计算拟合参数。
Sze-To和超62年)已经开发出一种感染风险模型,可以将气溶胶大小和时空因素为剂量反应模型。通过这种方法,就可以形成一个模型,给出了机载感染风险的主体(移动或静止)作为时间的函数。病原体的接触水平位置在时间间隔是由 在哪里在呼吸道病原体的浓度液体(即。、口腔粘液和唾液),是生存函数的病毒或细菌气溶胶,然后呢是呼气液滴的体积密度的位置。可以通过CFD建模。因为它是一个非常耗时的计算来确定暴露水平每呼气动作(如咳嗽或打喷嚏),在所有地点,可以计算暴露水平的呼气动作然后乘以暴露水平的数量在曝光时间间隔到期。通过这种方法,随机和nonthreshold剂量反应模型可以形成空气感染风险 在哪里是气溶胶大小箱子的总数,液滴的体积密度吗jth大小本,是过期的频率。传染性(反映在)和沉积的感染性气溶胶(反映在)气溶胶大小的依赖,因此分成不同大小的箱子。
2.5.3。人口感染模型
一些研究文献中模型空气感染的风险人口的个体,而不是一个怀疑65年,67年,68年]。这样的模型被称为人口或流行感染模型和模拟动力学在总人口(),由敏感()、感染()和恢复()亚种群3,65年]。这些亚种群之间的关系表示使用一系列的物理和生物参数相关的微分方程。模型的复杂性取决于参数的数量。各种研究人员考虑气溶胶大小,由吸入病原体感染的概率,物理清除空气中的病原体感染回收率、失活速率机载病原体,机载病原体产生率,和更多的参数3,4,65年,67年,68年]。例如,Noakes等的工作。3Wells-Riley模型集成到一个人口感染模型。Noakes和雪橇4还开发了一个人口模型,发现感染率为多层的卫生保健设施。
虽然这些模型扩展机载感染风险预测人口,他们不解决感染风险空间,因为他们认为对经空气传播的病原体的混合分布。的空间分辨率将导致许多数学复杂性等模型。另一方面,Wells-Riley (1)和剂量反应模型(例如,(5),(6)和(7))预测感染概率为一个嫌疑人,但他们可以解决风险的时空组件(例如,(8)和(9),因此足以指导通风设计。
3所示。建筑通风设计参数对机载感染风险的影响
3.1。类别的通风系统
通风系统可分为根据机制推动气流。机械通风系统是风机驱动的。正压机械通风系统是煽动摄入量和导致漏出的空间(即。,空气泄漏的通风空间)。另一方面,负压机械通风系统排气扇,导致渗透的空间(5,69年]。
自然通风系统依赖于自然力量如风力或density-generated压力差异驾驶室内和室外空气通过建筑空缺。一些专用空缺包括门、窗户、太阳能烟囱,风塔(5,69年]。先进的自然通风系统与被动冷却或加热也被开发出来。在这些系统中,室外空气通过堆栈提供美联储从地下混凝土完全提供被动冷却或加热。空气使通过栈空间。在一些先进的系统,中央控制单元操作阻尼器在进口和出口的位置为每个空间(69年]。
混合通风(代码)系统依赖自然驱动力足够的扩充和使用机械通气时必要的。通常,排气风扇用于协助自然通风负压装置(5]。在一些系统中,被动down-draught冷却(PDC)鼓励空气下降通过冷冻水管道在炎热的天气在一个较高的水平。在凉爽的天气里一些系统使用排气流温暖的空气。通常,传感器和控制技术是混合动力系统的最佳性能所需的(69年]。表7显示主要的优点和缺点与上述通风系统(5]。
另一个分类通风与空气运动的结构类型。两个重要的变化是混合和置换通风系统。混合通风的目的是创建一个统一的低浓度受感染的空气,随后提取。提供的空气是沿着天花板高紊流有效混合(10]。位移通风流动是由空气密度差异在房间里(浮力)。在实践中,既不是纯粹的混合也不是纯粹的置换通风。总有两种机制的组合与一个处于主导地位(10]。
3.2。通风系统的性能
3.2.1之上。空气交换率
每小时换气次数(ACH)对积极和消极压力的定义是不同的房间。对于正压室,室外空气流入的体积的比值给定空间一个小时除以体积的空间。为负压室排气气流速度是用来计算(5]。通常,更高哦导致更多稀释的病原体感染风险和减少机载(5,69年]。如果户外条件有利的(例如,温差和风力模式),自然通风建筑空调采暖高于机械通风建筑物。
大多数建筑规范要求最低ACH预防疾病传播的空气足够的空气稀释。例如,美国疾病控制中心(CDC)和预防,世界卫生组织(世卫组织)和美国社会的供热、制冷和空调工程师(ASHRAE这样)都需要至少12课时和负压新建机载感染隔离房间(70年- - - - - -72年]。表8显示了一个医疗机构的列表功能空间,子空间ACH和压力要求的例子(72年]。
标准170美国社会的加热、制冷和空调工程师(ASHRAE这样)定义了各种功能空间在卫生保健设施和指定最小ACH在每个空间(见表8)[72年]。
急救护理单位,如伤口重症监护病房(例如,燃烧单位)需要提供个人湿度控制。机载感染隔离(暗)房间被定义为空间隔离患者高传染性疾病(例如,肺结核和流感)。对于这些房间,代码需要连续负微分空气压力排气指向外面没有混合与其他排气流的工具。此外,上述排气位置需要病人的床上。保护环境(PE)房间都旨在保护免疫功能低下的患者(如艾滋病)从人类和环境空气中的病原体。代码需要密封和这些房间提供持续积极的空气压力差。同时,进气口上方扩散需要病人的床上,和排气返回需要在门附近。手术房间在三大分类子目录(A、B和C)。类手术提供了小手术术前镇静。与口服B类手术是小手术,肠外或静脉镇静或止痛剂或游离的药物。C类手术提供了主要的外科手术,需要一般或区域阻滞麻醉和支持重要的身体机能。代码需要积极B和C类手术房间压差。此外,进口扩散器应放置在手术床上,和返回排气格栅应靠近地板的水平。为停尸房和尸体解剖房间,代码需要排气不应该结合空气从任何其他排气系统。
相反ASHRAE这样170标准,这就需要机械通气在所有功能空间,其他标准促进了自然通风的使用。例如,英国国民健康服务(NHS)政策规定只机械通气主要医疗领域如空气感染隔离房间,手术室,和相关的房间。住院房间不需要机械通风5]。
3.2.2。温度和相对湿度
作为讨论的部分2.3。2、温度和相对湿度影响病原体生存能力。建筑规范尚未完全精炼需要特定的温度和相对湿度的组合来减少空气感染风险。也不做任何建议特定的病原体的类型被考虑。例如,ASHRAE这样170需要20°C的温度范围-26°C和30% - -60%的相对湿度范围对于大多数卫生保健功能空间(72年]。困难是缺乏知识的一部分雾化病原体生存行为在不同的环境条件。此外,一些环境条件对舒适性或恢复过程。在这个领域还需要更多的研究来改善建筑规范。
另一个值得关注的领域是暖通空调系统中的微生物生长在潮湿的环境中(如管道、增湿器、蒸发式空气冷却器,冷却线圈漏锅,和冷凝网站)。科瓦尔斯基,Bahnfleth12)报告,特别是利用孢子发芽,用潮湿的条件。ASHRAE这样170限制的数量相对湿度90%的最大价值在任何暖通空调系统的管道工作(72年]。
3.2.3。气流分布结构
增加课时(高稀释)并不是唯一的方法来减少空气感染的风险。乙酰胆碱是一种有用的但钝器评估空间的通风率。一个房间可能有较低的高整体ACH但通风在特定领域。各种配方开发考虑到这种差异。例如,钟和许73年)定义通风效果使当地空气刷新率的空间分辨率 在哪里在位置相对通风有效性,在排气污染物浓度,供应的污染物浓度扩散器,污染物浓度在位置吗。一个更高的显示较高的通风效率。房间与短路气流模式将在一些地区有很高的通风效果,而停滞的空气在其它领域与非常低的通风效果(5]。一个完整的通风研究必须考虑空调采暖和space-resolved空气交换效率。
当地的空气交换效率需求尚未标准化在大多数建筑规范部分是因为空气交换效率的相互依赖性与其他设计参数不清楚。例如,一个需要研究室内装饰房间,位置排气扩压器,入住率,感染扩散同时进行必要的建议。最近,因为它将节中讨论3.3,许多研究都集中在研究空气的气流分布结构对色散的影响疾病代理和随后的感染风险。
送风和删除系统的类型和位置是关键影响因素中的气流分布结构通风空间。机械通气,ASHRAE这样根据表定义了不同送风散流器类型9。
在机械通风,降低感染风险的一个策略是使用置换通风。垂直向上类型新鲜清凉的空气置换通风介绍底部附近。热量从热的空气温度上升的对象(如人体),和浮力需要温暖和空气污染(可能包含机载病原体)接近天花板和随后的排气删除(10]。向下的置换通风,另一方面,介绍了空气冷却和重型顶部与底部排气移除。冷空气下降由于负浮力和达到地板如果空气混合是可以避免的。这个通风方案,如果它可以正确地设计和操作,是非常理想的去除大滴(10,36]。向上的置换通风,高高的天花板和收益的热量需要墙壁和设备必须最小化。向下的置换通风,空气混合应该尽可能避免。
ASHRAE这样17072年)严格禁止使用向上置换通风在所有卫生保健设施。例如,它只需要E组扩散器类手术房间,保护环境(PE)房间,伤口重症监护病房,A组或E扩散器空气感染隔离的房间。ASHRAE这样的主要指导原则是增加空气中的病原体稀释,因此降低感染风险。其他指导方针允许置换通风在卫生保健设施。例如,疾病预防控制中心(70年]表明隔离病房通风向下位移。
的位置,大小和体积气流供应和提取的空缺影响流模式和机载感染风险水平。进口和出口开口的安排可以导致不同的尺度流动循环,室内污染物的平均年龄可能会改变。一个很有用的技巧,优化进口和出口开口的属性是使用示踪气体实验和计算通风效果在不同的网站。
对自然通风的建筑,气流分布结构的预测更加困难,因为室外空气运动行为是难以预测的。两个主要的影响因素是风压和堆栈(或浮力)压力。当风罢工一个建筑,它引起一个正压在迎风面和背风的负压的脸。这个驱动气流通过建筑从正负压开口。风压是标准化的动态压力的室外风速5] 在哪里风压系数,是总压强,是大气静压建筑高度,空气密度,在远场风速。
堆栈(或浮力)压力产生的空气温度(或密度)室内和室外空气的区别。这种差异生成一个不平衡的压力梯度内外空气列导致垂直压差。通风率通过堆栈之间的压差是一个函数的两个空缺堆栈(5] 在哪里堆栈的压力,室外空气的密度,重力加速度,是两个空缺之间的高度,室内温度,室外温度。
自然通风系统可以分为四组。在横向流系统,不存在障碍物两侧的盛行风。在风塔系统,风被正压和负压提取。在简单的烟道堆栈系统,垂直堆栈在每个房间屋顶允许空气流动。在一个太阳能心房堆栈大型栈是由太阳辐射加热,协助向上方向的空气流动和删除(5]。
混合通风系统设计方法可以分为三大类。在fan-assisted堆栈系统,在排气风扇补充剂的提取空气堆栈的位置。在自顶向下风机系统,提取辅助的风塔。在埋管系统,当土地可用,通风管(导管)是用来使空气温度稳态值(5]。
主要设计元素自然或混合通风系统要求网站分析、建筑设计分析,通风口的设计。网站分析关注建筑的位置、布局、定位、景观;建筑设计分析包括建筑的类型,功能,形态,信封,内部空间分布、热质量;通风口的设计问题的位置、类型、大小、和控制开口的5]。
居住密度是一个重要因素影响气流分布结构空间。过度拥挤往往是与感染的比率上升。不仅人们的热负荷高会使气流分布结构不可预测,但也滴模式和污染的表面对疾病传播。一些医生认为至少应该有两臂长度之间的患者(7]。
人工呼吸活动也会影响气流分布结构。呼吸、咳嗽和打喷嚏可能都会影响房间气流。利用CFD研究,高和妞妞35)表明,正常呼吸不极大地扰乱气流通风空间。然而,与背景之间的交互咳嗽和打喷嚏气流可能很复杂,需要详细研究。
人类居住者也产生热羽流与通风气流和其他羽毛在通风空间。在某些情况下(例如,向上的置换通风),这些羽毛可以帮助去除气溶胶。热羽流也可以防止气溶胶去除通风空间。例如,向上故障置换通风系统可以创建循环区,使气溶胶在域很长一段时间。同时,热羽流在向下位移增加混合通风系统,阻碍气溶胶去除通过低水平尾气36]。
居住者的运动和其他活动也扰乱的气流通风领域。例如,之后,一个人走路时从一个位置到另一个可能是负责混合空气,因此空气感染风险增加。打开或关闭门窗等行为也可以是重要的(10]。一般来说,入住率的影响知之甚少,许多研究是改善所需的建筑规范。
3.3。气溶胶分散在不同的通风系统的实验研究
Wan et al。34)进行了CFD模拟和IMI实验来确定呼气液滴分散在医院病房与混合通风系统类型。他们使用一个液滴生成和鼓风喷嘴注入。这个喷嘴提供注射速度10 m / s,空气温度为307 K, 0.4 L / s的气流速度。代孕的挥发部分代表口服液体流体为0.94。在模拟中,他们使用了各种大小的液滴垃圾箱在-1500年1.5的范围μ12米的模式μm。对于完全混合系统,由于去除气溶胶的衰减指数通风系统。然而,他们发现,衰变速率更快在现实中由于水滴沉积和大多数机械通风系统操作条件之间的完美,完美取代混合通风。两个独特的行为观察:小尺寸组气溶胶(< 45岁μ米)展出机载剧增的行为,而大尺寸组气溶胶(> 87.5μ米)迅速与引力。同时,液滴的分散表现出不同的制度和运行时间。这是由于动量与背景喷射流的相互作用以及气溶胶的大小变化由于蒸发。
张,陈30.]研究了分散的单分散和nonevaporating气溶胶与天花板通风系统供应,供应侧墙,和地板下气流分布系统。冷凝气溶胶发生器是用来产生气溶胶在0.31到-4.5之间μm。粒子计数器是用来测量浓度在不同的高度。他们观察到地板下系统有一个更好的气溶胶去除性能比天花板类型和侧壁供应系统。
阴et al。74年]研究了示踪气体和细分散单分散nonevaporating气溶胶混合和置换通风系统的实物模型完全占领医院病房。他们用示踪气体(),1μ米和3μm气溶胶被释放在稳定病人床上。光声multigas分析仪和多点样品是用来测量浓度在不同的位置。APS是用来测量气溶胶的浓度。结果表明:4课时的置换通风去除更有效的示踪气体和气溶胶比混合通风型6课时。他们观察到,置换通风系统的性能是非常敏感的位置全部耗尽。如果任何排气位于低水平,污染物浓度在呼吸区将比混合通风类型。所有尾气必须位于高水平,最好是靠近污染源。
钟和许73年)研究了扩散和排气位置的影响污染物的去除。他们用有限公司2示踪气体供应和观察通风有效性(10)的变化在不同的位置。有趣的是,尽管总空气交换率对扩散器的位置和排气,当地通风有效性变化很大从一个到另一个。例如,排除入住率和浮力的影响,最有效的设计定位是扩散器、排气面对面在相同的高度和两端的房间。实际房间的复杂性出现入住率和热,场景必须进行详细研究。
钱的研究等。36)使用N2O示踪气体观察扩散的影响和排气位置通风系统去除污染物的性能与热模拟病房人体模型。在他们的实验中,扩散器放置在病人的头部,但排的位置是不同的。所有的实验都在4课时。他们观察到下行通风系统不能产生一个单向气流模式,自人体热羽流诱导混合污染物去除和不安。另一方面,更高的位置引起的排气污染物的去除更有效。
Escombe等的研究。64年在秘鲁利马的医院透露,打开门窗可以提供平均住院房间通风28课时。他们还报告,设施建造50多年前,与大型门、窗户和高高的天花板,提供了一个平均通风40课时。他们用有限公司2示踪气体实验证明空气交换率高的自然通风的理想条件。
玉等人的研究。75年]表明,自然通风的高层建筑与相互联系的公寓受益于高呵,但空气中的病原体可以在公寓之间旅行,通常更高的感染风险最高。
3.4。设计的空气消毒
3.4.1。过滤
一般来说,两个来源的清洁空气可以用来更新室内空气:室外空气,过滤空气。有时也使用这些的组合。空调室外空气可以能源密集型,但另一方面,使用过滤器在暖通空调系统在建筑节能提供了大量机会。科瓦尔斯基,Bahnfleth12)表明,在一定条件下,使用空气循环和高效微粒空气过滤器(HEPA)减少了室内空气微粒浓度类似于完整的外部空气系统。科尔和库克(11)+循环还报告,通风可以减少微滴核浓度30% - -90%的有效性。
最小效率报告值(马雷)评级ASHRAE这样设计的测量量表,对空气过滤器的有效性。表10显示了不同类别的评级,每个设计滤波器气溶胶在一个特定的范围。
ASHRAE这样170需要两个滤波器在任何医疗通风系统的设计。滤波器组。1是将上游的加热和冷却线圈和供应球迷过滤所有传入的混合空气。滤波器组。2是安装了下游的湿空气冷却线圈和供应的粉丝。表11显示所需的莫夫评级和滤波器对一些关键的功能空间在卫生保健设施72年]。
困难之一莫夫评级较高的过滤器(如HEPA)堵塞,需要定期清洗或更换他们(11]。有时中等莫夫评级过滤器代替,而他们仍然有能力消除空气中的病原体,特别是孢子,没有操作成本高。整个过滤系统的去除效率是改善如果过滤器放置在再循环循环而不是外部进气或下游的冷却线圈(12]。
几个过滤器制造技术中的挑战依然存在。例如,高效过滤器造成更大的压力下降,因此需要空气辅助风扇或泵供应所需的压力。这增加暖通空调系统的能源消耗。同时,高效过滤器是很难使用自然通风系统,因为这些系统的压差是不足以驱动流过过滤器。另一个挑战是气溶胶的过滤在0.1到-0.3之间μm与经济的解决方案。气溶胶小于0.1μm是有效地捕捉到扩散力,和气溶胶大于0.3μm是有效地捕捉到压紧。
3.4.2。紫外线辐射
使用紫外线(UV)辐射可以发挥关键作用消毒病原体或限制其增长。例如,紫外线辐射被用来限制微生物增长冷却线圈。紫外线辐射会损害真菌生长和在某些情况下杀死孢子。关键因素需要考虑气流速度,当地的气流模式,维护,抵抗微生物和湿度。慢性与紫外线辐射剂量也可以产生重大影响消毒空气中的病毒和细菌。一次走刀接触病原体紫外线可能不是有效的消毒,但是再循环空气通过紫外线辐射单元可以非常有效的空气消毒11,12]。紫外线消毒设备放置空气供给系统的上游或在通风空间接近上限,人类接触的很少。
3.5。建筑规划
3.5.1。源管理
传染性病原体通常来自一个源头,一个人或一个对象。这些资源可以被隔离人力资源管理并定期清洁和检查的材料。例如,患者肺结核可以安置在负压房间,需要戴上口罩,或放置在层流病床,直到痊愈。进一步,房间布局(如床上放置,门窗操作,和室内装饰)和分裂的平面图到子空间连接走廊可以精心设计从嫌疑人隔离病原体来源。定期清洁和检查而言,黴菌污染由热水系统,建筑材料可以被净化和过滤器和暖通空调单位可以定期检查和清洗,消除表面来源。最近的研究也显示了机载或表面灰尘质量之间的正相关和相应的真菌、细菌和病毒,因此即使除尘可以预防措施在减少病原体来源(11]。
3.5.2。活动管理
活动的过程管理是确保建筑物用这样一种方式设计。有时,机载感染风险增加,因为建筑功能空间是人口过剩。其他时候,它是建筑的一部分的结果被用于其他原因比它设计的初衷。例子包括实验室的结构设计为办公室或宿舍或办公室,最初设计为设施。另一种可能性是建筑环境的改变是通过移动家具或添加扩展已经设计空间(11]。
4所示。结论和研究需求
过去爆发的疾病传播卫生保健设施的确定等病原体肺结核、流感和曲霉病空气传播的传播密切相关。因此,有新的兴趣在卫生保健设施预防空气传播疾病。研究导致的发展有用的方法预测的机载疾病传播的各个方面。物理建模和实验,气溶胶传输显示分散机制、热量和质量传递气溶胶在不同的政权从亚微米到毫米大小。许多详细的感染模型如Wells-Riley模型(1)和剂量反应模型(例如,(5)(9)已经提出了预测空气传播的疾病在卫生保健设施。当前状态的研究也表明,对经空气传播的病原体的重要来源包括人类活动(呼气、再悬浮和脱落),构建微生物生态学(室内环境和暖通空调组件)。各种机载病原体的生存能力和传染性响应环境条件,如温度和相对湿度,也在相当大的深度理解和量化。例如,动物实验,培养方法,分子的方法,和空斑实验方法被用来测量病原体生存能力和传染性衰变速率对许多不同类型的微生物尽管所有这些技术受到实质性的缺点。不同的通风策略的影响(混合、位移和自然)空气汇率和气溶胶的传播也被研究过。例如,混合类型通风可以达到足够的稀释空气污染的减少感染率。置换通风策略,如果成功实施,有助于从noncontaminated隔离受污染的空气,从而减少感染的风险。在理想环境下,自然通风可以表现出非常高的空气交换率(因此稀释),减少空气感染风险。此外,各种建筑规范实施预防措施减少空气感染风险。例如,高效过滤空气和高汇率规定重症监护单位(手术和保护环境的房间),和排气机构推荐安装接近污染物来源。
当前的方法有助于健康的建筑通风设计。然而,尽管最近的进步,有许多研究来改进这些方法。这些改进可以实现考虑同样的感染途径呈现在图1和影响环境与工程控制可能对每一步沿着路径。下面的部分建议未来的研究需要在卫生保健设施通风设计步骤的顺序的感染途径。
4.1。相对重要性的机载和其它感染途径
有效的卫生保健设施通风设计是可能的只有空气感染途径的相对重要性很多病原体而闻名。换句话说,一个需要知道所有通路的重要性(直接和间接)来证明一个特定的通风设计放在第一位。的直接途径感染(如握手、密切接触,等等)不需要液体载波相位(空气)运输病原体从源到受体在几分钟,因此,通风设计没有影响的缓解。如果直接接触感染模式主要为某些疾病,增加空气交换率将一事无成,但增加了能量消耗。机载感染途径被认为是重要的对于某些病原体等肺结核和流感。然而,仍有不确定性的相对重要性不同的感染途径对许多其他疾病。不确定性的原因是缺乏数据分析在实际疫情和伦理担忧运行相关的实验。历史数据的文档、分析和解释感染传播是一个有用的工具,揭示了机载感染许多疾病模式的重要性。
4.2。源管理
合适的程序设计在卫生保健设施可能是最有效的方法预防空气感染风险。未来的研究应该推荐什么医疗程序减少暴露在空气中的病原体。这可能包括物理分离的感染别人的人口。即使这不是完全有可能(对护理人员),关于个人防护装备的使用,建议卫生程序(例如,洗手),和照顾力学可以很有帮助。此外,住院和护理提供方法可以特定于类型的感染。建筑规范要求可以显著提高包括针对疾病的建议。
4.3。源特征
人类活动是一代致病气溶胶的重要来源。呼吸到期(演讲、咳嗽和打喷嚏)生成许多可行的和感染性病原体从亚微米到毫米大小。皮肤脱落,散步,和其他nonexpiratory活动生成或resuspend致病性气溶胶。尽管众所周知,呼气传播病原体,如流感和活动肺结核,它仍然是一个悬而未决的问题其他病原体的一代是否过期也很重要。
4.4。分散
4.1.1。通风设计对气流分布的影响结构
目前大多数建筑规范没有明确考虑强制通风气流分布结构设计。大多数努力减少空气感染风险仅限于增加空气交换率和更高的受污染的空气稀释。即使具体建议是关于进口扩散器和出口排气位置的位置,太一般的指导方针。每个通风策略(即。,mechanical, displacement, or hybrid) results in a certain airflow distribution and ventilation effectiveness (10整个空间域)。有很多研究,揭示了执行效果的空间包络条件下,扩散器的位置和排气港口、空气交换率、通风策略使用。的确,这种分析是非常特定于类型的房间设计,和详细的CFD模拟是必要的,但这种分析的建筑规范允许一个房间的通风系统设计。具体要求可以关注的领域展示通风有效性,在一个房间里(污染物源附近,远离它,嫌疑人可能暴露于病原体)。
10/24/11。入住率对气溶胶的影响交通
入住率的影响卫生保健功能空间的通风还没有详细研究。入住率影响气流分布结构,因此,机载明显感染风险。人们的职业密度,以及他们的位置在一个房间里相对于房间的室内装饰,扩散器,排气可以减少或增加空气感染的风险。人介绍热羽流在通风空间,,一般来说,如果热羽流在一个房间里增加流循环和混合,它将提高机载感染风险。此外,人们的运动,和相关的功能,如打开门或窗,改变了通风流动模式在一个房间里。这些影响必须仔细考虑和建模到达occupation-specific建议构建代码。
4.4.3。呼气气溶胶和通风气流之间的相互作用
呼气病原体的相互作用与通风气流需要更详细地研究。动量(呼吸与打喷嚏)和方向(纵向和横向)人类到期的通风气流干扰,需要考虑有效的通风设计。
4.4.4。气流结构的预测
房间气流结构可以在感染性气溶胶浓度产生重大影响(两个或两个以上的因素)的简单效应之外增加通风率。然而,提高气流结构,需要使用CFD模拟。有许多改进的模拟方法。
一个限制因素在预测气流在通风空间结构与空气湍流。当前经济湍流模型(跑和DES)预测一些定性方面的气流通风空间,但更准确建模的动荡可能只使用更多的计算量模型(LES和DNS)。气溶胶传输尤其受到更大的漩涡,通风流量的功能,运行模型不能准确预测。增加计算能力和更先进的CFD模拟,将更准确的湍流模型在通风气流模拟可以预测气流进行更详细的混沌行为,因此,更准确地预测空气感染风险。
虽然有在仿真方法,改进模型对初始和边界条件非常敏感。这种不确定性是不可约。例如,人们咳嗽或打喷嚏和不可预知的方向,优点,和地点。此外,日常使用房间的变化和天气条件引入额外的气溶胶传输的变化。这种复杂性意味着需要模拟一个非常大的病例数来评估空间性能,但幸运的是,计算能力变得足够便宜的考虑将这种模拟集成到建筑设计的过程。
4.5。可行性和传染性
4.5.1。病原体的反应环境条件
环境因素的影响,如温度和相对湿度,已经研究一些雾化病原体的生存。然而,文献是有限的一些疾病,和一个大的雾化病原体尚未进行分析。白痴的影响(依靠自然通风)和电磁辐射(依赖采光和紫外线消毒)病原体的生存需要进行更详细的研究。建筑规范而言,温度和相对湿度的推荐功能空间的卫生保健设施是非常保守的。未来的研究应该透露更详细的机制对病原体的生存行为作为温度的函数和相对湿度,使建筑规范将推荐更具体的环境条件减少机载pathogen-specific的方式感染风险。
4.5.2。实时可行性检测设备的发展
动物实验、培养方法、分子方法和空斑实验方法已经很长一段路要提供实际的实验方案可行性和传染性的测量雾化病原体。然而,这些方法是有限的有自己的优点和缺点,没有特定的协议提供了所需的所有信息。所有这些协议共享一个共同的缺点就是他们需要很长的试验时间(小时如果不是天)到达预期的结果。要意识到,即使妥协的研究尚未提供标准化测试,允许实时检测雾化病原体生存能力和传染性的测量。
4.6。空气消毒技术
建筑通风设计新趋势强调工程包括过滤和紫外线空气消毒技术。这些技术通常更成本有效的提高建筑通风率相比。这些技术的影响对病原体的生存行为应该进行更详细的研究,以便有效的卫生保健设施通风设计将是可能的。例如,紫外线辐射目标病原体的基因组,而病原体适应环境的基因突变,这种现象不太理解。病原体与过滤器应该研究更详细地观察过滤是否消毒空气或提供了生长介质。此外,消除气溶胶的过滤技术需要提高0.1 - -0.3的范围μ有效地。
4.7。感染机制
一个特别的挑战在预测空气感染的风险是缺乏知识实际感染机制和感染剂量。机载感染包括沉积的雾化病原体感染网站主机和繁殖能力和目标特定的细胞,直到感染症状。另一个困难是缺乏实验数据为感染。历史上最感染暴发提供信息有限,难以全面分析和到达所需的结论。甚至在混合室使用Wells-Riley经验广达估计模型(1)结合各种复杂和相互关联的因素。这样的经验数据不能用于更详细的型号的感染风险,风险的空间分布,主题免疫力变化和沉积机制需要解决。因此,许多这样的模型成为概率与简化的假设(如单冲击模型)来量化风险。任何实验感染测试只适用于特定的实验设置和很难推广提供一个普遍感染剂量或机制。未来的研究应该设定一个标准程序建立一个最低感染剂量。即使有妥协,(例如,最小剂量动物感染),有这样一个标准化的有用价值。
4.8。空间和时间分辨率的感染风险
使用最广泛的工程工具来帮助建筑规范设计目前Wells-Riley感染风险模型(1)混合的房间。虽然有用,只不过这个模型建议增加空气交换率减少空气感染的风险。工程研究已经走过了漫长的道路模型与空间和时间分辨率机载感染风险。目前的成功模型在本质上是随机的(例如,(5)(9)),但仍然可以为通风设计提供有用的指导方针,特别是当气流分布结构是占了。未来的研究发展的这些模型对各种病原体可以改善卫生保健设施的通风设计。
确认
特别要感谢自然科学与工程研究委员会加拿大(NSERC)和Stantec咨询有限公司为该项目提供资金。作者还欣赏凯利Lim的帮助下,詹姆斯·蒙哥马利Atoussa Ziabakhshdeylami,和Nahid安萨里的编辑和审稿人预防医学的进步评论提高文章的质量。