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    新冠病毒传播分析及综合防控技术

    • 作者:
    • 中国暖通空调网
    • 发布时间:
    • 2021-07-20

    同济大学   沈晋明  刘燕敏

           【摘  要】鉴于新冠病毒近距离飞沫传播还是空气传播的讨论,本文仅从理工科角度,依据气溶胶力学来分析新冠病毒的传播方式。认为介于两者之间还应该存在着气溶胶云的传播方式。这是个值得争议的新课题。如用气溶胶云的传播理论来理解疫情中各种案例就可以得出十分合理的解释,也会使我们的控制对策思路变得十分清晰。新的传播方式也会对干预措施与个人防护等一系列问题提出新的要求。

    0 引言

           世界卫生组织一直认为SARS-CoV-2传播途径是“在无防护下通过飞沫和密切接触在感染者和被感染者之间发生,在医疗机构中或可存在因医疗操作产生气溶胶而发生空气传播的可能”。这是基于中国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证实。

           7月6日在国际公认的空气质量和健康专家,昆士兰科技大学教授Lidia Morawska的带领下,来自32个国家的239个学者签署的“现在是解决Covid-19空气传播问题的时候了”的公开信,在《临床传染病杂志》(牛津大学学报)上发表。

           公开信以有力的证据表明SARS-CoV-2可以空气传播,特别是对疫情中几起超级传播的事件认为空气传播是唯一合理的解释。人们在交谈或呼吸时散发许多微小的液滴会在空中飘浮数小时。病毒飞沫可能传播的距离超过了目前要求的1.5m社交距离。呼吁世卫组织要认识到除了某些医疗机构以外场所的空气传播的风险。这些签署的学者来自科学和工程学的许多不同领域,包括病毒学,气溶胶物理学,流体动力学,流行病学,医学和建筑工程。

           世卫组织传染病预防部门的负责人阿勒格朗齐(Benedetta Allegranzi)对此做出回应,世卫组织对于有关新冠病毒通过空气传播的“新证据”持开放态度。报告涉及的一些新冠病例与拥挤、密闭的室内场所有关,这表明病毒通过空气和微粒进行传播的可能性,比如在合唱团排练时、在餐馆、祷告场所、健身房或者办公室,尤其当感染者在拥挤和通风不良的室内场所与其他人进行过长时间的接触。

           世卫组织新冠病毒病技术方面的负责人玛丽亚(Maria van Kerkhove)表示,  “我们一直在讨论空气传播、气溶胶传播作为传播方式之一的可能性。重点关注了医护人员使用防护口罩的问题,并在有气溶胶生成的操作的地点采取防止空气传播的措施。我们也在研究其他环境中可能的空气传播,尤其是在通风较差的环境中,或者密闭环境中。”

           空气传播是由悬浮在空气中的飞沫核(气溶胶)在远距离和长时间内保持感染力而引起的传染病原体的传播。但从流行病调查来看,目前超过1700万被感染的人基本上都是通过飞沫和密切接触感染。只有极少数案例难以解释。至少可以说,空气传播不是主要传播方式。
    一些传染病专家也认为,这些证据大多来自于气溶胶科学家和工程师在实验室进行的研究,认为实验研究不能反映人的咳嗽真实状况,结论的数据也不“反映临床情况”。日常生活中的人群感染率和传播的数据很难与空气传播相吻合。并指出,许多新近研究尚未得到同行的审查。评价现有证据表明,基于气溶胶的远程传播并不是SARS-CoV-2传播的主要方式。

           这可能是理工科专家与公共卫生专家的不同看法。理工科专家重视理论分析与实验结果,公共卫生专家重视流行病学调查,着重研究疾病分布及其决定性的因素,评价所采取的对策和措施的效果。作为专家可以凭一得之见发表论文,提出主张。但作为世界性的公共卫生机构要在疫情期间面向全世界提出合理的防控对策和措施,要有可靠、明确的证据支撑,必须慎之又慎。

           本文不是讨论新冠病毒是飞沫传播还是空气传播。含病毒的粒子从飞沫传播到空气传播横跨粒径范围很大。经典理论认为粒径大于5μm是飞沫传播,小于5μm是空气传播。如以这种“非此即彼”的思维方法来探讨传播方式问题是否合适?有些案例也很难仅仅用这两种传播方式能解释清楚。如果从气溶胶力学来探讨,研究这些粒径范围内的气溶胶粒子的形成、运动、沉降、飞扬、 扩散和凝并,新冠病毒是否还存在着尚未发现新的传播方式?

    1 典型案例探讨传播途径

           SARS-CoV-2是一种新的病毒株。与几乎所有新发现的病毒一样,传播方式至少存在一些不确定性。 通过飞沫和密切接触传播途径好理解,主要困惑集中在如何真正通过空气传播感染人。空气传播的关键问题是①SARS-CoV-2病毒最小的吸入感染剂量,谁也不知道。②病毒在空气环境中存活时间,目前只是实验数据。③在不同环境的空气中病毒的实际水平,至今还没人在空气中采集或分离到活的新冠病毒。目前空气采样的检测结果也是核酸检测的结果。采用的PCR测定法检测环境样品中的RNA,也不能表示可以传播的活病毒。

           目前绝大多数案例的流行病调查都证实了人与人之间近距离飞沫和密切接触传染。尽管SARS-CoV-2对于每个人来说都是易感,但是在疫情早期,医护人员与COVID-19患者近距离诊疗与护理,即使风险最高、密切接触家人也不是百分之百的被感染,且感染率不高,难以理解。

           空气传播直接证据还不够充分,飞沫传播距离最多不会超过2m。对一些超级传播事件“飞沫和密切接触”难以理解,似乎SARS-CoV-2空气传播方式是唯一合理的解释,以此来佐证空气传播。但是有些聚集性感染案例空气传播也难圆其说。飞沫借助于不合适的通风空调气流传播又是一种新的解释。

           下面我们分析一下被国内外引用最多的几个案例。

           引用最多的案例是在线发表在美国疾控中心出版的《新发传染病》杂志的一篇研究快报上。案例发生在广州一家餐厅。1月23日,前排中间餐桌是来自武汉的一家进行午餐,紫色标识的人为感染者(见图1)。坐在相邻的桌子用餐是另外两个家庭。当天晚些时候,有人出现发烧和咳嗽症状。截至2月5日,共有9人(红色标识)确诊感染了COVID-19。经研究认为是由空调通风引起的飞沫传播,引起传染的关键因素则是横向的空调气流。图1模拟了当时就餐的空调气流及其被感染者座位。有的学者认为,飞沫传播距离不会超过2m。即使借助于空调气流,送风气流会随着输送距离延长,风速下降,其携带飞沫的能力变小,特别是空调的回风气流其风速更小,不可能传染到其他9人。只有空气传播才有可能。有的学者认为,空气传播病毒扩散性很好,可以扩散到全室,甚至长时间远距离传播。事实上,除了前排外,就是临近的第二排餐桌无一人被感染!难以用空气传播来佐证。


    图1  广州餐厅聚集性疫情复原图

           另一个常被引用的案例是2020年3月10日,在华盛顿州斯卡吉特县61位成员参加合唱团练习,在一个房间里一起唱歌40分钟。图2准确确定了当时椅子的布置方式以及每位合唱团成员的位置。这合唱团成员84%是女性,平均年龄为69岁。研究人员确定了其中一位有轻度Covid-19症状的感染者(红色标识),使得其余60人中有52人被感染(黄色标识)。当然,这可以用空气传播来描述这次疫情。有学者认为如果是空气传播,一老人唱歌向前呼出的病菌量,会横向传播那么远?扩散面那么大还能保持着可感染的剂量?后来调查发现,在合唱练习后,他们分成两组在两个房间,又呆了50 min。接下来是15 min的休息时间,整个小组聊天,然后吃饼干和橘子,搬椅子等互动行为。认为这一案例很难作为因唱歌而超级空气传播的典型案例。 


    图2   美国华盛顿州斯卡吉特县合唱团排位图

           还有湖南省某地长途客运车的案例有时也会被引用。感染者(红色标识)于1月22日12点乘坐49座全封闭空调客运大巴。该大巴一层为行李舱,二层为客座舱,车长11.3m,车宽2.5m。司机座位在最靠前的次高层,除司机外共有48个客座(见图3),车辆出站时搭乘46人,在路旁接客2人。调取当时车上的视频发现,除了后排旅客上下车经过感染者外,途中感染者也没有与其他旅客有近距离接触行为。一位被感染的旅客(粉红标识)与感染者同程30 min就下车了,其他还有7位同车的旅客被感染了(橙色标识),其中一位是无症状被感染者(蓝色标识)。最远的2位与感染者隔了6排相距约4.5米,而邻座却不被感染。因此从被感染者的座位分布来看,用空气传播来理解似乎不太好解释。调研的结果还是认为由空调气流引起的飞沫传播,似乎有些勉强。


    图3   湖南长途客运车聚集性感染的座位图

           以上这些典型案例分析,最大的困惑点在于:飞沫传播仅发生在近距离,即使借助于通风空调气流也传播不远;而空气传播在一般情况下又难以达到可感染剂量,传播弥漫且无方向性。出现的大规模疫情新冠病毒应该还存在着没有被发现的其他传播方式,值得我们去探讨。

    2 探讨新冠病毒新的传播方式

           真正的空气传播,因扩散性能很好,病毒在气流作用下不断分散,传播面会很广。但与此同时很快被稀释,浓度不断下降,只有感染剂量很小的病菌才有可能。另外,在空气中飘浮的分散的含病菌粒子,在空气环境中受到温度、湿度、阳光(紫外线)等因素影响,活力会很快衰竭。除非这病菌的生命力很强(或者说在空气中存活时间很长)。至今,新冠病毒循证尚未具有这2大特性。

           聚集性COVID-19疫情往往是通过污染环境(包括空气环境)、物品、人员接触等多种暴露方式导致的。该空间中出现感染者,会不断地产生携带病毒的液滴和气溶胶。但被绝大多数是未感染的其他人的呼出物或室外空气所稀释。这种模式下感染者呼出的飞沫,产生飞沫传播。但大多会在不到2m的半径内迅速落地,一些飞沫不断蒸发形成液核气溶胶,也可能依存在悬浮颗粒物上,飘浮在空气中,形成空气传播(见图4)。一般来说液核含病原体非常少。只有在特定的条件下,如室内封闭、拥挤、通风不良;或感染者多,如诊疗场所;甚至在医疗操作时直接产生气溶胶时,携带病毒的气溶胶才会累积起来,浓度会升高。一般情况下难以使整个空间内达到感染的剂量。除了与感染者直接飞沫和密切接触外,空气传染几率很小。对于不时出现的大规模聚集性疫情仅仅用飞沫传播或空气传播难以得出合理的解释。下面我们探讨一下SARS-CoV-2可能存在着尚未发现的其他传播方式。


    图4 飞沫传播与空气传播

           人无论是打喷嚏、咳嗽,还是大声唱歌、呼叫会喷发出大片飞沫飘散到空气中;大多情况下是正常呼吸,讲话,会吐出小片飞沫蔓延在室内。人所发出的这些液滴(见图5)在粒径谱上应该是连续的,下落的较大液滴与悬浮的较小液滴在之间存在着模糊的界限。如以5μm粒径作为飞沫传播与空气传播明确界限,可能不太合适。也许是使人产生非此即彼的思维方法的根源。但这界限还会被用来区分传染性疾病与防护措施,人们会常说,结核病,麻疹,水痘是空气传播;流感,百日咳和脑膜炎是飞沫传播。相应的各有一套非常具体的指南来分别应对这两类传染性疾病。


    图5 模拟人发出的呼出物                          图6 生成的气溶胶云雾的设想

           如果按照呼出液滴粒径的量级来分析气溶胶形态也许更合适一些。大于101量级的颗粒(大于10 μm)为沉降型飞沫,产生飞沫传播;小于100量级的颗粒(小于1 μm)为悬浮型液核,产生空气传播。在这两个量级之间的范围内(1 μm至10μm)的颗粒,也涵盖了感染者呼吸道液滴传播的主要粒径范围3-10μm。从理论上讲,1 μm至10μm应是我们重点关注的粒径范围,也是最容易产生传染的粒径范围。这一粒径范围内的液滴,在一定环境条件下(温度、湿度、污染物种类与污染程度)有可能形成气溶胶云(Aerosol cloud,以下简称气云)。气云是气溶胶力学中的概念,常用在气象学中。我们在此借用这种概念来描述的一种存在形态。由于没有实测数据支撑,我们只是从气云生成的机理来推测,如室内环境封闭,通风较差,室内人员多,空气中含有人的呼出物和体表分泌物(如汗味)多,餐厅与海鲜肉类市场空气中油脂与蛋白含量高(油腻气味),相对湿度大等因素,容易形成气云。反之,如果室内气流流通快,气云很容易被打散。如果室内污染物少,相对湿度低,难以聚集起气云。特别对于新冠病毒来说,温湿度等环节因素会通过影响病毒表面蛋白和脂质膜的特性来调节病毒的生存能力,在较高相对湿度(80%)下的稳定性会得到增强。

           如果感染者呼出物中这些1μm至10μm粒子以气云的形式出现在室内,飘浮在空中。有些像室内香烟烟雾,但这气云肉眼是看不见的,可想象类似于云雾一样浮在空中,随气流蔓延、飘移(见图6),就有可能产生一种新的传播方式——气云传播。表1反映了这三种传播方式的特性。

    表1 三种传播方式与特性

    3 气云传播机理与控制对策

           如果新冠病毒除了飞沫传播、空气传播外,还存在气云传播的方式的话。那么,我们用气云传播来理解各种案例就可以得出十分合理解释,以上案例分析的困惑点也就迎刃而解了。我们的控制对策思路也会变得十分清晰。

           3.1 气云传播特性与暴露感染

           感染是病毒数量与暴露时间的积。对照表1,我们可以总结出气云传播特点,不难理解气云的感染暴露的缘由。

           气云能在空间局部保持最小感染剂量:由于气云中含病毒粒子聚集在一起,不易扩散,存活时间也许更长,容易造成病毒量的局部积聚,不像空气传播,也能较长时间较远距离保持感染剂量。

           气云可到达室内空间任何地点:不像飞沫传播距离短,气云被气流推动着在室内到处飘移,飘移的距离至少达到一般尺度的室内空间的任何地点。这对2m的安全社交距离提出了挑战。

           气云的传播途径与方向性清晰:不像飞沫传播,气云跟随气流性能好,又不像空气传播扩散性好,因此气云随气流传播的途径与方向性清晰,如飘移到易感人群呼吸器官附近,就可能被吸入造成感染(见图6)。

           气云的传播面较窄:不像空气传播面那么大,弥漫在空中。气云的传播面较窄,即使感染者邻近人员,或处于气流流动方向的人员,只要气云没有到达其呼吸器官,或没有足够的接种量也不会被感染。这增加了被感染的随机性。

           气云的暴露时间较长:不像偶尔打喷嚏、咳嗽直接喷发的大量飞沫,绝大多数时间是正常呼吸与说话,发出小液滴在一定条件下形成气云,长时间蔓延、缭绕在空中,也有可能因气流涡流而滞留在局部,增加了室内人员的暴露时间。

           上述案例可以用气云传播的特点就得到合理的解释了。但是气云传播的不确定性,同时也对安全的社交距离,个人防护,暴露时间,被感染的风险,或几率提出了挑战。

           3.2 控制气云传播的对策

           避免产生气云是最根本的办法,室内人员戴口罩,控制人员密度,保持社交距离,室内良好通风,降低室内污染。

           控制气云传播的最简单办法就是用外力将这气云打散,感染性颗粒分散开来,浓度下降,那就不具有传染性了。

           保持室内通风良好,通风气流会不断扰乱或打散气云。室外的新风不断稀释,病毒浓度就下降。

           室内采用上送下回的气流组织,会使气云尽快沉降,尽量减少它飘移。大大降低暴露时间。

           用空气过滤器(但不是滤网)去除气云,至少可以滤除一些颗粒物,更重要可以打散气云。

           如果气云被吸入通风空调系统,这气云要经过风机高速旋转加压、通过多级过滤、不同的热湿处理部件、以及新风的混合稀释等,不可能还能维持感染剂量。即使这通风空调系统服务多个房间,也不可能造成交叉感染。疫情至今没有发生一例由集中式空调引起的大规模感染事件。

           如果室内是分体空调、风机盘管机组等,上侧送上侧回气流模式,换气量又小,会在室内出现水平横向气流,推移这气云四处飘移,遇到易感人群,传染风险加大。特别是医疗机构风险更大。疫情中不时会出现在分散式空调房间中聚集性感染事件。

    4 结语

           本文只是从理工科角度,依据气溶胶力学来分析新冠病毒的传播方式。认为新冠病毒主要是近距离飞沫与接触传染,空气传播是可能的,但不是主要传播途径,应该还存在着气溶胶云的传播方式。这需要大量的流行病调查数据来支撑。聚集性案例不时会出现,如果用气云传播理论来理解疫情中这些案例就可以得出十分合理的解释,我们的控制对策思路也会变得十分清晰。

           本文只是提出一种新的思路,或者说一种不成熟的想法,抛砖引玉,能引起讨论、争辩,质疑,甚至否定。如果认为有可能存在气溶胶云传播方式,这是一个新的课题,也是一门交叉学科。新的传播方式会涉及到干预措施与个人防护装置(PPE)等一系列问题。希望能与病毒学,气溶胶物理学,流体动力学,流行病学,医学等各个领域的学者一起进行合作、联合研究,这将十分有益于当前的常态化疫情防控。

           备注:本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期(第22届全国暖通空调制冷学术年会文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。

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