ASHRAE关于传染性气溶胶的立场文件更新点对比解读与启示

涂书阳 方 宇

(中国建筑西南设计研究院有限公司,成都)

1 ASHRAE关于传染性气溶胶立场文件提出的意义

ASHRAE的立场文件(position document)是由其协会董事会批准的文件,用于表达协会在特定问题上的意见。这些文件的目的是为对ASHRAE专业知识问题感兴趣的人士提供客观、权威的背景信息,以及供起草公共政策参考。立场文件旨在促进暖通空调和制冷的科学技术发展。除了传染性气溶胶,ASHRAE还提供过关于天然制冷剂、空气过滤设备、室内空气品质、室内二氧化碳浓度等多方面的立场文件。

ASHRAE在2020年4月更新了传染性气溶胶的立场文件[1](以下简称2020版),这是继2014版[2]6年之后的更新,很重要的一个原因便是从2020年春季开始在全球暴发的新冠疫情。2014版及之前的立场文件主要基于如2003年暴发的SARS疫情、2004年的禽流感疫情等通过空气传播的全球性呼吸道流行病的传播特征和机理提出对策。然而新冠疫情呈现出了不少新的流行特征和特点,如传染性强、隐匿性高、存在无症状感染者、变异频繁等。鉴于ASHRAE本身相对较高的学界影响力和权威性,解读该文件将为暖通空调应对疫情的工程设计、控制调节、技术研究提供有益参考。

2 ASHRAE关于传染性气溶胶立场文件的主要延续与更新点

2014版立场文件由问题概述(executive summary)、背景介绍(background)、针对业主和运营者及工程师的实用建议(practical implications for building owners, operators, and engineers)、立场与建议措施(conclusions and recommendations)、参考文献(references)五大部分组成。2020版增加了第六章参考书目(bibliography)。其中前3个章节虽然措辞和篇幅存在调整,但主要观点均得到了延续;2014版文件在立场与建议措施章节末尾为10种技术的应用优先级和研究优先级进行了高、中、低分级,供工程师和学者参考。2020版文件则为了对立场的表述更为准确,引入了美国卫生保健和质量管理局(The Agency for Healthcare Research and Quality, AHRQ)的模式,按照A～E 5个等级划分了证据级别,如表1所示。

表1 证据级别

该证据级别划分替代了2014版文件末尾的推荐度表格。

立场与建议措施为2020版立场文件更新最显著的部分,提供了更多具体而实用的建议,这将是本文解读的重点。此外,2020版在正文之前特别针对新冠疫情有如下表述:

1) 关于新冠病毒空气传播的观点。新冠病毒通过空气传播的风险是明确的,也是需要被控制的,因此建筑暖通空调系统应调整运行来降低空气暴露的风险。

2) 关于为了降低新冠病毒传播的暖通空调运行策略的观点。暖通空调系统中的通风和过滤手段对减少空气中的新冠病毒浓度是有效的。不受控的环境会影响人的热舒适甚至危及生命,且也会降低对病毒感染的抵抗力,总体来说不建议采用关闭暖通空调系统的手段来降低病毒传播。

上述2点明确了暖通空调系统在抗击疫情方面的积极作用,不应随意关停暖通空调系统,相反应有针对性地调整运行策略(模式)或适当修改系统,以发挥暖通空调系统的积极作用。

2.1 问题概述

2个版本文件中均表达了气溶胶传播的具体机制较为复杂,可能通过空气、短距离内的飞沫液滴或者直接、间接接触传播,但是可以明确的是稀释通风、压力控制、过滤与合理的气流组织、紫外线消毒灭菌、湿度控制等措施对于控制疾病的传播是有效的。2020版最后仍然延续了2014版的观点:减少病菌气溶胶的产生是控制传播的第一步。

2.2 背景介绍

2020版文件将背景介绍大幅缩减,主要保留了2014版的结论,即病菌主要存在于人员呼出的飞沫当中,而飞沫在空气中停留的时间随其大小存在显著不同,其中空气动力学直径0.5 μm的飞沫核驻留时间可高达41 h,100 μm的飞沫核驻留时间仅5.8 s。病人周围1～2 m内容易受到飞沫核的影响,暖通空调系统虽然不能终止这个散发过程,但是构建从清洁区到污染区的定向气流能够促进传染性气溶胶被尽快捕集和排出。

2.3 针对业主和运营者及工程师的实用建议

本章按照小标题分为了因地制宜的应对策略(varying approaches for facility type)、通风及空调净化手段(ventilation and air-cleaning strategies)、温湿度(temperature and humidity)、病原体及应急预案(emerging pathogens and emergency preparedness)4类措施,相比2014版文件取消了非暖通空调策略(non-HVAC strategies)小节,可以理解为更加聚焦于提供暖通空调自身专业的建议。本章列举了上述4类措施下多项科学和工程实践结果,总结如表2所示,可视为下一章立场与建议措施的文献综述。

2.4 立场与建议措施

本章是立场文件最核心的部分,在上一章文献资料的支撑下,言简意赅地面向专业人士推荐了多种应对传染性气溶胶的技术措施。其中2014版立场文件共有13个方面的建议,2020版立场文件共有9个方面的建议(部分建议又包含多条具体措施)。2个版本立场文件的分类逻辑存在差异,为便于体现2个版本立场文件的前后延续性和更新点,将2020版推荐措施及证据级别进行整理,并注明其与2014版推荐措施的关系,如表3所示。

从表3可知,2020版立场文件提供了9类共计29条技术手段建议,其中14条延续自2014版立场文件,另有15条新增建议措施。在这29条技术手段中,不少已经在我国暖通空调设计或防疫措施中得到了重视和体现,下面将结合工程经验及文献资料重点解读措施2、6-2、6-4,这些建议措施目前在国内可能认识不足或尚未得到充分应用。

3 部分推荐措施解读与启示

3.1 高传播风险的设施、建筑,暖通空调预留防疫改造条件

新冠疫情发生后,我国暖通空调领域专家、工程师积极响应,在疫情初期为多地的临时性隔离治疗场所改造贡献了空调系统调整建议并得到了实施,且普遍取得了较好运行效果。随着持续近3年的大流行,新冠病毒毒性逐步变弱,我国社会面防控措施逐步放开,慢慢步入“后疫情”时代,但相关从业者仍应意识到,方舱等临时性隔离治疗场所并不能完全满足未来可能面对的疫情挑战,2020版立场文件措施3也指出,暖通空调工程师在涉疫建筑方案设计之初就应介入,预留平-疫转换改造条件,以实现在必要时进行疫情工况的快速切换,尽快封闭管理被感染人员,遏制传播,降低风险。我国TASC 02—2021《健康建筑评价标准》第6.1.6条明确指出:“暖通空调系统应具备应对重大突发公共卫生事件的措施”。2020年7月,我国国家卫生健康委员会联合国家发展和改革委员会发布了《综合医院“平疫结合”可转换病区建筑技术导则(试行)》(以下简称《技术导则》),指导平-疫结合医疗机构的设计。综合以上资料,建议空调通风系统设计主要在以下方面考虑完备:

1) 排风系统末端设计。存在污染的排风管末端在高空排放时选用锥形风帽,其排向高空时具有一定喷射射流效果,排风能够更远离屋面;而传统的伞形风帽气流一般向屋面扩散,不利于屋面周围防疫安全。排风机设置在系统末端,使排风管保持负压。

2) 过滤器相关改造条件。阳性病人房间排风口应具备安装高效过滤器后的现场检漏条件,应有安全的现场更换条件,能对装置内部进行可靠的原位消毒,排风高效过滤装置应有压力测量装置。《技术导则》第6.1.10条、GB 50686—2011《传染病医院建筑施工及验收规范》第6.3.9条,以及JG/T 497—2016《排风高效过滤装置》第6.2、6.5、6.6条均有相关要求。

3) 风机选型。《技术导则》第6.1.2条指出,平-疫工况应统筹设计、避免出现平-疫2套系统共存,因此系统设计时应综合考虑平-疫工况下风量、阻力差异,合理选型或预留更换条件。风量在疫情时将明显比平时工况大,伴随而来的是流速增大和排风增加高效、亚高效过滤器后引起的阻力增大,而且过滤器还存在初阻力和终阻力的明显差异,因此疫情时使用的排风机宜采用Q-H(流量-压头)性能曲线陡降型的变频调速风机,以实现风压变化大而风量变化小。如果平时和疫情时排风系统风量、阻力差异很大,应按工况分别选型风机,在平-疫转换时更换风机。文献[3]提到疫-平风量比大于3.0时,疫-平工况可分别选配风机。不论采用按工况分别选型风机,还是采用变频调速措施,均需满足风机平时、疫情时均能安全可靠和较高能效地运行。

4) 风管设计。虽然《技术导则》第6.1.4条指出,平-疫结合区风管按疫情工况风量设计布置,但本着技术经济更优的原则,建议风管尺寸在按照平时工况设计的基础上,兼顾疫情工况下风量适当放大,控制风速和阻力在合理范围内。

5) 全空气系统空调盘管设计。TASC 02—2021《健康建筑评价标准》第6.1.6条的条文说明指出,全空气空调系统疫情期间原则上全新风运行。因此,为应对全新风或增大新风工况运行,相关空调系统建议配置2组盘管,平时工况可仅开启1组盘管,疫情工况下制冷制热量不足时开启2组盘管。

6) 阀门设置。集中送、排风系统的每个支管可设置压力无关型定风量阀和电动密闭阀,后者在出现阳性病例时可及时关闭,降低同系统房间互相传播风险,并可对相关房间进行单独消毒。

3.2 紫外线消毒灭菌

在ASHRAE立场文件中本条措施的介绍占据了相当篇幅,在2020版的29条技术措施(见表3)中,分别在6-2、7-8、8-5条中反复提及,且从2014版文件延续至2020版文件,具备A级证据级别,应当引起暖通空调专业关注。紫外线消毒灭菌是指使用紫外线光辐射对空气和表面消毒灭菌,其主要利用的是紫外线C波段254 nm(最有效区间为200～280 nm)波长产生的紫外光线,破坏微生物的DNA或RNA,达到消毒灭菌的目的。而新冠病毒作为一种RNA病毒,理论上也会受到紫外光线的破坏,在我国《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第十版)》的病原学特点中也明确提到了冠状病毒对紫外线和热敏感。因此,从原理上来说本条措施是可行的。

文献[4]认为紫外线消毒灭菌本身具有高效率(足够辐射照度)、无二次污染(非产生臭氧波段)、广谱性、运行维护简单等优势,并给出了该技术在紫外线辐照度30 000 μW/cm2条件下对常见细菌病毒的消毒灭菌效率表格,其中耗时最短的痢疾杆菌仅用0.15 s,耗时最长的乙肝病毒仅需0.73 s。

该技术虽然具备上述优势,但在国内暖通空调领域应用却并不够广泛。究其原因,一方面在于紫外线消毒灭菌的应用要求主要存在于电气设计相关规范,如JGJ 312—2013《医疗建筑电气设计规范》第8.3.5条、JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》第10.8.6条,或者在建筑设计规范的电气章节提及,如JGJ 39—2016《托儿所、幼儿园建筑设计规范》第6.3.2条和JGJ 64—2017《饮食建筑设计标准》第5.3.8条,因为非暖通空调专业设计任务而常常被忽视;另一方面,由文献[5]可知,紫外线消毒灭菌在实际使用过程中还存在如下缺点:

1) 实际设备辐照度低,消毒灭菌效率低。不同于文献[4]所述的高辐照度条件,GB 19258—2012《紫外线杀菌灯》[6]规定新出厂的30 W紫外线灯管在下方中央垂直1 m处测定辐照度大于100 μW/cm2即合格,与文献[4]中的辐照度相差甚远。因此,采用国内常规紫外线杀菌灯要达到相同的灭菌效果,辐射时间需要显著延长。

2) 紫外线直接照射人体会造成健康伤害。紫外光线辐射易造成皮肤细胞损伤,加速皮肤老化;照射人眼还会引起结膜充血、水肿等;同时紫外线光无色,不易被察觉,也容易被误开造成伤害或事故。

3) 对设备管理要求较高。紫外线灯管辐照度可能会因长期使用老化而减弱,且灯管表面也可能被空气中的浮尘覆盖而影响辐照度,需要后期维护管理人员及时更换或清理,检测辐照度需要紫外强度指示卡或手持紫外线测试设备,也对消毒设备的监管维护工作提出了更高要求。

4) ASHRAE关于过滤与净化的立场文件[7]中提到,紫外光线主要是降解有机物及灭活微生物的,非活性颗粒仍残留在空气中,即使在真菌孢子死亡的情况下,其毒素仍可引起人体的负面反应。

综上,要促进紫外线消毒灭菌在暖通空调系统中得到进一步应用,一方面要加强暖通空调从业人员对紫外线消毒灭菌技术的认识,另一方面可针对其目前存在的主要缺点,各个击破,开发该技术与暖通空调结合的设备。笔者在此提出如下5个技术改进应用原则与建议:

1) 使用紫外线消毒灭菌装置时,需采取严格的技术及管理措施,严禁紫外线消毒灭菌装置辐射到人员。

2) 在平衡能耗和消毒灭菌效率的基础上增大紫外线辐照度,选用不产生臭氧的紫外线波段,避免二次污染。

3) 通过增大空气流通截面积或增加被辐射段风管长度的方式,延长空气被紫外光线照射的时间。

4) 引入物联网等手段实时检测紫外光辐照度水平,提供远程故障信号报警或灯管更换提示,确保消毒灭菌效果。

5) 可将紫外线灯设置于空调箱盘管、风机盘管或设备凝水盘附近,通过长期照射,杀灭可能滋生的真菌霉菌等微生物。

3.3 个性化通风,为医护人员呼吸区输送洁净空气

2020版立场文件措施7-9和8-1提到了增大新风换气次数,但这种方式存在如下一些固有缺点:

1) 加大换气次数意味着更大的风机风量、风管尺寸等,将引起诸如造价、设备占地空间、能源消耗等多方面技术经济参数的调整;且平时工况时上述参数存在显著富余,不够经济。

2) 混合通风不可避免地会存在新鲜空气与污染空气的混合,仅靠稀释并不能避免近距离飞沫传播等风险。文献[8]也提到基于全空间通风角度设计的气流定向控制,对近距离、短期暴露没有显著控制效果。

2020版立场文件措施6-4所建议的个性化通风值得受到关注和发展,该技术是结合受控对象的工作、活动特点,结合其工作、生活环境设施,有目的性地将足量新鲜空气直接送至其呼吸区,尽可能避免与室内原有污染气体掺混。因此,个性化通风可以避免上述全面通风的缺点,同时对受控对象来说,又能达到防疫通风量的要求。结合国内外文献,个性化通风已经有如下2种研究思路和方向:

1) 工作台通风。此处的工作台可以是桌子、座椅及病床,一种设计思路是将新鲜清洁的空气通过沿工作台布置的小风管引至需要被保护的人员口鼻附近送出,营造安全的呼吸微环境,如图1所示;另一种思路是在病人口鼻附近营造局部排风或送风屏障,避免呼出的有害气溶胶扩散,如图2所示。

图1 工作台通风原理图1[9]

图2 工作台通风原理图2[10]

2) 穿戴式通风。这种方式指需要被保护人员穿上一个集成了如过滤器、紫外线灯等空气处理装置的小型通风设备,室内空气由设备内小风机驱动,经过内置过滤器处理后,沿小通风软管通过头戴设备(类似耳麦、口罩或面罩)上的喷嘴送风口送至人员呼吸区附近。例如正压防护面罩,如图3所示,部分产品可以过滤99.99%的颗粒和99.97%的细菌[11]。

图3 穿戴式通风装置示意图[11]

上述2种思路可以作为全空间暖通空调系统的有力补充,前者适用于工作岗位比较固定的工作人员或病人,暖通空调设计时可以将此类工作台上的固定送排风点位考虑进来,按需供应或排出相应的风量,实现增强短距离防疫保障水平的同时降低通风系统能耗。后者则适用于流动性工作人员,如防疫消杀人员、医生、护士、乘务员、风险场所保洁员等等,降低对全空间通风换气次数的依赖。然而,立场文件也谈到该技术在降低传染病传播的流行病学证据上还存在不足,亟需相关科研人员研究。

4 结论

本文总结了2020版相较于2014版立场文件的更新之处,在最具备可操作性的建议措施章节,2020版延续了14条立场措施,同时新增了15条立场措施。其中部分措施在国内近年来的防疫设计中已经得到了重视和应用,因此摘取3条值得进一步关注的措施进行了重点解读。

1) 对于疫情传播风险高的设施或建筑,暖通空调专业需尽早介入设计,预留防疫改造条件:一方面配合土建专业预留充裕的井道、通路,便于疫情工况改造或切换;另一方面暖通空调专业自身需在对外末端、过滤器改造、风机选型、风管设计、空调盘管设计、阀门设置等环节充分考虑疫情工况带来的影响,为暖通空调系统切换到疫情工况提供实施的可能性。

2) 紫外线消毒灭菌技术本身是有效的,但是能够发挥消毒灭菌效果的照射时间和剂量在工程应用中不易保证,同时紫外线直接照射到人体存在不利健康影响。除了上述2个问题,还因为国内机电设计专业分工上的不同,暖通空调专业设计人员关注不足,使得该技术在暖通空调领域应用不够广泛,故提出了需重点关注的5点改进应用原则与建议,供选用时参考。

3) 个性化通风关注了个体对通风的需求,直接将清洁空气送至受保护对象呼吸区,或者针对病人呼出气体采取局部排风等措施,限制了气溶胶扩散的同时,降低对全室空调或通风换气次数的依赖,同时降低通风能耗。其中通风式工作台可作为暖通空调设计师纳入考虑的一类送排风末端;穿戴式通风值得设备产品研发人员开发相关产品,市场应用前景广阔;个性化送风对降低传染病传播效果等流行病学方面的研究则值得科研人员关注。