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清除室内新冠病毒所面临的挑战

Apr 06, 2021 No Comments

 

清除室内新冠病毒所面临的挑战1

在德国的一所学校里,孩子们穿着外套学习,学校的窗户是打开的,以改善通风。

 

 

当病毒颗粒在建筑物内积聚时,新冠病毒的传播风险会激增,但目前还不清楚如何最好地改善通风。

当Lidia Morawska离开家时,会随身带着一个鞋子大小的设备,它能让她对自己去过的餐馆和办公室有一些清醒的了解。在这些建筑之外,她的二氧化碳监测仪读数略高于400 p.p.m.(ppm,溶质质量占全部溶液质量的百万分比来表示的浓度,也称百万分比浓度)。但在室内就不一样了。

即使在一个看起来宽敞、天花板很高的餐厅,这个数字有时也会飙升至2000 p.p.m.——这表明房间通风不良,可能会有COVID-19感染的风险。视觉线索可能具有欺骗性,甚至对澳大利亚布里斯班昆士兰科技大学(Queensland University of Technology)的气溶胶科学家Morawska来说也是如此。Morawska 认为公众对此一无所知。

研究人员使用了类似的手持式二氧化碳测量仪,他们表示,世界上很多地方的咖啡馆或幼儿园的情况也没有什么不同。这对于战胜新型冠状病毒SARS-CoV-2来说是个坏消息。

几个月来,卫生部门一直将通风不良的室内空间列为潜在的感染热点。3月1日,WHO发布了人们期待已久的改善通风的路线图。Morawska参与的这份文件制定了具体的目标和措施,企业和其他地方可以采取这些措施来改善通风,使建筑物更安全。

但荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的建筑工程师 Philomena Bluyssen表示,还需要做更多的工作。WHO的指导方针是最低限度。

Bluyssen等人批评政府未能为人们提供明确的指导或资金,以使室内空间更安全。一些科学家表示,这使得很大一部分人——从学生到上班族、餐馆常客和囚犯——面临感染COVID-19的风险。

另一些人则表示,这并不是一件容易的事情,而且为了保证室内空间的安全,具体的通风或空气净化机制也不为人所知。南卡罗莱纳州克莱姆森大学(Clemson University)的建筑工程师Ehsan Mousavi指出,这个复杂的问题不是你能用一套简单的建议就能解决的。他的课题是研究医院室内空气质量和通风。

尽管如此,许多专家认为,有关部门已经知道足够多的信息,可以明确说明良好的通风对室内安全的重要性,尤其是在经常有人居住的空间,或者在吃饭时摘下口罩的地方。

 

缓慢的识别

2020年3月28日,也就是WHO宣布COVID-19为全球卫生紧急事件两个月后,WHO在Twitter和Facebook上发布了一条公共卫生信息:事实上#COVID19不会通过空气传播,并驳斥了新冠病毒会通过空气传播的谣言。但证据很快证实,病毒是通过空气传播的,研究人员严厉批评了该机构。

WHO在3个月后更新了关于SARS-CoV-2传播的建议,承认在一些社区环境中存在空气传播的可能性。更新后的建议表示,不能排除“长时间与感染者一起待在拥挤和通风不足的场所,病毒可通过空气传播”的可能性。 

香港大学建筑环境工程师李宇国(音译)指出,他对WHO和其他卫生部门花了这么长时间才做出决定感到失望。他认为,如果能更早地发现空气传播,“我们就可以挽救更多人的生命了”。

WHO一位发言人表示,该机构在大流行早期就提到了通风的重要性。

其他人则认为WHO的立场还不够坚定。马萨诸塞州波士顿市哈佛大学陈曾熙公共卫生学院(Harvard T.H.Chan School of Public Health)的环境流行病学家Joseph Allen表示,空气传播占主导地位。这就是为什么建筑物的通风和空气过滤等控制措施是有积极意义的。
 
科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado at Boulder)大气化学家Jose-Luis Jimenez表示,WHO和其他卫生当局未能明确优先采取措施,改善室内空气质量,以减少感染COVID-19的概率。他们没有强调通风的重要性。WHO应该强调的是,病毒通过空气传播,我们会吸入这些含有病毒的空气。

Jimenez指出,来自WHO的严厉信息将确保各国卫生当局予以注意。澳大利亚、荷兰和其他一些国家仍未在公开声明中承认空气传播在SARS-CoV-2病毒传播中扮演着重要的角色。
 
到今年年初,人们对空气流通的担忧已经达到沸点。数百名卫生保健工作者、科学家、工程师和职业健康与安全专家签署了公开信,呼吁加拿大、美国、澳大利亚、哥伦比亚和联合王国的政府官员除其他事项外,解决室内空气质量差的问题。这些协同行动都敦促地方或国家政府采取措施,减少SARS-CoV-2的室内传播。

Jimenez指出,其中一个问题是,尽管有证据表明,SARS-CoV-2通过受污染的表面从一个人传播到另一个人的情况很罕见,但政府和企业仍在表面消毒上花费数百万美元。相比之下,很少有国家投资于改善室内空气质量的措施。

Jimenez表示,如果我们花一半的力气消毒,然后把另一半的力气花在通风设备上,那将是巨大的改善。今年10月,德国拨出5亿欧元(折合5.93亿美元)用于改善公共建筑的通风,包括学校、博物馆和公共办公室。

德国和韩国的企业也可以申请政府资助购买移动空气净化器,以清除携带病毒的气溶胶。相比之下,在美国,用于改善室内空气质量的联邦资金仅限于医院等医疗保健提供者,直到3月11日《美国救援计划法案》(American Rescue Plan Act)(该法案也为学校提供资金)生效,这一情况才有所改善。

 

 

清除室内新冠病毒所面临的挑战2

Philomena Bluyssen (右)等人研究了空气运动并模拟了病毒粒子。

 

室内的威胁

使室内空间如此危险的原因是,呼出的病毒可以积聚并感染那些没有直接接触感染者的人。一个典型的例子发生在一年前,在越南胡志明市一家酒吧的圣帕特里克节派对上,12人在聚会上被感染,但只有4人与感染者有过密切接触。最近在芝加哥、伊利诺斯州和夏威夷的健身房也发生了类似的疫情,尽管参加健身课程的人离得很远,而且健身课程的容量也有限制。

自从WHO去年承认空气传播可能发生以来,公共卫生机构一直强调在拥挤和通风条件差的场所存在风险。但Morawska指出,这个术语具有欺骗性。这种说法会让人想到繁忙的酒吧,实际上,在现实生活中,任何地方都可能变得拥挤、通风不畅。人们其实并没有意识到这一点。

她表示,她自己在昆士兰科技大学(Queensland University of Technology)的小办公室,如果有人来访并关上门,很快就会变得通风不畅。宽敞、不拥挤的餐厅可能看上去通风良好,其实不然。

这也是为什么Jimenez等人主张使用廉价的二氧化碳监测仪来粗略衡量通风是否足够的原因之一。当携带病毒的气溶胶被呼出时,二氧化碳也被呼出。Jimenez指出,如果通风不好,二氧化碳就会与病毒一起聚集。在一份未经审核的分析报告中,Jimenez和他的合著者Zhe Peng发现,感染SARS-CoV-2的风险随着室内二氧化碳浓度的增加而增加。

台湾、挪威和葡萄牙都有法律将室内二氧化碳浓度限制在1000ppm。加利福尼亚和马德里的研究表明,学校教室里的二氧化碳浓度经常超过这个水平。高水平的二氧化碳会让人注意力不集中,生病的概率更多。

Jimenez提醒,制定明确的二氧化碳浓度限制将有助于确保通风充足以降低感染风险。但他的研究表明,总的来说,700 ppm是一个更好的上限,健身房和其他空气排气量较大的场所应采用较低的上限。

并不是每个人都同意二氧化碳监测仪是解决方案。在德国慕尼黑联邦武装部队大学(University of the Federal Armed Forces)研究气溶胶产生和动力学的物理学家Christian Kähler认为,二氧化碳和病毒之间没有关联。当二氧化碳水平较低时,这会给人们一种虚假的安全感。

Jimenez认为,二氧化碳浓度可以快速显示通风是否足够。2020年8月,欧洲供暖、通风和空调协会联合会(Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations, REHVA)同意,建议在通风可能不足的建筑物中安装二氧化碳监测器。

去年年底,加拿大蒙特利尔的老师偷偷测量了教室里的二氧化碳水平,并把他们的发现告诉了媒体。魁北克政府现在正在网上公布公立学校的二氧化碳水平,目的是使所有的水平都在1000 ppm以下。但到目前为止,这种公开报告还是少数。

 

没有固定的标准

设定通风目标的部分困难在于,尚不清楚需要多少通风才能将感染率降低到可接受的水平。Mousavi指出,直接测量不同通气率下感染风险如何变化的实验是不道德的,因为这会把人们置于危险之中。

SARS-CoV-2的精确感染剂量也是未知的。但是研究人员可以通过分析疾病爆发来推断出呼出的病毒需要多少才能引起感染。例如,Jimenez等人使用了华盛顿斯卡吉特山谷一个臭名昭著的唱诗班排练的细节——其中一人可能感染了其他60名参加者中的52人——来估算出传染性病毒的排放量。

Jimenez利用这一方法于2020年6月推出了一个在线工具(尚未经过同行审查),帮助人们评估不同室内空间的感染风险,无论是否戴口罩。该工具根据房间大小、在场人数和他们正在做的事情来计算风险,病毒被呼出的速率取决于人们是唱歌、在跑步机上跑步还是安静地坐着。

WHO建议医疗保健场所的最低换气率为每小时6-12次,也就是更换房间里的全部空气量,以防止卫生保健设施中的病原体通过空气传播,但其他场所的换气率要低一些。美国采暖、制冷和空调工程师协会(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE)制定了室内空气质量的最低标准。建议的目标为:家庭每小时换气0.35次,办公室每小时换气2-3次,学校每小时5-6次,医院每小时6-12次。

但是蒙特利尔康考迪亚大学(Concordia University)的机械工程师Liangzhu (Leon) Wang表示,即使这些最低标准也很少达到。尽管专家们表示需要更多的通风来降低感染风险,但他们在通风程度上存在分歧。对于学校,Allen建议每小时换气4-6次,这可以通过室外空气通风、过滤或补充空气净化来实现。Kähler则认为,每小时至少换气6次。

Wang等人试图估计在学校需要多大程度的通风来降低感染风险。他们测量了蒙特利尔3所学校教室的通风率,发现一个由20名学生和1名教师组成的教室如果窗户打开,每小时交换的空气少于一半;另一个采用机械通风的类似房间每小时更换两次空气。即便如此,也不足以将基本传染数降低到1以下——足以遏制疫情的水平。基本传染数小于1意味着一个受感染的学生在同一教室内感染的人数少于1个。Wang的分析还有待同行评议,他认为在这种情况下,每小时需要换3到8次空气才能使基本传染数低于1。

Wang表示,标准的通风速率不够。在另一份预印本中,他和同事们估计,在餐馆等人口密集的场所,户外空气增加一倍,感染几率可降低高达35%。但同样的改变在人员较少的大型场所,如仓库,其效果要小得多,只减少了0.1%的风险。他们的分析还表明,在室内戴口罩甚至比换空气更有效:口罩可以将感染风险降低60%以上,因为它们从源头切断了病毒。

 

净化空气

开窗是卫生当局建议的改善通风的最简单方法。Kähler表示,虽然打开窗户总比什么都不做要好,但它很少能让室内和室外的空气交换足够的空气,尤其是在没有对流的情况下。

根据Kähler等人在大学报告厅所做的空气交换测量结果,只要开窗几分钟,比如课间,大部分病毒还是会呆在室内。在一项预印的研究中,Kähler发现两扇允许交叉微风的窗户需要打开三分之二的时间,才能与房间的供暖、通风和空调系统的性能相当。如果外面的天气太热或太冷,人们根本就不会听从这个建议。开窗通风有时是有效的,但效果不佳。

更好的方法是对空间进行机械通风。这样可以吸收无病毒的室外空气,清除受污染的室内空气,从而稀释任何病毒。2020年4月,ASHRAE和REHVA建议设置HVAC控制,以吸收尽可能多的室外空气,并过滤再循环空气。

但是Kähler认为很少有建筑,特别是在气候温和的德国,有足够强大的系统来提供100%的室外空气。世界上大多数的办公场所和教室只有20%的室外空气供应,其余的空气进行循环利用,以节省供暖和制冷的能源消耗。

李宇国提醒,增加通风对环境的影响应该让人们三思。在许多情况下,现在加强通风系统将意味着一旦疫情威胁消退,就将其移除。更好的解决办法是限制室内的人数,遏制危险行为。不要喊,不要唱歌,也不要跑。

Bluyssen表示,加大建筑通风的另一个缺点是,房间可能会变得漏风和噪音,因为系统的设计初衷并非如此。

Kähler认为,移动空气净化器可以过滤掉病毒和其它空气污染物,这是解决方案的一部分,而且比使用额外的加热或冷却室外空气更节能。HVAC系统中的过滤器也可以净化再循环的空气。

Bluyssen等人在受控环境中测试了装有高效微粒空气过滤器的空气净化器。在某些情况下,空气净化器在去除由充气肥皂泡模拟的气溶胶方面优于通风系统。但即使在最低设置,空气净化器也超过了欧洲和荷兰标准建议的可接受的噪音和通风水平。

Bluyssen表示,要解决当前系统的不足,就需要创新。我们需要寻找简单、负担得起的解决方案。她正在研究的一个想法是个性化的通风系统——比如,一个座位上安装了一个系统,可以把呼出的空气吸走,然后过滤和清洁返回。有各种各样的可能性。

但是Mousavi提醒,最大的问题是人们对已经在使用的系统了解不够。我们需要更多地了解这些技术,以及它们如何发挥作用。这样ASHRAE、WHO或其他机构的建议才能基于明确的科学原理。现在是我们建立这个基础的时候了。

Morawska表示,随着疫苗的推出和感染风险的下降,改善糟糕的室内空气质量的机会窗口正在关闭。现在疫情还没有过去。到了明年,可能就太晚了。

研究人员指出,在下一次流感大流行期间,甚至在没有重大疾病爆发的情况下,对通风的更多关注将带来好处。Bluyssen表示,室内空气质量“很长时间以来一直非常糟糕”。这不仅让我们有机会改善大流行时的空气质量,还能改善未来的整个室内环境质量。

 

原文检索:
Dyani Lewis. (2021) THE CHALLENGES OF MAKING INDOORS SAFE. Nature, 592: 22-25. 
张洁/编译

 

 

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