热分层如何成为室内病原传播的致命隐患？——气溶胶动力学实验揭示呼吸区陷阱

本研究针对通风模式如何通过热分层影响病原气溶胶（0.3–5 μm）扩散与沉积的核心问题，在16.8 m3实验舱内综合运用荧光示踪颗粒、CO2同步示踪及人体热模拟技术，首次量化不同HVAC策略（混合通风MV/位移通风DV）下气溶胶行为。关键发现：当地板回风形成热分层时，呼吸区气溶胶浓度骤升12倍；天花板回风的DV模式清除效率最优，而壁面静电沉积贡献超预期。该成果为优化防控空气传播疾病的HVAC设计提供了颠覆性实验证据，发表于《气溶胶科学杂志》。

　　

在COVID-19疫情重塑全球公共卫生认知的背景下，室内空气传播被确认为呼吸道疾病扩散的关键途径。令人警觉的是，常规建筑通风系统（HVAC）可能通过热分层现象——冷热空气因密度差形成垂直温度梯度——无意中制造"气溶胶陷阱"。早期模型研究提示分层环境会改变病原载体（如含病毒唾液微滴0.3–5 μm）的运动轨迹，但缺乏全尺寸实验验证不同通风策略对实际传播风险的影响。更棘手的是，气溶胶沉积机制中湍流摩擦速度等关键参数的实测数据长期缺失，导致现有理论模型与真实场景存偏差。

为破解这一难题，加拿大原子能有限公司（Atomic Energy of Canada Limited）的研究团队在《Journal of Aerosol Science》发表开创性实验。他们构建16.8 m3全尺寸环境舱（图1），通过精准控制送/回风口位置（地板/天花板）、换气率（0.5–5 h^-1）及供冷供热模式，复现混合通风（MV）与位移通风（DV）场景。实验采用人体呼出颗粒特征尺寸的荧光素钠微粒（0.3–5 μm）模拟病原载体，同步注入CO₂实现双示踪监测；创新性引入人体热模拟装置（模拟呼出气流浮力羽流）及加热喷射系统，在舱内壁面布设沉积板量化不同朝向表面的颗粒沉降。研究团队更首次通过精密传感器网络实测摩擦速度（表征近壁面湍流强度），揭示沉积机制与理论的关联性。

结果与讨论

■ 混合通风（MV）场景

当换气率0.5–5 h^-1维持舱内充分混合时，气溶胶扩散与沉积符合集总箱式模型预测。水平表面沉积以重力沉降为主，垂直表面沉积率显著低于后续分层场景。

■ 热分层（DV）场景

地板送风诱发强烈热分层后，回风口位置成为决定性因素：

• 地板回风：顶部呼吸区形成"死腔"，气溶胶浓度较混合场景升高12倍（对比Nielsen等2012年预测）

• 天花板回风：实现最高污染物清除效率（79.4%，验证Nazari等2023模型）

  壁面/天花板沉积量超预期，静电效应被证实为关键沉积机制（占比>50%）

■ 沉积机制突破

通过摩擦速度实测与沉积率关联分析，发现：

1. 湍流涡扩散-撞击对垂直表面沉积贡献微弱

2. 布朗扩散仅在亚微米级颗粒显著

3. 重力沉降主导地面沉积，但无法解释天花板沉积

4. 静电梯度（非模型预测参数）成为核心驱动力

结论与意义

本研究首次通过全尺度实验证实：热分层环境下HVAC设计缺陷（如地板回风）可使呼吸区气溶胶富集浓度飙升至混合环境的12倍，形成重大传播隐患。天花板回风的位移通风（DV）策略被确认为最优解，而壁面静电沉积作为意外发现，对延长病原体存活时间（间接接触传播）具有警示意义。更关键的是，摩擦速度实测数据揭示现有沉积模型（如Lai-Nazaroff模型）低估静电作用，为模型修正提供核心参数。

这些发现对公共空间HVAC设计产生颠覆性影响：购物中心、候诊室等采用地板送风的场所需紧急评估回风口位置；而79.4%清除效率的天花板回风方案为机场、电梯等密闭空间提供即时优化路径。研究建立的"荧光-CO₂双示踪+人体热模拟+摩擦速度实测"方法体系，将成为后续气溶胶行为研究的黄金标准。随着新发呼吸道传染病威胁持续，该成果从流体力学底层机制为建筑防疫设计锚定了科学支点。