《Building and Environment》：Size-resolved aerosol transport and exposure risk in university dormitories driven by Stokes number topology and source-flow coupling
编辑推荐：
•SAC喷流走廊和预测的涡旋陷阱打破了空气充分混合的假设。•斯托克斯数控制着空气的传输：一个大约3微米的尺寸转变，这个转变依赖于具体条件。•源头流动与喷流的耦合导致了相对暴露的不均衡：上游区域的物质扩散范围很广。•热辐射率（RER）的分布显示，暴露程度并不随距离的增加而减少，这为
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SAC喷流走廊和预测的涡旋陷阱打破了空气充分混合的假设。
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斯托克斯数控制着空气的传输：一个大约3微米的尺寸转变，这个转变依赖于具体条件。
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源头流动与喷流的耦合导致了相对暴露的不均衡：上游区域的物质扩散范围很广。
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热辐射率（RER）的分布显示，暴露程度并不随距离的增加而减少，这为识别潜在的热点区域提供了线索。
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床铺的布局、喷流的方向以及高效空气净化器（HEPA）的安装位置共同影响了这种环境下的暴露程度。
引言
近年来，由SARS-CoV-2和流感病毒等病原体引起的高传染性呼吸道疾病对全球公共卫生构成了严重挑战。科学界普遍认为，除了传统的飞沫传播和接触传播外，气溶胶传播也是室内呼吸道病毒传播的重要途径[[1], [2], [3], [4]]。特别是在通风不良、封闭或半封闭的环境中，由于气溶胶浓度高且暴露时间较长，气溶胶传播的风险显著增加[2,3]。根据空气动力学直径的不同，由呼吸、说话、咳嗽或打喷嚏产生的气溶胶传输方式可以分为两类：大颗粒（>5微米）在重力的作用下会沉积在较近的距离内，而小颗粒（<5微米）则可以在空气中悬浮较长时间，并通过气流传播到较远的距离[[5], [6], [7]]。生物气溶胶具有重大的健康影响，包括急性毒性、过敏反应、感染和癌症；因此，评估生物气溶胶的传播机制至关重要[8,9]。因此，深入理解室内微环境中气溶胶的流体动力学传输机制是实施精准通风干预和感染控制的关键前提。
作为大学生学习和生活的场所，宿舍的特点是人口密度高、空间狭长且相对封闭[10]。与国外宿舍相比，中国大学的宿舍人均占地面积较小，居住密度较高，人均生活空间仅约为4.25平方米[11,12]。低人均通风率和高居住率的结合已被证实是感冒和流感传播的独立风险因素和共同风险因素[13]，同时，由于宿舍内的日常活动（如洗漱）导致的局部高湿度环境也增加了感染风险[14]。在夏季夜间，为了保持舒适的温度并减少能源消耗，宿舍通常使用分体式空调（SAC），这种系统的室内空气处理单元与室外压缩机-冷凝器单元通过制冷管道连接，不会阻挡窗户视线，并在中国的大学宿舍中广泛采用，门窗通常紧闭[12,15]。在这种条件下，室内几乎没有任何有效的新鲜空气稀释作用，SAC产生的定向喷流很容易将含有病毒的气溶胶从局部污染源带入整个房间，导致污染物在房间内的交叉区域分布和积累[16]。因此，配备SAC的高密度居住宿舍成为呼吸道疾病传播的高风险微环境。
现有研究大量使用了计算流体动力学（CFD）数值模拟和示踪气体/颗粒实验来探讨通风策略对室内污染物传播的影响。关于空气分布和干预策略，Ahmadzadeh等人[17]通过CFD模拟研究了教室内的气流场；Zhao等人[18]通过实验揭示了在不同通风策略下病原性生物气溶胶的耦合运动行为；Saad等人[19]指出，可以通过机械通风时扩散器的位置结合物理距离来控制近场暴露；Qin等人[20]证实了冲击式喷流通风可以有效降低呼吸区域的污染物浓度；Kurnitski等人[21]提出了一种基于感染风险的通风率设计方法。关于空调系统的潜在风险，Correia等人[22]指出，空调回风可能成为室内环境污染的主要驱动因素，黄等人[23]进一步强调了送风参数在病毒携带气溶胶扩散过程中的调节作用。此外，空间布局和物理障碍的影响也受到了关注。Ye等人[24]通过实验验证了物理障碍可能会引发近距离交叉感染的新途径，Zhuang等人[25]揭示了家具布局对办公室空气分布的显著干扰。最近的一项基于教室的研究引入了横向分布的概念，以量化大规模气流模式与空气传播疾病之间的联系，表明通风设计必须同时考虑换气率和流动结构[26]。虽然这些发现有助于理解相对开放的、集中通风的空间中的情况，但在狭长、家具密集的宿舍环境中，这种大规模流动模式的影响如何表现仍有待明确。关于宿舍建筑，Dai等人[27]评估了自然通风条件下宿舍单元之间的交叉扩散风险，而Cheng等人[28]、Lei等人[29]和Dong等人[30]分别探讨了自然通风和空间设计对宿舍室内空气质量及热舒适度的影响。
虽然上述研究为室内气溶胶传播控制提供了有价值的框架，但这些发现应用于几何形状狭长、居住密度高且内部布局复杂的宿舍环境时，需要进一步研究。首先，现有研究主要集中在几何形状简化或混合/置换通风场景理想化的开放空间上[[31], [32], [33], [34]]。虽然这些模型提供了基础性的见解，但分体式空调（SAC）引起的独特、高度非均匀且方向强烈的流动场特性代表了特定的动态特征，将其应用于这种特定建筑类型时需要详细研究。其次，宿舍的特点是障碍物密集布局。这些特征（例如，绕过障碍物的流动、分离和涡旋）与主导的SAC喷流之间的相互作用可能会产生复杂的气溶胶传输路径和滞留模式；然而，这种耦合机制的全面定量评估仍是一个需要进一步研究的领域。第三，尽管对污染物传输有一般性的理解，但污染物源的空间位置与上述复杂气流场之间的动态耦合，特别是其对多分散气溶胶的时空分布和暴露风险的控制作用，仍值得进一步探讨。此外，传统的风险评估工具通常依赖于物理距离或平均浓度；尽管作为一般指标很有用，但它们可能无法完全解释某些非均匀流动场中的气流驱动现象，例如远场风险放大或局部污染物积累。
为解决这些剩余挑战，本研究以典型的四人宿舍作为研究对象，结合气溶胶释放实验和CFD模拟，探讨了在固定SAC送风参数条件下，污染物源位置对室内气溶胶时空分布模式的影响。本研究旨在精确揭示：（1）在不同尺寸气溶胶在非均匀SAC流场主导下的长距离方向传输和局部滞留机制；（2）污染物源位置与复杂室内流场之间的耦合效应如何改变局部和整体浓度分布特征；（3）提出一个综合急性及慢性暴露风险的新评估指标——相对暴露比率（RER），并基于该指标量化不同床铺之间的风险差异。随后，根据流场识别提出了低成本的感染控制策略。本研究旨在为密集居住空间（如宿舍）中的精准通风设计及呼吸道疾病的预防和控制提供科学依据。
章节片段
宿舍的几何形状
基于对中国几所大学宿舍的实地调查[10,12,[28], [29], [30]]，本研究总结了典型的宿舍形态特征并构建了一个标准化的物理模型。这些宿舍的特点是空间狭长、居住密度高，以及典型的床-桌一体化布局。实验模型是中国武汉一所大学中的标准四人宿舍房间，其几何尺寸为5.0米（长度）
由SAC引起的非均匀流场的拓扑结构
基于经过验证的CFD稳态解，提取了没有污染物释放时的基线室内流场。图9展示了Y=2.1米（口鼻呼吸平面）和典型纵向截面的速度矢量和流线分布。研究结果表明，分体式空调（SAC）的运行在宿舍内建立了高度非均匀、方向强烈的三维气流结构，这与普通情况有根本不同
喷流驱动方向传输中混合假设的破坏
传统上，室内空气分布是根据两种范式进行评估的：混合通风（MV），假设污染物均匀稀释；以及置换通风（DV），依靠热浮力形成垂直分层[33]。本研究中由分体式空调（SAC）主导的气流场与这两种情况都有本质区别。与MV利用高湍流消除梯度不同，也与DV产生的活塞式上升流不同
结论
本研究建立并验证了一个四人间宿舍中SAC通风流场和气溶胶传输的瞬态CFD模型，使用了流场的温度测量数据和呼吸平面监测线上的空间分辨浓度剖面。该模型再现了由低速冷喷流引起的热分层以及监测线上异常的非单调浓度积累模式
CRediT作者贡献声明
陈敏：概念构思、研究设计、方法论制定、项目管理、验证、初稿撰写、监督、审稿与编辑。郭梦宇：研究设计、验证、初稿撰写。
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陈敏：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、项目管理、方法论制定、研究设计、概念构思。郭梦宇：初稿撰写、验证、研究。
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