《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Experimental study of flushing-driven cross-floor aerosol transmission in full-scale high-rise drainage systems
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•在一座34层的实际规模测试装置中捕捉到了冲洗引发的压力波。•气溶胶泄漏受持续正压持续时间的影响。•提出了正压暴露窗口（PPEW），用于指示存水弯水封失效后的泄漏持续时间。•低楼层表现出更长的正压泄漏窗口。•双立管系统比单立管系统更有效地缩短了泄漏窗口。引言COVID-19的
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在一座34层的实际规模测试装置中捕捉到了冲洗引发的压力波。
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气溶胶泄漏受持续正压持续时间的影响。
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提出了正压暴露窗口（PPEW），用于指示存水弯水封失效后的泄漏持续时间。
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低楼层表现出更长的正压泄漏窗口。
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双立管系统比单立管系统更有效地缩短了泄漏窗口。
引言
COVID-19的爆发不仅仅是一次短期的公共卫生事件，它还暴露了人们对建筑环境中间接传播途径的了解不足[1,2]。随着世界进入后疫情时代，识别和量化建筑物内隐藏的传播途径已成为增强公共卫生韧性的重要依据[[3], [4], [5]]。建筑排水系统（BDSs）用于收集和输送人类排泄物及生活废水，在冲洗引发的压力波、存水弯水封失效和气溶胶再悬浮等条件下，可能成为携带病原体的气溶胶跨楼层迁移的途径[[6], [7], [8]]。
来自实际建筑环境的现场证据已证明了与BDSs相关的气溶胶暴露风险[9,10]。Wang等人使用六氟化硫（SF6）作为示踪气体，在确认有SARS-CoV-2病例的建筑中进行研究，证实了携带病毒的溶胶可通过BDS传输至室内空间[11]。Fan等人结合宏基因组鸟枪测序与荧光示踪技术，对同一排水立管连接的各户及一栋17层住宅楼底部污水检查井进行了研究，从基因测序和气溶胶传输两个角度证实了"粪—水—气"传播途径[12]。此类现场测量为BDSs通过跨楼层气溶胶传播提供了直接证据，并表明有效的存水弯水封是阻止受污染的BDS气流进入室内环境的关键屏障[13,14]。然而，现场测量通常更适合识别传播途径和比较相对暴露风险，而在定量区分冲洗压力、楼层位置、立管配置和存水弯水封状态对气溶胶传输过程的影响方面仍受到限制。
BDSs内部的跨楼层气溶胶传播主要受热驱动烟囱效应和冲洗引发的瞬态压力扰动的共同作用驱动[15,16]。烟囱效应主要由室内外温差引起的浮力效应产生，通常表现为相对持续的准稳态气流。在非冲洗期间，传播方向和风险楼层主要取决于中压面的位置，形成相对稳定的传输路径。冬季，高层建筑中中压面上方更易出现持续的泄漏风险[17,18]。相比之下，机械式冲水在短时间内将水流动量引入排水立管，并引发大幅度和快速传播的压力波动。此类瞬态扰动会改变管道内的气流方向和压力分布，使在烟囱效应下不太易受影响的下层暂时受到正压驱动力的影响[19,20]。
冲水引发的污染物气溶胶化在卫生器具和局部排水环境中引起了越来越多的关注。含污染物的水在马桶冲水过程中，通过下落、撞击和气液混合产生细小气溶胶，这些气溶胶随后可能扩散至周围空间[[21], [22], [23]]。Gormley等人开发了一个代表两层建筑的卫生管道模型，表明马桶排放引发的湍流足以使模型微生物气溶胶化，并通过BDS促进其跨楼层传输[24]。Mu等人建立了一个1:4比例的三层BDS实验平台，结合SF6示踪和高频测量，发现冲水期间下层示踪剂浓度是上层的两到六倍[25]。这些研究为冲水引发的气溶胶生成和局部传输提供了重要证据；然而，它们主要依赖于实验室规模或低层模型，通常涉及单立管或简化的BDS。对于实际规模的高层排水立管，冲洗引发的压力波如何压缩和推动立管内的含气溶胶空气以及触发存水弯水封耗尽的地漏跨楼层泄漏的系统实验量化仍然缺乏。
早期关于冲洗引发压力波的研究主要关注传统的单立管配置，特别是向下水流产生的瞬态压力波动及其对存水弯水封稳定性的影响[26,27]。Swaffield等人开发了建筑排水和通气系统瞬态压力传播的数学模型，并证明冲洗引发的瞬态气压波动可能破坏存水弯水封[28]。Xue等人揭示了不同进口配置下垂直管内环形流动中液膜速度和厚度的轴向演变[29]。Cheng等人测量了冲水后排水立管中的气压波动，并报告在排放点以下某些高度处可能发生存水弯水封失效[30]。然而，一旦地漏存水弯水封失效，研究重点便从水封破坏转向能够驱动向外气流的持续正压持续时间。在实际规模的高层BDSs中，存水弯水封失效后持续正压时段以及与此相关的潜在气溶胶泄漏持续时间的系统定量证据仍然有限。
持续正压的时间不仅取决于冲水高度和水流动动力学，还取决于立管通气配置和压力释放路径。在实际应用中，高层建筑BDSs采用多种配置，包括单立管、双立管以及配备Sovent管件和螺旋导流结构的特殊单立管系统[31,32]。由于这些配置在通气布局和液气耦合方面存在差异，在相同冲水条件下，不同楼层可能会经历截然不同的正压响应和持续时间。然而，鲜有研究系统地探讨这三种典型立管系统在标准化高层冲水条件下的压力响应和潜在气溶胶传输特性。
总之，现有文献仍存在三个主要局限性。首先，冲水引发气溶胶的研究主要集中在实验室模型或低层单立管排水系统上，实际规模高层BDSs中的跨楼层泄漏认识仍不充分。其次，现有的高层建筑冲水引发压力研究主要关注传统单立管系统和压力峰值，而存水弯水封失效后持续正压的持续时间及其与持续气溶胶泄漏的关系了解仍不充分。第三，不同立管配置如何改变正压释放路径和气溶胶泄漏的机制性比较仍然缺乏，这使得难以确定压力波对气溶胶泄漏潜力的持续影响。
为了解决这些研究空白，本研究使用了一栋34层的实际规模建筑排水测试塔，在单立管、双立管以及特殊单立管这三种典型系统中，研究了冲洗引发的压力响应以及存水弯水封失效的地漏气溶胶泄漏情况。在上层冲水条件下，同步获得了所有楼层的高频压力响应数据，以比较三种立管系统中的压力传播情况。结合下层存水弯水封失效条件下的气溶胶示踪实验，分析了持续正压与实际泄漏之间的时间对应关系。在此基础上，提出了正压暴露窗口（PPEW），以将传统的峰值压力评估扩展至持续正压持续时间评估，并表征不同楼层存水弯水封失效的地漏的潜在气溶胶泄漏窗口。进一步使用PPEW的全楼层分布识别了每种立管配置的潜在泄漏关键区域。
章节摘要
实验系统
实验在中国广东省东莞市的一个实际规模建筑排水性能测试塔中进行，如图1所示。该塔总高122.9米，可模拟高层建筑不同高度的排水条件。东莞位于中国华南温暖湿润地区。实验期间，室内外温差相对较小，这有助于减少热驱动烟囱效应的影
各楼层对高层冲水的瞬态压力响应
为了定量比较三种高层排水立管系统在高层冲水下的压力响应差异，本节分析了在全密封楼层条件下的瞬态压力传播特性。图3展示了在31F冲水条件下，单立管、双立管以及特殊单立管系统中从2F到33F同步测量的压力时空演变。冲水发生在1秒处，此后压力波
PPEW分布的物理机制
三种立管系统的PPEW结果表明，在上层冲水期间，低楼层具有更高的外泄潜在风险。上层冲水后，下降的水团在立管内压缩其下方的空气，使冲水楼层下方的区域主要承受正压。当存水弯水封失效时，正压可驱动含气溶胶的空气通过地漏从排水管道进入室内空间。冲水楼层上方的区域
结论
基于一座实际规模34层建筑排水实验塔，本研究比较了三种典型立管系统在冲洗引发压力扰动下的压力响应和气溶胶泄漏特性，并提出了PPEW来表征存水弯水封失效的地漏正压驱动泄漏的潜在持续时间。主要结论如下。
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三种立管系统在高耸冲水条件下表现出截然不同的压力响应。
CRediT作者贡献声明
刘德涵：原稿撰写，形式化分析。 赵京：项目管理，概念构思。 侯杰文：方法论，数据整理。 法利克·侯赛因：论文审阅与编辑。 吴逸斌：可视化。 范映莹：验证。 刘俊杰：监督指导。 高锋：资源提供，资金支持。 李沛昂：软件开发。
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