集体公寓多层排水系统中跨楼层气溶胶传播的风险量化

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Risk quantification of cross-floor aerosol transmission in multi-story drainage systems of collective apartments

　　摘要
公共厕所是集体公寓中高频使用的共享空间。连接到有缺陷的地板排水口的建筑排水系统（BDS）为跨楼层气溶胶传播提供了隐蔽途径，使得这些空间成为交叉感染的关键节点。本研究利用实时同步传感器阵列和气溶胶追踪技术，定量研究了在天津一栋四层供暖学生公寓中，冬季室内外温差较大且室外风速较弱的条件下，通过BDS进行的跨楼层气溶胶传播情况。通过修改后的Wells–Riley模型评估了相应的感染风险。在稳定的烟囱效应条件下，气溶胶泄漏仅通过1楼的地板排水口发生，日均泄漏速度为0.81米/秒，10分钟暴露下的最大感染概率为4.13%。其他楼层主要处于负压状态，感染风险可忽略不计。在瞬态冲洗条件下，3楼或4楼的冲洗操作在BDS内引起了最明显的气流波动，使1楼的最大泄漏速度增加到2.6米/秒，感染概率相对烟囱效应基线增加了39.7%–55.45%；而其他楼层的绝对感染概率仍低于0.08‰。考虑到集体公寓的高频使用和累积人口暴露，该建筑在1小时内至少发生一次感染的概率介于46.19%至94.05%之间，预计感染人数为0.62至2.75例。由烟囱效应驱动的持续气溶胶传播是主要暴露机制。

引言
在快速城市化进程中，高密度住宅建筑对公共卫生安全管理提出了严峻挑战[1,2]。由于人口密度极高且流动性强，如果在高传染性疾病爆发期间无法控制病原体的传播，将引发严重的系统性公共卫生危机[3, [4], [5]]。以COVID-19为例，病毒可通过气溶胶传播并在空气中悬浮数小时[6,7]。同时，如SARS-CoV-2这样的病原体已在人类粪便中被检测到，其传播途径包括粪-口途径和粪-气溶胶途径[8, [9], [10]]。在高入住率的集体公寓公共卫生间中，这种传播链被显著放大。极高的使用频率增加了接触病原体的风险，使这些共享空间成为流行病爆发期间的核心感染中心[11, [12], [13]]。
目前关于公共厕所中病原体传播风险的研究主要集中在同一空间内的顺序交叉感染上。这些研究强调了前一位使用者产生的气溶胶的生成和沉积动态，以及后续使用者的延迟暴露风险。通过研究冲洗卫生设施期间的气溶胶生成和冲洗后的气溶胶衰减过程，先前研究表明，使用卫生设施产生的强烈湍流会显著增加空气中的颗粒浓度，并导致气溶胶在冲洗后仍悬浮在呼吸区内，从而形成持续一段时间的吸入暴露风险[14, [15], [16]]。然而，这些研究通常将公共卫生间视为孤立封闭的空间单元，忽略了卫生间基础设施运行和维护中的一个盲点：当隐蔽的地板排水口密封件因维护不当而干燥失效时，相互连接的建筑排水系统（BDS）可能会在系统层面引发同时的跨楼层暴露。现有的风险评估方法也主要局限于单一空间内的静态易感人群，而没有考虑到居民移动和多层建筑空间异质性带来的综合感染风险。相应的系统评估框架尚未建立。
通过真实建筑场景中的现场测量，已证实BDS中的病毒气溶胶化及远距离传播的暴露风险[17, [18], [19]]。示踪气体实验、荧光颗粒追踪和微生物组分析的证据一致表明，污染物可以通过共享排水管在各楼层之间迁移，并通过损坏或失效的密封件进入室内空间，从而形成隐蔽的跨楼层传播途径[20,21]。这些现场研究还证实，保持有效的密封件可以防止污染物在BDS和室内环境之间的传播[22,23]。然而，这种方法只能定性比较不同节点之间的相对暴露风险，难以准确量化气溶胶传播的具体影响因素和机制。

BDS中的跨楼层气溶胶传播主要由两种物理机制驱动：机械冲洗和烟囱效应[24,25]。烟囱效应的传输机制主要是由室内外温差引起的浮力驱动的。中性压力水平（NPL）被广泛认为是表征这一气流场的关键空气动力学边界。荧光示踪实验和多层住宅建筑的计算流体动力学（CFD）模拟均表明，楼层相对于NPL的位置显著影响了密封件损坏后的污染物入侵方向和范围。高风险区域通常集中在压力差将气流从BDS引入室内环境的区域[26,27]。尽管这些研究提供了定量空间相对暴露风险，但其测试方法依赖于传统的长期、时间平均累积监测。这种低时间分辨率的数据无法完全解析BDS内气流的瞬态波动特性，因此管道网络的内部传输动力学尚未得到充分表征，限制了气溶胶传播风险的准确量化。
机械冲洗的气溶胶传播机制源于冲洗过程中管道网络内的瞬态气压波动，这种波动将管道内的气溶胶推向室内空间。使用实验室排水模型和缩比管道网络进行的先前研究表明，排水过程可以在BDS内生成含有微生物或污染物的气溶胶，并通过冲洗引起的气流将其跨楼层传输[28,29]。然而，由于真实BDS物理运行条件的复杂性，实验室物理模型难以准确复制与实际情况一致的边界条件。因此，从真实BDS获取高分辨率的现场测量数据已成为进行定量风险评估和揭示潜在传播机制的核心挑战。
总之，在评估集体公寓多层BDS中的跨楼层气溶胶传播风险方面仍存在三个研究空白。首先，现有研究依赖于长期、时间平均的采样数据，缺乏跨多个楼层的高频实时数据同步。因此，量化BDS内部流场和气溶胶传播的暴露风险较为困难。其次，气溶胶暴露风险评估方法尚未充分考虑烟囱效应和机械冲洗的叠加影响。因此，在多场耦合条件下，仍需全面评估这两种因素对跨楼层气溶胶传播的相对贡献。最后，当前的风险模型主要限于单个个体的独立顺序暴露事件，尚未建立适用于集体公寓的系统性评估框架。因此，频繁使用的公共厕所中跨楼层暴露导致的人群感染负担尚未得到充分量化。
为了解决这些研究空白，本研究旨在通过实际集体公寓建筑中的高频同步流场监测和气溶胶追踪，研究源自污水井的跨楼层气溶胶传输的内部气流场演变及传播过程。进一步结合了代表性的COVID-19情景下的气溶胶生成率，以表征BDS作为气溶胶传播途径的物理脆弱性及其导致的人群感染风险。

本研究的主要贡献和创新集中在以下三个方面：首先，在真实的多层BDS中构建了一个高分辨率、压力-速度同步监测网络，实现了对每层地板排水口气流的实时采集。结合气溶胶追踪，该监测网络定量解析了BDS内气溶胶的空间扩散机制。其次，全天连续监测和受控机械冲洗实验系统地阐明了由烟囱效应驱动的BDS气流演变特征以及各楼层节点的气溶胶传输路径和冲洗引起的瞬态流场响应及气溶胶传播风险。最后，将BDS的动态物理传输效率纳入修改后的Wells–Riley模型中，建立了适用于高密度集体公寓的感染风险评估框架，将传统的“单个人、单次事件”局部暴露评估扩展到建筑人群层面。

方法论
本研究的技术路线如图1所示。通过构建多层同步监测传感器阵列并部署气溶胶示踪系统，本研究在两种典型驱动机制（烟囱效应和机械冲洗）下进行了长期监测和定量重复实验，以实现瞬态流场的实时捕捉和气溶胶浓度的准确测量。

气流场的时空特性
气流场是气溶胶空间分布的主要决定因素，稳态烟囱效应为其持续进入室内环境提供了核心驱动力。图5展示了BDS内四个测试楼层地板排水口处24小时连续监测的压力差和流速数据，阐明了气流特性如何响应室内外温差和室外风速。

本研究在寒冷地区的冬季供暖条件下进行，选择风速较小的日子以减少室外风压的干扰。因此，BDS内的稳定气流主要由室内外温差引起的烟囱效应控制。从室外污水检查井输送的低温空气在通过一楼立管段时未能与周围环境充分换热。

结论
本研究通过集成同步多楼层流场监测、物理气溶胶追踪和人群风险评估，对一栋实际的四层公寓建筑进行了研究，系统地阐明了冬季烟囱效应和机械冲洗作用下的跨楼层气溶胶传播特性及相关的人群感染风险。主要结论如下：

致谢
作者感谢中国政府科技部国家重点研发计划“国家质量基础设施（NQI）”（项目编号2023YFF0613100）的支持。

作者归属声明
Dehan Liu：撰写——原始草稿，数据整理
Jing Zhao：形式分析，概念化
Faliq Hussain：撰写——审阅与编辑，调查
Yibing Wu：可视化
Junjie Liu：监督，资源协调
Feng Gao：项目管理，资金获取
Yingying Fan：方法学
Dayan Xu：调查

天津大学环境科学与工程学院室内空气质量控制重点实验室，中国天津300072