个人防护装备对人为污染物扩散的影响：基于热人体模型实验的研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Impact of personal protective equipment on human-related contaminant dispersion using thermal manikin experiments

　　摘要
对高技术产品（如生物制药、电池和半导体芯片）的需求不断增加，这也促使了对受控环境的需求上升。在这些环境中，人体是主要的污染源。因此，有效管理人为产生的污染物对于维持所需的清洁度水平至关重要。然而，穿着个人防护装备（PPE）的人体释放的污染物的传输特性仍知之甚少。本研究通过热人体模型实验，在混合通风条件下研究了多种因素对污染物传输的影响，包括PPE的使用、密封状态、污染物释放位置、通风模式、室内空气温度和空气交换率。结果显示，PPE显著增加了衣物内的污染物积累，胸部和腿部的污染物浓度分别比不使用PPE时高约4.0倍和1.8倍。与仅密封颈部相比，全身密封使胸部和腿部的污染物浓度分别增加了18.3%和31.4%。从腹股沟释放的污染物比从腋下释放的污染物更容易进入呼吸区。侧墙供气方式在手臂和呼吸区产生的污染物浓度高于地源供气方式。将空气温度从22°C提高到28°C时，腿部污染物浓度增加了52.7%，而胸部污染物浓度减少了70.2%。将空气交换率从3 ACH提高到6 ACH时，胸部污染物浓度降低，而腿部污染物浓度增加。这些发现为控制受控环境中人为产生的污染物提供了关于PPE设计和通风策略的见解。

引言
工业生产和全球经济的快速增长推动了对高技术产品（如生物制药、电池和半导体芯片）需求的增加。制造这些产品需要严格控制的环境和严格的清洁标准。因此，洁净室技术市场持续扩张，预计在未来几年将以6.78%的复合年增长率增长，到2031年将达到148.8亿美元[1]。洁净室设计旨在控制来自建筑材料、室内装饰、家具、设备、原材料、室外空气和人体等来源的污染[2]。在这些来源中，人为产生的污染物（包括水分、挥发性有机化合物（VOCs）和颗粒物）尤其难以管理。研究表明，人体是颗粒物污染的主要来源，约占洁净室内总污染的80%[3][4][5]。因此，有效控制人为产生的污染物对于维持对污染敏感环境所需的清洁度至关重要。
已经开发了几种策略来管理与人体相关的污染物，包括局部保护、过程控制和源头控制。局部保护主要针对个人进行防护，但由于产品分布分散以及需要二次处理，这种方法在高科技制造环境中往往不切实际。过程控制允许污染物在通过通风系统去除之前先扩散开来，这种方法广泛应用于医疗保健[6]、工业环境[7]、办公室[8]和住宅区[9]。然而，在受控环境中，通风系统也可能将室外空气中的污染物引入室内，从而增加空气净化成本和复杂性。因此，从源头控制污染物（即最小化污染物的释放）被认为是最直接和最有效的方法。常见的源头控制措施包括限制个人护理产品（PPCPs）的使用，并要求人员在进入前通过空气淋浴。由于人员排放的可变性和不可预测性，个人防护装备（PPE）也被广泛用作一种实用且成本效益高的源头控制措施。
尽管PPE被广泛使用，但它不能完全防止污染物的释放。人体产生的热量会产生向上的热气流，将污染物带到衣物开口处，尤其是在颈部周围。这些污染物随后可能进入呼吸区，从而影响附近的人或污染敏感产品。在医疗保健环境中对病毒传播的研究表明，即使感染患者佩戴了PPE，污染物也可能会向外泄漏[10]。颈部、手腕和脚踝处的开口可能会进一步降低PPE的防护性能。因此，了解PPE如何影响污染物传输对于改进污染控制至关重要。

以往的研究调查了各种室内环境中的人为产生的污染物排放，包括教室[11]、卧室[12,13]、办公室[14,15]、电影院[16]、飞机客舱[17,18]、博物馆[19]、体育设施[20]和受控气候室[13,21]。尽管这些研究主要在非洁净室环境中进行，但它们提供了与受控环境直接相关的人为污染物排放特性、排放率和传输机制的基本知识。据报道，与人体相关的VOCs的排放率差异很大，从67.47 μg h?1 p?1到6250 μg h?1 p?1不等[12,13,21]。类似地，单个人员在行走时每小时排放的颗粒物（> 1μm）估计为20±2.0百万个，而在坐着时为8±3百万个[22]。为了更好地了解这些污染物的传输，Bivolarova等人[23]测量了呼吸区内不同身体部位的污染物浓度，并证明排放位置对自身产生的污染物暴露有显著影响。Assaas等人[24]观察到从人体皮肤和衣物释放的PM10倾向于沿身体向上移动。流动可视化研究[25][26][27]进一步证明了由人体热气流驱动的人为产生的污染物的向上传输。此外，另一项研究初步证明了自身产生的污染物可以沿面罩使用者的身体向上移动[28]。这些发现对于医疗保健和洁净室环境特别重要，因为即使是很小量的人为产生的污染物也可能影响污染控制效果。尽管有了这些进展，PPE在改变污染物传输中的作用仍不完全清楚。通过改变人体与周围空气之间的热量和质量传递，PPE改变了穿戴者的微环境，但其对自身产生的污染物传输的影响尚未系统地量化。
为了填补这些知识空白，本研究使用热人体模型实验来研究PPE在控制自身产生的污染物方面的作用。虽然在热人体模型实验中重现真实的身体运动和动态PPE变形仍然具有挑战性，但热人体模型提供了一个可控且可重复的平台，用于在定义的实验条件下研究污染物传输。与以往主要关注部分防护装备（如面罩）周围的污染物传输的研究不同，本研究研究了全套PPE及其对PPE微环境中污染物积累和重新分布的影响。具体来说，系统地研究了PPE的使用、密封条件、污染物释放位置、通风配置、空气温度和空气交换率等因素。通过考虑这些因素，本研究将目前对一般室内环境中人体产生污染物传输的理解扩展到了穿着PPE的受控环境中的人员。这些发现为了解PPE内外的污染物分布提供了见解，并支持在医疗保健设施、洁净室和其他对污染敏感的环境中控制自身产生的污染物的策略开发。

部分内容
气候室
所有实验都在一个全尺寸的气候室内进行，尺寸为5.7米×3.4米×2.6米。实验室墙壁由保温纤维板制成。测试了两种通风配置（图1）。在类型I（称为侧墙供气）中，空气从位于前墙上部的三个供气口（0.18米×0.18米）进入，并通过同一墙壁下部的三个相同大小的排气口排出。在类型II中...

PPE使用的影响
图2显示了有PPE和无PPE条件下的CO2浓度标准化值（??*）。在这两种情况下， tracer气体释放后的最初约7分钟内，浓度标准化值迅速上升。之后，浓度标准化值的增加变得较小，并逐渐趋于准稳态，尽管在测量期的后期某些情况下仍存在明显的波动。无PPE的情况下...

受控环境中的人为产生污染物的来源
在受控环境（如洁净室和手术室）中，人体是主要的污染源。除了颗粒物外，人体还会释放气体污染物、微生物和水分，这些都可能影响环境清洁度和室内空气质量[3][4][5][21][34][35]。与颗粒物污染物相比，气体排放更难以量化和控制。人体气体排放主要由挥发性有机化合物（VOCs）组成...

结论
本研究使用气候室实验，在低至中等通风条件下（采用混合通风方式），系统地研究了各种因素对自身产生的污染物分布的影响，包括PPE的使用、密封状态、排放位置、通风模式、室内空气温度和空气交换率。从本研究中可以得出以下结论：
(1) PPE的使用导致衣物内污染物大量积累。

作者贡献
贾中建：撰写——初稿、审阅与编辑、可视化、方法论、调查、数据分析、数据管理。
张志天：可视化、方法论、调查、数据分析、数据管理。
艾正涛：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、调查、资金获取、概念规划。

作者贡献声明
贾中建：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、数据分析、数据管理。
张志天：可视化、方法论、调查、数据分析、数据管理。
艾正涛：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、调查、资金获取、概念规划。
贾中建|张志天|艾正涛
中国湖南省长沙市湖南大学土木工程学院建筑环境与能源系