为控制牙科超声洁牙过程中生物气溶胶的传输和沉积，对换气频率和空气净化器类型进行协同优化

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Synergistic optimization of air change rate and air purifier type for controlling bioaerosol transport and deposition during dental ultrasonic scaling

　　

摘要

牙齿超声洁齿过程中会产生大量的生物气溶胶，这给牙科工作人员带来了吸入感染和表面污染的风险。然而，每小时换气次数（ACH）和空气净化器（AP）对生物气溶胶传输和沉积的协同效应尚不清楚。本研究采用了一个通过现场测量的表面沉积数据验证的计算流体动力学（CFD）模型，系统地评估了三种不同换气频率（3、6和9次/小时）以及三种不同类型空气净化器（桌面型AP、吊装型AP和落地型AP）在超声洁齿过程中对生物气溶胶悬浮、沉积和去除的综合影响。增加换气频率或使用空气净化器显著改变了生物气溶胶的传输和沉积情况。在无空气净化器的情况下，每小时换气9次时，悬浮率（SR）相比3次和6次/小时分别降低了26.7%和16.7%，沉积率（DR）分别降低了22.3%和18.9%，表明高换气频率有助于改善空气质量和控制表面污染。在每小时换气3次和6次的情况下，安装在患者一侧的桌面型空气净化器表现最佳，悬浮率分别为2.0%和1.5%，沉积率分别为55.4%和46.2%。而在每小时换气9次的情况下，安装在患者头顶上方的吊装型空气净化器的效果最好，悬浮率和沉积率分别为1.5%和45.7%。综合考虑控制效果和工程可行性，建议采用每小时换气9次并结合吊装型空气净化器的方案；如果安装吊装型空气净化器不可行或通风条件不佳，则推荐采用每小时换气6次并结合桌面型空气净化器的方案。本研究为牙科诊所通风和空气净化策略的协同优化提供了定量依据，并强调了针对具体情况进行分析的必要性。

引言

牙科诊所每天接待大量患者，而超声洁齿程序会产生大量含有口腔微生物的微米级和纳米级气溶胶[1][2][3]，使医护人员面临潜在的交叉感染风险[4][5]。先前的研究在牙科诊所空气中检测到了数百种微生物，包括机会性病原体如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）[6][7][8]。同时，从医护人员的面罩和环境表面上也发现了大量口腔来源的微生物，其中面罩上的沉积量最高[9]。这些发现强调了深入理解超声洁齿过程中生物气溶胶传输和沉积机制的必要性，并需要制定基于证据的策略来减少空气传播的病原体，这对公共卫生具有重要意义。

超声洁齿过程中产生的生物气溶胶主要经历三个过程：表面沉积、空气中悬浮和通过通风系统去除[10][11][12]。研究表明，增加每小时换气次数（ACH）可以显著降低空气中的气溶胶浓度和表面沉积量，从而降低职业暴露风险[13][14][15]。然而，当前的牙科诊所通风设计缺乏具体指导方针[16][17]，且改造现有系统受到成本和能耗的限制[18]，因此简单地增加换气频率并不适用于所有情况。空气净化器作为一种灵活且经济高效的辅助设备，可以在不修改现有通风系统的情况下提供清洁空气，并已在多种室内环境中显示出控制气溶胶传播的潜力[5][19][20][21][22][23][24][25]。在办公室[21]、会议室[22][23]、教室[23]和医疗机构[24][25]进行的研究表明，落地型空气净化器（FAP）、吊装型空气净化器（CAP）和桌面型空气净化器（DAP）都能不同程度地影响气溶胶分布，其效果与设备类型、放置位置和背景气流密切相关。尽管如此，现有的牙科研究大多集中在优化FAP的放置位置[5][16]，而对于多种类型的空气净化器和不同换气频率对超声洁齿过程中生物气溶胶传输和沉积的协同效应仍然缺乏系统的比较。

为填补这一空白，本研究系统地评估了三种不同换气频率（3、6和9次/小时）以及三种常见类型的空气净化器（FAP、CAP和DAP）在牙科诊所超声洁齿过程中的协同效应。首先，在一家医院牙科诊所进行了气流速度和温度的现场测量。随后，利用现场测量的环境参数和之前获得的生物气溶胶源强度及表面沉积数据开发并验证了一个计算流体动力学（CFD）模型。最后，使用该验证模型研究了在不同背景气流条件下不同类型空气净化器对生物气溶胶传输和沉积的影响。研究结果有助于阐明牙科诊所中生物气溶胶的动态传输特性，并为选择和优化空气净化器的放置提供理论指导。

节选内容

现场测量和几何模型构建

现场测量在中国人民解放军总医院第五医疗中心的牙科诊所进行。诊所的尺寸为3.5米（x）× 4.5米（y）× 3.5米（z）（图1）。空气供应入口和排放出口格栅均为0.65米× 0.65米的方形扩散器，位于天花板的对侧。空调系统提供了三种可选的送风速度，对应的换气频率分别为3次、6次和9次/小时。测量了空气速度和温度。

模型验证

在使用CFD模型研究生物气溶胶的传输和沉积之前，必须验证模型的准确性。根据2.2.2节中规定的边界条件以及2.2.3节中的空气净化器配置，在每小时换气9次的条件下模拟了气流场以及生物气溶胶的传输和沉积情况。将模拟得到的1号线和2号线上的气流速度（图4a）与实验测量结果（图4b、4c）进行了比较。

结论

在本研究的固定通风布局和特定诊所几何条件下，通过数值模拟并结合实验验证，系统评估了三种换气频率和三种空气净化器类型对牙齿超声洁齿过程中生物气溶胶传输和沉积的协同控制效果。主要结论如下：

（1）在无空气净化器的条件下，悬浮率（SR）、沉积率（DR）和排放口处的剩余浓度（ER_outlet）分别介于2.2%至3.0%、71.1%至93.4%以及5.6%至28.3%之间。悬浮率和沉积率均随换气频率的增加而降低。

作者贡献声明

金永军：撰写初稿、可视化处理、模型验证、软件开发、方法设计、数据分析、概念构思。杨文辉：撰写审稿与编辑、监督工作、方法指导、资金争取。刘志健：撰写审稿与编辑、监督工作、方法指导、资金争取、概念构思。刘佳：撰写初稿、可视化处理、模型验证、软件开发、方法设计、数据分析。袁瑶华：撰写审稿与编辑、数据分析。

金永军|杨文辉|刘志健|刘佳|袁瑶华|崔海航|董志健|李亚斌|吕梦|胡凌飞|张莉莉|周东升

华北电力大学电力工程学院，中国河北省保定市071003