口罩阻挡、过滤与通风策略对呼气空气传播及感染风险的联合效应

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Combined effects of face mask blocking, filtration, and ventilation strategy on exhaled air transmission and infection risk

　　

研究人员采用两台加热且周期性呼吸的热假人，在足尺度气候舱中量化了口罩阻挡效应、过滤与通风策略的相互作用。在混合通风与置换通风下，于两人际距离测试了医用口罩、两种FFP2口罩（各两种佩戴密合度等级）及面罩，分别对源、接收者及双方同时佩戴口罩进行实验。以CO2示踪气体获得接收者呼吸区局部通风有效性（LVE），并结合专用过滤研究中获得的颗粒物削减率，代入两个互补的感染风险模型。在置换通风下，源侧佩戴口罩使LVE由无口罩时的0.97升至1.39–1.91，双方佩戴口罩时可达2.55，与呼气空气向上重定向增强一致；在混合通风下，各口罩配置LVE维持在0.78–0.97，阻挡相关增强不可辨，口罩作用归为过滤。测量不确定度内未分辨出距离效应。假设理想混合的风险模型将佩戴口罩配置的相对风险高估至多2.3倍，表明分层环境中通风有效性测量不可或缺。两模型对干预排序一致，置换通风下FFP2口罩风险降低最大。

研究背景与立项依据

呼吸道传染病空气传播防控中，口罩被广为推荐，其作用包含过滤（filtration）与阻挡（blocking effect）双重机制：前者经材料滤除颗粒，后者将呼气射流经面部泄漏重定向而改变房间尺度分布。现有文献分别研究了口罩过滤效率与房间通风有效性（ventilation effectiveness），但口罩类型、密合度等级与通风策略三者联合对呼气传输与感染风险的影响尚未在单一受控实验中系统量化。流行病学证据对FFP2与医用口罩优劣不一致，稳态认证测试难以复现周期性呼吸下泄漏行为，且近场可视化多限于头部附近，未延伸至人际暴露距离；同时经典Wells-Riley模型隐含理想混合假设，无法表征阻挡引起的非混合重分布。为此，研究人员在RWTH Aachen大学CoSIE Lab气候舱内，以双热假人（源与接收者）结合CO₂示踪、独立周期呼吸过滤数据库与两套风险模型，开展联合实验。

主要技术方法

研究人员使用两台相同周期性呼吸热假人（人工肺+加热躯体，坐姿约1.1 m高），源假人呼出约5%工业CO₂富气作示踪，接收者吸环境气；假人头部为Laerdal气道训练器，呼吸曲线采EN 13274-3正弦曲线（12次/min，潮气量500 mL）。气候舱左室（约20 m²）可切换天花板旋流扩散器（混合通风）与地板低速扩散器（置换通风），送风量固定使换气次数约3 h^-1。口罩含医用口罩、FFP2a（咖啡滤纸状耳挂）、FFP2c（三折头带）各两密合等级（Fit1随意戴、Fit3捏鼻夹优化），另测面罩；颗粒过滤效率直接借用Derwein等同头同肺同呼吸曲线数据并按Bagheri呼吸粒径分布加权得平均η_out、η_in。CO₂传感器覆盖风管、房间14节点及接收者吸气管（K30 FR、AERASGARD、SprintIR-W）。LVE按Mundt定义计算，风险用Jones等Wells-Riley（蒙特卡洛5万次，ASHRAE 241-2023采纳）与Müller通风剂量模型（VDM）双框架评估。

研究结果

4.1 再呼吸分数与口罩影响

研究人员定义死腔再呼吸分数φ，由源假人吸/呼CO₂浓度推得，佩戴口罩因死腔与泄漏耦合使φ略增，但校正后示踪浓度方用于LVE，确保传输量准确。

4.2 局部通风有效性（LVE）结果

置换通风无口罩LVE=0.97；源戴医用/FPP2a/FPP2c（Fit1或Fit3）升至1.39–1.91，双方戴FFP2a Fit1达2.55，表明呼气被热羽流抬升出呼吸区。混合通风所有口罩配置LVE锁在0.78–0.97，阻挡重定向被整体回流掩盖，仅过滤起效。1.5 m与3.0 m距离间LVE差异不超测量不确定度。面罩对LVE几乎无影响（η_out≈0.07不影响结论）。

4.3 感染风险建模

4.3.1 Wells-Riley绝对风险

以单源确定性S=1代入Jones参数化，总移除率以Q?_clean=Q·LVE替代理想混合Q，生物衰减k_b与表面沉降k_d另加。源戴口罩乘(1?η_out)，接收者戴乘(1?η_in)。置换通风+FFP2c Fit3双戴绝对概率较无口罩混合通风参考下降约1–2数量级。

4.3.2 VDM相对风险

R_rel= / =·/，仅余LVE与η比，参考取混合通风LVE=1无口罩。置换通风下FFP2双戴R_rel最低（约0.05–0.1），混合通风下各口罩R_rel收敛至由η主导的0.2–0.5。

4.3.3 模型一致性

两模型干预排序Spearman一致；但理想混合Wells-Riley（LVE≡1）将口罩配置相对风险高估至多2.3倍，证实分层场中LVE实测不可省。

讨论与结论翻译

讨论指出，口罩阻挡效应仅在置换通风的分层流场中被放大为LVE提升；混合通风因回流使阻挡不可辨，此时口罩收益等于材料过滤。密合度（Fit3 vs Fit1）通过同时改善η与泄漏几何间接强化阻挡。距离在1.5–3.0 m内未现额外效应，因准稳态房间尺度传输由羽流-通风耦合主导而非近场射流衰减。面罩无过滤，仅微改流场，故不推荐作源控主力。两风险模型虽绝对数值受病毒载量不确定性影响，但相对排序可作干预决策依据。

结论：在足尺度实验中，口罩对感染风险的控制由过滤与阻挡共同决定，后者高度依赖通风策略；置换通风下FFP2口罩（尤头带式Fit3）结合双戴可实现最大风险削减，混合通风下其优势退化为纯过滤差异。理想混合假设会系统性高估口罩效用达2.3倍，工程通风设计须以局部通风有效性测量替代房间平均浓度。该研究为《BUILDING AND ENVIRONMENT》刊发，提供了首个将口罩类型-密合度-通风策略-热羽流传输-双风险模型集成的定量证据链。