抗击疫情特刊⑨︱香港九龙湾淘大花园中建筑物空气流动及其对SARS疫情传染的相关性研究

团队成员

在SARS大规模爆发后不久，关于这个病毒是否可能通过空气传播或通过空气运动传播的问题被提出了。为了检验这种假设，我们建立了一系列CFD模型，并在考虑建筑街区的组团和形式、逼仄空间的开口方式、环境风力模式、水汽、以及空气微粒传播的情况——尤其是从相邻建筑结构传播而来的灰尘下运行模拟实验。

本文研究结果起到了对港府针对淘大花园E栋建筑环境对SARS爆发的促进的研究进行补充。

笔者已于4月16日将初步调研结果提交给港府卫生局。在此之后，笔者对诸多可能情况进行推演并得以进一步佐证了笔者的模拟实验的正确性。本团队的研究目的是为了加深对楼宇间通过空气和水汽流动造成的疫情传播方式的理解，以及对可提升逼仄空间的通风条件而进行的设计进行可行性探讨。

研究显示，E栋7、8单元之间逼仄空间中的流动模式对公寓楼之间的空气和水汽传送有着极高的可能性。主要与以下三个方面有关：逼仄空间的尺度及比例，逼仄空间的朝向及与常年风向间的关系，以及在由E栋、F栋之间形成的逼仄空间口部由快速流动的气流产生的“屏障效应”。笔者通过研究发现，通过改变这些因素从而进行再设计或加装，能够显著提升逼仄空间的通风效果。

如果空气流通促进了病毒的扩散，在其他住宅街区中的平面设置中是否存在与淘大花园E栋相似处则成为首要问题。这类相似的条件在其他楼盘中是否同样引发类似淘大花园的疫情爆发？综合诸多因素都显著影响了了空气流动模式的发展，而在淘大花园中被发现的相关内容是非常罕见而且具有研究价值。同时，通过对淘大花园的建筑学研究，对逼仄空间设计相关的建筑设计行业法律法规也随之进行修正，以提升未来住宅建筑的通风条件。

淘大花园是香港房地产市场的典型案例，共包含8栋33层住宅塔楼，每栋下面有个商业购物中心。每层按十字形设置了8套户型，塔楼的十字形平面中每翼设置两套户型，其中有部分空间被上述逼仄空间间隔开。中心的核心筒中设置了电梯和消防通道。在这些建筑狭缝两旁，浴室窗口和排气口距离洗衣晾晒和户外管道——给排水，排气扇非常近。（餐厨窗口和排气扇则设置在浴室的窗口和排气口对面）

在夏天，这些空间将接收大量来自空调机的废热和滴水。逼仄空间可能经常被遮蔽且通风不良，具体情况取决于它相对于太阳和风的朝向。

经过政府的集中调查，香港卫生署(2013年4月17日)表示“已对疫症是否由空气、水或者带病毒的尘埃微粒传播进行了检测，但这些传播路径并未得到流行病学分析及实验结果的支持”。尽管如此，针对“疫情爆发的可能解释”，报告指出：

“居民通过浴室地面的排水渠中干涸的U形聚水器接触到了被污染的下水里带病毒的水滴。当居民关着门使用浴室的时候，这些水滴由抽气扇造成的负压进入地面排水渠。淋浴过程中产生的水汽以及浴室里潮湿的环境亦有助于水滴的形成……随后受污染的水滴可携带病毒附着于各类表面，比如地毯、毛巾、卫生纸及其他浴室装置。”

如果典型的浴室抽气扇造成的低压差足以把受污染的水滴从下水道吸到干涸的U形聚水器附近，进而污染居住空间，那么这些水滴同样很有可能由其他路径进行传播。有哪些其他可能路径以及影响因素值得进一步探索。

如果浴室抽气扇将受污染的水滴从地面排水渠吸入居住区，那么抽气扇也一定可以将这些水滴吸入那些逼仄空间——这些抽气扇的设计就是如此。如果它们可以从地面排水渠吸起水滴，那它们也一定可以排出一个咳嗽着的患者喷出的飞沫。

政府报告还记录了一种逼仄空间内的“烟囱效应”，并提出如下假说：烟囱效应足以使位于4楼的带有病菌的液滴通过破损的管道扩散至其他楼层，尽管大多数感染发生于10楼及以上。如果逼仄空间中的气流可以通过一条破损的管道传输水滴，那么它也能传输由抽气扇排出的感染者咳嗽喷出的飞沫。

因此，含有病毒的水滴很有可能进入逼仄空间。如果是气流将这些水滴带入了其他公寓，那么气流传播很可能是一条独立于下水系统的重要传播路径。我们将聚焦这些场所的气流和水汽，尤其针对“感染率最高”的E栋7、8单元之间的空间。前文针对逼仄空间中气流研究足以揭示户型之间废气的交叉渗透引发的诸多问题。

浴室窗户、抽气扇和晾衣架上潮湿衣物的集聚使得逼仄空间中空气温度和湿度都与室温环境下空气状况有着显著差异。随着天气转暖，空调产生的废热成为影响气流的重要因素。（废热或许并不是淘大花园疫情爆发的原因之一，但它将在未来数周甚至数月中变得愈发重要。）

政府报告否定了空气传播的可能性，但依然承认“烟囱效应”可能存在影响。笔者设想：逼仄空间内增加的水汽可能协助空气助长了病毒在各公寓间的传播能力，而这可能会构成一条完全独立于下水系统的感染路径。另外，笔者提议有关部门对现有建筑结构进行修正，同时对新结构的建筑规范进行修订，以起到改善存在于逼仄空间中的通风缺陷并降低未来爆发类似疫情的可能性。

笔者运用计算流体力学，对淘大花园附近的气流进行了初步分析。计算流体力学是一种广泛应用于机械工程、气象学及其他学科的研究方法。

要想直接对复杂流体流动的偏微分控制方程进行求解是不可能的。计算流体力学通过求解网格中的节点上的代数方程组得出微分方程的近似解。潜在的误差来源包括：

•    用于描述气流的数学模型

•    网格离散化

•    迭代及计算机舍入误差

•    几何、大气、地形原始参数输入值

笔者在数学模型、网格系统、迭代及原始参数输入值的选择上尽可能以减小误差为目标，同时力求在合理时间内得到有效数据。笔者用于实验的超级计算机型号为IBM e-Server p-670，建模软件为Fluent 6.0。

本文选择用雷诺平均方程（RNAS）及RNG k-ε方程对空气流动进行数学建模。由于空气和水汽的密度完全不同，我们基于多相流概念将液体视为颗粒流，用以描述水汽含量。我们运用有限差分法（FDM），将偏微分方程在网格上离散为代数方程。

网格的精细程度对数模的准确性和稳定性至关重要。在定义模型过程中，很重要的一点是要对重点关注对象建立更加细分的网格，而对非重点关注对象只需要较粗的网格。本文模型重点关注E栋7、8单元及其之间的逼仄空间。笔者将常用基础模型衍生出多个版本，用于测试不同情境下流体的各种推测情景。这些模型中离散六面体网格的数量在150万到250万之间。相邻网格的大小比值最大为1.2。建筑体量为167米*134米*119米，周边的计算区域为1800米*1500米*500米。

为了减少计算机舍入误差，我们使用了该软件的双精度（64位）版本。

图1：空气流动研究的几何建模

图1展示了几何模型。图中包括淘大花园A、B、C、D、E、F、G、H栋。每栋居民楼层高105米，底部裙房层高14米。A-D栋以及G-H栋被适当简化为简单十字形筒体。E-F栋进行精细建模，留出2米面宽、8米进深的逼仄空间。除了E栋，所有楼房均理想化为空气无法穿透的实心体。

在E栋模型中，特别深化了室内空间以及从19楼至23楼的7号和8号户型中的内墙布置细节。在这部分户型中：空气无法穿透内墙；内部的门呈开启状态；入户门呈关闭状态；窗户开启30%用于空气流动；浴室外墙安装排气扇。排气扇的运行是线性的：当压差为0时，气流量为2立方米/秒；当空气速度为0时，静压为20帕。各个浴室内蒸汽源蒸发速率为0.01千克/秒。水汽的温度不纳入考量。

模型包括了淘大花园东侧的学校及老年中心的大型建筑工程。实验过程中将学校建筑物视作实体，同时假定建筑工地周遭有50%的区域是空置的。

笔者为实验设置了部分对照组，对可实施于淘大花园的设计优化方案进行讨论，用来检测不同尺寸比例的逼仄空间的影响，并引入外挂壁板来引导气流在逼仄空间中的流向。

笔者用大气边界层描述来流。当地地形类型为城市区域，因此本文选取地形因子指数为0.22。

大气边界层厚度为370米。根据香港天文台在2003年3月报告的最近的气象站(启德)的测量数据，常年风向来自东南偏东(110度)，平均速度为每秒3.61米，高度为16米。来流的湍流强度为10%。

为了探讨风向的影响，基于建筑物布局，选取110度、95度、66度和54度方向来风进行实验。

笔者通过模拟悬浮颗粒物(APM)以测试粉尘的不同来源对实验的影响：E栋与施工现场之间；施工场地上方；E栋和学校之间。

虽已尽力降低误差，但该模型尚未能直接验证某些依赖于有关场地条件的假设，比如常年风向。通过分析实验数据，得出了以下结论:

a. 逼仄空间中存在一股由风驱动的、受到建筑狭缝影响的、与常年风向的朝向息息相关的垂直气流。空气在E栋的7号和8号户型之间的逼仄空间移动速度很慢。通过E栋和F栋之间的狭缝，快速的水平气流穿过逼仄空间的入口，产生“空气屏障”效应，阻碍了再次进入逼仄空间的通风[图2-4]。

图2：经过逼仄空间出入口的急流（图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0~5m/s）

图3：经过逼仄空间出入口的急流（contours of static pressure静压轮廓图（单位：帕斯卡）），测量范围：-14Pa-14Pa）

图4：逼仄空间中的慢速纵向气流（图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0~2m/s）

b. 由于楼栋相对两侧立面之间的压力差，空气往往进入迎风侧的单元，进入逼仄空间，再进入下风侧的相邻单元，最后离开楼体[图5-7]。

图5：通过楼栋的气流（静压轮廓图（单位：帕斯卡），测量范围：-10Pa-10Pa）

图6：通过楼栋的气流（图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0~5m/s）

图7：穿过建筑物的气流与逼仄空间内的垂直气流（流体轨迹由粒子着色）

c. 浴室的窗户、排气扇、水管和晾衣架都位于E栋的逼仄空间中(香港居民楼中典型存在)。浴室排风、晾晒衣物和给排水管道破裂所排出的水汽会随气流进入邻近的户型中[图8-13]。

图8：水汽的流动与进入相邻户型的浴室排气（图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0至3米/秒）

图9：水汽的流动与进入相邻户型的浴室排气（水汽质量比的等高线）

图10：水汽的流动与进入附近建筑物的浴室排气（图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0至5米/秒）

图11：水汽的流动与进入附近建筑物的浴室排气（水汽质量分数的等高线）

图12：水汽的流动与进入附近建筑物的浴室排气（图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0至3米/秒）

图13：水汽的流动与进入附近建筑物的浴室排气（水汽质量分数的等高线）

d. 从邻近的高层施工项目中释放出来的悬浮颗粒物有可能在各户之间传播[图14]。

图14：空气中的颗粒流入平面（随时间变化的模拟.颗粒质量分数的轮廓）

e. 增加开口之间的距离和扩大逼仄空间的面宽可以降低水汽的浓度，缓解“倒灌”问题[图15-16]。

图15: 通过增加窗户之间的距离和扩大逼仄空间的比例(速度幅度（单位：m/s）)测量范围0至5m/s

图16: 通过增加窗户之间的距离和扩大逼仄空间的比例(静压（单位：帕斯卡）)来降低水汽浓度和改善通风，测量范围-10Pa至+10Pa

f. 在逼仄空间边缘设置导流板可以提升其通风效率。笔者以此提出经济可行的加装方案。[图17-18]。

图17: 通过导流板改善逼仄空间的通风(以帕为单位的静压等值线，测量范围-12 Pa to +12 Pa)

图18: 利用导流板改善逼仄空间的通风(图中速度快慢程度由颜色进行区别（单位m/s）测量范围0至3m/s)

数字CFD模型与模拟风洞模型在流体研究中具有互补作用。两者不分伯仲，同样存在“无用输入，无用输出”的问题。每个模拟的准确性取决于输入数据和边界条件的准确描述。

比例模型相对容易构建、更加易读、容易被更广泛的人群接受。在对比例模型进行风洞实验时，周围的烟雾非常直观。虽说如此，模型的尺度问题会影响仿真的准确性。人们可以根据模型尺寸轻松得出空气流速，但是无法得知空气粘度、悬浮液滴的质量和直径、被测物表面的粗糙度等信息。这些都是在逼仄空间进行研究中的重要因素。除此之外，烟雾发射器、观测者和摄像设备在气流中的位置同样会影响模拟的价值。

计算模型构造难度较大，成果展示也更为复杂，同时需要测量精度和运算能力更高的计算机硬件和软件来执行。但是，尺度和观察者干扰的问题被解决了。在虚拟模型中，建筑物的尺寸、空气的速度和粘度、液滴的质量及直径得以以全尺寸保留于模拟实验中。对实验过程的记录不会干扰整个模拟进程。另一方面，CFD是一种有限元法，在对高精度数据需求下可以大放光彩。通常为了得到足够可靠的数据支撑，需要数百万计的有限元分析、千兆字节的内存和每秒数十亿次的计算。本文模型由150万到250万个流体计算单元组成，并以Fluent 6.0和IBM e-Server p-670超级计算机实现软硬件支持。

以下个人对本研究做出了贡献:

Dr. Tsou, Jin-yeu, Principal Investigator, Professor of Architecture, CUHK

Dr. Essy Baniassad, Chair and Professor of Architecture, CUHK

Dr. Zhu, Yimin, Research Associate, Department of Architecture, CUHK

Mr. Benny Chow, Assistant Computer Officer, Department of Architecture, CUHK Dr. Theodore W. Hall, Research Officer, Department of Architecture, CUHK

Prof. Bernard Lim, Professor of Architecture, CUHK

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