评估HEPA过滤对教室空气质量影响的数值框架

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：A numerical framework to evaluate the impact of HEPA filtration on classroom air quality

　　

本研究提出了一个基于计算流体动力学（CFD）的框架来评估带有便携式高效微粒空气过滤器（HEPA）过滤的教室空气质量，明确解析了过滤器诱导的气流与真实人类呼出的二氧化碳（CO₂）和气溶胶之间的相互作用。与现有方法不同，该框架捕获了占用条件下空间分辨的污染物传输和去除，并辅以统计方法来量化污染物扩散动力学和局部空气混合强度。该模型通过与教室中在匹配场景下使用一个和三个HEPA单元以及停滞空气基线的原位CO₂和气溶胶浓度（0.7–1 μm）测量结果进行验证，显示出良好的一致性。结果表明，HEPA过滤通过增强混合和抑制人体热羽流显著改变了气流，导致CO₂分布更均匀，尽管平均浓度基本不变。原位测量显示，单个HEPA单元的气溶胶减少约21%，而三个HEPA配置减少高达90%。然而，CFD结果和统计分析表明，尽管增加单元数量通过更高的清洁空气输送率（CADR）改善了气溶胶去除，但去除性能仍然强烈依赖于过滤器相对于排放源的位置。这表现为单HEPA配置对位置高度敏感，可能通过排放气流促进污染物扩散，而多单元配置在过滤器进气口与排放源对齐时提供更稳健的控制。这些发现强调了过滤器数量和位置的关键作用，并展示了CO₂作为HEPA过滤教室中气溶胶暴露替代指标的局限性。

论文解读

研究背景与目的：室内空气质量（IAQ）差显著增加流感、冠状病毒等空气传播疾病风险，尤其在教室等高密度场所。尽管通风是改善IAQ的关键策略，但许多学校机械或自然通风不足。便携式高效微粒空气过滤器（HEPA）作为非侵入性干预手段能有效捕获呼吸道气溶胶，但其在实际占用环境中的应用缺乏综合数值评估。现有计算流体动力学（CFD）研究多采用简化假设（如稳态释放速率、理想化通风），未考虑真实人体呼吸形态，且缺乏原位实测验证。此外，在停滞空气环境（无机械通风）中HEPA过滤效果的研究有限，对过滤器诱导气流与污染物混合机制的认知不足。为此，研究人员扩展了先前开发的CFD模型，模拟教室中22名参与者的真实呼出行为，通过原位CO₂和气溶胶浓度测量进行验证，并引入统计框架分析HEPA过滤对空气混合和污染物扩散的影响。研究发现HEPA过滤显著增强混合、抑制人体热羽流，使CO₂分布均匀但不降低平均浓度；气溶胶浓度在单HEPA降低21%、三HEPA降低90%。性能强烈依赖过滤器与排放源的空间对齐，CO₂不能作为气溶胶暴露的可靠代理。该研究为优化HEPA部署提供了验证的数值基准与机理指导，发表于《BUILDING AND ENVIRONMENT》。

关键技术方法：本研究基于OpenFOAM的瞬态雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）求解器，结合Boussinesq近似模拟浮力驱动气流，采用k-ε湍流模型闭合。使用欧拉-欧拉方法模拟0.7–1 μm气溶胶和CO₂的输运，通过对流扩散方程描述标量传输。HEPA过滤器建模为0.4 m×0.2 m×2 m长方体，基于实测风速设定边界条件（上、下进气口及侧、顶部出气口），假设完全去除颗粒（出口气溶胶浓度为零）。教室实际尺寸67.3 m²、高2.7 m，22名大学生参与者（平均年龄20岁），呼吸高度设定1.3 m。原位测量使用Aranet4传感器（CO₂）、TSI-OPS 3330（0.7–1 μm气溶胶）及Clarity Node-S（PM_2.5）传感器。网格由snappyHexMesh生成约1400万单元，经网格收敛指数（GCI）验证。

研究结果：

3.1 室内气流分布：通过CFD模拟获取x-方向涡量图与CO₂浓度等高线，结合速度向量分析气流模式。在停滞空气下，热羽流主导气流，CO₂呈垂直分层。单HEPA配置中，过滤器排放气流扰动热羽流但未完全抑制，CO₂分布趋于均匀。三HEPA配置下，过滤器诱导气流完全主导流场，热羽流被压制，涡量显著增强，CO₂混合均匀性最高。

3.2 气溶胶和CO₂分布：基于原位测量时间序列与CFD垂直/水平剖面对比，发现HEPA过滤不降低平均CO₂浓度，但使分布更均匀（达到1000 ppm时间从9 min延至12.75 min）。气溶胶浓度在单HEPA下降低21%，三HEPA降低90%。垂直剖面显示污染物分层消除，水平剖面显示三HEPA配置在呼吸高度（1.3 m）实现更均匀气溶胶降低，尤其在过滤器附近。

3.3 空气混合动力学与HEPA过滤：应用COV-平均-标准差（COV-mean-SD）统计框架，对4种感染源位置、12个CFD案例（无过滤/单HEPA/三HEPA）进行分析。无过滤时气溶胶高度局部化（COV 66–144%）。单HEPA时平均浓度仅降低约6%，但SD与COV显著减小，表明混合增强而非有效去除；性能与源-过滤器距离负相关（距离2 m时SD=0.02×10^-2 cm^-3，8 m时SD=0.06×10^-2 cm^-3）。三HEPA配置下气溶胶平均浓度降至0.04–0.09×10^-2 cm^-3，残留气溶胶局限于源与过滤器之间（COV较高但平均低）。最优配置（案例12）源距过滤器<1 m且进气口对齐，去除效率最高；错位（案例9）即使近距离也导致去除降低。CO₂的SD三HEPA比停滞空气降低50–70%，体现均匀性提升。

讨论总结：研究指出HEPA过滤对污染物具有混合与去除的双重作用：CO₂仅被混合不被去除，而气溶胶能被有效捕获但受位置影响显著。单HEPA可能通过排放气流意外扩散污染物，多HEPA通过分布式气流提供更稳健控制但需进气口与源对齐。COV-mean-SD框架有效区分混合驱动（CO₂）和去除主导（气溶胶）过程。研究强调HEPA性能取决于总清洁空气输送率（CADR）、气流诱导混合与空间部署策略的耦合，并非单纯增加单元数或CADR即可保证效果。未来工作将基于此模型扩展感染风险评估与最大安全驻留时间计算。

研究结论翻译：本研究通过扩展先前模型解决了HEPA过滤缺乏验证数值框架和真实环境评估的问题。所发展的框架模拟了真实人类呼出气体和便携式HEPA过滤，预测了教室环境中的CO₂和气溶胶浓度，并通过原位测量进行了验证。该框架用于研究三种配置（无过滤、一个HEPA单元、三个HEPA单元）下的污染物扩散、传输路径和混合行为。采用COV-平均-SD统计框架评估连续排放下的扩散，HEPA单元使用实测进气和出气流量率建模。数值框架和统计方法共同用于解决关键研究问题，包括仅基于CADR的选择是否能确保足够的室内空气质量、增加单元数量如何影响气溶胶去除和空间分布、以及单元设计和气流特性如何影响混合和污染物传输。经验证的CFD结果为评估HEPA过滤在室内降低污染物效果提供了基准。

HEPA过滤对污染物扩散动力学的影响可以通过应用COV-平均-SD框架在不同过滤场景（停滞空气、单HEPA、三HEPA）下呼吸层CO₂和气溶胶浓度进行系统研究。这种统计方法能够区分混合驱动和去除主导的过程。对于CO₂，与停滞空气案例的比较显示，较低的COV值结合较高的平均浓度和较低的SD表明更均匀的分布，表明HEPA过滤器主要增强混合而不是去除CO₂。相反，对于气溶胶，HEPA过滤案例中较低的COV、平均值和SD值表明有效的颗粒去除。单HEPA和三HEPA配置的比较显示，较高的COV值伴随低平均值和SD对应于气溶胶在感染者附近的有效限制，而低COV值伴随低平均值但较高SD表明由于过滤器排放气流导致的室内扩散增加，反映了次优的放置或方向，特别是在CADR有限的单HEPA案例中。

原位测量表明HEPA过滤不降低平均CO₂浓度但增强气流混合，导致更均匀的分布。相反，气溶胶浓度显著降低，单个HEPA单元降低21%，三HEPA配置降低90%。这表明增加单元数量通过更高的总CADR和分布式气流改善了气溶胶去除。然而，CFD结果和统计分析显示性能强烈依赖于过滤器相对于排放源的位置。在单HEPA案例（案例5-8）中，仅观察到平均气溶胶浓度的有限降低，主要效果是增强混合而非有效去除。此外，增加感染者和过滤器之间的距离（案例8对比案例5）导致SD值升高和性能降低。在三HEPA配置（案例9-12）中，气溶胶去除显著改善，但有效性仍取决于放置和方向。当过滤器进气口靠近并与排放源对齐时（案例12）达到最佳性能，而对齐不良即使近距离（案例9）也会降低去除效率并促进非预期扩散。从工程角度看，这些结果表明增加HEPA单元数量可以提高去除效率，但仅当单元优化放置时。这表明多个较小单元策略性分布和适当定向可能优于单个较大单元但更高CADR。因此，有效的HEPA部署应优先考虑策略性放置和气流对齐，而不是仅依赖标称覆盖面积或总CADR。

最后，本文展示了CFD模型通过准确规定呼出气溶胶和CO₂浓度模拟多个HEPA过滤配置下真实乘员呼出的能力。所提出的统计方法提供了对HEPA诱导扩散动力学的机理理解，并为改善室内环境过滤系统的设计和部署建立了基础。研究结果表明去除效率主要受感染者相对于过滤器排放气流的相对位置控制，而不是仅由过滤器数量或容量决定，突出了CADR与气流诱导混合之间的非线性关系。因此，从该比较中得出完全通用化的指导仍然有限。此外，该模型将在未来工作中扩展以估计感染风险并确定最大安全逗留时间。