摘 要

越来越多的证据表明，尽管新冠肺炎(COVID-19)主要通过密切接触或沉积在污染表面的飞沫进行传播，但其通过空气传播的可能性不容忽视。飞沫传播的距离是区分病毒传播方式的关键因素。较小的的液滴在落地前完全蒸发成飞沫核，长时间停留在空气中并随气流运动，是空气传播的前提，有助于解释密闭空间内新冠病毒（SARS- CoV-2）更容易传播的现象。确保足够的通风量对降低密闭空间内的感染风险至关重要。

本文对许多关于室内人体呼出飞沫的研究工作进行梳理和总结，发现正常说话、咳嗽和喷嚏呼出的的飞沫的主要粒径范围分别是是10-50 µm，73-100 µm和80-340 µm，而且小粒径飞沫的数量比大粒径多。飞沫传播和空气传播的临界距离约为1.5-2.5m。

本文用基于基本再生数(R₀)的拟合方法得到新冠病毒的Quantum释放率(q)，估计结果为14-48 quanta/h，并采用Wells-Riley方程估计典型场景中感染概率与通风量的关系。分析结果表明：确保感染概率小于1%所需的通风量偏大（暴露15分钟和3小时所需的通风量分别为100-350 m³/h和1200-4000 m³/h）；若感染者和易感者都戴着口罩，则确保感染概率小于1%所需的通风量分别降低到50-180 m3/h和600-2000 m3/h，在办公室、教室、公交车、飞机驾驶室等典型场景下，采用常见的通风方式即可实现。

进一步分析结果表明，虽然密闭空间内潜在的空气传播风险不容忽视，但已被广泛采用的严格的预防措施（如戴口罩、事先进行检测防止无症状的感染者进入公共空间等）能有效降低密闭空间的感染风险。这些研究结果有助于认识新冠病毒通过空气传播的可能性，从而为工程控制和公共卫生预防提供指导。

关键字：新冠肺炎；通风；空气传播；感染概率；Wells-Riley方程；

Abstract

Although the transmission of coronavirus disease 2019 (COVID-19) occurs mainly via droplets during close contact or contaminated surfaces, a growing number of epidemiological cases are proving the possibility of airborne transmission of COVID-19 may not be ignored. The distance of droplet spread is a key factor in the spread of the virus. Smaller droplets can completely evaporate into droplet nuclei before falling to the ground and then transport a longer distance with the airflow, which is the premise of airborne transmission (aerosol transmission) and helps to explain the easier transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in confined spaces.. Ensuring the sufficient ventilation rate is essential to reduce the potential risk of infection in confined spaces.

In this study, we summarize research results on the human exhaled droplets. It was found that the sizes of droplets exhaled by normal speech, coughing and sneezing were 10-50µm, 73-100µm and 80-340 µm, respectively, while there were more small-sized droplets than large ones. The critical distance between droplet transmission and airborne transmission is approximately 1.5-2.5m

We obtained Quantum generation rate (q) of SARS-CoV-2 with a reproductive number (R₀) based fitting approach. The estimated range of q is 14-48 quanta/h. Then we estimated the association between infected probability and ventilation rate with the Wells-Riley equation. The analysis showed that: To ensure infected probability less than 1%, the ventilation rate lareger than common values is required (100-350 m³/h and 1200-4000 m³/h for 0.25h minutes and 3h exposure, respectively). If both the infector and susceptibles wear masks, the required ventilation rate ensuring less than 1% infected probability is reduced to 50-180 m³/h and 600-2000 m³/h correspondingly, which is easier to be achieved by normal ventilation mode applied in typical scenarios, including offices, classrooms, buses and aircraft cabins.

Further analysis implied that although in confined spaces cannot be ignored, strict preventive measuresthat have been widely adopted (e.g. wearing mask, preventing asymptomatic infectors from entering public spaces with prior tests) are effective in reducing the risk of infection in confined spaces. The results are expected to applied for understanding the opportunistic airborne transmission of coronavirus disease 2019 (COVID-19) and for the control or prevention of the disease in public and engineering.

Key word: COVID-19; Ventilation; Airborne transmission; Infected probability; Wells–Riley equation

目 录

第1章 绪论 1

第2章 人呼出飞沫/飞沫核的运动传播规律 3

2.1 粒径分布 3

2.1.1 说话和咳嗽 3

2.1.2 喷嚏 3

2.2 飞沫蒸发及其影响因素 4

2.2.1 飞沫核 4

2.2.2 空气相对湿度（RH） 5

2.2.3 初始尺寸 6

2.3 飞沫传播距离及其影响因素 6

2.3.1 空气相对湿度（RH）和飞沫粒径大小 7

2.3.2 初始速度 7

2.3.3 环境风速 7

2.4 含有新冠病毒的飞沫的运动传播 9

2.4.1 空气中的新冠病毒飞沫 9

2.4.2 口罩的影响 9

2.4.3 再悬浮的影响 9

第3章 新冠病毒的感染模型及关键参数 11

3.1 空气传播的传染病风险经典模型 11

3.1.1 Well-Riley方程 11

3.1.2 基本假设 11

3.2 新冠病毒的Quantum释放率估计 12

3.2.1 基于基本再生数(R₀)的拟合方法 12

3.2.1 新冠病毒Quantum释放率的拟合结果 12

3.2.2 与其他研究结果的比较和讨论 14

第4章 密闭空间内新冠病毒的感染概率与通风量的关系 15

4.1 感染概率 15

4.2 口罩的作用 16

4.3 一些经典场景 17

第5章 总结与展望 19

参考文献 20

致 谢 25

绪论

新冠肺炎（COVID-19）在全球肆虐，给世界各国带来了巨大的损失，引起了全人类的广泛关注。为理解这类传染病的传播机制，人们一直在致力于研究人体呼出飞沫如何传播病毒。最近，美国国立卫生研究所和宾夕法尼亚大学的研究人员用激光和照相机对说话产生的飞沫进行可视化研究，结果表明人说话时空气中会产生大量直径为20~500 µm的飞沫颗粒^[1-2]。此外，在封闭、停滞的空气环境中，粒径为4 µm的飞沫核（对应出口时约12-21µm的飞沫颗粒）可以在空气中停留8-14分钟以上。有研究表明，通风不足会增加疾病的传播速度，确保足够的通风量是降低密闭空间感染风险的关键^[3]。这些结果均有助于解释封闭空间内新冠肺炎更容易传播的现象。

最近的研究表明，新型冠状病毒（SARS- CoV-2）在气溶胶中的存活时间可长达数小时^[4]，美国国家科学、工程和医学科学院发布的报告认为，目前存在的研究足以表明SARS-CoV-2可能通过患者呼出的生物气溶胶进行传播^[5]。最新的采样研究进一步表明，SARS-CoV-2气溶胶在空气中广泛分布，传播距离可能高达4 m^[6]，并且有可能通过医务人员防护服表面的沉积和再悬浮传播^[7]。因此，探究飞沫和飞沫核的运动传播规律，有助于了解SARS- CoV-2的基本传播机制。