课题组张帆硕士在工程技术1区TOP期刊《Building and Environment》（影响因子IF：7.093）发表了关于生物洁净室内人行为的动态散发的研究。

题目：

 Dynamic emission rates of human activity in biological cleanrooms

生物洁净室内人行为的颗粒物动态散发量

作者：

Fan Zhang(张帆，一作), Angus Shiue（薛人玮），Yingying Fan（范莹莹），Junjie Liu（刘俊杰,通讯作者），Han Meng（孟晗），Jinxian Zhang（张进贤），Graham Leggett

研究亮点：

 针对典型的生物洁净室开展现场实验 

 观测了人体粒子散发的时空特征

 探究洁净室洁净度和活动强度对人体颗粒物散发的影响

 总结了人体颗粒物散发当量在通风设计中的应用

 生物洁净室内B级区保证10%的冗余度，风机系统节能潜力在50%以上

研究背景：

生物洁净室的主要目的是控制室内空气中的微生物。具体可分为制药洁净室、生物安全实验室、医院手术室，应用领域包括医疗制药、食品加工、化妆品生产、生物安全等领域。由于新冠肺炎疫情在全球蔓延，对开发和生产药物疫苗的生物安全洁净室的需求日益增加。

空气中的颗粒物可能携带微生物，导致药物失效、伤口感染等，是清洁度最重要的考虑因素之一。为了保持清洁度，需要大量的清洁空气来去除室内颗粒。其中，不合理的气流组织和控制策略会造成大量的能源浪费。一般来说，洁净室的能耗是普通办公楼的10-100倍，其中约50%用于维持HAVC系统的运行。洁净室中的粒子污染源一般包括新风、操作人员、设备和建筑表面等，人是影响清洁度的最重要因素，约占80%。此外，在生物洁净室中，关注人的粒子散发率甚至更加重要。因为研究表明，一个人每天脱落10亿个皮肤细胞形成颗粒，其中约10%携带微生物。因此，人类散发的颗粒物很容易造成细菌超标，对生物洁净室的危害更大。当前洁净室设计参考最多的规范包括GMP-2010和ISO1464:2015系列规范，这些规范没有系统地总结人体的颗粒物散发率。规范中与人相关的指导包括不同洁净度的洁净室的占用，人员操作规范，服装系统的材料和形式，洗涤和消毒过程等，对通风设计的指导效果较差。虽然人们普遍认为人类散发的颗粒物是洁净室洁净度的一个重要因素，但缺乏关于法规和散发率的基础研究和解释。

我们以生物制药洁净室的B级区域为例搭建了一个实验舱，进行了详细的实验。确定了实际工程中需要关注的参数，包括粒径特征、影响因素、当量范围和人为释放颗粒的动态过程。与以往的结论相比，我们希望研究与人类活动相关的动态粒子散发的全过程，为通风设计和实际工程提供依据，解决生物洁净室的过度通风和能源浪费。

主要成果：

1）人员进入房间相关的动态粒子浓度

Figure 1动态过程的粒子浓度(≥0.5微米)

当人员初步进入洁净室时，观察到颗粒浓度在此时存在峰值，浓度在1分钟内迅速增加到最大值，然后在接下来的2分钟内缓慢下降，3分钟后的稳定值不到最大值的五分之一。这可能部分是由于打开门引起的压力差和气流紊乱，部分是由于测试仪的运动幅度不一致。这提醒我们，如果洁净室采用变风量系统，应采用“快升慢降”的策略。当人员进入洁净室时，风量要尽快上升。但一段时间后，人的行为趋于稳定，粒子散发率慢慢下降到稳定水平。由于混合和稀释原理，使用清洁空气清除颗粒需要一些时间。风量下降时应充分考虑这种延迟，颗粒散发率稳定时应进行调整，避免波动。

2）人体散发率的粒度

Figure 2行走时两种粒径大小的颗粒物浓度对比

如图为受试者在洁净室中行走时观察到的粒径≥0.5微米和5微米的颗粒浓度。我们发现，在不同的活动下，这两个尺寸的测量值相对稳定。根据平均值，0.5微米的粒子浓度比5微米的粒子浓度大约高10倍。然而，根据ISO标准，两种尺寸的颗粒浓度限制为121倍，这与大气环境空气中的颗粒尺寸成分相似，而人类散发的大颗粒比例远大于标准。这一现象也在其他研究人员对人体粒子散发的测量结果中存在，由人类活动散发的大颗粒的高比例是在洁净室中具有普遍应用的特征。这一发现也解释了洁净室中大颗粒浓度超标，而小颗粒浓度没有超标这一现象。清洁不充分和高占用率的洁净室可能会增加大颗粒过度集中的风险。粒子≥5微米的监测经常被忽略，已从ISO 14644-1:2015中消除。然而，在以人为污染为主的洁净室中，我们应该更加关注大尺寸颗粒。

3）不同位置的粒子浓度测量

Figure 3行走时不同点的颗粒物浓度(≥0.5微米)

制药厂的B级区域采用稀释原理去除污染物，充分混合颗粒对于保持洁净室的洁净度至关重要。在实验中，为了提高计算人体粒子发射率的准确性，我们将房间分成21个测量点。每个点连续测量5次，并使用不均匀系数评估不同活动条件下浓度空间分布的差异。三种活动条件的不均匀系数为:0.64(重度活动)，1.03(轻度活动)，0.93(静止)，该值越低，房间的均匀性越好。在剧烈活动下，粒子分布的空间均匀性优于其他情况。

以步行为典型，我们还发现了粒子浓度在空间分布的一些特征。总体来看，随着高度的增加，监测点的浓度逐渐降低，1.1 m高度的浓度最接近平均值，具有典型性，可以作为实际生产中监测的主要高度。从点1和点2可以看出，进风口附近的颗粒浓度受气流的影响，波动范围较大，平均值略低于水平面上其他点。以第7点为例，可以看出在同一水平面上，出风口附近的颗粒浓度相对较高。

21个室内点的平均浓度为9900个粒子/m3，而1.1 m平面上7个点的平均浓度是9400个颗粒/m3，非常接近。同一水平面上，出风口附近的颗粒浓度相对较高。其中1.1 m处7点的实测值高于平面上其余点，更接近所有点的整体平均值，选择它作为动态过程的监测点是合理的。它既可以很好地反映粒子发射的动态特性，还能保证数据具有一定的冗余度。此外，由于传感器与人的距离由于人的运动而变化，某一点的浓度不能用来反映整体的稳定结果。因此，21点的平均浓度被选为人类活动引起的粒子排放影响分析的结论值。

4）洁净室中影响人体动态粒子散发率的因素

为了研究洁净室中影响散发率的因素，我们从粒子散发过程的角度进行了研究。人体会随着细胞的老化而脱落颗粒，这些颗粒大部分会先被衣物拦截阻挡，附着在衣物表面。一小部分会通过或泄漏到环境中。当人们在房间里走动时，附着在表面上的颗粒将被抖落，衣物上的颗粒如纤维将被分离。此外，人类活动还会导致环境颗粒物重新悬浮到空气中。我们提出了影响颗粒物动态散发率的重要因素，包括人的活动强度和洁净室的洁净度。确定了由人体本身以及与环境的相互作用引起的粒子散发率的变化。

4.1）活动强度对粒子发射率的影响

Figure 4不同活动强度的颗粒物浓度

Figure 5洁净室中不同活动强度的颗粒物散发率比

测量了人体在三种活动下的粒子发射率，包括三个主要动作:站立、踏步和走动。当受试者静止不动时，平均粒子(0.5微米)发射率为4055粒子/分钟/人。当受试者进行轻度活动时，粒子发射率为8463粒子/分钟/人，大约是静止速率的两倍。当受试者进行剧烈活动时，粒子发射率为21，622粒子/分钟/人，约为静止速率的5倍。因此，我们得出结论，粒子发射率随着活动强度的增加而增加，范围从2到5。通过与他人工作的结合，得出普适性的结论，即当受试者休息时，观察到的粒子数量最少。轻度活动，如手臂摆动、行走和旋转，其发生率约为休息时的2-5倍，而重度活动，如弯腰、跪姿和踏步，其发生率约为休息时的5-10倍。

4.2）清洁度对颗粒散发率的影响 

Figure 6不同洁净度下人体发尘的动态值与静态值之比

洁净室的洁净度对人类散发的颗粒物的影响体现在人类活动沉积在地面上的颗粒物的再悬浮上。在所有正常活动中，行走是最强的运动，它能使微粒再悬浮到洁净室的环境中。图中显示行走和休息时的粒子散发率之比，观察到清洁度与静止和活动比率之间有很强的相关性，较低的清洁度对应于较高的散发比例。在洁净室中，行走是一种轻活动，人行走时散发的颗粒物比人休息时散发的颗粒物大约高出一倍，而这部分增加更有可能来自人体本身。然而，在一个不受控制的环境中，行走时散发的颗粒物是静止时的6倍，在除去由于人体原因而提到的颗粒物后，剩下的60%–70%是再悬浮颗粒物。这个值超过了人体贡献的粒子；该数据表明，清洁度是影响人体活动粒子散发的一个重要因素。

5）人类活动粒子散发率的当量值

Figure 7洁净室中人体粒子散发率(≥0.5微米)的总结

当我们确定影响洁净室中人类粒子散发率的主要因素时，我们控制这些条件探索适合生物洁净室的当量值。图中展示我们的实验和其他人的研究结果，清洁度分类ISO 5和ISO 7之间，服装系统是用聚酯导电细丝制成的单件服装，颗粒尺寸范围在0.5微米以上。Austin等人的研究最常被用于指导设计，其范围是10万粒子/分钟/人-1000万 粒子/分钟/人，远远大于我们的结果。随着洁净室环境、过滤系统和服装系统的发展，这个值显然太大，需要更新。在我们的实验中，生物洁净室中相当于人体的动态粒子散发率在25000到79000粒子/分钟/人之间。我们的测量值略低于具有类似测量条件的其他研究，这是由于各种原因，如不同的生产技术、操作规范、服装系统等。考虑到所有这些参考资料，我们建议50000粒子/分钟/人-180000粒子/分钟/人是一个合适的范围。

6）不同换气率下的颗粒浓度

Figure 8不同换气率下的颗粒浓度(≥0.5微米)

如图显示了不同换气率下1.1米高度处点7处0.5微米的颗粒浓度。用剧烈活动的人走动来代表洁净室的生产模式，用1.1 m高的点7来代表重点监控位置。洁净室B类区域的浓度限值为动态是350，000粒子/m3。从图中可以看出，所有浓度都低于标准的限值。大多数生物洁净室B级区域的建议换气次数大于40次/h。在这种情况下，粒子浓度为低于2000个颗粒/m3，小于1%的标准要求，冗余太大，导致与通风系统相关的能量浪费。在10次/h的情况下，虽然颗粒浓度也低于标准限值的10%，但难以保证自洁时间和通风均匀性。因此，我们认为20至30次/h更适合当前洁净室的通风设计，更符合当前的生产和技术水平。一方面可以保证10%的冗余度，保证清洁度的安全性。另一方面，如果使用变频风机，风机的能耗与风量的三次方成正比，当风量变为原来的一半或四分之三时，节能可达50%以上。

文章引用格式：

F. Zhang, A. Shiue, Y. Fan, J. Liu, H. Meng, J. Zhang, G. Leggett, Dynamic emission rates of human activity in biological 

cleanrooms, Build. Environ.109777.

                                                                                                                                                                                            编辑：张帆

                                                            审核人：刘俊杰