普通病房飛沫污染物傳播特性與評價

張桉康，張華玲，劉 鵬

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400045)

自豬流感、SARS、禽流感、COVID-19等傳染性疾病爆發以來，對微生物感染控制的科學探索不再局限于微生物學家或醫學科學家，流體力學可以做為研究微生物傳播特性的重要手段。醫院空調病房相對封閉且微生物污染相對集中，通風空調系統應能有效控制病房內微生物污染物的傳播，預防病房人員的交叉感染。普通病房的微生物污染物的主要來源為室外空氣、通風空調系統、人體呼吸活動和室內潮濕部位等，其中，人體呼吸活動產生的飛沫是病房微生物污染的重要來源。病人在呼吸、說話和咳嗽時會從口部產生含有致病菌的飛沫污染物，增大醫護與陪護人員的感染風險。據統計，SARS期間，北京和香港地區醫院的醫護人員感染率接近20%，臺灣地區醫院的醫護人員感染率高達 30%[1]。Wei等[2-3]對人體呼吸活動產生的飛沫在室內環境中的釋放、傳播和擴散特性進行了綜述，并強調氣流組織的影響至關重要。因此，應建立良好的病房通風氣流組織，快速將飛沫污染物排除，防止病房人員的交叉感染。

由于CFD 方法具有實用性強、可靠性好等優點，能夠對室內氣流組織進行科學地預測和評價，文中通過CFD方法重點關注空調病房內病人產生的飛沫污染物在室內空間的傳播特性，其中，飛沫污染源的粒徑、數目、速度和溫度等是CFD模擬研究的基礎數據。Papineni[4]采用光學粒子計數器(OPC)和分析透射電子顯微鏡(AEM)對人體呼吸和咳嗽飛沫粒徑進行測量，發現其粒徑均呈雙峰值分布，健康人呼吸產生的飛沫粒徑范圍為0～2.5 μm，90%都小于1 μm。Nicas等[5]建立了飛沫蒸發粒徑隨時間的變化函數，當飛沫水分完全蒸發時，飛沫核粒徑約為飛沫初始粒徑的44%。Chao等[6]采用干涉成像儀(IMI)和粒子圖像測速儀(PIV)對呼吸、咳嗽產生的飛沫數目進行測量，發現呼吸產生的飛沫數目為112～6 720個；咳嗽產生的飛沫數目為 947～2 085個；Gupta等[7-8]認為呼吸速度隨時間呈正弦函數變化，咳嗽速度隨時間呈伽瑪分布函數關系；Hoppe[9]發現當不考慮環境溫度對飛沫的影響時，飛沫溫度與人體溫度相等。可見，由于研究者采用的實驗方法不同，咳嗽產生的飛沫粒徑分布的實測值差異較大，分析這些實驗數據，發現人體咳嗽產生的飛沫粒徑范圍大都在0～200 μm之間，依據Wells[10]純水飛沫蒸發—沉降曲線，初始粒徑大于160 μm的飛沫受重力作用，未完全蒸發之前就會沉降至2 m以下。文中基于已有文獻的相關實驗數據，通過分析整理獲得CFD模擬的基礎數據。

同時，國內外學者對空調房間內顆粒污染物的運動規律也進行了大量的研究。Zhang等[11]采用拉格朗日法對室內顆粒物在3種送風方式的濃度分布特征進行模擬；通過實驗發現，下送風方式排除室內顆粒物的能力最強，但飛沫污染物在傳播時存在蒸發，與普通固體顆粒物的傳播存在差異。Chao等[12]指出粒徑大于87.5 μm的飛沫主要受到重力作用而沉降，而粒徑小于45 μm的飛沫則主要隨空氣傳播，但在模擬時則將飛沫污染源的速度設置為穩態，與實際情況偏離較大。Ji等[13]采用離散相模型研究了相對濕度與氣流組織形式對病人呼出的感染性飛沫在病房內的蒸發、空間分布與擴散距離的影響，模擬結果顯示大多數飛沫在變成飛沫核或沉積之前集中在人體口部±0.5 m范圍內，但模擬中僅考慮飛沫的呼出而沒有考慮吸入，且飛沫速度為常數。孫煒[14]利用單顆粒隨機軌道模型模擬空調病房內病人咳嗽飛沫的濃度分布，指出下送風形式排除室內飛沫的效率要比置換通風和混合通風高，但在模擬時僅考慮了1次咳嗽產生的飛沫。Li 等[15]通過實驗測試和CFD模擬2種方法對2個站立的人之間呼出飛沫的暴露水平進行了研究，得出1.5 m為區分飛沫短距離傳播與遠距離傳播的臨界距離，但模擬時僅模擬了呼吸模式下飛沫的暴露水平而沒有考慮咳嗽模式。

筆者采用CFD模擬方法，探尋空調病房內飛沫污染物在上送上回、貼附射流和上送下回3種氣流組織下的傳播規律。與現有研究相比，文中在模擬方法上有所改進。首先，模擬時考慮人體飛沫傳播過程的蒸發特性；其次，醫護人員只考慮呼吸活動，而病人在前60 s內咳嗽4次且每次持續1 s，其余時間均為呼吸活動；另外，呼吸產生的飛沫粒徑簡化為均勻分布[16]，咳嗽產生的飛沫粒徑按不同粒徑范圍所占平均百分數，結合離散相模型中Rosin-Rammler分布給出其粒徑分布函數；最后，編寫UDF程序并寫入Fluent描述病人呼吸與咳嗽產生飛沫的非穩態速度分布。通過分析模擬數據，對3種氣流組織形式排除病房飛沫污染物能力進行初步評價，找出飛沫污染物去除效率最好的氣流組織形式。

1 研究方法

1.1 物理模型構建

文中對重慶市3家綜合醫院的普通病房進行了現場調研，發現普通病房內最常見的氣流組織形式為上送上回和貼附射流，而上送下回則是規范手冊中推薦的氣流組織形式，故選擇這3種氣流組織形式來開展模擬研究。物理模型依據重慶市某綜合醫院的雙人普通病房，尺寸為長7.5 m、寬3.5 m、高3 m，采用ICEM CFD 16.0建立物理模型，建模時將人員頭部與軀體分別簡化為正方體和長方體，人體飛沫污染源全部由口部噴出，口部尺寸為長20 mm×寬20 mm，病房衛生間門關閉，縫隙設置為寬0.2 m×高2.1 m。不同氣流組織營造的實質為房間送、回風口位置的調整，3種典型氣流組織病房的物理模型如圖1所示。

圖1 病房3種氣流組織的物理模型Fig. 1 The physical model of general ward under three typical air distribution forms

1.2 數學模型描述

選擇Fluent 16.0作為CFD模擬軟件，模擬時對數學模型進行如下假設：

1)病房氣密性良好，不考慮房間的滲漏風量；

2)室內空氣為常溫、低速、常物性、不可壓縮的牛頓流體湍流流動；

3)沫顆粒之間不發生凝并、破碎現象，且不考慮飛沫顆粒的存活與衰減特性；

4)沫污染物僅由人體口部噴射而出，無其他來源。

因為空調病房空氣為湍流流動，且RNG k-ε模型的計算速度快、結果準確，故選擇RNG k-ε模型進行求解，采用壁面函數法模擬近壁面區的流動[17]。Fluent中規定體積分數小于10%的飛沫和顆粒負載流動，應采用離散相模型，房間中飛沫體積分數遠小于10%，因此選擇離散相模型模擬飛沫噴射與傳播過程。考慮到離散相與連續相的相互作用，且病房內粒徑小的飛沫長時間懸浮于空氣中，采用非穩態離散相模型并開啟兩相相間耦合計算來模擬飛沫濃度分布。

為了更貼合實際，還需對數學模型進行設置。首先，考慮到飛沫的蒸發特性，將其視為含有一定飛沫核的液滴，選用Droplet作為飛沫污染物的材料，采用通用有限速率化學反應模型模擬飛沫中水分的蒸發過程，不勾選Reaction化學反應模型。其次，根據文獻[18]，人體呼吸的噴射速度為正弦函數，咳嗽的噴射速度為脈沖函數，設置病人在前60 s內咳嗽4次，每次持續時間為1 s，其余時間都在呼吸，這種動態過程需要借助UDF(用戶自定義函數)編程來解決。數學模型的求解首先利用SIMPLEC算法求解穩態的連續相流場，得到穩定的溫濕度流場后，再加入離散相模型并采用PISO算法進行非穩態的兩相相間耦合計算，直至收斂[19]。

1.3 模型邊界條件

病房圍護結構、病床等表面邊界條件均根據現場實際表面條件進行設置，進口和出口邊界條件設置如表1所示。

表1 進口和出口邊界條件Table 1 Inlet and outlet boundary conditions

周期為4 s，呼氣為正值，吸氣為負值，咳嗽氣流速度簡化為脈沖函數

周期為15 s；病人和健康人員呼吸活動的氣流速度如圖2所示。

②開啟了離散相模型，進口邊界條件需選擇逃逸(escape)，表示離散相穿過邊界形成逃逸，終止軌道的計算。

圖2 病人和健康人員呼吸活動的氣流速度Fig. 2 The air velocity of respiratory activities of patients and healthy people

1.4 飛沫污染源的設置

根據現有文獻分析可以得到飛沫粒徑和數目等參數，參數設置如表2所示。

表2 飛沫污染物主要參數設置Table 2 The main parameter-settings of droplet contaminations

圖3 咳嗽飛沫粒徑分布(0～200 μm)Fig. 3 The distribution of droplet size generated by coughing(0～200 μm)

2 結果分析

2.1 模型的驗證

為了驗證CFD計算模型選擇的正確性，采用文獻[12]中的實測數據對文中選擇的數學模型進行驗證，依據文獻中病房的相關物理參數建立的物理模型，如圖5所示。模擬時飛沫污染源粒徑設置為實驗中的峰值粒徑12 μm。邊界條件根據文獻給出的情況進行設置。數學模型的選擇設置同文中2.2節。Fluent模擬結果與實驗結果對比,如圖6所示。可見，在飛沫噴出后開始一段時間，飛沫的運動軌跡隨時間變化的模擬結果與實驗結果有較大的偏差，其余的大部分時間變化趨勢相同，總體差異不大，說明文中采用的數學模型及UDF程序可以較為準確地模擬病房內飛沫污染物的蒸發擴散。

圖5 三人間病房簡化物理模型Fig. 5 The simplified physical model of triple general ward

圖6 模擬數據與實驗數據對比Fig. 6 The comparison between simulation results and experimental results

2.2 上送上回

醫院空調病房目前普遍采用上送上回氣流組織形式，上部回風更方便布置回風管路，同時可以帶走病房照明燈具的散熱量，適用于有一定美觀要求的普通病房。該氣流組織形式下病房內飛沫傳播模擬結果，如圖7所示。圖中的飛沫濃度是指單位空間體積內所含飛沫的質量，單位為kg/m3。

圖7 病人與醫護人員口部截面的飛沫濃度云圖(15 s)Fig. 7 The contour of droplet concentration on the cross section of patient and medical staff’s mouth (15 s)

由圖7(a)可知，15 s時圖中右側靠近窗戶的病人咳嗽產生的飛沫，由于靠窗一側天花板處病房排風口的抽吸作用，導致飛沫朝病房窗戶側擴散，粒徑大的飛沫往地面沉降；相鄰病床的病人產生的飛沫則會隨咳嗽氣流向上擴散，朝著圖中左側病房入口天花板處的回風口方向運動。表明2個病人呼吸和咳嗽時產生的飛沫在擴散過程中相互影響較小。

由圖7(b)可知，15 s時圖中左側靠近窗戶的病人咳嗽產生的飛沫會朝站立的醫護或陪護人員呼吸區附近擴散，對病房健康人員的影響較大；相鄰病床的病人產生的飛沫只有少量往病人口部上方擴散，大部分不會進入醫護或陪護人員呼吸區。

為了更加清晰地表示飛沫在房間擴散分布的情況，利用MATLAB軟件編程，將房間按0.4 m×0.4 m×0.4 m劃分為多個小立方體，每個小立方體內的飛沫個數計算在其中心點位置，表示該小立方體內個數濃度，得到不同粒徑飛沫個數濃度分布圖，如圖8所示(圖中紅色*為病人嘴部位置，紅色+為陪護或醫護嘴部的位置，藍色*或+為嘴部投影到地面的位置，圖中色彩條表示小立方體內的飛沫數目)[22]。從圖8可知，飛沫噴出后15～300 s，不同粒徑的飛沫在病房已充分擴散。在2位病人與2位健康人員呼吸區內的不同粒徑飛沫平均個數濃度隨時間變化，如表3所示。

圖8 不同時刻不同粒徑飛沫的個數濃度空間分布圖(個/m3) (A.粒徑<0.1 μm；B.粒徑為0.1～3 μm；C.粒徑為3～10 μm；D.粒徑>10 μm)Fig. 8 Spatial distribution of number concentration of droplet with different particle size at different time (A. Particle size<0.1 μm; B. The particle size between 0.1 μm to 3 μm; C. Particle size between 3 μm to 10 μm; D. Particle size>10 μm)

表3 不同粒徑飛沫呼吸區平均個數濃度隨時間變化(個/m3)

由表3可知，B類飛沫個數濃度最大，且A、C、D 3種粒徑范圍的飛沫個數濃度呈先升后降的趨勢。這是因為A、C、D 3類飛沫均為咳嗽產生，咳嗽結束其數量不再增加，飛沫在病房內擴散蔓延或被排除，且大粒徑飛沫會沉降，導致濃度降低；而B類飛沫由呼吸和咳嗽共同產生，呼吸一直在繼續，飛沫數量不斷增加，所以對于健康人員，其呼吸區飛沫個數濃度會增加，直到飛沫的產生與排除達到平衡為止，但是對于病人，由于咳嗽產生的氣流的推動作用，會使病人呼吸區內由呼吸活動產生的B類飛沫的個數減少，故病人呼吸區內B類飛沫濃度呈先降后升的趨勢。

2.3 貼附射流

貼附射流是另一種廣泛應用于醫院普通病房中的氣流組織形式，利用射流的附壁效應增大射程，通常安裝在病房入口處，回風口位于風機盤管下部，占用空間小。該氣流組織形式下的模擬結果,如圖9所示。

圖9 病人與醫護人員口部截面的飛沫濃度云圖(15 s)Fig. 9 The contour of droplet concentration on the cross section of patient and medical staff’s mouth (15 s)

由圖9(a)可知，15 s時圖中左側病人周圍的飛沫濃度較大，原因是在貼附射流氣流組織形式下，2個病人均處在回流區，飛沫釋放后會向病房入口側回風口擴散，圖中右側病人呼出的飛沫會影響相鄰病人，容易引起相鄰病人的交叉感染，存在安全風險。

由圖9(b)可知，15 s時醫護或陪護人員呼吸區平面內飛沫濃度較小，但由于回流的作用，病人產生的飛沫會流經站立的醫護或陪護人員呼吸區，因此醫護或陪護人員受到感染的風險較大。

該送風方式下在2位病人與2位健康人員呼吸區內的不同粒徑飛沫平均個數濃度隨時間變化,如表4所示。

表4 不同粒徑飛沫呼吸區平均個數濃度隨時間變化(個/m3)Table 4 Average number concentration of droplet with different particle size in respiratory area at different time

由表4可知，B類飛沫個數濃度最大，因為回流區的存在，A、B、C 3種粒徑飛沫在病人呼吸區個數濃度均比上送上回氣流組織形式下的低，而在健康人員呼吸區個數濃度均比上送上回氣流組織形式下的高，D類飛沫由于回流區和沉降的作用濃度越來越低，貼附射流氣流組織形式下產生的飛沫污染物對健康人員的影響較大。

2.4 上送下回

上送下回為文獻[23]推薦的送風方式，送風口送入房間的氣流先流經醫護人員呼吸區域，再流向病人，最后由病床下部回風口排出，病房氣流組織模擬結果如圖11所示。

圖10 病人與醫護人員口部截面的飛沫濃度云圖(15 s)Fig. 10 The contour of droplet concentration on the cross section of patient and medical staff’s mouth (15 s)

由圖10(a)可知，15 s時圖中右側靠近窗戶的病人產生的飛沫受底部回風作用，迅速向病床側下方回風口聚集，而圖中相鄰病床病人產生的飛沫受送風氣流影響，先向病房入口側運動，再向下部回風口流動，病人之間發生交叉感染的概率較小。

由圖10(b)可知，15 s時病人產生咳嗽飛沫會朝站立醫護或陪護人員呼吸區附近擴散，但由于送風氣流的推進與下部回風口的抽吸，能較快排出醫護人員呼吸區，建議醫護或陪護人員在病房送風口下部區域活動。

上送下回氣流組織形式下不同粒徑飛沫在2位病人與2位健康人員呼吸區內的平均個數濃度隨時間變化如表5所示。

表5 不同粒徑飛沫呼吸區平均個數濃度隨時間變化(個/m3)Table 5 Average number concentration of droplet with different particle size in respiratory area at different time

由表5可知，當飛沫充分擴散至整個病房時，健康人員呼吸區不同粒徑飛沫個數濃度與另外2種氣流組織形式相比最低，而病人呼吸區B類飛沫個數濃度較高，這是因為上送下回氣流組織形式的回風口位于病床下部，離病人呼吸區較近。上送下回氣流組織形式對病房內健康人員更為有利。

2.5 污染物排除效果評價

從模擬結果可知，上送下回送風方式由于回風口位于病房床頭下部，靠近污染源，能維持室內較低的飛沫污染物個數濃度，排除室內飛沫污染物的能力最強。文中采用通風效率Ev(t)來評價不同氣流組織下送風氣流對房間不同位置污染物的排除效果，Ev(t)越大說明送風氣流對房間某一位置污染物的排除效果好，反之，Ev(t)越小，說明送風氣流對房間某一位置污染物的排除效果差[24]。Ev(t)計算式為

(1)

式中，Ce(t)為t時刻排風口污染物個數濃度，個/m3；Co(t)為t時刻送風口污染物個數濃度，個/m3；C(t)為t時刻評價區域污染物個數濃度，個/m3。可設送風口濃度Co(t)=0，式(1)簡化為

(2)

此時，通風效率為某時刻排風口處的飛沫污染物個數濃度與工作區個數濃度之比，根據模擬結果，計算得到不同氣流組織形式下病房內健康人員呼吸區通風效率，如圖11所示。

圖11 不同氣流組織形式下健康人員呼吸區通風效率對比Fig. 11 The time-varying ventilation efficiency in respiratory area of medical staff under three typical air distribution forms

由圖11可知，上送下回氣流組織形式通風效率在健康人員呼吸區內均大于上送上回和貼附射流氣流組織形式，300 s時上送下回氣流組織形式通風效率約為0.34，上送上回氣流組織形式通風效率約為0.24，貼附射流氣流組織形式通風效率約為0.12，同樣說明上送下回氣流組織形式排除室內飛沫污染物的能力最強。

3 結 論

針對空調病房內病人產生的飛沫污染物在室內空間的傳播特性，基于文獻與現場調研獲得現有綜合醫院空調病房氣幾種常見流組織形式，以及人體呼吸活動產生飛沫的粒徑、數目、速度和溫度等基礎數據，運用Fluent軟件建立了病房物理模型與飛沫污染物蒸發擴散模型，借助軟件的開放接口用戶自定義函數(UDF)編寫程序作為人體4次咳嗽與呼吸結合的飛沫噴射過程的速度輸入條件。分析模擬飛沫在病房內的蒸發擴散與遷移，得到以下結論：

1)上送上回、貼附射流和上送下回3種氣流組織下，粒徑在0.1～3 μm之間B類飛沫在病人與健康人員呼吸區域個數濃度都最大，且1～5 μm的粒子可進入肺深處，對人體造成的危害較大。300 s時上送上回氣流組織形式下，B類飛沫在健康人員呼吸區域個數濃度超過2 500個/m3，貼附射流超過4 200個/m3；而上送下回氣流組織形式下，B類飛沫在健康人員呼吸區域個數濃度只有1 500個/m3左右，比上送上回低40%，比貼附射流氣流組織形式低近70%，說明上送下回氣流組織形式排除飛沫污染物效果更好。

2)對比上送上回、貼附射流和上送下回3種氣流組織形式，300 s時在站立健康人員呼吸區域，即健康人員距地面高度1.6 m處的通風效率，上送上回氣流組織形式通風效率約為0.24，貼附射流氣流組織形式通風效率約為0.12，上送下回氣流組織形式通風效率約為0.34，說明上送下回氣流組織形式排除病房飛沫污染物的能力最強。

3)目前醫院病房常采用的貼附射流氣流組織形式對病原微生物飛沫污染物的排除效果較差，容易造成室內人員的交叉感染，建議普通病房采用上送下回氣流組織形式。