武漢大花山方艙醫院病床區環境改善模擬研究

王當瑞 徐先港 郝爽 劉京 董建鍇 * 王春香

1 中南建筑設計院股份有限公司

2 哈爾濱工業大學建筑學院

3 寒地城鄉人居環境科學與技術工業和信息化部重點實驗室

0 引言

方艙醫院是利用既有建筑，在 最短時間內，以 最小的成本建設和改造的臨時收治場所，在 新冠肺炎疫情的消滅阻擊中起到了重要作用。然而，由 于體育場館的層高和功能要求等影響，改 造后的方艙醫院存在熱分層，局 部流速較大的問題。為了營造方艙醫院內部的負壓環境，門 縫需要承擔 20%的補風量，這 給靠近門位置的患者造成了較大的吹風感。此外，方艙醫院內存在的熱分層及空氣流動性差等特點不利于患者呼吸污染物、病 毒飛沫的有效排出，增 大了患者及醫務工作者的患病概率。一 些合理的氣流組織改進措施，比如增設擋板，增 加排風口等，可 以對方艙醫院內的環境起到積極作用。

合理的氣流組織是營造舒適健康室內環境的前提，為 了改善局部環境內的流場狀況，增 設擋板是行之有效的方法之一。楊柳[1]通過在地鐵列車車廂主風道內添加擋風板，使 整個車廂內的溫度梯度控制在3 ℃以內(24 ℃-27 ℃)，風 速達到規范要求，提 高了風道出風均勻性和車廂內氣流組織的合理性。郭長勇[2]等通過在送風口周圍加設500 mm 擋板，增加了到達手術區高度的氣流速度，降 低了關鍵區溫度，提 高了熱舒適性與手術室空間的溫度均勻性。范昕杰[3]等 發現豎直擋板的加設能顯著提高機柜在進風面上的風量的均勻性，對冷通道內的速度流場有較大改善作用，能夠降低通道內流速，修 正孔板出風方向，在 較高溫度區的控制上作用顯著。

除增設擋板外，合 理設置送排風口位置，也 是改善環境局部流場，提 高人員熱舒適感，增 大污染物排除效率的手段。周懷改[4]對機械通風的數值模擬結果表明進風口位置會影響室內污染物的濃度分布，當 排風口位置不變，進 風口位置下移時，可 以提高通風效率，改 善室內污染物排出的效果。敖永安[5]通 過對頂排和側排兩種排風口設置位置的模擬分析，發 現靠近污染物散發處側排風方案的衛生間內污染物濃度最低，具有最好的通風效果。侯艷[6]等發現排風口位置的設置影響污染物的擴散方向，當 進排風口位置的設置使室內無回流無漩渦時，室 內污染物可以較好的排出室外。李雪薇[7]等 通過數值模擬發現合理的送排風口位置能夠有效的降低CO 濃度，滿 足人員的衛生要求，排 風口均勻布置在車庫頂部時效果較好。

為了改善方艙醫院內部熱環境，提高空氣流動性，增 大病毒污染物飛沫的排出概率，本 文對武漢江夏大花山方艙醫院 A 館病床區提出了增設擋板與局部排風口的優化方案，并 通過數值模擬方法，對 兩種增設擋板工況與一種增設排風口工況進行了模擬對比，分 析兩種措施的環境改善作用，為 以后的方艙醫院建設改造提供指導意見。

1 物理模型

1.1 工程概況

武漢江夏大花山戶外運動中心 A 館地上一二兩層均為方艙醫院，A 館一層由“三區兩通道”（污染區、半污染區、清 潔區。醫 務人員通道、患 者通道）組 成。本 研究模擬對象為武漢江夏大花山方艙醫院 A 館一層病床區，大 花山方艙醫院A 館平面布局如圖1 所示。A 館一層病床區共設置273 張床位，6 個護士站，床 位之間不設置圍擋。改 造后，A 館一層病床區送風系統采用全空氣系統，布 袋風管送風。布袋風管開孔方向為4:30 方向與 7:30 方向，在 模擬計算時將開孔簡化為15 mm 寬的條縫處理。原空調系統回風口封閉，實 現全新風運行。排風系統在原有防排煙系統的基礎上進行改造，并 增設下排風口與組合過濾器（粗效過濾器G4+中效過濾器 F8+高效過濾器 H13）[8]。此外，通 過在污染區內設置空氣凈化器，來 凈化室內空氣，延 長過濾器的使用壽命。在每個病床上鋪設了電熱毯，并 在每8 位患者間設置一盞功率為 2000 W 的電油汀來保障患者的人體熱舒適。

圖1 大花山方艙醫院A 館一層平面布局圖

1.2 優化方案

根據對大花山方艙醫院 A 館病床區的環境模擬發現，在 靠近兩側外門位置處患者的風速較高，超 過了規范要求。在方艙醫院中心位置，存 在通風死角區域，局部氣流速度過小，使污染物難以及時排出。為了提高患者的熱舒適性，改 善病床區的氣流組織，提 出了在靠近門位置的患者病床處設置擋板，在 病床區中部增設排風口的環境優化方案。根據方艙醫院門的尺寸及門與病床的距離，確 定擋板幾何尺寸為 1.94 m×2.00 m、4.00 m×1 .60 m 兩種方案。大花山方艙醫院擋板及局部排風口安裝位置見圖2。

圖2 大花山方艙醫院擋板與局部排風口位置

方案一：在 距離外墻2.50 m，距 離患者病床0.75 m處增設擋板，擋 板幾何尺寸為 1.94 m×2 .00 m（W×H）。沈向陽[9]等發現擋板厚度對送風均勻性及氣流組織影響不大，故 在設計方案中不會考慮擋板厚度所帶來的影響。

方案二：在 距離外墻 2.50 m，距 離患者病床0.75 m 處增設擋板，擋板幾何尺寸為 4.00 m×1 .60 m（W×H）。

方案三：在 方案二優化的基礎上，在 方艙醫院中間位置，距離地面 0.10 m 高度處增設 2 個局部排風口，排 風口幾何尺寸為 0.8 m×0 .5 m（W×H），排 風量為每個5000 m3/ h。

大花山方艙醫院A 館病床區、病床、護士站、風 管、排 風口、電 油汀等物理模型尺寸見表1。

表1 物理模型幾何尺寸

2 數學模型

2.1 求解方法

基于連續性方程，動量守恒方程與能量守恒方程，建 立方艙醫院A 館一層病床區的數學模型。湍流模型選用標準k-ε湍 流模型。求解器選用壓力基求解器。為減小微分方程低階格式產生的假擴散誤差，導 致湍流計算結果的不準確性，能 量方程、動 量方程均采用二階迎風離散格式。模型收斂指標均保持默認。考慮到空氣溫度變化對密度產生的影響，采用Boussinesq 假設，忽略空氣內部的粘性耗散以及壓強變化引起的變密度，僅 考慮由于空氣溫度的變化而產生的密度變化。因為本次模擬為穩態模擬，經 初步計算得知人員和電熱毯散熱約52.9 kW，電油汀散熱約72 kW，根 據電氣專業提供的病房照明燈光散熱約6.7 kW，約 占總散熱量的 5%，燈 光散熱相對于其他熱源較小，因 此忽略燈光和手機等熱源。同時不考慮患者在方艙醫院內部運動時造成的氣流干擾，僅 考慮因溫差引起的熱羽流效果。

2.2 邊界條件

經改造后空調系統送風量為41000 m3/ h，根據風量平衡，為 了維持污染區內負壓的工作環境，必 然需要門縫的滲透進行補風。由于送風口面積已知，故可以通過設置送風口風速來確定送風量。電熱毯的功率為 110 W，電 油汀的功率為 2000 W，人 員散熱以成年男子在20 ℃時的散熱量為標準，散 熱量為84 W。具 體計算模擬過程中所使用到的邊界條件見表2。

表2 數值模擬邊界條件參數設置

3 模擬結果分析

3.1 空間溫度場結果分析

考慮到患者口鼻呼吸帶高度，選 取y=1.6 m（模型規定y=0 m 處為地板）為 水平溫度觀測截面，見 圖 3。在無任何優化措施的條件下，方 艙醫院內部溫度分布存在明顯不均勻性，靠 近中心位置處的病床溫度較高，靠近門位置處的病床由于受到門縫冷風滲透的影響而溫度較低。經過設置擋板與增加局部排風口后，方 艙醫院內部的溫度分布不均勻性得到明顯改善。對比方案一與方案二，方 案二中較大面積的擋板對室內溫度的提高效果較好，但 對室內溫度均勻性的控制較差。對比方案二與方案三，增 設局部排風口后會造成方艙醫院中間位置區域的高溫空氣的排出，使 空間溫度降低。由 圖3 與圖4 可以發現，上 述增設擋板與局部排風口的優化措施會造成方艙醫院內部環境溫度的升高。由圖 4 可知，1.0 m-2.0 m 高度處，方艙醫院內部溫度提高了0-0.8 ℃。其原因是擋板位置的增設使門縫的滲透風與兩側墻壁處的排風口發生了氣流短路，滲 透冷風未及時與空氣摻混換熱便通過排風口排出。由于方艙醫院空調系統為全新風運行，空 間平均溫度的升高可以降低空調系統送風溫度，有 利于空調系統節能。

圖5 為方艙醫院內部垂直截面溫度分布圖。三種優化方案都有效改善了 0-2.0 m 高度處內的溫度不均勻性，提高了方艙醫院病床區的平均溫度。但豎直方向依舊存在較大的垂直溫差，熱分層現象明顯。最大垂直溫差為 5.6 ℃，最 小垂直溫差為 4.8 ℃，過 大的垂直溫差會造成患者呼吸污染物的凝滯，形 成高濃度的水平污染物凝聚帶，不 利于患者呼吸污染物的及時排出。同時熱分層也會促進患者病毒飛沫的擴散，增 加患者間交叉感染的風險[10]。

圖3 y=1.6 m 處溫度分布

圖4 不同高度處溫度分布

圖5 垂直溫度分布

3.2 空間流場結果分析

為了維持污染區負壓的設計要求，空 調送風量占排風量的 80%，其余 20%的送風量由門縫滲透來完成。這一部分的門縫滲透風量達8200 m3/ h，使 靠近門位置處產生了較大風速，給患者造成了較大的吹風感，局 部風速最高達到1.0 m/s，如 圖6 中A 圖所示。此 外，在中間位置的呼吸帶高度處的局部風速極小，存 在一通風死角區域（圖 6-A 中黑框區域），患 者呼吸污染物容易堆積，造 成濃度的升高，長 時間暴露于高濃度氣溶膠污染物的情況下增大了病毒經氣溶膠傳播的風險[11]，危 害患者及醫務人員的健康。經 過優化設計后，靠 近門位置處的風速水平得到有效改善，患 者吹風感得到有效緩解。對比方案一與方案二可知，方 案二對靠近門位置處風速的控制效果較好。對比方案二與方案三，增 設局部排風口后方艙醫院中間位置處的局部流場得到改善，一 定程度上解決了通風死角區域的污染物堆積問題。

圖6 y=1.6 m 處空氣流速分布

從圖7 中可以看出，增設擋板與局部排風口均不能改善垂直高度上的流場狀態，布 袋風管的吊裝高度較高，送 風風速較低，其 高溫送風難以及時送至患者活動區域。高溫空氣在空間頂部堆積一方面不利于系統節能，另 一方面使患者呼吸污染物和病毒飛沫在人員呼吸區發生凝滯，增 大了患者間交叉感染的概率和醫務人員的工作風險。

圖7 垂直空氣流速分布

4 討論

通過對增設擋板及局部排風口的優化方案進行模擬分析后發現，擋 板與局部排風口相結合的方案對方艙醫院內部環境有著良好的改善效果。擋板在有效阻隔門縫滲透風對相鄰患者帶來影響的同時提高了方艙醫院內部平均溫度，有利于空調系統的節能。局部排風口的設置緩解了通風死角區域的低風速，避 免了中央位置患者呼吸污染物的堆積。該研究確定了擋板及局部排風口設置對方艙醫院內部環境改善的積極作用，為 未來方艙醫院的建設及環境改造提供了簡單可行的設計方案，但 缺少對擋板與局部排風口的尺寸及安裝位置的深入探索，熱 分層現象及空調送風難以及時送至患者位置兩大問題依舊沒有解決，需 要圍繞降低布袋風管吊裝高度、改 變空調系統送風溫度等方面繼續展開研究。

方艙醫院在城市安全防護的作用是有目共睹的，其建設改造之迅速也被公眾認可。在方艙醫院的暖通空調系統設計層面上：送 回風形式對病毒擴散傳播特性的影響，系 統設計改造的靈活度，疫 情過后的系統消殺等仍需開展進一步研究。在房艙醫院的空調送風參數的設計層面上：保證患者熱舒適的送風溫度，保證患者周圍病毒合理濃度的送風量，不 同房艙醫院建筑類型的送風參數選取等值得深入探索。

5 結論

1）擋板的設置可以有效降低靠近門位置處的較大滲風風速，緩 解患者的吹風感問題。同時，擋 板的設置提高了室內的平均溫度，有 利于空調系統節能。不同尺寸的擋板對于空間內溫度與空氣流速影響較大，方案二中4 m×1 .6 m（W×H）的 擋板對內部環境的改善效果較好。

2）局部排風口的設置提高了通風死角區域的局部流速，增 大了氣流不均勻性，更 有利于患者呼吸污染物的排出，與 擋板結合使用可以獲得更好的氣流組織改善效果。排風口的設計尺寸、設 計排風量、安 裝位置等影響因素值得后續開展相關研究。

3）溫 度分層造成的較大垂直溫差問題依舊存在，耗能的同時造成污染物的堆積，增 大了患者間交叉感染的風險，給 患者的康復和醫務人員的安全工作帶來了阻礙。建議降低布袋風管吊裝高度，降低空調送風溫度，提 高空調系統送風量。