送風(fēng)形式對咳嗽液滴在隔離病房傳播影響的數(shù)值模擬

吳 鑫 郭曉亮 謝軍龍 侯佳鑫 段梅

送風(fēng)形式對咳嗽液滴在隔離病房傳播影響的數(shù)值模擬

吳 鑫 郭曉亮 謝軍龍 侯佳鑫 段梅

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430074）

為了降低傳染性疾病在隔離病房傳播感染的風(fēng)險，給醫(yī)護(hù)人員創(chuàng)造安全舒適的工作環(huán)境，以單條縫貼附送風(fēng)、對側(cè)條縫貼附送風(fēng)、百葉風(fēng)口送風(fēng)以及置換送風(fēng)4種送風(fēng)形式為例對隔離病房的人體熱舒適性、咳嗽液滴的排除效果及醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明：在滿足病人和醫(yī)護(hù)人員熱舒適性要求下，與其他3種送風(fēng)形式相比，在置換送風(fēng)的送風(fēng)形式下，隔離病房的小粒徑咳嗽液滴（5μm～50μm）排除效果最好，醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險最低，建議隔離病房采用置換送風(fēng)的送風(fēng)形式。

咳嗽液滴；送風(fēng)形式；熱舒適性；擴(kuò)散；感染風(fēng)險

0 引言

自SARS疫情后，醫(yī)院為控制病原體的傳播以及減少呼吸道傳染性疾病的交叉感染，其患者均安排在隔離病房內(nèi)進(jìn)行醫(yī)治，醫(yī)護(hù)人員存在著很大的交叉感染風(fēng)險[1]。合理的隔離病房氣流組織有助于加快咳嗽液滴在隔離病房的排除，消除交叉感染的隱患，為醫(yī)護(hù)人員提供更安全的工作環(huán)境[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對隔離病房的氣流組織設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列研究[3]。Li等人[4]采用實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值模擬的方法對比分析了置換通風(fēng)、混合通風(fēng)和下送風(fēng)三種不同通風(fēng)方式下病房污染物的去除效果，其中置換通風(fēng)效果最好。雖然置換通風(fēng)是一種較好的控制下部污染的氣流組織方式，但鑒于傳染病房醫(yī)療設(shè)備等實(shí)際條件，有學(xué)者提出了貼附通風(fēng)氣流組織方式[5]。李安桂等人[6]模擬了不同貼附通風(fēng)方式下的病房室內(nèi)病原微生物的排除效果，其中采用單風(fēng)口豎壁貼附加導(dǎo)流板送風(fēng)的氣流組織形式污染物排除效果更好。Aganovic等人[7]針對工作區(qū)環(huán)境分隔與控制提出了可用于控制綜合醫(yī)院病房污染空氣傳播的工作區(qū)保護(hù)通風(fēng)方式。一些國外指南建議在隔離病房中使用氣流向下通風(fēng)系統(tǒng)[8]。我國GB/T 35428—2017《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》規(guī)定負(fù)壓隔離病房的送風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在房間上部，排風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在患者頭部附近，以利于污染空氣就近盡快排除[9]。

綜上所述，目前對于隔離病房氣流組織設(shè)計(jì)規(guī)定還在探索階段，雖然國內(nèi)外學(xué)者對隔離病房氣流組織進(jìn)行了一些研究，但在其氣流組織設(shè)計(jì)上并未有統(tǒng)一結(jié)論。為了能夠更好地解決醫(yī)護(hù)人員交叉感染風(fēng)險的問題，還需對隔離病房不同氣流組織方式進(jìn)行更全面的分析討論，為病房氣流組織設(shè)計(jì)提供有效建議，從而優(yōu)化病房氣流組織形式，達(dá)到在減少呼吸道傳染性疾病交叉感染的基礎(chǔ)上，同時兼顧醫(yī)護(hù)人員和病患的熱舒適度的效果。

筆者對隔離病房在4種送風(fēng)形式下病人咳嗽液滴的傳播擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，并分析了人體熱舒適性、咳嗽液滴的擴(kuò)散及排除效果和醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險，為隔離病房氣流組織的設(shè)計(jì)提供意見。

1 模型與算例設(shè)置

1.1 物理模型

筆者采用單人隔離病房為研究對象，在隔離病房中心設(shè)有一個病床，病床兩側(cè)各有一臺醫(yī)療設(shè)備，病人簡化為“十”字架模型。4種送風(fēng)形式分別為單條縫貼附送風(fēng)、對側(cè)條縫貼附送風(fēng)、百葉風(fēng)口送風(fēng)以及置換送風(fēng)，送、回風(fēng)口的布置如圖1所示。隔離病房以及風(fēng)口的具體尺寸如表1所示。

表1 隔離病房及各風(fēng)口尺寸

圖1 送風(fēng)形式方案設(shè)計(jì)

1.2 算例設(shè)置

將各送風(fēng)口設(shè)置為速度進(jìn)口，回風(fēng)口為自由出流；將患者（咳嗽液滴）嘴巴模型設(shè)置為速度進(jìn)口；咳嗽動作持續(xù)時間設(shè)置為0.4s，咳嗽氣流的最大速度為9m/s，咳嗽液滴速度曲線如圖2所示[10]；噴出的咳嗽液滴溫度為309.65K[11]；咳嗽液滴的蒸發(fā)性組分（水）的體積分?jǐn)?shù)為87.5%[12]；其他邊界條件及送風(fēng)參數(shù)如表2所示。

表2 邊界條件及送風(fēng)參數(shù)

圖2 咳嗽液滴速度曲線[10]

1.3 計(jì)算流程

通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到各送風(fēng)形式的初始穩(wěn)定流場，然后通過非穩(wěn)態(tài)方法模擬咳嗽液滴在隔離病房的傳播擴(kuò)散過程。在咳嗽動作過程中（0～0.4s），患者嘴巴模型設(shè)置為速度進(jìn)口，并加載UDF實(shí)現(xiàn)圖2所示的咳嗽液滴速度曲線。咳嗽動作結(jié)束后，將患者嘴巴模型設(shè)置為壁面條件，并保持此狀態(tài)直至計(jì)算結(jié)束，非穩(wěn)態(tài)過程采用變步長求解。

2 人體熱舒適性分析

將衡量人體舒適程度的PMV數(shù)值通過UDF在軟件中進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出病房內(nèi)的PMV數(shù)值分布受送風(fēng)形式的影響比較大。在4種送風(fēng)形式中，病房的PMV值基本在推薦范圍之內(nèi)。但是在單條縫貼附送風(fēng)、對側(cè)條縫貼附送風(fēng)及百葉風(fēng)口送風(fēng)形式下，射流區(qū)域及氣流沖撞區(qū)域PMV數(shù)值接近甚至低于-1，這說明此區(qū)域人的舒適度較低。但只有在百葉風(fēng)口送風(fēng)條件下，醫(yī)護(hù)人員才可能必須穿過射流區(qū)域，此時新風(fēng)會吹到醫(yī)護(hù)人員，引起醫(yī)護(hù)人員的身體不舒服。因此，不建議使用百葉風(fēng)口送風(fēng)形式。對于置換送風(fēng)，房間頂部雖然存在一層薄薄的熱空氣層，但不是醫(yī)護(hù)人員的活動區(qū)域。所以，即使該區(qū)域的PMV數(shù)值較高，也基本不影響人體的熱舒適度。

圖3 PMV等值線圖

3 咳嗽液滴擴(kuò)散及排除效果分析

3.1 送風(fēng)形式與咳嗽液滴擴(kuò)散分析

由圖4可見，單條縫貼附送風(fēng)的送風(fēng)形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部正上方呈團(tuán)狀分布，隨后受環(huán)形氣流的影響分成2團(tuán)分別向病床兩側(cè)擴(kuò)散；在=50s時，咳嗽液滴與病房內(nèi)空氣充分混合，分布在整個隔離病房；在=1000s時，病房內(nèi)只零星分布著極少量的咳嗽液滴，只有送風(fēng)口下方地面有一小團(tuán)液滴群，這說明該送風(fēng)形式在隔離病房這處的送風(fēng)可及性較差。

圖4 單條縫貼附送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖

由圖5可見，對側(cè)條縫貼附送風(fēng)的送風(fēng)形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部上方受上升氣流的影響呈水滴狀分布；在=5s時，咳嗽液滴隨氣流撞擊到房頂后開始向兩側(cè)擴(kuò)散，接著被向后流動的氣流裹挾著與混亂渦流匯合后，咳嗽液滴向病房后下方擴(kuò)散；在=50s時，咳嗽液滴均勻分布在整個病房內(nèi)；在=1000s時，只有醫(yī)療設(shè)備靠近回風(fēng)口一側(cè)的角落、患者頭部周圍和回風(fēng)口旁的地面存在一小團(tuán)液滴群，這說明該送風(fēng)形式在隔離病房這幾處的送風(fēng)可及性較差。

由圖6可見，百葉風(fēng)口送風(fēng)的送風(fēng)形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部上方呈矮小橢球形分布；在=5s時，受向下氣流影響，咳嗽液滴向病床兩側(cè)下方擴(kuò)散，隨后受新風(fēng)撞擊地面反彈向上流動的氣流影響，咳嗽液滴開始向病房上部擴(kuò)散；在=1000s時，只有送風(fēng)口一側(cè)的病房拐角地面存在2小團(tuán)液滴群，這說明該送風(fēng)形式在隔離病房這2處的送風(fēng)可及性較差。

由圖7可見，置換送風(fēng)的送風(fēng)形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部上方呈棒狀分布，并隨氣流向斜上方擴(kuò)散；在=5s時，咳嗽液滴隨氣流向病房回風(fēng)口一側(cè)擴(kuò)散；在=50s時，咳嗽液滴基本分布在病床一側(cè)，擴(kuò)散范圍不大；在=1000s時，只有患者周圍和置換送風(fēng)口中間及病床兩側(cè)的地面存在液滴群，這說明該送風(fēng)形式在隔離病房這幾處的空氣可及性較差。

圖5 對側(cè)條縫貼附送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖

圖6 百葉風(fēng)口送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖

圖7 置換送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖

3.2 咳嗽液滴排除效果分析

本文采用無量綱液滴數(shù)目來評價送風(fēng)形式排除咳嗽液滴的效果。其公式為：

式中，Nq為無量綱液滴數(shù)目；n為當(dāng)前時間液滴數(shù)目；nmax為最大液滴數(shù)目，即進(jìn)入房間內(nèi)的液滴總數(shù)。

圖8為不同送風(fēng)形式的無量綱液滴數(shù)目統(tǒng)計(jì)圖。由圖8可知，4種送風(fēng)形式下，無量綱液滴數(shù)目都隨時間的增加在減少。1000s時，4種送風(fēng)形式的無量綱液滴數(shù)目基本維持不變，且基本相同，相差很小。但是，置換送風(fēng)一開始的無量綱液滴數(shù)目就比較小，所以下降幅度比較小，其曲線基本為一條水平線。而其余3種送風(fēng)形式剛開始的無量綱液滴數(shù)目比較大，所以在1000s內(nèi)減少趨勢比較明顯。總體來看，置換送風(fēng)的無量綱數(shù)目在患者咳嗽后到1000s期間都維持在一個較低且穩(wěn)定的無量綱液滴數(shù)目大小，即能較快地把患者咳嗽液滴排出隔離病房外。

圖9 液滴粒徑分布圖

圖9為4種送風(fēng)方式下在100s和1000s時隔離病房內(nèi)液滴的粒徑分布示意圖（A為單條縫貼附送風(fēng)，B為對側(cè)條縫貼附送風(fēng)，C為百葉風(fēng)口送風(fēng)，D為置換送風(fēng)）。由圖9可知，100s時，單條縫貼附送風(fēng)形式和百葉風(fēng)口送風(fēng)形式的液滴粒徑分布差不多，說明該時間段這兩種送風(fēng)形式對不同粒徑的排除能力基本是相同的。但單條縫貼附送風(fēng)形式無量綱液滴數(shù)目較小，所以單條縫貼附送風(fēng)形式液滴排除能力比百葉風(fēng)口送風(fēng)形式好。而置換送風(fēng)形式下，無量綱液滴數(shù)目是最小的，且此時小粒徑咳嗽液滴（5μm～50μm）大部分都被排出去了，所以置換送風(fēng)形式咳嗽液滴排除最快。到了1000s時，4種送風(fēng)形式的無量綱液滴數(shù)目趨于相同，此時隔離病房基本都只存留大粒徑咳嗽液滴（>50μm），但置換送風(fēng)形式下小粒徑咳嗽液滴基本排除。

在4種送風(fēng)形式中，因?yàn)橹脫Q送風(fēng)在隔離病房內(nèi)形成穩(wěn)定緩慢向上流動的氣流，且小粒徑咳嗽液滴（5μm～50μm）的重力作用可忽略不計(jì)，所以小粒徑咳嗽液滴基本都可被上升氣流裹挾至回風(fēng)口并排出病房。而其余3種的送風(fēng)形式都是上送下回的方式。而小粒徑咳嗽液滴由于質(zhì)量較小，所以易受氣流影響擴(kuò)散流動到病房內(nèi)的各個位置，從而導(dǎo)致隨主氣流擴(kuò)散到回風(fēng)口及排出病房外的小粒徑咳嗽液滴數(shù)量較少。因此，置換送風(fēng)排出小粒徑咳嗽液滴的效果比其余3種送風(fēng)形式好。

所以，置換送風(fēng)相比于其余3種送風(fēng)形式下的咳嗽液滴排除效果比較好。

4 送風(fēng)形式與醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險評價分析

本文在前人優(yōu)化的Dose-response模型[13]基礎(chǔ)上，把暴露水平設(shè)定為醫(yī)護(hù)人員的呼吸區(qū)域、咳嗽次數(shù)簡化為一次、將觀察時間離散為多個時間步進(jìn)行積分以及引入蒸發(fā)因素這四個方面對Dose-response模型做了進(jìn)一步改進(jìn)，建立Medical Staff Dose-response模型（簡稱MSDR模型），對醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險進(jìn)行評價。

MSDR模型呼吸區(qū)域內(nèi)的感染評價為：

式中：P(z,t)為個時間步長內(nèi)的感染風(fēng)險值；為液滴粒徑總數(shù)；0為第個液滴的初始直徑，m；()為病原體在空氣中的存活能力；Δt為第個時間步長；為呼吸區(qū)域的豎直高度，0.2m[14]；為人體呼吸區(qū)域的水平面積，即為隔離病房的占地面積，m2；為醫(yī)護(hù)人員輕微運(yùn)動的短期呼吸量，8.6L/min[15]；為液滴初始病原體濃度，6.3×106TCID50/mL[16]；β為攜帶病原體的液滴在肺泡區(qū)域的沉積分?jǐn)?shù)；r為病原體的傳染性。r與j參數(shù)均與液滴的粒徑大小有關(guān)。

其中，液滴中病原體的存活能力、傳染性及在肺泡區(qū)域的沉積情況參考公式（3）-（5）[17,18]。

通過UDF將感染風(fēng)險評價模型的相關(guān)公式以及參數(shù)加載到模擬過程中，從而得到4種送風(fēng)形式下醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險。

由圖10可知，4種送風(fēng)形式的感染風(fēng)險都隨著時間不斷增大。咳嗽液滴暴露時間越長，醫(yī)護(hù)人員被感染的可能性越大。在置換送風(fēng)下，醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險的增加趨勢最為緩慢，而其余3種送風(fēng)形式的醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險的增加幅度比較大。在40s后，其余3種送風(fēng)形式的感染風(fēng)險都大于置換送風(fēng)，且隨時間增加，其與置換送風(fēng)的感染風(fēng)險差值不斷增大。置換送風(fēng)在預(yù)防醫(yī)護(hù)人員感染方面的優(yōu)勢隨時間增加越發(fā)突出。到了1000s時，置換送風(fēng)下醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險約是其余3種的7.8%～15.2%。又置換送風(fēng)的小粒徑液滴（5μm～50μm）排除效果最好，而小粒徑液滴在肺泡區(qū)域有著較大的沉積分?jǐn)?shù)與傳染性，所以，置換送風(fēng)可以有效消除醫(yī)護(hù)人員交叉感染的隱患。

圖10 醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險

5 結(jié)論

筆者對隔離病房內(nèi)患者咳嗽液滴的擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，同時對比分析了4種送風(fēng)形式下的人體熱舒適性、咳嗽液滴擴(kuò)散及排除效果和醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險。結(jié)果表明，置換送風(fēng)在控制病原體的擴(kuò)散，減少醫(yī)護(hù)人員的交叉感染風(fēng)險方面有著較好的效果，同時又滿足隔離病房內(nèi)的人體熱舒適性要求。所以隔離病房建議采用置換送風(fēng)的送風(fēng)形式，來為醫(yī)護(hù)人員創(chuàng)造安全舒適的工作環(huán)境。

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Numerical Simulation on Effect of Air Supply from on Spread of Cough Drops in Isolation Ward

Wu Xin Guo Xiaoliang Xie Junlong Hou Jiaxin Duan Meizi

( School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

In order to reduce the risk of infectious diseases in the isolation ward transmitted infections, and create a safe and comfortable working environment for medical staff, with a single seam tape attached to the wind, the contralateral to sew sticker attached to the wind, shutter tuyere air supply and replacement air distribution form of four kinds of air supply as an example to the isolation ward of the human body thermal comfort, cough drops out effect and medical personnel simulation research was conducted on the risk of infection. Results show that the meet the requirements of thermal comfort of patients and medical workers, compared with other forms of three kinds of air supply, in replacement of air supply air distribution form, the small particle size of the isolation ward cough drops （5μm～50μm）ruled out the best effect, medical staff the lowest risk of infection, suggested that the isolation ward in the form of displacement air supply.

Cough Drops; Ventilation Form; Thermal Comfort; Diffusion; Risk of Infect

1671-6612（2021）03-305-07

TU834

A

吳 鑫（1995.08-），女，在讀碩士研究生，E-mail：851914723@qq.com

謝軍龍（1970.02-），男，博士，研究員，E-mail：hustxjl@163.com

2020-11-19