基于FDS的“平戰(zhàn)結(jié)合”發(fā)熱門診改造

□ 鹿澎 LU Peng 李思童 LI Si-tong 孫曉偉 SUN Xiao-wei

自2003年“非典”以來，我國(guó)以呼吸道傳染為主的傳染病發(fā)病率呈小幅波動(dòng)上升趨勢(shì)。在綜合醫(yī)院中，雖然已設(shè)有發(fā)熱門診和傳染病門診，但由于缺乏彈性的拓展空間，既不能滿足平時(shí)常規(guī)傳染病的防治工作，又不能滿足大規(guī)模烈性傳染病暴發(fā)時(shí)的接診需求[1]。為解決這一問題，我院在發(fā)熱門診改造過程中提出了“平戰(zhàn)結(jié)合”的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)不同的需求從建筑空間上對(duì)發(fā)熱門診、肝病門診和腸道門診進(jìn)行分區(qū)。本文基于不同的分區(qū)情況對(duì)建筑物內(nèi)部有害氣體的流向進(jìn)行分析。

“平戰(zhàn)結(jié)合”的平面布局

為了充分利用醫(yī)療資源和空間，在改造過程中，將發(fā)熱門診所在的一層分為5個(gè)區(qū)域：發(fā)熱門診、肝病門診、腸道門診、檢驗(yàn)科和辦公生活區(qū)。其中腸道門診的開放日期為每年的4―10月份，平面布局如圖1所示。充分考慮到戰(zhàn)時(shí)和非戰(zhàn)時(shí)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后面積統(tǒng)計(jì)如表1所示。

圖1 “戰(zhàn)時(shí)”狀態(tài)(4―10月份)

表1 戰(zhàn)時(shí)和非戰(zhàn)時(shí)面積分布(m2)

“戰(zhàn)時(shí)”狀態(tài)發(fā)熱門診的面積比平時(shí)面積增加了84%。位于發(fā)熱門診的CT區(qū)域存在獨(dú)立的對(duì)外出口，發(fā)生疫情時(shí)，可僅供發(fā)熱門診使用，而在平時(shí)可供所有門診使用，這既提高了CT區(qū)域的使用效率，又可滿足防疫需求。檢驗(yàn)科貫穿發(fā)熱門診、腸道門診和肝病門診，可完成三個(gè)門診的檢驗(yàn)需求。在供給發(fā)熱門診使用的區(qū)域又在檢驗(yàn)科內(nèi)部進(jìn)行分隔，設(shè)置緩沖區(qū)域，這樣將檢驗(yàn)科又細(xì)分為兩小部分，一部分醫(yī)務(wù)工作者需穿防護(hù)服進(jìn)行工作，一部分穿常服即可完成正常工作。腸道門診根據(jù)發(fā)病的周期性變化，每年僅4月-10月進(jìn)行開放。

通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)

美國(guó)供暖制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《醫(yī)療設(shè)施的通風(fēng)》(ASHRAE 170-2017)對(duì)改建病房的復(fù)壓有所要求，其核心思想是在室內(nèi)循環(huán)的氣流必須經(jīng)過HEPA的過濾除菌，以達(dá)到將室內(nèi)所有的病菌排出、防止病菌在室內(nèi)積累[2]。考慮到發(fā)熱門診改造過程中原有建筑的局限性，采用排風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)，換氣率為可達(dá)到6次/小時(shí)，利用壓力差，形成一個(gè)基本復(fù)壓形式。

模型設(shè)置

發(fā)熱門診中最重要的是防止病毒的傳播，本研究采用美國(guó)國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局建筑火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于場(chǎng)模擬的火災(zāi)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬室內(nèi)含病毒空氣的傳播過程，通過流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算平臺(tái)，定量分析在通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行和失效的情況下室內(nèi)的污染情況。在發(fā)熱門診中的病人，模擬的是新冠肺炎病人。

1.計(jì)算模型選取。首先利用Revit軟件建立三維模型(圖2)。Revit可便捷導(dǎo)入CAD中的底圖，快速建立成為三維模型。然后采用FDS對(duì)三維模型進(jìn)行有害氣體模擬。以往有害氣體的擴(kuò)散常選用基于半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突诓煌牧髂Ｐ停珎鹘y(tǒng)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃苌倏紤]醫(yī)院建筑內(nèi)部的復(fù)雜性[3]，本研究選擇基于大渦模型的FDS軟件進(jìn)行模擬，能夠及時(shí)有效的捕捉污染物的瞬態(tài)變化，并便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 Revit三維模型

FDS模擬過程分為四個(gè)部分：建立流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格；新冠肺炎病人釋放病毒模型；有害氣體的追蹤；模型模擬及數(shù)據(jù)分析。

采用FDS建立流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格(圖3)。計(jì)算域網(wǎng)格的大小決定了模型的計(jì)算精度和效率，計(jì)算域網(wǎng)格過小精度高但是實(shí)際的計(jì)算效率低，計(jì)算域網(wǎng)格過大效率高但是精度低，本研究采用的計(jì)算域?yàn)?.25×0.25×0.25，計(jì)算點(diǎn)約為47萬個(gè)。

圖3 流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)絡(luò)

新冠肺炎病人釋放病毒模型設(shè)置(圖4)。根據(jù)Jiang Y的研究，每位病人呼出的有害氣體VP約為0.3m3/h，將其視作一個(gè)釋放器，放置一個(gè)surface，設(shè)定表面釋放物質(zhì)的速度，恒定速度(specify velocity)每小時(shí)釋放0.3m3的氣體[4]。實(shí)際上的新冠病毒傳播是氣溶膠的傳播，氣溶膠的傳播速度和傳播能力弱于氣體，本研究為了便于模型計(jì)算，使用的是危險(xiǎn)性更大的氣體傳播。

圖4 新冠肺炎病人釋放病毒模型設(shè)置

有害氣體的追蹤。通過采用tracer gas，可追蹤氣體的體積比和質(zhì)量比，從而測(cè)定有害氣體的分布，并通過集體檢測(cè)設(shè)備監(jiān)控氣體的流動(dòng)問題。

2.計(jì)算工況。根據(jù)發(fā)熱門診的布局情況(見圖5)，假定在三個(gè)隔離病房和搶救室均有一名烈性傳染病病人且未佩戴口罩，在大廳等候區(qū)等待篩查的病人中有三名新冠肺炎病人，在等候區(qū)大門開啟的狀態(tài)下，將模擬的情況分為三種，方案見表2。

表2 模擬方案

圖5 發(fā)熱門診區(qū)域布局圖

計(jì)算結(jié)果與分析

通過有害氣體檢測(cè)點(diǎn)的結(jié)果和示蹤粒子、等值畫面對(duì)有害氣體的濃度分布情況按照模擬方案進(jìn)行模擬。

方案一：房門全部關(guān)閉，排風(fēng)扇正常運(yùn)行狀態(tài)下，1.6m和3m處的等值畫面有害氣體相對(duì)濃度如圖6和圖7所示。

圖6 方案一 1.6m等值畫面有害氣體相對(duì)濃度

圖7 方案一 3m等值畫面有害氣體相對(duì)濃度

通過對(duì)圖6和圖7的有害氣體相對(duì)濃度結(jié)果分析可知：8小時(shí)后病毒濃度分布最危險(xiǎn)的區(qū)域是病房2。有研究表明，當(dāng)含SARS病毒的空氣被稀釋到10000倍以上時(shí)，即濃度低于100×10-6不再具有傳染性[3]，此時(shí)整個(gè)區(qū)域各高度均處于安全狀態(tài)。在病人安置的方案上，應(yīng)優(yōu)先選擇病房3，當(dāng)三個(gè)病房同時(shí)安置病人時(shí)，病房2和病房3中病毒的釋放會(huì)對(duì)濃度有疊加作用，因此病房2應(yīng)為最后選擇的安置地點(diǎn)。

方案二：房門全部開啟，排風(fēng)扇正常運(yùn)行狀態(tài)下，1.6m和3m處的病毒的擴(kuò)散情況如圖8和圖9所示。

圖8 方案二 1.6m等值畫面有害氣體相對(duì)濃度

圖9 方案二 3m等值畫面有害氣體相對(duì)濃度

通過對(duì)圖8和圖9的有害氣體相對(duì)濃度結(jié)果分析可知：在3m處病毒的擴(kuò)散范圍較1.6m處病毒擴(kuò)散的范圍更大，在現(xiàn)有的通風(fēng)條件下，即使所有房門均處于開啟狀態(tài)，發(fā)熱門診內(nèi)的病毒擴(kuò)散基本上不會(huì)影響到本樓層其他門診的就診。且通過結(jié)果對(duì)比，病人在等候區(qū)8個(gè)小時(shí)內(nèi)分診是安全的，在病人安置方案上應(yīng)優(yōu)先在病房3進(jìn)行安置，最后選擇病房2。

方案三：房門全部開啟，排風(fēng)扇失效狀態(tài)下，1.6m和3m處的病毒的擴(kuò)散情況如圖10和圖11所示。

圖10 方案三 1.6m等值畫面有害氣體相對(duì)濃度

圖11 方案三 3m等值畫面有害氣體相對(duì)濃度

通過對(duì)圖10和圖11的有害氣體相對(duì)濃度結(jié)果分析可知：與方案一和方案二相比，圍繞病人周圍的病毒相對(duì)濃度迅速上升，雖然擴(kuò)散范圍較小，但是濃度值較高。房門開啟后降低了有害氣體的濃度，因此病人在8小時(shí)內(nèi)分診仍是安全的。在病人安置方面，同樣優(yōu)選安置在病房3，最后選擇病房2。

綜上，對(duì)不同方案和不同高度下的有害氣體最大濃度比較可知，方案二是最佳狀態(tài)(見表3)。因此，在分區(qū)設(shè)置的情況下應(yīng)盡可能地保證區(qū)域的連通性，即將門打開，增加整體氣體的流動(dòng)范圍，降低有害氣體的濃度，保障醫(yī)護(hù)人員和患者安全。

表3 最大相對(duì)濃度數(shù)值(mol/mol)

結(jié)論

通過FDS的模擬可知：(1)通過FDS對(duì)不同工況組合下的分析結(jié)果可以直觀地看到氣體流向的情況，其擴(kuò)散的范圍有限且濃度較低，進(jìn)而對(duì)建筑內(nèi)部布局的安全性進(jìn)行了驗(yàn)證。(2)FDS的模擬結(jié)果表明，從高度上進(jìn)行對(duì)比，高度越高病毒擴(kuò)散范圍越大，高度越低病毒濃度越高。從不同工況進(jìn)行對(duì)比，在保證溫度的情況下，污染區(qū)的門洞盡量變大，減少死角的產(chǎn)生，且門應(yīng)該保持常開狀態(tài)。(3)等候區(qū)內(nèi)有三位新冠肺炎患者時(shí)，在8小時(shí)內(nèi)分診可滿足最安全狀態(tài)。(4)在病人安置方案上，均應(yīng)優(yōu)先選擇病房3進(jìn)行安置，最后選擇病房2。