昆明某新冠病毒隔離病房氣流組織模擬分析

李 寧 饒冬生

（云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 昆明 650228）

0 引言

為滿足對新型冠狀病毒感染肺炎的收治能力，昆明某醫(yī)院新建了新冠病毒應(yīng)急病房。本工程主要分為應(yīng)急病房區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)兩部分內(nèi)容。

總建筑面積：3298.20m2，建筑占地面積1574.99m2；病床總床位90 床。此次新冠狀病毒肺炎傳播途徑為經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播是主要的傳播途徑，國家列為乙類傳染病甲類管理。病房區(qū)參照《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50849-2014 和《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（T/CECS661-2020）來設(shè)計(jì)。病房平面布置劃分為污染區(qū)、半污染區(qū)與清潔區(qū)。隔離病房劃入污染區(qū)。由于新型冠狀病毒肺炎的主要傳播途徑為經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播，如何通過合理的氣流組織有效地稀釋病房內(nèi)病毒的濃度，成為隔離病房通風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 數(shù)值模擬軟件介紹

CFD（Computational Fluid Dynamics）是計(jì)算流體力學(xué)的英文簡稱。其基本原理是數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體流動(dòng)的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似地模擬流體流動(dòng)情況。

通過CFD 數(shù)值模擬可以得到復(fù)雜問題流場中壓強(qiáng)、速度和溫度及濃度等參數(shù)的分布。國內(nèi)很多文獻(xiàn)采用CFD 方式進(jìn)行數(shù)值模擬，對負(fù)壓隔離病房氣流組織進(jìn)行過研究[1-3]。常用的CFD 軟件有PHOENICS、FLUENT 和CFX 等軟件。本文數(shù)值模擬分析采用的是PHOENICS 軟件。PHOENICS是世界上第一套計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)的商用軟件。其采用離散化法為有限體積法，其特點(diǎn)為計(jì)算效率高，目前在CFD 領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該軟件近年來廣泛應(yīng)用于通風(fēng)、空調(diào)效果分析、火災(zāi)模擬研究[4-7]。該軟件應(yīng)用廣泛，很好指導(dǎo)通風(fēng)、空調(diào)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

2 數(shù)值分析過程介紹

根據(jù)《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求負(fù)壓病房與相鄰緩沖間設(shè)計(jì)壓差應(yīng)不小于5Pa，《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50849-2014 呼吸道病房最小換氣次數(shù)應(yīng)為6 次/h。本項(xiàng)目負(fù)壓病房與相鄰緩沖間壓差取15Pa，換氣次數(shù)為12 次/h。計(jì)算得每間隔離病房的排風(fēng)量為900m3/h，送風(fēng)量為700m3/h（見圖1）。

圖1 隔離病房風(fēng)管平面布置圖Fig.1 Air duct layout of isolation ward

根據(jù)《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（T/CECS661-2020）規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，從保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的角度，負(fù)壓病房的送風(fēng)應(yīng)先流經(jīng)醫(yī)護(hù)人員常規(guī)站位區(qū)域，使醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)的空氣相對清潔，排風(fēng)應(yīng)能快速排走病人呼出的污染空氣，減少病房內(nèi)污染空氣的回流，送風(fēng)口應(yīng)設(shè)在醫(yī)護(hù)人員常規(guī)站位的頂棚處，排風(fēng)口應(yīng)設(shè)在與送風(fēng)口相對的床頭下側(cè)。根據(jù)以上原則設(shè)計(jì)了四種氣流組織形式，氣流組織方案詳表1 及圖2、3。并進(jìn)行模擬對比。邊界條件為：送、排風(fēng)口邊界條件為恒定體積流量，湍流模型采用K-ε模型。病毒濃度當(dāng)量參照相關(guān)文獻(xiàn)對SARS 的模擬研究取5L 濃度當(dāng)量/min[2]。

表1 氣流組織方案Table 1 Air distribution scheme

圖2 方案一、二模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of scheme 1 and 2

圖3 方案三、四模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of scheme 3 and 4

3 結(jié)果分析

表2 各方案風(fēng)速對比Table 2 Comparison of wind speed of each scheme

根據(jù)對四組方案的建模及模擬計(jì)算分析，得到各組不同氣流組織下的新冠病毒濃度分布情況詳圖4～圖7，速度場示意圖詳圖8，圖標(biāo)COVI 為新冠病毒相對濃度量的標(biāo)識(shí)。從四個(gè)方案中我們可以得出。采用方案二每床配備一個(gè)散流器頂送風(fēng)，每床頭部旁設(shè)百葉風(fēng)口下排風(fēng)X 和Y 方向的截圖中顯示病毒的濃度最低。方案一每床配備一個(gè)百葉風(fēng)口頂送風(fēng)，每床頭部百葉風(fēng)口下排風(fēng)X 和Y 方向的截圖中顯示病毒的濃度次之。方案三濃度較方案一、二都大。而采用方案四病毒濃度分布最大，效果也是最差。

圖4 方案一新冠病毒濃度場示意圖Fig.4 Scheme 1 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖5 方案二新冠病毒濃度場示意圖Fig.5 Scheme 2 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖6 方案三新冠病毒濃度場示意圖Fig.6 Scheme 3 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖7 方案四新冠病毒濃度場示意圖Fig.7 Scheme 4 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖8 各方案速度場示意圖Fig.8 Schematic diagram of velocity field of each scheme

圖9 各方案壓力場示意圖Fig.9 Schematic diagram of pressure field of each scheme

方案一和二送風(fēng)口均為3 個(gè)，排風(fēng)口同樣為3個(gè)分布均勻，能均勻的發(fā)揮送風(fēng)口送入風(fēng)量射流卷吸和稀釋作用，與理論實(shí)踐相符。方案二采用的散流器送風(fēng)較百葉送風(fēng)效果更好，是因?yàn)樯⒘髌魉惋L(fēng)具有水平分速度，出口氣流擴(kuò)散范圍較大。而百葉風(fēng)口氣流方向垂直向下Z 方向速度大于散流器，進(jìn)入房間后距離風(fēng)口很遠(yuǎn)才能卷吸空氣等原因[3]效果不如采用散流器送風(fēng)口效果。這也與國內(nèi)相關(guān)研究文章得到相似結(jié)論。

方案三、四由于送風(fēng)口數(shù)量有限。風(fēng)口射流卷吸稀釋作用有限，所以稀釋病毒濃度效果不如方案一和二。在風(fēng)速分布圖中方案一上送百葉風(fēng)口氣流方向垂直向下Z 方向速度大。而方案二和三中送風(fēng)口采用散流器具有水平分速度。Z 方向速度沒有百葉風(fēng)口大，取得較好稀釋病毒濃度效果。方案二采用均勻布置的散流器相對其他方案速度場更均勻，人員長期逗留區(qū)域風(fēng)速小于等于0.3m/s，舒適度更高。

通過對壓力場分析，幾個(gè)方案壓力場都呈現(xiàn)出主流斷面壓力均勻[8]，方案一至三壓力梯度變化明顯，由送風(fēng)口至排風(fēng)口負(fù)壓值增大。對比幾個(gè)方案，方案一、二可以保證氣流使醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)的空氣相對清潔，排風(fēng)應(yīng)能快速排走病人呼出的污染空氣。方案四氣流壓力梯度變化不明顯。

通過模擬結(jié)果，方案二氣流組織方式對稀釋新冠病毒污染物效果最好。其風(fēng)口風(fēng)速0.5m/s，面部風(fēng)速0.12m/s。該值與負(fù)壓隔離病房建設(shè)簡明技術(shù)指南推薦風(fēng)口、風(fēng)量依據(jù)相同。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)模擬結(jié)果，采用該種氣流組織形式進(jìn)行隔離病房通風(fēng)設(shè)計(jì)、投入實(shí)際使用后取得了不錯(cuò)的效果。