某ICU病房顆粒物局部控制研究

劉 鋒，王 剛，賈恩燦，王明明，胡松濤

(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266525)

ICU是醫(yī)院的特殊科室之一，不管是否處于流行病爆發(fā)期間，室內(nèi)患者獲得性感染率比普通病房患者醫(yī)院獲得性感染率高5～10倍[1]。研究表明突發(fā)性的空氣污染與呼吸道癥狀和過(guò)敏事件的加劇有關(guān)[2]，特別是在患有氣道疾病的受試者中[3]，特別是處在ICU室內(nèi)的所有人員會(huì)持續(xù)不斷地通過(guò)呼吸、咳嗽等方式產(chǎn)生可能帶有攜帶病菌的飛沫氣溶膠[4]，這會(huì)影響到ICU內(nèi)病患的生命健康安全。ASADI等[5]在流感病毒傳播的豚鼠模型實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，來(lái)自被病毒污染環(huán)境的霧化污染物也可以通過(guò)空氣傳播流感病毒，這也證實(shí)了病原體等微生物可能會(huì)依附于空氣中的顆粒物進(jìn)行傳播，因此ICU內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)需要有更高的凈化水平。

研究表明氣流組織形式會(huì)對(duì)室內(nèi)污染物分布產(chǎn)生影響，上送下回的通風(fēng)形式有利于提高室內(nèi)空氣潔凈度[6]。趙楠[7]設(shè)計(jì)了用以改善空氣質(zhì)量的移動(dòng)式可調(diào)節(jié)局部排風(fēng)裝置，來(lái)對(duì)封閉空間內(nèi)的有害物質(zhì)進(jìn)行收集和處理，研究發(fā)現(xiàn)裝置在降低室內(nèi)顆粒物濃度方面具有顯著功效。劉勇等[8]隨機(jī)選取了兩間相同的ICU，對(duì)其中一間ICU利用TA2000空氣凈化機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)循環(huán)凈化，另一間未做任何處理；通過(guò)對(duì)空氣中可吸入顆粒物進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和分析發(fā)現(xiàn)：在監(jiān)測(cè)的任一時(shí)刻，裝有空氣凈化機(jī)的房間可吸入顆粒物濃度水平較低，這說(shuō)明空氣凈化機(jī)可有效降低病房?jī)?nèi)的顆粒物濃度。另外，適用于座艙環(huán)境、室內(nèi)床頭邊的個(gè)性化送風(fēng)[9]以及局部排風(fēng)裝置的相關(guān)研究為降低ICU內(nèi)可吸入的病菌顆粒物濃度提供了新的思路。以上研究表明上送下回的氣流組織以及局部空氣處理對(duì)于顆粒物排出與凈化是有效的，但是并未提出在特定環(huán)境場(chǎng)合下局部排風(fēng)裝置和空氣凈化機(jī)的最佳安裝位置。本文針對(duì)某醫(yī)院氣流組織相對(duì)固定ICU，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)病患呼吸區(qū)顆粒物濃度相對(duì)較高，在室內(nèi)氣流組織的影響下這些顆粒物容易在ICU內(nèi)通風(fēng)不暢處積聚。因此，在無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模氣流組織改造的情況下，確立了在病患呼吸區(qū)安裝局部空氣處理裝置實(shí)現(xiàn)降低ICU內(nèi)的顆粒物濃度，提高ICU內(nèi)的空氣質(zhì)量，達(dá)到減少病患區(qū)交叉感染隱患的目的。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 研究對(duì)象

以青島市某醫(yī)院ICU為例，該層ICU單間面積為9 m2。室內(nèi)包括一名病患、一名醫(yī)護(hù)人員、一臺(tái)呼吸機(jī)、一張醫(yī)用病床、一張藥品桌和兩盞燈具，如圖1所示。

圖1 ICU內(nèi)概況

1.2 ICU顆粒物源及風(fēng)險(xiǎn)分析

病患及醫(yī)護(hù)人員是顆粒物的主要釋放源，二者主要通過(guò)呼吸、咳嗽、噴嚏等形式向室內(nèi)釋放飛沫等可能攜帶病菌的污染物[10]。另外，醫(yī)護(hù)人員在護(hù)理病患以及更換被褥、床單過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵等顆粒物，交叉感染也容易在揚(yáng)塵顆粒傳播的這一過(guò)程發(fā)生。

ICU空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有低、中、高效三級(jí)過(guò)濾，系統(tǒng)形式為上送上回的一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)。氣流短路和渦旋現(xiàn)象易在上送上回的氣流組織形式下出現(xiàn)，兩種現(xiàn)象會(huì)降低通風(fēng)效率，低下的通風(fēng)效率會(huì)致使帶病菌的顆粒物在通風(fēng)不暢處積聚[11]，最終導(dǎo)致醫(yī)患之間發(fā)生交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)概率顯著增加。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在ICU內(nèi)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的13:00—14:00進(jìn)行顆粒物濃度、溫度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)的采集。實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，ICU內(nèi)有一名患者、一名醫(yī)護(hù)人員以及一名身體健康的測(cè)試人員。測(cè)試期間，嚴(yán)格按照醫(yī)院要求佩戴口罩、鞋套、手套和頭帽，穿著隔離服。ICU內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置平面位置如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)位置布置

按照《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)中的相關(guān)規(guī)定要求，實(shí)驗(yàn)測(cè)試分別檢測(cè)距地面0.2，0.9，1.1，1.5 m高度處的6個(gè)測(cè)點(diǎn)，總計(jì)24個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試儀器及其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試儀器及相關(guān)性能參數(shù)

2 研究方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)ICU內(nèi)不同粒徑段的顆粒物濃度進(jìn)行了測(cè)試，初步篩選顆粒物濃度較高的位置，但是實(shí)驗(yàn)方法僅可提供有限的數(shù)據(jù)收集點(diǎn)相關(guān)信息，而計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方式可以提供整個(gè)模擬區(qū)域的流場(chǎng)分布、濃度場(chǎng)分布等信息[12]，因此本文也通過(guò)CFD模擬獲悉ICU內(nèi)更為詳細(xì)的顆粒物濃度分布信息。

2.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型選擇

CHEN[13]，ZHANG[14]等對(duì)自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流、混合對(duì)流下的室內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分別采用不同的湍流模型(Turbulence Model)進(jìn)行模擬對(duì)比分析，結(jié)果顯示采用RNG模型模擬的精度最高、流場(chǎng)最好。故本次模擬采用RNG模型。

對(duì)于現(xiàn)階段室內(nèi)環(huán)境中的顆粒物粉塵污染，人們關(guān)注更多的是傾向于顆粒物擴(kuò)散規(guī)律及其分布特征。室內(nèi)顆粒物具有典型的氣固兩相流運(yùn)動(dòng)且體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，而拉格朗日法不僅能清楚地顯示顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡線，還可以得到顆粒物分布，因此通過(guò)拉格朗日法追蹤離散相(DPM模型)的顆粒物運(yùn)動(dòng)軌跡，即顆粒相采用DPM模型。

2.2 物理模型及邊界條件設(shè)置

按照ICU實(shí)際尺寸及內(nèi)部布局進(jìn)行建模，對(duì)ICU內(nèi)部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)狀物體進(jìn)行簡(jiǎn)化，模型如圖1所示。為進(jìn)一步降低病患呼吸范圍內(nèi)的顆粒物濃度，考慮在病患呼吸區(qū)上方增設(shè)局部空氣處理裝置。局部空氣處理裝置由送風(fēng)口、回風(fēng)口、風(fēng)機(jī)、高效過(guò)濾器、紫外線殺菌燈等構(gòu)成。裝置中加入了高效過(guò)濾器及紫外線殺菌燈，利用高效過(guò)濾器對(duì)顆粒物進(jìn)行吸附，并通過(guò)過(guò)濾器兩側(cè)的紫外殺菌裝置對(duì)截留在過(guò)濾器上的病菌進(jìn)行雙重殺菌處理，確保帶病菌的顆粒物能在裝置內(nèi)被有效攔截殺滅。裝置內(nèi)部構(gòu)成如圖3所示，增設(shè)局部空氣處理裝置后的ICU物理模型如圖4所示。

圖3 局部空氣處理裝置內(nèi)部組成

圖4 物理模型

ICU內(nèi)流體為低速流動(dòng)的不可壓縮氣體，流體狀態(tài)為三維穩(wěn)態(tài)湍流，且密度、黏性等參數(shù)設(shè)定均滿(mǎn)足Boussinesq假設(shè)[15]，模擬過(guò)程假定單間內(nèi)壁面溫度分布均勻，且不考慮戶(hù)間傳熱、壁面與單間內(nèi)物體、地面之間輻射影響。邊界條件如下：

1) 氣流邊界條件。送風(fēng)設(shè)置為速度入口：風(fēng)速為0.126 m/s，溫度為24 ℃；出口采用Outflow(自由出流)邊界條件；速度在光滑壁面處的分布遵循無(wú)滑移邊界條件，近壁面的湍流特征采用壁面函數(shù)進(jìn)行描述。

2) 顆粒物邊界條件。① 逃逸邊界(Escaped)表示顆粒觸碰到物理邊界時(shí)，會(huì)離開(kāi)計(jì)算域。故將增設(shè)局部空氣處理裝置前其他壁面處對(duì)顆粒物的邊界條件設(shè)為逃逸。② 在原物理模型及邊界條件基礎(chǔ)上增設(shè)局部空氣處理裝置，裝置速度進(jìn)口條件在綜合考慮通風(fēng)效率及舒適度后設(shè)為0.2 m/s，并將裝置風(fēng)口處對(duì)顆粒物的邊界條件設(shè)為逃逸(Escaped)，裝置表面設(shè)為反射(Reflect)。

3) 污染源設(shè)置。國(guó)內(nèi)外研究表明，人靜止時(shí)的發(fā)塵量為105粒/(min·人)，本文將顆粒假設(shè)為球體，單人靜止發(fā)塵量為4.4×10-11kg/s[16]。LUISA[17]研究指出，人體休息時(shí)呼氣速率約為0.757 m/s，從事體力勞動(dòng)時(shí)呼氣速率約為2.27 m/s，同時(shí)結(jié)合王明明[18]的研究，本文取醫(yī)護(hù)人員及病患的顆粒物釋放速率為0.8 m/s。

3 研究結(jié)果及分析

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所測(cè)試顆粒物為0.3～0.5，0.5～1.0，1.0～2.5，2.5～5.0，5.0～10.0，≥10.0 μm六個(gè)粒徑段。加裝局部空氣處理裝置前的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖5—7所示。

由圖5、圖6可知，測(cè)點(diǎn)1(病患頭部)和測(cè)點(diǎn)5(醫(yī)護(hù)人員站立區(qū))處在0.3～1.0 μm粒徑段內(nèi)的顆粒物濃度相對(duì)較高，主要原因在于測(cè)點(diǎn)1靠近患者呼吸區(qū)，受病患呼吸源釋放顆粒物影響。測(cè)點(diǎn)5靠近醫(yī)護(hù)人員，受到醫(yī)護(hù)人員的活動(dòng)影響，而且測(cè)點(diǎn)5所在區(qū)域處在氣流的回升段，因此顆粒物濃度較高。圖5中2.5～5.0 μm粒徑段的顆粒物在測(cè)點(diǎn)5，6處濃度相對(duì)較高，分析原因?yàn)槭苁覂?nèi)既有氣流組織擾動(dòng)影響，粒徑大的顆粒物容易在測(cè)點(diǎn)5，6這兩處通風(fēng)效率較低處堆積，但粒徑大于2.5 μm的顆粒物易被凈化空調(diào)系統(tǒng)所攔截，在ICU內(nèi)的分布極少，因此在圖6、圖7中不再作分析。

由圖7可以看出，1.5 m高度處的測(cè)點(diǎn)1和5兩處顆粒物濃度分布同1.1 m處分布趨勢(shì)一致，但粒徑區(qū)間為0.3～0.5 μm的顆粒物濃度在測(cè)點(diǎn)3處分布較高，1.5 m高度處的測(cè)點(diǎn)3處于散流器送風(fēng)的正下方，處于局部的送風(fēng)“盲區(qū)”，且送風(fēng)氣流在經(jīng)過(guò)病患床反彈后會(huì)在測(cè)點(diǎn)3處形成局部的回流；而測(cè)點(diǎn)5是由于處于空氣回升段，加之近墻角區(qū)域空氣流通不暢，所以顆粒物濃度分布較高。

3.2 模擬結(jié)果分析

圖8(a)為病患所在縱截面(對(duì)應(yīng)X=1.4 m處)顆粒物分布云圖，結(jié)果顯示，病患呼吸區(qū)上方顆粒物分布較為集中，且顆粒濃度值高，而且經(jīng)由病患呼吸區(qū)向房間四周擴(kuò)散。圖8(b)為加裝了局部空氣處理裝置后的ICU內(nèi)顆粒物分布云圖，通過(guò)對(duì)比圖8(a)(b)可以看出，在加設(shè)局部空氣處理裝置后，病患呼吸區(qū)上方顆粒物分布較為稀疏，顆粒物濃度明顯下降，顆粒物在室內(nèi)的擴(kuò)散范圍也進(jìn)一步減小。

圖8 病患所在縱截面

圖9(a)為病患所在橫截面(垂直于病床長(zhǎng)度方向截面，對(duì)應(yīng)Y=0.3 m處)以及圖10(a)所示為病患呼吸區(qū)(水平方向，對(duì)應(yīng)Z=0.9 m處)顆粒物濃度分布云圖，二者的分布規(guī)律同圖8(a)一致，都是經(jīng)由病患呼吸區(qū)向房間四周擴(kuò)散。圖9(b)、圖10(b)為加裝了局部空氣處理裝置后的ICU內(nèi)顆粒物分布云圖，通過(guò)圖9(b)、圖10(b)同樣可以看出，病患所在橫截面、病患呼吸區(qū)顆粒物濃度大幅下降，顆粒物在室內(nèi)的擴(kuò)散范圍同樣大幅減小。

圖9 病患所在橫截面

圖10 病患呼吸區(qū)

綜合加設(shè)局部空氣處理裝置前后的顆粒物模擬分布結(jié)果來(lái)看，未加裝置前病患所在呼吸區(qū)顆粒物分布較為集中，顆粒物濃度值較高，且在室內(nèi)的擴(kuò)散范圍較大，不僅不利于病患身體的康復(fù)，還存在醫(yī)患之間的交叉感染隱患。另外，增設(shè)局部空氣處理裝置后模擬所得病患呼吸區(qū)的平均顆粒物濃度由增設(shè)裝置前的2.26×10-10kg/m3降為1.6×10-12kg/m3，這說(shuō)明局部空氣處理裝置可以有效降低生產(chǎn)源處的顆粒物濃度，縮小顆粒物在整間病房?jī)?nèi)的擴(kuò)散范圍，進(jìn)一步降低了交叉感染的可能性，因此局部空氣處理裝置的增設(shè)可以使醫(yī)患雙方同時(shí)受益。

3.3 風(fēng)速及顆粒物濃度驗(yàn)證

風(fēng)速及顆粒物濃度的模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖11所示，計(jì)算所得模擬風(fēng)速與實(shí)測(cè)平均風(fēng)速在0.2，0.9，1.1，1.5 m高度處所對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差均低于16%。顆粒物的驗(yàn)證以大小為0.5 μm粒徑為例，對(duì)相同高度位置上的實(shí)測(cè)顆粒物濃度平均值與模擬值進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖11所示。從圖11可知，由于實(shí)測(cè)過(guò)程中試驗(yàn)測(cè)試人員呼吸過(guò)程釋放顆粒物的影響，會(huì)存在相應(yīng)的誤差，模擬值與實(shí)測(cè)顆粒物濃度在0.2，0.9，1.1，1.5 m高度處的計(jì)算相對(duì)誤差均在13%以?xún)?nèi)，誤差相對(duì)較小。

4 結(jié)論

1) 病患和醫(yī)護(hù)人員是ICU內(nèi)顆粒物的主要產(chǎn)生源，特別是在二者呼吸區(qū)域顆粒物分布較為集中，濃度值較高。因此，有必要對(duì)顆粒物產(chǎn)生源進(jìn)行局部處理，進(jìn)而降低其在室內(nèi)的擴(kuò)散范圍。

2) 在病患呼吸區(qū)上方增設(shè)局部空氣處理裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)病患呼吸區(qū)范圍內(nèi)的顆粒物進(jìn)行源頭上的控制，降低因通風(fēng)不暢、通風(fēng)效率低等因素所造成的顆粒物堆積，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步縮小顆粒物在ICU內(nèi)擴(kuò)散范圍的目的。

本文分析是基于特定病房空調(diào)系統(tǒng)下進(jìn)行的，針對(duì)不同的空調(diào)系統(tǒng)、氣流組織形式和室內(nèi)布局，則需要重新對(duì)局部空氣處理裝置的加裝位置進(jìn)行篩選、評(píng)估。引入“局部空氣處理裝置”這一方式對(duì)ICU內(nèi)顆粒物進(jìn)行源頭上的控制，降低顆粒物在室內(nèi)的擴(kuò)散范圍，模擬結(jié)果顯示病患呼吸區(qū)的平均顆粒物濃度降低了2.244×10-10kg/m3。因此，裝置的加設(shè)可以有效實(shí)現(xiàn)保護(hù)患者、降低交叉感染的目的。這種方式也為像ICU這樣的特殊環(huán)境內(nèi)的顆粒物凈化提供了新思路。