負(fù)壓隔離病房氣流組織數(shù)值模擬研究及對比分析

劉字峻 池燕燕 林勁松 侯忠誠

（1.中國建筑第七工程局有限公司 鄭州 450004；2.中建中原建筑設(shè)計(jì)院有限公司 鄭州 450004；3.河南東森市政工程有限公司 鄭州 450004；4.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司 西安 710054）

0 引言

負(fù)壓隔離作為氣流隔離的一種形式，與物理屏障隔離一起，被廣泛應(yīng)用于相鄰房間有壓力梯度和定向氣流流向要求的負(fù)壓隔離病房及其配套用房。負(fù)壓隔離病房防護(hù)通風(fēng)設(shè)置的目的主要有三個：（1）保護(hù)醫(yī)護(hù)人員以及患者之外的其他人員不受感染；（2）減少患者之間交叉感染風(fēng)險(xiǎn)；（3）保護(hù)室外環(huán)境不受污染。

自2020年初新冠肺炎爆發(fā)以來，負(fù)壓隔離病房防護(hù)通風(fēng)的氣流組織形式開始受到眾多專家學(xué)者的關(guān)注，并對負(fù)壓隔離病房的氣流組織進(jìn)行了大量模擬或?qū)嶒?yàn)研究[1-6]。這些研究的最終目的都是在一定的換氣次數(shù)下，通過氣流組織形式的對比分析，最終得出最優(yōu)的氣流組織形式，從而實(shí)現(xiàn)帶菌氣體的定向排除，盡可能的提高稀釋效率，有效的降低污染物濃度，減少醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)。

由表1的研究結(jié)果可知，雖然采用近似甚至相同的送、排風(fēng)口組合模式，不同專家研究結(jié)果得出的最優(yōu)氣流組織形式也存在較大差異，如參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[3]的研究對象；甚至某些最優(yōu)氣流組織明顯存在違背規(guī)范的情況。

本文研究的目的：一方面匯總文獻(xiàn)的研究成果，在篩除一些違背規(guī)范的氣流組織形式的基礎(chǔ)上，對文獻(xiàn)成果列出的氣流組織形式進(jìn)行復(fù)盤驗(yàn)證；另一方面結(jié)合工程項(xiàng)目的可實(shí)施性，通過氣流組織模擬研究，得出相對合理的氣流組織形式。

1 現(xiàn)有研究結(jié)果對比分析

1.1 研究結(jié)果整理匯總

各專家學(xué)者論文中氣流組織模擬對應(yīng)的風(fēng)口布置形式如圖1所示，論文的研究結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖1 風(fēng)口布置形式Fig.1 Collocation type of air conditioning outlets

表1 風(fēng)口組合形式及研究結(jié)果Table 1 Tuyere combination forms and research results

1.2 研究結(jié)果對比分析

表1中各種送、排風(fēng)組合方式共計(jì)15 種（組合方式相同的不再重復(fù)統(tǒng)計(jì)），由表1可知，不同文獻(xiàn)研究結(jié)論的差異性較大。作者希望在氣流組織模擬之前，對上述15 種組合方式進(jìn)行初步歸納整理及對比分析，以減少模型數(shù)量，初步分析結(jié)果如下。

（1）下側(cè)送，上側(cè)排（編號14）模式、頂送、頂排（編號4）氣流組織形式。雖然有模擬結(jié)果認(rèn)為編號14 的組合模式具有優(yōu)良表現(xiàn)，但是污染源位于房間下部，污染物會隨氣溶膠沉積，下側(cè)送風(fēng)模式極易造成污染物隨送風(fēng)擴(kuò)散至整個房間，對應(yīng)的上側(cè)排風(fēng)，更加劇了污染物的傳播。編號4 的組合模式，容易造成送、排風(fēng)短路從而降低排風(fēng)效率。這兩種模式與《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]要求相矛盾，實(shí)際工程中不建議采用。

（2）頂送，下側(cè)排（編號2、3、5、6、9、11、12）氣流組織形式。編號2、3、5、6、9、11、12 的區(qū)別之一是送風(fēng)口形式不同，圖2中頂送風(fēng)的風(fēng)口共有散流器、圓形單層可調(diào)百葉和條縫風(fēng)口三種形式，研究結(jié)果普遍認(rèn)為散流器的構(gòu)造形式會導(dǎo)致送風(fēng)形成貼壁氣流從而不能有效保護(hù)醫(yī)護(hù)人員，且會引起空氣卷吸形成二次污染；區(qū)別之二是排風(fēng)口設(shè)置位置及數(shù)量，排風(fēng)口附近風(fēng)速衰減很快，因此當(dāng)排風(fēng)口風(fēng)速確定后，其數(shù)量對室內(nèi)氣流組織影響有限，但其設(shè)置位置對氣流流線及是否形成渦流有一定的影響，從而進(jìn)一步影響氣流組織效果。

（3）上部側(cè)送風(fēng)，下部側(cè)排風(fēng)（編號1、7、8、10）氣流組織形式。編號1、7、8、10 的區(qū)別是排風(fēng)口的設(shè)置有異側(cè)和同側(cè)兩種方式。由表2可知，有研究結(jié)果表明同側(cè)上部送風(fēng)，下部排風(fēng)具有良好的氣流組織和稀釋效果，但也有學(xué)者認(rèn)為其流線過長，缺乏動力，未形成主導(dǎo)氣流。

（4）側(cè)送風(fēng)、側(cè)排風(fēng)（編號13、15）氣流組織形式。編號13、15 的區(qū)別是實(shí)現(xiàn)方式不同，編號13 送風(fēng)口形式仍是頂送，通過附加導(dǎo)流板的形式改變氣流方向以達(dá)到15 相同的效果。從已有研究結(jié)果表明，側(cè)送、側(cè)排的通風(fēng)的形式，從理論上的確能夠縮短送風(fēng)與排風(fēng)之間氣流流線，但實(shí)際情況是醫(yī)護(hù)人員巡視或者工作時大多位于床尾位置且背對送風(fēng)口，醫(yī)護(hù)人員的位置極易造成送風(fēng)氣流被遮擋后形成紊亂氣流。

2 氣流組織模型建立及邊界條件確定

在上文分析的基礎(chǔ)上，共篩選出編號1、2、3、7、8、12、15 共計(jì)7 種模型組合，同時在編號3對應(yīng)氣流組織基礎(chǔ)上，衍生出頂送（送風(fēng)角度可調(diào)）、下側(cè)排風(fēng)（編號3'）共8 種風(fēng)口組合模式，通過數(shù)值模擬研究，以期通過數(shù)值模擬研究，結(jié)合實(shí)際情況，得出實(shí)際應(yīng)用時的最好送、排風(fēng)方式組合。

2.1 物理模型

負(fù)壓隔離病房的氣流組織模型基于統(tǒng)一的房間尺寸及換氣次數(shù)，即送、排風(fēng)口風(fēng)速確定的前提下，通過不同的送、排風(fēng)口位置及風(fēng)口形式的變化，找到最優(yōu)的氣流組織形式，以實(shí)現(xiàn)防護(hù)通風(fēng)的最終目的。

（1）負(fù)壓隔離病房物理模型

負(fù)壓隔離病房的房間模型如圖2所示，病房為雙人間，房間尺寸為2.8m×5.8m×2.8m（h）。各區(qū)域的壓力梯度以《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》為準(zhǔn)[8]。

圖2 負(fù)壓隔離病房模型Fig.2 Negative pressure ward model

（2）負(fù)壓隔離病房風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)口尺寸的確定

房間風(fēng)量平衡計(jì)算公式：全面排風(fēng)量+局部排風(fēng)量+∑滲出風(fēng)量=送風(fēng)量+∑滲入風(fēng)量

滲透風(fēng)量計(jì)算公式：

式中，Q為滲透風(fēng)量，m3/h；A為門窗或縫隙面積，m2；ΔP為室內(nèi)外壓力梯度，Pa。

經(jīng)計(jì)算可得負(fù)壓隔離病房的滲透風(fēng)量如表2所示。根據(jù)《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，負(fù)壓隔離病房送風(fēng)量按12 次/h 換氣次數(shù)計(jì)算，則：

表2 負(fù)壓隔離病房滲透風(fēng)量計(jì)算Table 2 Calculation of infiltration air volume in negative pressure ward

房間送風(fēng)量= 房間體積× 換氣次數(shù)=3×6×2.8×12=604（m3/h）

房間排風(fēng)量=送風(fēng)量+∑滲入風(fēng)量-（局部排風(fēng)量+∑滲出風(fēng)量）=604+701-0-193=1112（m3/h）

根據(jù)送、排風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，可得送排風(fēng)口形式、數(shù)量、風(fēng)口尺寸及風(fēng)速等邊界條件，如表3所示。

表3 負(fù)壓隔離病房風(fēng)口參數(shù)及入口風(fēng)速Table 3 Tuyere parameters and velocity boundary conditions in negative pressure ward

2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

本文利用Airpak 軟件進(jìn)行模擬研究，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型進(jìn)行模擬計(jì)算[10]，并使用增強(qiáng)壁面函數(shù)處理近壁面的流動情況。計(jì)算域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)流動狀況可以用如下控制方程進(jìn)行描述：

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；u為速度矢量；φ為因變量，表示速度矢量分量、溫度等流體參數(shù)；Γφ為對應(yīng)φ的擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為源項(xiàng)。

送風(fēng)口為入口邊界，采用速度入口邊界條件、送風(fēng)溫度為25℃；排風(fēng)口為壓力出口，出口壓力為0；房間內(nèi)壁面為絕熱邊界；給定人體固定發(fā)熱量，為70W/人。文中采用二氧化碳作為模擬污染物的示蹤氣體，每位患者產(chǎn)生的CO2質(zhì)量流量為3.5×10-5kg/s，人體呼氣口尺寸為0.01m×0.01m。

為驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，選擇送回風(fēng)方式1 進(jìn)行試算。在人體表面、送回風(fēng)口位置采用不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，得到了網(wǎng)格單元數(shù)分別為3.2 萬、21.9萬、55.9 萬的三組的網(wǎng)格，圖3所示為送風(fēng)口網(wǎng)格加密示意圖。

圖3 送風(fēng)口網(wǎng)格加密示意圖Fig.3 Schematic diagram for grid densification of air supply outlet

通過模擬計(jì)算得到不同網(wǎng)格單元數(shù)下Z=1.5m截面污染氣體平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.304%、0.516%、0.562%?？梢钥吹疆?dāng)網(wǎng)格單元數(shù)達(dá)到21.9萬時計(jì)算結(jié)果已經(jīng)趨于穩(wěn)定。因此在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，選擇該網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算。

3 模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬的展現(xiàn)形式有很多種，本文從氣流流動軌跡、換氣效率、污染物質(zhì)量分布、污染物濃度四個方面對不同數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1 氣流流動軌跡對比分析

本文共對8 種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，8 種模型的流動軌跡數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方案的氣流流動軌跡Fig.4 Air flow trajectory under different schemes

從圖中可以得出以下結(jié)論：

（1）編號1、7、8 的氣流在房間的循環(huán)最為充分，但極易形成渦流，且流線過長，缺乏動力，未形成主導(dǎo)氣流，與前面分析結(jié)論相同；且氣流流經(jīng)衛(wèi)生間、緩沖間門，病房與醫(yī)護(hù)走道之間窗戶（見圖1、2），由于門內(nèi)外壓差的原因，這種氣流流型極易受縫隙滲透風(fēng)的擾動影響。三者相比而言，編號1 氣流方式，污染物更容易被帶走。

（2）編號2、3、12、15 的氣流流線相對較短，能夠形成主導(dǎo)氣流，但在患者床尾位置易形成渦流，造成二次污染；編號2、3 對比可知，分別于床頭設(shè)置兩個排風(fēng)口比一個排風(fēng)口更有利于污染物排除；編號3、12 對比可知，采用帶角度的百葉風(fēng)口，污染物更容易被排風(fēng)口帶走。

（3）編號3′的氣流流線相對較短，能夠形成主導(dǎo)氣流，且風(fēng)口角度的設(shè)置，有利于新鮮空氣送入醫(yī)護(hù)人員頭部，經(jīng)患者呼吸區(qū)排至排風(fēng)口，氣流流型相對較好。

3.2 換氣效率對比分析

基于負(fù)壓隔離病房建立的數(shù)值模型，采用示蹤氣體法得到的房間空氣齡，繼而利用公式（3）可得房間換氣效率，房間空氣齡及換氣效率結(jié)果如表4所示。

表4 室內(nèi)平均空氣齡及換氣效率Table 4 Average indoor air age and ventilation efficiency

式中，ε為換氣效率，%；τn為理論最短換氣時間，s；τexc為實(shí)際換氣時間，s；為室內(nèi)平均空氣齡，s。

由表4各送排風(fēng)組合方式相比較而知，相對于其他氣流組織形式，頂送（送風(fēng)角度可調(diào)）、下側(cè)排風(fēng)（編號3'）的送排風(fēng)風(fēng)口組合方式有更為理想的表現(xiàn)，因此負(fù)壓隔離病房采用3'的方式，對于提高通風(fēng)效率，降低污染物傳播更為有利。

3.3 污染物質(zhì)量分布對比分析

為了更加準(zhǔn)確的對比分析8 種氣流組織方案，本文選取X、Y 兩個典型截面（位置詳見圖2），模擬了8 種氣流組織方案的質(zhì)量分布云圖，模擬結(jié)果如圖5、6 所示。

由圖5和圖6可以直觀地看出，相對于其他方案，編號3′以及編號15 的對應(yīng)的兩種風(fēng)口布置模式，醫(yī)生站位污染物濃度相對較低，患者位置相對濃度較高，污染氣體可以隨氣流有效擴(kuò)散至排風(fēng)口位置。

圖5 不同方案X 截面污染物質(zhì)量分布Fig.5 Mass distribution of pollutants in X-section of different schemes

圖6 不同方案Y 截面污染物質(zhì)量分布Fig.6 Mass distribution of pollutants in Y section of different schemes

3.4 污染物濃度對比分析

本文選取1.5m 高度的Z 截面（位置詳見圖2，高度1.5m 為醫(yī)生呼吸區(qū)）作為考察對象，對應(yīng)8種氣流組織方案的平均污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)柱狀圖如圖7所示。

圖7 不同方案Z 截面污染物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.7 Average mass fraction of pollutants in Z-section of different schemes

典型截面的污染物濃度對比分析（見圖7）與污染物質(zhì)量分布對比分析（見圖5、6）結(jié)論類似，相對于其他方案，編號3′以及編號15 的對應(yīng)的兩種風(fēng)口布置模式，醫(yī)生活動區(qū)污染物濃度相對較低，對于保護(hù)醫(yī)護(hù)人員生命安全更有利。

4 結(jié)論

本文在大量專家學(xué)者對負(fù)壓隔離病房進(jìn)行氣流組織的模擬或?qū)嶒?yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際，選取8 種典型氣流組織模型進(jìn)行模擬研究。通過氣流流動軌跡對比分析、污染物質(zhì)量分布對比分析、污染物濃度對比分析三種形式，最終得出在送、排風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)速等參數(shù)保持一致的前提下，采用可調(diào)節(jié)角度的百葉風(fēng)口頂送，側(cè)下排風(fēng)口排風(fēng)的氣流流型，對于維持醫(yī)護(hù)工作人員處于氣流上游，縮短氣流流線長度，稀釋房間帶菌氣體濃度更為有效的結(jié)論。筆者希望通過本文的研究，為同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供一定的參考意義。