新型個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)防傳染病傳播數(shù)值研究

鄭曉紅，錢華，劉荔

(1. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096；2. 香港大學(xué) 機(jī)械工程系，中國(guó)香港)

自從SARS爆發(fā)和H1N1甲型流感的流行，人們更加關(guān)注室內(nèi)環(huán)境[1-3]。目前使用的中央空調(diào)系統(tǒng)按照使用的空氣來源可分為全新風(fēng)系統(tǒng)和部分新風(fēng)系統(tǒng)；按照其氣流組織發(fā)生可分為混合通風(fēng)方式和置換通風(fēng)方式。研究證明加大通風(fēng)量能夠有效降低交叉感染率[4]。當(dāng)中央空調(diào)及相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用于具有空氣或飛沫傳染病的病房時(shí)，由于傳染性病毒是以點(diǎn)源形式分布，以病人的呼出空氣及飛沫為污染源，在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的氣流推動(dòng)下，傳染性病毒在病房中大面積擴(kuò)散，易引起醫(yī)護(hù)人員的交叉感染[5-7]。尤其是新風(fēng)量偏低的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，不僅不能起到空氣凈化作用，相反還加快了病毒的對(duì)流和擴(kuò)散傳播。而若大幅提高新風(fēng)量，雖然可以有效降低空氣傳染病的概率，但需要加大能耗，增加空氣處理成本，增大室內(nèi)噪音，而且也不能達(dá)到完全降低空氣傳染病感染概率的效果。若在病房的空調(diào)系統(tǒng)中安裝普通的空氣凈化裝置，病毒在進(jìn)入殺菌裝置前，實(shí)際上已經(jīng)在病房中對(duì)流和擴(kuò)散傳播，所以，即使在回風(fēng)口或空調(diào)箱中加裝了空氣凈化裝置，也起不到徹底清除污染源、徹底殺菌和空氣凈化的作用。將送風(fēng)口和調(diào)控器布置在人員附近的個(gè)性化送風(fēng)通風(fēng)系統(tǒng)，由于其可單獨(dú)和靈活地控制，有助于提高呼吸區(qū)的空氣質(zhì)量，并具有相當(dāng)?shù)墓?jié)能潛力，近年來得到大量研究，并應(yīng)用于歌劇院、影城和大型辦公室等場(chǎng)所[8-12]。Sekhar等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在房間溫度為26 ℃的偏熱環(huán)境中，大多數(shù)人可通過個(gè)性化通風(fēng)調(diào)節(jié)來創(chuàng)造熱舒適微環(huán)境。Bauman等[14]模擬了加利福尼亞州氣候條件下1個(gè)辦公室的全年能耗，桌面式的個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)可減少 18%的制冷能耗和 9%的總電耗。這些個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)混合通風(fēng)能耗大、置換通風(fēng)容易產(chǎn)生局部不舒適感等問題。但個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)也有增加人與人之間呼吸道傳染病(如非典病毒和流感病毒等)傳播的風(fēng)險(xiǎn)。以往傳統(tǒng)的個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)僅僅是提供了送風(fēng)的個(gè)性化，沒有提供排風(fēng)問題的個(gè)性化，未能及時(shí)排出攜帶傳染性病毒病菌的空氣，從而造成室內(nèi)空氣的污染，進(jìn)而對(duì)易感人群在固定位置時(shí)易發(fā)生二次送風(fēng)污染，不能保證脫離了固定區(qū)域人員的安全問題。迄今為止，雖然還未出現(xiàn)大量個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)的工程應(yīng)用，但眾多個(gè)性化送風(fēng)末端裝置的研發(fā)為其在將來的實(shí)際應(yīng)用提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。為此，本文作者研究了一種可預(yù)防空氣途徑傳染病的發(fā)散源可控的局部空調(diào)個(gè)性化通風(fēng)裝置，將個(gè)性化送風(fēng)和個(gè)性化排風(fēng)結(jié)合起來，從而既可以給易感者提供新風(fēng)，又能夠及時(shí)地將傳染病人呼出的帶有病毒的氣體及時(shí)排除。其作為空調(diào)系統(tǒng)末端，能夠應(yīng)用于高危險(xiǎn)性和高空氣傳染性的病房中。通過對(duì)其氣流組織和空氣流動(dòng)的情況進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)CFD模擬，得到該個(gè)性化通風(fēng)方式的氣流組織形態(tài)，以分析帶有病毒的氣體在病房?jī)?nèi)的流動(dòng)途徑，從而驗(yàn)證在借助個(gè)性化排風(fēng)系統(tǒng)后能夠從源頭捕捉空氣途徑傳播的傳染病病毒，使得病房?jī)?nèi)其他區(qū)域的空氣質(zhì)量不受影響。

1 個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)

個(gè)性化通風(fēng)末端包括個(gè)性化送風(fēng)及個(gè)性化排風(fēng)系統(tǒng)2個(gè)部分。這種純新風(fēng)個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)可通過單獨(dú)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度、吹風(fēng)方向和送風(fēng)速度來滿足病人不同活動(dòng)狀態(tài)以及平躺需要，并保證舒適性。裝置示意圖如圖1所示。送風(fēng)口安裝在病人頭部位置的左、右兩側(cè)，采用活動(dòng)百葉來改變送風(fēng)方向，采用變風(fēng)量風(fēng)機(jī)來改變送風(fēng)風(fēng)速；回風(fēng)系統(tǒng)采用粗效過濾器和高效過濾器對(duì)回風(fēng)進(jìn)行二次過濾，經(jīng)過空氣凈化處理單元進(jìn)行徹底殺菌，凈化后的回風(fēng)引入集中回風(fēng)管路排向室外。

圖1 病房?jī)?nèi)個(gè)性化送風(fēng)裝置示意圖Fig.1 Illustration of personalized ventilation system in ward

2 CFD模擬的數(shù)學(xué)和物理模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用計(jì)算流體力學(xué)方法計(jì)算氣流流場(chǎng)和污染物的體積分?jǐn)?shù)分布，通過有限體積法數(shù)值求解Navier-Stocks方程組[15]來獲得空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和污染物分布，其控制方程如下：

其中：ρ為密度；φ為通用變量，指連續(xù)性方程、速度、溫度和污染物體積分?jǐn)?shù)等(見表 1)；V為速度矢量，V=ui+vj+wk，u，v，w為x，y，z方向的速度值，i，j，k為x，y，z方向的單位矢量；τ為時(shí)間；Γ為廣義的擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為廣義源項(xiàng)。

為保證計(jì)算結(jié)果收斂，在空氣流動(dòng)密度變化不大的情況下，空氣密度采用Boussinesq假設(shè)：

其中：ρ0為流體的參考密度，取20 ℃時(shí)的空氣密度；α為膨脹系數(shù)，其數(shù)值取(1/T)；ΔT為溫差。

采用RNGk-ε方程計(jì)算湍流黏度，具體的計(jì)算方法見表 1所列的公式。表1中：Gk=μtS；Gb=特?cái)?shù)

本研究進(jìn)行的是穩(wěn)態(tài)模擬，故式(1)左邊第1項(xiàng)為0。采用Gambit建立幾何結(jié)構(gòu)和劃分網(wǎng)格，并分別用2.0×105，3.0×105和5.0×105的網(wǎng)格數(shù)劃分對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為3.0×105。采用通用的計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT求解N-S方程，用Tecplot軟件進(jìn)行后處理。利用有限體積法對(duì)方程進(jìn)行離散，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中間差分，采用SIMPLE 算法對(duì)離散代數(shù)方程求解。

表1 控制方程(1)中各符號(hào)的計(jì)算方法Table 1 Calculation of φ in governing equation (1)

2.2 物理模型和邊界條件

假定1個(gè)典型的雙人病房病床，病房的長(zhǎng)、寬、高分別為4.0 m，3.0 m和3.0 m，另有1個(gè)1.5 m長(zhǎng)的走廊(假定衛(wèi)生間的房門關(guān)閉)，2個(gè)病床距離1.0 m，床的長(zhǎng)、寬、高分別為2.0 m，0.8 m和0.7 m。床上病人模型采用1個(gè)尺寸為1.7 m×0.4 m×0.3 m的假人，假定其呼吸的口腔面積為1.2 cm×1.2 cm。2個(gè)病人中1個(gè)為源病人，1個(gè)為易感病人。對(duì)于混合通風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)口尺寸為 0.25 m×0.5 m，回風(fēng)口尺寸為0.5 m×1.0 m。個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)口面積為0.04 m2，回風(fēng)罩面積為0.25 m2。采用穩(wěn)態(tài)模擬，假定源病人不停的呼出氣態(tài)污染物，而易感病人不停的吸入空氣，通過易感病人吸入的污染物體積分?jǐn)?shù)來判斷通風(fēng)系統(tǒng)的效果。病人人體的發(fā)熱量均設(shè)為70 W，該發(fā)熱量對(duì)應(yīng)于1個(gè)成人在休閑時(shí)的發(fā)熱量，以此來計(jì)算因?yàn)榘l(fā)熱帶來的熱羽流。源病人呼出速率為0.89 m/s，易感病人吸入速率也為0.89 m/s，對(duì)應(yīng)于人休息時(shí)的呼吸量為6 L/min[16]。假定假人呼出的氣態(tài)污染物體積分?jǐn)?shù)為0.1%。選擇2種通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，1種是傳統(tǒng)的混合通風(fēng)系統(tǒng)，如圖 2(a)所示，通過布置在墻壁上方的送風(fēng)口向上進(jìn)行高速送風(fēng)，從而使得整個(gè)病房空間的溫度場(chǎng)和污染物分布均勻；另1種采用本研究所提出的個(gè)性化通風(fēng)方式，如圖2(b)所示，在每個(gè)床頭有2個(gè)送風(fēng)口，向病人呼吸區(qū)送出新鮮空氣，并從設(shè)于床頂上的排風(fēng)口送出。

圖2 空調(diào)模式的示意圖Fig.2 Schematic images of ventilation in hospital ward

假定4種典型的案例來進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2所示。系統(tǒng)1為典型的混合通風(fēng)系統(tǒng)，未采用個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)量為450 m3/h。系統(tǒng)2采用了個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)與混合通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)合的方式，但混合通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)量為306 m3/h，個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量為143 m3/h。系統(tǒng)3為個(gè)性化通風(fēng)為主的方式，個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量為144 m3/h，而將混合通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量降為90 m3/h，總送風(fēng)量?jī)H為其余通風(fēng)系統(tǒng)的一半左右，即234 m3/h。系統(tǒng)4為純粹的個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)，送風(fēng)量為450 m3/h。

表2 典型系統(tǒng)的送風(fēng)速度和送風(fēng)量Table 2 Supplied velocity and ventilation rate of different study cases

2.3 排污效率指數(shù)及吸入空氣質(zhì)量指數(shù)

采用排污效率指數(shù)和吸入空氣質(zhì)量指數(shù) 2個(gè)指標(biāo)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)移除污染物的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。排污效率指數(shù)用來表示氣流排除室內(nèi)污染物的能力，除了與通風(fēng)流場(chǎng)(換氣效率)有關(guān)外，還與污染物的特點(diǎn)(如污染物的位置、污染物的密度等)有關(guān)。其定義為：

式中：φe為排風(fēng)口污染物體積分?jǐn)?shù)；φs為送風(fēng)污染物體積分?jǐn)?shù)；φV為室內(nèi)平均污染物體積分?jǐn)?shù)。

吸入空氣質(zhì)量指數(shù)(Inhaled local air quality in dex)[17]用來表征通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)人吸入的污染物濃度影響的一個(gè)指標(biāo)。

它的定義為穩(wěn)定狀態(tài)下出口處污染物的體積分?jǐn)?shù)φe與吸入污染物體積分?jǐn)?shù)φexp的比值：

當(dāng)室內(nèi)氣流充分混合時(shí)，整個(gè)房間包括出口處體積分?jǐn)?shù)及易感病人吸入的污染物體積分?jǐn)?shù)相等。此時(shí)ε=1，=1。但當(dāng)室內(nèi)氣流不充分混合時(shí)，ε和的值變化非常大，將取決于污染源的位置、氣流組織及出口位置。ε越大意味著能越快速、有效地從室內(nèi)移除污染物；越大意味著易感病人吸入的空氣越新鮮。

3 模擬計(jì)算結(jié)果和分析

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)該個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)速度、中央空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)、病人的呼吸及人體產(chǎn)生的熱羽流耦合問題進(jìn)行分析，以期找到優(yōu)化的方法來降低病人感染率。對(duì)表2提出的4種個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)和房間原有空調(diào)系統(tǒng)在不同送風(fēng)速度和不同送風(fēng)量的條件下結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3(a)和圖3(b)所示為采用傳統(tǒng)混合通風(fēng)系統(tǒng)(系統(tǒng)1)的空調(diào)后病房?jī)?nèi)的室內(nèi)空氣流場(chǎng)速度矢量圖，在送風(fēng)口，氣流高速噴出造成室內(nèi)空氣充分混合。圖3(c)和圖3(d)所示為污染物體積分?jǐn)?shù)的分布，結(jié)果顯示污染物分布比較均勻，絕大部分區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)為1×10-6～2×10-6，接近于出口的平均體積分?jǐn)?shù)1.03×10-6。易感病人呼吸處的體積分?jǐn)?shù)也接近于出口污染物體積分?jǐn)?shù)，為 1.19×10-6?？梢钥闯鑫廴疚锏捏w積分?jǐn)?shù)主要依靠通風(fēng)稀釋來完成。

圖4所示為系統(tǒng)2、3和4的速度矢量圖。由圖4可見：當(dāng)整個(gè)流場(chǎng)被混合通風(fēng)氣流主導(dǎo)時(shí)(如系統(tǒng)2，圖4(a))，人體上方產(chǎn)生的熱羽流會(huì)被破壞，個(gè)性化回風(fēng)流場(chǎng)被破壞，整個(gè)流場(chǎng)分布接近于混合通風(fēng)，整個(gè)流場(chǎng)大部分區(qū)域體積分?jǐn)?shù)接近于出口體積分?jǐn)?shù)1.03×10-6(圖5(a))。但在個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的幫助下，呼吸區(qū)附近還是能有效供給新風(fēng)，使得易感病人呼吸區(qū)域的污染物體積分?jǐn)?shù)降至8×10-8，大大低于整個(gè)流場(chǎng)的污染物體積分?jǐn)?shù)。說明在該系統(tǒng)下，易感病人得到了很好的保護(hù)。但脫離了床頭送風(fēng)系統(tǒng)區(qū)域的污染物體積分?jǐn)?shù)高，相比于混合通風(fēng)系統(tǒng)(系統(tǒng)1)并不能降低醫(yī)護(hù)人員的感染概率。

當(dāng)混合通風(fēng)系統(tǒng)非主導(dǎo)時(shí),熱羽流會(huì)主導(dǎo)整個(gè)氣流方向，呼出的氣流會(huì)在個(gè)性化送風(fēng)和人體產(chǎn)生的熱羽流的幫助下往上流動(dòng)，由此形成發(fā)生對(duì)撞的新風(fēng)氣流，將病人呼出污染氣體約束在病床上方區(qū)域，并在新風(fēng)對(duì)撞的作用下，使呼出的大部分污染物通過布置在病人頭頂?shù)幕仫L(fēng)罩帶走，從而使得整個(gè)房間的污染物體積分?jǐn)?shù)降低。對(duì)于系統(tǒng)3，其送風(fēng)量為234 m3/h，在出口體積分?jǐn)?shù)高達(dá) 1.97×10-6的情況下，大部分區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)為 1.2×10-6(如圖5(b))，其效果接近于使用了雙倍送風(fēng)量系統(tǒng)的效果。易感病人呼吸區(qū)的體積分?jǐn)?shù)也低至1.0×10-7(如圖5(b))，比系統(tǒng)2的略比，大大低于系統(tǒng)1的體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于純粹使用個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的系統(tǒng) 4，無論大部分區(qū)域體積分?jǐn)?shù)還是易感病人呼吸區(qū)體積分?jǐn)?shù)都大大低于傳統(tǒng)的典型通風(fēng)系統(tǒng)，大部分區(qū)域的污染物體積分?jǐn)?shù)為0.6×10-6左右，僅為出口污染物體積分?jǐn)?shù)的一半略多一點(diǎn)，易感病人呼吸區(qū)的體積分?jǐn)?shù)低至5×10-8。

圖3 系統(tǒng)1的速度矢量和污染物分布Fig.3 Calculating vector fields and pollutant concentration contours in ward of Case 1

圖4 系統(tǒng)2、3和4的速度矢量圖Fig.4 Calculating vector fields in ward of Cases 2,3 and 4

表3 列出了4個(gè)系統(tǒng)的污染物體積分?jǐn)?shù)及排污效率和吸入空氣質(zhì)量指數(shù)。由于污染源相同，根據(jù)質(zhì)量守恒可知，當(dāng)送風(fēng)量相同時(shí)，出口處平均污染物體積分?jǐn)?shù)相同。所以，系統(tǒng)1，2和4出口處污染物體積分?jǐn)?shù)相同而系統(tǒng)3由于送風(fēng)量變小，出口處平均體積分?jǐn)?shù)較大。對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)1，由于很難做到真正的充分混合，尤其是源病人呼吸區(qū)的污染物體積分?jǐn)?shù)極難迅速稀釋到空調(diào)出風(fēng)口體積分?jǐn)?shù)，這樣就導(dǎo)致室內(nèi)平均污染物體積分?jǐn)?shù)偏高，從而導(dǎo)致ε=0.81＜1。系統(tǒng) 2雖然采用了個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)，但由于主要的通風(fēng)系統(tǒng)破壞了個(gè)性化通風(fēng)的流場(chǎng)，導(dǎo)致源病人呼出的污染物并不能完全迅速地被個(gè)性化排風(fēng)系統(tǒng)所帶走，從而導(dǎo)致ε=0.93＜1。系統(tǒng)3和4中，個(gè)性化排風(fēng)系統(tǒng)顯示了良好的效能，ε分別為1.58和1.60，比系統(tǒng)1提高了近1倍，這意味著在房間大部分區(qū)域，系統(tǒng)3在送風(fēng)量少幾乎一半的情況下，污染物體積分?jǐn)?shù)接近于系統(tǒng)1的體積分?jǐn)?shù)；系統(tǒng)4在送風(fēng)量相同的情況下，污染物體積分?jǐn)?shù)接近于系統(tǒng)1的體積分?jǐn)?shù)的一半。

圖5 系統(tǒng)2，3和4 的污染物分布圖Fig.5 Calculating pollutant concentration contours in ward of Cases 2,3 and 4

表3 模型計(jì)算結(jié)果Table 3 Summary of calculating CRE and Inhaled air quality index

由于易感病人與源病人的距離相對(duì)較近(遠(yuǎn)大于源病人與空調(diào)出風(fēng)口的距離)，導(dǎo)致易感病人吸入污染物體積分?jǐn)?shù)偏高，=0.86＜1。個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)顯示了良好的性能，系統(tǒng)2，3和4中病人吸入污染物體積分?jǐn)?shù)沒有為 0，是因?yàn)榭照{(diào)送風(fēng)口的射流由于卷吸作用會(huì)卷進(jìn)周圍的污染物體積分?jǐn)?shù)不為0的空氣。盡管如此，個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)送入易感人員呼吸區(qū)的污染物體積分?jǐn)?shù)大大低于空調(diào)出風(fēng)口的平均污染物體積分?jǐn)?shù)。系統(tǒng)2、3和4的分別達(dá)到了12.82，19.72和20.51。

4 結(jié)論

(1) 相對(duì)于傳統(tǒng)的混合通風(fēng)系統(tǒng)，個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)能夠有效供給純新風(fēng)到每個(gè)病人的呼吸區(qū)，保證易感病人所吸入的為純新風(fēng)。

(2) 個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)能夠利用呼吸氣流和人體熱羽流的作用，將污染物通過在人體上方的通風(fēng)罩直接排出，有效降低房間內(nèi)的污染物的平均體積分?jǐn)?shù)，避免了攜帶致病源空氣的彌散，有效降低病區(qū)內(nèi)人員的交叉感染現(xiàn)象。

(3) 若主流的通風(fēng)系統(tǒng)破壞該個(gè)性化送風(fēng)系統(tǒng)的流場(chǎng)，則會(huì)導(dǎo)致移除污染物效果下降，排污效率降低。

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