呼吸科診室內(nèi)微生物污染物分布特性的數(shù)值模擬

李夢(mèng)雪 劉剛 趙紅霞 解紫茹

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

在我國(guó)醫(yī)院感染中，呼吸道感染的發(fā)病率居首位[1]，且研究表明大部分致病微生物都可以通過(guò)空氣傳播的方式造成呼吸道感染[2]。當(dāng)健康人吸入含有一定劑量致病菌的飛沫時(shí)，便極易被傳染疾病?；颊咴诰驮\過(guò)程中，致病菌隨患者進(jìn)行呼吸活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的飛沫由口、鼻釋放到空氣中，粒徑較大的飛沫能夠快速沉降，而粒徑較小的飛沫則會(huì)蒸發(fā)形成飛沫核懸浮在空氣中[3]，醫(yī)護(hù)人員長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境之中，有較大的感染風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樵\室內(nèi)有患者和醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間停留，因此飛沫傳播造成的感染問(wèn)題不容忽視。

在考慮了《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51039-2014）對(duì)醫(yī)院門(mén)診樓回風(fēng)口的過(guò)濾設(shè)備提出的要求[4]。驗(yàn)證了用CO2氣體替代飛沫氣溶膠顆粒，討論微生物污染物在診室內(nèi)分布規(guī)律可行性的基礎(chǔ)上，本文以采用側(cè)送下回通風(fēng)方式的呼吸科診室為研究對(duì)象，對(duì)患者進(jìn)行呼吸活動(dòng)（交談）產(chǎn)生的微生物污染物的分布特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

本研究選取幾何尺寸為長(zhǎng)（X）×高（Y）×寬（Z）=4 m×2.5 m×3.2 m 的呼吸科診室作為研究模型?？照{(diào)通風(fēng)方式采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管側(cè)送下回，送、回風(fēng)口幾何尺寸分別為長(zhǎng)（X）×高（Y）=0.2 m×0.1 m、長(zhǎng)（X）×高（Y）=0.2 m×0.2 m。診室內(nèi)有醫(yī)生、患者及家屬三人，患者口部的幾何尺寸為高（Y）×寬（Z）=0.02 m×0.02 m。辦公桌的幾何尺寸為長(zhǎng)（X）×高（Y）×寬（Z）=1.4 m×0.7 m×0.76 m。診室門(mén)關(guān)閉，新風(fēng)量通過(guò)門(mén)縫滲出。診室基本結(jié)構(gòu)及布置如圖1、2 所示。

圖1 診室?guī)缀文Ｐ图捌矫娌贾檬疽鈭D

圖2 診室平面布置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

1.2 數(shù)值模擬方法

本文采用Fluent 軟件對(duì)診室內(nèi)飛沫氣溶膠顆粒和CO2示蹤氣體的分布進(jìn)行數(shù)值模擬。室內(nèi)氣流的流動(dòng)采用基于N-S 方程組的RNG k-ε 湍流模型進(jìn)行模擬，數(shù)學(xué)模型控制方程包括：連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍動(dòng)能k 方程、耗散率ε 方程，其具體通用的表達(dá)式為[5]：

對(duì)帶有CO2釋放源的模型，采用化學(xué)組分傳輸方程。顆粒的分布采用Lagrange 法進(jìn)行模擬，通過(guò)求解顆粒的力平衡方程得到其速度，再對(duì)時(shí)間積分得到其運(yùn)動(dòng)軌跡。采用離散相模型模擬氣流中飛沫氣溶膠顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，主要考慮顆粒受拖拽力，重力和布朗力的作用[6]，單個(gè)顆粒在i 方向的力平衡方程為[7]：

式中：upi表示顆粒在i 方向上的速度；Fd表示拖拽力；Fg表示重力；Fai表示其他外力。

1.3 邊界條件及模擬工況

CFD 數(shù)值模擬中，邊界條件的設(shè)置對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。本文中燈具的散熱量取值為50 W/盞，經(jīng)校核符合醫(yī)院建筑照明功率密度限值5 W/m2的規(guī)定[4]。人體散熱量取值為60 W[8]。冬、夏季設(shè)計(jì)溫度分別為22 ℃和26 ℃，新風(fēng)量取值為2 次換氣次數(shù)，經(jīng)氣流組織計(jì)算求得送風(fēng)溫度分別為27 ℃和18 ℃?；颊呖诓亢舫霾《绢w粒粒徑為1 μm，釋放率0.077 μg/s，溫度與呼出氣體的溫度相同[9]，CO2氣體以同樣的方式釋放?！毒C合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：醫(yī)院門(mén)診樓回風(fēng)口必須設(shè)置微生物一次通過(guò)率不大于10%和顆粒物一次計(jì)重通過(guò)率不大于5%的過(guò)濾設(shè)備[4]，由《空氣過(guò)濾器》查得，滿足該要求的中效一級(jí)過(guò)濾器對(duì)大于0.5 μm 的微粒的過(guò)濾效率為60%～70%[10]。由此本文設(shè)置回風(fēng)口過(guò)濾效率為65%，在送、回風(fēng)口之間處通過(guò)UDF 功能來(lái)體現(xiàn)回風(fēng)口的過(guò)濾效果。具體設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件

本文的模擬工況包括：工況1（對(duì)比工況）-冬季送風(fēng)，患者口部為顆粒釋放源。工況2-冬季送風(fēng)，患者口部為CO2氣體釋放源。工況3-夏季送風(fēng)，患者口部為CO2氣體釋放源。

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 氣體污染物與飛沫顆粒污染物分布特性的模擬對(duì)比結(jié)果

國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者采用氣體代替飛沫進(jìn)行污染物分布的研究，嵇赟喆等人比較了負(fù)壓隔離病房?jī)?nèi)顆粒污染物分布和CO2氣體分布的相似性[11]，考慮到患者保持不同姿勢(shì)時(shí)污染源狀況發(fā)生變化，污染物分布也會(huì)隨之變化，因此本文以冬季工況為例驗(yàn)證診室內(nèi)CO2氣體代替飛沫污染物的可行性。經(jīng)過(guò)CFD 數(shù)值模擬，兩者濃度分布規(guī)律基本一致，圖3 是由患者口部釋放的部分顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，CO2的流線圖以及患者口部縱剖面（Y=0.735 m）的濃度分布圖。由此可見(jiàn)在診室模型中，可以用CO2氣體代替飛沫顆粒污染物研究其分布規(guī)律。

圖2 顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡和氣體流線

2.2 冬、夏兩季微生物污染物分布特性的模擬結(jié)果

2.2.1 醫(yī)生、患者口部高度（Z=1.15 m）水平面的微生物污染物分布模擬結(jié)果

冬、夏兩季診室內(nèi)醫(yī)生、患者呼吸高度水平面（Z=1.15 m）的微生物污染物濃度和速度分布情況如圖4 所示。從中可看出：醫(yī)生位置處的微生物污染物濃度冬季高于夏季，且冬季工況中整個(gè)水平面濃度更高。這是由于夏季大部分送風(fēng)氣流沿東外墻向醫(yī)生側(cè)流動(dòng)，在醫(yī)生位置處形成清潔區(qū)。而冬季送風(fēng)氣流至該高度水平面時(shí)自身濃度較高，稀釋作用較弱，且沿東外墻均勻向兩側(cè)流動(dòng)，在醫(yī)生身后位置形成兩個(gè)渦流區(qū)使得該區(qū)域濃度略高。

圖4 Z=1.15 m 水平面上速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)

2.2.2 家屬口部高度（Z=1.5m）水平面的微生物污染物分布模擬結(jié)果

冬、夏兩季診室內(nèi)家屬呼吸高度水平面（Z=1.5m）的微生物污染物濃度和速度分布情況如圖5 所示。從中可看出：家屬位置處的微生物污染物濃度冬季高于夏季，且冬季工況中整個(gè)水平面濃度更高。冬、夏季工況的濃度均高于1.15 m 高度水平面，但分布規(guī)律相似，這是由于從患者口部呼出的氣體溫度較高，污染物隨之在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)。

圖5 Z=1.5 m 水平面上速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)

2.2.3 醫(yī)生、患者口部縱剖面（Y=0.735 m）的微生物污染物分布模擬結(jié)果

冬、夏兩季診室內(nèi)通過(guò)醫(yī)生、患者口部的縱剖面（Y=0.735 m）的污染物濃度和速度分布情況如圖6 所示。從中可看出：微生物污染物僅在飛離患者口部的短距離內(nèi)分布規(guī)律一致。夏季工況中患者位置及其身后側(cè)濃度較高，醫(yī)生側(cè)相對(duì)清潔。而冬季工況中除房間頂部外，其他區(qū)域濃度都較高。這是由于夏季的送風(fēng)氣流沿東外墻向下運(yùn)動(dòng)，在醫(yī)生周?chē)諢崃可仙龔亩钃趿宋廴疚锏臄U(kuò)散。而冬季的污染物隨氣流上升至2.5 m 高度處，受到送風(fēng)氣流的阻擋后向醫(yī)生側(cè)運(yùn)動(dòng)，易堆積在此區(qū)域內(nèi)。

圖6 Y=0.735 m 縱剖面上速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)

2.2.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處微生物污染物分布模擬結(jié)果

在坐、立的呼吸高度水平面上設(shè)置7 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)①、②分別布置在患者口部外0.1 m 處和醫(yī)生口部位置（坐姿呼吸高度1.15 m 水平面），點(diǎn)③-⑦均勻布置在辦公桌周?chē)ㄕ咀撕粑叨?.5 m 水平面），具體位置如圖2 所示。表2 給出了7 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的微生物污染物濃度模擬結(jié)果。從表中可以看出：各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的濃度夏季均低于冬季。通過(guò)圖7 分析：微生物污染物所受的浮升力與溫差成正比，夏季患者呼出的氣體與送風(fēng)氣流的溫差較大，易攜帶微生物污染物向高處運(yùn)動(dòng)，使得坐、立的呼吸高度水平面上濃度較低。而冬季患者呼出的氣體在上升過(guò)程中與周?chē)鷼怏w換熱，不斷降溫直至低于送風(fēng)溫度，送風(fēng)氣流在浮力作用下阻擋了污染物向上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致污染物在送風(fēng)氣流以下高度聚集，使得在坐、立的呼吸高度水平面上濃度較高。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處微生物污染物濃度模擬計(jì)算結(jié)果（10-9 kg/m3）

圖7 Y=0.735 m 縱剖面上溫度場(chǎng)

2.2.5 診室高度方向和進(jìn)深方向上微生物污染物分布模擬結(jié)果

冬、夏季工況下，微生物污染物濃度隨診室高度方向、進(jìn)深方向的變化如圖8 所示。圖中橫坐標(biāo)表示高度/進(jìn)深（m），縱坐標(biāo)表示微生物污染物濃度值（10-9kg/m3）。

從圖8（a）中分析得出：冬、夏季工況中，各水平面平均濃度的最高值分別出現(xiàn)在1.9 m 和2.3 m 高度處。在該水平面以下的區(qū)域，主要受浮升力影響，各水平面的平均濃度隨高度的增加而上升。在該水平面以上的區(qū)域，主要受送風(fēng)氣流稀釋的影響，各水平面的平均濃度隨診室高度增加而下降，其中夏季的送風(fēng)氣流能影響到診室的整個(gè)高度空間，使得在該區(qū)域內(nèi)濃度下降緩慢，而冬季由于送風(fēng)溫度較高，易漂浮在診室上部空間，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的稀釋效果明顯，導(dǎo)致濃度大幅下降。但在冬季工況中，呼吸高度區(qū)間內(nèi)受送風(fēng)氣流的影響較小，濃度較高，不利于人體健康。

從圖8（b）中分析得出：冬、夏季工況中，各剖面平均濃度的最高值分別出現(xiàn)在1.7 m 和1.5 m 進(jìn)深處?；颊呱砗髤^(qū)域（即進(jìn)深0～1.3 m 區(qū)間），各剖面的平均濃度基本一致。在最高濃度所在剖面的東側(cè)區(qū)域內(nèi)，夏季工況中，受到送風(fēng)氣流的稀釋?zhuān)髌拭娴钠骄鶟舛葷舛戎饾u下降，而冬季工況中，各剖面的平均濃度在2～3.4 m 進(jìn)深區(qū)間內(nèi)仍成上升趨勢(shì)，在進(jìn)深超過(guò)3.4 m后開(kāi)始下降，且3.8 m 后下降趨勢(shì)明顯，這是由于冬季送風(fēng)氣流的溫度較高，在浮升力和初速度作用下水平運(yùn)動(dòng)至東外墻，才沿墻向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)醫(yī)生，患者及家屬周?chē)木驮\區(qū)域稀釋效果不明顯。

圖8 微生物污染物濃度隨診室高度方向、進(jìn)深方向的變化

3 結(jié)論

以上的數(shù)值模擬分析比較了不同季節(jié)工況下，患者呼出的微生物污染物在采用側(cè)送下回通風(fēng)方式的診室內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分布特性，可以得到以下主要結(jié)論：

1）診室內(nèi)溫度分布是影響微生物污染物運(yùn)動(dòng)分布的重要因素，即使在同樣送風(fēng)量和室內(nèi)熱源分布的情況下，冬、夏季工況在診室內(nèi)形成的氣流形態(tài)不同，微生物污染物的空間分布也有較大差異，從而對(duì)人體健康的影響也有所不同。

2）在本文列舉的算例中，夏季送風(fēng)溫度較低，微生物污染物在浮升力作用下可運(yùn)動(dòng)至診室高處，且送風(fēng)氣流向下運(yùn)動(dòng)稀釋患者呼出的微生物污染物。而冬季送風(fēng)溫度較高，阻擋污染物上升使其聚集在患者前方,送風(fēng)氣流以下高度區(qū)域，使得在就診區(qū)域及坐、立的呼吸高度水平面上，冬季工況濃度高于夏季工況。

3）診室內(nèi)患者呼吸活動(dòng)產(chǎn)生的微生物污染物難以靠空調(diào)系統(tǒng)完全排除，這就需要長(zhǎng)時(shí)間在室內(nèi)停留的人員更加注重防護(hù),并養(yǎng)成良好的衛(wèi)生習(xí)慣。