新冠肺炎疫情臨時醫(yī)院排風的環(huán)境影響快速模擬方法

顧棟煉，張銀安，劉華斌，馬友才，曹曉慶，呂中一，解琳琳，許 鎮(zhèn)，徐永嘉，鄭 哲，楊參天，陸新征

(1.清華大學土木工程系，土木工程安全與耐久教育部重點試驗室，北京100084；2. 中南建筑設計院股份有限公司，武漢430071；3.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京100044；4.北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083)

2019 年末新型冠狀病毒引起的肺炎疫情嚴重。據統(tǒng)計，截至2020年2 月9日，確診病例達37287例，疑似病例達28942例，死亡病例達813例。大量病人對現有醫(yī)療系統(tǒng)造成了巨大壓力。

為應對現有醫(yī)療救治條件不足的問題，中國各地隨即開始建設新型冠狀病毒肺炎患者的集中治療臨時醫(yī)院。譬如，武漢新建火神山和雷神山兩座臨時醫(yī)院專門收治新型冠狀病毒確診患者；北京改造曾用于SARS治療的小湯山醫(yī)院專門收治新型冠狀病毒患者。這些醫(yī)院為了防止病毒擴散引起感染，在室內暖通設計時采取了負壓病房空氣系統(tǒng)，利用專門的排風系統(tǒng)向室外高空排出病房內受污染的空氣，以免向醫(yī)院內其他未污染區(qū)域擴散。雖然排風系統(tǒng)針對含病毒空氣采取了很好的過濾措施，但是其通過排風口排放仍然存在一定傳染風險。有研究表明，當含SARS病毒的空氣被稀釋到10000 倍以上時，就不再具有傳染性[1]。很多學者和設計單位建議了室外排風的設計要求[2?4]。在以上成果的基礎上，如果進一步結合具體醫(yī)院的實際情況，模擬室外含病毒空氣的擴散機制，則可以定量評估臨時醫(yī)院排放出的含病毒空氣的污染風險，為排放物的二次污染防控提供更加定量具體的參考和依據。值得注意的是，由于臨時醫(yī)院的設計和建造周期只有6 d～10 d，留給排風的環(huán)境影響分析時間一般只有幾個小時。因此，對分析方法的準確性和高效性都提出了很高的要求。

目前，可以采用4種方法研究建筑物周圍的污染物擴散現象，包括實地測量、物理試驗、半經驗模型、數值模擬。實地測量只適用于記錄已建成區(qū)域的污染物濃度，無法為臨時醫(yī)院的設計提供參考。物理試驗需要制作所關注建筑或區(qū)域的縮尺模型和進行風洞試驗，并且需要滿足相似性準則，需要大量的時間[5]，無法滿足防疫應急需要。因此，物理試驗方法難以滿足臨時醫(yī)院快速分析的需求。

常用的半經驗模型有高斯模型和ASHRAE 模型[6?7]。這類模型假設穩(wěn)態(tài)情形下漂浮污染物的含量在水平和垂直方向上呈高斯分布[8?9]，在實際分析中通常需要依據觀測得到一些經驗或半經驗參數，以此來實現分析問題的簡化[10]。雖然半經驗模型能夠滿足快速分析需求，但目前的半經驗模型僅適用于平坦的空曠地帶，而難以考慮建筑甚至建筑群對污染物擴散機制的影響[11]。

近年，計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)技術逐步在建筑物周圍的污染物擴散研究方面得到應用。依據研究對象的尺度，這類研究大致可以分為獨棟建筑、單個街道及復雜建筑群3 個層次。在獨棟建筑物周圍污染物擴散研究方面，由于計算尺度較小，除了雷諾平均N-S方程 (RANS) 方法[12?15]，大渦模擬 (LES)方法[16?17]和直接數值模擬(DNS)方法[18]也得到了一定的應用。而在單個街道層次，研究主要采用RANS方法[19? 21]和LES方法[22?24]。在復雜建筑群層次，相關研究大多采用RANS方法[25?27]，LES方法得到少量應用[28]。

雖然目前已經有很多比較成熟的污染物擴散模擬方法，但將上述半經驗模型或者數值模擬方法應用到本研究時，有以下2點困難需要克服：1)由于臨時醫(yī)院建筑群平面布置多樣，簡化的半經驗模型難以適用；2)一些商用流體動力學計算平臺雖然可以提供較好的分析功能和前后處理功能，但是考慮到中國多地臨時醫(yī)院的緊急建設需求，購買商用流體計算平臺無論是時間上還是費用上都無法滿足應急階段的需要。且Fluent 等一些常用流體力學軟件計算資源消耗較大且計算時間較長。因此，有必要在本研究中引入計算效率高、代碼開源、操作簡便的CFD計算軟件，以滿足臨時醫(yī)院的緊急分析需求。

FDS(fire dynamic simulator)是美國國家標準技術研究院開發(fā)的一款開源流體動力學計算軟件。該軟件最初是為了火災模擬而開發(fā)，隨著其功能的逐步豐富，目前也在空氣污染模擬領域得到了應用[29?30]。FDS軟件具有以下優(yōu)點：1)FDS為開源軟件，便于廣泛推廣；2)采用LES模擬污染物擴散過程，能夠捕捉流場和污染物的瞬態(tài)特征，更好模擬不同污染物的傳染機理；3)與一般的商用軟件相比，FDS軟件能快速實現流域的網格劃分，操作簡便，便于工程師快速對設計方案進行評估。

基于上述優(yōu)點，本研究以FDS為軟件基礎，針對臨時醫(yī)院的快速分析需求，研發(fā)有害氣體對環(huán)境影響的快速模擬方法，為臨時醫(yī)院設計服務。

1 方法框架

為滿足工程需求，本文提出的臨時醫(yī)院排風的環(huán)境影響快速模擬方法由以下3個模塊組成：

1)臨時醫(yī)院建筑的快速建模模塊；

2)基于云計算平臺的CFD模擬和參數分析模塊；

3)有害氣體流動監(jiān)測及結果可視化模塊。

其中，模塊1)需要完成流場域、臨時醫(yī)院建筑、排風口、整體風環(huán)境以及有害氣體監(jiān)測點等的建模。模塊2)需要完成不同風向、不同風速、不同設計方案下的影響分析。模塊3)需要對計算結果進行處理，并生成直觀的可視化效果，滿足工程建設決策需要。為滿足臨時醫(yī)院建設的急迫時間需求，本文提出了以下高效建模和分析方法。

2 臨時醫(yī)院建筑的快速建模

FDS中流場模擬和污染擴散分析需要輸入以下信息：1)流場計算域網格；2)建筑物模型；3)風環(huán)境模型；4)排氣口模型；5)有害氣體監(jiān)測點。具體介紹如下。

2.1 流場計算域網格

合理的網格是CFD計算精度和效率的重要保障，與常規(guī)CFD軟件的網格劃分方式不同，FDS采用矩形網格對計算域進行網格劃分，并能實現對壓力的快速求解。因而保證了計算的高效，可以在數十分鐘內得到復雜環(huán)境的大渦模擬結果。對臨時醫(yī)院建筑進行分析時，計算域的尺寸和邊界條件應參考COST 732[31]和AIJ[32]等最佳實踐指南(Best Practice Guidelines)的要求。FDS允許不同計算域采用不同的網格密度。因此，對于醫(yī)院建筑附近的計算域，推薦采用0.5 m～1 m 的網格，以提升精度。由于臨時醫(yī)院一般高度不超過3層，因此對排風口以上10 m 范圍以外，推薦采用2 m 的網格，保證計算效率和精度的平衡。

2.2 建筑物模型

由于臨時醫(yī)院建筑大多采用標準模塊的箱式建筑，平面布置以“王”字形或“主”字形為主，如圖1所示。臨時醫(yī)院中間建筑為醫(yī)護用房，兩側指廊為病房或醫(yī)技用房。

圖1 建設中的火神山、雷神山臨時醫(yī)院[33]Fig.1 Huoshenshan hospital and Leishenshan hospital under construction[33]

因此，可以根據建筑的平面布置和屋面標高，將建筑物劃分成若干個長方體組成的模塊，用FDS的命令流功能直接建模。命令流為：&OBST XB=X-MIN,X-MAX,Y-MIN,Y-MAX,Z-MIN,Z-MAX/

其中，“&OBST XB=”為FDS的關鍵字，表示建立一個實體。X-MIN, X-MAX, Y-MIN, Y-MAX,Z-MIN,Z-MAX 分別是建筑物在x、y、z這3個方向的邊界。由于FDS采用了矩形流體網格，因此實體建模也只能建立矩形實體。對于外形復雜的建筑，FDS只能采用大量矩形實體近似其外形。但是對于臨時醫(yī)院而言，由于其外形本來就是規(guī)則的矩形(圖1)，因此反而充分符合了FDS的特點。

值得一提的是，如果分析對象建筑已經有了Sketchup模型、BIM模型、CAD模型等三維模型，則可以通過Pyrosim 軟件[34]，將其轉換成FDS的模型，建模效率可以進一步提高。

2.3 風環(huán)境模型

在FDS中，輸入風荷載的剖面分布依據Monin-Obukhov 相似理論得到，如式(1)所示。

2.4 排氣口模型

排氣口建模包括以下3個內容。

1)排氣口的空間位置

排氣口的空間位置同樣采用FDS的實體建模命令“&OBST”和表面建模命令“&SURF”完成?！?OBST”命令建立一個實體作為排氣口?！?SURF”命令指定排氣口實體上的某個面為排風面。

2)排氣口的排風量

根據FDS提供的功能，“&SURF”命令可以設定排氣口的排氣量(采用“VOLUME_FLOW”參數，單位m3/s)，這個數據可以根據排風口聯通的空調系統(tǒng)的設計通風量確定。本次肺炎疫情臨時醫(yī)院每個病房的設計排風量VR大概是600 m3/h～750 m3/h。一般N個病房共用一個排風口，則可以計算得到排風口的排風量為VR?N。

3)排氣口有害氣體的追蹤

為了跟蹤排風口排出的有害氣體在空氣中的擴散，需要設定示蹤氣體(tracer gas)，而后，可以通過追蹤示蹤氣體的體積比或質量比，來追蹤有害氣體的分布。本次肺炎疫情臨時醫(yī)院一般一個病房安排2位病人，根據文獻[1]的研究，每位病人呼出的有害氣體VP約為0.3 m3/h。則共用一個排風口的N個病房，病人呼出的有害氣體的總量為2VP?N。根據相關設計要求[3?4]，排風口都會安裝高效過濾裝置。因此，排風口排出的空氣中，有害氣體的體積比例：

式中：β 為反映排風口過濾裝置對病毒過濾能力的系數；R可以通過FDS的“&SURF”命令中“MASS_FRACTION”參數設定。

2.5 有害氣體監(jiān)測點

最后，為了定量獲取指定位置的有害氣體濃度，可以采用FDS的“&DEVC”指令，創(chuàng)建有害氣體監(jiān)測點。具體參數包括：1)用“QUANTITY”參數，指定監(jiān)測內容為示蹤氣體的比例；2)用“XYZ=”命令，指定監(jiān)測點在模型中的坐標。另外，也可以通過剖面、等值面等方式獲取有害氣體在空間的宏觀分布。

3 基于云計算平臺的CFD模擬和參數分析

工程中需要考慮的分析參數一般包括不同風向、風速、不同的建筑平面布置，還需要考慮不同的排風口、新風口平面位置、高度、朝向等參數。雖然FDS具有很高的計算效率，但是，考慮到需要完成不同風向、不同風速、不同設計方案下的計算，眾多分析工況仍給計算效率帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于FDS是免費開源軟件，可以在任意多臺電腦上安裝，因此可以利用云計算硬件資源，滿足短時間爆發(fā)的多工況計算情景的需求。

具體操作為：可以通過在華為云平臺(也可采用其他云計算平臺)購買64核的云計算虛擬機(每臺虛擬機的費用大概13元/h～18元/h)，并安裝FDS軟件。FDS具有很好的并行計算功能，可以充分利用虛擬機上的并行計算資源，支持MPI、OpenMP等多種并行機制，可運行于Windows或Linux 等多種操作系統(tǒng)。這樣有多少個工況就可以購買多少臺云計算虛擬機開展分布式計算，從而以較低的成本滿足突發(fā)的計算資源需求。

4 有害空氣流動監(jiān)測及結果可視化

FDS計算完成后，可以通過以下2種途徑考察有害氣體的分布情況。1)有害氣體監(jiān)測點結果

2.5 節(jié)指定的有害氣體監(jiān)測點可以輸出“devc.cvs”文件，提供了每個監(jiān)測點各時間點的精確有害氣體濃度，對“devc.cvs”文件處理，則可以用曲線方式給出各監(jiān)測點結果。

2)示蹤粒子、等值面動畫等

FDS 可以通過“Tracer”功能和“&ISOF”命令，生成有害氣體在空中運動的示蹤粒子軌跡和濃度等值面，如圖2 所示，便于用戶直觀考察有害氣體在空氣中的分布規(guī)律。圖2 中，黑色粒子即為有害氣體的示蹤粒子；紅色曲面為有害氣體的濃度等值面。

圖2有害氣體軌跡及濃度等值面(西南風，1.9m/s)Fig.2Traceandconcentrationisosurfaceofharmfulair(southwestwind,1.9m/s)

5 案例分析

以武漢市雷神山醫(yī)院為例介紹本文提出的快速模擬方法的具體實施情況。

雷神山醫(yī)院是武漢市為應對肺炎疫情而建設的一座典型臨時醫(yī)院，位于武漢市江夏區(qū)軍運村，設計床位數為1600 張。每個病房每小時換氣12 次，設計新風量為500m3/h～550m3/h，排風量為650m3/h～700m3/h。采用上述建模方法，建立雷神山醫(yī)院的三維FDS 模型如圖3 所示。

圖3雷神山醫(yī)院三維FDS 模型Fig.3Three-dimensionalFDSmodelof Leishenshanhospital

采用華為云計算平臺，租用IntelCascadeLake 3.0GHz64 核服務器，完成一個工況計算需要約45min(采用64 核并行)，計算占用內存約40G。圖4 所示為模擬得到的不同排風口高度下1.5m 高程處的有害氣體相對濃度?？梢妼⑴棚L口高度提高后，有害氣體的相對濃度有了顯著降低。

根據設定的8 個新風口附近的監(jiān)測點，可以定量對比不同設計方案新風口的有害氣體相對濃度(以排氣口的有害氣體相對濃度為100%)，如圖5所示。其結果可為工程設計參考。

整個分析過程從拿到設計圖紙到完成計算報告，一共用時約6 個多小時。其中大約3 個多小時用于建模，2 個多小時用于計算和結果分析。其他時間用于報告的整理和寫作。滿足了應急醫(yī)院建設的工程周期需要。

圖4不同排風口高度下有害氣體相對濃度分布圖Fig.4Distributionsofrelativeconcentrationsofharmfulairincaseswithdifferentventheights

圖5 有害氣體在監(jiān)測點的相對濃度對比Fig.5 Comparison of relative concentrations of harmful air at monitoring points

6 結論

新型冠狀病毒肺炎集中治療臨時醫(yī)院排風的環(huán)境影響分析需要高效、低成本的分析方法。本研究以開源流體力學計算軟件FDS為基礎，實現了臨時醫(yī)院建筑的快速建模、基于云計算平臺的高效計算、以及有害氣體流動的監(jiān)測和可視化，并以武漢雷神山醫(yī)院為案例，說明了本方法在此次肺炎疫情防疫工作中的應用價值。主要結論如下：

(1)本文提出的分析方法，可以定量提供排風點有害氣體在整個醫(yī)院環(huán)境中的空間分布情況，為醫(yī)院排風設計和總體規(guī)劃提供參考。

(2)FDS 基于矩形網格進行建模和流體分析，非常適合臨時醫(yī)院建筑分析的需求，且可以極大提升計算效率。通過云計算平臺以及FDS的開源免費特點，可以滿足臨時醫(yī)院設計的迫切時間需求。

由于本次新冠肺炎疫情非常緊迫，因此在分析中采取了很多簡化假定。隨著對新冠病毒傳播機制研究的深入，可以引入更加合理的流體計算參數，使得模擬結果更符合實際情況。