基于FDS的“平戰(zhàn)結(jié)合”發(fā)熱門診改造

□ 鹿澎 LU Peng 李思童 LI Si-tong 孫曉偉 SUN Xiao-wei

自2003年“非典”以來，我國以呼吸道傳染為主的傳染病發(fā)病率呈小幅波動上升趨勢。在綜合醫(yī)院中，雖然已設有發(fā)熱門診和傳染病門診，但由于缺乏彈性的拓展空間，既不能滿足平時常規(guī)傳染病的防治工作，又不能滿足大規(guī)模烈性傳染病暴發(fā)時的接診需求[1]。為解決這一問題，我院在發(fā)熱門診改造過程中提出了“平戰(zhàn)結(jié)合”的設計思想，根據(jù)不同的需求從建筑空間上對發(fā)熱門診、肝病門診和腸道門診進行分區(qū)。本文基于不同的分區(qū)情況對建筑物內(nèi)部有害氣體的流向進行分析。

“平戰(zhàn)結(jié)合”的平面布局

為了充分利用醫(yī)療資源和空間，在改造過程中，將發(fā)熱門診所在的一層分為5個區(qū)域：發(fā)熱門診、肝病門診、腸道門診、檢驗科和辦公生活區(qū)。其中腸道門診的開放日期為每年的4―10月份，平面布局如圖1所示。充分考慮到戰(zhàn)時和非戰(zhàn)時的設計，設計后面積統(tǒng)計如表1所示。

圖1 “戰(zhàn)時”狀態(tài)(4―10月份)

表1 戰(zhàn)時和非戰(zhàn)時面積分布(m2)

“戰(zhàn)時”狀態(tài)發(fā)熱門診的面積比平時面積增加了84%。位于發(fā)熱門診的CT區(qū)域存在獨立的對外出口，發(fā)生疫情時，可僅供發(fā)熱門診使用，而在平時可供所有門診使用，這既提高了CT區(qū)域的使用效率，又可滿足防疫需求。檢驗科貫穿發(fā)熱門診、腸道門診和肝病門診，可完成三個門診的檢驗需求。在供給發(fā)熱門診使用的區(qū)域又在檢驗科內(nèi)部進行分隔，設置緩沖區(qū)域，這樣將檢驗科又細分為兩小部分，一部分醫(yī)務工作者需穿防護服進行工作，一部分穿常服即可完成正常工作。腸道門診根據(jù)發(fā)病的周期性變化，每年僅4月-10月進行開放。

通風空調(diào)設計

美國供暖制冷與空調(diào)工程師協(xié)會標準《醫(yī)療設施的通風》(ASHRAE 170-2017)對改建病房的復壓有所要求，其核心思想是在室內(nèi)循環(huán)的氣流必須經(jīng)過HEPA的過濾除菌，以達到將室內(nèi)所有的病菌排出、防止病菌在室內(nèi)積累[2]?？紤]到發(fā)熱門診改造過程中原有建筑的局限性，采用排風扇進行排風，換氣率為可達到6次/小時，利用壓力差，形成一個基本復壓形式。

模型設置

發(fā)熱門診中最重要的是防止病毒的傳播，本研究采用美國國家技術標準局建筑火災研究實驗室開發(fā)的基于場模擬的火災模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)模擬室內(nèi)含病毒空氣的傳播過程，通過流體動力學計算平臺，定量分析在通風系統(tǒng)正常運行和失效的情況下室內(nèi)的污染情況。在發(fā)熱門診中的病人，模擬的是新冠肺炎病人。

1.計算模型選取。首先利用Revit軟件建立三維模型(圖2)。Revit可便捷導入CAD中的底圖，快速建立成為三維模型。然后采用FDS對三維模型進行有害氣體模擬。以往有害氣體的擴散常選用基于半經(jīng)驗模型和基于不同湍流模型，但傳統(tǒng)的半經(jīng)驗模型很少考慮醫(yī)院建筑內(nèi)部的復雜性[3]，本研究選擇基于大渦模型的FDS軟件進行模擬，能夠及時有效的捕捉污染物的瞬態(tài)變化，并便于進行數(shù)據(jù)分析。

圖2 Revit三維模型

FDS模擬過程分為四個部分：建立流場計算域網(wǎng)格；新冠肺炎病人釋放病毒模型；有害氣體的追蹤；模型模擬及數(shù)據(jù)分析。

采用FDS建立流場計算域網(wǎng)格(圖3)。計算域網(wǎng)格的大小決定了模型的計算精度和效率，計算域網(wǎng)格過小精度高但是實際的計算效率低，計算域網(wǎng)格過大效率高但是精度低，本研究采用的計算域為0.25×0.25×0.25，計算點約為47萬個。

圖3 流場計算域網(wǎng)絡

新冠肺炎病人釋放病毒模型設置(圖4)。根據(jù)Jiang Y的研究，每位病人呼出的有害氣體VP約為0.3m3/h，將其視作一個釋放器，放置一個surface，設定表面釋放物質(zhì)的速度，恒定速度(specify velocity)每小時釋放0.3m3的氣體[4]。實際上的新冠病毒傳播是氣溶膠的傳播，氣溶膠的傳播速度和傳播能力弱于氣體，本研究為了便于模型計算，使用的是危險性更大的氣體傳播。

圖4 新冠肺炎病人釋放病毒模型設置

有害氣體的追蹤。通過采用tracer gas，可追蹤氣體的體積比和質(zhì)量比，從而測定有害氣體的分布，并通過集體檢測設備監(jiān)控氣體的流動問題。

2.計算工況。根據(jù)發(fā)熱門診的布局情況(見圖5)，假定在三個隔離病房和搶救室均有一名烈性傳染病病人且未佩戴口罩，在大廳等候區(qū)等待篩查的病人中有三名新冠肺炎病人，在等候區(qū)大門開啟的狀態(tài)下，將模擬的情況分為三種，方案見表2。

表2 模擬方案

圖5 發(fā)熱門診區(qū)域布局圖

計算結(jié)果與分析

通過有害氣體檢測點的結(jié)果和示蹤粒子、等值畫面對有害氣體的濃度分布情況按照模擬方案進行模擬。

方案一：房門全部關閉，排風扇正常運行狀態(tài)下，1.6m和3m處的等值畫面有害氣體相對濃度如圖6和圖7所示。

圖6 方案一 1.6m等值畫面有害氣體相對濃度

圖7 方案一 3m等值畫面有害氣體相對濃度

通過對圖6和圖7的有害氣體相對濃度結(jié)果分析可知：8小時后病毒濃度分布最危險的區(qū)域是病房2。有研究表明，當含SARS病毒的空氣被稀釋到10000倍以上時，即濃度低于100×10-6不再具有傳染性[3]，此時整個區(qū)域各高度均處于安全狀態(tài)。在病人安置的方案上，應優(yōu)先選擇病房3，當三個病房同時安置病人時，病房2和病房3中病毒的釋放會對濃度有疊加作用，因此病房2應為最后選擇的安置地點。

方案二：房門全部開啟，排風扇正常運行狀態(tài)下，1.6m和3m處的病毒的擴散情況如圖8和圖9所示。

圖8 方案二 1.6m等值畫面有害氣體相對濃度

圖9 方案二 3m等值畫面有害氣體相對濃度

通過對圖8和圖9的有害氣體相對濃度結(jié)果分析可知：在3m處病毒的擴散范圍較1.6m處病毒擴散的范圍更大，在現(xiàn)有的通風條件下，即使所有房門均處于開啟狀態(tài)，發(fā)熱門診內(nèi)的病毒擴散基本上不會影響到本樓層其他門診的就診。且通過結(jié)果對比，病人在等候區(qū)8個小時內(nèi)分診是安全的，在病人安置方案上應優(yōu)先在病房3進行安置，最后選擇病房2。

方案三：房門全部開啟，排風扇失效狀態(tài)下，1.6m和3m處的病毒的擴散情況如圖10和圖11所示。

圖10 方案三 1.6m等值畫面有害氣體相對濃度

圖11 方案三 3m等值畫面有害氣體相對濃度

通過對圖10和圖11的有害氣體相對濃度結(jié)果分析可知：與方案一和方案二相比，圍繞病人周圍的病毒相對濃度迅速上升，雖然擴散范圍較小，但是濃度值較高。房門開啟后降低了有害氣體的濃度，因此病人在8小時內(nèi)分診仍是安全的。在病人安置方面，同樣優(yōu)選安置在病房3，最后選擇病房2。

綜上，對不同方案和不同高度下的有害氣體最大濃度比較可知，方案二是最佳狀態(tài)(見表3)。因此，在分區(qū)設置的情況下應盡可能地保證區(qū)域的連通性，即將門打開，增加整體氣體的流動范圍，降低有害氣體的濃度，保障醫(yī)護人員和患者安全。

表3 最大相對濃度數(shù)值(mol/mol)

結(jié)論

通過FDS的模擬可知：(1)通過FDS對不同工況組合下的分析結(jié)果可以直觀地看到氣體流向的情況，其擴散的范圍有限且濃度較低，進而對建筑內(nèi)部布局的安全性進行了驗證。(2)FDS的模擬結(jié)果表明，從高度上進行對比，高度越高病毒擴散范圍越大，高度越低病毒濃度越高。從不同工況進行對比，在保證溫度的情況下，污染區(qū)的門洞盡量變大，減少死角的產(chǎn)生，且門應該保持常開狀態(tài)。(3)等候區(qū)內(nèi)有三位新冠肺炎患者時，在8小時內(nèi)分診可滿足最安全狀態(tài)。(4)在病人安置方案上，均應優(yōu)先選擇病房3進行安置，最后選擇病房2。