防疫應(yīng)急醫(yī)院典型房間室內(nèi)氣流模擬研究

方 宇 畢海權(quán) 彭治霖 李孟柯

（1.中國建筑西南設(shè)計研究院 成都 610042；2.西南交通大學(xué) 成都 610031）

0 引言

防疫應(yīng)急醫(yī)院作為緊急應(yīng)對疫情的重要醫(yī)療資源，其良好的氣流組織對保障室內(nèi)人員舒適性及降低醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險具有重要意義。

目前國內(nèi)外針對傳染病醫(yī)院污染物擴(kuò)散的研究主要采用現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬兩種方法。其中示蹤氣體是現(xiàn)場測試的主要研究方法，例如趙越[1]利用六氟化硫作為示蹤氣體，研究了不同送排風(fēng)方式和換氣次數(shù)對負(fù)壓隔離病房污染物擴(kuò)散的影響；Luke 等[2]利用二氧化碳作為示蹤劑，研究了典型醫(yī)療房間的通氣率對病毒感染風(fēng)險的影響；Hua Qian等人[3]利用示蹤氣體研究自然通風(fēng)在控制醫(yī)院病房感染方面的可行性。此外，煙霧測試由于其優(yōu)越的可視化效果也常配合示蹤氣體法用于研究人體呼吸氣流[4,5]。

除現(xiàn)場測試外，示蹤氣體和顆粒物在病房的數(shù)值模擬中也有廣泛應(yīng)用[6-11]。Zhengtao Ai[12]等人在全面比較示蹤氣體與顆粒物兩種方法優(yōu)劣勢后，指出示蹤氣體代替飛沫核是研究其在建筑環(huán)境中傳播的合適方法。目前，對新冠病毒物化性質(zhì)研究仍十分有限，大量研究也證實了采用示蹤氣體來模擬氣溶膠顆粒（飛沫核）擴(kuò)散的可靠性。

由于測試法研究的可操作性、可視化效果受限，本文將利用示蹤氣體模擬工程室內(nèi)患者呼吸產(chǎn)生的污染物。

1 研究對象、物理模型及求解方法簡介

本研究通過CFD 模擬對典型房間通風(fēng)、空調(diào)末端系統(tǒng)不同設(shè)計布置方案進(jìn)行CFD 氣流模擬分析比較，獲得不同設(shè)計方案條件下的速度場、溫度場、壓力場、污染物濃度場。基于模擬結(jié)果，尋求最佳通風(fēng)、空調(diào)末端設(shè)計布置方案，為防疫應(yīng)急醫(yī)院產(chǎn)品結(jié)構(gòu)體系設(shè)計提供理論支撐。

本研究從房間的重要性、典型性、醫(yī)護(hù)感染風(fēng)險控制等方面出發(fā)，對雙人負(fù)壓病房、負(fù)壓隔離病房、診室的通風(fēng)空調(diào)不同布置方案分別進(jìn)行了CFD氣流模擬分析研究。限于篇幅，本文選取雙人負(fù)壓病房的相關(guān)研究作介紹。

本研究采用商用計算流體軟件ANSYSFLUENT 進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬選擇基于壓力求解器的穩(wěn)態(tài)計算，求解方式選擇SIMPLE 算法。并假設(shè)房間內(nèi)空氣為可壓縮的理想氣體，湍流模型選擇RNGk-ε湍流模型，同時由于污染物的擴(kuò)散伴隨著組分的運輸，因此需要開啟組分運輸模型。

2 通風(fēng)、空調(diào)末端方案、模型及邊界條件

本研究中，雙人負(fù)壓病房的空調(diào)方案有風(fēng)管機(jī)+新風(fēng)方案（以下簡稱“風(fēng)管機(jī)方案”）及壁掛機(jī)+新風(fēng)方案（以下簡稱“壁掛機(jī)方案”）。

2.1 風(fēng)管機(jī)方案

風(fēng)管機(jī)方案中，病房內(nèi)新風(fēng)與風(fēng)管機(jī)的送風(fēng)共用出風(fēng)口；排風(fēng)采用下部排風(fēng)，設(shè)置于床頭側(cè)。風(fēng)管機(jī)方案的具體平面布置、三維模型、末端系統(tǒng)參數(shù)以及模擬邊界條件如下。

圖1 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（風(fēng)管機(jī)方案一）Fig.1 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wardss(scheme I of air duct fan)

表1 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件（風(fēng)管機(jī)方案一）Table 1 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wardss(scheme I of air duct fan)

圖2 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（風(fēng)管機(jī)方案二）Fig.2 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(scheme II of air duct fan)

表2 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件（風(fēng)管機(jī)方案二）Table 2 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wards(scheme II of air duct fan)

表3 雙人負(fù)壓病房其它模擬邊界條件Table 3 Other simulated boundary conditions of double negative pressure wards

2.2 壁掛機(jī)方案

壁掛機(jī)方案中，新風(fēng)獨立送入房間；排風(fēng)采用下部排風(fēng)，設(shè)置于床頭側(cè)。壁掛機(jī)方案的具體平面布置、三維模型、末端系統(tǒng)參數(shù)以及模擬邊界條件如下。

圖3 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（壁掛機(jī)方案一）Fig.3 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme I)

表4 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件（壁掛機(jī)方案一）Table 4 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wards(wall hanging scheme I)

圖4 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（壁掛機(jī)方案二）（末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件同表4）Fig.4 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme II)(terminal system parameters and speed boundary conditions are the same as table 4)

圖5 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（壁掛機(jī)方案三）Fig.5 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme III)

表5 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件（壁掛機(jī)方案三）Table 5 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wards(wall hanging scheme III)

圖6 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（壁掛機(jī)方案四）（末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件同表5）Fig.6 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme IV)(terminal system parameters and speed boundary conditions are the same as those in table 5)

圖7 雙人負(fù)壓病房末端系統(tǒng)布置平面圖、三維模型圖（壁掛機(jī)方案五）（末端系統(tǒng)參數(shù)及速度邊界條件同表5）Fig.7 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme V)(terminal system parameters and speed boundary conditions are the same as table 5)

壁掛機(jī)的其他模擬邊界條件詳表3。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 負(fù)壓病房溫度場及速度場模擬結(jié)果及分析

根據(jù)模擬結(jié)果，該典型房間的所有空調(diào)方案的溫度場及速度場均滿足《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》（GB 50736-2012）[15]規(guī)定的舒適性要求，限于篇幅，這里不給出具體的結(jié)果，本文只討論污染物濃度分布。

3.2 負(fù)壓病房壓力場模擬結(jié)果及分析

根據(jù)模擬結(jié)果，該典型房間的壓力場整體分布均勻、穩(wěn)定，限于篇幅要求，不對壓力場的分布展開描述，這里重點討論門縫壓差滲透風(fēng)量問題。

壓力場的分布與空調(diào)、通風(fēng)風(fēng)口的布置關(guān)系較小，僅門縫射流處及送風(fēng)口正下方因風(fēng)速變化加大出現(xiàn)細(xì)微差別，壓力的分布整體與送入、排出房間以及門縫滲透風(fēng)風(fēng)量有關(guān)；因此保證形成相對壓差的滲透風(fēng)量是設(shè)計應(yīng)該重點關(guān)注的問題，通過模擬結(jié)果及現(xiàn)行壓差計算依據(jù)進(jìn)行匯總分析（見表6），本研究建議設(shè)計時采用規(guī)范《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》GB 51251 的相關(guān)公式進(jìn)行計算，并在該計算基礎(chǔ)上乘以1.25 的安全系數(shù)。

表6 雙人負(fù)壓病房壓差、門縫滲透風(fēng)量計算及模擬結(jié)果Table 6 Calculation and simulation results of pressure difference and door seam infiltration air volume in double negative pressure wards

3.3 負(fù)壓病房污染物模擬結(jié)果及分析

3.3.1 風(fēng)管機(jī)方案

風(fēng)管機(jī)不同工況的污染物濃度分布場如下。

圖8 方案一（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.8 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme I(0.35m,0.75m,1.6m)

圖9 方案二（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.9 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme II(0.35m,0.75m,1.6m)

圖10 方案一（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布圖Fig.10 Pollutant concentration distribution diagram of scheme I(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖11 方案二（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布圖Fig.11 Pollutant concentration distribution diagram of scheme II(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

對比污染物濃度分布圖可知：方案一中的污染物濃度在不同水平高度上明顯低于方案二，尤其是醫(yī)護(hù)人員活動頻繁的床尾及病床之間的區(qū)域；方案一中的污染物濃度在床尾處沿垂直高度上分布明顯低于方案二。

風(fēng)管機(jī)送風(fēng)口位于兩病床之間的中間位置，室內(nèi)氣流整體由中間向兩側(cè)流動，流動規(guī)律詳圖10、圖11。方案一的排風(fēng)口布置位置更利于污染物的排除。

3.3.2 壁掛機(jī)方案

壁掛機(jī)不同工況的污染物濃度分布場如下。

圖12 方案一（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.12 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme I(0.35m,0.75m,1.6m)

圖13 方案二（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.13 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme II(0.35m,0.75m,1.6m)

圖14 方案三（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.14 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme III(0.35m,0.75m,1.6m)

圖15 方案四（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.15 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme IV(0.35m,0.75m,1.6m)

圖16 方案五（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.16 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme V(0.35m,0.75m,1.6m)

圖17 方案一（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布圖Fig.17 Pollutant concentration distribution diagram of scheme I(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖18 方案二（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.18 Pollutant concentration distribution diagram of scheme II(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖19 方案三（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.19 Pollutant concentration distribution diagram of scheme III(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖20 方案四（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.20 Pollutant concentration distribution diagram of scheme IV(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖21 方案五（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.21 Pollutant concentration distribution diagram of scheme V(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

對比污染物濃度分布圖可知：方案一～方案四中的污染物濃度在不同水平高度上明顯高于方案五，尤其是醫(yī)護(hù)人員活動頻繁的床尾及病床之間的區(qū)域；方案五中的污染物濃度在床尾處沿垂直高度上分布明顯低于其他方案。

方案一的排風(fēng)口位于污染物擴(kuò)散路徑的末端，但送風(fēng)氣流受對側(cè)壁面的影響大（送風(fēng)口距對側(cè)壁面太近），使得送風(fēng)口氣流不能充分的發(fā)展，便以較高的速度撞擊壁面，進(jìn)一步加劇了室內(nèi)空氣的紊亂度，造成污染物快速擴(kuò)散上揚。

方案二與方案三空氣的流態(tài)有所改善，但排風(fēng)口均未在正對污染物來流方向的末端。

方案四的排風(fēng)口位于送風(fēng)口同側(cè)，室內(nèi)空氣排除前已與污染物均勻混合。

方案五氣流穩(wěn)定性更好，且排風(fēng)口在正對污染物來流方向的末端，污染物控制效果最優(yōu)。

4 新風(fēng)量確定的建議

為進(jìn)一步探討新風(fēng)量與患者數(shù)量的關(guān)系，現(xiàn)在負(fù)壓病房風(fēng)管機(jī)方案一及壁掛機(jī)方案五基礎(chǔ)上，關(guān)閉緩沖間側(cè)污染源得到相應(yīng)的新風(fēng)對比工況。

圖22 雙人負(fù)壓病房僅住一位患者時新風(fēng)方案Fig.22 Fresh air scheme when only one patient lives in double negative pressure wards

圖23 水平截面（1.6m）、床頭處剖面污染物濃度分布圖Fig.23 Horizontal section(1.6m)and profile pollutant concentration distribution at the head of the bed

由上圖可知，在減少一個污染源后病房內(nèi)空氣整體的潔凈程度顯著提高。參考世衛(wèi)組織（WHO）發(fā)布的《懷疑發(fā)生新型冠狀病毒感染時醫(yī)療機(jī)構(gòu)的感染預(yù)防和控制臨時指導(dǎo)文件》[18]可知，每位患者的最小新風(fēng)量至少是60L/s。按照我國現(xiàn)行規(guī)范呼吸道傳染病負(fù)壓病房最小新風(fēng)換氣次數(shù)為6 次/h[19]。本項目負(fù)壓病房面積18.5m2，凈高2.8m，單人患者入住時，患者人員新風(fēng)量86L/s；雙人患者入住時，患者人員新風(fēng)量為43L/s，該風(fēng)量低于WHO 指導(dǎo)文件的建議取值；因此建議設(shè)計新風(fēng)量的計算按患者人員新風(fēng)量和換氣次數(shù)取兩者大值。

5 結(jié)論及建議

（1）由于防疫工程中的病房、診室等面積較小，室內(nèi)溫度場、速度場、壓力場均較為均勻和穩(wěn)定，不同空調(diào)方案均能滿足舒適性要求，應(yīng)重點關(guān)注氣流組織對污染物排除效率的影響。

（2）負(fù)壓病房的風(fēng)管機(jī)方案中，建議采用方案一；壁掛機(jī)方案中建議采用方案五；在風(fēng)管機(jī)及壁掛機(jī)方案均有實施條件時，優(yōu)先選用風(fēng)管機(jī)方案一。

（3）排風(fēng)口應(yīng)盡量靠近污染源，可有效提高污染物的排除效率。

（4）由于雙人負(fù)壓病房的房間空間較小，難以形成穩(wěn)定的定向流動，氣流組織的優(yōu)化僅能控制氣流流動的整體趨勢，降低污染物擴(kuò)散的風(fēng)險。

（5）設(shè)計計算壓差風(fēng)量時，建議采用規(guī)范GB 51251 中3.4.7 條的相關(guān)公式進(jìn)行計算，并在該計算基礎(chǔ)上乘以1.25 的安全系數(shù)。

（6）在當(dāng)下和未來變異新冠病毒的感染濃度控制還不明確的情況下，建議設(shè)計負(fù)壓病房時，新風(fēng)量按《懷疑發(fā)生新型冠狀病毒感染時醫(yī)療機(jī)構(gòu)的感染預(yù)防和控制臨時指導(dǎo)文件》（WHO）中患者人員最小新風(fēng)量和現(xiàn)行《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計規(guī)范》GB 50849-2014 規(guī)定的新風(fēng)最小換氣次數(shù)（6 次/h）計算結(jié)果取大值，降低病房污染物濃度及醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險。