賓館空調(diào)房間中人體咳嗽氣溶膠顆粒的數(shù)值模擬研究

李 品

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

0 引言

新型冠狀病毒肺炎疫情還在持續(xù)，為打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)，對隔離賓館的改造刻不容緩。本著不破壞原有空調(diào)系統(tǒng)形式的前提下，該文通過對分體式空調(diào)系統(tǒng)的賓館空調(diào)房間的氣流組織形式進(jìn)行改造，使新冠疫情下賓館空調(diào)房間內(nèi)人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物能夠快速排出，房間內(nèi)氣溶膠顆粒物的濃度能夠在短時(shí)間內(nèi)降低[1]。該文主要通過增加分體式空調(diào)系統(tǒng)房間的新風(fēng)量，從新風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)的角度出發(fā)，利用數(shù)值模擬的方法，比較改造后的分體式空調(diào)系統(tǒng)房間中人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒在房間的分布變化情況，并確定分體式空調(diào)系統(tǒng)房間在增加新風(fēng)口時(shí)最佳的排風(fēng)系統(tǒng)改造方案。

1 房間模型和模擬工況

1.1 幾何模型

該文將沈陽市被政府征用的用于隔離人員居住的賓館客房作為研究對象。在客房中設(shè)有一床，人體在休息（躺著）狀態(tài)時(shí)一次咳嗽，向上噴出顆粒物。對分體式空調(diào)系統(tǒng)，僅考慮室內(nèi)機(jī)即空調(diào)，掛于墻壁上，下送上回[2]。通過增加新風(fēng)口的方式增加新風(fēng)量，在靠窗側(cè)增設(shè)新風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口。該文暫定新風(fēng)口位于床中位置，同時(shí)，原有衛(wèi)生間排風(fēng)100m3/h 保留。增設(shè)排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)口設(shè)于床頭下部，布置如圖1 所示。賓館客房及各風(fēng)口的具體尺寸見表1。

圖1 分體式空調(diào)系統(tǒng)氣流組織形式

表1 賓館客房及各風(fēng)口尺寸

1.2 模擬方案和工況

分體式空調(diào)正常開啟，取床中新風(fēng)口為新增的新風(fēng)口，通過數(shù)值模擬的方法比較左側(cè)床排和右側(cè)床排氣溶膠顆粒物在不同時(shí)刻的分布情況，得出排風(fēng)口的最佳位置。

該文采用的人體模型表面溫度為36.5℃，人體表面散熱量為80W/m2，其中嘴為速度入口，一次咳嗽釋放氣溶膠顆粒的速度為10m/s，嘴的溫度與人體溫度一樣，均為36.5℃。飛沫氣溶膠顆粒的釋放時(shí)間為0s～0.5s，粒徑取5μm，總釋放率2.4μg/s。分體式空調(diào)房間室內(nèi)溫度為25℃，送風(fēng)溫差為7℃。分體式空調(diào)機(jī)的送風(fēng)口為速度入口，速度為1m/s，溫度為15.7℃?；仫L(fēng)口為速度出口，速度為0.6m/s。新增設(shè)的新風(fēng)口為速度入口，速度為0.7m/s，溫度為21℃。增設(shè)的床邊排風(fēng)口為速度出口，出口速度為1m/s。

2 計(jì)算流程

通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到不同氣流組織形式的初始穩(wěn)定流場，然后通過非穩(wěn)態(tài)的方法模擬人體躺著時(shí)一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒在房間的擴(kuò)散過程[3]。其中，分體空調(diào)的送回風(fēng)口應(yīng)在非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)開啟?？人詣?dòng)作結(jié)束后，將嘴設(shè)為壁面，并保持此狀態(tài)至計(jì)算結(jié)束，觀察飛沫氣溶膠顆粒在房間的分布，并比較典型截面氣溶膠顆粒物的濃度隨時(shí)間的變化情況。

3 控制方程

基于室內(nèi)空氣流動(dòng)的物理特性，應(yīng)遵循不可壓縮黏性流體。質(zhì)量守恒方程如公式（1）所示。

式中：ρ為空氣密度，kg/m3；ui為xi方向上的速度分量，m/s；對i=1、2、3，xi為3 個(gè)垂直坐標(biāo)軸坐標(biāo)。

動(dòng)量守恒方程如公式（2）所示。

式中：p為壓力，Pa；μ為動(dòng)力黏度，kg/（m·s）；Su、Sv、Sw為納維-斯托克斯方程的源項(xiàng)，一般來講為小量，對黏性為常數(shù)的不可壓縮流體，Su=Sv=Sw=0。

能量守恒方程如公式（3）所示。

式中：k為傳熱系數(shù)，W/m·K；cp為定壓比熱，J/（kg·K）；T為流體平均溫度，K；ST為能量守恒方程源項(xiàng)，W。

組分方程如公式（4）所示。

式中：CS為組分s 的組分濃度，kg/m3；DS為組分s 的有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；SS為通過化學(xué)反應(yīng)在單位時(shí)間、單位體積內(nèi)產(chǎn)生的組分s 的質(zhì)量，是濃度傳輸方程的源項(xiàng)，kg/s。

4 分體式空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析

4.1 左側(cè)床排的數(shù)值模擬分析

分體式空調(diào)左側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（30s）如圖2 所示。由圖2 可知，人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物飛離人嘴后在頭頂上方聚集，氣流受送風(fēng)口氣流方向的影響整體呈現(xiàn)出向右運(yùn)動(dòng)的趨勢。同時(shí)受分體式空調(diào)回風(fēng)口速度出口的影響，有部分氣溶膠顆粒物還在向回風(fēng)口處運(yùn)動(dòng)。t=30s 時(shí)，還有部分氣溶膠顆粒物因自身重力和慣性的作用而下沉，但氣溶膠顆粒物大部分仍分布在床的右上方而未到左側(cè)排風(fēng)口，顆粒物也就未能被左側(cè)的排風(fēng)口卷吸。因此，從整體上來看，t=30s 時(shí)，人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物還沒有從排風(fēng)口排出，仍停留在房間內(nèi)，房間內(nèi)氣溶膠顆粒物的質(zhì)量濃度是很大的。并且隨著時(shí)間的推移，房間內(nèi)的高濃度氣溶膠顆粒物很有可能從右側(cè)門縫滲出，污染賓館走廊的工作人員，也會(huì)給疫情下賓館的防疫工作帶來很大困難[4]。

圖2 分體式空調(diào)左側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（30s）

分體式空調(diào)左側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（60s）如圖3所示。由圖3 可知，t=60s 時(shí)，人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物較分散，大部分顆粒物仍分布在右上方。隨著時(shí)間的推移和分體式空調(diào)回風(fēng)口的卷吸作用，部分氣溶膠顆粒物會(huì)進(jìn)入空調(diào)中被過濾，還有少部分氣溶膠顆粒物貼附在有窗的壁面，下降的顆粒物便會(huì)向排風(fēng)口處運(yùn)動(dòng)，但這類顆粒物在t=60s 時(shí)數(shù)量較少?？梢?，增加的排風(fēng)口如果放在床下左側(cè)，t=60s 時(shí)房間內(nèi)氣溶膠顆粒物的濃度比t=30s 時(shí)下降得并不多，60s 內(nèi)房間里的氣溶膠顆粒物排出較少，氣溶膠顆粒物的濃度仍較高，而人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物在房間內(nèi)停留得越久，通過縫隙等滲漏到房外的風(fēng)險(xiǎn)就越大。

圖3 分體式空調(diào)左側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（60s）

4.2 右側(cè)床排的數(shù)值模擬分析

分體式空調(diào)右側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（30s）如圖4所示。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，t=30s 時(shí)，人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物整體呈現(xiàn)出大幅度下降的趨勢，而且與圖2 相比，這種下降趨勢更明顯。但這僅靠顆粒物自身的重力和慣性作用是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的，右側(cè)排風(fēng)口起了很大作用，它的卷吸作用使氣溶膠顆粒物聚集在右下方，并向排風(fēng)口處運(yùn)動(dòng)。且通過與圖2 的質(zhì)量濃度比較可知，小部分顆粒物已從排風(fēng)口處排出，沒有顆粒物向回風(fēng)口處運(yùn)動(dòng)，這也在短時(shí)間內(nèi)減少了其進(jìn)入分體式空調(diào)機(jī)并在房間內(nèi)反復(fù)循環(huán)利用的數(shù)量。通過與圖3 的質(zhì)量濃度比較也可知，右側(cè)床排在t=30s 時(shí)房間內(nèi)的氣溶膠濃度比左側(cè)床排在t=60s 時(shí)房間內(nèi)的氣溶膠濃度還要低，這也說明右側(cè)床排短時(shí)間內(nèi)顆粒物的排除效果好。但同時(shí)由于新風(fēng)口氣流方向的影響，人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物一段時(shí)間后會(huì)呈現(xiàn)從右向左運(yùn)動(dòng)的趨勢，而右側(cè)有門，因此即便把排風(fēng)口放在床下右側(cè)，也無法保證氣溶膠顆粒物不會(huì)向門縫處運(yùn)動(dòng)，只能說床下右排地氣溶膠顆粒物會(huì)更快地從排風(fēng)口排出。

圖4 分體式空調(diào)右側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（30s）

分體式空調(diào)右側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（60s）如圖5 所示。從圖5 可以看到，人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物大部分聚集在左上，呈現(xiàn)向回風(fēng)口處運(yùn)動(dòng)的趨勢，與圖3形成了較鮮明的對比，貼附在有窗壁面的氣溶膠顆粒增多，還有不少顆粒物沉積在地面上，而漂浮在空中的氣溶膠顆粒物則明顯是由于空調(diào)機(jī)回風(fēng)口的卷吸作用。但從圖5 上看，t=60s 時(shí)顆粒物很接近回風(fēng)口，但到達(dá)回風(fēng)口并被卷吸的很少，而顆粒物整體濃度和左側(cè)排風(fēng)口相比仍稍低。說明t=30s 時(shí)，氣溶膠顆粒物被右側(cè)排風(fēng)口排出了不少，而隨著時(shí)間的推移，未從右側(cè)排風(fēng)口排出的顆粒物則繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。長時(shí)間運(yùn)動(dòng)后，部分顆粒物最終會(huì)沉積在地面。增加的新風(fēng)口由于氣流的擾動(dòng)，例如分體式空調(diào)機(jī)送風(fēng)口向下的氣流作用，使二次懸浮的顆粒物可以從回風(fēng)口排出，增加的床下排風(fēng)口也通過人體的走動(dòng)顆粒物就近排出，使室內(nèi)空氣質(zhì)量變得更好。

圖5 分體式空調(diào)右側(cè)床排氣溶膠顆粒物分布圖（60s）

比較分體式空調(diào)左右兩側(cè)床排的氣溶膠顆粒物分布圖可知，人體向上噴出的氣溶膠顆粒物在頭頂上方聚集并向右擴(kuò)散，而后顆粒物又因空調(diào)機(jī)回風(fēng)口的速度出口而向左運(yùn)動(dòng)。但與左側(cè)床排相比，60s 時(shí)雖然房間中顆粒物質(zhì)量濃度相差不大，但在30s 時(shí)，除了顆粒物自身慣性力和重力的作用，右側(cè)床排速度出口的卷吸作用會(huì)使顆粒物更早地下沉，進(jìn)而排風(fēng)口排出的顆粒物數(shù)量增多。綜上所述，經(jīng)過數(shù)值模擬并分析可得，為了使氣溶膠顆粒物短時(shí)間內(nèi)快速排出，增加新風(fēng)口后，房間內(nèi)增設(shè)的排風(fēng)口位置最好位于床頭右下。

5 結(jié)論

該文通過模擬人體一次咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒在房間內(nèi)不同時(shí)刻的分布情況得出如下結(jié)論。

對安裝分體式空調(diào)系統(tǒng)的房間，從增大送風(fēng)量的角度，改進(jìn)人體咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒對房間的污染情況，防止氣溶膠顆粒在房間過久停留并通過門縫等流出房間，污染走廊。增加新風(fēng)系統(tǒng)的同時(shí)排風(fēng)系統(tǒng)也要增加，在保留原有衛(wèi)生間排風(fēng)的情況下，通過比較左右兩側(cè)排風(fēng)口的顆粒物分布圖可知其運(yùn)動(dòng)軌跡，可得到右側(cè)排風(fēng)效果較好，短時(shí)間內(nèi)更有利于氣溶膠顆粒物就近排出，這從側(cè)面也反映出了房間內(nèi)氣溶膠顆粒物的排除效果也最好。所以，被政府征用的賓館在進(jìn)行隔離改造時(shí)，在安裝分體式空調(diào)系統(tǒng)的賓館房間增設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)的同時(shí)有必要增設(shè)排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)口最好設(shè)于床頭右下，以使人體咳嗽產(chǎn)生的氣溶膠顆粒物能夠就近且快速地從房間排出，進(jìn)而使房間內(nèi)氣溶膠顆粒物的濃度降低。

新冠疫情已經(jīng)陪伴我們?nèi)曛?，隔離賓館的使用率也大大提高了，因此對普通賓館進(jìn)行隔離改造是非常有必要的[5]。而安裝分體式空調(diào)系統(tǒng)的賓館房間在很多中小型賓館中是很常見的，對這類賓館進(jìn)行改造不僅是為了適應(yīng)當(dāng)下的隔離要求，對未來提高此類賓館空調(diào)房間的空氣質(zhì)量也是很有意義的。