疫情防控常態(tài)化背景下診室內氣流組織研究

王智華 畢海權 王宏林 李孟柯

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

2020年新冠疫情的襲來使全世界經濟文化發(fā)展遭遇了重大損失。國家衛(wèi)健委在試行第七版的診療方案指出：經呼吸道飛沫和密切接觸傳播是新冠病毒的主要傳播途徑，且在相對封閉的環(huán)境中長時間暴露于高濃度氣溶膠情況下存在經氣溶膠傳播的可能[1]。在疫情防控常態(tài)化的當今，診室作為抗疫主戰(zhàn)場，在做好人員救治的同時也要防范交叉感染的風險。室內氣流組織對污染物能否有效排放有著較大影響[2]，因此診室的空調通風方案需要專門進行設計。

現有針對室內環(huán)境的研究方法主要分為實驗和數值模擬兩種，并且均多以示蹤氣體為研究對象來研究污染物的傳播。Rydock[3]和凌繼紅等[4]以六氟化硫為示蹤氣體，實驗研究了氣流組織對病房排污效率的影響。李勇[5]使用二氧化碳氣體作為示蹤氣體，以數值模擬的方法對ICU 病房空調通風系統(tǒng)方案進行了研究。此外，嵇赟喆等[6]結合數值模擬和實驗驗證的方法，檢驗了在負壓病房中使用二氧化碳氣體替代呼吸道疾病病人帶菌飛沫來研究污染物傳播及分布的可行性與可靠性。因此，本文以二氧化碳氣體為示蹤氣體，研究不同空調通風方案下診室內污染物的傳播及分布。

1 數值計算方法

本文采用ANSYS-FLUENT 研究診室在不同空調通風方案下的速度場、溫度場、壓力場以及污染物濃度場，以選擇合適的空調通風方案并對已有方案進行優(yōu)化。房間內的空氣流動為三維穩(wěn)態(tài)湍流粘性流動，滿足質量守恒、動量守恒及能量守恒定律[7]。為防止診室內污染物由門縫擴散至外界，診室內為負壓環(huán)境，因此在數值模擬中需要考慮氣體壓縮性，將診室內空氣設置為理想氣體。同時，由于污染物的擴散過程產生了組分運輸，因此需要應用組分運輸模型。此外，因RNG k-ε模型較標準的k-ε模型在室內空調通風模擬中有著更高的準確度[8]，本文數值模擬中采用RNG k-ε湍流模型。

2 數值模型及邊界條件

本文研究對象為多聯機方案和分體空調方案兩種，其中多聯機方案采用多聯機和新風機組聯合送風的方式來進行室內環(huán)境控制，分體空調方案采用分體空調和新風機組聯合送風的方式來進行室內環(huán)境控制。多聯機方案和分體空調方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖分別如圖1 和圖2 所示。診室內設計壓力為-10Pa，設計溫度為25℃，兩方案下除送風口和回風口風速不同外其余邊界條件一致，各邊界具體參數如表1 所示。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

圖1 多聯機方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖Fig.1 Layout plan and three-dimensional model of multi-split air-conditioner scheme

圖2 分體空調方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖Fig.2 Layout plan and three-dimensional model of split type air-conditioner scheme

3 結果與討論

為判斷各方案下診室內氣流組織優(yōu)劣，截取1.6m 高度（呼吸區(qū)域高）處房間內的速度分布、溫度分布、壓力分布和污染物濃度分布進行對比分析。此外，為了更全面地判斷各方案下房間內污染物的分布情況，截取兩方案下診床床頭和辦公桌附近（0.75m 高度）污染物濃度分布進行對比分析。室內熱舒適性評級參照GB 50736-2012《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》進行，具體評判標準如表2 所示[9]。

表2 熱舒適度等級評判標準Table 2 Evaluation standard of thermal comfort level

3.1 速度場

兩方案下1.6m 高度截面速度分布如圖3 所示，可以觀察到在多聯機方案下室內產生了更大范圍的高風速區(qū)。多聯機方案下此截面內的平均風速為0.26m/s，滿足熱舒適風速II 級要求；分體空調方案下此截面的平均風速為0.22m/s，滿足熱舒適風速I 級要求。此外，還可觀察到，兩方案下在房間的門縫附近與送風口正下方均存在較大范圍的局部高流速區(qū)，局部高流速區(qū)的風速主要在0.6m/s-1m/s 之間。這主要是受送風風速以及門縫滲透風的影響。由以上分析可知，在速度場方面，分體空調方案優(yōu)于多聯機方案。

圖3 速度云圖（m/s）Fig.3 Velocity contours(m/s)

為對兩方案下診室內流場進行進一步分析，繪制兩工況下多聯機（分體空調）送風口及新風口流出氣流的流線于圖4 中。由圖4（a）可知，多聯機垂直向下送風且有較高的速度，因此氣流撞擊地面時將產生較大的反向速度，并且以較高的速度向四周散開，這使得室內形成了以多聯機送風為主導的較為紊亂的流場。由圖4（b）可知，分體空調水平送風風速較小，因此氣流向下流動過程中易受新風引導，從而在室內形成了以新風送風為主導的較為穩(wěn)定的流場。

圖4 流線圖Fig.4 Streamlines

3.2 溫度場

兩方案下1.6m 高度截面溫度分布如圖5 所示，由圖中可知，兩方案下診室內溫度分布都較為均勻，但多聯機方案下診室內低溫區(qū)范圍更大，這是多聯機的豎直高速送風導致的。多聯機方案下室內平均溫度為24.5℃，分體空調方案下室內平均溫度為24.6℃，兩方案下室內溫度值均與設計值相近且均滿足I 級熱舒適要求。由以上分析可知，在溫度場方面，分體空調方案略優(yōu)于多聯機方案。

圖5 溫度云圖（℃）Fig.5 Temperature contours(℃)

3.3 壓力場

兩方案下1.6m 高度截面壓力分布如圖6 所示。從圖中可以看出，兩方案下診室內壓力大部分維持在-9.4Pa 左右，與設計值-10Pa 基本一致。同時還可以看到，壓力變化的位置與送回風口、排風口以及門縫位置相吻合，說明當流場內部風速出現較大變化時，該區(qū)域的壓力也會產生相應變化。結合圖3 和圖5 分析可知，由于多聯機方案下室內流場較為紊亂，因此多聯機方案下壓力分布更為不均勻。由以上分析可知，在壓力場方面，分體空調方案略優(yōu)于多聯機方案。

圖6 壓力云圖（Pa）Fig.6 Pressure contours(Pa)

3.4 污染物濃度場

兩方案下診室內污染物濃度分布如圖7 所示，由圖可知：多聯機方案下診室內污染物擴散范圍較廣，高污染物濃度區(qū)覆蓋診床和辦公桌病人側大部分區(qū)域，且辦公桌醫(yī)生側也存在較高的污染物濃度；分體空調方案下診室內污染物擴散范圍較小，高污染物濃度區(qū)主要為診床附近區(qū)域。多聯機方案下診室內污染物濃度為0.021%，分體空調方案下診室內污染物濃度為0.012%。結合圖4 和圖7 分析可知，多聯機豎直向下高速送風使得診室內氣流較為紊亂，撞擊到地面向四周散開的氣流在經過高污染物濃度區(qū)域時增強了污染物的擴散，從而使得多聯機工況下診室內污染物濃度較高且擴散范圍更廣。由以上分析可知，分體空調方案污染物控制效果優(yōu)于多聯機方案。

圖7 污染物濃度云圖（%）Fig.7 Pollutant concentration contours(%)

3.5 優(yōu)化方案

雖然多聯機和分體空調方案下診室內均滿足舒適性要求，但是兩方案下診室內污染物控制效果均不理想，因此，針對污染物控制效果較好的分體空調方案進行優(yōu)化。由圖7 可知診床附近污染物濃度較高，故而將排風口設置于診床附近進行分體空調方案的優(yōu)化。

圖8 為分體空調優(yōu)化方案下診室內流線圖。結合圖4 對比可知，優(yōu)化方案下氣流受排風口引導流經診床附近而后通過排風口排出。

圖8 分體空調優(yōu)化方案下的流線圖Fig.8 Streamlines of optimized split type air-conditioner scheme

分體空調優(yōu)化方案下診室內污染物濃度分布如圖9 所示。優(yōu)化方案下診室內污染物濃度為0.005%。對比圖9 和圖7 可知，優(yōu)化方案下診室內污染物的擴散范圍與濃度都得到了顯著的改善。結合圖8 分析可知，排風口設置于診床附近可引導氣流流經高污染物濃度區(qū)域并及時排出從而增強了空調通風系統(tǒng)的污染物排放能力。

圖9 分體空調優(yōu)化方案下的污染物濃度云圖（%）Fig.9 Pollutant concentration contours of optimized split type air-conditioner scheme(%)

4 結論

本文采用數值計算研究了不同空調通風方案下診室內氣流組織，主要研究結論如下：

（1）在速度場和污染物濃度場方面分體空調方案顯著優(yōu)于多聯機方案，在溫度場和壓力場方面分體空調方案略優(yōu)于多聯機方案，因此診室應選擇分體空調方案。

（2）診室內部空間較小，多聯機方案下室內氣流較紊亂，污染物的擴散被增強且污染物不易被排出，因此相較于分體空調方案，在多聯機方案下診室內污染物的擴散范圍更廣并且濃度更高。

（3）將排風口設置在診床附近可有效提升空調通風方案污染物控制效果，采用此方法分體空調方案下污染物濃度從0.012%減小為0.005%。