負(fù)壓隔離病房氣流組織及顆粒擴(kuò)散行為模擬研究

譚福太，林 海，李宗錕，謝方靜，余榮學(xué)，廖艷芬

（1.廣州匯錦能效科技有限公司，廣州 510665；2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640）

2020年年初以來，世界各地受到了新冠病毒（Covid-19）肺炎疫情的沖擊，不僅阻礙全球各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還嚴(yán)重威脅人類的生命健康[1]?？梢灶A(yù)見，我國新冠肺炎疫情防控正朝著常態(tài)化發(fā)展。為了遏制疫情擴(kuò)散和給予患者有效治療，有必要在醫(yī)院建設(shè)更多的負(fù)壓隔離病房?？紤]到占地面積和建設(shè)成本等實(shí)際因素，將部分普通病房改造成負(fù)壓隔離病房有一定優(yōu)勢。根據(jù)《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版）》[2]，新型冠狀病毒的主要傳播途徑是呼吸道飛沫和密切接觸傳播。若病房的氣流組織方式不合理，病毒顆粒無法被快速清除，將導(dǎo)致醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險大大增加。因此，需要合理設(shè)計(jì)氣流組織方式，防止交叉感染，保障醫(yī)護(hù)人員的身體健康。

國內(nèi)外學(xué)者對負(fù)壓隔離病房的氣流組織形式及顆粒擴(kuò)散行為進(jìn)行了許多研究。吳鑫等[3]研究了單條縫貼附送風(fēng)、對側(cè)條縫貼附送風(fēng)、百葉風(fēng)口送風(fēng)及置換送風(fēng)4種送風(fēng)方式下污染物的排除效果，其中置換送風(fēng)的效果較好。Lu等[4]考察了咳痰顆粒在層式通風(fēng)、置換通風(fēng)和混合通風(fēng)下的分布特征。結(jié)果表明，層式通風(fēng)50μm粒徑液滴的控制效果更好，較高的氣流速度可以促進(jìn)50μm粒徑液滴的沉積。為了降低醫(yī)護(hù)人員在病房工作時的感染風(fēng)險，部分研究者建議采用工作區(qū)保護(hù)通風(fēng)方式[5]。Wang等[6]在優(yōu)化通風(fēng)布置的基礎(chǔ)上，提出了在醫(yī)護(hù)人員與病患之間加裝風(fēng)幕的方法，以加強(qiáng)對醫(yī)務(wù)人員的額外保護(hù)。我國GB/T35428—2017《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》[7]規(guī)定送風(fēng)口和排風(fēng)口應(yīng)分別設(shè)置在房間上部和病床床頭附近，以利于污染空氣盡快排出。

可見，負(fù)壓隔離病房的氣流組織和污染物顆粒擴(kuò)散的研究是當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但還處于探索階段，不同病房通風(fēng)布局條件下氣流組織存在較大的不同。此外，換氣次數(shù)和房間相對濕度的變化也會對污染物擴(kuò)散產(chǎn)生一定影響。為了能夠更好地解決醫(yī)護(hù)人員交叉感染風(fēng)險的問題，還需要?dú)饬鹘M織方式和各種影響因素作進(jìn)一步研究。本文采用CFD數(shù)值模擬方法，研究了通風(fēng)口位置對流場和污染物顆粒的傳播擴(kuò)散的影響，并分析了不同換氣次數(shù)和房間相對濕度下的污染物質(zhì)量濃度變化，為隔離病房氣流組織的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 研究方法

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

本文以廣州市某醫(yī)院單人隔離病房為研究對象，其尺寸為4.3 m×3.5 m×2.8 m。病房中間放置一張病床（2 m×1 m×0.5 m），其上病人簡化為方塊模型，嘴巴用矩形替代。病房安裝有3道門，分別通向緩沖間、衛(wèi)生間和患者走廊，門底部留有5 mm高的縫隙。由于墻板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性較好，滲透風(fēng)量僅從門縫進(jìn)入病房。4種通風(fēng)方案如圖1所示。其中，送、排風(fēng)口的尺寸分別為340 mm×340 mm和300 mm×240 mm。

圖1 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

采用四面體網(wǎng)格劃分物理模型，并在風(fēng)口、人體和門縫等速度和溫度梯度較大的區(qū)域進(jìn)行局部加密。為提高數(shù)值模擬計(jì)算的精度，劃分的網(wǎng)格數(shù)量為181萬。

1.2 模擬方法與邊界條件

由于室內(nèi)氣流普遍為湍流，工程上常采用兩方程模型來進(jìn)行計(jì)算。本文選用RNGk-ε兩方程模型作為病房氣流組織模擬的湍流模型，以獲得更精確的流場結(jié)果。為了模擬污染物的擴(kuò)散分布，采用離散相DPM模型進(jìn)行計(jì)算，并考慮液滴顆粒的蒸發(fā)效應(yīng)。

將各送風(fēng)口設(shè)為速度進(jìn)口，排風(fēng)口設(shè)為壓力出口。按照設(shè)計(jì)要求，緩沖間、隔離病房、衛(wèi)生間和患者走廊的壓力分別為-20、-25、-30、-15 Pa?；颊咦彀驮O(shè)為速度進(jìn)口，呼氣速度為0.5 m/s[8]，溫度為36℃[9]。液滴顆粒隨嘴巴氣流持續(xù)噴出，其蒸發(fā)性組分（水）的體積分?jǐn)?shù)為87.5%[10]。其他邊界條件根據(jù)病房實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置，見表1。

表1 邊界條件設(shè)置

2 結(jié)果與分析

2.1 流場分析

各方案的速度流場情況如圖2所示?？梢钥闯?，病房內(nèi)整體處于混合流動狀態(tài)。方案一、三的氣流由天花板頂送入房間，撞擊地面后速度下降，并向四周擴(kuò)散。一部分氣流回流至天花板，另一部分氣流在病床下部形成旋流，未能及時排出。方案一的排風(fēng)口在病房兩側(cè)，部分氣流未經(jīng)過病人上方空間而被直接排出，無法充分起到稀釋和排除污染物的作用。方案三由于排風(fēng)口在病人兩側(cè)附近，能夠引導(dǎo)更多的氣流經(jīng)過病人口鼻上方。對于方案二和四，由于重力的作用，送風(fēng)氣流的高度隨著擴(kuò)散而下降。氣流夾帶周圍空氣，在射流周圍形成再循環(huán)流。大部分氣流經(jīng)過病人上方，形成較好的氣流組織。其中，方案四的排風(fēng)口更靠近患者，混合病原體的污染空氣能被更快排出，減小其在房間的擴(kuò)散程度，從而保護(hù)醫(yī)護(hù)人員。

圖2 各方案速度流線圖

2.2 顆粒分布及質(zhì)量濃度分析

污染物顆粒持續(xù)噴出500 s后的擴(kuò)散分布情況如圖3所示。顆粒在送風(fēng)氣流的混合與稀釋下，逐漸向整個房間擴(kuò)散。相比方案一，其余3種方案的顆粒數(shù)量有不同程度的減少，即顆粒排除能力更強(qiáng)。由于氣流影響，方案二、方案三、方案四的顆粒偏向一側(cè)流動，導(dǎo)致該處顆粒較為密集，增加了醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險，后期可通過調(diào)整排風(fēng)口面積或風(fēng)速配比等方式加以改善。

圖3 各方案顆粒分布圖

氣流組織形式對病房顆粒質(zhì)量濃度的影響見表2。其中，呼吸區(qū)域指醫(yī)護(hù)人員一般的呼吸空間，位于病房高度為1.3~1.5 m的區(qū)域?？梢姡桨杆南碌牟》空w和醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的顆粒質(zhì)量濃度最低，分別比方案一減少約59.9%和57.8%。值得注意的是，方案二、方案四的顆粒質(zhì)量濃度明顯低于其他2種方案，原因是送風(fēng)口的側(cè)向布置能將大量潔凈氣流送入患者口鼻區(qū)域，增強(qiáng)了污染物排除效果。另外，方案四中排風(fēng)口距離患者較近，相當(dāng)一部分?jǐn)y帶污染物的空氣能被直接排出，減少了污染物在病房內(nèi)的停留時間，從而降低了顆粒質(zhì)量濃度。因此，選擇方案四的氣流組織形式較為適宜。

表2 500 s時不同氣流組織方案下的顆粒質(zhì)量濃度

2.3 換氣次數(shù)、送風(fēng)相對濕度分析

換氣次數(shù)的變化能改變房間氣流速度，進(jìn)而影響污染物顆粒的擴(kuò)散分布；送風(fēng)相對濕度的變化能改變顆粒的蒸發(fā)速率，也會對其擴(kuò)散與排除產(chǎn)生一定影響。

在方案四的基礎(chǔ)上，考察了不同換氣次數(shù)下的污染物顆粒質(zhì)量濃度變化，見表3。結(jié)果表明，換氣次數(shù)從8 ACH提高到12 ACH，病房整體和醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的顆粒質(zhì)量濃度分別減少27.2%和21.5%，效果較好。然而，換氣次數(shù)大于12 ACH時，病房顆粒質(zhì)量濃度變化不明顯，且略有增加。這是因?yàn)轱L(fēng)速增大后加劇了顆粒在病房內(nèi)的四處擴(kuò)散，增加了其停留時間，反而降低了排除效率。從另一個角度看，提高換氣次數(shù)需要增大風(fēng)機(jī)功率，導(dǎo)致能耗增加。因此，在該氣流組織形式下，選擇12 ACH的換氣次數(shù)較為適宜。

表3 500 s時不同換氣次數(shù)下的顆粒質(zhì)量濃度

送風(fēng)相對濕度變化對污染物顆粒質(zhì)量濃度趨勢的影響見表4。結(jié)果表明，送風(fēng)相對濕度從30%提高到90%，病房整體和呼吸區(qū)域的顆粒質(zhì)量濃度均略有減少，即分別減少11.8%和8.1%。這是因?yàn)樵诘拖鄬穸葪l件下，顆粒水分的蒸發(fā)時間減短，體積迅速變小，可以作為穩(wěn)定的氣溶膠懸浮在空氣中較長時間，不利于從病房中清除。由于液滴本身粒徑較小，蒸發(fā)時間較短，所以，濕度引起的液滴粒徑或體積變化較小。在調(diào)整氣流組織形式和換氣次數(shù)的基礎(chǔ)上，可利用加濕器增加病房的相對濕度，以進(jìn)一步降低污染物質(zhì)量濃度，減小醫(yī)護(hù)人員被感染的概率。

表4 500 s時不同送風(fēng)相對濕度下的顆粒質(zhì)量濃度

3 結(jié)論

（1）病房內(nèi)氣流組織處于混合流動狀態(tài)，室內(nèi)氣流組織狀況隨通風(fēng)口布置有所差異。方案二和方案四中，側(cè)向送風(fēng)保證有大量新風(fēng)流向患者口鼻區(qū)域，裹挾污染物并排出，形成良好的氣流組織。

（2）從污染物的分布擴(kuò)散來看，方案四最佳，方案二次之，其余方案效果一般。在方案四中，送風(fēng)口的位置能形成良好的氣流組織以高效排除污染物。同時，排風(fēng)口靠近患者，有利于污染物的直接排除，降低其擴(kuò)散程度。

（3）換氣次數(shù)從8 ACH提高到12 ACH時，污染物顆粒排除效率提高，質(zhì)量濃度有所降低。然而，繼續(xù)提高換氣次數(shù)時，效果不明顯。提高送風(fēng)相對濕度能降低顆粒的蒸發(fā)速率，從而在一定程度減少病房內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度。為了降低醫(yī)護(hù)人員被感染的風(fēng)險，建議選擇12 ACH的換氣次數(shù)，以及適當(dāng)提高送風(fēng)相對濕度。