數(shù)字化技術(shù)在醫(yī)院建筑綠色健康環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)踐

文｜太原中醫(yī)醫(yī)院 王力文

在實(shí)際的醫(yī)院房間中，空氣參數(shù)（例如速度、溫度和濃度等）的分布是不均勻的[1-2]。為了保證室內(nèi)熱環(huán)境的舒適程度，需要對(duì)房間內(nèi)部的空氣環(huán)境進(jìn)行精細(xì)化模擬[3-4]。本文基于計(jì)算流體力學(xué)CFD 的方法，對(duì)于我國(guó)寒冷熱工氣候區(qū)中醫(yī)院建筑夏季空調(diào)冷卻工況下的典型病房房間進(jìn)行數(shù)值模擬；同時(shí)采用建筑室內(nèi)環(huán)境熱評(píng)價(jià)參數(shù)比較不同送回風(fēng)模式的實(shí)際效果。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，給出工程設(shè)計(jì)建議，同時(shí)也對(duì)于其它氣候分區(qū)醫(yī)院病房空調(diào)氣流組織數(shù)值設(shè)計(jì)提供范例。

1.計(jì)算方法介紹

計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)是空間離散和納維-斯托克斯方程的仿真預(yù)測(cè)工具，用于求解流體的參數(shù)在時(shí)間和空間分布問(wèn)題。CFD的開(kāi)發(fā)源于航空科技，后來(lái)逐漸擴(kuò)展到土木、電子、環(huán)境、機(jī)械、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[5-6]。近年來(lái)，CFD 在建筑環(huán)境中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，是建筑性能分析的有手段（包括環(huán)境、能耗、力學(xué)等）。相對(duì)于實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究，其成本更低、信息更多、功能更強(qiáng)。CFD 通常包含如下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：構(gòu)建幾何模型、空間區(qū)域離散、數(shù)理模型選擇、數(shù)值仿真迭代、數(shù)據(jù)后處理等。

2.計(jì)算結(jié)果

本文以某醫(yī)院住院樓典型病房的單人間、雙人間和三人間為典型案例進(jìn)行分析，具體的數(shù)值模擬步驟包括房間建模策略、網(wǎng)格策略、計(jì)算流程策略、初步計(jì)算等。圖1展示了頂送頂回工況下的三種病房布局和送回風(fēng)口位置。送風(fēng)模式都是頂送頂回，不同之處在于病床的大小不同。根據(jù)病人的數(shù)量不同，每個(gè)房間的送風(fēng)速度不同；室外環(huán)境溫度設(shè)置為30 攝氏度，送風(fēng)溫度是21 攝氏度。本文醫(yī)院位于我國(guó)北方地區(qū)，熱工分區(qū)整體上屬于寒冷地區(qū)（如山西太原），故夏季室外溫度選取30 攝氏度，而非我國(guó)南方炎熱高溫氣候。對(duì)于該醫(yī)院環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，夏季采用空調(diào)降溫模式，冬季采用換熱器采暖模式（熱舒適程度好且節(jié)能經(jīng)濟(jì)），春秋等過(guò)度季節(jié)則直接采用自然通風(fēng)模式。本文的研究重點(diǎn)是該熱工氣候分區(qū)下的醫(yī)院病房夏季空調(diào)降溫模式。對(duì)于其它環(huán)境調(diào)控模式，將在未來(lái)研究之中進(jìn)行詳細(xì)分析，且不是本文的研究重點(diǎn)內(nèi)容。當(dāng)前醫(yī)院病房外墻厚度45 cm，采用帶有保溫屬性的鋼筋混凝土材料。

圖1 醫(yī)院住院樓典型病房的布局和送回風(fēng)模式

圖2展示了三種病房?jī)?nèi)距離墻面距離為1.8m 平面的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，此平面的截面位置包含了病床。由于送風(fēng)口設(shè)置在房間頂部，病床上的病人會(huì)有嚴(yán)重的吹風(fēng)感。這對(duì)于病人的熱舒適和健康是極為不利的。當(dāng)然，通過(guò)調(diào)整送風(fēng)口和病床的相對(duì)位置可以減緩吹風(fēng)感。但這樣做有兩點(diǎn)隱患：一是施工條件不一定允許；二是在房間中走動(dòng)的人員的熱舒適很難保證。因此，盡管頂送頂回的方式施工容易，但對(duì)于醫(yī)院房間的整體熱舒適是極為不利的。

圖2 醫(yī)院住院樓典型病房頂送頂回模式下的模擬結(jié)果（垂直面）

圖3展示了三種病房?jī)?nèi)距離地面高度為1.8m 平面的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。由于送風(fēng)口設(shè)置在房間頂部，病床上的病人會(huì)有嚴(yán)重的吹風(fēng)感。這對(duì)于病人的熱舒適和健康是極為不利的。水平截面的結(jié)果很難分析出較為有用的結(jié)論。因此，采用包含床位的垂直截面數(shù)據(jù)更為合理。

圖3 醫(yī)院住院樓典型病房頂送頂回模式下的模擬結(jié)果（水平面）

本文發(fā)現(xiàn)醫(yī)院房間內(nèi)頂送頂回的模式存在吹風(fēng)感等問(wèn)題。因此，我們推薦側(cè)側(cè)送頂回的模式，如圖4所示。送風(fēng)口在墻壁側(cè)，但是回風(fēng)口在頂部，這也是有利于施工的。本文以醫(yī)院住院樓典型病房的雙人間為典型案例進(jìn)行分析，具體的數(shù)值模擬步驟包括房間建模策略、網(wǎng)格策略、計(jì)算流程策略、初步計(jì)算等。室外環(huán)境溫度設(shè)置為30 攝氏度，送風(fēng)溫度是21 攝氏度；房間的換氣次數(shù)是6 次。我們?cè)诒ＷC總的送風(fēng)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變送風(fēng)口尺寸以改變送風(fēng)速度。本文模擬了三種送風(fēng)速度下的雙人間工況，包括0.8 m/s,1.0 m/s,1.3 m/s。本文采用兩個(gè)不同的熱評(píng)價(jià)指標(biāo)以評(píng)價(jià)不同的送風(fēng)模式，包括PMV 和PPD。PMV（Predicted Mean Vote）是指預(yù)測(cè)平均評(píng)價(jià)指標(biāo)，同空氣溫度、濕度、速度、輻射溫度、衣服熱阻等緊密相關(guān)。PMV 指標(biāo)表明群體對(duì)于（+3～-3）七個(gè)等級(jí)熱感覺(jué)投票的平均指數(shù)。PMV 數(shù)值越大，人體熱感覺(jué)越偏熱；PMV 數(shù)值越小，人體熱感覺(jué)越偏冷；PMV接近于0，則室內(nèi)環(huán)境越舒適。PPD 是人體熱舒適不滿意百分比，此比例越大則越多的人不滿意，建筑熱環(huán)境質(zhì)量越差。

圖4 醫(yī)院住院樓典型病房的布局和送回風(fēng)模式

圖5展示了雙人病房?jī)?nèi)距離墻面距離為1.8m 平面的PMV 場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，此平面的截面位置包含了病床。由于送風(fēng)口設(shè)置在房間側(cè)頂部，病床上的病人沒(méi)有嚴(yán)重的吹風(fēng)感。盡管病房房間內(nèi)部有一定的熱分布不均勻性，但PMV 在正負(fù)0.5 之間波動(dòng)，滿足病人熱舒適的要求。在吹風(fēng)感方面，算例2(送風(fēng)速度為1 m/s 時(shí))的空間整體吹風(fēng)感最弱?？紤]到工程的實(shí)際性質(zhì)，本團(tuán)隊(duì)認(rèn)為采用1.0 m/s 的送風(fēng)速度是最優(yōu)工況。送風(fēng)速度偏高，吹風(fēng)感來(lái)源于較強(qiáng)的射流；送風(fēng)速度偏低，吹風(fēng)感來(lái)源于較強(qiáng)的射流；送風(fēng)速度偏低，吹風(fēng)感則來(lái)源與冷空氣的下沉。因此，存在最優(yōu)的氣流組織設(shè)置。

圖5 醫(yī)院住院樓典型病房側(cè)送頂回模式下的模擬結(jié)果（垂直面/PMV）

圖6展示了雙人病房?jī)?nèi)距離墻面距離為1.8m 平面的PPD 場(chǎng)和速度場(chǎng)分布。結(jié)果顯示病人區(qū)域和房間整體區(qū)域的熱感覺(jué)不滿意率低于10%；整體上看病房?jī)?nèi)部空氣速度較低，不會(huì)給人員（包括醫(yī)生、病人、以及家屬等）造成顯著的吹風(fēng)冷感以及熱不滿意問(wèn)題。綜上，醫(yī)院建筑房間中的側(cè)送頂回氣流組織模式滿足熱舒適需求。

圖6 醫(yī)院住院樓典型病房側(cè)送頂回模式下的模擬結(jié)果（垂直面/PPD）

本文針對(duì)夏季空調(diào)的冷卻工況進(jìn)行數(shù)值設(shè)計(jì)，通過(guò)向病房送入冷風(fēng)以有效去除建筑室內(nèi)的產(chǎn)熱量。通過(guò)CFD 手段對(duì)于病房室內(nèi)氣流組織系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，有效保證了室內(nèi)的熱舒適程度，并降低了不滿意百分比。本文還通過(guò)數(shù)值方法探究了醫(yī)院不同墻體厚度的影響（當(dāng)前外墻厚度45 cm，本文計(jì)算了49 cm 和54 cm 兩個(gè)工況）。模擬結(jié)果顯示，增加墻體厚度對(duì)于建筑熱環(huán)境影響小于5%且可以忽略，其主要原因是墻體厚度較大對(duì)于建筑室外熱流，故當(dāng)前基于建筑標(biāo)準(zhǔn)化的病房墻體設(shè)計(jì)可以滿足建筑熱工設(shè)計(jì)要求。本研究主要聚焦于我國(guó)寒冷地區(qū)醫(yī)院病房夏季空調(diào)工況的室內(nèi)通風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)，其相關(guān)方法并不適用于其它工況，例如冬季采暖工況和春秋過(guò)渡季自然通風(fēng)工況。對(duì)于采暖工況，需要發(fā)展相應(yīng)的輻射制熱模擬方法；而對(duì)于自然通風(fēng)工況，需針對(duì)開(kāi)窗形式的不同發(fā)展基于建筑室內(nèi)外耦合仿真預(yù)測(cè)的混合式流體力學(xué)方法。

3.結(jié)論

本文采用CFD 數(shù)值模擬的方法比較了醫(yī)院病房中頂送頂回和側(cè)送頂回的氣流組織模式以及熱舒適情況。結(jié)果顯示側(cè)送頂回可以滿足熱舒適需求，同時(shí)也方便實(shí)際工程施工。