輻射吊頂對負(fù)壓隔離ICU熱環(huán)境和排污效率的影響

何 平 錢 華 陳永強

（1 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 南京 210096；2 廣東呼研菲蘭科技有限責(zé)任公司 佛山 528200）

自疫情爆發(fā)以來，新型冠狀病毒已導(dǎo)致全球數(shù)十萬人死亡，目前仍有2 000多萬確診病例需要治療[1]。負(fù)壓隔離ICU是為傳染病重癥患者提供醫(yī)療護理的隔離場所，不僅要為重癥患者和醫(yī)護人員提供舒適衛(wèi)生的室內(nèi)環(huán)境，更需具有良好的氣流組織以防止醫(yī)患感染。GB 50849—2014《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計規(guī)范》[2]將負(fù)壓隔離病房和負(fù)壓隔離ICU歸為一類，具體的條例完全相同，兩者具有極大的相似性。目前對負(fù)壓隔離病房的研究較多，主要通過對病房的氣流組織形式進行CFD模擬[3-7]和實驗[3,5-7]，對負(fù)壓隔離ICU的研究則相對較少[8-9]。狄彥強等[3]和李安桂等[4]分別提出了圍簾式送風(fēng)和豎壁貼附加導(dǎo)流板送風(fēng)，并未研究人體發(fā)熱對于室內(nèi)環(huán)境的影響，故推薦采用下排風(fēng)口。而K. W. D. Cheong等[5]考慮熱羽流，但忽略了呼出氣體溫度的影響，研究結(jié)果顯示在通風(fēng)效率方面，側(cè)頂送風(fēng)另一側(cè)下回>頂送側(cè)下回>頂送頂回。凌繼紅等[6-7]考慮了人體的熱羽流和呼出氣體溫度，推薦采用上排風(fēng)。李勇[8]對負(fù)壓隔離ICU進行模擬，頂送下回系統(tǒng)均優(yōu)于側(cè)送下回系統(tǒng)，但未對上排風(fēng)進行討論。T. N. Verma等[9]模擬了不同換氣次數(shù)對ICU污染物的影響，但送排風(fēng)形式同樣也很重要。綜上，目前對負(fù)壓隔離ICU的研究以傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)為主，缺乏輻射吊頂?shù)膽?yīng)用研究，且對于排風(fēng)口的位置未達成統(tǒng)一意見。

輻射吊頂加新風(fēng)系統(tǒng)屬于溫、濕度獨立控制系統(tǒng)，無室內(nèi)風(fēng)機盤管，運行噪聲較小[10]，無凝結(jié)水，不會產(chǎn)生軍團菌[11]，較衛(wèi)生，適用于ICU環(huán)境。輻射吊頂配合新風(fēng)系統(tǒng)還可減少房間垂直溫差，提高人員舒適度[12-14]。章重洋等[15-16]研究表明較小的垂直溫差有利于減少氣溶膠的傳播，表明了輻射吊頂配合新風(fēng)系統(tǒng)在ICU防控方面的潛力。此外輻射吊頂配合新風(fēng)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能特性[11,17]，但缺點是存在結(jié)露風(fēng)險[12]，在實際工程中可通過制定合適的運行策略和改進輻射板物性來避免[18]。綜上所述，輻射吊頂加新風(fēng)系統(tǒng)具有衛(wèi)生、舒適、節(jié)能的特點，適用于負(fù)壓隔離ICU環(huán)境。

本文通過CFD模擬了夏冬兩季輻射吊頂加新風(fēng)系統(tǒng)在負(fù)壓隔離ICU中的應(yīng)用，研究了輻射吊頂供熱供冷量和排風(fēng)口高度對室內(nèi)熱環(huán)境和排污效率的影響。

圖1 ICU物理模型Fig.1 Physical model of ICU

1 研究方法

1.1 物理模型

建立的某負(fù)壓隔離ICU模型如圖1所示。病房配置2張病床，房間面積為33.5 m2，套內(nèi)高度為2.7 m。在病床之間安裝隔簾，使每個病床區(qū)域相對獨立，減少交叉感染，新風(fēng)分兩路送出, 一路送風(fēng)口設(shè)置在病床上方，另一路設(shè)在ICU醫(yī)護人員走廊處[19]。由于實際工程復(fù)雜，在模擬時需進行部分簡化，基本假設(shè)如下：

1）輻射毛細(xì)管均勻分布在吊頂之上。

2）患者口鼻簡化為5 cm×2 cm的長方形。輔助醫(yī)療設(shè)備簡化為0.6 m×0.6 m×1 m的立方體。床簡化為2.2 m×1.0 m×0.8 m的立方體。不再考慮房間其他物品對于氣流組織的影響。

3）為保證室內(nèi)負(fù)壓，排風(fēng)量會大于送風(fēng)量，剩下的風(fēng)量會由維護結(jié)構(gòu)縫隙進入室內(nèi)。假設(shè)該部分滲透風(fēng)量由門窗邊緣縫隙5 cm處均勻滲入。

4）用患者呼出CO2作為示蹤氣體[4,7]來模擬可能攜帶病毒的氣溶膠污染物的空間分布。

5）僅考慮顯熱負(fù)荷，不考慮相變潛熱負(fù)荷。混合氣體符合Boussinesq假設(shè)[4]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

模擬的控制方程包括：連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運方程，湍流采用RNGk-ε模型[7]，輻射采用DO輻射模型。

根據(jù)ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)[20]，由于人體發(fā)熱量為40 W/m2，不滿足PMV評價的條件。本文采用垂直溫差[14,20]和吹風(fēng)感指數(shù)[20]（draft rate，DR）來評價房間的熱環(huán)境。

（1）

式中：T1為房間1.1 m高度的平均溫度，℃；T2為房間0.1 m高度的平均溫度，℃；Δh為高度差，m。

DR=（34-T）（u-0.05）0.62（3.14+0.37uTi）

（2）

式中：T為局部溫度，℃；u為局部風(fēng)速，m/s；Ti為局部湍流強度，%。

本文采用排污效率ε[21-22]評價氣流組織的性能。

（3）

式中：Ce為排風(fēng)口污染物體積分?jǐn)?shù)；Cs為送風(fēng)口污染物體積分?jǐn)?shù)；Cb為病房內(nèi)醫(yī)護人員呼吸區(qū)（1.1～1.5 m）的污染物平均體積分?jǐn)?shù)。由于空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)運行，送風(fēng)口處污染物體積分?jǐn)?shù)為0，式（3）可變?yōu)椋?/p>

（4）

1.3 邊界條件和工況設(shè)置

考慮到重癥患者的舒適性，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度為26 ℃，冬季室內(nèi)設(shè)計溫度為24 ℃，相對濕度均設(shè)置為60%。最小換氣次數(shù)為12 h-1，房間送風(fēng)量比排風(fēng)量大150 m3/h[2]。

送風(fēng)采用4個0.6 m×0.6 m的層流送風(fēng)罩，邊界條件設(shè)置為velocity-inlet，送風(fēng)速度設(shè)置為0.21 m/s。排風(fēng)口尺寸為0.6 m×0.4 m，邊界條件設(shè)置為pressure-outlet。外窗縫隙設(shè)置為velocity-inlet，速度為0.03 m/s，夏季31.8 ℃、相對濕度68%，冬季5.2 ℃、相對濕度72%。其他房間縫隙設(shè)置為velocity-inlet，0.03 m/s，溫濕度為房間設(shè)計溫濕度。輻射吊頂設(shè)置為wall，熱流密度設(shè)置為輻射吊頂供冷供熱量。外窗邊界條件為wall，熱流密度設(shè)置為夏季124 W/m2、冬季-45 W/m2。中部的隔簾設(shè)置為wall（Coupled），傳熱不傳質(zhì)。其他墻面設(shè)置為絕熱邊界條件。ICU內(nèi)的輔助醫(yī)療設(shè)備功率為200 W/臺，表面設(shè)置熱流密度邊界。人員發(fā)熱為40 W/m2，表面設(shè)置熱流密度邊界?；颊呖诒窃O(shè)置為velocity-inlet，速度為0.5 m/s[23]，溫度為34 ℃[24]，CO2占4%，H2O占5%。模擬采用SIMPLE算法計算速度-壓力耦合。控制方程前3 000步采用一階迎風(fēng)離散格式提升計算速度，之后采用二階迎風(fēng)離散格式提高準(zhǔn)確性。利用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)描述近壁面湍流特性。當(dāng)能量方程殘差小于10-7，其他方程殘差小于10-3，認(rèn)為計算收斂。

工況設(shè)置如表1所示。新風(fēng)系統(tǒng)或輻射吊頂?shù)呢?fù)荷分擔(dān)策略為：1）新風(fēng)承擔(dān)全部的冷熱負(fù)荷，不開啟輻射吊頂（Strategy 1，S1）；2）新風(fēng)處理到房間溫濕度，其余冷熱負(fù)荷由輻射吊頂承擔(dān) （Strategy 2，S2）；3）新風(fēng)處理至低于房間設(shè)置溫度2 ℃，其余冷熱負(fù)荷由輻射吊頂承擔(dān) （Strategy 3，S3）。排風(fēng)口高度設(shè)置為0.1 m（lower exhaust outlet，LE）和1.9 m[3-4,7]（upper exhaust outlet，UE）。

表1 工況設(shè)置Tab.1 Setting of conditions

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性和模型驗證

為使計算更加準(zhǔn)確，已對患者口鼻、送風(fēng)口、排風(fēng)口、門窗縫隙的網(wǎng)格適當(dāng)加密。為驗證網(wǎng)格無關(guān)性，分別采用90萬、135萬、226萬網(wǎng)格數(shù)進行模擬。模擬的房間垂直方向溫度如圖2所示。采用135萬網(wǎng)格數(shù)即可在消耗較小的計算資源下保證計算精度。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Fig.2 Grid independence test

為驗證計算模型的準(zhǔn)確性，采用相同的計算模型對實驗[14]的輻射吊頂加混合通風(fēng)實驗工況（房間冷負(fù)荷為83 W/m2，換氣次數(shù)為14.4 h-1）進行模擬。模擬結(jié)果如圖3所示，模擬與實驗在大部分測點溫度相差小于0.5 ℃，在CO2垂直分布的趨勢上保持一致，模型較為準(zhǔn)確，可以用于評估室內(nèi)熱環(huán)境和排污效率。

圖3 模型驗證Fig.3 Model validation

2 結(jié)果與討論

2.1 輻射吊頂供冷供熱量對熱環(huán)境的影響

不同工況下房間平均溫度和垂直溫差如表2所示。夏季排風(fēng)口高度為0.1 m時，采用輻射吊頂可使垂直溫差降低18%～55%。夏季排風(fēng)口高度為1.9 m時，采用輻射吊頂可使垂直溫差降低5%～58%。冬季不使用輻射吊頂時，垂直溫差可達2 ℃/m以上。冬季排風(fēng)口高度為0.1 m時，采用輻射吊頂也可使垂直溫差降低42%～59%。冬季排風(fēng)口高度為1.9 m時，采用輻射吊頂可使垂直溫差降低7%～43%。夏冬兩季，室內(nèi)的垂直溫差均會隨輻射吊頂供冷供熱量的增加而減少。

表2 房間平均溫度和垂直溫差Tab.2 Room average temperature and vertical temperature difference

不同工況下患者附近吹風(fēng)感指數(shù)如圖4所示。所有工況下的吹風(fēng)感指數(shù)（DR）均在ISO 7730—2005的推薦范圍（<20%）內(nèi)。夏季使用輻射吊頂可使DR下降68%～86%，且DR隨著輻射吊頂供冷量的增加而下降。冬季使用輻射吊頂可使DR升至10%～16%，且隨著輻射吊頂供熱量的提高，送風(fēng)溫度下降，空氣流速增加，DR上升。

圖4 不同工況下的吹風(fēng)感指數(shù)Fig.4 Draft rate under different conditions

圖5 不同工況下的排污效率Fig.5 Contaminant removal efficiency under different conditions

2.2 輻射吊頂供冷供熱量對排污效率的影響

不同工況下排污效率如圖5所示。夏季排風(fēng)高度為0.1 m時，使用輻射吊頂會使排污效率下降13%～16%。夏季排風(fēng)高度為1.9 m時，使用輻射吊頂會使排污效率下降20%～50%，且隨著輻射吊頂供冷量的提高，排污效率下降。冬季排風(fēng)高度為0.1 m時，使用輻射吊頂會使排污效率下降34%～38%。冬季排風(fēng)高度為1.9 m時，使用輻射吊頂會使排污效率提升43%～59%，且隨著輻射吊頂供熱量的提高，排污效率增大。

夏季排風(fēng)高度為1.9 m時，不同輻射吊頂供冷量下z=1.56 m（即圖1中左側(cè)病床中心截面）風(fēng)速分布如圖6所示。隨著輻射吊頂承擔(dān)的冷負(fù)荷增加，送風(fēng)溫度變高，與房間空氣的密度差變小，送風(fēng)的定向性變?nèi)?。氣流組織會由類置換通風(fēng)（圖6（a））變?yōu)榛旌贤L(fēng)（圖6（c）），從而使排污效率下降。夏季排風(fēng)高度為0.1 m時，排污效率也會因氣流的定向性變?nèi)醵陆怠?/p>

冬季排風(fēng)高度為1.9 m時則與夏季相反，隨著輻射吊頂供熱量的提高，增加送風(fēng)與房間空氣的密度差大，有利于增強送風(fēng)的定向性，從而提高排污效率。而冬季在排風(fēng)高度為0.1 m時，雖然隨著輻射吊頂?shù)氖褂茫惋L(fēng)定向性增強，但由于患者呼出的污染氣體與周圍空氣的密度差較大，更易向上運動，從而造成在冬季排風(fēng)高度為0.1 m時排污效率下降。

圖6 夏季不同輻射吊頂供冷量下z=1.56 m風(fēng)速分布Fig.6 Velocity distribution under different cooling capacity of the radiation ceiling in summer at z=1.56 m

2.3 排風(fēng)口高度對熱環(huán)境和排污效率的影響

由表2可知，其他條件相同時，排風(fēng)口高度為1.9 m時房間平均溫度比排風(fēng)口高度為0.1 m，在夏季低0.3～0.5 ℃，在冬季低0.9～1.2 ℃。這是因為房間存在垂直溫差，排風(fēng)口高度為1.9 m的排風(fēng)溫度會更高，有利于夏季室內(nèi)熱空氣的排出，但會造成冬季能量的部分浪費。

由表2可知，夏季不使用輻射吊頂時，排風(fēng)高度為0.1 m時的排污效率為排風(fēng)高度1.9 m時的48%。使用輻射吊頂制冷時，排風(fēng)口高0.1 m時的排污效率為排風(fēng)口高1.9 m時的51%～84%。冬季不使用輻射吊頂時排風(fēng)高度0.1 m時的排污效率為排風(fēng)高度1.9 m時的62%。而使用輻射吊頂供暖時，排風(fēng)高度0.1 m時的排污效率為排風(fēng)高度1.9 m時的26%～27%。排風(fēng)口高度不同時房間污染物分布如圖7所示。雖然換氣次數(shù)達到12 h-1,但不足以抑制人體熱羽流的作用，該結(jié)果與Yang Caiqing等[25]的研究保持一致。病患呼出的污染氣體仍會在自身熱浮力和人體熱羽流的共同作用下向上移動。如圖7（a）所示，在排風(fēng)高度為1.9 m時，污染物會向上移動后直接被排出。如圖7（b）所示，在排風(fēng)高度為0.1 m時，污染物則會先上升，再被送風(fēng)氣流卷吸向下，污染物在房間滯留時間較長，增加了醫(yī)護人員感染的風(fēng)險。因而在一定的風(fēng)量條件下，排風(fēng)口高為1.9 m時會更有利于房間污染物的排出。

圖7 夏季房間污染物分布Fig.7 Contaminant distribution in summer

3 結(jié)論

本文對冬夏兩季輻射吊頂加新風(fēng)系統(tǒng)在負(fù)壓隔離ICU中的應(yīng)用進行了模擬研究，結(jié)合實驗結(jié)果驗證了模擬的準(zhǔn)確性，并對輻射吊頂供冷供熱量和排風(fēng)口高度進行了討論。得到結(jié)論如下：

1）夏季工況時，隨著輻射吊頂供冷量的提高，房間垂直溫差會減少5%～58%，患者附近吹風(fēng)感指數(shù)下降68%～86%，但排污效率也會降低13%～50%。夏季排風(fēng)口設(shè)置在房間上部有利于氣態(tài)污染物和房間熱量的排出。

2）冬季輻射吊頂配合上排風(fēng)可使房間垂直溫差降低7%～43%，同時使排污效率提高43%～59%，而輻射吊頂配合下排風(fēng)反而會造成房間內(nèi)部污染物的聚集。

3）兼顧人員舒適度和排污情況，推薦的運行工況為S3+UE，即送風(fēng)溫度低于房間設(shè)置溫度2 ℃，開啟輻射吊頂處理剩下的冷負(fù)荷配合上排風(fēng)。在該工況下夏季患者附近吹風(fēng)感下降86%，提高人員舒適度，且輻射吊頂供冷量相對較小，減少了結(jié)露風(fēng)險。冬季可以使房間垂直溫差降低43%的同時提高排污效率34%，減少醫(yī)護人員感染的風(fēng)險。