鄭曉紅，錢華，劉荔

(1. 東南大學 能源與環(huán)境學院，江蘇 南京，210096；2. 香港大學 機械工程系，中國香港)

自從SARS爆發(fā)和H1N1甲型流感的流行，人們更加關(guān)注室內(nèi)環(huán)境[1-3]。目前使用的中央空調(diào)系統(tǒng)按照使用的空氣來源可分為全新風系統(tǒng)和部分新風系統(tǒng)；按照其氣流組織發(fā)生可分為混合通風方式和置換通風方式。研究證明加大通風量能夠有效降低交叉感染率[4]。當中央空調(diào)及相應的通風系統(tǒng)應用于具有空氣或飛沫傳染病的病房時，由于傳染性病毒是以點源形式分布，以病人的呼出空氣及飛沫為污染源，在常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的氣流推動下，傳染性病毒在病房中大面積擴散，易引起醫(yī)護人員的交叉感染[5-7]。尤其是新風量偏低的常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)，不僅不能起到空氣凈化作用，相反還加快了病毒的對流和擴散傳播。而若大幅提高新風量，雖然可以有效降低空氣傳染病的概率，但需要加大能耗，增加空氣處理成本，增大室內(nèi)噪音，而且也不能達到完全降低空氣傳染病感染概率的效果。若在病房的空調(diào)系統(tǒng)中安裝普通的空氣凈化裝置，病毒在進入殺菌裝置前，實際上已經(jīng)在病房中對流和擴散傳播，所以，即使在回風口或空調(diào)箱中加裝了空氣凈化裝置，也起不到徹底清除污染源、徹底殺菌和空氣凈化的作用。將送風口和調(diào)控器布置在人員附近的個性化送風通風系統(tǒng)，由于其可單獨和靈活地控制，有助于提高呼吸區(qū)的空氣質(zhì)量，并具有相當?shù)墓?jié)能潛力，近年來得到大量研究，并應用于歌劇院、影城和大型辦公室等場所[8-12]。Sekhar等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在房間溫度為26 ℃的偏熱環(huán)境中，大多數(shù)人可通過個性化通風調(diào)節(jié)來創(chuàng)造熱舒適微環(huán)境。Bauman等[14]模擬了加利福尼亞州氣候條件下1個辦公室的全年能耗，桌面式的個性化送風系統(tǒng)可減少 18%的制冷能耗和 9%的總電耗。這些個性化送風系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)混合通風能耗大、置換通風容易產(chǎn)生局部不舒適感等問題。但個性化通風系統(tǒng)也有增加人與人之間呼吸道傳染病(如非典病毒和流感病毒等)傳播的風險。以往傳統(tǒng)的個性化送風系統(tǒng)僅僅是提供了送風的個性化，沒有提供排風問題的個性化，未能及時排出攜帶傳染性病毒病菌的空氣，從而造成室內(nèi)空氣的污染，進而對易感人群在固定位置時易發(fā)生二次送風污染，不能保證脫離了固定區(qū)域人員的安全問題。迄今為止，雖然還未出現(xiàn)大量個性化通風系統(tǒng)的工程應用，但眾多個性化送風末端裝置的研發(fā)為其在將來的實際應用提供了理論和實驗依據(jù)。為此，本文作者研究了一種可預防空氣途徑傳染病的發(fā)散源可控的局部空調(diào)個性化通風裝置，將個性化送風和個性化排風結(jié)合起來，從而既可以給易感者提供新風，又能夠及時地將傳染病人呼出的帶有病毒的氣體及時排除。其作為空調(diào)系統(tǒng)末端，能夠應用于高危險性和高空氣傳染性的病房中。通過對其氣流組織和空氣流動的情況進行計算流體力學CFD模擬，得到該個性化通風方式的氣流組織形態(tài)，以分析帶有病毒的氣體在病房內(nèi)的流動途徑，從而驗證在借助個性化排風系統(tǒng)后能夠從源頭捕捉空氣途徑傳播的傳染病病毒，使得病房內(nèi)其他區(qū)域的空氣質(zhì)量不受影響。

1 個性化通風系統(tǒng)

個性化通風末端包括個性化送風及個性化排風系統(tǒng)2個部分。這種純新風個性化送風系統(tǒng)可通過單獨調(diào)節(jié)送風溫度、吹風方向和送風速度來滿足病人不同活動狀態(tài)以及平躺需要，并保證舒適性。裝置示意圖如圖1所示。送風口安裝在病人頭部位置的左、右兩側(cè)，采用活動百葉來改變送風方向，采用變風量風機來改變送風風速；回風系統(tǒng)采用粗效過濾器和高效過濾器對回風進行二次過濾，經(jīng)過空氣凈化處理單元進行徹底殺菌，凈化后的回風引入集中回風管路排向室外。

圖1 病房內(nèi)個性化送風裝置示意圖Fig.1 Illustration of personalized ventilation system in ward

2 CFD模擬的數(shù)學和物理模型

2.1 數(shù)學模型

采用計算流體力學方法計算氣流流場和污染物的體積分數(shù)分布，通過有限體積法數(shù)值求解Navier-Stocks方程組[15]來獲得空氣流場、溫度場和污染物分布，其控制方程如下：

其中：ρ為密度；φ為通用變量，指連續(xù)性方程、速度、溫度和污染物體積分數(shù)等(見表 1)；V為速度矢量，V=ui+vj+wk，u，v，w為x，y，z方向的速度值，i，j，k為x，y，z方向的單位矢量；τ為時間；Γ為廣義的擴散系數(shù)；Sφ為廣義源項。

為保證計算結(jié)果收斂，在空氣流動密度變化不大的情況下，空氣密度采用Boussinesq假設：

其中：ρ0為流體的參考密度，取20 ℃時的空氣密度；α為膨脹系數(shù)，其數(shù)值取(1/T)；ΔT為溫差。

采用RNGk-ε方程計算湍流黏度，具體的計算方法見表 1所列的公式。表1中：Gk=μtS；Gb=特數(shù)

本研究進行的是穩(wěn)態(tài)模擬，故式(1)左邊第1項為0。采用Gambit建立幾何結(jié)構(gòu)和劃分網(wǎng)格，并分別用2.0×105，3.0×105和5.0×105的網(wǎng)格數(shù)劃分對模型進行網(wǎng)格獨立性驗證，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為3.0×105。采用通用的計算流體力學軟件FLUENT求解N-S方程，用Tecplot軟件進行后處理。利用有限體積法對方程進行離散，對流項采用二階迎風格式，擴散項采用二階中間差分，采用SIMPLE 算法對離散代數(shù)方程求解。

表1 控制方程(1)中各符號的計算方法Table 1 Calculation of φ in governing equation (1)

2.2 物理模型和邊界條件

假定1個典型的雙人病房病床，病房的長、寬、高分別為4.0 m，3.0 m和3.0 m，另有1個1.5 m長的走廊(假定衛(wèi)生間的房門關(guān)閉)，2個病床距離1.0 m，床的長、寬、高分別為2.0 m，0.8 m和0.7 m。床上病人模型采用1個尺寸為1.7 m×0.4 m×0.3 m的假人，假定其呼吸的口腔面積為1.2 cm×1.2 cm。2個病人中1個為源病人，1個為易感病人。對于混合通風系統(tǒng)，送風口尺寸為 0.25 m×0.5 m，回風口尺寸為0.5 m×1.0 m。個性化送風系統(tǒng)的送風口面積為0.04 m2，回風罩面積為0.25 m2。采用穩(wěn)態(tài)模擬，假定源病人不停的呼出氣態(tài)污染物，而易感病人不停的吸入空氣，通過易感病人吸入的污染物體積分數(shù)來判斷通風系統(tǒng)的效果。病人人體的發(fā)熱量均設為70 W，該發(fā)熱量對應于1個成人在休閑時的發(fā)熱量，以此來計算因為發(fā)熱帶來的熱羽流。源病人呼出速率為0.89 m/s，易感病人吸入速率也為0.89 m/s，對應于人休息時的呼吸量為6 L/min[16]。假定假人呼出的氣態(tài)污染物體積分數(shù)為0.1%。選擇2種通風系統(tǒng)進行對比計算，1種是傳統(tǒng)的混合通風系統(tǒng)，如圖 2(a)所示，通過布置在墻壁上方的送風口向上進行高速送風，從而使得整個病房空間的溫度場和污染物分布均勻；另1種采用本研究所提出的個性化通風方式，如圖2(b)所示，在每個床頭有2個送風口，向病人呼吸區(qū)送出新鮮空氣，并從設于床頂上的排風口送出。

圖2 空調(diào)模式的示意圖Fig.2 Schematic images of ventilation in hospital ward

假定4種典型的案例來進行計算，結(jié)果如表2所示。系統(tǒng)1為典型的混合通風系統(tǒng)，未采用個性化送風系統(tǒng)，送風量為450 m3/h。系統(tǒng)2采用了個性化通風系統(tǒng)與混合通風系統(tǒng)結(jié)合的方式，但混合通風系統(tǒng)送風量為306 m3/h，個性化通風系統(tǒng)的送風量為143 m3/h。系統(tǒng)3為個性化通風為主的方式，個性化送風系統(tǒng)的送風量為144 m3/h，而將混合通風系統(tǒng)的送風量降為90 m3/h，總送風量僅為其余通風系統(tǒng)的一半左右，即234 m3/h。系統(tǒng)4為純粹的個性化通風系統(tǒng)，送風量為450 m3/h。

表2 典型系統(tǒng)的送風速度和送風量Table 2 Supplied velocity and ventilation rate of different study cases

2.3 排污效率指數(shù)及吸入空氣質(zhì)量指數(shù)

采用排污效率指數(shù)和吸入空氣質(zhì)量指數(shù) 2個指標對通風系統(tǒng)移除污染物的效果進行評價。排污效率指數(shù)用來表示氣流排除室內(nèi)污染物的能力，除了與通風流場(換氣效率)有關(guān)外，還與污染物的特點(如污染物的位置、污染物的密度等)有關(guān)。其定義為：

式中：φe為排風口污染物體積分數(shù)；φs為送風污染物體積分數(shù)；φV為室內(nèi)平均污染物體積分數(shù)。

吸入空氣質(zhì)量指數(shù)(Inhaled local air quality in dex)[17]用來表征通風系統(tǒng)對人吸入的污染物濃度影響的一個指標。

它的定義為穩(wěn)定狀態(tài)下出口處污染物的體積分數(shù)φe與吸入污染物體積分數(shù)φexp的比值：

當室內(nèi)氣流充分混合時，整個房間包括出口處體積分數(shù)及易感病人吸入的污染物體積分數(shù)相等。此時ε=1，=1。但當室內(nèi)氣流不充分混合時，ε和的值變化非常大，將取決于污染源的位置、氣流組織及出口位置。ε越大意味著能越快速、有效地從室內(nèi)移除污染物；越大意味著易感病人吸入的空氣越新鮮。

3 模擬計算結(jié)果和分析

采用數(shù)值模擬的方法對該個性化通風系統(tǒng)的送風速度、中央空調(diào)通風系統(tǒng)、病人的呼吸及人體產(chǎn)生的熱羽流耦合問題進行分析，以期找到優(yōu)化的方法來降低病人感染率。對表2提出的4種個性化通風系統(tǒng)和房間原有空調(diào)系統(tǒng)在不同送風速度和不同送風量的條件下結(jié)合系統(tǒng)進行數(shù)值模擬。

圖3(a)和圖3(b)所示為采用傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)(系統(tǒng)1)的空調(diào)后病房內(nèi)的室內(nèi)空氣流場速度矢量圖，在送風口，氣流高速噴出造成室內(nèi)空氣充分混合。圖3(c)和圖3(d)所示為污染物體積分數(shù)的分布，結(jié)果顯示污染物分布比較均勻，絕大部分區(qū)域的體積分數(shù)為1×10-6～2×10-6，接近于出口的平均體積分數(shù)1.03×10-6。易感病人呼吸處的體積分數(shù)也接近于出口污染物體積分數(shù)，為 1.19×10-6。可以看出污染物的體積分數(shù)主要依靠通風稀釋來完成。

圖4所示為系統(tǒng)2、3和4的速度矢量圖。由圖4可見：當整個流場被混合通風氣流主導時(如系統(tǒng)2，圖4(a))，人體上方產(chǎn)生的熱羽流會被破壞，個性化回風流場被破壞，整個流場分布接近于混合通風，整個流場大部分區(qū)域體積分數(shù)接近于出口體積分數(shù)1.03×10-6(圖5(a))。但在個性化送風系統(tǒng)的幫助下，呼吸區(qū)附近還是能有效供給新風，使得易感病人呼吸區(qū)域的污染物體積分數(shù)降至8×10-8，大大低于整個流場的污染物體積分數(shù)。說明在該系統(tǒng)下，易感病人得到了很好的保護。但脫離了床頭送風系統(tǒng)區(qū)域的污染物體積分數(shù)高，相比于混合通風系統(tǒng)(系統(tǒng)1)并不能降低醫(yī)護人員的感染概率。

當混合通風系統(tǒng)非主導時,熱羽流會主導整個氣流方向，呼出的氣流會在個性化送風和人體產(chǎn)生的熱羽流的幫助下往上流動，由此形成發(fā)生對撞的新風氣流，將病人呼出污染氣體約束在病床上方區(qū)域，并在新風對撞的作用下，使呼出的大部分污染物通過布置在病人頭頂?shù)幕仫L罩帶走，從而使得整個房間的污染物體積分數(shù)降低。對于系統(tǒng)3，其送風量為234 m3/h，在出口體積分數(shù)高達 1.97×10-6的情況下，大部分區(qū)域的體積分數(shù)為 1.2×10-6(如圖5(b))，其效果接近于使用了雙倍送風量系統(tǒng)的效果。易感病人呼吸區(qū)的體積分數(shù)也低至1.0×10-7(如圖5(b))，比系統(tǒng)2的略比，大大低于系統(tǒng)1的體積分數(shù)。對于純粹使用個性化送風系統(tǒng)的系統(tǒng) 4，無論大部分區(qū)域體積分數(shù)還是易感病人呼吸區(qū)體積分數(shù)都大大低于傳統(tǒng)的典型通風系統(tǒng)，大部分區(qū)域的污染物體積分數(shù)為0.6×10-6左右，僅為出口污染物體積分數(shù)的一半略多一點，易感病人呼吸區(qū)的體積分數(shù)低至5×10-8。

圖3 系統(tǒng)1的速度矢量和污染物分布Fig.3 Calculating vector fields and pollutant concentration contours in ward of Case 1

圖4 系統(tǒng)2、3和4的速度矢量圖Fig.4 Calculating vector fields in ward of Cases 2,3 and 4

表3 列出了4個系統(tǒng)的污染物體積分數(shù)及排污效率和吸入空氣質(zhì)量指數(shù)。由于污染源相同，根據(jù)質(zhì)量守恒可知，當送風量相同時，出口處平均污染物體積分數(shù)相同。所以，系統(tǒng)1，2和4出口處污染物體積分數(shù)相同而系統(tǒng)3由于送風量變小，出口處平均體積分數(shù)較大。對于通風系統(tǒng)1，由于很難做到真正的充分混合，尤其是源病人呼吸區(qū)的污染物體積分數(shù)極難迅速稀釋到空調(diào)出風口體積分數(shù)，這樣就導致室內(nèi)平均污染物體積分數(shù)偏高，從而導致ε=0.81＜1。系統(tǒng) 2雖然采用了個性化通風系統(tǒng)，但由于主要的通風系統(tǒng)破壞了個性化通風的流場，導致源病人呼出的污染物并不能完全迅速地被個性化排風系統(tǒng)所帶走，從而導致ε=0.93＜1。系統(tǒng)3和4中，個性化排風系統(tǒng)顯示了良好的效能，ε分別為1.58和1.60，比系統(tǒng)1提高了近1倍，這意味著在房間大部分區(qū)域，系統(tǒng)3在送風量少幾乎一半的情況下，污染物體積分數(shù)接近于系統(tǒng)1的體積分數(shù)；系統(tǒng)4在送風量相同的情況下，污染物體積分數(shù)接近于系統(tǒng)1的體積分數(shù)的一半。

圖5 系統(tǒng)2，3和4 的污染物分布圖Fig.5 Calculating pollutant concentration contours in ward of Cases 2,3 and 4

表3 模型計算結(jié)果Table 3 Summary of calculating CRE and Inhaled air quality index

由于易感病人與源病人的距離相對較近(遠大于源病人與空調(diào)出風口的距離)，導致易感病人吸入污染物體積分數(shù)偏高，=0.86＜1。個性化送風系統(tǒng)顯示了良好的性能，系統(tǒng)2，3和4中病人吸入污染物體積分數(shù)沒有為 0，是因為空調(diào)送風口的射流由于卷吸作用會卷進周圍的污染物體積分數(shù)不為0的空氣。盡管如此，個性化送風系統(tǒng)送入易感人員呼吸區(qū)的污染物體積分數(shù)大大低于空調(diào)出風口的平均污染物體積分數(shù)。系統(tǒng)2、3和4的分別達到了12.82，19.72和20.51。

4 結(jié)論

(1) 相對于傳統(tǒng)的混合通風系統(tǒng)，個性化通風系統(tǒng)能夠有效供給純新風到每個病人的呼吸區(qū)，保證易感病人所吸入的為純新風。

(2) 個性化通風系統(tǒng)能夠利用呼吸氣流和人體熱羽流的作用，將污染物通過在人體上方的通風罩直接排出，有效降低房間內(nèi)的污染物的平均體積分數(shù)，避免了攜帶致病源空氣的彌散，有效降低病區(qū)內(nèi)人員的交叉感染現(xiàn)象。

(3) 若主流的通風系統(tǒng)破壞該個性化送風系統(tǒng)的流場，則會導致移除污染物效果下降，排污效率降低。

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