陳宏斐然， 亢燕銘， 鐘 珂， 張寧波

(1.東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 2.上海市安裝工程集團(tuán)有限公司，上海 200080)

2020年春新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情在全球爆發(fā)，為減輕醫(yī)療負(fù)擔(dān)，國外醫(yī)療團(tuán)隊(duì)受戰(zhàn)時(shí)野戰(zhàn)醫(yī)院啟發(fā)，用集裝箱改建移動(dòng)式隔離病房[1]。集裝箱式隔離病房是新型冠狀病毒肺炎疫情以來興起的一種新型隔離病房，它不僅擁有傳統(tǒng)負(fù)壓隔離病房的功能[2-3]，還具有靈活性強(qiáng)、拆裝便利的特點(diǎn)[4]。Smith[5]最先對集裝箱房屋的可居住性進(jìn)行評估，結(jié)果表明，集裝箱圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差且空調(diào)設(shè)備額定功率有限，使得室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量較差，特別是冬季供暖水平較低[6-7]。為解決冬季集裝箱式建筑的保溫問題，Elrayies[8]和魏志遠(yuǎn)[9]研究了集裝箱房屋的內(nèi)保溫做法和不同保溫材料的節(jié)能效果。

集裝箱隔離病房的室內(nèi)溫度和病毒濃度分布直接關(guān)系到人員的舒適性和安全性。研究[10-11]表明，送風(fēng)角度對排污效率和能量利用系數(shù)影響很大，然而幾乎無人探索集裝箱式隔離病房空調(diào)的最佳送風(fēng)角度。本文以最常見的平頂標(biāo)準(zhǔn)集裝箱改建隔離病房為例，采用數(shù)值模擬方法研究在供暖條件受限的情況下，使室內(nèi)熱環(huán)境最佳和病毒濃度水平最低的空調(diào)送風(fēng)角度。

1 模型構(gòu)建

1.1 計(jì)算模型

研究對象為一種集裝箱改建式病房(見圖1)，其內(nèi)部尺寸約為4.0 m×2.4 m×2.4 m。病房內(nèi)部靠墻放置一張病床，尺寸為1.9 m×0.9 m×0.5 m，病人平躺在床上，人體模型按標(biāo)準(zhǔn)成人尺寸設(shè)計(jì),約為1.7 m(身高)×0.4 m(肩寬)×0.3 m(體厚)?？照{(diào)系統(tǒng)為全新風(fēng)系統(tǒng)，采用上送下排的通風(fēng)方式，空調(diào)位于門上方，送風(fēng)口尺寸為1.000 m×0.015 m，矩形排風(fēng)口位于靠近病床側(cè)墻下方，離地0.2 m，尺寸為0.3 m×0.3 m。圖1(c)中，y=1.20, 0.45 m處的兩個(gè)灰色截面為兩個(gè)房間剖面。

圖1 研究空間示意圖Fig.1 Schematic diagram of the studied space

研究[12]表明，熱風(fēng)供暖時(shí)，室內(nèi)的熱源如人、燈等對房間的供熱是有利的，但對室內(nèi)氣流和溫度的局部分布影響很小，因此本文不考慮室內(nèi)熱源的影響。

邊界條件設(shè)置為送風(fēng)速度4 m/s和溫度28 ℃。送風(fēng)角度定義為送風(fēng)氣流與鉛垂線的夾角，本文分別設(shè)置0°、15°、30°；采用壓力排風(fēng)，壓力為-10 Pa；室外氣溫為-2 ℃，由于室內(nèi)空氣溫度和各壁面溫度隨著空調(diào)對房間的加熱逐漸上升，且分布不均勻，故室內(nèi)各壁面邊界的傳熱量通過用戶自定義程序UDF確定。

將人體口鼻部作為污染物散發(fā)源，簡化成尺寸為2 cm×2 cm的正方形，人體呼出氣體溫度為34 ℃，速度為0.3 m/s(根據(jù)成年人每次呼吸空氣量500 mL和15 次/min估算而得)，方向斜向上45°，呼出氣體的污染物體積分?jǐn)?shù)為0.03%，采用Species模型的二氧化碳近似替代病毒飛沫[13]。

1.2 數(shù)學(xué)模型

研究空氣為三維連續(xù)且不可壓縮的流體。由于需要研究近壁面區(qū)域的流動(dòng)計(jì)算問題，故湍流模型采用SSTκ-w模型。研究中認(rèn)為流體的基本屬性保持不變。采用Fluent軟件模擬時(shí)為獲得較精確解，選用二階迎風(fēng)格式離散化控制方程，同時(shí)采用SIMPLEC算法求解流場。對于冬季供熱中存在的由溫差導(dǎo)致的浮升力，模擬中采用Boussinesq假設(shè)。數(shù)值計(jì)算中所有的壁面均滿足無滑移和無滲透條件。物理模型采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格，送排風(fēng)口分別定義為Velocity-inlet及Pressure-outlet，且和傳熱墻體一起作局部加密處理。

1.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證

網(wǎng)格劃分。利用ICEM網(wǎng)格劃分軟件對物理模型進(jìn)行劃分。在網(wǎng)格種類的選擇上，采用生成速度較快、質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。模擬中，近壁面處和送、排風(fēng)口附近的速度與溫度梯度較大，通過加密處理劃分為較小的網(wǎng)格，而將其余區(qū)域劃分為較大網(wǎng)格，防止網(wǎng)格數(shù)量過多并降低計(jì)算成本。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 計(jì)算域的網(wǎng)格劃分情況Fig.2 Mesh configurations in the computational domain

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。為確保數(shù)值結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對網(wǎng)格模型進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。模擬中，采用粗、中、細(xì)3種網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算，網(wǎng)格數(shù)量分別為214萬、298萬、390萬，用網(wǎng)格工況1、2、3表示。

通過式(1)計(jì)算房間中心位置沿高度方向的溫度均方根誤差。

(1)

式中：n為取樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，取樣點(diǎn)位于房間中心處的鉛垂線上，由于房間高2.4 m，因此每隔0.2 m取一個(gè)點(diǎn)，這里n=12；Ti,j和Ti,k分別為網(wǎng)格工況j、k時(shí)測點(diǎn)i的溫度。

取ε≤2%為網(wǎng)格無關(guān)性標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)式(1)計(jì)算ε1,2和ε2,3的值，分別為ε1,2=3.3%，ε2,3=1.8%。其中ε2,3低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明此時(shí)網(wǎng)格數(shù)量已不再對計(jì)算精度產(chǎn)生影響。綜合考慮計(jì)算效率和精度，最終選擇網(wǎng)格工況2進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.4 數(shù)學(xué)模型的合理性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述數(shù)值模擬的合理性，在東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院人工氣候?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行熱風(fēng)采暖試驗(yàn)，試驗(yàn)中布置4個(gè)測桿(每個(gè)測桿沿高度方向設(shè)7個(gè)測點(diǎn))對室內(nèi)溫度場和速度場進(jìn)行測試。

試驗(yàn)中人工氣候?qū)嶒?yàn)室的內(nèi)部尺寸(長×寬×高)為3.6 m×3.0 m×2.6 m，與病房模型尺寸相近；采用雙層百葉送、回風(fēng)口，尺寸 (長×寬)為0.35 m×0.25 m，氣流組織形式為上送上回；送風(fēng)速度為2 m/s，送風(fēng)溫度為30 ℃。

采用Humlog 20型測溫儀測量溫度場，最小刻度為0.1 ℃；采用意大利Detla公司的HD103 T.0型萬向風(fēng)速儀測量速度場，最小刻度為0.01 m/s，精度為±3%，測試范圍為0.05～5.00 m/s。試驗(yàn)中為保證測量的穩(wěn)定性，連續(xù)測量5～6 h，直到所測空氣溫度及壁面溫度的波動(dòng)低于0.5 ℃。

運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對上述試驗(yàn)工況進(jìn)行模擬，通過比較兩組數(shù)據(jù)的偏差，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型在室內(nèi)空間進(jìn)行模擬的合理性?？紤]到篇幅限制，僅給出1號和3號測桿的模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果，如圖3所示。

圖3 垂直溫度和風(fēng)速實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.3 Comparison of numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

從圖3可以看出，兩個(gè)測桿雖然個(gè)別位置的模擬值和實(shí)測值存在偏差，但偏差值較小，可以認(rèn)為模擬值和實(shí)測值基本吻合。產(chǎn)生偏差的原因是，試驗(yàn)中門的開啟和冷風(fēng)滲透致使房間的溫度場和速度場受到不同程度的影響?？傮w上可以認(rèn)為本文所采用的數(shù)值模擬方法是可靠的。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱舒適環(huán)境及圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失分析

圖4給出了3種送風(fēng)角度下房間中間剖面(y=1.2 m，見圖1(c))的溫度分布云圖。

從圖4可以看出：送風(fēng)角度為0°即送風(fēng)氣流垂直向下時(shí)，送風(fēng)口熱氣流受慣性力作用貼著壁面流動(dòng)一段距離，隨后在浮升力作用下，送風(fēng)氣流運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，掉頭飄向上部，最終在房間頂部形成一片熱空氣層。這不僅會造成空調(diào)所在壁面的局部過度加熱，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失較大，還會使大量熱空氣滯留在頂棚附近，而人員所在的下部空間氣溫較低。當(dāng)送風(fēng)角度為15°時(shí)，送風(fēng)氣流的豎壁貼附效應(yīng)減弱，熱量能更好地到達(dá)下部空間，壁面附近沒有出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。當(dāng)送風(fēng)角度增大至30°時(shí)，送風(fēng)氣流流動(dòng)軌跡與送風(fēng)角度為15°時(shí)類似，但由于受到的向下的慣性力變小，熱風(fēng)在還未到達(dá)地面時(shí)因浮升力作用而向上運(yùn)動(dòng)，頂棚附近溫度比送風(fēng)角度為15°時(shí)高，不利于節(jié)能。

圖4 不同送風(fēng)角度時(shí)房間中間剖面的溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the middle section of the room at different air supply angles

集裝箱改裝的隔離病房圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能差，壁面及其附近空氣溫度對熱損失影響很大，并且此類病房的供熱量又是有限的，因此，若病房壁面溫度分布不均勻，局部高溫會造成熱損失過大，局部低溫也會導(dǎo)致熱舒適性變差。圖5給出了集裝箱式隔離病房各壁面的溫度分布云圖。

圖5 不同送風(fēng)角度下集裝箱式隔離病房各壁面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of each wall of the container isolation ward at different air supply angles

為便于分析房間內(nèi)壁面散熱，將房間的6個(gè)壁面分別命名為前壁面、后壁面、左壁面、右壁面、上壁面和地面。由圖5可知，隨著送風(fēng)角度的增加，內(nèi)壁面高溫區(qū)域，特別是空調(diào)器所在左壁面的高溫區(qū)明顯減少。觀察圖5(a)的墻壁溫度分布情況可知，由貼附氣流引起的熱空氣與墻面對流換熱增強(qiáng)，導(dǎo)致壁面出現(xiàn)一片高溫區(qū)域。由于這類墻體的保溫效果較差，這可能會增加房間的熱損失。15°和30°送風(fēng)時(shí)形成的壁面溫度分布類似，不存在壁面局部溫度過高的情況。

為更準(zhǔn)確地得到各壁面的局部溫差，對各壁面溫度進(jìn)行散點(diǎn)統(tǒng)計(jì),沿橫、縱方向每隔20 cm取1個(gè)點(diǎn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種送風(fēng)角度下各壁面溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6 Statistical results of wall temperature at three air supply angles

從圖6可以看出：空調(diào)所在的左壁面在0°送風(fēng)時(shí)會出現(xiàn)溫度偏高的情況，溫度分布很不均勻，最高溫達(dá)18 ℃，最低不到2 ℃；而送風(fēng)角度為15°和30°時(shí)左壁面溫度分布較為均勻，集中在8 ℃左右；右墻面處溫度分布在3種送風(fēng)角度情況下類似，同樣集中在8 ℃左右；3種送風(fēng)角度下房間上壁面的平均溫度相近，但0°送風(fēng)的溫差最大；3種送風(fēng)角度對前壁面和后壁面影響類似，壁面平均溫度均為7～8 ℃，并且溫差均小于5 ℃。

由前文對壁面溫度的分析可知，3種送風(fēng)角度下壁面熱損失差異較大，第i面墻體總熱損失可表示為

(2)

式中：S為壁面的面積，m2；Δti為壁面某點(diǎn)的溫度與室外空氣的溫差，℃；K為集裝箱式房屋墻體傳熱系數(shù)，采用聚苯乙烯泡沫材料作為保溫層，則K=2.56 W/(m2·K)；i=1，2，3，4，5，6，依次代表左、右、前、后、上壁面及地面。

根據(jù)式(2)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，各壁面熱損失如圖7所示。

由圖7可以看出，3種送風(fēng)角度下，除了地面外的其他壁面的熱損失均在0°送風(fēng)時(shí)最大，30°送風(fēng)時(shí)熱損失最小。以30°送風(fēng)時(shí)的總熱損失為基準(zhǔn)值，給出另外兩種角度下的熱損失增幅比，即：

圖7 3種送風(fēng)角度下房間內(nèi)壁面的熱損失Fig.7 Heat loss of room inner wall at three air supply angles

(3)

式中：ρa(bǔ)為a角度的增幅比；Wa為a角度時(shí)的壁面總熱損失，W。

結(jié)果顯示，15°送風(fēng)時(shí)熱損失增幅比ρ15=3.7%，可以忽略，但0°送風(fēng)時(shí)熱損失增幅比ρ0=10.4%，顯然不可忽略。故從節(jié)能的角度來看，送風(fēng)角度15°比0°更優(yōu)。冬季空氣濕度對室內(nèi)熱舒適性的影響并不明顯，病床附近空氣流速均小于0.5 m/s，因此冬季室內(nèi)熱舒適性的主要影響因素是平均輻射溫度、空氣溫度和頭足溫差。本文定義的頭足溫差為離地1.5 m處(醫(yī)護(hù)人員處于站姿的平均頭部高度)溫度與離地0.1 m處(腳踝平均高度)溫度的差值。圖8給出了3種送風(fēng)角度時(shí)的頭足溫差三維柱狀圖。

圖8 3種送風(fēng)角度時(shí)房間頭足溫差三維柱狀圖Fig.8 3D histogram of room head-foot temperature difference at three air supply angles

從圖8可以看出：0°送風(fēng)時(shí)，越靠近空調(diào)所在壁面，頭足溫差越大，且溫差峰值超過8 ℃；15°送風(fēng)時(shí)頭足溫差明顯低于0°送風(fēng)情況，類似地，15°送風(fēng)時(shí)大多數(shù)位置的頭足溫差低于30°送風(fēng)情況。由此可見，15°送風(fēng)在頭足溫差方面最優(yōu)。

操作溫度t0反映了空氣溫度和平均輻射溫度對人體的綜合作用，其表達(dá)式為

(4)

圖9 3種送風(fēng)角度下室內(nèi)熱舒適性影響因素Fig.9 Influence factors of indoor thermal comfort at three air supply angles

根據(jù)上述研究結(jié)果，分析不同送風(fēng)角度下的熱舒適指標(biāo)，給出最佳送風(fēng)角度的推薦值。根據(jù)前文分析可得到不同送風(fēng)角度時(shí)的熱舒適指標(biāo)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱損失，如表1所示。結(jié)合前文和表1可知：送風(fēng)角度為0°時(shí)，送風(fēng)氣流受壁面影響嚴(yán)重，導(dǎo)致壁面溫度偏高，壁面熱損失比30°送風(fēng)高10.4%，且房間的頭足溫差較大；送風(fēng)角度為30°時(shí)，冬季送風(fēng)熱空氣難以到達(dá)地面，下部空間熱舒適性較差，且房間頭足溫差也較大；送風(fēng)角度為15°時(shí)，能耗僅比30°送風(fēng)時(shí)高3.6%，熱環(huán)境也優(yōu)于0°送風(fēng)情況。綜上，房間空調(diào)送風(fēng)角度為15°時(shí)最有利于減小供暖能耗，并形成較好的熱環(huán)境。

表1 3種送風(fēng)角度下熱舒適性指標(biāo)及壁面熱損失比較

2.2 送風(fēng)角度對污染物分布的影響

由圖4中的流線可知，改變送風(fēng)角度時(shí)，室內(nèi)流場會受到非常大的影響。這不僅造成病房的熱環(huán)境不同，還會使病毒的擴(kuò)散特征隨著送風(fēng)角度的變化而改變。本節(jié)主要研究送風(fēng)角度對房間病毒分布的影響。

定義無量綱病毒濃度為

(5)

式中：np和n呼分別為考察點(diǎn)p的實(shí)際病毒濃度和人體呼出病毒濃度。

人體是房間內(nèi)唯一污染源，圖10給出了病床中間切平面(y=0.45 m，見圖1(c))的無量綱病毒濃度分布情況。由圖10可以看出：0°送風(fēng)時(shí)病毒的低濃度區(qū)域(圖10(a)中的藍(lán)色區(qū)域)較大，而15°和30°送風(fēng)時(shí)幾乎不存在如此低濃度的區(qū)域；病毒的高濃度區(qū)域(圖10中的紅色區(qū)域)在0°送風(fēng)時(shí)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩種送風(fēng)角度。

圖10 3種送風(fēng)角度下病床切面無量綱病毒濃度分布及流線圖Fig.10 Dimensionless virus concentration distribution and streamline of bed section at three angles air supply

為進(jìn)一步分析送風(fēng)角度對病毒空間分布的影響，根據(jù)房間內(nèi)病人活動(dòng)區(qū)和醫(yī)護(hù)人員活動(dòng)區(qū)范圍，在地面上均勻取12個(gè)代表位置(見圖11)，圖12給出了3種送風(fēng)角度下無量綱病毒濃度沿高度方向分布的曲線。

圖11 房間地面取點(diǎn)位置Fig.11 Location of points taken on the floor of the room

從圖12可以看出，對于絕大多數(shù)位置，0°送風(fēng)時(shí)的病毒濃度比另外兩種送風(fēng)角度低，而30°送風(fēng)時(shí)病毒濃度最高。J點(diǎn)和K點(diǎn)為靠近病人頭部的位置。由圖12(j)和(k)的曲線可知，0°送風(fēng)時(shí)，在離地0.7 m左右病毒濃度曲線有一個(gè)陡增，表明在此高度有大量病毒氣體聚集，幸運(yùn)的是高濃度位置不在人體呼吸高度(1.5 m)附近，故對醫(yī)護(hù)人員危害有限。

圖12 無量綱病毒濃度沿房間高度方向變化的折線圖Fig.12 Variation curve of dimensionless virus concentration along the height direction

將各點(diǎn)沿高度方向的病毒濃度取平均值，以0°送風(fēng)時(shí)的病毒濃度為基準(zhǔn)，給出另外兩種送風(fēng)角度的病毒濃度增幅比率：

(6)

式中：βi,φ表示送風(fēng)角度為φ(15°或30°)時(shí)i點(diǎn)處病毒濃度增幅比率；Ci,φ表示送風(fēng)角度為φ時(shí)i點(diǎn)處沿高度方向的平均無量綱病毒濃度；Ci,0表示送風(fēng)角度為0°時(shí)i點(diǎn)處沿高度方向的平均無量綱病毒濃度；i=A～L，表示地面上的不同位置。15°與30°送風(fēng)時(shí)地面不同位置的病毒濃度增幅比率如圖13所示。

圖13 兩種送風(fēng)角度下的病毒濃度增幅比率Fig.13 Virus concentration increase ratio at two air supply angles

從圖13可以看出，除了J、K兩點(diǎn)以外，15°和30°送風(fēng)時(shí)平均病毒濃度都比0°送風(fēng)時(shí)高，且30°送風(fēng)A、E點(diǎn)平均病毒濃度比0°送風(fēng)時(shí)高50%以上。結(jié)合圖12(j)和(k)可知，雖然0°送風(fēng)在離地0.7 m左右有一個(gè)高濃度區(qū)，但其總體的平均病毒濃度并未高出太多。綜上所述，0°送風(fēng)在排除病毒方面的效果遠(yuǎn)好于15°和30°送風(fēng)。

3 結(jié) 語

為防止病毒傳播并保證醫(yī)護(hù)人員的健康，研究了集裝箱式隔離病房空調(diào)送風(fēng)角度對室內(nèi)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)送風(fēng)角度為0°時(shí)，送風(fēng)氣流受壁面影響嚴(yán)重，導(dǎo)致壁面溫度偏高，壁面熱損失比30°送風(fēng)時(shí)高10.4%，且房間頭足溫差最高達(dá)8 ℃，室內(nèi)熱舒適性較差。送風(fēng)角度為15°時(shí)，能耗和熱環(huán)境均明顯優(yōu)于0°和30°的工況。室內(nèi)平均病毒濃度在0°送風(fēng)時(shí)最低，30°送風(fēng)時(shí)最高；0°送風(fēng)方式能明顯提高房間排毒水平，使病房內(nèi)大部分測點(diǎn)的病毒濃度維持在較低水平，出現(xiàn)高濃度的空間高度也遠(yuǎn)低于人體呼吸高度。建議室內(nèi)空調(diào)器平時(shí)采用15°送風(fēng)以保證病人的熱舒適環(huán)境；當(dāng)醫(yī)護(hù)人員查房時(shí)，調(diào)整到0°送風(fēng)以保證房間低病毒濃度水平。