何偉華，田彩霞，鄭超元

（廣東省廣建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 廣州 511400）

0 引言

2019年末，一場(chǎng)突如其來的新冠肺炎疫情給現(xiàn)有的醫(yī)療衛(wèi)生體系造成巨大壓力，由于醫(yī)院傳統(tǒng)病房的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)無法滿足具有高度傳染性的疫情需求，使得有限的負(fù)壓病房更是不堪重負(fù)［1］。對(duì)于傳染病醫(yī)院的負(fù)壓病房的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通常是設(shè)置不同送、排風(fēng)量，使其產(chǎn)生壓差，從而與相鄰房間形成壓力梯度，阻止病房?jī)?nèi)的污染物溢出；另一方面，負(fù)壓病房?jī)?nèi)的排風(fēng)系統(tǒng)將污染的空氣集中收集起來，經(jīng)過高效措施處理后排出室外［2-3］。由于不同傳染病醫(yī)院建筑面積、層高等存在差異，且不同床位數(shù)量的負(fù)壓病房所需的送、排風(fēng)量也有區(qū)別，為確保科學(xué)合理的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目去深入研究［4-5］?，F(xiàn)階段，具有成本低、速度快、準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)的數(shù)值模擬方法快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于流體方向的研究，相比于搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取結(jié)果，該方法更適用于前期設(shè)計(jì)階段去分析疑點(diǎn)難點(diǎn)［6］。負(fù)壓隔離病房的氣流組織受到風(fēng)口的設(shè)置形式以及風(fēng)量大小的影響［7］，現(xiàn)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFD 對(duì)該項(xiàng)目負(fù)壓隔離病房的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，并依據(jù)模擬結(jié)果反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)水平，并為后續(xù)傳染病醫(yī)院的負(fù)壓病房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考作用。

1 模型的建立

1.1 設(shè)計(jì)概況

本次設(shè)計(jì)負(fù)壓隔離病房的氣流組織采用新風(fēng)上送風(fēng)、排風(fēng)下排風(fēng)的方式［8］，可有效防止送、排風(fēng)短路。同時(shí)，新風(fēng)送風(fēng)口位置應(yīng)使清潔空氣先流過房間中醫(yī)務(wù)人員可能的工作區(qū)域，后流過傳染源，再流向排風(fēng)口，使得醫(yī)務(wù)人員不會(huì)處于傳染源和排風(fēng)口之間，大大減少醫(yī)務(wù)人員被感染的機(jī)會(huì)。

1.2 負(fù)壓病房模型

該房間為雙人房，病房的幾何尺寸長(zhǎng)（X）×寬（Y）×高（Z）為6 900 mm×3 650 mm×2 800 mm，房間內(nèi)設(shè)置兩位病患及一位醫(yī)護(hù)人員，考慮到負(fù)壓隔離病房的特殊性，通風(fēng)系統(tǒng)采用上送下排，送風(fēng)口3 尺寸為500 mm×400 mm，排風(fēng)口1、2分別設(shè)置在病床兩側(cè)，離地300 mm，排風(fēng)口尺寸為300 mm×200 mm，并在廁所位置設(shè)立200 mm×200 mm 的排風(fēng)口4，疑似患者口部大小為20 mm×20 mm，A、B 為疑似患者，醫(yī)護(hù)人員C設(shè)置在病房中部，模型如圖1 所示。為提高運(yùn)算速度及準(zhǔn)確性，模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共生成網(wǎng)格1005961個(gè)，模擬方案選用標(biāo)準(zhǔn)K-e 雙方程模型，求解方法采用SIMLEST算法。

圖1 負(fù)壓隔離病房三維模型Fig.1 Three Dimensional Model of Negative Pressure Isolation Ward

1.3 計(jì)算模型的簡(jiǎn)化

病房?jī)?nèi)的空氣視為不可壓縮流體，室內(nèi)溫度變化幅度較小，忽略溫度對(duì)氣流組織的影響，為減少模型計(jì)算量，對(duì)物理模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化［9-10］：

⑴室內(nèi)空氣為不可壓縮常物性牛頓流體；

⑵負(fù)壓病房采用高密閉性門窗，忽略門窗滲透風(fēng)量；

⑶空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)等溫過程。

1.4 邊界條件設(shè)置

風(fēng)量根據(jù)設(shè)計(jì)值，送風(fēng)口設(shè)為速度入口，風(fēng)速為0.98 m/s，病床兩側(cè)排風(fēng)口分別設(shè)為-15 Pa 的壓力出口，廁所排風(fēng)口設(shè)為-1.39 m/s 的速度入口，通過UDF設(shè)定病人嘴部呼吸產(chǎn)生污染物，利用CO2示蹤氣體方法模擬病房?jī)?nèi)污染物隨空氣流動(dòng)的分布情況。

2 結(jié)果與分析

負(fù)壓隔離病房的主要作用在于收治疑似感染患者，利用12次換氣次數(shù)的全新風(fēng)系統(tǒng)快速稀釋污染物濃度，并結(jié)合下排風(fēng)措施將污染物排出，預(yù)防疑似患者交叉感染，并確保醫(yī)護(hù)人員的安全。考慮在實(shí)際運(yùn)行過程中，風(fēng)口位置設(shè)置、感染人數(shù)及排風(fēng)口設(shè)置等因素對(duì)室內(nèi)污染物擴(kuò)散都有一定的影響，通過模擬分析不同工況下的流場(chǎng)，得到最優(yōu)的風(fēng)口布置方案，模擬工況如表1所示。

2.1 送風(fēng)口設(shè)置形式模擬結(jié)果分析

送風(fēng)口是影響房間氣流組織的重要影響因素，對(duì)比分析表1中工況1～4可以確定送風(fēng)口位置對(duì)稀釋醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域污染物的效果。從圖2 可知，由于廁所排風(fēng)口的影響，送風(fēng)口設(shè)置在房間外側(cè)時(shí)，送入房間的新風(fēng)尚未完全稀釋污染物就被廁所排風(fēng)口排出，嚴(yán)重影響新風(fēng)的稀釋作用，使得整個(gè)空間的污染物濃度較高。

表1 模擬工況設(shè)置Tab.1 Simulated Working Condition Setting

圖2 工況1病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=1.5 m）Fig.2 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time in Working Condition 1（Z=1.5 m）

圖3 是送風(fēng)口設(shè)置在房間內(nèi)側(cè)的工況，相比于工況1，1 號(hào)排風(fēng)口的排風(fēng)效率有所提升，靠近廁所的區(qū)域污染物有所減少，且房間整體污染物濃度有所減少，但氣流組織未能達(dá)到理想狀態(tài)；2號(hào)排風(fēng)口處的污染物濃度并未發(fā)生顯著變化，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域還是存在污染物。

圖3 工況2病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=1.5 m）Fig.3 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time in Working Condition 2（Z=1.5 m）

工況3 是在總的新風(fēng)量不變的情況下，將送風(fēng)口分為兩個(gè)分別設(shè)置在房間內(nèi)外側(cè)，同時(shí)考慮到廁所排風(fēng)口的影響，房間內(nèi)側(cè)送風(fēng)口風(fēng)量比外側(cè)送風(fēng)口風(fēng)量高100 m3/h。由圖4 可知，污染物擴(kuò)散范圍和濃度相比于工況1和工況2要低很多，整體通風(fēng)效果較好。

圖4 工況3病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=1.5 m）Fig.4 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 3（Z=1.5 m）

圖5 是送風(fēng)口設(shè)置在房間中部的工況，可以看出疑似患者呼吸區(qū)域上方只有少量污染物滯留，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的污染物相比于工況1～3 明顯減少。由此可見，該工況下房間內(nèi)部的氣流組織相對(duì)較好，有利于促進(jìn)污染物的稀釋和排出。

圖5 工況4病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=1.5 m）Fig.5 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 4（Z=1.5 m）

2.2 病房?jī)?nèi)污染物分布模擬結(jié)果分析

根據(jù)2.1 小節(jié)對(duì)比分析可知，若病房?jī)?nèi)兩位疑似患者均感染時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域仍存在一定污染物?，F(xiàn)基于工況4設(shè)計(jì)方案下，對(duì)不同高度的污染物進(jìn)行模擬分析。

圖6為Z=0.4 m處的污染物隨時(shí)間變化云圖，可以看出污染物主要集中在病床兩側(cè)的排風(fēng)口處，醫(yī)護(hù)人員所在的中間區(qū)域污染物分布較少，隨著時(shí)間推移，整個(gè)病房?jī)?nèi)的污染物濃度也會(huì)逐漸降低。由此可得，采用該通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理。此外，靠近廁所一側(cè)的排風(fēng)效果較好，顯然是受到廁所排風(fēng)的間接影響。

圖6 工況4病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=0.4 m）Fig.6 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 4（Z=1.5 m）

圖7 為X=2.5 m 處的污染物隨時(shí)間變化規(guī)律圖，可以得出，截面的污染物分布差異較為大，污染物主要集中在底部區(qū)域，房間上空污染物濃度較低，可知底部排風(fēng)系統(tǒng)能高效排除污染物，靠近送風(fēng)口位置的污染物被新風(fēng)稀釋，濃度明顯降低，同時(shí)隨著時(shí)間變化，整個(gè)截面的污染物快速減少，有效降低醫(yī)護(hù)人員受到交叉感染的概率。

圖7 工況4病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（X=2.5 m）Fig.7 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 4（X=2.5 m）

2.3 不同感染人數(shù)對(duì)污染物分布影響分析

圖8 不同患者感染的房間內(nèi)污染物擴(kuò)散云圖（Z=2.5 m）Fig.8 Diffusion Cloud Diagram of Pollutants in Rooms Infected by Different Patients（Z=2.5 m）

圖9 不同患者感染的房間內(nèi)污染物擴(kuò)散云圖（Z=1.5 m）Fig.9 Diffusion Cloud Diagram of Pollutants in Rooms Infected by Different Patients（Z=1.5 m）

雙人房間存在兩位病患同時(shí)感染或只有一人感染的情況，通過對(duì)工況4～6 的模擬分析，可得當(dāng)送風(fēng)口設(shè)置在中部時(shí)，不同感染人數(shù)的污染物分布特性。圖8 為30 min 時(shí)Z=0.4 m 處不同患者感染的污染物擴(kuò)散云圖?？芍r4 的污染物濃度明顯高于其他兩個(gè)工況，且擴(kuò)散范圍較大；工況5和工況6的污染物基本上集中在1、2 號(hào)排風(fēng)口附近，擴(kuò)散范圍較小。由此可知，當(dāng)只有一個(gè)疑似患者感染時(shí)，負(fù)壓隔離病房在床頭側(cè)設(shè)置下排風(fēng)口以及12 次換氣次數(shù)的全新風(fēng)系統(tǒng)，能夠有效降低醫(yī)患交叉感染的概率。

圖3 為30 min 時(shí)Z=1.5 m 處不同患者感染的污染物擴(kuò)散云圖，圖中顯示工況5 和工況6 中醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域范圍內(nèi)的污染物較少，但在兩個(gè)疑似患者均感染的情況下，還是有一定濃度的污染物滯留在醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域內(nèi)。

2.4 排風(fēng)口風(fēng)量變化模擬結(jié)果分析

由于廁所排風(fēng)口和1 號(hào)排風(fēng)口的影響，靠近房間外側(cè)的總體排風(fēng)量高于房間內(nèi)側(cè)。結(jié)合圖5、圖10 和圖11 可知，在調(diào)整1、2 號(hào)排風(fēng)口風(fēng)量差在50 m3/h 的情況下，1號(hào)排風(fēng)口附近的污染物聚集較多，但范圍不大，其中Z=1.5 m平面上的污染物平均濃度最低，通風(fēng)效果有所提升。當(dāng)風(fēng)量差擴(kuò)大到100 m3/h 時(shí)，1 號(hào)排風(fēng)口附近的通風(fēng)效果有所下降，2 號(hào)排風(fēng)口的效果較佳，但整體通風(fēng)效果并沒有提升。

圖10 工況7病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=1.5 m）Fig.10 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 7（Z=1.5 m）

圖11 工況8病房?jī)?nèi)污染物隨時(shí)間變化云圖（Z=1.5 m）Fig.11 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 8（Z=1.5 m）

3 結(jié)論

采用CFD 數(shù)值模擬方法對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目中的負(fù)壓隔離病房設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，分析房間內(nèi)的氣流組織及污染物擴(kuò)散分布規(guī)律，針對(duì)雙人病房收治疑似患者的特點(diǎn)，分析不同患者感染情況下的室內(nèi)污染物分布差異，并對(duì)比分析送風(fēng)口布置形式對(duì)房間內(nèi)污染物分布的影響，為后續(xù)負(fù)壓隔離病房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

⑴送風(fēng)口設(shè)置在房間中部，整個(gè)房間的氣流組織效果相對(duì)較好，有利于新風(fēng)稀釋污染物，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的污染物滯留時(shí)間短且濃度較低。

⑵廁所排風(fēng)口的布置對(duì)房間內(nèi)污染物分布有一定的影響，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)考慮廁所的排風(fēng)量，合理選擇設(shè)計(jì)參數(shù)。

⑶當(dāng)病房的疑似患者只有一人感染的情況下，采用床頭兩側(cè)設(shè)置下排風(fēng)口和12 次換氣次數(shù)基本滿足預(yù)防交叉感染的要求。

⑷適當(dāng)調(diào)整雙下排風(fēng)口之間的風(fēng)量差，能夠優(yōu)化氣流組織的穩(wěn)定性，促進(jìn)污染物的排出，但不能盲目擴(kuò)大風(fēng)量差，以免起到反作用。