呼吸科診室內微生物污染物分布特性的數值模擬

李夢雪 劉剛 趙紅霞 解紫茹

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

在我國醫院感染中，呼吸道感染的發病率居首位[1]，且研究表明大部分致病微生物都可以通過空氣傳播的方式造成呼吸道感染[2]。當健康人吸入含有一定劑量致病菌的飛沫時，便極易被傳染疾病。患者在就診過程中，致病菌隨患者進行呼吸活動時產生的飛沫由口、鼻釋放到空氣中，粒徑較大的飛沫能夠快速沉降，而粒徑較小的飛沫則會蒸發形成飛沫核懸浮在空氣中[3]，醫護人員長期暴露在這樣的環境之中，有較大的感染風險。因為診室內有患者和醫生長時間停留，因此飛沫傳播造成的感染問題不容忽視。

在考慮了《綜合醫院建筑設計規范》（GB 51039-2014）對醫院門診樓回風口的過濾設備提出的要求[4]。驗證了用CO2氣體替代飛沫氣溶膠顆粒，討論微生物污染物在診室內分布規律可行性的基礎上，本文以采用側送下回通風方式的呼吸科診室為研究對象，對患者進行呼吸活動（交談）產生的微生物污染物的分布特性進行數值模擬分析。

1 數值模擬方法

1.1 物理模型

本研究選取幾何尺寸為長（X）×高（Y）×寬（Z）=4 m×2.5 m×3.2 m 的呼吸科診室作為研究模型。空調通風方式采用風機盤管側送下回，送、回風口幾何尺寸分別為長（X）×高（Y）=0.2 m×0.1 m、長（X）×高（Y）=0.2 m×0.2 m。診室內有醫生、患者及家屬三人，患者口部的幾何尺寸為高（Y）×寬（Z）=0.02 m×0.02 m。辦公桌的幾何尺寸為長（X）×高（Y）×寬（Z）=1.4 m×0.7 m×0.76 m。診室門關閉，新風量通過門縫滲出。診室基本結構及布置如圖1、2 所示。

圖1 診室幾何模型及平面布置示意圖

圖2 診室平面布置及監測點位置示意圖

1.2 數值模擬方法

本文采用Fluent 軟件對診室內飛沫氣溶膠顆粒和CO2示蹤氣體的分布進行數值模擬。室內氣流的流動采用基于N-S 方程組的RNG k-ε 湍流模型進行模擬，數學模型控制方程包括：連續方程、動量方程、能量方程、湍動能k 方程、耗散率ε 方程，其具體通用的表達式為[5]：

對帶有CO2釋放源的模型，采用化學組分傳輸方程。顆粒的分布采用Lagrange 法進行模擬，通過求解顆粒的力平衡方程得到其速度，再對時間積分得到其運動軌跡。采用離散相模型模擬氣流中飛沫氣溶膠顆粒的運動軌跡時，主要考慮顆粒受拖拽力，重力和布朗力的作用[6]，單個顆粒在i 方向的力平衡方程為[7]：

式中：upi表示顆粒在i 方向上的速度；Fd表示拖拽力；Fg表示重力；Fai表示其他外力。

1.3 邊界條件及模擬工況

CFD 數值模擬中，邊界條件的設置對結果的準確性有很大影響。本文中燈具的散熱量取值為50 W/盞，經校核符合醫院建筑照明功率密度限值5 W/m2的規定[4]。人體散熱量取值為60 W[8]。冬、夏季設計溫度分別為22 ℃和26 ℃，新風量取值為2 次換氣次數，經氣流組織計算求得送風溫度分別為27 ℃和18 ℃。患者口部呼出病毒顆粒粒徑為1 μm，釋放率0.077 μg/s，溫度與呼出氣體的溫度相同[9]，CO2氣體以同樣的方式釋放。《綜合醫院建筑設計規范》要求：醫院門診樓回風口必須設置微生物一次通過率不大于10%和顆粒物一次計重通過率不大于5%的過濾設備[4]，由《空氣過濾器》查得，滿足該要求的中效一級過濾器對大于0.5 μm 的微粒的過濾效率為60%～70%[10]。由此本文設置回風口過濾效率為65%，在送、回風口之間處通過UDF 功能來體現回風口的過濾效果。具體設置如表1所示。

表1 邊界條件

本文的模擬工況包括：工況1（對比工況）-冬季送風，患者口部為顆粒釋放源。工況2-冬季送風，患者口部為CO2氣體釋放源。工況3-夏季送風，患者口部為CO2氣體釋放源。

2 模擬結果分析與討論

2.1 氣體污染物與飛沫顆粒污染物分布特性的模擬對比結果

國內外部分學者采用氣體代替飛沫進行污染物分布的研究，嵇赟喆等人比較了負壓隔離病房內顆粒污染物分布和CO2氣體分布的相似性[11]，考慮到患者保持不同姿勢時污染源狀況發生變化，污染物分布也會隨之變化，因此本文以冬季工況為例驗證診室內CO2氣體代替飛沫污染物的可行性。經過CFD 數值模擬，兩者濃度分布規律基本一致，圖3 是由患者口部釋放的部分顆粒的運動軌跡圖，CO2的流線圖以及患者口部縱剖面（Y=0.735 m）的濃度分布圖。由此可見在診室模型中，可以用CO2氣體代替飛沫顆粒污染物研究其分布規律。

圖2 顆粒運動軌跡和氣體流線

2.2 冬、夏兩季微生物污染物分布特性的模擬結果

2.2.1 醫生、患者口部高度（Z=1.15 m）水平面的微生物污染物分布模擬結果

冬、夏兩季診室內醫生、患者呼吸高度水平面（Z=1.15 m）的微生物污染物濃度和速度分布情況如圖4 所示。從中可看出：醫生位置處的微生物污染物濃度冬季高于夏季，且冬季工況中整個水平面濃度更高。這是由于夏季大部分送風氣流沿東外墻向醫生側流動，在醫生位置處形成清潔區。而冬季送風氣流至該高度水平面時自身濃度較高，稀釋作用較弱，且沿東外墻均勻向兩側流動，在醫生身后位置形成兩個渦流區使得該區域濃度略高。

圖4 Z=1.15 m 水平面上速度場和污染物濃度場

2.2.2 家屬口部高度（Z=1.5m）水平面的微生物污染物分布模擬結果

冬、夏兩季診室內家屬呼吸高度水平面（Z=1.5m）的微生物污染物濃度和速度分布情況如圖5 所示。從中可看出：家屬位置處的微生物污染物濃度冬季高于夏季，且冬季工況中整個水平面濃度更高。冬、夏季工況的濃度均高于1.15 m 高度水平面，但分布規律相似，這是由于從患者口部呼出的氣體溫度較高，污染物隨之在浮力作用下向上運動。

圖5 Z=1.5 m 水平面上速度場和污染物濃度場

2.2.3 醫生、患者口部縱剖面（Y=0.735 m）的微生物污染物分布模擬結果

冬、夏兩季診室內通過醫生、患者口部的縱剖面（Y=0.735 m）的污染物濃度和速度分布情況如圖6 所示。從中可看出：微生物污染物僅在飛離患者口部的短距離內分布規律一致。夏季工況中患者位置及其身后側濃度較高，醫生側相對清潔。而冬季工況中除房間頂部外，其他區域濃度都較高。這是由于夏季的送風氣流沿東外墻向下運動，在醫生周圍吸收熱量上升從而阻擋了污染物的擴散。而冬季的污染物隨氣流上升至2.5 m 高度處，受到送風氣流的阻擋后向醫生側運動，易堆積在此區域內。

圖6 Y=0.735 m 縱剖面上速度場和污染物濃度場

2.2.4 監測點處微生物污染物分布模擬結果

在坐、立的呼吸高度水平面上設置7 個監測點，點①、②分別布置在患者口部外0.1 m 處和醫生口部位置（坐姿呼吸高度1.15 m 水平面），點③-⑦均勻布置在辦公桌周圍（站姿呼吸高度1.5 m 水平面），具體位置如圖2 所示。表2 給出了7 個監測點的微生物污染物濃度模擬結果。從表中可以看出：各個監測點位置的濃度夏季均低于冬季。通過圖7 分析：微生物污染物所受的浮升力與溫差成正比，夏季患者呼出的氣體與送風氣流的溫差較大，易攜帶微生物污染物向高處運動，使得坐、立的呼吸高度水平面上濃度較低。而冬季患者呼出的氣體在上升過程中與周圍氣體換熱，不斷降溫直至低于送風溫度，送風氣流在浮力作用下阻擋了污染物向上運動，導致污染物在送風氣流以下高度聚集，使得在坐、立的呼吸高度水平面上濃度較高。

表2 監測點處微生物污染物濃度模擬計算結果（10-9 kg/m3）

圖7 Y=0.735 m 縱剖面上溫度場

2.2.5 診室高度方向和進深方向上微生物污染物分布模擬結果

冬、夏季工況下，微生物污染物濃度隨診室高度方向、進深方向的變化如圖8 所示。圖中橫坐標表示高度/進深（m），縱坐標表示微生物污染物濃度值（10-9kg/m3）。

從圖8（a）中分析得出：冬、夏季工況中，各水平面平均濃度的最高值分別出現在1.9 m 和2.3 m 高度處。在該水平面以下的區域，主要受浮升力影響，各水平面的平均濃度隨高度的增加而上升。在該水平面以上的區域，主要受送風氣流稀釋的影響，各水平面的平均濃度隨診室高度增加而下降，其中夏季的送風氣流能影響到診室的整個高度空間，使得在該區域內濃度下降緩慢，而冬季由于送風溫度較高，易漂浮在診室上部空間，對該區域內的稀釋效果明顯，導致濃度大幅下降。但在冬季工況中，呼吸高度區間內受送風氣流的影響較小，濃度較高，不利于人體健康。

從圖8（b）中分析得出：冬、夏季工況中，各剖面平均濃度的最高值分別出現在1.7 m 和1.5 m 進深處。患者身后區域（即進深0～1.3 m 區間），各剖面的平均濃度基本一致。在最高濃度所在剖面的東側區域內，夏季工況中，受到送風氣流的稀釋，各剖面的平均濃度濃度逐漸下降，而冬季工況中，各剖面的平均濃度在2～3.4 m 進深區間內仍成上升趨勢，在進深超過3.4 m后開始下降，且3.8 m 后下降趨勢明顯，這是由于冬季送風氣流的溫度較高，在浮升力和初速度作用下水平運動至東外墻，才沿墻向下運動，對醫生，患者及家屬周圍的就診區域稀釋效果不明顯。

圖8 微生物污染物濃度隨診室高度方向、進深方向的變化

3 結論

以上的數值模擬分析比較了不同季節工況下，患者呼出的微生物污染物在采用側送下回通風方式的診室內的運動分布特性，可以得到以下主要結論：

1）診室內溫度分布是影響微生物污染物運動分布的重要因素，即使在同樣送風量和室內熱源分布的情況下，冬、夏季工況在診室內形成的氣流形態不同，微生物污染物的空間分布也有較大差異，從而對人體健康的影響也有所不同。

2）在本文列舉的算例中，夏季送風溫度較低，微生物污染物在浮升力作用下可運動至診室高處，且送風氣流向下運動稀釋患者呼出的微生物污染物。而冬季送風溫度較高，阻擋污染物上升使其聚集在患者前方,送風氣流以下高度區域，使得在就診區域及坐、立的呼吸高度水平面上，冬季工況濃度高于夏季工況。

3）診室內患者呼吸活動產生的微生物污染物難以靠空調系統完全排除，這就需要長時間在室內停留的人員更加注重防護,并養成良好的衛生習慣。