送風形式對咳嗽液滴在隔離病房傳播影響的數值模擬

吳 鑫 郭曉亮 謝軍龍 侯佳鑫 段梅

送風形式對咳嗽液滴在隔離病房傳播影響的數值模擬

吳 鑫 郭曉亮 謝軍龍 侯佳鑫 段梅

（華中科技大學能源與動力工程學院 武漢 430074）

為了降低傳染性疾病在隔離病房傳播感染的風險，給醫護人員創造安全舒適的工作環境，以單條縫貼附送風、對側條縫貼附送風、百葉風口送風以及置換送風4種送風形式為例對隔離病房的人體熱舒適性、咳嗽液滴的排除效果及醫護人員的感染風險進行了模擬研究。結果表明：在滿足病人和醫護人員熱舒適性要求下，與其他3種送風形式相比，在置換送風的送風形式下，隔離病房的小粒徑咳嗽液滴（5μm～50μm）排除效果最好，醫護人員的感染風險最低，建議隔離病房采用置換送風的送風形式。

咳嗽液滴；送風形式；熱舒適性；擴散；感染風險

0 引言

自SARS疫情后，醫院為控制病原體的傳播以及減少呼吸道傳染性疾病的交叉感染，其患者均安排在隔離病房內進行醫治，醫護人員存在著很大的交叉感染風險[1]。合理的隔離病房氣流組織有助于加快咳嗽液滴在隔離病房的排除，消除交叉感染的隱患，為醫護人員提供更安全的工作環境[2]。

國內外學者對隔離病房的氣流組織設計進行了一系列研究[3]。Li等人[4]采用實驗測量和數值模擬的方法對比分析了置換通風、混合通風和下送風三種不同通風方式下病房污染物的去除效果，其中置換通風效果最好。雖然置換通風是一種較好的控制下部污染的氣流組織方式，但鑒于傳染病房醫療設備等實際條件，有學者提出了貼附通風氣流組織方式[5]。李安桂等人[6]模擬了不同貼附通風方式下的病房室內病原微生物的排除效果，其中采用單風口豎壁貼附加導流板送風的氣流組織形式污染物排除效果更好。Aganovic等人[7]針對工作區環境分隔與控制提出了可用于控制綜合醫院病房污染空氣傳播的工作區保護通風方式。一些國外指南建議在隔離病房中使用氣流向下通風系統[8]。我國GB/T 35428—2017《醫院負壓隔離病房環境控制要求》規定負壓隔離病房的送風口應設置在房間上部，排風口應設置在患者頭部附近，以利于污染空氣就近盡快排除[9]。

綜上所述，目前對于隔離病房氣流組織設計規定還在探索階段，雖然國內外學者對隔離病房氣流組織進行了一些研究，但在其氣流組織設計上并未有統一結論。為了能夠更好地解決醫護人員交叉感染風險的問題，還需對隔離病房不同氣流組織方式進行更全面的分析討論，為病房氣流組織設計提供有效建議，從而優化病房氣流組織形式，達到在減少呼吸道傳染性疾病交叉感染的基礎上，同時兼顧醫護人員和病患的熱舒適度的效果。

筆者對隔離病房在4種送風形式下病人咳嗽液滴的傳播擴散進行了模擬，并分析了人體熱舒適性、咳嗽液滴的擴散及排除效果和醫護人員感染風險，為隔離病房氣流組織的設計提供意見。

1 模型與算例設置

1.1 物理模型

筆者采用單人隔離病房為研究對象，在隔離病房中心設有一個病床，病床兩側各有一臺醫療設備，病人簡化為“十”字架模型。4種送風形式分別為單條縫貼附送風、對側條縫貼附送風、百葉風口送風以及置換送風，送、回風口的布置如圖1所示。隔離病房以及風口的具體尺寸如表1所示。

表1 隔離病房及各風口尺寸

圖1 送風形式方案設計

1.2 算例設置

將各送風口設置為速度進口，回風口為自由出流；將患者（咳嗽液滴）嘴巴模型設置為速度進口；咳嗽動作持續時間設置為0.4s，咳嗽氣流的最大速度為9m/s，咳嗽液滴速度曲線如圖2所示[10]；噴出的咳嗽液滴溫度為309.65K[11]；咳嗽液滴的蒸發性組分（水）的體積分數為87.5%[12]；其他邊界條件及送風參數如表2所示。

表2 邊界條件及送風參數

圖2 咳嗽液滴速度曲線[10]

1.3 計算流程

通過穩態計算得到各送風形式的初始穩定流場，然后通過非穩態方法模擬咳嗽液滴在隔離病房的傳播擴散過程。在咳嗽動作過程中（0～0.4s），患者嘴巴模型設置為速度進口，并加載UDF實現圖2所示的咳嗽液滴速度曲線。咳嗽動作結束后，將患者嘴巴模型設置為壁面條件，并保持此狀態直至計算結束，非穩態過程采用變步長求解。

2 人體熱舒適性分析

將衡量人體舒適程度的PMV數值通過UDF在軟件中進行模擬，其結果如圖3所示。

從圖3可以看出病房內的PMV數值分布受送風形式的影響比較大。在4種送風形式中，病房的PMV值基本在推薦范圍之內。但是在單條縫貼附送風、對側條縫貼附送風及百葉風口送風形式下，射流區域及氣流沖撞區域PMV數值接近甚至低于-1，這說明此區域人的舒適度較低。但只有在百葉風口送風條件下，醫護人員才可能必須穿過射流區域，此時新風會吹到醫護人員，引起醫護人員的身體不舒服。因此，不建議使用百葉風口送風形式。對于置換送風，房間頂部雖然存在一層薄薄的熱空氣層，但不是醫護人員的活動區域。所以，即使該區域的PMV數值較高，也基本不影響人體的熱舒適度。

圖3 PMV等值線圖

3 咳嗽液滴擴散及排除效果分析

3.1 送風形式與咳嗽液滴擴散分析

由圖4可見，單條縫貼附送風的送風形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部正上方呈團狀分布，隨后受環形氣流的影響分成2團分別向病床兩側擴散；在=50s時，咳嗽液滴與病房內空氣充分混合，分布在整個隔離病房；在=1000s時，病房內只零星分布著極少量的咳嗽液滴，只有送風口下方地面有一小團液滴群，這說明該送風形式在隔離病房這處的送風可及性較差。

圖4 單條縫貼附送風液滴擴散圖

由圖5可見，對側條縫貼附送風的送風形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部上方受上升氣流的影響呈水滴狀分布；在=5s時，咳嗽液滴隨氣流撞擊到房頂后開始向兩側擴散，接著被向后流動的氣流裹挾著與混亂渦流匯合后，咳嗽液滴向病房后下方擴散；在=50s時，咳嗽液滴均勻分布在整個病房內；在=1000s時，只有醫療設備靠近回風口一側的角落、患者頭部周圍和回風口旁的地面存在一小團液滴群，這說明該送風形式在隔離病房這幾處的送風可及性較差。

由圖6可見，百葉風口送風的送風形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部上方呈矮小橢球形分布；在=5s時，受向下氣流影響，咳嗽液滴向病床兩側下方擴散，隨后受新風撞擊地面反彈向上流動的氣流影響，咳嗽液滴開始向病房上部擴散；在=1000s時，只有送風口一側的病房拐角地面存在2小團液滴群，這說明該送風形式在隔離病房這2處的送風可及性較差。

由圖7可見，置換送風的送風形式下：在=1s時，咳嗽液滴在患者頭部上方呈棒狀分布，并隨氣流向斜上方擴散；在=5s時，咳嗽液滴隨氣流向病房回風口一側擴散；在=50s時，咳嗽液滴基本分布在病床一側，擴散范圍不大；在=1000s時，只有患者周圍和置換送風口中間及病床兩側的地面存在液滴群，這說明該送風形式在隔離病房這幾處的空氣可及性較差。

圖5 對側條縫貼附送風液滴擴散圖

圖6 百葉風口送風液滴擴散圖

圖7 置換送風液滴擴散圖

3.2 咳嗽液滴排除效果分析

本文采用無量綱液滴數目來評價送風形式排除咳嗽液滴的效果。其公式為：

式中，Nq為無量綱液滴數目；n為當前時間液滴數目；nmax為最大液滴數目，即進入房間內的液滴總數。

圖8為不同送風形式的無量綱液滴數目統計圖。由圖8可知，4種送風形式下，無量綱液滴數目都隨時間的增加在減少。1000s時，4種送風形式的無量綱液滴數目基本維持不變，且基本相同，相差很小。但是，置換送風一開始的無量綱液滴數目就比較小，所以下降幅度比較小，其曲線基本為一條水平線。而其余3種送風形式剛開始的無量綱液滴數目比較大，所以在1000s內減少趨勢比較明顯。總體來看，置換送風的無量綱數目在患者咳嗽后到1000s期間都維持在一個較低且穩定的無量綱液滴數目大小，即能較快地把患者咳嗽液滴排出隔離病房外。

圖9 液滴粒徑分布圖

圖9為4種送風方式下在100s和1000s時隔離病房內液滴的粒徑分布示意圖（A為單條縫貼附送風，B為對側條縫貼附送風，C為百葉風口送風，D為置換送風）。由圖9可知，100s時，單條縫貼附送風形式和百葉風口送風形式的液滴粒徑分布差不多，說明該時間段這兩種送風形式對不同粒徑的排除能力基本是相同的。但單條縫貼附送風形式無量綱液滴數目較小，所以單條縫貼附送風形式液滴排除能力比百葉風口送風形式好。而置換送風形式下，無量綱液滴數目是最小的，且此時小粒徑咳嗽液滴（5μm～50μm）大部分都被排出去了，所以置換送風形式咳嗽液滴排除最快。到了1000s時，4種送風形式的無量綱液滴數目趨于相同，此時隔離病房基本都只存留大粒徑咳嗽液滴（>50μm），但置換送風形式下小粒徑咳嗽液滴基本排除。

在4種送風形式中，因為置換送風在隔離病房內形成穩定緩慢向上流動的氣流，且小粒徑咳嗽液滴（5μm～50μm）的重力作用可忽略不計，所以小粒徑咳嗽液滴基本都可被上升氣流裹挾至回風口并排出病房。而其余3種的送風形式都是上送下回的方式。而小粒徑咳嗽液滴由于質量較小，所以易受氣流影響擴散流動到病房內的各個位置，從而導致隨主氣流擴散到回風口及排出病房外的小粒徑咳嗽液滴數量較少。因此，置換送風排出小粒徑咳嗽液滴的效果比其余3種送風形式好。

所以，置換送風相比于其余3種送風形式下的咳嗽液滴排除效果比較好。

4 送風形式與醫護人員感染風險評價分析

本文在前人優化的Dose-response模型[13]基礎上，把暴露水平設定為醫護人員的呼吸區域、咳嗽次數簡化為一次、將觀察時間離散為多個時間步進行積分以及引入蒸發因素這四個方面對Dose-response模型做了進一步改進，建立Medical Staff Dose-response模型（簡稱MSDR模型），對醫護人員的感染風險進行評價。

MSDR模型呼吸區域內的感染評價為：

式中：P(z,t)為個時間步長內的感染風險值；為液滴粒徑總數；0為第個液滴的初始直徑，m；()為病原體在空氣中的存活能力；Δt為第個時間步長；為呼吸區域的豎直高度，0.2m[14]；為人體呼吸區域的水平面積，即為隔離病房的占地面積，m2；為醫護人員輕微運動的短期呼吸量，8.6L/min[15]；為液滴初始病原體濃度，6.3×106TCID50/mL[16]；β為攜帶病原體的液滴在肺泡區域的沉積分數；r為病原體的傳染性。r與j參數均與液滴的粒徑大小有關。

其中，液滴中病原體的存活能力、傳染性及在肺泡區域的沉積情況參考公式（3）-（5）[17,18]。

通過UDF將感染風險評價模型的相關公式以及參數加載到模擬過程中，從而得到4種送風形式下醫護人員的感染風險。

由圖10可知，4種送風形式的感染風險都隨著時間不斷增大。咳嗽液滴暴露時間越長，醫護人員被感染的可能性越大。在置換送風下，醫護人員感染風險的增加趨勢最為緩慢，而其余3種送風形式的醫護人員感染風險的增加幅度比較大。在40s后，其余3種送風形式的感染風險都大于置換送風，且隨時間增加，其與置換送風的感染風險差值不斷增大。置換送風在預防醫護人員感染方面的優勢隨時間增加越發突出。到了1000s時，置換送風下醫護人員的感染風險約是其余3種的7.8%～15.2%。又置換送風的小粒徑液滴（5μm～50μm）排除效果最好，而小粒徑液滴在肺泡區域有著較大的沉積分數與傳染性，所以，置換送風可以有效消除醫護人員交叉感染的隱患。

圖10 醫護人員感染風險

5 結論

筆者對隔離病房內患者咳嗽液滴的擴散進行了模擬，同時對比分析了4種送風形式下的人體熱舒適性、咳嗽液滴擴散及排除效果和醫護人員感染風險。結果表明，置換送風在控制病原體的擴散，減少醫護人員的交叉感染風險方面有著較好的效果，同時又滿足隔離病房內的人體熱舒適性要求。所以隔離病房建議采用置換送風的送風形式，來為醫護人員創造安全舒適的工作環境。

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Numerical Simulation on Effect of Air Supply from on Spread of Cough Drops in Isolation Ward

Wu Xin Guo Xiaoliang Xie Junlong Hou Jiaxin Duan Meizi

( School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074 )

In order to reduce the risk of infectious diseases in the isolation ward transmitted infections, and create a safe and comfortable working environment for medical staff, with a single seam tape attached to the wind, the contralateral to sew sticker attached to the wind, shutter tuyere air supply and replacement air distribution form of four kinds of air supply as an example to the isolation ward of the human body thermal comfort, cough drops out effect and medical personnel simulation research was conducted on the risk of infection. Results show that the meet the requirements of thermal comfort of patients and medical workers, compared with other forms of three kinds of air supply, in replacement of air supply air distribution form, the small particle size of the isolation ward cough drops （5μm～50μm）ruled out the best effect, medical staff the lowest risk of infection, suggested that the isolation ward in the form of displacement air supply.

Cough Drops; Ventilation Form; Thermal Comfort; Diffusion; Risk of Infect

1671-6612（2021）03-305-07

TU834

A

吳 鑫（1995.08-），女，在讀碩士研究生，E-mail：851914723@qq.com

謝軍龍（1970.02-），男，博士，研究員，E-mail：hustxjl@163.com

2020-11-19