利用CFD研究平疫轉換病房污染物擴散的數值模擬

武子煜，于亞飛，關承穎，安瀟龍，張棟梁

（合肥工業大學土木與水利學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

2019年初，面對突如其來的新冠疫情，許多地區出現了緊迫的醫療病床短缺的情況。因此，賦予普通建筑平疫轉換的能力，即利用學校、賓館等公共建筑，在突發重大衛生事件下經過最小限度的改造作為傳染病隔離病房，可以從根本上解決病床數量不足的問題。

常備不虞，為國常道。正是基于平疫結合的理念，住房和城鄉建設部發布了《新型冠狀病毒肺炎應急救治設施設計導則（試行）》（以下簡稱《導則》），對集中收治新型冠狀病毒患者的醫療機構或臨時建筑的改建、擴建和新建工程項目提出規范和要求，并給出了負壓病房改造參考方案。孫麗等對負壓病房的通風設計進行了探討，得出較科學的新風量；陸瓊文分析了獨立新風變量在負壓隔離病房平疫轉換中的應用；張一鳴等人設計了負壓隔離病房中的空調通風控制系統。負壓病房改造存在諸多限制，要盡量利用房間內的床位和通風設施，并保證原有建筑墻體完整性，須對原有的氣流組織方式進行重新設計。

本文參照了《導則》中的負壓病房改造方案，對賓館標間進行改造，利用CFD數值模擬方法，對四種不同工況下的污染物擴散進行模擬研究，試通過分析室內污染物流線、污染物分布、出口污染物濃度變化曲線等指標，為平疫結合病房設計提出可行性方案。

2 計算模型建立

2.1 建筑模型

房間模型參照賓館標間，尺寸為4m×9m×2.9m，設有兩張床位，衛生間門尺寸0.9m×2.5m。房間內新風進口尺寸1m×0.16m。人體模型身高1.7m，頭部尺寸0.2m×0.2m。此外，為了簡化模型，假設門縫、窗縫等可能泄露氣體部位完全封閉。

2.2 邊界條件設置

由于房間在正常使用時采用通過窗戶縫隙自然排風，無法滿足隔離病房的排風量和過濾要求，因此在原有窗戶縫隙封閉的情況下，有必要設置新的排風口，新設排風口尺寸為0.2m×0.2m。參照火神山醫院的通風數據，房間設計總排風量700m3/h，總送風量500m3/h,衛生間與房間相對壓差5pa，病人口部氣體噴出速度為隨時間變化函數f()t：每間隔18s咳嗽一次，咳嗽噴出氣體速度為10m/s，咳嗽時間持續1s，其余時間保持0.3m/s呼出速度。病人口部作為含病毒空氣釋放源，相對污染物濃度設置為1，進風口和房間初始污染物相對濃度均為0。各邊界條件具體設置如表1所示。

進口和出口邊界條件 表1

2.3 工況設置

依據《導則》中氣流組織設計規范，考慮到“上送下回”、“排風口靠近病人頭部”等原則，設置了四種不同的送排風工況，分別為A病人頭部朝墻，排風口位于外墻；B病人頭部朝墻，排風口位于兩病人之間；C病人頭部朝過道，排風口位于外墻；D打開衛生間門，其余條件與C相同。具體布置見圖1所示。在利用Rhino軟件分別建立四個房間模型之后，導入ANSYS Fluent軟件進行網格劃分和CFD計算。

圖1 模型平面布置圖

2.4 計算條件設置

假設房間內氣流組織形式為不可壓縮氣體的湍流模型，忽略分子粘性影響，因而選擇計算迅速、精度較高的k-ε模型，開啟組分運輸，并考慮重力作用。為了兼顧計算的準確性和高效性，采用四邊形網格，房間內主體網格尺寸為0.1m，并在送排風口和衛生間門處進行網格加密，加密尺寸分別為0.02m和0.05m，最終網格數量約為80萬。采用瞬態計算，時間步長設置為0.05s，每步長內最大迭代次數20次，計算總時長180s。

3 結果分析

3.1 氣流流動軌跡

利用CFD-Post后處理軟件，得出如圖2四種工況下從病人口部呼出氣體的氣流流動軌跡。工況A中，污染物氣體首先垂直向上噴出，在送風口氣流推動下于靠內病人頭部上方形成渦流，而后隨著送風口氣體吹送至排風口處，整體屬于混合流動。工況B中，在排風口抽吸作用下，污染物氣體從口部呼出后，均向排風口移動，送風口氣流在到達外墻之后，再循環至排風口處。工況C中，由于病人頭部靠近送風口，污染物氣體排出后與新風氣體混合后，到達外墻處的排風口，送風口氣流在外墻頂部反射后，在房間內形成環繞氣流。工況D中，氣流流動軌跡與工況C大致相同，由于房間內為負壓，外部氣流從衛生間門流入，加劇了污染物氣體的渦流。

圖2 四種工況污染物氣流流動軌跡

通過分析可得，工況B對污染物氣體排放處理結果較好，能以最近距離排出，無法擴散至醫生工作區域。工況C對新風氣體循環處理結果較好，新鮮氣流在房間內混合較充分，不會產生氣體滯留區。

3.2 污染物濃度分布

通過分析四種工況下排風口的污染物氣體濃度變化曲線，可以看出污染物濃度曲線均隨病人每隔18s的咳嗽而發生突增，隨后污染物被迅速排出而下降，并在90s左右，即室內空氣充分循環后達到穩定波動的狀態。其中工況B排出污染物效率最高，而工況A效率最低，工況C和D大致相同，D工況在從衛生間流入的氣流影響下，氣體在室內形成更大的渦流，因此波動幅度較工況C大，另外有微量氣體從衛生間門處排出。

為了更好地分析房間內污染物對醫生的影響，計劃在醫生面部高度位置（1.7m）處設置5個監測點用于檢測污染物濃度。其中監測點2、4、5位于醫生經常走動的工作區，監測點1、3位于病人活動區。可以發現工況B較其他工況污染物濃度更低，只有在兩病人床位之間處濃度較高，醫生在工作時應避免此區域。另外在工況C和D中，衛生間門流入氣體對污染物濃度的稀釋作用很微弱，并且衛生間門長時間開啟會影響房間內的負壓狀態，應該盡量避免此類工況。

各監測點相對污染物濃度對比 表2

4 結語

本文通過對比分析，對四種工況下的污染物擴散進行模擬研究。綜合比較，當病人頭部靠墻時，將排風口設置在兩病人床位之間的工況B排出污染物效果最好，在醫生站立高度污染物濃度均較低。送風口新鮮氣體先流過走廊，再經過病人面部被排出，有效地防止了污染物氣體向醫生工作區的擴散。此外，開啟衛生間門無法有效降低房間內污染物濃度，反而會加劇污染物氣體在房間內的渦流，應保持衛生間門的關閉。

圖3 排風口濃度隨時間變化曲線