昆明某新冠病毒隔離病房氣流組織模擬分析

李 寧 饒冬生

（云南省設計院集團有限公司 昆明 650228）

0 引言

為滿足對新型冠狀病毒感染肺炎的收治能力，昆明某醫院新建了新冠病毒應急病房。本工程主要分為應急病房區、實驗區兩部分內容。

總建筑面積：3298.20m2，建筑占地面積1574.99m2；病床總床位90 床。此次新冠狀病毒肺炎傳播途徑為經呼吸道飛沫和密切接觸傳播是主要的傳播途徑，國家列為乙類傳染病甲類管理。病房區參照《傳染病醫院建筑設計規范》GB 50849-2014 和《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應急醫療設施設計標準》（T/CECS661-2020）來設計。病房平面布置劃分為污染區、半污染區與清潔區。隔離病房劃入污染區。由于新型冠狀病毒肺炎的主要傳播途徑為經呼吸道飛沫和密切接觸傳播，如何通過合理的氣流組織有效地稀釋病房內病毒的濃度，成為隔離病房通風設計的關鍵點。

1 數值模擬軟件介紹

CFD（Computational Fluid Dynamics）是計算流體力學的英文簡稱。其基本原理是數值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似地模擬流體流動情況。

通過CFD 數值模擬可以得到復雜問題流場中壓強、速度和溫度及濃度等參數的分布。國內很多文獻采用CFD 方式進行數值模擬，對負壓隔離病房氣流組織進行過研究[1-3]。常用的CFD 軟件有PHOENICS、FLUENT 和CFX 等軟件。本文數值模擬分析采用的是PHOENICS 軟件。PHOENICS是世界上第一套計算流體動力學和傳熱學的商用軟件。其采用離散化法為有限體積法，其特點為計算效率高，目前在CFD 領域得到廣泛應用。該軟件近年來廣泛應用于通風、空調效果分析、火災模擬研究[4-7]。該軟件應用廣泛，很好指導通風、空調的優化設計工作。

2 數值分析過程介紹

根據《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應急醫療設施設計標準》規范要求負壓病房與相鄰緩沖間設計壓差應不小于5Pa，《傳染病醫院建筑設計規范》GB 50849-2014 呼吸道病房最小換氣次數應為6 次/h。本項目負壓病房與相鄰緩沖間壓差取15Pa，換氣次數為12 次/h。計算得每間隔離病房的排風量為900m3/h，送風量為700m3/h（見圖1）。

圖1 隔離病房風管平面布置圖Fig.1 Air duct layout of isolation ward

根據《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應急醫療設施設計標準》（T/CECS661-2020）規范的相關規定，從保護醫護人員的角度，負壓病房的送風應先流經醫護人員常規站位區域，使醫護人員呼吸區的空氣相對清潔，排風應能快速排走病人呼出的污染空氣，減少病房內污染空氣的回流，送風口應設在醫護人員常規站位的頂棚處，排風口應設在與送風口相對的床頭下側。根據以上原則設計了四種氣流組織形式，氣流組織方案詳表1 及圖2、3。并進行模擬對比。邊界條件為：送、排風口邊界條件為恒定體積流量，湍流模型采用K-ε模型。病毒濃度當量參照相關文獻對SARS 的模擬研究取5L 濃度當量/min[2]。

表1 氣流組織方案Table 1 Air distribution scheme

圖2 方案一、二模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of scheme 1 and 2

圖3 方案三、四模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of scheme 3 and 4

3 結果分析

表2 各方案風速對比Table 2 Comparison of wind speed of each scheme

根據對四組方案的建模及模擬計算分析，得到各組不同氣流組織下的新冠病毒濃度分布情況詳圖4～圖7，速度場示意圖詳圖8，圖標COVI 為新冠病毒相對濃度量的標識。從四個方案中我們可以得出。采用方案二每床配備一個散流器頂送風，每床頭部旁設百葉風口下排風X 和Y 方向的截圖中顯示病毒的濃度最低。方案一每床配備一個百葉風口頂送風，每床頭部百葉風口下排風X 和Y 方向的截圖中顯示病毒的濃度次之。方案三濃度較方案一、二都大。而采用方案四病毒濃度分布最大，效果也是最差。

圖4 方案一新冠病毒濃度場示意圖Fig.4 Scheme 1 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖5 方案二新冠病毒濃度場示意圖Fig.5 Scheme 2 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖6 方案三新冠病毒濃度場示意圖Fig.6 Scheme 3 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖7 方案四新冠病毒濃度場示意圖Fig.7 Scheme 4 Schematic diagram of 2019 Novel Coronavirus concentration field

圖8 各方案速度場示意圖Fig.8 Schematic diagram of velocity field of each scheme

圖9 各方案壓力場示意圖Fig.9 Schematic diagram of pressure field of each scheme

方案一和二送風口均為3 個，排風口同樣為3個分布均勻，能均勻的發揮送風口送入風量射流卷吸和稀釋作用，與理論實踐相符。方案二采用的散流器送風較百葉送風效果更好，是因為散流器送風具有水平分速度，出口氣流擴散范圍較大。而百葉風口氣流方向垂直向下Z 方向速度大于散流器，進入房間后距離風口很遠才能卷吸空氣等原因[3]效果不如采用散流器送風口效果。這也與國內相關研究文章得到相似結論。

方案三、四由于送風口數量有限。風口射流卷吸稀釋作用有限，所以稀釋病毒濃度效果不如方案一和二。在風速分布圖中方案一上送百葉風口氣流方向垂直向下Z 方向速度大。而方案二和三中送風口采用散流器具有水平分速度。Z 方向速度沒有百葉風口大，取得較好稀釋病毒濃度效果。方案二采用均勻布置的散流器相對其他方案速度場更均勻，人員長期逗留區域風速小于等于0.3m/s，舒適度更高。

通過對壓力場分析，幾個方案壓力場都呈現出主流斷面壓力均勻[8]，方案一至三壓力梯度變化明顯，由送風口至排風口負壓值增大。對比幾個方案，方案一、二可以保證氣流使醫護人員呼吸區的空氣相對清潔，排風應能快速排走病人呼出的污染空氣。方案四氣流壓力梯度變化不明顯。

通過模擬結果，方案二氣流組織方式對稀釋新冠病毒污染物效果最好。其風口風速0.5m/s，面部風速0.12m/s。該值與負壓隔離病房建設簡明技術指南推薦風口、風量依據相同。

在實際設計中根據模擬結果，采用該種氣流組織形式進行隔離病房通風設計、投入實際使用后取得了不錯的效果。