防疫應急醫院典型房間室內氣流模擬研究

方 宇 畢海權 彭治霖 李孟柯

（1.中國建筑西南設計研究院 成都 610042；2.西南交通大學 成都 610031）

0 引言

防疫應急醫院作為緊急應對疫情的重要醫療資源，其良好的氣流組織對保障室內人員舒適性及降低醫護人員感染風險具有重要意義。

目前國內外針對傳染病醫院污染物擴散的研究主要采用現場測試和數值模擬兩種方法。其中示蹤氣體是現場測試的主要研究方法，例如趙越[1]利用六氟化硫作為示蹤氣體，研究了不同送排風方式和換氣次數對負壓隔離病房污染物擴散的影響；Luke 等[2]利用二氧化碳作為示蹤劑，研究了典型醫療房間的通氣率對病毒感染風險的影響；Hua Qian等人[3]利用示蹤氣體研究自然通風在控制醫院病房感染方面的可行性。此外，煙霧測試由于其優越的可視化效果也常配合示蹤氣體法用于研究人體呼吸氣流[4,5]。

除現場測試外，示蹤氣體和顆粒物在病房的數值模擬中也有廣泛應用[6-11]。Zhengtao Ai[12]等人在全面比較示蹤氣體與顆粒物兩種方法優劣勢后，指出示蹤氣體代替飛沫核是研究其在建筑環境中傳播的合適方法。目前，對新冠病毒物化性質研究仍十分有限，大量研究也證實了采用示蹤氣體來模擬氣溶膠顆粒（飛沫核）擴散的可靠性。

由于測試法研究的可操作性、可視化效果受限，本文將利用示蹤氣體模擬工程室內患者呼吸產生的污染物。

1 研究對象、物理模型及求解方法簡介

本研究通過CFD 模擬對典型房間通風、空調末端系統不同設計布置方案進行CFD 氣流模擬分析比較，獲得不同設計方案條件下的速度場、溫度場、壓力場、污染物濃度場。基于模擬結果，尋求最佳通風、空調末端設計布置方案，為防疫應急醫院產品結構體系設計提供理論支撐。

本研究從房間的重要性、典型性、醫護感染風險控制等方面出發，對雙人負壓病房、負壓隔離病房、診室的通風空調不同布置方案分別進行了CFD氣流模擬分析研究。限于篇幅，本文選取雙人負壓病房的相關研究作介紹。

本研究采用商用計算流體軟件ANSYSFLUENT 進行模擬，數值模擬選擇基于壓力求解器的穩態計算，求解方式選擇SIMPLE 算法。并假設房間內空氣為可壓縮的理想氣體，湍流模型選擇RNGk-ε湍流模型，同時由于污染物的擴散伴隨著組分的運輸，因此需要開啟組分運輸模型。

2 通風、空調末端方案、模型及邊界條件

本研究中，雙人負壓病房的空調方案有風管機+新風方案（以下簡稱“風管機方案”）及壁掛機+新風方案（以下簡稱“壁掛機方案”）。

2.1 風管機方案

風管機方案中，病房內新風與風管機的送風共用出風口；排風采用下部排風，設置于床頭側。風管機方案的具體平面布置、三維模型、末端系統參數以及模擬邊界條件如下。

圖1 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（風管機方案一）Fig.1 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wardss(scheme I of air duct fan)

表1 雙人負壓病房末端系統參數及速度邊界條件（風管機方案一）Table 1 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wardss(scheme I of air duct fan)

圖2 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（風管機方案二）Fig.2 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(scheme II of air duct fan)

表2 雙人負壓病房末端系統參數及速度邊界條件（風管機方案二）Table 2 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wards(scheme II of air duct fan)

表3 雙人負壓病房其它模擬邊界條件Table 3 Other simulated boundary conditions of double negative pressure wards

2.2 壁掛機方案

壁掛機方案中，新風獨立送入房間；排風采用下部排風，設置于床頭側。壁掛機方案的具體平面布置、三維模型、末端系統參數以及模擬邊界條件如下。

圖3 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（壁掛機方案一）Fig.3 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme I)

表4 雙人負壓病房末端系統參數及速度邊界條件（壁掛機方案一）Table 4 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wards(wall hanging scheme I)

圖4 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（壁掛機方案二）（末端系統參數及速度邊界條件同表4）Fig.4 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme II)(terminal system parameters and speed boundary conditions are the same as table 4)

圖5 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（壁掛機方案三）Fig.5 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme III)

表5 雙人負壓病房末端系統參數及速度邊界條件（壁掛機方案三）Table 5 Terminal system parameters and velocity boundary conditions of double negative pressure wards(wall hanging scheme III)

圖6 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（壁掛機方案四）（末端系統參數及速度邊界條件同表5）Fig.6 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme IV)(terminal system parameters and speed boundary conditions are the same as those in table 5)

圖7 雙人負壓病房末端系統布置平面圖、三維模型圖（壁掛機方案五）（末端系統參數及速度邊界條件同表5）Fig.7 Layout plan and three-dimensional model of terminal system of double negative pressure wards(wall hanging scheme V)(terminal system parameters and speed boundary conditions are the same as table 5)

壁掛機的其他模擬邊界條件詳表3。

3 模擬結果及分析

3.1 負壓病房溫度場及速度場模擬結果及分析

根據模擬結果，該典型房間的所有空調方案的溫度場及速度場均滿足《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）[15]規定的舒適性要求，限于篇幅，這里不給出具體的結果，本文只討論污染物濃度分布。

3.2 負壓病房壓力場模擬結果及分析

根據模擬結果，該典型房間的壓力場整體分布均勻、穩定，限于篇幅要求，不對壓力場的分布展開描述，這里重點討論門縫壓差滲透風量問題。

壓力場的分布與空調、通風風口的布置關系較小，僅門縫射流處及送風口正下方因風速變化加大出現細微差別，壓力的分布整體與送入、排出房間以及門縫滲透風風量有關；因此保證形成相對壓差的滲透風量是設計應該重點關注的問題，通過模擬結果及現行壓差計算依據進行匯總分析（見表6），本研究建議設計時采用規范《建筑防煙排煙系統技術規程》GB 51251 的相關公式進行計算，并在該計算基礎上乘以1.25 的安全系數。

表6 雙人負壓病房壓差、門縫滲透風量計算及模擬結果Table 6 Calculation and simulation results of pressure difference and door seam infiltration air volume in double negative pressure wards

3.3 負壓病房污染物模擬結果及分析

3.3.1 風管機方案

風管機不同工況的污染物濃度分布場如下。

圖8 方案一（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.8 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme I(0.35m,0.75m,1.6m)

圖9 方案二（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.9 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme II(0.35m,0.75m,1.6m)

圖10 方案一（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布圖Fig.10 Pollutant concentration distribution diagram of scheme I(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖11 方案二（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布圖Fig.11 Pollutant concentration distribution diagram of scheme II(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

對比污染物濃度分布圖可知：方案一中的污染物濃度在不同水平高度上明顯低于方案二，尤其是醫護人員活動頻繁的床尾及病床之間的區域；方案一中的污染物濃度在床尾處沿垂直高度上分布明顯低于方案二。

風管機送風口位于兩病床之間的中間位置，室內氣流整體由中間向兩側流動，流動規律詳圖10、圖11。方案一的排風口布置位置更利于污染物的排除。

3.3.2 壁掛機方案

壁掛機不同工況的污染物濃度分布場如下。

圖12 方案一（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.12 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme I(0.35m,0.75m,1.6m)

圖13 方案二（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.13 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme II(0.35m,0.75m,1.6m)

圖14 方案三（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.14 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme III(0.35m,0.75m,1.6m)

圖15 方案四（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.15 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme IV(0.35m,0.75m,1.6m)

圖16 方案五（0.35m、0.75m、1.6m）水平截面污染物濃度分布圖Fig.16 Pollutant concentration distribution diagram of horizontal section in scheme V(0.35m,0.75m,1.6m)

圖17 方案一（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布圖Fig.17 Pollutant concentration distribution diagram of scheme I(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖18 方案二（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.18 Pollutant concentration distribution diagram of scheme II(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖19 方案三（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.19 Pollutant concentration distribution diagram of scheme III(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖20 方案四（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.20 Pollutant concentration distribution diagram of scheme IV(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

圖21 方案五（床頭剖面、床尾剖切位置、床尾剖面）污染物濃度分布Fig.21 Pollutant concentration distribution diagram of scheme V(bed head section,bed tail section position and bed tail section)

對比污染物濃度分布圖可知：方案一～方案四中的污染物濃度在不同水平高度上明顯高于方案五，尤其是醫護人員活動頻繁的床尾及病床之間的區域；方案五中的污染物濃度在床尾處沿垂直高度上分布明顯低于其他方案。

方案一的排風口位于污染物擴散路徑的末端，但送風氣流受對側壁面的影響大（送風口距對側壁面太近），使得送風口氣流不能充分的發展，便以較高的速度撞擊壁面，進一步加劇了室內空氣的紊亂度，造成污染物快速擴散上揚。

方案二與方案三空氣的流態有所改善，但排風口均未在正對污染物來流方向的末端。

方案四的排風口位于送風口同側，室內空氣排除前已與污染物均勻混合。

方案五氣流穩定性更好，且排風口在正對污染物來流方向的末端，污染物控制效果最優。

4 新風量確定的建議

為進一步探討新風量與患者數量的關系，現在負壓病房風管機方案一及壁掛機方案五基礎上，關閉緩沖間側污染源得到相應的新風對比工況。

圖22 雙人負壓病房僅住一位患者時新風方案Fig.22 Fresh air scheme when only one patient lives in double negative pressure wards

圖23 水平截面（1.6m）、床頭處剖面污染物濃度分布圖Fig.23 Horizontal section(1.6m)and profile pollutant concentration distribution at the head of the bed

由上圖可知，在減少一個污染源后病房內空氣整體的潔凈程度顯著提高。參考世衛組織（WHO）發布的《懷疑發生新型冠狀病毒感染時醫療機構的感染預防和控制臨時指導文件》[18]可知，每位患者的最小新風量至少是60L/s。按照我國現行規范呼吸道傳染病負壓病房最小新風換氣次數為6 次/h[19]。本項目負壓病房面積18.5m2，凈高2.8m，單人患者入住時，患者人員新風量86L/s；雙人患者入住時，患者人員新風量為43L/s，該風量低于WHO 指導文件的建議取值；因此建議設計新風量的計算按患者人員新風量和換氣次數取兩者大值。

5 結論及建議

（1）由于防疫工程中的病房、診室等面積較小，室內溫度場、速度場、壓力場均較為均勻和穩定，不同空調方案均能滿足舒適性要求，應重點關注氣流組織對污染物排除效率的影響。

（2）負壓病房的風管機方案中，建議采用方案一；壁掛機方案中建議采用方案五；在風管機及壁掛機方案均有實施條件時，優先選用風管機方案一。

（3）排風口應盡量靠近污染源，可有效提高污染物的排除效率。

（4）由于雙人負壓病房的房間空間較小，難以形成穩定的定向流動，氣流組織的優化僅能控制氣流流動的整體趨勢，降低污染物擴散的風險。

（5）設計計算壓差風量時，建議采用規范GB 51251 中3.4.7 條的相關公式進行計算，并在該計算基礎上乘以1.25 的安全系數。

（6）在當下和未來變異新冠病毒的感染濃度控制還不明確的情況下，建議設計負壓病房時，新風量按《懷疑發生新型冠狀病毒感染時醫療機構的感染預防和控制臨時指導文件》（WHO）中患者人員最小新風量和現行《傳染病醫院建筑設計規范》GB 50849-2014 規定的新風最小換氣次數（6 次/h）計算結果取大值，降低病房污染物濃度及醫護人員感染風險。