冬季空調送風角度對集裝箱式隔離病房熱舒適性和病毒濃度的影響

陳宏斐然， 亢燕銘， 鐘 珂， 張寧波

(1.東華大學 環境科學與工程學院， 上海 201620； 2.上海市安裝工程集團有限公司，上海 200080)

2020年春新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情在全球爆發，為減輕醫療負擔，國外醫療團隊受戰時野戰醫院啟發，用集裝箱改建移動式隔離病房[1]。集裝箱式隔離病房是新型冠狀病毒肺炎疫情以來興起的一種新型隔離病房，它不僅擁有傳統負壓隔離病房的功能[2-3]，還具有靈活性強、拆裝便利的特點[4]。Smith[5]最先對集裝箱房屋的可居住性進行評估，結果表明，集裝箱圍護結構保溫性能差且空調設備額定功率有限，使得室內熱環境質量較差，特別是冬季供暖水平較低[6-7]。為解決冬季集裝箱式建筑的保溫問題，Elrayies[8]和魏志遠[9]研究了集裝箱房屋的內保溫做法和不同保溫材料的節能效果。

集裝箱隔離病房的室內溫度和病毒濃度分布直接關系到人員的舒適性和安全性。研究[10-11]表明，送風角度對排污效率和能量利用系數影響很大，然而幾乎無人探索集裝箱式隔離病房空調的最佳送風角度。本文以最常見的平頂標準集裝箱改建隔離病房為例，采用數值模擬方法研究在供暖條件受限的情況下，使室內熱環境最佳和病毒濃度水平最低的空調送風角度。

1 模型構建

1.1 計算模型

研究對象為一種集裝箱改建式病房(見圖1)，其內部尺寸約為4.0 m×2.4 m×2.4 m。病房內部靠墻放置一張病床，尺寸為1.9 m×0.9 m×0.5 m，病人平躺在床上，人體模型按標準成人尺寸設計,約為1.7 m(身高)×0.4 m(肩寬)×0.3 m(體厚)。空調系統為全新風系統，采用上送下排的通風方式，空調位于門上方，送風口尺寸為1.000 m×0.015 m，矩形排風口位于靠近病床側墻下方，離地0.2 m，尺寸為0.3 m×0.3 m。圖1(c)中，y=1.20, 0.45 m處的兩個灰色截面為兩個房間剖面。

圖1 研究空間示意圖Fig.1 Schematic diagram of the studied space

研究[12]表明，熱風供暖時，室內的熱源如人、燈等對房間的供熱是有利的，但對室內氣流和溫度的局部分布影響很小，因此本文不考慮室內熱源的影響。

邊界條件設置為送風速度4 m/s和溫度28 ℃。送風角度定義為送風氣流與鉛垂線的夾角，本文分別設置0°、15°、30°；采用壓力排風，壓力為-10 Pa；室外氣溫為-2 ℃，由于室內空氣溫度和各壁面溫度隨著空調對房間的加熱逐漸上升，且分布不均勻，故室內各壁面邊界的傳熱量通過用戶自定義程序UDF確定。

將人體口鼻部作為污染物散發源，簡化成尺寸為2 cm×2 cm的正方形，人體呼出氣體溫度為34 ℃，速度為0.3 m/s(根據成年人每次呼吸空氣量500 mL和15 次/min估算而得)，方向斜向上45°，呼出氣體的污染物體積分數為0.03%，采用Species模型的二氧化碳近似替代病毒飛沫[13]。

1.2 數學模型

研究空氣為三維連續且不可壓縮的流體。由于需要研究近壁面區域的流動計算問題，故湍流模型采用SSTκ-w模型。研究中認為流體的基本屬性保持不變。采用Fluent軟件模擬時為獲得較精確解，選用二階迎風格式離散化控制方程，同時采用SIMPLEC算法求解流場。對于冬季供熱中存在的由溫差導致的浮升力，模擬中采用Boussinesq假設。數值計算中所有的壁面均滿足無滑移和無滲透條件。物理模型采用適應性較好的四面體網格，送排風口分別定義為Velocity-inlet及Pressure-outlet，且和傳熱墻體一起作局部加密處理。

1.3 網格劃分及無關性驗證

網格劃分。利用ICEM網格劃分軟件對物理模型進行劃分。在網格種類的選擇上，采用生成速度較快、質量較好的結構化網格。模擬中，近壁面處和送、排風口附近的速度與溫度梯度較大，通過加密處理劃分為較小的網格，而將其余區域劃分為較大網格，防止網格數量過多并降低計算成本。網格劃分如圖2所示。

圖2 計算域的網格劃分情況Fig.2 Mesh configurations in the computational domain

網格無關性驗證。為確保數值結果的準確性，需對網格模型進行無關性驗證。模擬中，采用粗、中、細3種網格模型進行模擬計算，網格數量分別為214萬、298萬、390萬，用網格工況1、2、3表示。

通過式(1)計算房間中心位置沿高度方向的溫度均方根誤差。

(1)

式中：n為取樣點個數，取樣點位于房間中心處的鉛垂線上，由于房間高2.4 m，因此每隔0.2 m取一個點，這里n=12；Ti,j和Ti,k分別為網格工況j、k時測點i的溫度。

取ε≤2%為網格無關性標準，根據式(1)計算ε1,2和ε2,3的值，分別為ε1,2=3.3%，ε2,3=1.8%。其中ε2,3低于標準值，表明此時網格數量已不再對計算精度產生影響。綜合考慮計算效率和精度，最終選擇網格工況2進行數值模擬。

1.4 數學模型的合理性驗證

為了驗證上述數值模擬的合理性，在東華大學環境學院人工氣候實驗室進行熱風采暖試驗，試驗中布置4個測桿(每個測桿沿高度方向設7個測點)對室內溫度場和速度場進行測試。

試驗中人工氣候實驗室的內部尺寸(長×寬×高)為3.6 m×3.0 m×2.6 m，與病房模型尺寸相近；采用雙層百葉送、回風口，尺寸 (長×寬)為0.35 m×0.25 m，氣流組織形式為上送上回；送風速度為2 m/s，送風溫度為30 ℃。

采用Humlog 20型測溫儀測量溫度場，最小刻度為0.1 ℃；采用意大利Detla公司的HD103 T.0型萬向風速儀測量速度場，最小刻度為0.01 m/s，精度為±3%，測試范圍為0.05～5.00 m/s。試驗中為保證測量的穩定性，連續測量5～6 h，直到所測空氣溫度及壁面溫度的波動低于0.5 ℃。

運用數值模擬的方法對上述試驗工況進行模擬，通過比較兩組數據的偏差，驗證數學模型在室內空間進行模擬的合理性。考慮到篇幅限制，僅給出1號和3號測桿的模擬結果和實測結果，如圖3所示。

圖3 垂直溫度和風速實測值與數值模擬結果對比Fig.3 Comparison of numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

從圖3可以看出，兩個測桿雖然個別位置的模擬值和實測值存在偏差，但偏差值較小，可以認為模擬值和實測值基本吻合。產生偏差的原因是，試驗中門的開啟和冷風滲透致使房間的溫度場和速度場受到不同程度的影響。總體上可以認為本文所采用的數值模擬方法是可靠的。

2 結果與分析

2.1 熱舒適環境及圍護結構熱損失分析

圖4給出了3種送風角度下房間中間剖面(y=1.2 m，見圖1(c))的溫度分布云圖。

從圖4可以看出：送風角度為0°即送風氣流垂直向下時，送風口熱氣流受慣性力作用貼著壁面流動一段距離，隨后在浮升力作用下，送風氣流運動方向發生變化，掉頭飄向上部，最終在房間頂部形成一片熱空氣層。這不僅會造成空調所在壁面的局部過度加熱，導致圍護結構熱損失較大，還會使大量熱空氣滯留在頂棚附近，而人員所在的下部空間氣溫較低。當送風角度為15°時，送風氣流的豎壁貼附效應減弱，熱量能更好地到達下部空間，壁面附近沒有出現高溫現象。當送風角度增大至30°時，送風氣流流動軌跡與送風角度為15°時類似，但由于受到的向下的慣性力變小，熱風在還未到達地面時因浮升力作用而向上運動，頂棚附近溫度比送風角度為15°時高，不利于節能。

圖4 不同送風角度時房間中間剖面的溫度分布Fig.4 Temperature distribution in the middle section of the room at different air supply angles

集裝箱改裝的隔離病房圍護結構保溫性能差，壁面及其附近空氣溫度對熱損失影響很大，并且此類病房的供熱量又是有限的，因此，若病房壁面溫度分布不均勻，局部高溫會造成熱損失過大，局部低溫也會導致熱舒適性變差。圖5給出了集裝箱式隔離病房各壁面的溫度分布云圖。

圖5 不同送風角度下集裝箱式隔離病房各壁面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of each wall of the container isolation ward at different air supply angles

為便于分析房間內壁面散熱，將房間的6個壁面分別命名為前壁面、后壁面、左壁面、右壁面、上壁面和地面。由圖5可知，隨著送風角度的增加，內壁面高溫區域，特別是空調器所在左壁面的高溫區明顯減少。觀察圖5(a)的墻壁溫度分布情況可知，由貼附氣流引起的熱空氣與墻面對流換熱增強，導致壁面出現一片高溫區域。由于這類墻體的保溫效果較差，這可能會增加房間的熱損失。15°和30°送風時形成的壁面溫度分布類似，不存在壁面局部溫度過高的情況。

為更準確地得到各壁面的局部溫差，對各壁面溫度進行散點統計,沿橫、縱方向每隔20 cm取1個點，結果如圖6所示。

圖6 3種送風角度下各壁面溫度統計結果Fig.6 Statistical results of wall temperature at three air supply angles

從圖6可以看出：空調所在的左壁面在0°送風時會出現溫度偏高的情況，溫度分布很不均勻，最高溫達18 ℃，最低不到2 ℃；而送風角度為15°和30°時左壁面溫度分布較為均勻，集中在8 ℃左右；右墻面處溫度分布在3種送風角度情況下類似，同樣集中在8 ℃左右；3種送風角度下房間上壁面的平均溫度相近，但0°送風的溫差最大；3種送風角度對前壁面和后壁面影響類似，壁面平均溫度均為7～8 ℃，并且溫差均小于5 ℃。

由前文對壁面溫度的分析可知，3種送風角度下壁面熱損失差異較大，第i面墻體總熱損失可表示為

(2)

式中：S為壁面的面積，m2；Δti為壁面某點的溫度與室外空氣的溫差，℃；K為集裝箱式房屋墻體傳熱系數，采用聚苯乙烯泡沫材料作為保溫層，則K=2.56 W/(m2·K)；i=1，2，3，4，5，6，依次代表左、右、前、后、上壁面及地面。

根據式(2)和數值模擬計算結果，各壁面熱損失如圖7所示。

由圖7可以看出，3種送風角度下，除了地面外的其他壁面的熱損失均在0°送風時最大，30°送風時熱損失最小。以30°送風時的總熱損失為基準值，給出另外兩種角度下的熱損失增幅比，即：

圖7 3種送風角度下房間內壁面的熱損失Fig.7 Heat loss of room inner wall at three air supply angles

(3)

式中：ρa為a角度的增幅比；Wa為a角度時的壁面總熱損失，W。

結果顯示，15°送風時熱損失增幅比ρ15=3.7%，可以忽略，但0°送風時熱損失增幅比ρ0=10.4%，顯然不可忽略。故從節能的角度來看，送風角度15°比0°更優。冬季空氣濕度對室內熱舒適性的影響并不明顯，病床附近空氣流速均小于0.5 m/s，因此冬季室內熱舒適性的主要影響因素是平均輻射溫度、空氣溫度和頭足溫差。本文定義的頭足溫差為離地1.5 m處(醫護人員處于站姿的平均頭部高度)溫度與離地0.1 m處(腳踝平均高度)溫度的差值。圖8給出了3種送風角度時的頭足溫差三維柱狀圖。

圖8 3種送風角度時房間頭足溫差三維柱狀圖Fig.8 3D histogram of room head-foot temperature difference at three air supply angles

從圖8可以看出：0°送風時，越靠近空調所在壁面，頭足溫差越大，且溫差峰值超過8 ℃；15°送風時頭足溫差明顯低于0°送風情況，類似地，15°送風時大多數位置的頭足溫差低于30°送風情況。由此可見，15°送風在頭足溫差方面最優。

操作溫度t0反映了空氣溫度和平均輻射溫度對人體的綜合作用，其表達式為

(4)

圖9 3種送風角度下室內熱舒適性影響因素Fig.9 Influence factors of indoor thermal comfort at three air supply angles

根據上述研究結果，分析不同送風角度下的熱舒適指標，給出最佳送風角度的推薦值。根據前文分析可得到不同送風角度時的熱舒適指標和圍護結構熱損失，如表1所示。結合前文和表1可知：送風角度為0°時，送風氣流受壁面影響嚴重，導致壁面溫度偏高，壁面熱損失比30°送風高10.4%，且房間的頭足溫差較大；送風角度為30°時，冬季送風熱空氣難以到達地面，下部空間熱舒適性較差，且房間頭足溫差也較大；送風角度為15°時，能耗僅比30°送風時高3.6%，熱環境也優于0°送風情況。綜上，房間空調送風角度為15°時最有利于減小供暖能耗，并形成較好的熱環境。

表1 3種送風角度下熱舒適性指標及壁面熱損失比較

2.2 送風角度對污染物分布的影響

由圖4中的流線可知，改變送風角度時，室內流場會受到非常大的影響。這不僅造成病房的熱環境不同，還會使病毒的擴散特征隨著送風角度的變化而改變。本節主要研究送風角度對房間病毒分布的影響。

定義無量綱病毒濃度為

(5)

式中：np和n呼分別為考察點p的實際病毒濃度和人體呼出病毒濃度。

人體是房間內唯一污染源，圖10給出了病床中間切平面(y=0.45 m，見圖1(c))的無量綱病毒濃度分布情況。由圖10可以看出：0°送風時病毒的低濃度區域(圖10(a)中的藍色區域)較大，而15°和30°送風時幾乎不存在如此低濃度的區域；病毒的高濃度區域(圖10中的紅色區域)在0°送風時也遠遠小于另外兩種送風角度。

圖10 3種送風角度下病床切面無量綱病毒濃度分布及流線圖Fig.10 Dimensionless virus concentration distribution and streamline of bed section at three angles air supply

為進一步分析送風角度對病毒空間分布的影響，根據房間內病人活動區和醫護人員活動區范圍，在地面上均勻取12個代表位置(見圖11)，圖12給出了3種送風角度下無量綱病毒濃度沿高度方向分布的曲線。

圖11 房間地面取點位置Fig.11 Location of points taken on the floor of the room

從圖12可以看出，對于絕大多數位置，0°送風時的病毒濃度比另外兩種送風角度低，而30°送風時病毒濃度最高。J點和K點為靠近病人頭部的位置。由圖12(j)和(k)的曲線可知，0°送風時，在離地0.7 m左右病毒濃度曲線有一個陡增，表明在此高度有大量病毒氣體聚集，幸運的是高濃度位置不在人體呼吸高度(1.5 m)附近，故對醫護人員危害有限。

圖12 無量綱病毒濃度沿房間高度方向變化的折線圖Fig.12 Variation curve of dimensionless virus concentration along the height direction

將各點沿高度方向的病毒濃度取平均值，以0°送風時的病毒濃度為基準，給出另外兩種送風角度的病毒濃度增幅比率：

(6)

式中：βi,φ表示送風角度為φ(15°或30°)時i點處病毒濃度增幅比率；Ci,φ表示送風角度為φ時i點處沿高度方向的平均無量綱病毒濃度；Ci,0表示送風角度為0°時i點處沿高度方向的平均無量綱病毒濃度；i=A～L，表示地面上的不同位置。15°與30°送風時地面不同位置的病毒濃度增幅比率如圖13所示。

圖13 兩種送風角度下的病毒濃度增幅比率Fig.13 Virus concentration increase ratio at two air supply angles

從圖13可以看出，除了J、K兩點以外，15°和30°送風時平均病毒濃度都比0°送風時高，且30°送風A、E點平均病毒濃度比0°送風時高50%以上。結合圖12(j)和(k)可知，雖然0°送風在離地0.7 m左右有一個高濃度區，但其總體的平均病毒濃度并未高出太多。綜上所述，0°送風在排除病毒方面的效果遠好于15°和30°送風。

3 結 語

為防止病毒傳播并保證醫護人員的健康，研究了集裝箱式隔離病房空調送風角度對室內的影響。結果表明：當送風角度為0°時，送風氣流受壁面影響嚴重，導致壁面溫度偏高，壁面熱損失比30°送風時高10.4%，且房間頭足溫差最高達8 ℃，室內熱舒適性較差。送風角度為15°時，能耗和熱環境均明顯優于0°和30°的工況。室內平均病毒濃度在0°送風時最低，30°送風時最高；0°送風方式能明顯提高房間排毒水平，使病房內大部分測點的病毒濃度維持在較低水平，出現高濃度的空間高度也遠低于人體呼吸高度。建議室內空調器平時采用15°送風以保證病人的熱舒適環境；當醫護人員查房時，調整到0°送風以保證房間低病毒濃度水平。