負壓隔離病房氣流組織及顆粒擴散行為模擬研究

譚福太，林 海，李宗錕，謝方靜，余榮學，廖艷芬

（1.廣州匯錦能效科技有限公司，廣州 510665；2.華南理工大學 電力學院，廣州 510640）

2020年年初以來，世界各地受到了新冠病毒（Covid-19）肺炎疫情的沖擊，不僅阻礙全球各國的經濟發展，還嚴重威脅人類的生命健康[1]。可以預見，我國新冠肺炎疫情防控正朝著常態化發展。為了遏制疫情擴散和給予患者有效治療，有必要在醫院建設更多的負壓隔離病房。考慮到占地面積和建設成本等實際因素，將部分普通病房改造成負壓隔離病房有一定優勢。根據《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第七版）》[2]，新型冠狀病毒的主要傳播途徑是呼吸道飛沫和密切接觸傳播。若病房的氣流組織方式不合理，病毒顆粒無法被快速清除，將導致醫護人員的感染風險大大增加。因此，需要合理設計氣流組織方式，防止交叉感染，保障醫護人員的身體健康。

國內外學者對負壓隔離病房的氣流組織形式及顆粒擴散行為進行了許多研究。吳鑫等[3]研究了單條縫貼附送風、對側條縫貼附送風、百葉風口送風及置換送風4種送風方式下污染物的排除效果，其中置換送風的效果較好。Lu等[4]考察了咳痰顆粒在層式通風、置換通風和混合通風下的分布特征。結果表明，層式通風50μm粒徑液滴的控制效果更好，較高的氣流速度可以促進50μm粒徑液滴的沉積。為了降低醫護人員在病房工作時的感染風險，部分研究者建議采用工作區保護通風方式[5]。Wang等[6]在優化通風布置的基礎上，提出了在醫護人員與病患之間加裝風幕的方法，以加強對醫務人員的額外保護。我國GB/T35428—2017《醫院負壓隔離病房環境控制要求》[7]規定送風口和排風口應分別設置在房間上部和病床床頭附近，以利于污染空氣盡快排出。

可見，負壓隔離病房的氣流組織和污染物顆粒擴散的研究是當前相關領域的研究熱點，但還處于探索階段，不同病房通風布局條件下氣流組織存在較大的不同。此外，換氣次數和房間相對濕度的變化也會對污染物擴散產生一定影響。為了能夠更好地解決醫護人員交叉感染風險的問題，還需要氣流組織方式和各種影響因素作進一步研究。本文采用CFD數值模擬方法，研究了通風口位置對流場和污染物顆粒的傳播擴散的影響，并分析了不同換氣次數和房間相對濕度下的污染物質量濃度變化，為隔離病房氣流組織的設計提供技術參考。

1 研究方法

1.1 物理模型及網格劃分

本文以廣州市某醫院單人隔離病房為研究對象，其尺寸為4.3 m×3.5 m×2.8 m。病房中間放置一張病床（2 m×1 m×0.5 m），其上病人簡化為方塊模型，嘴巴用矩形替代。病房安裝有3道門，分別通向緩沖間、衛生間和患者走廊，門底部留有5 mm高的縫隙。由于墻板等圍護結構氣密性較好，滲透風量僅從門縫進入病房。4種通風方案如圖1所示。其中，送、排風口的尺寸分別為340 mm×340 mm和300 mm×240 mm。

圖1 通風方案設計

采用四面體網格劃分物理模型，并在風口、人體和門縫等速度和溫度梯度較大的區域進行局部加密。為提高數值模擬計算的精度，劃分的網格數量為181萬。

1.2 模擬方法與邊界條件

由于室內氣流普遍為湍流，工程上常采用兩方程模型來進行計算。本文選用RNGk-ε兩方程模型作為病房氣流組織模擬的湍流模型，以獲得更精確的流場結果。為了模擬污染物的擴散分布，采用離散相DPM模型進行計算，并考慮液滴顆粒的蒸發效應。

將各送風口設為速度進口，排風口設為壓力出口。按照設計要求，緩沖間、隔離病房、衛生間和患者走廊的壓力分別為-20、-25、-30、-15 Pa。患者嘴巴設為速度進口，呼氣速度為0.5 m/s[8]，溫度為36℃[9]。液滴顆粒隨嘴巴氣流持續噴出，其蒸發性組分（水）的體積分數為87.5%[10]。其他邊界條件根據病房實際設計參數設置，見表1。

表1 邊界條件設置

2 結果與分析

2.1 流場分析

各方案的速度流場情況如圖2所示。可以看出，病房內整體處于混合流動狀態。方案一、三的氣流由天花板頂送入房間，撞擊地面后速度下降，并向四周擴散。一部分氣流回流至天花板，另一部分氣流在病床下部形成旋流，未能及時排出。方案一的排風口在病房兩側，部分氣流未經過病人上方空間而被直接排出，無法充分起到稀釋和排除污染物的作用。方案三由于排風口在病人兩側附近，能夠引導更多的氣流經過病人口鼻上方。對于方案二和四，由于重力的作用，送風氣流的高度隨著擴散而下降。氣流夾帶周圍空氣，在射流周圍形成再循環流。大部分氣流經過病人上方，形成較好的氣流組織。其中，方案四的排風口更靠近患者，混合病原體的污染空氣能被更快排出，減小其在房間的擴散程度，從而保護醫護人員。

圖2 各方案速度流線圖

2.2 顆粒分布及質量濃度分析

污染物顆粒持續噴出500 s后的擴散分布情況如圖3所示。顆粒在送風氣流的混合與稀釋下，逐漸向整個房間擴散。相比方案一，其余3種方案的顆粒數量有不同程度的減少，即顆粒排除能力更強。由于氣流影響，方案二、方案三、方案四的顆粒偏向一側流動，導致該處顆粒較為密集，增加了醫護人員的感染風險，后期可通過調整排風口面積或風速配比等方式加以改善。

圖3 各方案顆粒分布圖

氣流組織形式對病房顆粒質量濃度的影響見表2。其中，呼吸區域指醫護人員一般的呼吸空間，位于病房高度為1.3~1.5 m的區域。可見，方案四下的病房整體和醫護人員呼吸區域的顆粒質量濃度最低，分別比方案一減少約59.9%和57.8%。值得注意的是，方案二、方案四的顆粒質量濃度明顯低于其他2種方案，原因是送風口的側向布置能將大量潔凈氣流送入患者口鼻區域，增強了污染物排除效果。另外，方案四中排風口距離患者較近，相當一部分攜帶污染物的空氣能被直接排出，減少了污染物在病房內的停留時間，從而降低了顆粒質量濃度。因此，選擇方案四的氣流組織形式較為適宜。

表2 500 s時不同氣流組織方案下的顆粒質量濃度

2.3 換氣次數、送風相對濕度分析

換氣次數的變化能改變房間氣流速度，進而影響污染物顆粒的擴散分布；送風相對濕度的變化能改變顆粒的蒸發速率，也會對其擴散與排除產生一定影響。

在方案四的基礎上，考察了不同換氣次數下的污染物顆粒質量濃度變化，見表3。結果表明，換氣次數從8 ACH提高到12 ACH，病房整體和醫護人員呼吸區域的顆粒質量濃度分別減少27.2%和21.5%，效果較好。然而，換氣次數大于12 ACH時，病房顆粒質量濃度變化不明顯，且略有增加。這是因為風速增大后加劇了顆粒在病房內的四處擴散，增加了其停留時間，反而降低了排除效率。從另一個角度看，提高換氣次數需要增大風機功率，導致能耗增加。因此，在該氣流組織形式下，選擇12 ACH的換氣次數較為適宜。

表3 500 s時不同換氣次數下的顆粒質量濃度

送風相對濕度變化對污染物顆粒質量濃度趨勢的影響見表4。結果表明，送風相對濕度從30%提高到90%，病房整體和呼吸區域的顆粒質量濃度均略有減少，即分別減少11.8%和8.1%。這是因為在低相對濕度條件下，顆粒水分的蒸發時間減短，體積迅速變小，可以作為穩定的氣溶膠懸浮在空氣中較長時間，不利于從病房中清除。由于液滴本身粒徑較小，蒸發時間較短，所以，濕度引起的液滴粒徑或體積變化較小。在調整氣流組織形式和換氣次數的基礎上，可利用加濕器增加病房的相對濕度，以進一步降低污染物質量濃度，減小醫護人員被感染的概率。

表4 500 s時不同送風相對濕度下的顆粒質量濃度

3 結論

（1）病房內氣流組織處于混合流動狀態，室內氣流組織狀況隨通風口布置有所差異。方案二和方案四中，側向送風保證有大量新風流向患者口鼻區域，裹挾污染物并排出，形成良好的氣流組織。

（2）從污染物的分布擴散來看，方案四最佳，方案二次之，其余方案效果一般。在方案四中，送風口的位置能形成良好的氣流組織以高效排除污染物。同時，排風口靠近患者，有利于污染物的直接排除，降低其擴散程度。

（3）換氣次數從8 ACH提高到12 ACH時，污染物顆粒排除效率提高，質量濃度有所降低。然而，繼續提高換氣次數時，效果不明顯。提高送風相對濕度能降低顆粒的蒸發速率，從而在一定程度減少病房內顆粒質量濃度。為了降低醫護人員被感染的風險，建議選擇12 ACH的換氣次數，以及適當提高送風相對濕度。