數字化技術在醫院建筑綠色健康環境設計中的應用實踐

文｜太原中醫醫院 王力文

在實際的醫院房間中，空氣參數（例如速度、溫度和濃度等）的分布是不均勻的[1-2]。為了保證室內熱環境的舒適程度，需要對房間內部的空氣環境進行精細化模擬[3-4]。本文基于計算流體力學CFD 的方法，對于我國寒冷熱工氣候區中醫院建筑夏季空調冷卻工況下的典型病房房間進行數值模擬；同時采用建筑室內環境熱評價參數比較不同送回風模式的實際效果。在數值模擬的基礎上，給出工程設計建議，同時也對于其它氣候分區醫院病房空調氣流組織數值設計提供范例。

1.計算方法介紹

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是空間離散和納維-斯托克斯方程的仿真預測工具，用于求解流體的參數在時間和空間分布問題。CFD的開發源于航空科技，后來逐漸擴展到土木、電子、環境、機械、醫學等多個領域[5-6]。近年來，CFD 在建筑環境中發揮越來越重要的作用，是建筑性能分析的有手段（包括環境、能耗、力學等）。相對于實驗測量研究，其成本更低、信息更多、功能更強。CFD 通常包含如下幾個主要環節：構建幾何模型、空間區域離散、數理模型選擇、數值仿真迭代、數據后處理等。

2.計算結果

本文以某醫院住院樓典型病房的單人間、雙人間和三人間為典型案例進行分析，具體的數值模擬步驟包括房間建模策略、網格策略、計算流程策略、初步計算等。圖1展示了頂送頂回工況下的三種病房布局和送回風口位置。送風模式都是頂送頂回，不同之處在于病床的大小不同。根據病人的數量不同，每個房間的送風速度不同；室外環境溫度設置為30 攝氏度，送風溫度是21 攝氏度。本文醫院位于我國北方地區，熱工分區整體上屬于寒冷地區（如山西太原），故夏季室外溫度選取30 攝氏度，而非我國南方炎熱高溫氣候。對于該醫院環境調控系統，夏季采用空調降溫模式，冬季采用換熱器采暖模式（熱舒適程度好且節能經濟），春秋等過度季節則直接采用自然通風模式。本文的研究重點是該熱工氣候分區下的醫院病房夏季空調降溫模式。對于其它環境調控模式，將在未來研究之中進行詳細分析，且不是本文的研究重點內容。當前醫院病房外墻厚度45 cm，采用帶有保溫屬性的鋼筋混凝土材料。

圖1 醫院住院樓典型病房的布局和送回風模式

圖2展示了三種病房內距離墻面距離為1.8m 平面的溫度場和速度場分布，此平面的截面位置包含了病床。由于送風口設置在房間頂部，病床上的病人會有嚴重的吹風感。這對于病人的熱舒適和健康是極為不利的。當然，通過調整送風口和病床的相對位置可以減緩吹風感。但這樣做有兩點隱患：一是施工條件不一定允許；二是在房間中走動的人員的熱舒適很難保證。因此，盡管頂送頂回的方式施工容易，但對于醫院房間的整體熱舒適是極為不利的。

圖2 醫院住院樓典型病房頂送頂回模式下的模擬結果（垂直面）

圖3展示了三種病房內距離地面高度為1.8m 平面的溫度場和速度場分布。由于送風口設置在房間頂部，病床上的病人會有嚴重的吹風感。這對于病人的熱舒適和健康是極為不利的。水平截面的結果很難分析出較為有用的結論。因此，采用包含床位的垂直截面數據更為合理。

圖3 醫院住院樓典型病房頂送頂回模式下的模擬結果（水平面）

本文發現醫院房間內頂送頂回的模式存在吹風感等問題。因此，我們推薦側側送頂回的模式，如圖4所示。送風口在墻壁側，但是回風口在頂部，這也是有利于施工的。本文以醫院住院樓典型病房的雙人間為典型案例進行分析，具體的數值模擬步驟包括房間建模策略、網格策略、計算流程策略、初步計算等。室外環境溫度設置為30 攝氏度，送風溫度是21 攝氏度；房間的換氣次數是6 次。我們在保證總的送風量的基礎上，通過改變送風口尺寸以改變送風速度。本文模擬了三種送風速度下的雙人間工況，包括0.8 m/s,1.0 m/s,1.3 m/s。本文采用兩個不同的熱評價指標以評價不同的送風模式，包括PMV 和PPD。PMV（Predicted Mean Vote）是指預測平均評價指標，同空氣溫度、濕度、速度、輻射溫度、衣服熱阻等緊密相關。PMV 指標表明群體對于（+3～-3）七個等級熱感覺投票的平均指數。PMV 數值越大，人體熱感覺越偏熱；PMV 數值越小，人體熱感覺越偏冷；PMV接近于0，則室內環境越舒適。PPD 是人體熱舒適不滿意百分比，此比例越大則越多的人不滿意，建筑熱環境質量越差。

圖4 醫院住院樓典型病房的布局和送回風模式

圖5展示了雙人病房內距離墻面距離為1.8m 平面的PMV 場和速度場分布，此平面的截面位置包含了病床。由于送風口設置在房間側頂部，病床上的病人沒有嚴重的吹風感。盡管病房房間內部有一定的熱分布不均勻性，但PMV 在正負0.5 之間波動，滿足病人熱舒適的要求。在吹風感方面，算例2(送風速度為1 m/s 時)的空間整體吹風感最弱?？紤]到工程的實際性質，本團隊認為采用1.0 m/s 的送風速度是最優工況。送風速度偏高，吹風感來源于較強的射流；送風速度偏低，吹風感來源于較強的射流；送風速度偏低，吹風感則來源與冷空氣的下沉。因此，存在最優的氣流組織設置。

圖5 醫院住院樓典型病房側送頂回模式下的模擬結果（垂直面/PMV）

圖6展示了雙人病房內距離墻面距離為1.8m 平面的PPD 場和速度場分布。結果顯示病人區域和房間整體區域的熱感覺不滿意率低于10%；整體上看病房內部空氣速度較低，不會給人員（包括醫生、病人、以及家屬等）造成顯著的吹風冷感以及熱不滿意問題。綜上，醫院建筑房間中的側送頂回氣流組織模式滿足熱舒適需求。

圖6 醫院住院樓典型病房側送頂回模式下的模擬結果（垂直面/PPD）

本文針對夏季空調的冷卻工況進行數值設計，通過向病房送入冷風以有效去除建筑室內的產熱量。通過CFD 手段對于病房室內氣流組織系統進行優化，有效保證了室內的熱舒適程度，并降低了不滿意百分比。本文還通過數值方法探究了醫院不同墻體厚度的影響（當前外墻厚度45 cm，本文計算了49 cm 和54 cm 兩個工況）。模擬結果顯示，增加墻體厚度對于建筑熱環境影響小于5%且可以忽略，其主要原因是墻體厚度較大對于建筑室外熱流，故當前基于建筑標準化的病房墻體設計可以滿足建筑熱工設計要求。本研究主要聚焦于我國寒冷地區醫院病房夏季空調工況的室內通風氣流組織設計，其相關方法并不適用于其它工況，例如冬季采暖工況和春秋過渡季自然通風工況。對于采暖工況，需要發展相應的輻射制熱模擬方法；而對于自然通風工況，需針對開窗形式的不同發展基于建筑室內外耦合仿真預測的混合式流體力學方法。

3.結論

本文采用CFD 數值模擬的方法比較了醫院病房中頂送頂回和側送頂回的氣流組織模式以及熱舒適情況。結果顯示側送頂回可以滿足熱舒適需求，同時也方便實際工程施工。