輻射吊頂對負壓隔離ICU熱環境和排污效率的影響

何 平 錢 華 陳永強

（1 東南大學能源與環境學院 南京 210096；2 廣東呼研菲蘭科技有限責任公司 佛山 528200）

自疫情爆發以來，新型冠狀病毒已導致全球數十萬人死亡，目前仍有2 000多萬確診病例需要治療[1]。負壓隔離ICU是為傳染病重癥患者提供醫療護理的隔離場所，不僅要為重癥患者和醫護人員提供舒適衛生的室內環境，更需具有良好的氣流組織以防止醫患感染。GB 50849—2014《傳染病醫院建筑設計規范》[2]將負壓隔離病房和負壓隔離ICU歸為一類，具體的條例完全相同，兩者具有極大的相似性。目前對負壓隔離病房的研究較多，主要通過對病房的氣流組織形式進行CFD模擬[3-7]和實驗[3,5-7]，對負壓隔離ICU的研究則相對較少[8-9]。狄彥強等[3]和李安桂等[4]分別提出了圍簾式送風和豎壁貼附加導流板送風，并未研究人體發熱對于室內環境的影響，故推薦采用下排風口。而K. W. D. Cheong等[5]考慮熱羽流，但忽略了呼出氣體溫度的影響，研究結果顯示在通風效率方面，側頂送風另一側下回>頂送側下回>頂送頂回。凌繼紅等[6-7]考慮了人體的熱羽流和呼出氣體溫度，推薦采用上排風。李勇[8]對負壓隔離ICU進行模擬，頂送下回系統均優于側送下回系統，但未對上排風進行討論。T. N. Verma等[9]模擬了不同換氣次數對ICU污染物的影響，但送排風形式同樣也很重要。綜上，目前對負壓隔離ICU的研究以傳統空調系統為主，缺乏輻射吊頂的應用研究，且對于排風口的位置未達成統一意見。

輻射吊頂加新風系統屬于溫、濕度獨立控制系統，無室內風機盤管，運行噪聲較小[10]，無凝結水，不會產生軍團菌[11]，較衛生，適用于ICU環境。輻射吊頂配合新風系統還可減少房間垂直溫差，提高人員舒適度[12-14]。章重洋等[15-16]研究表明較小的垂直溫差有利于減少氣溶膠的傳播，表明了輻射吊頂配合新風系統在ICU防控方面的潛力。此外輻射吊頂配合新風系統具有良好的節能特性[11,17]，但缺點是存在結露風險[12]，在實際工程中可通過制定合適的運行策略和改進輻射板物性來避免[18]。綜上所述，輻射吊頂加新風系統具有衛生、舒適、節能的特點，適用于負壓隔離ICU環境。

本文通過CFD模擬了夏冬兩季輻射吊頂加新風系統在負壓隔離ICU中的應用，研究了輻射吊頂供熱供冷量和排風口高度對室內熱環境和排污效率的影響。

圖1 ICU物理模型Fig.1 Physical model of ICU

1 研究方法

1.1 物理模型

建立的某負壓隔離ICU模型如圖1所示。病房配置2張病床，房間面積為33.5 m2，套內高度為2.7 m。在病床之間安裝隔簾，使每個病床區域相對獨立，減少交叉感染，新風分兩路送出, 一路送風口設置在病床上方，另一路設在ICU醫護人員走廊處[19]。由于實際工程復雜，在模擬時需進行部分簡化，基本假設如下：

1）輻射毛細管均勻分布在吊頂之上。

2）患者口鼻簡化為5 cm×2 cm的長方形。輔助醫療設備簡化為0.6 m×0.6 m×1 m的立方體。床簡化為2.2 m×1.0 m×0.8 m的立方體。不再考慮房間其他物品對于氣流組織的影響。

3）為保證室內負壓，排風量會大于送風量，剩下的風量會由維護結構縫隙進入室內。假設該部分滲透風量由門窗邊緣縫隙5 cm處均勻滲入。

4）用患者呼出CO2作為示蹤氣體[4,7]來模擬可能攜帶病毒的氣溶膠污染物的空間分布。

5）僅考慮顯熱負荷，不考慮相變潛熱負荷。混合氣體符合Boussinesq假設[4]。

1.2 數學模型

模擬的控制方程包括：連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分輸運方程，湍流采用RNGk-ε模型[7]，輻射采用DO輻射模型。

根據ISO 7730標準[20]，由于人體發熱量為40 W/m2，不滿足PMV評價的條件。本文采用垂直溫差[14,20]和吹風感指數[20]（draft rate，DR）來評價房間的熱環境。

（1）

式中：T1為房間1.1 m高度的平均溫度，℃；T2為房間0.1 m高度的平均溫度，℃；Δh為高度差，m。

DR=（34-T）（u-0.05）0.62（3.14+0.37uTi）

（2）

式中：T為局部溫度，℃；u為局部風速，m/s；Ti為局部湍流強度，%。

本文采用排污效率ε[21-22]評價氣流組織的性能。

（3）

式中：Ce為排風口污染物體積分數；Cs為送風口污染物體積分數；Cb為病房內醫護人員呼吸區（1.1～1.5 m）的污染物平均體積分數。由于空調系統采用全新風運行，送風口處污染物體積分數為0，式（3）可變為：

（4）

1.3 邊界條件和工況設置

考慮到重癥患者的舒適性，夏季室內設計溫度為26 ℃，冬季室內設計溫度為24 ℃，相對濕度均設置為60%。最小換氣次數為12 h-1，房間送風量比排風量大150 m3/h[2]。

送風采用4個0.6 m×0.6 m的層流送風罩，邊界條件設置為velocity-inlet，送風速度設置為0.21 m/s。排風口尺寸為0.6 m×0.4 m，邊界條件設置為pressure-outlet。外窗縫隙設置為velocity-inlet，速度為0.03 m/s，夏季31.8 ℃、相對濕度68%，冬季5.2 ℃、相對濕度72%。其他房間縫隙設置為velocity-inlet，0.03 m/s，溫濕度為房間設計溫濕度。輻射吊頂設置為wall，熱流密度設置為輻射吊頂供冷供熱量。外窗邊界條件為wall，熱流密度設置為夏季124 W/m2、冬季-45 W/m2。中部的隔簾設置為wall（Coupled），傳熱不傳質。其他墻面設置為絕熱邊界條件。ICU內的輔助醫療設備功率為200 W/臺，表面設置熱流密度邊界。人員發熱為40 W/m2，表面設置熱流密度邊界。患者口鼻設置為velocity-inlet，速度為0.5 m/s[23]，溫度為34 ℃[24]，CO2占4%，H2O占5%。模擬采用SIMPLE算法計算速度-壓力耦合。控制方程前3 000步采用一階迎風離散格式提升計算速度，之后采用二階迎風離散格式提高準確性。利用標準壁面函數描述近壁面湍流特性。當能量方程殘差小于10-7，其他方程殘差小于10-3，認為計算收斂。

工況設置如表1所示。新風系統或輻射吊頂的負荷分擔策略為：1）新風承擔全部的冷熱負荷，不開啟輻射吊頂（Strategy 1，S1）；2）新風處理到房間溫濕度，其余冷熱負荷由輻射吊頂承擔 （Strategy 2，S2）；3）新風處理至低于房間設置溫度2 ℃，其余冷熱負荷由輻射吊頂承擔 （Strategy 3，S3）。排風口高度設置為0.1 m（lower exhaust outlet，LE）和1.9 m[3-4,7]（upper exhaust outlet，UE）。

表1 工況設置Tab.1 Setting of conditions

1.4 網格無關性和模型驗證

為使計算更加準確，已對患者口鼻、送風口、排風口、門窗縫隙的網格適當加密。為驗證網格無關性，分別采用90萬、135萬、226萬網格數進行模擬。模擬的房間垂直方向溫度如圖2所示。采用135萬網格數即可在消耗較小的計算資源下保證計算精度。

圖2 網格無關性驗證Fig.2 Grid independence test

為驗證計算模型的準確性，采用相同的計算模型對實驗[14]的輻射吊頂加混合通風實驗工況（房間冷負荷為83 W/m2，換氣次數為14.4 h-1）進行模擬。模擬結果如圖3所示，模擬與實驗在大部分測點溫度相差小于0.5 ℃，在CO2垂直分布的趨勢上保持一致，模型較為準確，可以用于評估室內熱環境和排污效率。

圖3 模型驗證Fig.3 Model validation

2 結果與討論

2.1 輻射吊頂供冷供熱量對熱環境的影響

不同工況下房間平均溫度和垂直溫差如表2所示。夏季排風口高度為0.1 m時，采用輻射吊頂可使垂直溫差降低18%～55%。夏季排風口高度為1.9 m時，采用輻射吊頂可使垂直溫差降低5%～58%。冬季不使用輻射吊頂時，垂直溫差可達2 ℃/m以上。冬季排風口高度為0.1 m時，采用輻射吊頂也可使垂直溫差降低42%～59%。冬季排風口高度為1.9 m時，采用輻射吊頂可使垂直溫差降低7%～43%。夏冬兩季，室內的垂直溫差均會隨輻射吊頂供冷供熱量的增加而減少。

表2 房間平均溫度和垂直溫差Tab.2 Room average temperature and vertical temperature difference

不同工況下患者附近吹風感指數如圖4所示。所有工況下的吹風感指數（DR）均在ISO 7730—2005的推薦范圍（<20%）內。夏季使用輻射吊頂可使DR下降68%～86%，且DR隨著輻射吊頂供冷量的增加而下降。冬季使用輻射吊頂可使DR升至10%～16%，且隨著輻射吊頂供熱量的提高，送風溫度下降，空氣流速增加，DR上升。

圖4 不同工況下的吹風感指數Fig.4 Draft rate under different conditions

圖5 不同工況下的排污效率Fig.5 Contaminant removal efficiency under different conditions

2.2 輻射吊頂供冷供熱量對排污效率的影響

不同工況下排污效率如圖5所示。夏季排風高度為0.1 m時，使用輻射吊頂會使排污效率下降13%～16%。夏季排風高度為1.9 m時，使用輻射吊頂會使排污效率下降20%～50%，且隨著輻射吊頂供冷量的提高，排污效率下降。冬季排風高度為0.1 m時，使用輻射吊頂會使排污效率下降34%～38%。冬季排風高度為1.9 m時，使用輻射吊頂會使排污效率提升43%～59%，且隨著輻射吊頂供熱量的提高，排污效率增大。

夏季排風高度為1.9 m時，不同輻射吊頂供冷量下z=1.56 m（即圖1中左側病床中心截面）風速分布如圖6所示。隨著輻射吊頂承擔的冷負荷增加，送風溫度變高，與房間空氣的密度差變小，送風的定向性變弱。氣流組織會由類置換通風（圖6（a））變為混合通風（圖6（c）），從而使排污效率下降。夏季排風高度為0.1 m時，排污效率也會因氣流的定向性變弱而下降。

冬季排風高度為1.9 m時則與夏季相反，隨著輻射吊頂供熱量的提高，增加送風與房間空氣的密度差大，有利于增強送風的定向性，從而提高排污效率。而冬季在排風高度為0.1 m時，雖然隨著輻射吊頂的使用，送風定向性增強，但由于患者呼出的污染氣體與周圍空氣的密度差較大，更易向上運動，從而造成在冬季排風高度為0.1 m時排污效率下降。

圖6 夏季不同輻射吊頂供冷量下z=1.56 m風速分布Fig.6 Velocity distribution under different cooling capacity of the radiation ceiling in summer at z=1.56 m

2.3 排風口高度對熱環境和排污效率的影響

由表2可知，其他條件相同時，排風口高度為1.9 m時房間平均溫度比排風口高度為0.1 m，在夏季低0.3～0.5 ℃，在冬季低0.9～1.2 ℃。這是因為房間存在垂直溫差，排風口高度為1.9 m的排風溫度會更高，有利于夏季室內熱空氣的排出，但會造成冬季能量的部分浪費。

由表2可知，夏季不使用輻射吊頂時，排風高度為0.1 m時的排污效率為排風高度1.9 m時的48%。使用輻射吊頂制冷時，排風口高0.1 m時的排污效率為排風口高1.9 m時的51%～84%。冬季不使用輻射吊頂時排風高度0.1 m時的排污效率為排風高度1.9 m時的62%。而使用輻射吊頂供暖時，排風高度0.1 m時的排污效率為排風高度1.9 m時的26%～27%。排風口高度不同時房間污染物分布如圖7所示。雖然換氣次數達到12 h-1,但不足以抑制人體熱羽流的作用，該結果與Yang Caiqing等[25]的研究保持一致。病患呼出的污染氣體仍會在自身熱浮力和人體熱羽流的共同作用下向上移動。如圖7（a）所示，在排風高度為1.9 m時，污染物會向上移動后直接被排出。如圖7（b）所示，在排風高度為0.1 m時，污染物則會先上升，再被送風氣流卷吸向下，污染物在房間滯留時間較長，增加了醫護人員感染的風險。因而在一定的風量條件下，排風口高為1.9 m時會更有利于房間污染物的排出。

圖7 夏季房間污染物分布Fig.7 Contaminant distribution in summer

3 結論

本文對冬夏兩季輻射吊頂加新風系統在負壓隔離ICU中的應用進行了模擬研究，結合實驗結果驗證了模擬的準確性，并對輻射吊頂供冷供熱量和排風口高度進行了討論。得到結論如下：

1）夏季工況時，隨著輻射吊頂供冷量的提高，房間垂直溫差會減少5%～58%，患者附近吹風感指數下降68%～86%，但排污效率也會降低13%～50%。夏季排風口設置在房間上部有利于氣態污染物和房間熱量的排出。

2）冬季輻射吊頂配合上排風可使房間垂直溫差降低7%～43%，同時使排污效率提高43%～59%，而輻射吊頂配合下排風反而會造成房間內部污染物的聚集。

3）兼顧人員舒適度和排污情況，推薦的運行工況為S3+UE，即送風溫度低于房間設置溫度2 ℃，開啟輻射吊頂處理剩下的冷負荷配合上排風。在該工況下夏季患者附近吹風感下降86%，提高人員舒適度，且輻射吊頂供冷量相對較小，減少了結露風險。冬季可以使房間垂直溫差降低43%的同時提高排污效率34%，減少醫護人員感染的風險。