醫護人員走動對ICU病房內氣流分布的影響

張金航 張登春 熊 梨

（湖南科技大學土木工程學院 湘潭 411201）

0 引言

隨著2020年以來新冠疫情在全球的爆發，醫院病房的環境問題越來越受到廣泛重視，ICU 病房作為特別的病房科室，收納的病人大多患有嚴重疾病，更加容易成為感染高風險區域。目前對于ICU病房內氣流特征的研究，大多數研究病房內人員靜止狀態下的情況。

Cheong K W D 等[1]利用數值模擬結合實驗驗證的方法，研究了負壓隔離病房內氣流組織與污染物濃度的關系。Verma T N 等[2]通過CFD 軟件對ICU 病房內送風速度及送風口位置進行研究，采用9 種不同組合進行比較分析，得出病房內通風達到最佳空氣質量的方案。馮昕等[3]就單人和雙人病房的三種氣流組織方案進行了研究，研究得出頂送，床內側單回風口的氣流組織對污染物排除效果最好。趙福云等[4]就某Ⅰ級局部送風垂直單向流潔凈手術室空態下的氣流組織進行了研究，研究了回風口布置形式和送風速度對氣流組織產生的影響。王明明[5]提出采用局部空氣處理裝置作為降低室內顆粒物濃度的措施，采用數值模擬方法對不同風口的效果進行相關分析。岑冬冬[6]在基于室內人員走動的情況下，應用CFD 軟件就室內氣流組織和污染物擴散進行數值模擬，并且采用動量源的方法模擬人員走動對室內環境的影響。Brohus H 等[7]發現室內人員走動會對人員周圍氣流產生強烈干擾，進而影響室內流場及污染物分布。Wang J 等[8]采用動網格法研究了人員走動對手術室懸浮液滴的影響，結果表明人員走動會產生嚴重的尾流，從而增大局部氣流速度。

以上研究成果，大多數是在病房內人員保持靜止的情況下研究的，而對病房內人員走動的情況并沒有做深入的研究。本文運用Ansys Fluent 軟件，對單間ICU 病房內氣流分布特征進行數值模擬分析，采用動網格方法分析了醫護人員走動對病房內氣流分布的影響，研究結果表明醫護人員的走動對病房的局部氣流會有影響，并且主要影響醫護人員行走的區域。同時本研究也為ICU 病房內空氣質量的優化提供參考。

1 物理模型

按照真實的ICU 單人間病房尺寸與結構進行建模，并對部分形狀進行了簡化，如圖1所示。整個病房尺寸為3.3m×3.03m×2.8m（長×寬×高），病房內主要包括：1 名躺在病床上的患者（0.4m×0.3m×1.6m）、1 名醫護人員（0.4m×0.6m×1.6m）、1臺呼吸機（0.4m×0.4m×1.5m）、1 個藥品桌（2.3m×0.5m×0.8m）、2 盞相同燈具（1.0m×0.5m×0.05m）、1 張病床（2.0m×1.0m×0.8m），房間采用頂送側回的氣流組織形式，房間頂部中央布置尺寸為0.5m×0.5m 的送風口，側下方布置尺寸為0.5m×0.25m 的回風口。

圖1 單間ICU 病房物理模型Fig.1 Physical model of single ICU ward

2 數學模型

使用FLUENT 軟件對ICU 病房內空氣流動與污染物擴散進行數值模擬，考慮到ICU 病房內障礙物較多，選用RNGk-ε模型結合加強壁面函數法對病房內流場進行模擬計算。采用拉格朗日法的顆粒物離散相模型對顆粒物運動進行模擬，以展現顆粒物軌跡及單個顆粒的分布情況[9]。對病房內進行假設：

（1）ICU 病房內空氣流動為穩態湍流；

（2）病房內空氣為低速不可壓縮流動，并且符合Boussinesq 假設；

（3）整個病房為壁面絕熱狀態且表面溫度均勻分布；

（4）忽略固體表面間的輻射影響；

（5）病房氣密性良好，不考慮門窗漏風的影響。

在ICU 病房內空氣流動過程中，滿足質量守恒、動量守恒、能量守恒以及組分輸運定理，其控制方程如下：

連續性方程：

動量方程：

能量方程：

組分輸運方程：

湍流動能k方程：

湍流動能耗散率ε方程：

式中，ui為速度矢量，m/s；xi代表x、y、z三個方向；T為溫度，K；Φ 為能量耗散率，m3/s；qR為內熱源產生率，m3/s；μ為層流動力粘度，Pa·s；μt為湍流動力粘度，Pa·s；ν為運動粘度，m2/s；ρ為空氣密度，kg/m3；C為污染物體積濃度，ppm；Re為雷諾數；Sc為施密特數；Q為污染物發生率，ppm/s；L0為特征長度，m；u0為特征速度，m/s；C0為特征濃度，ppm；k為湍流動能，J；ε為湍流動能耗散率；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產生項，J；c為空氣比熱，1.01kJ/(kg·K)；C1、C2為經驗常數；σk、σε分別為k和ε有效普朗特數的倒數。

3 動網格及邊界條件設置

3.1 動網格模型

選用動網格模型對醫護人員的走動進行模擬，由于動網格的存在，控制體內有一部分是運動的，因此會產生一定的變化，而這些變化需要相應的守恒方程來控制，滿足網格守恒定律。對于通量?，在任意一個控制體內，其邊界是運動的，其守恒方程式為：

對于動網格，采用彈性系數法與動態重構法相結合的更新方法對網格進行更新，同時自定義函數（UDF）用來給定運動物體的運動行為。

3.2 邊界條件

本文使用FLUENT 軟件對病房進行模擬，采用控制容積法對控制方程進行離散，對流項和擴散項使用冪函數差分格式，應用SIMPLE 算法求解離散控制方程。

（1）送回風口邊界條件：送風口采用速度邊界條件。由于ICU 病房的特殊性，ICU 病房也是一個隔離病房潔凈室，根據文獻[10]，ICU 病房屬于Ⅳ級潔凈手術室，其換氣次數至少應為12 次/h，本計算模型換氣次數取12.5 次/h，得出送風口速度為0.39m/s，送風溫度根據文獻[10]規定ICU 病房內溫度以及送風溫差要求，取送風溫度為22℃進行計算。回風口采用壓力出口邊界條件。

（2）壁面邊界條件：絕熱狀態，壁面湍流方法使用加強壁面函數法。

（3）顆粒物邊界條件：假設病人的呼氣作為污染源，經計算，取人體呼氣速率[11]為0.8m/s，人體發塵量為送回風口以及人的口鼻設為逃逸邊界，壁面以及呼吸機設為反射邊界，其余皆設為捕捉邊界。

（4）熱源條件：病人散熱量[12]為40W/m2，醫護人員散熱量為50W/m2，呼吸機散熱量為170W，燈具散熱量為60W。

（5）醫護人員走動條件：由于ICU 病房的特殊性，醫護人員在病房內走動速度較慢，綜合國內外研究分析[13-17]，擬定醫護人員行走速度為0.5m/s。

4 模擬過程

ICU 病房內醫護人員在病房內主要圍繞病患進行相關醫療工作。因此，醫護人員的運動軌跡主要圍繞著病床運動，考慮到ICU 病房的特殊性，醫護人員并不能一直待在病房內，因此，采用自定義函數設置醫護人員的軌跡為醫護人員繞著病床運動，最后回到醫護人員最開始的位置。醫護人員軌跡圖如圖2所示。

圖2 病房內醫護人員走動軌跡俯視圖Fig.2 Top view of walking track of medical staff in the ward

圖2中，箭頭即為醫護人員運動軌跡，為了接近實際運動情況，醫護人員的來回轉動都設置成原地轉動。醫護人員整個運動情況如下：醫護人員首先沿著X 軸負方向運動2.15m，然后旋轉180°改變醫護人員朝向，接著沿著X 軸正方向運動2.15m回到原點，隨后旋轉90°改變醫護人員朝向，并沿著Z 軸負方向運動1.8m 到達病床另一側，緊接著旋轉90°改變醫護人員朝向，并沿著X 軸負方向運動1.4m，然后再旋轉180°改變朝向，并沿著X 軸正方向運動1.4m，最后旋轉90°改變朝向，并沿著Z 軸正方向運動1.8m 回到最初的起點。

其具體模擬過程為：（1）首先對醫護人員處于靜止狀態的情況進行模擬，顆粒物在整個模擬過程一直釋放；（2）然后對醫護人員走動過程重新進行模擬，根據醫護人員0.5m/s 走動速度，設置人員轉動時間，轉動180°需要1s，按照圖2的軌跡，醫護人員共運動24.9s，回到原點；（3）繼續對流場變化和粒子擴散進行模擬計算5.1s。整個模擬過程中走動狀態一共計算30s。

5 計算結果分析

為了研究醫護人員走動對ICU 病房內氣流分布的影響，在醫護人員走動軌跡中選取醫護人員所在的不同位置進行分析比較。醫護人員的運動軌跡，分為6 個過程：（1）0-4.3s 過程醫護人員在病床一側朝病床前部運動；（2）5.3s-9.6s 過程醫護人員返回；（3）10.1s-13.7s 醫護人員朝病床另一側運動；（4）14.2s-17s 醫護人員在另一側朝病床前部方向運動；（5）18s-20.8s 醫護人員在另一側返回病床尾部方向；（6）21.3s-24.9s 醫護人員在病床尾部返回最初位置的運動。

5.1 人員走動對速度分布的影響

分別選取上述六個過程進行2s 即走動1m 后的醫護人員的位置，醫護人員停止走動的時間（t=24.9s），以及整個計算結束的最終狀態（t=30s）共8 個狀態進行分析比較，取醫護人員嘴部高度所在平面（Y=1.35m）分析氣流運動情況。圖3為人員走動過程中8 個不同時刻下速度矢量分布。

圖3 醫護人員走動過程中的速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of medical staff during walking

由圖3可知，在醫護人員行走過程中，醫護人員的運動會干擾到ICU 病房內局部氣流，影響區域主要在醫護人員尾部氣流的區域，其影響范圍大約是人體3 倍身寬，使這些區域的氣流速度較大。由于醫護人員距離病患距離較近，其走動過程會干擾病患部分區域的氣流，并且在病患區域同時受到送風氣流以及病患呼吸氣流的影響，使病患部分處于干擾區域中，其氣流隨著時間的改變變得較為紊亂。干擾區域的氣流速度大小約為0.6m/s，該速度大小正好接近醫護人員的運動速度。因此，干擾引起的二次氣流的速度大小與醫護人員的行走速度相近保持一致。隨著醫護人員在24.9s 后結束走動后，由圖3（h）可知，由于醫護人員走動帶來的二次氣流的干擾隨著醫護人員的靜止逐漸變小從而消失，整個ICU 病房內氣流逐漸恢復正常。

5.2 人員走動對病房內顆粒物濃度分布的影響

同樣選取上述8 個不同狀態點進行分析比較，取醫護人員嘴部高度所在的平面（Y=1.35m）對病房內顆粒物濃度進行分析。圖4為人員走動過程中8 個不同時刻下顆粒物濃度分布。

由圖4可知，整個ICU 病房內大部分顆粒物濃度為0-0.1μg/m3，在醫護人員走動過程中，醫護人員尾部3 倍身寬范圍內顆粒物濃度會受到影響，其濃度較其他區域濃度略高，為0.1-1μg/m3。而在醫護人員呼吸區域，由于嘴部顆粒物散發源的影響，其顆粒物濃度較大。對于醫護人員處，顆粒物釋放沿著呼吸的距離逐漸降低。同時在醫護人員走動過程中，由于顆粒物濃度較小，醫護人員的走動對病患區域顆粒物濃度并沒有明顯影響，在病患處的顆粒物濃度主要受到病患呼吸氣流的影響。因此，醫護人員走動主要影響醫護人員身后的濃度場。

圖4 醫護人員走動過程中的顆粒物濃度Fig.4 Particulate matter concentration during walking of medical staff

5.3 醫護人員不同狀態下顆粒物濃度分布的對比

為了分析人員走動對病房內顆粒物分布的影響，將醫護人員走動過程的顆粒物濃度與醫護人員未走動時的顆粒物濃度進行對比分析，選取X=0.25m 截面，Y=1.3m 高度（病患呼吸區） 上沿著Z 方向的不同監測點。由于醫護人員走動會引起顆粒物濃度會隨著時間變化而變化，同樣選取8 個時間點的數據進行分析，在X=0.25m 截面、Y=1.3m高度（病患呼吸區）沿著Z 方向統計了9 個監測點，分別為Z=0m、Z=0.37m、Z=1.1m、Z=1.47m、Z=1.83m、Z=2.2m、Z=2.57m、Z=2.93m 和Z=3.3m，這9 個測點具體數值如表1所示。

由表1計算這9 個測點在8 個不同時間點上的平均值，將其作為醫護人員走動狀態下的顆粒物濃度值，與醫護人員保持不走動狀態下的相同監測點的顆粒物濃度進行對比，圖5為兩種情況下X=0.25m 截面、Y=1.3m 高度（病患呼吸區）沿著Z方向上的顆粒物濃度。

圖5 病患呼吸高度截面醫護人員不同狀態下的顆粒物濃度Fig.5 Cross section of patient's respiratory height particulate matter concentration of medical staff in different states

由圖5可以看出，在醫護人員行走和醫護人員靜止狀態下，兩者的顆粒物濃度變化情況一致，均在Z=1.5m-2.0m 范圍附近的顆粒物濃度較大，此范圍內正好是病患所在位置附近，而在Z=1.83m 附近出現峰值，此處正好是病患嘴部呼吸區所在位置。由于高度Y=1.3m 為顆粒物剛從病患嘴部釋放，最大濃度都集中在病患呼吸區附近，使顆粒物并未來得及完全擴散至四周，因此僅在病患附近處顆粒物濃度較高。

在Z=1.83m 處，醫護人員走動狀態下的顆粒物濃度最大值為1.822μg/m3，醫護人員靜止時的最大值為1.905μg/m3，醫護人員靜止狀態時的顆粒物濃度最大值則略大于醫護人員行走狀態時的最大值。而在其他不同位置處，醫護人員靜止時顆粒物濃度均略小于醫護人員行走狀態下的顆粒物濃度值。因此，由于醫護人員的走動，加上病房內相關儀器以及藥品桌對顆粒物捕捉的因素，使病床兩側的顆粒物濃度較高，而病患處顆粒物濃度受醫護人員行走的影響較小。

6 結論

（1）在ICU 病房內醫護人員的走動會干擾ICU 病房內局部氣流，主要影響醫護人員行走的區域，其影響區域約為人體3 倍身寬的范圍，使該區域的濃度及速度較大。

（2）ICU 病房內醫護人員的走動使影響區域速度較大，該速度與醫護人員行走速度大小基本保持一致。

（3）ICU 病房內醫護人員的走動對病患區域影響較小，只有在接近病患時和在ICU 病房內呼吸機和藥品桌等醫用設備附近時，由于走動引起的氣流帶動醫用設備的顆粒物揚起擴散至病患附近。