负压隔离病房气流组织及颗粒扩散行为模拟研究

谭福太，林 海，李宗锟，谢方静，余荣学，廖艳芬

（1.广州汇锦能效科技有限公司，广州 510665；2.华南理工大学 电力学院，广州 510640）

2020年年初以来，世界各地受到了新冠病毒（Covid-19）肺炎疫情的冲击，不仅阻碍全球各国的经济发展，还严重威胁人类的生命健康[1]。可以预见，我国新冠肺炎疫情防控正朝着常态化发展。为了遏制疫情扩散和给予患者有效治疗，有必要在医院建设更多的负压隔离病房。考虑到占地面积和建设成本等实际因素，将部分普通病房改造成负压隔离病房有一定优势。根据《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版）》[2]，新型冠状病毒的主要传播途径是呼吸道飞沫和密切接触传播。若病房的气流组织方式不合理，病毒颗粒无法被快速清除，将导致医护人员的感染风险大大增加。因此，需要合理设计气流组织方式，防止交叉感染，保障医护人员的身体健康。

国内外学者对负压隔离病房的气流组织形式及颗粒扩散行为进行了许多研究。吴鑫等[3]研究了单条缝贴附送风、对侧条缝贴附送风、百叶风口送风及置换送风4种送风方式下污染物的排除效果，其中置换送风的效果较好。Lu等[4]考察了咳痰颗粒在层式通风、置换通风和混合通风下的分布特征。结果表明，层式通风50μm粒径液滴的控制效果更好，较高的气流速度可以促进50μm粒径液滴的沉积。为了降低医护人员在病房工作时的感染风险，部分研究者建议采用工作区保护通风方式[5]。Wang等[6]在优化通风布置的基础上，提出了在医护人员与病患之间加装风幕的方法，以加强对医务人员的额外保护。我国GB/T35428—2017《医院负压隔离病房环境控制要求》[7]规定送风口和排风口应分别设置在房间上部和病床床头附近，以利于污染空气尽快排出。

可见，负压隔离病房的气流组织和污染物颗粒扩散的研究是当前相关领域的研究热点，但还处于探索阶段，不同病房通风布局条件下气流组织存在较大的不同。此外，换气次数和房间相对湿度的变化也会对污染物扩散产生一定影响。为了能够更好地解决医护人员交叉感染风险的问题，还需要气流组织方式和各种影响因素作进一步研究。本文采用CFD数值模拟方法，研究了通风口位置对流场和污染物颗粒的传播扩散的影响，并分析了不同换气次数和房间相对湿度下的污染物质量浓度变化，为隔离病房气流组织的设计提供技术参考。

1 研究方法

1.1 物理模型及网格划分

本文以广州市某医院单人隔离病房为研究对象，其尺寸为4.3 m×3.5 m×2.8 m。病房中间放置一张病床（2 m×1 m×0.5 m），其上病人简化为方块模型，嘴巴用矩形替代。病房安装有3道门，分别通向缓冲间、卫生间和患者走廊，门底部留有5 mm高的缝隙。由于墙板等围护结构气密性较好，渗透风量仅从门缝进入病房。4种通风方案如图1所示。其中，送、排风口的尺寸分别为340 mm×340 mm和300 mm×240 mm。

图1 通风方案设计

采用四面体网格划分物理模型，并在风口、人体和门缝等速度和温度梯度较大的区域进行局部加密。为提高数值模拟计算的精度，划分的网格数量为181万。

1.2 模拟方法与边界条件

由于室内气流普遍为湍流，工程上常采用两方程模型来进行计算。本文选用RNGk-ε两方程模型作为病房气流组织模拟的湍流模型，以获得更精确的流场结果。为了模拟污染物的扩散分布，采用离散相DPM模型进行计算，并考虑液滴颗粒的蒸发效应。

将各送风口设为速度进口，排风口设为压力出口。按照设计要求，缓冲间、隔离病房、卫生间和患者走廊的压力分别为-20、-25、-30、-15 Pa。患者嘴巴设为速度进口，呼气速度为0.5 m/s[8]，温度为36℃[9]。液滴颗粒随嘴巴气流持续喷出，其蒸发性组分（水）的体积分数为87.5%[10]。其他边界条件根据病房实际设计参数设置，见表1。

表1 边界条件设置

2 结果与分析

2.1 流场分析

各方案的速度流场情况如图2所示。可以看出，病房内整体处于混合流动状态。方案一、三的气流由天花板顶送入房间，撞击地面后速度下降，并向四周扩散。一部分气流回流至天花板，另一部分气流在病床下部形成旋流，未能及时排出。方案一的排风口在病房两侧，部分气流未经过病人上方空间而被直接排出，无法充分起到稀释和排除污染物的作用。方案三由于排风口在病人两侧附近，能够引导更多的气流经过病人口鼻上方。对于方案二和四，由于重力的作用，送风气流的高度随着扩散而下降。气流夹带周围空气，在射流周围形成再循环流。大部分气流经过病人上方，形成较好的气流组织。其中，方案四的排风口更靠近患者，混合病原体的污染空气能被更快排出，减小其在房间的扩散程度，从而保护医护人员。

图2 各方案速度流线图

2.2 颗粒分布及质量浓度分析

污染物颗粒持续喷出500 s后的扩散分布情况如图3所示。颗粒在送风气流的混合与稀释下，逐渐向整个房间扩散。相比方案一，其余3种方案的颗粒数量有不同程度的减少，即颗粒排除能力更强。由于气流影响，方案二、方案三、方案四的颗粒偏向一侧流动，导致该处颗粒较为密集，增加了医护人员的感染风险，后期可通过调整排风口面积或风速配比等方式加以改善。

图3 各方案颗粒分布图

气流组织形式对病房颗粒质量浓度的影响见表2。其中，呼吸区域指医护人员一般的呼吸空间，位于病房高度为1.3~1.5 m的区域。可见，方案四下的病房整体和医护人员呼吸区域的颗粒质量浓度最低，分别比方案一减少约59.9%和57.8%。值得注意的是，方案二、方案四的颗粒质量浓度明显低于其他2种方案，原因是送风口的侧向布置能将大量洁净气流送入患者口鼻区域，增强了污染物排除效果。另外，方案四中排风口距离患者较近，相当一部分携带污染物的空气能被直接排出，减少了污染物在病房内的停留时间，从而降低了颗粒质量浓度。因此，选择方案四的气流组织形式较为适宜。

表2 500 s时不同气流组织方案下的颗粒质量浓度

2.3 换气次数、送风相对湿度分析

换气次数的变化能改变房间气流速度，进而影响污染物颗粒的扩散分布；送风相对湿度的变化能改变颗粒的蒸发速率，也会对其扩散与排除产生一定影响。

在方案四的基础上，考察了不同换气次数下的污染物颗粒质量浓度变化，见表3。结果表明，换气次数从8 ACH提高到12 ACH，病房整体和医护人员呼吸区域的颗粒质量浓度分别减少27.2%和21.5%，效果较好。然而，换气次数大于12 ACH时，病房颗粒质量浓度变化不明显，且略有增加。这是因为风速增大后加剧了颗粒在病房内的四处扩散，增加了其停留时间，反而降低了排除效率。从另一个角度看，提高换气次数需要增大风机功率，导致能耗增加。因此，在该气流组织形式下，选择12 ACH的换气次数较为适宜。

表3 500 s时不同换气次数下的颗粒质量浓度

送风相对湿度变化对污染物颗粒质量浓度趋势的影响见表4。结果表明，送风相对湿度从30%提高到90%，病房整体和呼吸区域的颗粒质量浓度均略有减少，即分别减少11.8%和8.1%。这是因为在低相对湿度条件下，颗粒水分的蒸发时间减短，体积迅速变小，可以作为稳定的气溶胶悬浮在空气中较长时间，不利于从病房中清除。由于液滴本身粒径较小，蒸发时间较短，所以，湿度引起的液滴粒径或体积变化较小。在调整气流组织形式和换气次数的基础上，可利用加湿器增加病房的相对湿度，以进一步降低污染物质量浓度，减小医护人员被感染的概率。

表4 500 s时不同送风相对湿度下的颗粒质量浓度

3 结论

（1）病房内气流组织处于混合流动状态，室内气流组织状况随通风口布置有所差异。方案二和方案四中，侧向送风保证有大量新风流向患者口鼻区域，裹挟污染物并排出，形成良好的气流组织。

（2）从污染物的分布扩散来看，方案四最佳，方案二次之，其余方案效果一般。在方案四中，送风口的位置能形成良好的气流组织以高效排除污染物。同时，排风口靠近患者，有利于污染物的直接排除，降低其扩散程度。

（3）换气次数从8 ACH提高到12 ACH时，污染物颗粒排除效率提高，质量浓度有所降低。然而，继续提高换气次数时，效果不明显。提高送风相对湿度能降低颗粒的蒸发速率，从而在一定程度减少病房内颗粒质量浓度。为了降低医护人员被感染的风险，建议选择12 ACH的换气次数，以及适当提高送风相对湿度。