冬季空调送风角度对集装箱式隔离病房热舒适性和病毒浓度的影响

陈宏斐然， 亢燕铭， 钟 珂， 张宁波

(1.东华大学 环境科学与工程学院， 上海 201620； 2.上海市安装工程集团有限公司，上海 200080)

2020年春新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情在全球爆发，为减轻医疗负担，国外医疗团队受战时野战医院启发，用集装箱改建移动式隔离病房[1]。集装箱式隔离病房是新型冠状病毒肺炎疫情以来兴起的一种新型隔离病房，它不仅拥有传统负压隔离病房的功能[2-3]，还具有灵活性强、拆装便利的特点[4]。Smith[5]最先对集装箱房屋的可居住性进行评估，结果表明，集装箱围护结构保温性能差且空调设备额定功率有限，使得室内热环境质量较差，特别是冬季供暖水平较低[6-7]。为解决冬季集装箱式建筑的保温问题，Elrayies[8]和魏志远[9]研究了集装箱房屋的内保温做法和不同保温材料的节能效果。

集装箱隔离病房的室内温度和病毒浓度分布直接关系到人员的舒适性和安全性。研究[10-11]表明，送风角度对排污效率和能量利用系数影响很大，然而几乎无人探索集装箱式隔离病房空调的最佳送风角度。本文以最常见的平顶标准集装箱改建隔离病房为例，采用数值模拟方法研究在供暖条件受限的情况下，使室内热环境最佳和病毒浓度水平最低的空调送风角度。

1 模型构建

1.1 计算模型

研究对象为一种集装箱改建式病房(见图1)，其内部尺寸约为4.0 m×2.4 m×2.4 m。病房内部靠墙放置一张病床，尺寸为1.9 m×0.9 m×0.5 m，病人平躺在床上，人体模型按标准成人尺寸设计,约为1.7 m(身高)×0.4 m(肩宽)×0.3 m(体厚)。空调系统为全新风系统，采用上送下排的通风方式，空调位于门上方，送风口尺寸为1.000 m×0.015 m，矩形排风口位于靠近病床侧墙下方，离地0.2 m，尺寸为0.3 m×0.3 m。图1(c)中，y=1.20, 0.45 m处的两个灰色截面为两个房间剖面。

图1 研究空间示意图Fig.1 Schematic diagram of the studied space

研究[12]表明，热风供暖时，室内的热源如人、灯等对房间的供热是有利的，但对室内气流和温度的局部分布影响很小，因此本文不考虑室内热源的影响。

边界条件设置为送风速度4 m/s和温度28 ℃。送风角度定义为送风气流与铅垂线的夹角，本文分别设置0°、15°、30°；采用压力排风，压力为-10 Pa；室外气温为-2 ℃，由于室内空气温度和各壁面温度随着空调对房间的加热逐渐上升，且分布不均匀，故室内各壁面边界的传热量通过用户自定义程序UDF确定。

将人体口鼻部作为污染物散发源，简化成尺寸为2 cm×2 cm的正方形，人体呼出气体温度为34 ℃，速度为0.3 m/s(根据成年人每次呼吸空气量500 mL和15 次/min估算而得)，方向斜向上45°，呼出气体的污染物体积分数为0.03%，采用Species模型的二氧化碳近似替代病毒飞沫[13]。

1.2 数学模型

研究空气为三维连续且不可压缩的流体。由于需要研究近壁面区域的流动计算问题，故湍流模型采用SSTκ-w模型。研究中认为流体的基本属性保持不变。采用Fluent软件模拟时为获得较精确解，选用二阶迎风格式离散化控制方程，同时采用SIMPLEC算法求解流场。对于冬季供热中存在的由温差导致的浮升力，模拟中采用Boussinesq假设。数值计算中所有的壁面均满足无滑移和无渗透条件。物理模型采用适应性较好的四面体网格，送排风口分别定义为Velocity-inlet及Pressure-outlet，且和传热墙体一起作局部加密处理。

1.3 网格划分及无关性验证

网格划分。利用ICEM网格划分软件对物理模型进行划分。在网格种类的选择上，采用生成速度较快、质量较好的结构化网格。模拟中，近壁面处和送、排风口附近的速度与温度梯度较大，通过加密处理划分为较小的网格，而将其余区域划分为较大网格，防止网格数量过多并降低计算成本。网格划分如图2所示。

图2 计算域的网格划分情况Fig.2 Mesh configurations in the computational domain

网格无关性验证。为确保数值结果的准确性，需对网格模型进行无关性验证。模拟中，采用粗、中、细3种网格模型进行模拟计算，网格数量分别为214万、298万、390万，用网格工况1、2、3表示。

通过式(1)计算房间中心位置沿高度方向的温度均方根误差。

(1)

式中：n为取样点个数，取样点位于房间中心处的铅垂线上，由于房间高2.4 m，因此每隔0.2 m取一个点，这里n=12；Ti,j和Ti,k分别为网格工况j、k时测点i的温度。

取ε≤2%为网格无关性标准，根据式(1)计算ε1,2和ε2,3的值，分别为ε1,2=3.3%，ε2,3=1.8%。其中ε2,3低于标准值，表明此时网格数量已不再对计算精度产生影响。综合考虑计算效率和精度，最终选择网格工况2进行数值模拟。

1.4 数学模型的合理性验证

为了验证上述数值模拟的合理性，在东华大学环境学院人工气候实验室进行热风采暖试验，试验中布置4个测杆(每个测杆沿高度方向设7个测点)对室内温度场和速度场进行测试。

试验中人工气候实验室的内部尺寸(长×宽×高)为3.6 m×3.0 m×2.6 m，与病房模型尺寸相近；采用双层百叶送、回风口，尺寸 (长×宽)为0.35 m×0.25 m，气流组织形式为上送上回；送风速度为2 m/s，送风温度为30 ℃。

采用Humlog 20型测温仪测量温度场，最小刻度为0.1 ℃；采用意大利Detla公司的HD103 T.0型万向风速仪测量速度场，最小刻度为0.01 m/s，精度为±3%，测试范围为0.05～5.00 m/s。试验中为保证测量的稳定性，连续测量5～6 h，直到所测空气温度及壁面温度的波动低于0.5 ℃。

运用数值模拟的方法对上述试验工况进行模拟，通过比较两组数据的偏差，验证数学模型在室内空间进行模拟的合理性。考虑到篇幅限制，仅给出1号和3号测杆的模拟结果和实测结果，如图3所示。

图3 垂直温度和风速实测值与数值模拟结果对比Fig.3 Comparison of numerical results and experimental data of the vertical temperature and velocity profiles

从图3可以看出，两个测杆虽然个别位置的模拟值和实测值存在偏差，但偏差值较小，可以认为模拟值和实测值基本吻合。产生偏差的原因是，试验中门的开启和冷风渗透致使房间的温度场和速度场受到不同程度的影响。总体上可以认为本文所采用的数值模拟方法是可靠的。

2 结果与分析

2.1 热舒适环境及围护结构热损失分析

图4给出了3种送风角度下房间中间剖面(y=1.2 m，见图1(c))的温度分布云图。

从图4可以看出：送风角度为0°即送风气流垂直向下时，送风口热气流受惯性力作用贴着壁面流动一段距离，随后在浮升力作用下，送风气流运动方向发生变化，掉头飘向上部，最终在房间顶部形成一片热空气层。这不仅会造成空调所在壁面的局部过度加热，导致围护结构热损失较大，还会使大量热空气滞留在顶棚附近，而人员所在的下部空间气温较低。当送风角度为15°时，送风气流的竖壁贴附效应减弱，热量能更好地到达下部空间，壁面附近没有出现高温现象。当送风角度增大至30°时，送风气流流动轨迹与送风角度为15°时类似，但由于受到的向下的惯性力变小，热风在还未到达地面时因浮升力作用而向上运动，顶棚附近温度比送风角度为15°时高，不利于节能。

图4 不同送风角度时房间中间剖面的温度分布Fig.4 Temperature distribution in the middle section of the room at different air supply angles

集装箱改装的隔离病房围护结构保温性能差，壁面及其附近空气温度对热损失影响很大，并且此类病房的供热量又是有限的，因此，若病房壁面温度分布不均匀，局部高温会造成热损失过大，局部低温也会导致热舒适性变差。图5给出了集装箱式隔离病房各壁面的温度分布云图。

图5 不同送风角度下集装箱式隔离病房各壁面温度分布Fig.5 Temperature distribution of each wall of the container isolation ward at different air supply angles

为便于分析房间内壁面散热，将房间的6个壁面分别命名为前壁面、后壁面、左壁面、右壁面、上壁面和地面。由图5可知，随着送风角度的增加，内壁面高温区域，特别是空调器所在左壁面的高温区明显减少。观察图5(a)的墙壁温度分布情况可知，由贴附气流引起的热空气与墙面对流换热增强，导致壁面出现一片高温区域。由于这类墙体的保温效果较差，这可能会增加房间的热损失。15°和30°送风时形成的壁面温度分布类似，不存在壁面局部温度过高的情况。

为更准确地得到各壁面的局部温差，对各壁面温度进行散点统计,沿横、纵方向每隔20 cm取1个点，结果如图6所示。

图6 3种送风角度下各壁面温度统计结果Fig.6 Statistical results of wall temperature at three air supply angles

从图6可以看出：空调所在的左壁面在0°送风时会出现温度偏高的情况，温度分布很不均匀，最高温达18 ℃，最低不到2 ℃；而送风角度为15°和30°时左壁面温度分布较为均匀，集中在8 ℃左右；右墙面处温度分布在3种送风角度情况下类似，同样集中在8 ℃左右；3种送风角度下房间上壁面的平均温度相近，但0°送风的温差最大；3种送风角度对前壁面和后壁面影响类似，壁面平均温度均为7～8 ℃，并且温差均小于5 ℃。

由前文对壁面温度的分析可知，3种送风角度下壁面热损失差异较大，第i面墙体总热损失可表示为

(2)

式中：S为壁面的面积，m2；Δti为壁面某点的温度与室外空气的温差，℃；K为集装箱式房屋墙体传热系数，采用聚苯乙烯泡沫材料作为保温层，则K=2.56 W/(m2·K)；i=1，2，3，4，5，6，依次代表左、右、前、后、上壁面及地面。

根据式(2)和数值模拟计算结果，各壁面热损失如图7所示。

由图7可以看出，3种送风角度下，除了地面外的其他壁面的热损失均在0°送风时最大，30°送风时热损失最小。以30°送风时的总热损失为基准值，给出另外两种角度下的热损失增幅比，即：

图7 3种送风角度下房间内壁面的热损失Fig.7 Heat loss of room inner wall at three air supply angles

(3)

式中：ρa为a角度的增幅比；Wa为a角度时的壁面总热损失，W。

结果显示，15°送风时热损失增幅比ρ15=3.7%，可以忽略，但0°送风时热损失增幅比ρ0=10.4%，显然不可忽略。故从节能的角度来看，送风角度15°比0°更优。冬季空气湿度对室内热舒适性的影响并不明显，病床附近空气流速均小于0.5 m/s，因此冬季室内热舒适性的主要影响因素是平均辐射温度、空气温度和头足温差。本文定义的头足温差为离地1.5 m处(医护人员处于站姿的平均头部高度)温度与离地0.1 m处(脚踝平均高度)温度的差值。图8给出了3种送风角度时的头足温差三维柱状图。

图8 3种送风角度时房间头足温差三维柱状图Fig.8 3D histogram of room head-foot temperature difference at three air supply angles

从图8可以看出：0°送风时，越靠近空调所在壁面，头足温差越大，且温差峰值超过8 ℃；15°送风时头足温差明显低于0°送风情况，类似地，15°送风时大多数位置的头足温差低于30°送风情况。由此可见，15°送风在头足温差方面最优。

操作温度t0反映了空气温度和平均辐射温度对人体的综合作用，其表达式为

(4)

图9 3种送风角度下室内热舒适性影响因素Fig.9 Influence factors of indoor thermal comfort at three air supply angles

根据上述研究结果，分析不同送风角度下的热舒适指标，给出最佳送风角度的推荐值。根据前文分析可得到不同送风角度时的热舒适指标和围护结构热损失，如表1所示。结合前文和表1可知：送风角度为0°时，送风气流受壁面影响严重，导致壁面温度偏高，壁面热损失比30°送风高10.4%，且房间的头足温差较大；送风角度为30°时，冬季送风热空气难以到达地面，下部空间热舒适性较差，且房间头足温差也较大；送风角度为15°时，能耗仅比30°送风时高3.6%，热环境也优于0°送风情况。综上，房间空调送风角度为15°时最有利于减小供暖能耗，并形成较好的热环境。

表1 3种送风角度下热舒适性指标及壁面热损失比较

2.2 送风角度对污染物分布的影响

由图4中的流线可知，改变送风角度时，室内流场会受到非常大的影响。这不仅造成病房的热环境不同，还会使病毒的扩散特征随着送风角度的变化而改变。本节主要研究送风角度对房间病毒分布的影响。

定义无量纲病毒浓度为

(5)

式中：np和n呼分别为考察点p的实际病毒浓度和人体呼出病毒浓度。

人体是房间内唯一污染源，图10给出了病床中间切平面(y=0.45 m，见图1(c))的无量纲病毒浓度分布情况。由图10可以看出：0°送风时病毒的低浓度区域(图10(a)中的蓝色区域)较大，而15°和30°送风时几乎不存在如此低浓度的区域；病毒的高浓度区域(图10中的红色区域)在0°送风时也远远小于另外两种送风角度。

图10 3种送风角度下病床切面无量纲病毒浓度分布及流线图Fig.10 Dimensionless virus concentration distribution and streamline of bed section at three angles air supply

为进一步分析送风角度对病毒空间分布的影响，根据房间内病人活动区和医护人员活动区范围，在地面上均匀取12个代表位置(见图11)，图12给出了3种送风角度下无量纲病毒浓度沿高度方向分布的曲线。

图11 房间地面取点位置Fig.11 Location of points taken on the floor of the room

从图12可以看出，对于绝大多数位置，0°送风时的病毒浓度比另外两种送风角度低，而30°送风时病毒浓度最高。J点和K点为靠近病人头部的位置。由图12(j)和(k)的曲线可知，0°送风时，在离地0.7 m左右病毒浓度曲线有一个陡增，表明在此高度有大量病毒气体聚集，幸运的是高浓度位置不在人体呼吸高度(1.5 m)附近，故对医护人员危害有限。

图12 无量纲病毒浓度沿房间高度方向变化的折线图Fig.12 Variation curve of dimensionless virus concentration along the height direction

将各点沿高度方向的病毒浓度取平均值，以0°送风时的病毒浓度为基准，给出另外两种送风角度的病毒浓度增幅比率：

(6)

式中：βi,φ表示送风角度为φ(15°或30°)时i点处病毒浓度增幅比率；Ci,φ表示送风角度为φ时i点处沿高度方向的平均无量纲病毒浓度；Ci,0表示送风角度为0°时i点处沿高度方向的平均无量纲病毒浓度；i=A～L，表示地面上的不同位置。15°与30°送风时地面不同位置的病毒浓度增幅比率如图13所示。

图13 两种送风角度下的病毒浓度增幅比率Fig.13 Virus concentration increase ratio at two air supply angles

从图13可以看出，除了J、K两点以外，15°和30°送风时平均病毒浓度都比0°送风时高，且30°送风A、E点平均病毒浓度比0°送风时高50%以上。结合图12(j)和(k)可知，虽然0°送风在离地0.7 m左右有一个高浓度区，但其总体的平均病毒浓度并未高出太多。综上所述，0°送风在排除病毒方面的效果远好于15°和30°送风。

3 结 语

为防止病毒传播并保证医护人员的健康，研究了集装箱式隔离病房空调送风角度对室内的影响。结果表明：当送风角度为0°时，送风气流受壁面影响严重，导致壁面温度偏高，壁面热损失比30°送风时高10.4%，且房间头足温差最高达8 ℃，室内热舒适性较差。送风角度为15°时，能耗和热环境均明显优于0°和30°的工况。室内平均病毒浓度在0°送风时最低，30°送风时最高；0°送风方式能明显提高房间排毒水平，使病房内大部分测点的病毒浓度维持在较低水平，出现高浓度的空间高度也远低于人体呼吸高度。建议室内空调器平时采用15°送风以保证病人的热舒适环境；当医护人员查房时，调整到0°送风以保证房间低病毒浓度水平。