疫情防控常态化背景下诊室内气流组织研究

王智华 毕海权 王宏林 李孟柯

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

0 引言

2020年新冠疫情的袭来使全世界经济文化发展遭遇了重大损失。国家卫健委在试行第七版的诊疗方案指出：经呼吸道飞沫和密切接触传播是新冠病毒的主要传播途径，且在相对封闭的环境中长时间暴露于高浓度气溶胶情况下存在经气溶胶传播的可能[1]。在疫情防控常态化的当今，诊室作为抗疫主战场，在做好人员救治的同时也要防范交叉感染的风险。室内气流组织对污染物能否有效排放有着较大影响[2]，因此诊室的空调通风方案需要专门进行设计。

现有针对室内环境的研究方法主要分为实验和数值模拟两种，并且均多以示踪气体为研究对象来研究污染物的传播。Rydock[3]和凌继红等[4]以六氟化硫为示踪气体，实验研究了气流组织对病房排污效率的影响。李勇[5]使用二氧化碳气体作为示踪气体，以数值模拟的方法对ICU 病房空调通风系统方案进行了研究。此外，嵇赟喆等[6]结合数值模拟和实验验证的方法，检验了在负压病房中使用二氧化碳气体替代呼吸道疾病病人带菌飞沫来研究污染物传播及分布的可行性与可靠性。因此，本文以二氧化碳气体为示踪气体，研究不同空调通风方案下诊室内污染物的传播及分布。

1 数值计算方法

本文采用ANSYS-FLUENT 研究诊室在不同空调通风方案下的速度场、温度场、压力场以及污染物浓度场，以选择合适的空调通风方案并对已有方案进行优化。房间内的空气流动为三维稳态湍流粘性流动，满足质量守恒、动量守恒及能量守恒定律[7]。为防止诊室内污染物由门缝扩散至外界，诊室内为负压环境，因此在数值模拟中需要考虑气体压缩性，将诊室内空气设置为理想气体。同时，由于污染物的扩散过程产生了组分运输，因此需要应用组分运输模型。此外，因RNG k-ε模型较标准的k-ε模型在室内空调通风模拟中有着更高的准确度[8]，本文数值模拟中采用RNG k-ε湍流模型。

2 数值模型及边界条件

本文研究对象为多联机方案和分体空调方案两种，其中多联机方案采用多联机和新风机组联合送风的方式来进行室内环境控制，分体空调方案采用分体空调和新风机组联合送风的方式来进行室内环境控制。多联机方案和分体空调方案的系统平面图和三维模型图分别如图1 和图2 所示。诊室内设计压力为-10Pa，设计温度为25℃，两方案下除送风口和回风口风速不同外其余边界条件一致，各边界具体参数如表1 所示。

表1 边界条件Table 1 Boundary conditions

图1 多联机方案的系统平面图和三维模型图Fig.1 Layout plan and three-dimensional model of multi-split air-conditioner scheme

图2 分体空调方案的系统平面图和三维模型图Fig.2 Layout plan and three-dimensional model of split type air-conditioner scheme

3 结果与讨论

为判断各方案下诊室内气流组织优劣，截取1.6m 高度（呼吸区域高）处房间内的速度分布、温度分布、压力分布和污染物浓度分布进行对比分析。此外，为了更全面地判断各方案下房间内污染物的分布情况，截取两方案下诊床床头和办公桌附近（0.75m 高度）污染物浓度分布进行对比分析。室内热舒适性评级参照GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》进行，具体评判标准如表2 所示[9]。

表2 热舒适度等级评判标准Table 2 Evaluation standard of thermal comfort level

3.1 速度场

两方案下1.6m 高度截面速度分布如图3 所示，可以观察到在多联机方案下室内产生了更大范围的高风速区。多联机方案下此截面内的平均风速为0.26m/s，满足热舒适风速II 级要求；分体空调方案下此截面的平均风速为0.22m/s，满足热舒适风速I 级要求。此外，还可观察到，两方案下在房间的门缝附近与送风口正下方均存在较大范围的局部高流速区，局部高流速区的风速主要在0.6m/s-1m/s 之间。这主要是受送风风速以及门缝渗透风的影响。由以上分析可知，在速度场方面，分体空调方案优于多联机方案。

图3 速度云图（m/s）Fig.3 Velocity contours(m/s)

为对两方案下诊室内流场进行进一步分析，绘制两工况下多联机（分体空调）送风口及新风口流出气流的流线于图4 中。由图4（a）可知，多联机垂直向下送风且有较高的速度，因此气流撞击地面时将产生较大的反向速度，并且以较高的速度向四周散开，这使得室内形成了以多联机送风为主导的较为紊乱的流场。由图4（b）可知，分体空调水平送风风速较小，因此气流向下流动过程中易受新风引导，从而在室内形成了以新风送风为主导的较为稳定的流场。

图4 流线图Fig.4 Streamlines

3.2 温度场

两方案下1.6m 高度截面温度分布如图5 所示，由图中可知，两方案下诊室内温度分布都较为均匀，但多联机方案下诊室内低温区范围更大，这是多联机的竖直高速送风导致的。多联机方案下室内平均温度为24.5℃，分体空调方案下室内平均温度为24.6℃，两方案下室内温度值均与设计值相近且均满足I 级热舒适要求。由以上分析可知，在温度场方面，分体空调方案略优于多联机方案。

图5 温度云图（℃）Fig.5 Temperature contours(℃)

3.3 压力场

两方案下1.6m 高度截面压力分布如图6 所示。从图中可以看出，两方案下诊室内压力大部分维持在-9.4Pa 左右，与设计值-10Pa 基本一致。同时还可以看到，压力变化的位置与送回风口、排风口以及门缝位置相吻合，说明当流场内部风速出现较大变化时，该区域的压力也会产生相应变化。结合图3 和图5 分析可知，由于多联机方案下室内流场较为紊乱，因此多联机方案下压力分布更为不均匀。由以上分析可知，在压力场方面，分体空调方案略优于多联机方案。

图6 压力云图（Pa）Fig.6 Pressure contours(Pa)

3.4 污染物浓度场

两方案下诊室内污染物浓度分布如图7 所示，由图可知：多联机方案下诊室内污染物扩散范围较广，高污染物浓度区覆盖诊床和办公桌病人侧大部分区域，且办公桌医生侧也存在较高的污染物浓度；分体空调方案下诊室内污染物扩散范围较小，高污染物浓度区主要为诊床附近区域。多联机方案下诊室内污染物浓度为0.021%，分体空调方案下诊室内污染物浓度为0.012%。结合图4 和图7 分析可知，多联机竖直向下高速送风使得诊室内气流较为紊乱，撞击到地面向四周散开的气流在经过高污染物浓度区域时增强了污染物的扩散，从而使得多联机工况下诊室内污染物浓度较高且扩散范围更广。由以上分析可知，分体空调方案污染物控制效果优于多联机方案。

图7 污染物浓度云图（%）Fig.7 Pollutant concentration contours(%)

3.5 优化方案

虽然多联机和分体空调方案下诊室内均满足舒适性要求，但是两方案下诊室内污染物控制效果均不理想，因此，针对污染物控制效果较好的分体空调方案进行优化。由图7 可知诊床附近污染物浓度较高，故而将排风口设置于诊床附近进行分体空调方案的优化。

图8 为分体空调优化方案下诊室内流线图。结合图4 对比可知，优化方案下气流受排风口引导流经诊床附近而后通过排风口排出。

图8 分体空调优化方案下的流线图Fig.8 Streamlines of optimized split type air-conditioner scheme

分体空调优化方案下诊室内污染物浓度分布如图9 所示。优化方案下诊室内污染物浓度为0.005%。对比图9 和图7 可知，优化方案下诊室内污染物的扩散范围与浓度都得到了显著的改善。结合图8 分析可知，排风口设置于诊床附近可引导气流流经高污染物浓度区域并及时排出从而增强了空调通风系统的污染物排放能力。

图9 分体空调优化方案下的污染物浓度云图（%）Fig.9 Pollutant concentration contours of optimized split type air-conditioner scheme(%)

4 结论

本文采用数值计算研究了不同空调通风方案下诊室内气流组织，主要研究结论如下：

（1）在速度场和污染物浓度场方面分体空调方案显著优于多联机方案，在温度场和压力场方面分体空调方案略优于多联机方案，因此诊室应选择分体空调方案。

（2）诊室内部空间较小，多联机方案下室内气流较紊乱，污染物的扩散被增强且污染物不易被排出，因此相较于分体空调方案，在多联机方案下诊室内污染物的扩散范围更广并且浓度更高。

（3）将排风口设置在诊床附近可有效提升空调通风方案污染物控制效果，采用此方法分体空调方案下污染物浓度从0.012%减小为0.005%。