某ICU病房颗粒物局部控制研究

刘 锋，王 刚，贾恩灿，王明明，胡松涛

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266525)

ICU是医院的特殊科室之一，不管是否处于流行病爆发期间，室内患者获得性感染率比普通病房患者医院获得性感染率高5～10倍[1]。研究表明突发性的空气污染与呼吸道症状和过敏事件的加剧有关[2]，特别是在患有气道疾病的受试者中[3]，特别是处在ICU室内的所有人员会持续不断地通过呼吸、咳嗽等方式产生可能带有携带病菌的飞沫气溶胶[4]，这会影响到ICU内病患的生命健康安全。ASADI等[5]在流感病毒传播的豚鼠模型实验中发现，来自被病毒污染环境的雾化污染物也可以通过空气传播流感病毒，这也证实了病原体等微生物可能会依附于空气中的颗粒物进行传播，因此ICU内空调系统需要有更高的净化水平。

研究表明气流组织形式会对室内污染物分布产生影响，上送下回的通风形式有利于提高室内空气洁净度[6]。赵楠[7]设计了用以改善空气质量的移动式可调节局部排风装置，来对封闭空间内的有害物质进行收集和处理，研究发现装置在降低室内颗粒物浓度方面具有显著功效。刘勇等[8]随机选取了两间相同的ICU，对其中一间ICU利用TA2000空气净化机进行动态循环净化，另一间未做任何处理；通过对空气中可吸入颗粒物进行现场测定和分析发现：在监测的任一时刻，装有空气净化机的房间可吸入颗粒物浓度水平较低，这说明空气净化机可有效降低病房内的颗粒物浓度。另外，适用于座舱环境、室内床头边的个性化送风[9]以及局部排风装置的相关研究为降低ICU内可吸入的病菌颗粒物浓度提供了新的思路。以上研究表明上送下回的气流组织以及局部空气处理对于颗粒物排出与净化是有效的，但是并未提出在特定环境场合下局部排风装置和空气净化机的最佳安装位置。本文针对某医院气流组织相对固定ICU，通过实测数据分析，发现病患呼吸区颗粒物浓度相对较高，在室内气流组织的影响下这些颗粒物容易在ICU内通风不畅处积聚。因此，在无法进行大规模气流组织改造的情况下，确立了在病患呼吸区安装局部空气处理装置实现降低ICU内的颗粒物浓度，提高ICU内的空气质量，达到减少病患区交叉感染隐患的目的。

1 研究内容

1.1 研究对象

以青岛市某医院ICU为例，该层ICU单间面积为9 m2。室内包括一名病患、一名医护人员、一台呼吸机、一张医用病床、一张药品桌和两盏灯具，如图1所示。

图1 ICU内概况

1.2 ICU颗粒物源及风险分析

病患及医护人员是颗粒物的主要释放源，二者主要通过呼吸、咳嗽、喷嚏等形式向室内释放飞沫等可能携带病菌的污染物[10]。另外，医护人员在护理病患以及更换被褥、床单过程中不可避免地会产生扬尘等颗粒物，交叉感染也容易在扬尘颗粒传播的这一过程发生。

ICU空调系统内设有低、中、高效三级过滤，系统形式为上送上回的一次回风全空气系统。气流短路和涡旋现象易在上送上回的气流组织形式下出现，两种现象会降低通风效率，低下的通风效率会致使带病菌的颗粒物在通风不畅处积聚[11]，最终导致医患之间发生交叉感染的风险概率显著增加。

1.3 实验设计

在ICU内环境相对稳定的13:00—14:00进行颗粒物浓度、温度、风速等数据的采集。实验测试期间，ICU内有一名患者、一名医护人员以及一名身体健康的测试人员。测试期间，严格按照医院要求佩戴口罩、鞋套、手套和头帽，穿着隔离服。ICU内测点布置平面位置如图2所示。

图2 测点位置布置

按照《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)中的相关规定要求，实验测试分别检测距地面0.2，0.9，1.1，1.5 m高度处的6个测点，总计24个测点。测试仪器及其技术参数见表1。

表1 测试仪器及相关性能参数

2 研究方法

通过现场实验对ICU内不同粒径段的颗粒物浓度进行了测试，初步筛选颗粒物浓度较高的位置，但是实验方法仅可提供有限的数据收集点相关信息，而计算流体力学(CFD)的方式可以提供整个模拟区域的流场分布、浓度场分布等信息[12]，因此本文也通过CFD模拟获悉ICU内更为详细的颗粒物浓度分布信息。

2.1 计算流体动力学模型选择

CHEN[13]，ZHANG[14]等对自然对流、强迫对流、混合对流下的室内温度场、速度场分别采用不同的湍流模型(Turbulence Model)进行模拟对比分析，结果显示采用RNG模型模拟的精度最高、流场最好。故本次模拟采用RNG模型。

对于现阶段室内环境中的颗粒物粉尘污染，人们关注更多的是倾向于颗粒物扩散规律及其分布特征。室内颗粒物具有典型的气固两相流运动且体积分数相对较低，而拉格朗日法不仅能清楚地显示颗粒物运动轨迹线，还可以得到颗粒物分布，因此通过拉格朗日法追踪离散相(DPM模型)的颗粒物运动轨迹，即颗粒相采用DPM模型。

2.2 物理模型及边界条件设置

按照ICU实际尺寸及内部布局进行建模，对ICU内部分复杂结构状物体进行简化，模型如图1所示。为进一步降低病患呼吸范围内的颗粒物浓度，考虑在病患呼吸区上方增设局部空气处理装置。局部空气处理装置由送风口、回风口、风机、高效过滤器、紫外线杀菌灯等构成。装置中加入了高效过滤器及紫外线杀菌灯，利用高效过滤器对颗粒物进行吸附，并通过过滤器两侧的紫外杀菌装置对截留在过滤器上的病菌进行双重杀菌处理，确保带病菌的颗粒物能在装置内被有效拦截杀灭。装置内部构成如图3所示，增设局部空气处理装置后的ICU物理模型如图4所示。

图3 局部空气处理装置内部组成

图4 物理模型

ICU内流体为低速流动的不可压缩气体，流体状态为三维稳态湍流，且密度、黏性等参数设定均满足Boussinesq假设[15]，模拟过程假定单间内壁面温度分布均匀，且不考虑户间传热、壁面与单间内物体、地面之间辐射影响。边界条件如下：

1) 气流边界条件。送风设置为速度入口：风速为0.126 m/s，温度为24 ℃；出口采用Outflow(自由出流)边界条件；速度在光滑壁面处的分布遵循无滑移边界条件，近壁面的湍流特征采用壁面函数进行描述。

2) 颗粒物边界条件。① 逃逸边界(Escaped)表示颗粒触碰到物理边界时，会离开计算域。故将增设局部空气处理装置前其他壁面处对颗粒物的边界条件设为逃逸。② 在原物理模型及边界条件基础上增设局部空气处理装置，装置速度进口条件在综合考虑通风效率及舒适度后设为0.2 m/s，并将装置风口处对颗粒物的边界条件设为逃逸(Escaped)，装置表面设为反射(Reflect)。

3) 污染源设置。国内外研究表明，人静止时的发尘量为105粒/(min·人)，本文将颗粒假设为球体，单人静止发尘量为4.4×10-11kg/s[16]。LUISA[17]研究指出，人体休息时呼气速率约为0.757 m/s，从事体力劳动时呼气速率约为2.27 m/s，同时结合王明明[18]的研究，本文取医护人员及病患的颗粒物释放速率为0.8 m/s。

3 研究结果及分析

3.1 测试数据分析

实验所测试颗粒物为0.3～0.5，0.5～1.0，1.0～2.5，2.5～5.0，5.0～10.0，≥10.0 μm六个粒径段。加装局部空气处理装置前的实验测试结果如图5—7所示。

由图5、图6可知，测点1(病患头部)和测点5(医护人员站立区)处在0.3～1.0 μm粒径段内的颗粒物浓度相对较高，主要原因在于测点1靠近患者呼吸区，受病患呼吸源释放颗粒物影响。测点5靠近医护人员，受到医护人员的活动影响，而且测点5所在区域处在气流的回升段，因此颗粒物浓度较高。图5中2.5～5.0 μm粒径段的颗粒物在测点5，6处浓度相对较高，分析原因为受室内既有气流组织扰动影响，粒径大的颗粒物容易在测点5，6这两处通风效率较低处堆积，但粒径大于2.5 μm的颗粒物易被净化空调系统所拦截，在ICU内的分布极少，因此在图6、图7中不再作分析。

由图7可以看出，1.5 m高度处的测点1和5两处颗粒物浓度分布同1.1 m处分布趋势一致，但粒径区间为0.3～0.5 μm的颗粒物浓度在测点3处分布较高，1.5 m高度处的测点3处于散流器送风的正下方，处于局部的送风“盲区”，且送风气流在经过病患床反弹后会在测点3处形成局部的回流；而测点5是由于处于空气回升段，加之近墙角区域空气流通不畅，所以颗粒物浓度分布较高。

3.2 模拟结果分析

图8(a)为病患所在纵截面(对应X=1.4 m处)颗粒物分布云图，结果显示，病患呼吸区上方颗粒物分布较为集中，且颗粒浓度值高，而且经由病患呼吸区向房间四周扩散。图8(b)为加装了局部空气处理装置后的ICU内颗粒物分布云图，通过对比图8(a)(b)可以看出，在加设局部空气处理装置后，病患呼吸区上方颗粒物分布较为稀疏，颗粒物浓度明显下降，颗粒物在室内的扩散范围也进一步减小。

图8 病患所在纵截面

图9(a)为病患所在横截面(垂直于病床长度方向截面，对应Y=0.3 m处)以及图10(a)所示为病患呼吸区(水平方向，对应Z=0.9 m处)颗粒物浓度分布云图，二者的分布规律同图8(a)一致，都是经由病患呼吸区向房间四周扩散。图9(b)、图10(b)为加装了局部空气处理装置后的ICU内颗粒物分布云图，通过图9(b)、图10(b)同样可以看出，病患所在横截面、病患呼吸区颗粒物浓度大幅下降，颗粒物在室内的扩散范围同样大幅减小。

图9 病患所在横截面

图10 病患呼吸区

综合加设局部空气处理装置前后的颗粒物模拟分布结果来看，未加装置前病患所在呼吸区颗粒物分布较为集中，颗粒物浓度值较高，且在室内的扩散范围较大，不仅不利于病患身体的康复，还存在医患之间的交叉感染隐患。另外，增设局部空气处理装置后模拟所得病患呼吸区的平均颗粒物浓度由增设装置前的2.26×10-10kg/m3降为1.6×10-12kg/m3，这说明局部空气处理装置可以有效降低生产源处的颗粒物浓度，缩小颗粒物在整间病房内的扩散范围，进一步降低了交叉感染的可能性，因此局部空气处理装置的增设可以使医患双方同时受益。

3.3 风速及颗粒物浓度验证

风速及颗粒物浓度的模拟与实测结果对比如图11所示，计算所得模拟风速与实测平均风速在0.2，0.9，1.1，1.5 m高度处所对应的相对误差均低于16%。颗粒物的验证以大小为0.5 μm粒径为例，对相同高度位置上的实测颗粒物浓度平均值与模拟值进行比对，结果如图11所示。从图11可知，由于实测过程中试验测试人员呼吸过程释放颗粒物的影响，会存在相应的误差，模拟值与实测颗粒物浓度在0.2，0.9，1.1，1.5 m高度处的计算相对误差均在13%以内，误差相对较小。

4 结论

1) 病患和医护人员是ICU内颗粒物的主要产生源，特别是在二者呼吸区域颗粒物分布较为集中，浓度值较高。因此，有必要对颗粒物产生源进行局部处理，进而降低其在室内的扩散范围。

2) 在病患呼吸区上方增设局部空气处理装置，可以实现对室内病患呼吸区范围内的颗粒物进行源头上的控制，降低因通风不畅、通风效率低等因素所造成的颗粒物堆积，实现进一步缩小颗粒物在ICU内扩散范围的目的。

本文分析是基于特定病房空调系统下进行的，针对不同的空调系统、气流组织形式和室内布局，则需要重新对局部空气处理装置的加装位置进行筛选、评估。引入“局部空气处理装置”这一方式对ICU内颗粒物进行源头上的控制，降低颗粒物在室内的扩散范围，模拟结果显示病患呼吸区的平均颗粒物浓度降低了2.244×10-10kg/m3。因此，装置的加设可以有效实现保护患者、降低交叉感染的目的。这种方式也为像ICU这样的特殊环境内的颗粒物净化提供了新思路。