基于CFD的负压隔离病房气流组织及污染物扩散模拟研究

何伟华，田彩霞，郑超元

（广东省广建设计集团有限公司 广州 511400）

0 引言

2019年末，一场突如其来的新冠肺炎疫情给现有的医疗卫生体系造成巨大压力，由于医院传统病房的空调通风系统无法满足具有高度传染性的疫情需求，使得有限的负压病房更是不堪重负［1］。对于传染病医院的负压病房的通风系统设计，通常是设置不同送、排风量，使其产生压差，从而与相邻房间形成压力梯度，阻止病房内的污染物溢出；另一方面，负压病房内的排风系统将污染的空气集中收集起来，经过高效措施处理后排出室外［2-3］。由于不同传染病医院建筑面积、层高等存在差异，且不同床位数量的负压病房所需的送、排风量也有区别，为确保科学合理的通风系统设计方案，需要根据实际项目去深入研究［4-5］。现阶段，具有成本低、速度快、准确性高等特点的数值模拟方法快速发展，广泛应用于流体方向的研究，相比于搭建实验平台获取结果，该方法更适用于前期设计阶段去分析疑点难点［6］。负压隔离病房的气流组织受到风口的设置形式以及风量大小的影响［7］，现根据实际项目的通风系统设计方案，采用计算流体力学软件CFD 对该项目负压隔离病房的流场进行模拟分析，并依据模拟结果反馈优化设计方案，提高设计水平，并为后续传染病医院的负压病房通风系统设计提供参考作用。

1 模型的建立

1.1 设计概况

本次设计负压隔离病房的气流组织采用新风上送风、排风下排风的方式［8］，可有效防止送、排风短路。同时，新风送风口位置应使清洁空气先流过房间中医务人员可能的工作区域，后流过传染源，再流向排风口，使得医务人员不会处于传染源和排风口之间，大大减少医务人员被感染的机会。

1.2 负压病房模型

该房间为双人房，病房的几何尺寸长（X）×宽（Y）×高（Z）为6 900 mm×3 650 mm×2 800 mm，房间内设置两位病患及一位医护人员，考虑到负压隔离病房的特殊性，通风系统采用上送下排，送风口3 尺寸为500 mm×400 mm，排风口1、2分别设置在病床两侧，离地300 mm，排风口尺寸为300 mm×200 mm，并在厕所位置设立200 mm×200 mm 的排风口4，疑似患者口部大小为20 mm×20 mm，A、B 为疑似患者，医护人员C设置在病房中部，模型如图1 所示。为提高运算速度及准确性，模型采用结构化网格，共生成网格1005961个，模拟方案选用标准K-e 双方程模型，求解方法采用SIMLEST算法。

图1 负压隔离病房三维模型Fig.1 Three Dimensional Model of Negative Pressure Isolation Ward

1.3 计算模型的简化

病房内的空气视为不可压缩流体，室内温度变化幅度较小，忽略温度对气流组织的影响，为减少模型计算量，对物理模型进行如下简化［9-10］：

⑴室内空气为不可压缩常物性牛顿流体；

⑵负压病房采用高密闭性门窗，忽略门窗渗透风量；

⑶空气流动为稳态等温过程。

1.4 边界条件设置

风量根据设计值，送风口设为速度入口，风速为0.98 m/s，病床两侧排风口分别设为-15 Pa 的压力出口，厕所排风口设为-1.39 m/s 的速度入口，通过UDF设定病人嘴部呼吸产生污染物，利用CO2示踪气体方法模拟病房内污染物随空气流动的分布情况。

2 结果与分析

负压隔离病房的主要作用在于收治疑似感染患者，利用12次换气次数的全新风系统快速稀释污染物浓度，并结合下排风措施将污染物排出，预防疑似患者交叉感染，并确保医护人员的安全。考虑在实际运行过程中，风口位置设置、感染人数及排风口设置等因素对室内污染物扩散都有一定的影响，通过模拟分析不同工况下的流场，得到最优的风口布置方案，模拟工况如表1所示。

2.1 送风口设置形式模拟结果分析

送风口是影响房间气流组织的重要影响因素，对比分析表1中工况1～4可以确定送风口位置对稀释医护人员呼吸区域污染物的效果。从图2 可知，由于厕所排风口的影响，送风口设置在房间外侧时，送入房间的新风尚未完全稀释污染物就被厕所排风口排出，严重影响新风的稀释作用，使得整个空间的污染物浓度较高。

表1 模拟工况设置Tab.1 Simulated Working Condition Setting

图2 工况1病房内污染物随时间变化云图（Z=1.5 m）Fig.2 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time in Working Condition 1（Z=1.5 m）

图3 是送风口设置在房间内侧的工况，相比于工况1，1 号排风口的排风效率有所提升，靠近厕所的区域污染物有所减少，且房间整体污染物浓度有所减少，但气流组织未能达到理想状态；2号排风口处的污染物浓度并未发生显著变化，医护人员呼吸区域还是存在污染物。

图3 工况2病房内污染物随时间变化云图（Z=1.5 m）Fig.3 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time in Working Condition 2（Z=1.5 m）

工况3 是在总的新风量不变的情况下，将送风口分为两个分别设置在房间内外侧，同时考虑到厕所排风口的影响，房间内侧送风口风量比外侧送风口风量高100 m³/h。由图4 可知，污染物扩散范围和浓度相比于工况1和工况2要低很多，整体通风效果较好。

图4 工况3病房内污染物随时间变化云图（Z=1.5 m）Fig.4 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 3（Z=1.5 m）

图5 是送风口设置在房间中部的工况，可以看出疑似患者呼吸区域上方只有少量污染物滞留，医护人员呼吸区域的污染物相比于工况1～3 明显减少。由此可见，该工况下房间内部的气流组织相对较好，有利于促进污染物的稀释和排出。

图5 工况4病房内污染物随时间变化云图（Z=1.5 m）Fig.5 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 4（Z=1.5 m）

2.2 病房内污染物分布模拟结果分析

根据2.1 小节对比分析可知，若病房内两位疑似患者均感染时，医护人员呼吸区域仍存在一定污染物。现基于工况4设计方案下，对不同高度的污染物进行模拟分析。

图6为Z=0.4 m处的污染物随时间变化云图，可以看出污染物主要集中在病床两侧的排风口处，医护人员所在的中间区域污染物分布较少，随着时间推移，整个病房内的污染物浓度也会逐渐降低。由此可得，采用该通风系统设计方案合理。此外，靠近厕所一侧的排风效果较好，显然是受到厕所排风的间接影响。

图6 工况4病房内污染物随时间变化云图（Z=0.4 m）Fig.6 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 4（Z=1.5 m）

图7 为X=2.5 m 处的污染物随时间变化规律图，可以得出，截面的污染物分布差异较为大，污染物主要集中在底部区域，房间上空污染物浓度较低，可知底部排风系统能高效排除污染物，靠近送风口位置的污染物被新风稀释，浓度明显降低，同时随着时间变化，整个截面的污染物快速减少，有效降低医护人员受到交叉感染的概率。

图7 工况4病房内污染物随时间变化云图（X=2.5 m）Fig.7 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 4（X=2.5 m）

2.3 不同感染人数对污染物分布影响分析

图8 不同患者感染的房间内污染物扩散云图（Z=2.5 m）Fig.8 Diffusion Cloud Diagram of Pollutants in Rooms Infected by Different Patients（Z=2.5 m）

图9 不同患者感染的房间内污染物扩散云图（Z=1.5 m）Fig.9 Diffusion Cloud Diagram of Pollutants in Rooms Infected by Different Patients（Z=1.5 m）

双人房间存在两位病患同时感染或只有一人感染的情况，通过对工况4～6 的模拟分析，可得当送风口设置在中部时，不同感染人数的污染物分布特性。图8 为30 min 时Z=0.4 m 处不同患者感染的污染物扩散云图。可知，工况4 的污染物浓度明显高于其他两个工况，且扩散范围较大；工况5和工况6的污染物基本上集中在1、2 号排风口附近，扩散范围较小。由此可知，当只有一个疑似患者感染时，负压隔离病房在床头侧设置下排风口以及12 次换气次数的全新风系统，能够有效降低医患交叉感染的概率。

图3 为30 min 时Z=1.5 m 处不同患者感染的污染物扩散云图，图中显示工况5 和工况6 中医护人员呼吸区域范围内的污染物较少，但在两个疑似患者均感染的情况下，还是有一定浓度的污染物滞留在医护人员呼吸区域内。

2.4 排风口风量变化模拟结果分析

由于厕所排风口和1 号排风口的影响，靠近房间外侧的总体排风量高于房间内侧。结合图5、图10 和图11 可知，在调整1、2 号排风口风量差在50 m³/h 的情况下，1号排风口附近的污染物聚集较多，但范围不大，其中Z=1.5 m平面上的污染物平均浓度最低，通风效果有所提升。当风量差扩大到100 m³/h 时，1 号排风口附近的通风效果有所下降，2 号排风口的效果较佳，但整体通风效果并没有提升。

图10 工况7病房内污染物随时间变化云图（Z=1.5 m）Fig.10 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 7（Z=1.5 m）

图11 工况8病房内污染物随时间变化云图（Z=1.5 m）Fig.11 Cloud Diagram of Pollutants in Ward with Time under Working Condition 8（Z=1.5 m）

3 结论

采用CFD 数值模拟方法对实际工程项目中的负压隔离病房设计方案进行研究，分析房间内的气流组织及污染物扩散分布规律，针对双人病房收治疑似患者的特点，分析不同患者感染情况下的室内污染物分布差异，并对比分析送风口布置形式对房间内污染物分布的影响，为后续负压隔离病房空调通风系统设计提供参考。

⑴送风口设置在房间中部，整个房间的气流组织效果相对较好，有利于新风稀释污染物，医护人员呼吸区域的污染物滞留时间短且浓度较低。

⑵厕所排风口的布置对房间内污染物分布有一定的影响，设计过程中应当考虑厕所的排风量，合理选择设计参数。

⑶当病房的疑似患者只有一人感染的情况下，采用床头两侧设置下排风口和12 次换气次数基本满足预防交叉感染的要求。

⑷适当调整双下排风口之间的风量差，能够优化气流组织的稳定性，促进污染物的排出，但不能盲目扩大风量差，以免起到反作用。