医护人员走动对ICU病房内气流分布的影响

2023-04-01张金航张登春

制冷与空调 2023年1期

张金航张登春熊梨

（湖南科技大学土木工程学院湘潭 411201）

0 引言

随着2020年以来新冠疫情在全球的爆发，医院病房的环境问题越来越受到广泛重视，ICU 病房作为特别的病房科室，收纳的病人大多患有严重疾病，更加容易成为感染高风险区域。目前对于ICU病房内气流特征的研究，大多数研究病房内人员静止状态下的情况。

Cheong K W D 等[1]利用数值模拟结合实验验证的方法，研究了负压隔离病房内气流组织与污染物浓度的关系。Verma T N 等[2]通过CFD 软件对ICU 病房内送风速度及送风口位置进行研究，采用9 种不同组合进行比较分析，得出病房内通风达到最佳空气质量的方案。冯昕等[3]就单人和双人病房的三种气流组织方案进行了研究，研究得出顶送，床内侧单回风口的气流组织对污染物排除效果最好。赵福云等[4]就某Ⅰ级局部送风垂直单向流洁净手术室空态下的气流组织进行了研究，研究了回风口布置形式和送风速度对气流组织产生的影响。王明明[5]提出采用局部空气处理装置作为降低室内颗粒物浓度的措施，采用数值模拟方法对不同风口的效果进行相关分析。岑冬冬[6]在基于室内人员走动的情况下，应用CFD 软件就室内气流组织和污染物扩散进行数值模拟，并且采用动量源的方法模拟人员走动对室内环境的影响。Brohus H 等[7]发现室内人员走动会对人员周围气流产生强烈干扰，进而影响室内流场及污染物分布。Wang J 等[8]采用动网格法研究了人员走动对手术室悬浮液滴的影响，结果表明人员走动会产生严重的尾流，从而增大局部气流速度。

以上研究成果，大多数是在病房内人员保持静止的情况下研究的，而对病房内人员走动的情况并没有做深入的研究。本文运用Ansys Fluent 软件，对单间ICU 病房内气流分布特征进行数值模拟分析，采用动网格方法分析了医护人员走动对病房内气流分布的影响，研究结果表明医护人员的走动对病房的局部气流会有影响，并且主要影响医护人员行走的区域。同时本研究也为ICU 病房内空气质量的优化提供参考。

1 物理模型

按照真实的ICU 单人间病房尺寸与结构进行建模，并对部分形状进行了简化，如图1所示。整个病房尺寸为3.3m×3.03m×2.8m（长×宽×高），病房内主要包括：1 名躺在病床上的患者（0.4m×0.3m×1.6m）、1 名医护人员（0.4m×0.6m×1.6m）、1台呼吸机（0.4m×0.4m×1.5m）、1 个药品桌（2.3m×0.5m×0.8m）、2 盏相同灯具（1.0m×0.5m×0.05m）、1 张病床（2.0m×1.0m×0.8m），房间采用顶送侧回的气流组织形式，房间顶部中央布置尺寸为0.5m×0.5m 的送风口，侧下方布置尺寸为0.5m×0.25m 的回风口。

图1 单间ICU 病房物理模型Fig.1 Physical model of single ICU ward

2 数学模型

使用FLUENT 软件对ICU 病房内空气流动与污染物扩散进行数值模拟，考虑到ICU 病房内障碍物较多，选用RNGk-ε模型结合加强壁面函数法对病房内流场进行模拟计算。采用拉格朗日法的颗粒物离散相模型对颗粒物运动进行模拟，以展现颗粒物轨迹及单个颗粒的分布情况[9]。对病房内进行假设：

（1）ICU 病房内空气流动为稳态湍流；

（2）病房内空气为低速不可压缩流动，并且符合Boussinesq 假设；

（3）整个病房为壁面绝热状态且表面温度均匀分布；

（4）忽略固体表面间的辐射影响；

（5）病房气密性良好，不考虑门窗漏风的影响。

在ICU 病房内空气流动过程中，满足质量守恒、动量守恒、能量守恒以及组分输运定理，其控制方程如下：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

组分输运方程：

湍流动能k方程：

湍流动能耗散率ε方程：

式中，ui为速度矢量，m/s；xi代表x、y、z三个方向；T为温度，K；Φ 为能量耗散率，m3/s；qR为内热源产生率，m3/s；μ为层流动力粘度，Pa·s；μt为湍流动力粘度，Pa·s；ν为运动粘度，m2/s；ρ为空气密度，kg/m3；C为污染物体积浓度，ppm；Re为雷诺数；Sc为施密特数；Q为污染物发生率，ppm/s；L0为特征长度，m；u0为特征速度，m/s；C0为特征浓度，ppm；k为湍流动能，J；ε为湍流动能耗散率；Gk为平均速度梯度引起的湍流动能产生项，J；c为空气比热，1.01kJ/(kg·K)；C1、C2为经验常数；σk、σε分别为k和ε有效普朗特数的倒数。

3 动网格及边界条件设置

3.1 动网格模型

选用动网格模型对医护人员的走动进行模拟，由于动网格的存在，控制体内有一部分是运动的，因此会产生一定的变化，而这些变化需要相应的守恒方程来控制，满足网格守恒定律。对于通量ϕ，在任意一个控制体内，其边界是运动的，其守恒方程式为：

对于动网格，采用弹性系数法与动态重构法相结合的更新方法对网格进行更新，同时自定义函数（UDF）用来给定运动物体的运动行为。

3.2 边界条件

本文使用FLUENT 软件对病房进行模拟，采用控制容积法对控制方程进行离散，对流项和扩散项使用幂函数差分格式，应用SIMPLE 算法求解离散控制方程。

（1）送回风口边界条件：送风口采用速度边界条件。由于ICU 病房的特殊性，ICU 病房也是一个隔离病房洁净室，根据文献[10]，ICU 病房属于Ⅳ级洁净手术室，其换气次数至少应为12 次/h，本计算模型换气次数取12.5 次/h，得出送风口速度为0.39m/s，送风温度根据文献[10]规定ICU 病房内温度以及送风温差要求，取送风温度为22℃进行计算。回风口采用压力出口边界条件。

（2）壁面边界条件：绝热状态，壁面湍流方法使用加强壁面函数法。

（3）颗粒物边界条件：假设病人的呼气作为污染源，经计算，取人体呼气速率[11]为0.8m/s，人体发尘量为送回风口以及人的口鼻设为逃逸边界，壁面以及呼吸机设为反射边界，其余皆设为捕捉边界。

（4）热源条件：病人散热量[12]为40W/m2，医护人员散热量为50W/m2，呼吸机散热量为170W，灯具散热量为60W。

（5）医护人员走动条件：由于ICU 病房的特殊性，医护人员在病房内走动速度较慢，综合国内外研究分析[13-17]，拟定医护人员行走速度为0.5m/s。

4 模拟过程

ICU 病房内医护人员在病房内主要围绕病患进行相关医疗工作。因此，医护人员的运动轨迹主要围绕着病床运动，考虑到ICU 病房的特殊性，医护人员并不能一直待在病房内，因此，采用自定义函数设置医护人员的轨迹为医护人员绕着病床运动，最后回到医护人员最开始的位置。医护人员轨迹图如图2所示。

图2 病房内医护人员走动轨迹俯视图Fig.2 Top view of walking track of medical staff in the ward

图2中，箭头即为医护人员运动轨迹，为了接近实际运动情况，医护人员的来回转动都设置成原地转动。医护人员整个运动情况如下：医护人员首先沿着X 轴负方向运动2.15m，然后旋转180°改变医护人员朝向，接着沿着X 轴正方向运动2.15m回到原点，随后旋转90°改变医护人员朝向，并沿着Z 轴负方向运动1.8m 到达病床另一侧，紧接着旋转90°改变医护人员朝向，并沿着X 轴负方向运动1.4m，然后再旋转180°改变朝向，并沿着X 轴正方向运动1.4m，最后旋转90°改变朝向，并沿着Z 轴正方向运动1.8m 回到最初的起点。

其具体模拟过程为：（1）首先对医护人员处于静止状态的情况进行模拟，颗粒物在整个模拟过程一直释放；（2）然后对医护人员走动过程重新进行模拟，根据医护人员0.5m/s 走动速度，设置人员转动时间，转动180°需要1s，按照图2的轨迹，医护人员共运动24.9s，回到原点；（3）继续对流场变化和粒子扩散进行模拟计算5.1s。整个模拟过程中走动状态一共计算30s。

5 计算结果分析

为了研究医护人员走动对ICU 病房内气流分布的影响，在医护人员走动轨迹中选取医护人员所在的不同位置进行分析比较。医护人员的运动轨迹，分为6 个过程：（1）0-4.3s 过程医护人员在病床一侧朝病床前部运动；（2）5.3s-9.6s 过程医护人员返回；（3）10.1s-13.7s 医护人员朝病床另一侧运动；（4）14.2s-17s 医护人员在另一侧朝病床前部方向运动；（5）18s-20.8s 医护人员在另一侧返回病床尾部方向；（6）21.3s-24.9s 医护人员在病床尾部返回最初位置的运动。

5.1 人员走动对速度分布的影响

分别选取上述六个过程进行2s 即走动1m 后的医护人员的位置，医护人员停止走动的时间（t=24.9s），以及整个计算结束的最终状态（t=30s）共8 个状态进行分析比较，取医护人员嘴部高度所在平面（Y=1.35m）分析气流运动情况。图3为人员走动过程中8 个不同时刻下速度矢量分布。

图3 医护人员走动过程中的速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of medical staff during walking

由图3可知，在医护人员行走过程中，医护人员的运动会干扰到ICU 病房内局部气流，影响区域主要在医护人员尾部气流的区域，其影响范围大约是人体3 倍身宽，使这些区域的气流速度较大。由于医护人员距离病患距离较近，其走动过程会干扰病患部分区域的气流，并且在病患区域同时受到送风气流以及病患呼吸气流的影响，使病患部分处于干扰区域中，其气流随着时间的改变变得较为紊乱。干扰区域的气流速度大小约为0.6m/s，该速度大小正好接近医护人员的运动速度。因此，干扰引起的二次气流的速度大小与医护人员的行走速度相近保持一致。随着医护人员在24.9s 后结束走动后，由图3（h）可知，由于医护人员走动带来的二次气流的干扰随着医护人员的静止逐渐变小从而消失，整个ICU 病房内气流逐渐恢复正常。

5.2 人员走动对病房内颗粒物浓度分布的影响

同样选取上述8 个不同状态点进行分析比较，取医护人员嘴部高度所在的平面（Y=1.35m）对病房内颗粒物浓度进行分析。图4为人员走动过程中8 个不同时刻下颗粒物浓度分布。

由图4可知，整个ICU 病房内大部分颗粒物浓度为0-0.1μg/m3，在医护人员走动过程中，医护人员尾部3 倍身宽范围内颗粒物浓度会受到影响，其浓度较其他区域浓度略高，为0.1-1μg/m3。而在医护人员呼吸区域，由于嘴部颗粒物散发源的影响，其颗粒物浓度较大。对于医护人员处，颗粒物释放沿着呼吸的距离逐渐降低。同时在医护人员走动过程中，由于颗粒物浓度较小，医护人员的走动对病患区域颗粒物浓度并没有明显影响，在病患处的颗粒物浓度主要受到病患呼吸气流的影响。因此，医护人员走动主要影响医护人员身后的浓度场。

图4 医护人员走动过程中的颗粒物浓度Fig.4 Particulate matter concentration during walking of medical staff

5.3 医护人员不同状态下颗粒物浓度分布的对比

为了分析人员走动对病房内颗粒物分布的影响，将医护人员走动过程的颗粒物浓度与医护人员未走动时的颗粒物浓度进行对比分析，选取X=0.25m 截面，Y=1.3m 高度（病患呼吸区）上沿着Z 方向的不同监测点。由于医护人员走动会引起颗粒物浓度会随着时间变化而变化，同样选取8 个时间点的数据进行分析，在X=0.25m 截面、Y=1.3m高度（病患呼吸区）沿着Z 方向统计了9 个监测点，分别为Z=0m、Z=0.37m、Z=1.1m、Z=1.47m、Z=1.83m、Z=2.2m、Z=2.57m、Z=2.93m 和Z=3.3m，这9 个测点具体数值如表1所示。

由表1计算这9 个测点在8 个不同时间点上的平均值，将其作为医护人员走动状态下的颗粒物浓度值，与医护人员保持不走动状态下的相同监测点的颗粒物浓度进行对比，图5为两种情况下X=0.25m 截面、Y=1.3m 高度（病患呼吸区）沿着Z方向上的颗粒物浓度。

图5 病患呼吸高度截面医护人员不同状态下的颗粒物浓度Fig.5 Cross section of patient's respiratory height particulate matter concentration of medical staff in different states

由图5可以看出，在医护人员行走和医护人员静止状态下，两者的颗粒物浓度变化情况一致，均在Z=1.5m-2.0m 范围附近的颗粒物浓度较大，此范围内正好是病患所在位置附近，而在Z=1.83m 附近出现峰值，此处正好是病患嘴部呼吸区所在位置。由于高度Y=1.3m 为颗粒物刚从病患嘴部释放，最大浓度都集中在病患呼吸区附近，使颗粒物并未来得及完全扩散至四周，因此仅在病患附近处颗粒物浓度较高。

在Z=1.83m 处，医护人员走动状态下的颗粒物浓度最大值为1.822μg/m3，医护人员静止时的最大值为1.905μg/m3，医护人员静止状态时的颗粒物浓度最大值则略大于医护人员行走状态时的最大值。而在其他不同位置处，医护人员静止时颗粒物浓度均略小于医护人员行走状态下的颗粒物浓度值。因此，由于医护人员的走动，加上病房内相关仪器以及药品桌对颗粒物捕捉的因素，使病床两侧的颗粒物浓度较高，而病患处颗粒物浓度受医护人员行走的影响较小。