負(fù)壓隔離病房壓力場(chǎng)及氣流組織數(shù)值模擬研究.docx

1、負(fù)壓隔離病房壓力場(chǎng)及氣流組織數(shù)值模擬研究中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司董連東"周玉楊九祥摘要為研究負(fù)壓隔離病房壓力控制及送風(fēng)曰布置對(duì)室內(nèi)氣流組織影響，建立負(fù)壓隔離病房仿真模擬，研究門縫隙參數(shù)對(duì)負(fù)壓控制影響，得到門縫隙局部阻力損失系數(shù)；同時(shí)調(diào)整送風(fēng)口位置定量分析風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)空氣齡的影響,為負(fù)壓病房壓力控制及氣流組織形式設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)。關(guān)鍵詞負(fù)壓病房；壓力；氣流組織；空氣齡：污染物TheNumericalInvestigationofPressureFieldandAirDistributioninNegativePressureIsolationWardDongLiandong,

2、ZhouYuandYangJiuxiangAbstractInordertostudytheinfluenceofpressurecontrolandairsupplyoutletlayoutonindoorairdistributioninnegativepressureisolationward,thenumericalmodelofnegativepressureisolationwardwasestablished.Theinfluenceofdoorgapparametersofonnegativepressurecontrolswasstudiedandthelocalresist

3、ancelosscoefficientofdoorgapwasobtained.At(hesametime,(heinfluenceofairsupplyoutletpositionontheindoorairagewasanalyzed.Theresultswillprovidetechnicalguidanceforthepressurecontrolandthedesignofairdistributioninnegativepressureisolationward.KeywordsNegativepressureward;Pressure;Airdistribution:Ageofa

4、ir;Contaminant0引言隨著新型冠狀肺炎疫情的爆發(fā)，再一次引發(fā)人們對(duì)于呼吸道傳染病的關(guān)注。根據(jù)中國(guó)疾控中心報(bào)告顯示，截至2020年2月11日，共有3019名醫(yī)務(wù)人員感染新型冠狀病毒，醫(yī)護(hù)人員感染-方面是由于在疾病發(fā)現(xiàn)初期，對(duì)疾病本身的傳染性不了解，沒(méi)有采取必要的隔離防護(hù)措施，另一方面表明，病房?jī)?nèi)的氣流組織效果不佳，無(wú)法迅速、有效的將病房?jī)?nèi)污染物排出，并防止污染物向外界擴(kuò)散。自2003年SARS爆發(fā)以來(lái)，很多醫(yī)院著手興建傳染病隔離病房，或?qū)⒓河械钠胀ú》扛脑斐蛇m應(yīng)傳染病人的隔離病房（負(fù)壓隔離病房），其中通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是傳染性隔離病房能否有效發(fā)揮作用的關(guān)鍵。傳染性隔離病房是針對(duì)傳染性呼吸

5、道疾病患者進(jìn)行隔離的病房，切斷病菌的空氣傳播途徑，也被稱為負(fù)壓隔離病房。負(fù)壓隔離病房一方面需要及時(shí)排出患者產(chǎn)生的污染物，另一方面需要控制病房和周圍區(qū)域間的空氣流向，避免受污染空氣進(jìn)入其他區(qū)域，引起交叉感染。因此負(fù)壓隔離病房的通風(fēng)系統(tǒng)研究主要集中在病房和外界壓差控制，以及病房氣流組織形式。我國(guó)傳染病設(shè)計(jì)規(guī)范中要求負(fù)壓隔離病房與其相鄰、*螢連東，男，1987年11月生，碩上研究生214135江蘇省無(wú)錫市新吳區(qū)具區(qū)路88-mail:dongliandong收稿日期：2020-10-29相通的緩沖間、走廊壓差應(yīng)保持不小于5Pa的負(fù)壓差，最小換氣次數(shù)應(yīng)為12次布。目前，CFD方

6、法越來(lái)越多應(yīng)用到暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而通風(fēng)系統(tǒng)是負(fù)壓隔離病房設(shè)計(jì)的核心，應(yīng)用CFD方法對(duì)負(fù)壓病房的通風(fēng)系統(tǒng)研究有利于通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文采用CFD數(shù)值模擬方法，對(duì)負(fù)壓隔離病房壓力控制及氣流組織形式進(jìn)行模擬研究，首先分析縫隙參數(shù)對(duì)各區(qū)域壓力控制影響，其次研究不同送風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)氣流組織、空氣齡及污染物擴(kuò)散的影響，為今后負(fù)壓病房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。1研究?jī)?nèi)容及方法1.1設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介新冠肺炎負(fù)壓隔離病房應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照傳染病醫(yī)院的流程進(jìn)行布局，嚴(yán)格實(shí)施醫(yī)患分區(qū)，結(jié)合衛(wèi)生安全等級(jí)分為潔凈區(qū)、隔離區(qū)（半污染區(qū)和污染區(qū)），相鄰區(qū)域之間應(yīng)當(dāng)設(shè)置相應(yīng)的衛(wèi)生通過(guò)或緩沖間。建筑設(shè)施布局應(yīng)當(dāng)與氣流組織有效結(jié)合，嚴(yán)格控制

7、空氣按不同壓力梯度由清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)單向流動(dòng)。相鄰相同不同污染等級(jí)房間的壓差（負(fù)壓）不小于5Pa,負(fù)壓程度由高到低依次為衛(wèi)生間、病房、緩沖間、醫(yī)護(hù)走廊（圖I）。病房房間的送風(fēng)量是600m3/h,排風(fēng)量是80（）mVh,排風(fēng)量大新風(fēng)量，送排風(fēng)量差通過(guò)門、窗等圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透進(jìn)入病房房間，從而形成病房負(fù)壓。條房15Pa<1T污染走崖-10P.<1F15Pa15PaMM15Pa常房15Pa消油走廊OPanr<irE生HI-20Pa-10PaH生闕-20Pa-iOPa-10PaH生何-20PaI生M-20P«圖I醫(yī)院負(fù)壓隔離病房壓力梯度辟禺種房3衛(wèi)生間擇MU1（緩沖同1

8、-室內(nèi)送心】2室內(nèi)排風(fēng)n（a）三維模型房如沖-10Pa-10PaH4-M-20Pa位ItAPRB'ri<圖2單人供壓隔離病房模型1.2負(fù)壓病房模型根據(jù)火神山負(fù)壓隔離病房設(shè)計(jì)圖紙，選取一個(gè)單人負(fù)壓隔離病房為研究對(duì)象，病房尺寸3mX6mX2.8m（包含緩沖間和衛(wèi)生間），病房?jī)?nèi)采用上送下排通風(fēng)方式，送風(fēng)量600mVh,送風(fēng)口尺寸0.36mX0.36m,排風(fēng)口放在靠近病床下方，排風(fēng)量600m'/h,排風(fēng)口尺寸0.2niX0.2ni。衛(wèi)生間只有排風(fēng)，從衛(wèi)生間門縫補(bǔ)風(fēng)，排風(fēng)量200m3/h,排風(fēng)口尺寸0.36mX0.36mo具體風(fēng)口布置及三維模型見圖2。1.3物理模型簡(jiǎn)化室內(nèi)空氣可以

9、作為不可壓縮流體進(jìn)行研究，病房?jī)?nèi)空氣溫度變化較小，室內(nèi)無(wú)明顯熱源，可以忽略溫度對(duì)氣流組織影響，由于是負(fù)壓隔離病房，室內(nèi)存在送排風(fēng)量差，因此需要考慮門窗等滲透風(fēng)量為簡(jiǎn)化物理模型，減少計(jì)算量，對(duì)物理模型作如下假設(shè)：（1）空氣為不可壓縮流體。（2）室內(nèi)空氣流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)等溫工況。（3）墻板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性較好，滲透風(fēng)量?jī)H從門縫進(jìn)入病房。1.1模擬工況及邊界條件設(shè)定圖3為建立的病房三維網(wǎng)格，綜合考慮網(wǎng)格精度及計(jì)算量，對(duì)房間模型采用多面體網(wǎng)格劃分，在門縫處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，保證縫隙處至少三個(gè)網(wǎng)格，并對(duì)壁面進(jìn)行邊界層加密，房間總網(wǎng)格數(shù)為370萬(wàn)左右。圖3網(wǎng)格模型工況送風(fēng)口位置送風(fēng)風(fēng)速m/s縫隙參數(shù)備注位置A1

10、.286Gap1-3：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度5.8m：Gap4：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度6.8m（apl：醫(yī)護(hù)走廊與緩沖間門縫（ap2：緩沖間與病房門縫（叩3：病房與衛(wèi)生間門縫（叩4：病房與患者走廊門縫II位置A1.286Gap1-2：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度2.9m；Gap3：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度5.8m：Gap4：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度3.4mIII位置A1.286Gap1-2：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度2.9m；Gap3：縫隙高度5mm,縫隙總長(zhǎng)度5.8m：Gap4：縫隙高度4mm.縫隙總長(zhǎng)度3.4mIV位省B1.286同工況IIIV位置C1.286同工況III表1模擬

11、算例及邊界條件設(shè)定-lOPa-lOPan-5.00-6.50-8.009.50U-11.0012.50-14.00-15.5017.00-18.50-20.00P司工況IPressure.-5.00Pressure.-5.00-6.50800-9.50-11.00-12.50-14.00-15.501919Pa1421%-17.00-962Pa-18.50-20.00工況II圖4不同工況下室內(nèi)壓力對(duì)比（z=Im）-6.50800-9.50-11.00-12.50-1400-15.50-17.00-1850工況III-2O55PJ"-20.00(Pal根據(jù)火神山送排風(fēng)風(fēng)量及風(fēng)口面積折算

12、得到送排風(fēng)速度，作為邊界條件，醫(yī)護(hù)走廊與患者走廊設(shè)置為壓力邊界條件，壓力值分別為-5Pa、-lOPao門縫僅考慮在門四周，縫隙高度為4mm5mm。表I為具體模擬工況，工況I-III設(shè)定布縫隙高度及長(zhǎng)度，研究不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性對(duì)力壓隔離病房壓控制的影響。工況III-V設(shè)定不同送堂風(fēng)位置，研究風(fēng)口位置對(duì)病房?jī)?nèi)氣流組織影響。2結(jié)果及分析n壓力模擬結(jié)果分析圖4為工況I-III壓力分布對(duì)比，從圖中可以看出工況【整體負(fù)壓較小，主要原因是緩沖間及患者走廊的門縫長(zhǎng)度較大，風(fēng)量滲透進(jìn)來(lái)阻2損失較低，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的負(fù)壓要求，但衛(wèi)生間上病房?jī)?nèi)壓差在5Pa左右，說(shuō)明衛(wèi)生間門縫設(shè)置合理。因此需要考慮將圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性提高

13、，減小緩沖間及患者走廊門縫長(zhǎng)度。減小滲透縫隙尺寸后，工況II壓力梯度接近設(shè)計(jì)壓差，但是室內(nèi)負(fù)壓仍略小。進(jìn)一步減小患者走廊門縫高度后（4mm）病房?jī)?nèi)負(fù)壓達(dá)到-15.56Pa,其余各區(qū)負(fù)壓也基本滿足設(shè)計(jì)要求。圖5為不同工況下縫隙滲透速度對(duì)比，工況I的縫隙速度較小，特別是患者走廊的門縫速度在（）.5m/s左右，大部分風(fēng)景從醫(yī)護(hù)走廊進(jìn)入病房，導(dǎo)致病房?jī)?nèi)負(fù)壓達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。工況II調(diào)整縫隙R度后，縫隙處速度變大，特別是患者走廊處門縫隙風(fēng)速，各區(qū)域負(fù)壓值也變大。工況1【1進(jìn)一步降低縫隙高度，各縫隙滲透風(fēng)速基本一致。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，得出每種工況下縫隙的滲透風(fēng)速及壓差，根據(jù)公式（1）【3川計(jì)算得出局部阻力系

14、數(shù)。AP=U（1）2表2為不同工況下的縫隙局部阻力計(jì)算表，門縫隙高度4mm5mm時(shí)，局部阻力系數(shù)平均值為2.24。圖5不同工況下縫隙處速度對(duì)比(z=Im)表2不同工況下門縫局部阻力系數(shù)工況縫隙門縫平均風(fēng)速m/s門縫壓差Pa局部阻力系數(shù)4IGapl1.4132.642.159Gap2L4112.642.165Gap31.9174.952.199Gap40.4380.282.383IIGapl1.8374.622.235Gap21.8314.582.230Gap31.9174.992.217Gap41.7334.202.283IIIGapl1.9675.302.236Gap21.9665.272.

15、226Gap31.9154.982.217Gap41.9985.572.278工況III工況H圖6不同工況下氣流分布2?氣流組織結(jié)果分析圖6為不同工況下室內(nèi)氣流分布情況，負(fù)壓病房采取上送下排通風(fēng)方式，排風(fēng)口設(shè)置在病床下側(cè)衛(wèi)生間內(nèi)設(shè)置上排風(fēng)口。從圖中可看出，病房?jī)?nèi)整體處于混合流動(dòng)。當(dāng)室內(nèi)送風(fēng)口處于位置A時(shí)（工況HI）,部分氣流直接經(jīng)過(guò)病床底部進(jìn)入排風(fēng)口排出,另有一部分空氣由衛(wèi)生間排風(fēng)口排定。送風(fēng)口設(shè)置在位置B（工況IV）,送排風(fēng)口布置距離較遠(yuǎn)室內(nèi)氣流混合較為均勻。當(dāng)送風(fēng)口布置在位置C時(shí)（工況V）,大部分新風(fēng)直接被排風(fēng)抽走，也未對(duì)室內(nèi)其他區(qū)域起到混合稀釋的作用。圖7為不同工況Im高度截面的空氣齡分

16、布情況，從圖中可以看出整體空氣齡在300s以下。送風(fēng)口布置在A位置時(shí)（工況III）,房間內(nèi)存在明顯氣流死角，靠近緩沖間的地方空氣齡較大。調(diào)整風(fēng)口布置后（工況IV和工況V）,室內(nèi)空氣齡明顯減小。圖8為1.5m高度截面空氣齡分布對(duì)比，空氣齡分布規(guī)律和Im截面類似。圖9（b）為對(duì)負(fù)壓病房進(jìn)行區(qū)域劃分，不同布置方案下室內(nèi)空氣齡平均值均在300s以卜，從圖中可以發(fā)現(xiàn)送風(fēng)口處于位置B時(shí)，各區(qū)域整體空氣齡均較低，說(shuō)明空氣混合較為均勻，同時(shí)醫(yī)護(hù)活動(dòng)區(qū)域空氣齡小于100s,可以降低醫(yī)護(hù)人員暴露風(fēng)險(xiǎn)。圖10為不同工況下污染物分布對(duì)比，從圖中可以看出，送風(fēng)口布置在B位置時(shí)，空氣混合均勻，同時(shí)也將污染物帶到室內(nèi)其他區(qū)

17、域，不利于污染物排出。送風(fēng)口在位置C時(shí)污染物擴(kuò)散范圍最小，主要原因是送風(fēng)口距離排風(fēng)口較近，污染物大部分直接從下側(cè)排風(fēng)口排出。mean政agesR300.0270.0240.02100180.0150.01200900U60.030.000工況IIImeanairage(s)n3000270.0240.0I2100180(150.(120.(90060.030000工況Vmeanarage3000270.0240021001900150012003000270.024002100180.0150.0120.090060030000工況III0.030000meanarages3000270024

18、002100180.015001200工況V工況IV圖7不同工況空氣齡分布對(duì)比（z=Im）moanairagosn3000270.240d1210180150120.090.060.03000.0工況IV圖8不同工況空氣齡分布對(duì)比（z=l.5m）ABC置置置立立立一房一舊I醫(yī)護(hù)活動(dòng)區(qū)域嫂油間II（b）區(qū)域分布緩沖間病房IK護(hù)活動(dòng)患者活動(dòng)衛(wèi)生間區(qū)域區(qū)域00500050211(S§<H圖9不同送風(fēng)口位置室內(nèi)平均空氣齡對(duì)比20（a）平均空氣齡工況工況IV圖10不同工況污染物濃度分布對(duì)比工況1113結(jié)論利用CFD模擬研究負(fù)壓隔離病房壓力及氣流組織分布，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙對(duì)負(fù)壓隔離病房壓力控制影響