1、負壓隔離病房壓力場及氣流組織數值模擬研究中國電子系統工程第二建設有限公司董連東"周玉楊九祥摘要為研究負壓隔離病房壓力控制及送風曰布置對室內氣流組織影響，建立負壓隔離病房仿真模擬，研究門縫隙參數對負壓控制影響，得到門縫隙局部阻力損失系數；同時調整送風口位置定量分析風口位置對室內空氣齡的影響,為負壓病房壓力控制及氣流組織形式設計提供技術指導。關鍵詞負壓病房；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，再一次引發人們對于呼吸道傳染病的關注。根據中國疾控中心報告顯示，截至2020年2月11日，共有3019名醫務人員感染新型冠狀病毒，醫護人員感染-方面是由于在疾病發現初期，對疾病本身的傳染性不了解，沒有采取必要的隔離防護措施，另一方面表明，病房內的氣流組織效果不佳，無法迅速、有效的將病房內污染物排出，并防止污染物向外界擴散。自2003年SARS爆發以來，很多醫院著手興建傳染病隔離病房，或將己有的普通病房改造成適應傳染病人的隔離病房（負壓隔離病房），其中通風系統的設計是傳染性隔離病房能否有效發揮作用的關鍵。傳染性隔離病房是針對傳染性呼吸

5、道疾病患者進行隔離的病房，切斷病菌的空氣傳播途徑，也被稱為負壓隔離病房。負壓隔離病房一方面需要及時排出患者產生的污染物，另一方面需要控制病房和周圍區域間的空氣流向，避免受污染空氣進入其他區域，引起交叉感染。因此負壓隔離病房的通風系統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。我國傳染病設計規范中要求負壓隔離病房與其相鄰、*螢連東，男，1987年11月生，碩上研究生214135江蘇省無錫市新吳區具區路88-mail:dongliandong收稿日期：2020-10-29相通的緩沖間、走廊壓差應保持不小于5Pa的負壓差，最小換氣次數應為12次布。目前，CFD方

6、法越來越多應用到暖通系統設計中，而通風系統是負壓隔離病房設計的核心，應用CFD方法對負壓病房的通風系統研究有利于通風系統優化設計。本文采用CFD數值模擬方法，對負壓隔離病房壓力控制及氣流組織形式進行模擬研究，首先分析縫隙參數對各區域壓力控制影響，其次研究不同送風口位置對室內氣流組織、空氣齡及污染物擴散的影響，為今后負壓病房通風系統設計提供技術參考。1研究內容及方法1.1設計簡介新冠肺炎負壓隔離病房應當嚴格按照傳染病醫院的流程進行布局，嚴格實施醫患分區，結合衛生安全等級分為潔凈區、隔離區（半污染區和污染區），相鄰區域之間應當設置相應的衛生通過或緩沖間。建筑設施布局應當與氣流組織有效結合，嚴格控制

7、空氣按不同壓力梯度由清潔區、半污染區、污染區單向流動。相鄰相同不同污染等級房間的壓差（負壓）不小于5Pa,負壓程度由高到低依次為衛生間、病房、緩沖間、醫護走廊（圖I）。病房房間的送風量是600m3/h,排風量是80（）mVh,排風量大新風量，送排風量差通過門、窗等圍護結構滲透進入病房房間，從而形成病房負壓。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醫院負壓隔離病房壓力梯度辟禺種房3衛生間擇MU1（緩沖同1

8、-室內送心】2室內排風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負壓病房模型根據火神山負壓隔離病房設計圖紙，選取一個單人負壓隔離病房為研究對象，病房尺寸3mX6mX2.8m（包含緩沖間和衛生間），病房內采用上送下排通風方式，送風量600mVh,送風口尺寸0.36mX0.36m,排風口放在靠近病床下方，排風量600m'/h,排風口尺寸0.2niX0.2ni。衛生間只有排風，從衛生間門縫補風，排風量200m3/h,排風口尺寸0.36mX0.36mo具體風口布置及三維模型見圖2。1.3物理模型簡化室內空氣可以

9、作為不可壓縮流體進行研究，病房內空氣溫度變化較小，室內無明顯熱源，可以忽略溫度對氣流組織影響，由于是負壓隔離病房，室內存在送排風量差，因此需要考慮門窗等滲透風量為簡化物理模型，減少計算量，對物理模型作如下假設：（1）空氣為不可壓縮流體。（2）室內空氣流動為穩態等溫工況。（3）墻板等圍護結構氣密性較好，滲透風量僅從門縫進入病房。1.1模擬工況及邊界條件設定圖3為建立的病房三維網格，綜合考慮網格精度及計算量，對房間模型采用多面體網格劃分，在門縫處進行局部網格加密，保證縫隙處至少三個網格，并對壁面進行邊界層加密，房間總網格數為370萬左右。圖3網格模型工況送風口位置送風風速m/s縫隙參數備注位置A1

10、.286Gap1-3：縫隙高度5mm,縫隙總長度5.8m：Gap4：縫隙高度5mm,縫隙總長度6.8m（apl：醫護走廊與緩沖間門縫（ap2：緩沖間與病房門縫（叩3：病房與衛生間門縫（叩4：病房與患者走廊門縫II位置A1.286Gap1-2：縫隙高度5mm,縫隙總長度2.9m；Gap3：縫隙高度5mm,縫隙總長度5.8m：Gap4：縫隙高度5mm,縫隙總長度3.4mIII位置A1.286Gap1-2：縫隙高度5mm,縫隙總長度2.9m；Gap3：縫隙高度5mm,縫隙總長度5.8m：Gap4：縫隙高度4mm.縫隙總長度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不同工況下室內壓力對比（z=Im）-6.50800-9.50-11.00-12.50-1400-15.50-17.00-1850工況III-2O55PJ"-20.00(Pal根據火神山送排風風量及風口面積折算

12、得到送排風速度，作為邊界條件，醫護走廊與患者走廊設置為壓力邊界條件，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設定布縫隙高度及長度，研究不同圍護結構氣密性對力壓隔離病房壓控制的影響。工況III-V設定不同送堂風位置，研究風口位置對病房內氣流組織影響。2結果及分析n壓力模擬結果分析圖4為工況I-III壓力分布對比，從圖中可以看出工況【整體負壓較小，主要原因是緩沖間及患者走廊的門縫長度較大，風量滲透進來阻2損失較低，無法達到設計的負壓要求，但衛生間上病房內壓差在5Pa左右，說明衛生間門縫設置合理。因此需要考慮將圍護結構氣密性提高

13、，減小緩沖間及患者走廊門縫長度。減小滲透縫隙尺寸后，工況II壓力梯度接近設計壓差，但是室內負壓仍略小。進一步減小患者走廊門縫高度后（4mm）病房內負壓達到-15.56Pa,其余各區負壓也基本滿足設計要求。圖5為不同工況下縫隙滲透速度對比，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，大部分風景從醫護走廊進入病房，導致病房內負壓達不到設計要求。工況II調整縫隙R度后，縫隙處速度變大，特別是患者走廊處門縫隙風速，各區域負壓值也變大。工況1【1進一步降低縫隙高度，各縫隙滲透風速基本一致。根據仿真模擬結果，得出每種工況下縫隙的滲透風速及壓差，根據公式（1）【3川計算得出局部阻力系

14、數。AP=U（1）2表2為不同工況下的縫隙局部阻力計算表，門縫隙高度4mm5mm時，局部阻力系數平均值為2.24。圖5不同工況下縫隙處速度對比(z=Im)表2不同工況下門縫局部阻力系數工況縫隙門縫平均風速m/s門縫壓差Pa局部阻力系數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?氣流組織結果分析圖6為不同工況下室內氣流分布情況，負壓病房采取上送下排通風方式，排風口設置在病床下側衛生間內設置上排風口。從圖中可看出，病房內整體處于混合流動。當室內送風口處于位置A時（工況HI）,部分氣流直接經過病床底部進入排風口排出,另有一部分空氣由衛生間排風口排定。送風口設置在位置B（工況IV）,送排風口布置距離較遠室內氣流混合較為均勻。當送風口布置在位置C時（工況V）,大部分新風直接被排風抽走，也未對室內其他區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。送風口布置在A位置時（工況III）,房間內存在明顯氣流死角，靠近緩沖間的地方空氣齡較大。調整風口布置后（工況IV和工況V）,室內空氣齡明顯減小。圖8為1.5m高度截面空氣齡分布對比，空氣齡分布規律和Im截面類似。圖9（b）為對負壓病房進行區域劃分，不同布置方案下室內空氣齡平均值均在300s以卜，從圖中可以發現送風口處于位置B時，各區域整體空氣齡均較低，說明空氣混合較為均勻，同時醫護活動區域空氣齡小于100s,可以降低醫護人員暴露風險。圖10為不同工況下污染物分布對比，從圖中可以看出，送風口布置在B位置時，空氣混合均勻，同時也將污染物帶到室內其他區

17、域，不利于污染物排出。送風口在位置C時污染物擴散范圍最小，主要原因是送風口距離排風口較近，污染物大部分直接從下側排風口排出。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比（z=Im）moanairagosn3000270.240d1210180150120.090.060.03000.0工況IV圖8不同工況空氣齡分布對比（z=l.5m）ABC置置置立立立一房一舊I醫護活動區域嫂油間II（b）區域分布緩沖間病房IK護活動患者活動衛生間區域區域00500050211(S§<H圖9不同送風口位置室內平均空氣齡對比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比工況1113結論利用CFD模擬研究負壓隔離病房壓力及氣流組織分布，分析圍護結構縫隙對負壓隔離病房壓力控制影響