40.狄彦强：传染性隔离病房合理换气次数的试验研究与数值模拟

–215–传染性隔离病房合理换气次数的试验研究与数值模拟中国建筑科学研究院空调所狄彦强王清勤许钟麟张益昭赵力刘华于玺华摘要：国外把传染性隔离病房换气次数指标定为12次/小时，在很大程度上是一种惯例。而且直到目前仍未见研究报道不同换气次数与病人污染物扩散程度之间的关系，国内亦是如此。本文通过试验和数值模拟相结合的方法对其进行了探讨，经过对比分析，就如何从节能以及污染控制的角度对传染性隔离病房换气次数的设计提出了几点建议。关键词：传染性隔离病房换气次数试验研究数值模拟节能TestingStudyandNumericalSimulationofReasonableAirChangesforInfectiousIsolationWardByDiYanqiangWangQingqinXuZhonglinZhangYizhaoZhaoLiYuXihua(Air-conditioningDepartmentChinaAcademyofBuildingResearch,Beijing，100013)Abstract：Theselectionof12ACHforinfectiousisolationwardislargelyamatterofconvention.However,therearenoresearchmaterialsabouttherelationshipbetweendifferentairchangesandthepervasionofpatientcontaminants,justsoChinais.Inthispaper,testingstudyandnumericalsimulationhavebeendone；Bycomparisonandanalysis,drawssomeconclusionandgivessomeadvisesabouthowtodesignairchangesbasedonenergy-conservationandcontaminationcontrolforinfectiousisolationwardreasonably.Keywords：infectiousisolationwardairchangestestingstudynumericalsimulationenergy-conservation1引言我们在设计传染性隔离病房通风量时大多采用的是换气次数指标，它是指单位时间内病房的排风量除以病房容积所得到的值，通常记为ACH（AirChanges）（单位：次/小时）。Ｄｕｇｕｉｄ]1[在1945年所作的实验表明（如图1所示），普通谈话产生的粒子直径不到100μｍ,所带细菌数可以高达100个之多；不同的咳嗽产生的细菌数会高达1000多个；打喷嚏产生的液滴直径不到10μｍ,但所带的细菌数却高达10万多个，因此需要较大的换气次数才能排除病房空气中的感染性粒子。但是，多少次换气次数才能有效地稀释和控制污染，至今仍在争论。–216–2国内外关于换气次数的基本情况2.1美国“ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会），AIA（美国建筑师联合会）和HRSA（卫生资源和服务管理局）建议肺结核隔离病房和治疗室的最小换气次数为6次/小时，而且指出大于6次/小时的换气次数可能会使病房内细菌浓度更低，但与降低感染率之间的关系直到目前仍未见研究报道。美国CDC标准]2[也指出，为了减少感染性粒子的浓度，在现有的卫生设施中，肺结核隔离病房和治疗室的换气次数应大于等于6次/小时；条件许可时，换气次数也可通过调整、改进通风系统或者通过使用辅助设备（如：通过固定的HEPA过滤系统或局部空气净化器装置再循环空气）提高到12次/小时以上。新建工程的换气次数设计应大于等于12次/小时。2.2澳大利亚在澳大利亚有关资料]3[中，隔离病房换气次数同样规定为≥12次/小时。另外，还提出了一个人均最小通风量的概念，它的单位是“升/（秒•病人）。因为我们在设计隔离病房时大多根据的是ACH，但是气溶胶污染物的浓度会随着房间体积的不同而不同。在换气次数一定的前提下，当房间体积较小时，污染物的浓度会相应增加；当房间体积较大时，污染物的浓度便会相应减少。基于上述考虑，在设计小房间的ACH问题上，给予一些特殊的考虑是必要的。所以在设计通风量问题上，澳大利亚建议应在12ACH和145升/（秒•病人）之间取较大者。2.3英国英国标准]4[基本上是参照美国而定的。此标准中指出，气流组织的合理性取决于所有送风必须通过一受控过程全部被排出室外（即100％全排风），而要想维持房间洁净度以及确保污染物能够被迅速有效地被排除,就必须保证应有的换气次数。标准建议换气次数应不小于6次。同时也指出，6到12ACH可能会使室内的细菌含量大大减少，但并未对大于12ACH作深入解释。2.4国内为了控制医院内交叉感染、严防污染环境，我国已经颁布了或即将颁布一些相关的标准和规定。2003年，建设部、卫生部、科技部联合印发了《建筑空调通风系统预防“非典”确保安全使用的应急管理措施》，卫生部提出了《收治传染性非典型性肺炎患者医院建筑设计要则》，但其中对隔离病房的换气次数仍无明确规定。目前国内已建成的或改建的医院隔离病房换气次数为10-40次]5[，换气次数的增加虽然有利于降低室内空气中的污染物浓度，但会造成室内热、湿环境难以保证，空调能耗巨大。以北京、天津等地为例，计算表明：当新风换气次数达到10次时，其空调平均冷热指标分别达到250W/m2和260W/m2左右，从而可以推算换气次数达到40次时，其空调平均冷热指标会高达1000W/m2左右，如此巨大的能耗医院很难承受，最终结果是病房内供冷、供热量减少，直接导致其热湿环境恶化，最终影响病人的活动与康复。因此探讨一个合理的隔离病房换气次数是十分必要的，本文将通过试验研究与数值模拟相结合的方法对其进行探讨，就如何从节能和污染控制的角度合理设计传染性隔离病房换气次数提出一些建议供同行参考。3试验研究图2隔离病房平面示意图–217–3.1传染性隔离病房模拟试验室负压隔离病房模拟试验室由病房、缓冲间、独立卫生间和外走廊组成。试验室平面布局见图2，隔离病房室内照片见图3。图3隔离病房室内照片3.2试验材料枯草杆菌黑色芽孢变种，菌号ATCC:15442；1.3343、国际Collison标准喷雾器、打气机、流量计、LWC-I型离心采样器、JWL-1型采样器、Andersen国际标准化采样器、IRQF智能风速计、普通营养琼脂、普通营养肉汤、玻璃及塑料平皿。3.3试验装置本实验采用的微生物气溶胶发生系统如图4所示：图4微生物气溶胶发生系统1喷雾器2菌液3过滤器4流量计5压力表6缓冲箱7打气机8过滤器3.4试验项目及方法通过试验研究不同气流组织形式与病人污染物扩散程度之间的关系，从几种不同送、排风组合工况中选出气流组织较好一组工况，即床侧送风、对侧排风的形式（送风口开s-2，排风口开h-2）进行试验。通过变换不同的送、排风频率来研究不同换气次数与病人污染物扩散程度以及室内平均含菌浓度之间的关系，从而找出比较合理的换气次数指标。依据国外有关传染性隔离病房设计标准，本试验工况是在送、排风口加高效，换气次数分别为–218–8、10、12、14、16次/小时的条件下进行的。首先，对各种仪器进行了调试和标定，并进行了预备试验以及阴性、阳性对照试验。在正式试验时，首先将Collison喷雾器用清水洗净，然后用无菌生理盐水反复冲洗三次，再装入35ml芽孢液，每次在装完菌液后便打开平皿盖。气溶胶发生装置在压力1kg/cm2，流量17升/分条件下开始喷菌，菌液浓度2.5×108cfu/ml，喷菌时间为30分钟，之后再抽气10分钟，接着穿戴好洁净衣帽、口罩进入房间迅速盖好平皿盖，最后将培养皿在36±1℃温度下培养48±2h并进行观察计数。病房内采样点布置见图5；培养成的细菌照片见图6（其中桔黄色的为实验菌种，白色的为空气中本身携带的菌种）。图5病房内地面采样点布局图6细菌照片3.5试验结果分析图7是经试验得到的不同换气次数下气溶胶污染范围分布图。图7不同换气次数下的气溶胶污染范围分布图从图中，我们可以看到：（1）试验工况采用的是床侧送风、对侧排风的形式，效果较好，而且不同换气次数下污染物浓度的分布趋势接近一致。在病人右侧床沿一带污染物浓度分布较高；而在送风口正下方（16点、17点、18点、19点所在区域）以及送风口与病床之间（21点、22点、23点、24点所在区域）污染物浓度分布较低，因此，这一带作为医护人员工作区域则较为安全。而且从图8还可以发现2点到9点的菌落数均很大，笔者认为这一区域浓度值的偏高可能是由于送风口s-2与病人嘴部距离较接近，–219–此时导致了部分气流带动污染物沿着病人头部右侧墙壁迂回折上。（2）图8所给出的是8、10、12、14、16ACH条件下对应的气溶胶污染物分布关系。由图可以看出，相对于8、10ACH情况而言，12、14、16ACH条件下的医护人员工作区污染物浓度以及全室的平均浓度都明显降低。但是当换气次数大于12次时，换气次数的增加对于去除病人污染物的效果并不是很显著，相反微风速大、能耗高、热湿环境恶化等诸多问题便会接踵而至。（3）建议在气流组织设计合理的基础上，单人隔离病房的合理换气次数宜取为12ACH；而对于双人及三人或三人以上隔离病房而言，随着病人数量的增加，病房体积与病人的数量一般不成线性关系，而是相对减少，这也是出于节省初投资的考虑。例如，取单人病房体积为35m3,双人病房的体积一般均小于70m3；同样，三人病房的体积一般也小于105m3，n人病房体积将小于35nm3。但是每个病人的发菌量却大致相当。所以对于双人及三人或三人以上隔离病房，如果换气次数也同样设计成12次的话，会降低房间的有效通风效果，即去除病人污染物的效果。基于上述考虑，建议其取值为15ACH左右。4数值模拟本文采用空调室内气流数值分析理论和通用的CFD软件对上述传染性隔离病房在床侧送风、对侧排风方式下的气流组织效果进行了数值模拟分析,得到了病房在不同换气次数下病患污染物浓度无量纲分布图,基于安全的考虑，假定污染源散发量浓度为100％（见图8、图9、图10、图11、图12）。图88ACH下病患污染物图910ACH下病患污染物图1012ACH下病患污染物浓度无量纲分布图浓度无量纲分布图浓度无量纲分布图图1114ACH下病患污染物图1216ACH下病患污染物浓度无量纲分布图浓度无量纲分布图通过观察不同换气次数下的病患污染物浓度无量纲分布图,我们可以知道：（1）不同换气次数下污染物浓度的分布趋势接近一致。且共同特征便是污染物浓度在病人右侧区域均较高，这对医护人员来说是非常不利的，因为这一带是他们的主要工作区域。究其原因可能是由于送风口s-2比较接近于病人嘴部，此时导致了部分气流带动污染物沿着病头部右侧墙壁迂回折上，这与试验的结果不谋而合。虽然此数量相对于病人发菌浓度小的多，但也是不安全的，因为对于某些呼吸道传染病而言，往往少量病毒就可以使人感染。（2）相对于8、10ACH情况而言，12、14、16ACH条件下的医护人员工作区的污染物浓度以及全室的平均浓度都明显降低，大约减少3个数量级。我们也看到，当换气次数大于12次时，换气次数的增加对于去除病人污染物的效果并不是很显著，如图所示，12、14、16ACH的污染物浓度分–220–布在同一数量级，且相差甚少，这说明此时换气次数的增加对于去除病人污染物效果不是很大。（3）同试验结果一样，建议单人隔离病房的合理换气次数宜取12ACH；而对于双人及三人或三人以上隔离病房而言，至少要保证12ACH的通风换气，考虑到房间体积等因素，一般建议取值为15ACH左右。5试验与模拟对比分析本文通过对传染性隔离病房进行试验研究，观察了不同换气次数对病人污染物的扩散影响，并用数值模拟对其进行了验证和分析，得出如下结论：通过数值模拟所得到的病患污染物浓度无量纲分布图，基本上与试验研究的污染物浓度分布一致，个别点误差较大,但趋