负压隔离病房通风效果的数值模拟分析

负压隔离病房通风效果的数值模拟分析2002年底，一种新的致命性呼吸系统传染病－严重急性呼吸综合症（SARS）－开始在中国以及周边地区大规模爆发。2002年11月6日，首例病患在广东省佛山市被发现，2003年2月11日，第一份关于疫情爆发的正式报告被提交到世界卫生组织，此时，已有305人受到感染并导致5人死亡。截至2003年8月7日，短短6个月的时间内，疫情迅速扩散到全球34个国家和地区，累计报告可能病例达8422例，导致916人死亡。同时，数以万计普通民众的行动自由受到限制，巨额的国际贸易被中止或取消，仅就远东地区而言，初步估计的经济损失达到300亿美元【1】。疫情目前虽已得到控制，但它给暖通空调专业带来的挑战和思考仍将持续相当长的一段时间。例如，在我国，仅就天津市而言，医护人员在确诊SARS病患中所占的比例曾高达46％,香港威尔士亲王医院在疫情初期的医护人员在病患中所占比率也一度高达75％。而整个疫情期间，医护人员感染率（即受感染医护人员占确诊病例的比率），北京及香港地区都曾接近20％，台湾地区更是以30％的医护人员感染率达到“世界之冠”。这表明，目前病房内的气流组织效果普遍不佳，根本无法迅速、有效的将被污染的空气排除室外，保证医护人员的安全。因此，针对由中国建筑科学研究院和广东申菱公司共同参与开发的负压隔离病房，我们主要利用CFD数值模拟作为研究手段，对病房内的通风效果进行数值模拟以及优化分析。并采用Momentum模型对复杂送风散流器的在隔离病房内的应用进行CFD模拟以及评价。1、负压隔离病房几何模型病房内部的实际几何尺寸为4.5m×3.15m×2.7m，病房内备有病床一个（1.9m×0.9m），送风口位于天花板（1m×0.32m），回风口位于病床旁（0.5m×0.2m），根据送风口位置的不同，共对三个送风方案进行数值模拟分析，各方案中房间内各物体的实际相对位置如图1～图4所示：图1、方案一的几何模型图2、方案二双回风口工况图3、方案二单回风口工况图4、方案三几何模型2、边界条件的确定2.1夏季工况：风量：根据设计值，定为240m3/h，送风温度18℃壁面：无滑移、绝热壁面。医护人员模型：表面温度37℃。病患模型：表面温度37℃。病患呼吸量：8l/min，温度32℃。2.2冬季工况：风量：根据设计值，定为240m3/h，送风温度25℃壁面：无滑移、表面温度18℃。医护人员模型：表面温度37℃。病患模型：表面温度37℃。病患呼吸量：8l/min，温度32℃。3、模拟计算本文采用混合迎风差分格式对偏微分方程进行离散，选用标准K－e双方程以及K－eRNG模型进行模拟。经过网格独立性分析，共生成网格43200个，利用SIMLEST算法进行求解。4、模拟结果5.1夏季送风工况通风效果比较5.1.1典型流线图比较相比较于二维的流速矢量图，三维的流线图可以更为直观的表现出流场的流动状态及气流组织效果。因此，通过典型流线图的比较，考察病患呼吸物被排出室内的过程，以及从送风口到回风口的气流运动方式。图5～12分别给出了各方案的典型流线图。图5、方案一病患呼吸物的流线图图6、方案二双回风口工况下病患呼吸物的流线图图7、方案二单回风口工况下病患呼吸物的流线图图8、方案三病患呼吸物的流线图图9、方案一由送风口到回风口的典型流线图图10、方案二双回风口工况下由送风口到回风口的典型流线图图11、方案二单回风口工况下由送风口到回风口的典型流线图图12、方案三由送风口到回风口的典型流线图由以上各图可以看出，方案二在单回风口工况下的通风效果最为理想。而同样是方案二，仅增加一个回风口后，其通风效果变得最不理想，因为这一工况下，部分气流形成短路，导致整个通风效果的不理想。5.1.2污染物分布浓度比较假定病患呼吸量为平静状态下的成年男性呼吸量8l/m，通过比较病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度的分布情况，得出各方案通风效果的优劣，见图13～14所示。0.01XZ0.511.522.533.50.511.522.530.050.100.150.200.300.400.500.57C/Co图13、方案一病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.01XZ0.511.522.533.50.511.522.530.050.100.150.200.300.400.500.57C/Co图14、方案二双回风口工况下，病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.01XZ0.511.522.533.50.511.522.530.050.100.150.200.300.400.500.57C/Co图15、方案二单回风口工况下，病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.01XZ0.511.522.533.50.511.522.530.050.100.150.200.300.400.500.57C/Co图16、方案三病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）通过以上各图，考察各方案病患呼吸物无量纲浓度大于1％的区域的大小以及位置可以看出，方案二单回风口工况下，该区域面积最小，而且在垂直方向上的最高高度不足1.5m，没有达到医护人员呼吸区高度，因而其通风效果最为理想，这与典型流线图的对比结果相吻合。5.2冬季送风工况下病房内部通风效果分析5.2.1各方案冬季送风工况下的室内温度分布在实验室冬季送风工况下，室内送风温度为25℃，围护结构壁面温度设为18℃，各方案室内温度场分布见图17～19所示。ab图17、方案一室内温度场分布ab图18、方案二单回风口工况下室内温度场分布ab图19、方案三室内温度场分布有上述各图可以看出，由于室内换气次数较高，因而室内温度比较接近与送风温度，在23℃上下。并且都体现出冬季送风工况下的温度分层特征，尤以方案二的单风口工况最为明显。相应的，由病患呼吸所产生的污染物分布见图20～22所示。0.010.10.20.5XZ1230.511.522.530.10.150.20.250.30.350.40.5C/Co图20、方案一病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.010.050.100.60XZ1230.511.522.530.050.10.150.20.250.30.350.40.50.6C/Co图21、方案二单回风口工况下，病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.010.10.30.5XZ1230.511.522.530.10.150.20.250.30.40.50.6C/Co图22、方案三病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）由图20～22可以看出，冬季工况下室内病患呼吸物分布大体与夏季工况下的分布情况相类似。并没有出现由于两种送风工况下，呼吸物与周围空气温度差异不同而产生的不同的浮力效应，进而导致病患呼吸物分布的不一致。究其原因，应该是因为模拟病患口部的污染源面积较小（0.02m×0.02m），污染物散发量也不大（8l/min，0.33m/s）。因而相对于整个房间的几何尺度而言，污染物温度在较短距离内发生较大衰减，故其与周围空气间的温度差所产生的浮升力并没有对污染物的分布产生较大的影响。5.3室内应用不同形式送风散流器下的室内通风效果比较对于空气传播的传染病负压隔离病房，由于其所严格控制的为病患含有致病卫生物的呼吸物，而非房间内的悬浮尘埃粒子。因此，房间送风不一定采用高效过滤器，普通送风散流器的适当应用一样可以产生较好的气流组织效果。而实际上，室内送风散流器的气流运动方式涉及到多射流结构的相互影响及混合等非常复杂的情况，为制约CFD模拟技术对室内气流运动进行精确模拟的主要障碍，因此，在Moser于1991年发表的综述性文章中，送风装置的模型化被列为室内气流运动CFD模拟的五个最难的问题之一。今年来，许多学者致力于室内送风装置的CFD模拟解决方案，并分别提出了相应方案，其中最据代表性的为盒子模型（boxmodel），基本模型（basicmodel），条缝模型（slotmodel）以及风口动量模型（momentummodel）。图23给出针对IEAAnnex20所研究的Hesco孔板散流器（nozzlediffuser），基本模型（basicmodel），条缝模型（slotmodel）以及风口动量模型（momentummodel）给出的边界条件描述方式。图23、孔板散流器的边界条件描述相比较而言，Box模型要描绘散流器前端一个容积内的气流流型，因而实际计算结果较为理想，但其应用需要散流器的一些特定参数，普适性较差。Basic模型及其改进后的Slot模型，采用散流器的有效面积以及送风风速作为CFD模拟的实际边界条件，但其计算结果精度较差。Chen和Moser于1996年提出Momentum模型，指出影响室内空气射流特征的主要因素由射流质量流量、动量通量以及浮力通量（非等温射流）以及送风口的形状等。因此，只要保证上述三个通量相等，就可以用与散流器总面积相等的简单开口来代替复杂散流器，并且保证送风射流在主体段主要特性不便，并使计算具有较高的精度，满足实际工程应用需要。基于以上比较，我们拟采用Momentum模型分别对四种复杂散流器在隔离病房的实际通风效果进行CFD模拟，图24给出了所要应用的四种散流器。abcd图24、所要模拟的复杂散流器：a孔板散流器（nozzlediffuser）；b百叶散流器（grillediffuser）；c条缝散流器（slotdiffuser）；d方形散流器（squarediffuser）5.3.1室内温度场模拟结果鉴于采用高效过滤器的冬季与夏季送风工况的模拟结果比较，由于差别不大，故采用夏季送风工况进行散流器CFD模拟比较（送风温度18℃，壁面温度25℃）。图25～28给出了应用不同的散流器后，隔离病房内的温度分布。就室内温度而言，方形、条缝散流器的送风温度更为接近于送风温度，送风效果要优于百叶与孔板散流器。其中，方形散流器效果最佳。图25、孔板散流器室内温度场分布图26、百叶散流器室内温度场分布图27、条缝散流器室内温度场分布图28、方形散流器室内温度场分布5.3.2室内污染物浓度场模拟结果在病房内设置不同的送风散流器后的室内污染物浓度场见图29～32所示。由下列各图可以看出，采用了复杂送风散流器后，房间内通风效果较好，病患的呼吸物可迅速有效的被排出。并且这四种送风散流器就送风效果而言，在不同程度上，要优于由高效送风口作为送风装置的气流组织策略（污染物浓度≥1％的区域面积较小，且所能影响的高度较低）。从计算结果还可得出，孔板散流器方案虽然在营造室内适宜热环境方面表现较差，但在迅速有效排出污染物方面的表现要优于百叶散流器方案以及条缝散流器方案。而方形散流器方案无论在营造适宜室内热环境还是在有效排出污染物方面都表现较好。考虑到负压隔离病房不仅需要保证医护人员的安全，同时其维持舒适室内热环境，减少能源消耗以及运行费用也是设计人员所必须考虑的重要因素。因此方形散流器方案应该是我们所要考虑隔离病房的建设时的一个较优方案。0.010.10.5XZ1230.511.522.530.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.60.7C/Co图29、孔板散流器，病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.010.10.5XZ1230.511.522.530.050.10.150.20.250.30.350.40.50.6C/Co图30、百叶散流器，病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.010.10.55XZ1230.511.522.530.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6C/Co图31、条缝散流器，病患口部所处房间断面上其呼吸物无量纲浓度分布（≥1％）0.010.1XZ1230.511.522.530.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6C/Co图32、方形散流器，病患口