037病房气流组织改造方案模拟计算与分析全文

病房气流组织改造方案模拟计算与分析清华大学建筑学院建筑技术科学系綦戎辉，赵彬，杨旭东摘要：本文的主要目的是模拟计算和比较某病房改造中采用不同送风方案对于室内颗粒浓度的影响情况。依照病房实际尺寸及比例建立模型，通过Stach-3计算软件分别计算了四种送风形式下室内的颗粒浓度分布。以四种模式下病人及工作人员呼吸区的颗粒浓度为主要比较项，同时综合平均浓度等，得出最适合的改造方案。关键字：病房，颗粒浓度，风口位置，模拟计算一、简介衡量室内空气质量的标准之一即为颗粒物质的浓度及分布。而对于病房特别是呼吸病房来说，颗粒浓度和分布尤为重要。一般说来，粒径在5um以下的颗粒就可能对人体产生较大不良影响，也可能导致疾病的传播。而颗粒浓度及分布主要由送风方式决定，借助数值模拟计算可有效地反映出不同送风方式下颗粒的浓度及分布，对于病房气流组织的设计起到了一定的指导作用。二、模型病房基本设定①房间基本尺寸参数：x×y×z=5.3×3.4×3.3m3。②内部摆设：病床两张，2×1×0.7m3，空心，风可从病床下部穿过。病床摆放位置：病床一：（x1，y1，z1）=（0.7，0，0），（x2，y2，z2）=（1.7，2，0.7）（注：本文以对角线两点坐标表示相关物体的定位尺寸，下同）；病床二：（x1，y1，z1）=（3，0，0），（x2，y2，z2）=（4，2，0.7）。③内部源：仰卧病人两个。散热量：100瓦每人。散发颗粒量：5000个每秒每人。④病人使用矩形实体块贴表面热源代替，x×y×z=1.6χ0.4χ0.3，病人平躺在病床中间。⑤送风量：427米3m3/h，送风温度为26度。⑥其他模拟边界条件：墙体表面按绝热处理，壁面颗粒沉降量忽略。需要指出的是：在计算中没有将散热器及分体空调考虑进去，如果使用了散热器及分体空调，效果应与计算结果有所不同。图1模型房间示意图（图中x，y，z分别为房间的长，宽，高坐标）三、气流组织和风口布置形式a)普通风口上送上回（送风口位置为（x1，y1，z1）=（0，1.9，2），（x2，y2，z2）=（0，2.1，2.2），回风口为（x1，y1，z1）=（5.3，1.2，1.9），（x2，y2，z2）=（5.3，1.5，2.25））b)散流器上送下回（病床侧）（送风口位置为（x1，y1，z1）=（3.2，1.8，3.3），（x2，y2，z2）=（3.4，2，3.3），回风口为（x1，y1，z1）=（2.6，0，0），（x2，y2，z2）=（2.9，0，0.35））-1-c)散流器上送上回（送风口位置与（b）相同，回风口为（x1，y1，z1）=（2.6，0，2），（x2，y2，z2）=（2.9，0，2.35））d)散流器上送下回（病床对面）（送风口位置与（b）相同，回风口为（x1，y1，z1）=（2.6，3.4，2），（x2，y2，z2）=（2.9，3.4，2.35bacd图2模型房间风口位置示意图四、模拟计算结果及分析模拟所用的湍流模型为MIT零方程湍流模型[1]，采用清华大学建筑技术科学系自行开发的三维计算流体力学软件STACH-3进行计算。有关数值模型和算法的细节不再赘述，可参阅文献[2]。计算过程中发现，颗粒的浓度分布主要受送风形式的影响，粒径范围为1-5um时，不同粒径的颗粒同种送风形式下分布非常相近，下面仅以粒径为1微米的颗粒为例，比较各种送风形式下的颗粒浓度。将计算结果处理成无量纲的形式，公式如下：,,,,,,5000284317.0320.1186xyzinxyzxyzincoutinincccccccScccQ−−====×−−%（1）其中为进风口浓度，默认为0，个/s；Q为送风风量，；为颗粒源浓度，个/s。c为与颗粒浓度相对应的无量纲量。inc3m/scS%(1)关注病人呼吸区，以病床上0.3m水平截面观测结果，如图3所示。以病床中线（即为病人矩形中线）取点，做四种送风形式的曲线图为：（其中病床1中线为（x1，y1，z1）=（1.1，0，1），（x2，y2，z2）=（1.1，3.4，1）；其中病床2中线为（x1，y1，z1）=（3.5，0，1），（x2，y2，z2）=（3.5，3.4，1）。）-2-（2）关注医护人员呼吸区，以距地1.6m水平截面观测，示意如图5所示。取两病床间及两病床与墙之间的过道各点浓度作图，其中过道1为病床1与墙之间，过道2为两病床之间，3为病床2与墙之间。其中病床过道3为（x1，y1，z1）=（0.35，0，1.6），（x2，y2，z2）=（0.35，3.4，1.6）；过道2为（x1，y1，z1）=（2.35，0，1.6），（x2，y2，z2）=（2.35，3.4，1.6）；过道3为（x1，y1，z1）=（4.65，0，1.6），（x2，y2，z2）=（4.65，3.4，1.6）。由上各图可以看出，大多数区域上送上回病人呼吸区的要低于其他三种，之后依次为散流器送下回、散流器送上回及散流器送对回。从上图中可以看出，对病人1头部部分，上送上回的仅为其他三种一半左右；对于病人2头部部分，上送上回的波动较大，四种送风形式昀大值相近，但从平均水平来讲上送上回明显更低。散流器送风的三种送风形式，所取病床中线截面的值差别很小，且规律十分相近。图4病人呼吸区浓度曲线图-3-图3病人呼吸区水平截面观测位置示意图c%c%c%c%图5医护人员呼吸区水平截面观测位置示意图医护人员呼吸区水平截面病人呼吸区水平截面-4-可以得出与计算结果（1）相同的结论。在医护人员经常行走的过道中，仅在过道2存在1.6m至2m一段，上送上回的会偏高，甚至高于散流器送风形式下的。图7上送上回（左）散流器送下回（右）风场分布图c%图6医护人员呼吸区浓度曲线图（3）关注病人上部的空气流动情况c%可以看出，这两种情况下，室内的平均风速相差不大，而病人头部附近的风场却有十分显著的差别。对于上送上回来讲，病床1与2处于相同的回流区，经过病床1的风方向为斜上方，将病人1呼出的颗粒有效的带起；病床2在送风及热羽流的共同作用下，在上方形成较强的上升气流，将病人2呼出的颗粒有效的带起，与经过病床1的风混合，汇入室内总回风气流排出室外。而对于散流器送下回形式来讲，病床1与2处于方向相反的回流区中，且回风口在两病床之间，带有大量颗粒的风在回风动力的驱动下需要绕过整个病床才能排除室外，特别是病床2处斜向上的风速较高，夹带大量颗粒又无法及时排出室外，这也在一定称度上造成了室内颗粒浓度的偏高，而且病床1病人呼出的有害颗粒也有一部分被风压制而沉降在病人表面。（4）关注风口附近空气流动情况，示意如图8所示。过送风口剖面图8过送风口剖面示意图图9上送上回（左）散流器送下回（右）风场分布图上送上回送回风形式简单，送风量集中，形成较好的贴附射流，衰减慢。从风场图可看出，上送上回的形式由于送风量集中，送风速度偏大，会在室内形成比较完整的回流区，有较大的风速掠过地面，更易形成二次悬浮。而散流器送风时掠过地面风速较小，且掠过地面的风风速为从中间指向两边，颗粒再次悬浮的可能性小。同时，由于上送上回的送风形式送排风口同在上部，送入室内的干净冷风可能未经过充分换热等就排出室外，造成了能量的浪费，而散流器送入的风则可在室内充分循环。五、结论从上述计算及分析结果中可以得出，就颗粒在所取面上的分布来讲，昀低的为普通风口上送上回的送风形式，之后依次为散流器送下回的送风形式、散流器送上回的送风形式及散流器送对回的送风形式。后三种特别是散流器送上、下回的情况差别不大，规律也十分相近。c%c%普通风口上送上回的送风形式简单，送风量集中，会在室内形成完整的回流区，送风可有效的有害颗粒并能尽快排出室外。但更易形成二次悬浮。而散流器送下回的送风形式浓度也比较低，虽-5-然带走病人呼出的有害颗粒的能力等不如上送上回，但掠过地面的风速较低，不易形成二次悬浮。同时送入室内的干净冷风可经过充分循环，避免了能量的浪费，这也是优于上送上回的地方。因此可以得出结论，本算例中上送上回的送风形式室内颗粒浓度昀低，其次为散流器送下回的送风形式。综合来讲，这两种形式各有优点。但特别需要注意的是，模拟结果可能与实验存在一定差别，需要通过进一步进行实验来验证上述结果。参考文献[1]Chen,Q.andXu,W:Azero-equationturbulencemodelforindoorairflowsimulation.EnergyandBuildings1998;28(2):137-144[2]ZhaoB.,LiX.andYanQ.Asimplifiedsystemforindoorairflowsimulation.BuildingandEnvironment2003;38:543-552-6-