氣流組織對(duì)負(fù)壓隔離病房排污效率的影響

凌繼紅，于會(huì)洋，李 猛，邢金城，趙 越

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院動(dòng)力供應(yīng)站，北京 100074)

氣流組織對(duì)負(fù)壓隔離病房排污效率的影響

凌繼紅1，于會(huì)洋1，李 猛1，邢金城1，趙 越2

(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院動(dòng)力供應(yīng)站，北京 100074)

實(shí)驗(yàn)研究了氣流組織對(duì)負(fù)壓隔離病房排污效率的影響．在病人口部散發(fā)SF6示蹤氣體，通過(guò)測(cè)量醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的污染物濃度，比較了8種氣流組織的排污效率，并通過(guò)降低換氣次數(shù)進(jìn)行了節(jié)能研究．研究結(jié)果表明：在頂送風(fēng)的送風(fēng)方式中，排風(fēng)口位于病人頭頂效果較好；在矢流風(fēng)口送風(fēng)方式中，排風(fēng)口位于病人床側(cè)效果較好，且當(dāng)換氣次數(shù)分別降低到8次/h和6次/h時(shí)，對(duì)醫(yī)護(hù)人員仍有較好的保護(hù)效果．

負(fù)壓隔離病房；氣流組織；換氣次數(shù)

近幾年來(lái)，經(jīng)過(guò)空氣或飛沫傳播的傳染性疾病(如SARS等)不僅嚴(yán)重危害著人們的生命安全，而且還造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并使人們心理產(chǎn)生了極大恐慌．作為救治患者的醫(yī)院，一旦發(fā)生感染，則關(guān)系到更多的就診患者和工作人員的安全．如何科學(xué)地建設(shè)負(fù)壓隔離病房，以控制傳染病的院內(nèi)感染已成為目前普遍關(guān)注和急需解決的問(wèn)題．隔離病房的目的就是保護(hù)工作人員和探訪者不受病菌的感染．

對(duì)于負(fù)壓隔離病房氣流組織，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)研究．Rydock[1]采用示蹤氣體法對(duì)負(fù)壓隔離病房氣流組織進(jìn)行了研究，表明此方法非常適合醫(yī)院隔離病房氣流組織的研究．Colquhoun等[2]利用數(shù)值模擬方法對(duì)氣流組織進(jìn)行了模擬，但只涉及到了氣流組織，沒(méi)有涉及到污染物．Li等[3]通過(guò)在房間內(nèi)表面散發(fā)污染物，研究了置換通風(fēng)和混合通風(fēng)的排污效果，結(jié)果表明兩種氣流方式的效果基本相同，污染源的位置則是最主要的因素．He等[4]利用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)置換通風(fēng)及混合通風(fēng)兩種氣流組織進(jìn)行了研究，結(jié)果表明從置于地面上的污染源看，置換通風(fēng)的排污效率較混合通風(fēng)的高．Kao等[5]對(duì)負(fù)壓隔離病房的氣流組織方式進(jìn)行了CFD模擬研究，結(jié)果表明層流的流態(tài)對(duì)于病房?jī)?nèi)污染物的排除效率最高．Cheong等[6]利用實(shí)驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)負(fù)壓隔離病房的3種氣流組織形式及相應(yīng)的污染物排除狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明與頂送頂回相比，頂送側(cè)下回、病床側(cè)頂送風(fēng)另一側(cè)下回2種氣流組織方式排污效率較高，最后一種氣流組織形式排污效率最高．Tung等[7]研究了不同壓差及換氣次數(shù)下隔離病房?jī)?nèi)污染物分布，壓差/換氣次數(shù)組合效率從高到低依次為-15.0,Pa/(24,h-1)，-8.0,Pa/(24,h-1)，-5.0,Pa/(24,h-1)，-2.5 Pa/(24,h-1)，-8.0,Pa/ (12,h-1)，-5.0,Pa/(12,h-1)，-2.5 Pa/(12,h-1)．

Qian等[8]利用NO2作為失蹤氣體，在3種氣流組織下，研究了病人對(duì)醫(yī)護(hù)人員的影響并用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證．

楊可[9]利用目前廣泛應(yīng)用的數(shù)值模擬方法，模擬計(jì)算了負(fù)壓隔離病房?jī)?nèi)部氣流流場(chǎng)以及污染源散發(fā)過(guò)程中的濃度場(chǎng)，對(duì)最佳換氣次數(shù)影響的分析最終給出了合理化建議．唐喜慶等[10]分析了送風(fēng)口的位置、形式、特性對(duì)負(fù)壓隔離病房的氣流組織的影響．發(fā)現(xiàn)采用頂送風(fēng)側(cè)下排風(fēng)的氣流組織形式的負(fù)壓隔離病房中，推薦使用雙層百葉送風(fēng)口可以得到流態(tài)較好的氣流組織，最大限度防止污染物外泄．馮昕等[11]就單人和雙人病房各3種氣流組織方案以及4種風(fēng)口散流器的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在床邊醫(yī)護(hù)人員工作位置頂送、床內(nèi)側(cè)單回風(fēng)口的方案在污染物排除時(shí)間、夏冬季污染物擴(kuò)散高度方面效果最好．

對(duì)負(fù)壓隔離病房的研究從未間斷，但所研究的都是典型的排風(fēng)方式，本文對(duì)氣流組織形式提出了創(chuàng)新，研究了如何在較小的換氣次數(shù)下達(dá)到較高的排污效率．希望可以在今后的負(fù)壓隔離病房建設(shè)中得到實(shí)際應(yīng)用．

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 病房布置

實(shí)驗(yàn)區(qū)域由緩沖間、負(fù)壓隔離病房及潔凈走廊組成，如圖1所示．除潔凈走廊外的實(shí)驗(yàn)區(qū)域尺寸為4.1,m×4.0,m×3.0,m．病房?jī)?nèi)設(shè)1個(gè)頂送風(fēng)口(S1)，1個(gè)矢流送風(fēng)口(S2)；2個(gè)排風(fēng)口(E1，E2)位于側(cè)墻下部．本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)局部排風(fēng)口，床側(cè)局部排風(fēng)口(E4)距地面高度為0.6,m，風(fēng)口尺寸為500,mm× 300,mm，病人頭頂局部排風(fēng)口(E3)距地面高度為1.5,m，風(fēng)口尺寸為500,mm×300,mm．

病房?jī)?nèi)一平躺人體模型(圖2)置于病床上．模型身上纏繞低溫電熱線，散熱量均為75,W，以模擬成年男子人體散熱量．示蹤氣體從病人鼻孔處噴出，SF6流量為2,L/min．SF6的濃度通過(guò)多點(diǎn)采樣儀器(INNOVA type 1312，測(cè)量精度為0.006×10-6)來(lái)測(cè)量，測(cè)量在穩(wěn)定條件下進(jìn)行，在示蹤氣體散發(fā)前，必須對(duì)房間進(jìn)行自凈．

圖1 實(shí)驗(yàn)隔離病房示意Fig.1 Layout diagram of the experimental isolation room

圖2 人體模型Fig.2 A thermal manikin

實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置了調(diào)節(jié)及自控裝置，空調(diào)管道及末端安裝了電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和密閉閥，使得病房換氣次數(shù)在15次/h以內(nèi)可任意調(diào)節(jié)，以滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)換氣次數(shù)的調(diào)節(jié)要求；氣流組織方式也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求自由切換．房間溫度保持在(22±1)℃，相對(duì)濕度保持在(50±5)%．

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

圖3 室內(nèi)采樣測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.3 Positions of sampling points in the room

病房污染物濃度的采樣測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，測(cè)點(diǎn)1～3、測(cè)點(diǎn)5～7布置在床的兩側(cè)，高度為1.5,m，用來(lái)監(jiān)測(cè)醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域污染物濃度；測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)8分別布置在頂送風(fēng)口的正下方和門(mén)口的位置，高度Z均為1.5,m．

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

針對(duì)幾種氣流組織，共有14個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，通過(guò)開(kāi)閉不同的送風(fēng)口與排風(fēng)口來(lái)切換工況，表1是不同工況的具體參數(shù)．

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experimental conditions

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用局部空氣質(zhì)量指數(shù)εp和排污效率εe[8，12]來(lái)評(píng)價(jià)氣流組織的排污效率，εp表示測(cè)點(diǎn)處通風(fēng)系統(tǒng)除污的能力大小，εe表示通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效率的大?。?/p>

式中：φR為排風(fēng)口污染物體積分?jǐn)?shù)，10-6；φp為測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)，10-6；φS為送風(fēng)口污染物體積分?jǐn)?shù)，10-6；φe為病房?jī)?nèi)污染物平均體積分?jǐn)?shù)，10-6．

由于空調(diào)系統(tǒng)采用全新風(fēng)運(yùn)行，送風(fēng)口處污染物體積分?jǐn)?shù)為0，因此

均方差SD[13]表示測(cè)點(diǎn)體積分?jǐn)?shù)和平均體積分?jǐn)?shù)之間的波動(dòng)程度，其計(jì)算式為

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 氣流組織對(duì)排污效率影響

14個(gè)實(shí)驗(yàn)工況被分成了3組，如表1所示．第1組實(shí)驗(yàn)的換氣次數(shù)均為12,次/h，病房與緩沖間的壓差為-10,Pa．8種氣流組織下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2和表3所示．

表2 頂送風(fēng)不同排風(fēng)方式下實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of different exhaust locations withsupply vent in the center of ceiling

表3 矢流風(fēng)口送風(fēng)不同排風(fēng)方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of different exhaust location with supply diffuser of quarter-cylinder shape

由表2可知，新鮮空氣由屋頂風(fēng)口送入時(shí)，采用病人頭頂排風(fēng)的污染物平均體積分?jǐn)?shù)為0.32×10-6，較其他排風(fēng)方式低，而且排污效率(εe=4.94)也是最高的.

當(dāng)新鮮空氣由矢流風(fēng)口送入時(shí)，采用病人頭側(cè)面排風(fēng)的污染物平均體積分?jǐn)?shù)為0.38×10-6(表3)，排污效率為4.21，遠(yuǎn)高于其他排風(fēng)方式．

與全室平均污染物濃度相比，呼吸高度的污染物濃度對(duì)保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的安全更為重要．在12,次/h的換氣次數(shù)條件下，病房污染物濃度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，比較8種氣流組織方式的醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域(Z= 1.5,m)的濃度分布．

圖5(a)為頂送風(fēng)與4種排風(fēng)組合形式下，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)污染物的濃度分布，可以看出，在頂送風(fēng)病人頭頂排風(fēng)的方式下，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域所有測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1～3和測(cè)點(diǎn)5～7)的濃度都較低，且波動(dòng)較?。粓D5(b)為矢流風(fēng)口送風(fēng)與4種排風(fēng)組合形式下，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)污染物的濃度分布，可以看出，在采用矢流風(fēng)口送風(fēng)、病人頭側(cè)排風(fēng)時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域所有測(cè)點(diǎn)的濃度是最低的．

圖5 各測(cè)點(diǎn)污染物體積分?jǐn)?shù)曲線Fig.5 Concentration profile of every position

圖6 是8種氣流組織在12次/h的換氣次數(shù)下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的局部空氣質(zhì)量指數(shù)．圖6(a)顯示結(jié)果表明，在頂送風(fēng)、病人頭頂排風(fēng)方式下，各測(cè)點(diǎn)的局部空氣質(zhì)量指數(shù)最大；圖6(b)則表明在矢流風(fēng)口送風(fēng)、病人頭側(cè)排風(fēng)方式下，各測(cè)點(diǎn)的局部空氣質(zhì)量指數(shù)最大．

結(jié)果表明，采用頂送風(fēng)時(shí)，局部頂排對(duì)醫(yī)護(hù)人員及訪客的保護(hù)效果較好、排污效率最高；當(dāng)采用矢流風(fēng)口送風(fēng)時(shí)，局部側(cè)排對(duì)醫(yī)護(hù)人員及訪客的保護(hù)效果最好，排污效率也最高．

從表2、表3及圖6可以看出，通風(fēng)效率最高的是頂送風(fēng)/局部頂排風(fēng)，以下依次為頂送風(fēng)/局部側(cè)排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/局部側(cè)排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/局部頂排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/兩側(cè)下排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/單側(cè)下排風(fēng)、頂送風(fēng)/兩側(cè)下排風(fēng)、頂送風(fēng)/單側(cè)下排風(fēng)．

圖6 局部空氣質(zhì)量指數(shù)Fig.6 Local air quality index

2.2 換氣次數(shù)對(duì)排污效率的影響

目前，隔離病房普遍采用的氣流組織方式為頂送風(fēng)口加2個(gè)側(cè)下排風(fēng)口的方式(即工況1下的氣流組織形式)，而圖5表明，在12次/h的換氣次數(shù)條件下，采用頂送風(fēng)、病人頭頂排風(fēng)和矢流風(fēng)口送風(fēng)、病人頭側(cè)排風(fēng)兩種氣流組織，室內(nèi)污染物濃度更低．鑒于此，選取這兩種方式，降低換氣次數(shù)至10次/h、8次/h與6次/h，觀察各測(cè)點(diǎn)污染物濃度的變化，并與頂送風(fēng)側(cè)下回在換氣次數(shù)為12次/h條件下污染物濃度相比較，比值如圖7所示，研究其排污效率與換氣次數(shù)的關(guān)系．圖中A為不同工況下，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的濃度與工況1下各個(gè)測(cè)點(diǎn)濃度的比值．

對(duì)于頂送風(fēng)，其排污效率與換氣次數(shù)成正比(見(jiàn)表4)；病房?jī)?nèi)各測(cè)點(diǎn)污染物濃度隨著換氣次數(shù)的減小而逐漸增大(圖7(a))，且換氣次數(shù)降低到8,次/h時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的濃度仍遠(yuǎn)小于工況1下的各測(cè)點(diǎn)濃度，說(shuō)明此氣流組織在8,次/h下，對(duì)醫(yī)護(hù)人員仍起到了較好的保護(hù)作用．

對(duì)于矢流風(fēng)口送風(fēng)方式，其排污效率在8,次/h下達(dá)到最大(表4)，但排污效率的變化較?。鐖D7(b)所示，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域各測(cè)點(diǎn)的污染物濃度隨換氣次數(shù)降低而增大，但波動(dòng)范圍較小，且當(dāng)換氣次數(shù)降低到6,次/h時(shí)，其濃度仍遠(yuǎn)低于工況1下呼吸區(qū)域的測(cè)點(diǎn)濃度，說(shuō)明當(dāng)采用矢流風(fēng)口送風(fēng)，病人頭側(cè)面排風(fēng)時(shí)，即使換氣次數(shù)降低到6,次/h時(shí)，對(duì)醫(yī)護(hù)人員仍有較好的保護(hù)效果．

圖7 不同換氣次數(shù)下各測(cè)點(diǎn)污染物濃度分布Fig.7 Concentration profile of every position with different air change rates

表4 不同送風(fēng)形式的結(jié)果對(duì)比Tab.4 Contrast of different supply ventilations

表4中的數(shù)據(jù)表明，與頂送風(fēng)方式相比，采用矢流風(fēng)口送風(fēng)的氣流組織形式，室內(nèi)污染物濃度均值更低，波動(dòng)更小，排污效率更高．由此得出矢流風(fēng)口送風(fēng)形式在室內(nèi)污染物分布均勻性上比頂送風(fēng)形式好，室內(nèi)氣流流態(tài)均勻穩(wěn)定．

利用CFD模擬計(jì)算，對(duì)比醫(yī)護(hù)人員活動(dòng)區(qū)域剖面兩種送風(fēng)方式的流場(chǎng)如圖8所示，通過(guò)觀察、分析流場(chǎng)可以看出：矢流風(fēng)口送風(fēng)方式的流線近于單向流，均勻性較好，速度比頂送風(fēng)方式?。豁斔惋L(fēng)口的射流區(qū)風(fēng)速較大，周邊區(qū)存在渦流，周邊區(qū)與主流區(qū)的速度差異較大．由此看出矢流風(fēng)口送風(fēng)形式在室內(nèi)污染物分布均勻性上比頂送風(fēng)形式好，室內(nèi)氣流流態(tài)均勻穩(wěn)定．

圖8 醫(yī)護(hù)人員活動(dòng)區(qū)域流場(chǎng)Fig.8Flow patterns in the working area ofhealthcare worker

3 結(jié) 論

(1) 8種氣流組織方式的排污效率由高到低依次為頂送風(fēng)/局部頂排風(fēng)、頂送風(fēng)/局部側(cè)排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/局部側(cè)排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/局部頂排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/兩側(cè)下排風(fēng)、矢流風(fēng)口送風(fēng)/單側(cè)下排風(fēng)、頂送風(fēng)/兩側(cè)下排風(fēng)、頂送風(fēng)/單側(cè)下排風(fēng)，所以頂送風(fēng)/局部頂排風(fēng)的氣流為最佳的氣流組織．

(2) 對(duì)于頂送風(fēng)的氣流組織中，病人頭頂排風(fēng)的方式下，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域污染物濃度最低．此種氣流組織對(duì)醫(yī)護(hù)人員的保護(hù)效果最好．但局部頂排風(fēng)口距病人頭部比較近，會(huì)使病人感覺(jué)不舒服．

(3) 采用頂送風(fēng)、病人頭頂排風(fēng)的氣流組織時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域濃度隨換氣次數(shù)降低而升高，排污效率隨換氣次數(shù)降低而降低；當(dāng)換氣次數(shù)降低到8,次/h時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域污染物濃度仍低于典型氣流組織下的測(cè)點(diǎn)濃度．說(shuō)明采用此種氣流組織更有利于隔離病房的節(jié)能．

(4) 對(duì)于矢流風(fēng)口送風(fēng)的氣流組織，病人頭側(cè)排風(fēng)的方式下，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域污染物濃度最低．此種氣流組織對(duì)醫(yī)護(hù)人員的保護(hù)效果最好．

(5) 采用矢流風(fēng)口送風(fēng)、病人頭側(cè)排風(fēng)的氣流組織時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域濃度隨換氣次數(shù)降低而升高，但波動(dòng)范圍較小，排污效率變化也不大，當(dāng)換氣次數(shù)降低到6,次/h時(shí)，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域污染物濃度仍低于典型氣流組織下的測(cè)點(diǎn)濃度，此氣流組織方式對(duì)醫(yī)護(hù)人員的保護(hù)效果更好．

(6) 與頂送風(fēng)相比，在矢流風(fēng)口送風(fēng)下，室內(nèi)污染物濃度更低，氣流均勻性較好，且受換氣次數(shù)影響更小．

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(責(zé)任編輯：金順愛(ài))

Effects of Air Flow Distribution on Contaminant Removal Efficiency in an Infectious Isolation Room

Ling Jihong1，Yu Huiyang1，Li Meng1，Xing Jincheng1，Zhao Yue2
(1. School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. The Power Supply Station of CASIC Cruise Technology Academy，Beijing 100074，China)

The effects of air flow distribution on contaminant removal efficiency in an infectious isolation room are studied. Experiments are conducted on eight air patterns. The contaminant concentration in the breathing area of healthcare worker is researched by tracking the hypothetical contaminant (sulfur hexafluoride, SF6) emitted from the isolation room with different air flow distributions. The energy saved is analyzed by reducing air change rate (ACH). The results show that two air patterns are better than the others. One is the air inlet with local exhaust hood on the top of patient, and the other is the vector-flow inlet with local exhaust hood at the profile of patient. When the air change rate is reduced to 8 times per hour or 6 times per hour, the protection of healthcare worker can still be guaranteed.

infectious isolation room；air flow distribution；air change rate

TU834.31

A

0493-2137(2014)02-0174-06

10.11784/tdxbz201206039

2012-06-19；

2012-09-21.

天津大學(xué)自主創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目.

凌繼紅（1971— ），女，博士，副教授．

凌繼紅，jihongling@126.com．