武漢大花山方艙醫(yī)院病床區(qū)環(huán)境改善模擬研究

王當(dāng)瑞 徐先港 郝爽 劉京 董建鍇 * 王春香

1 中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司

2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

3 寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

方艙醫(yī)院是利用既有建筑，在 最短時(shí)間內(nèi)，以 最小的成本建設(shè)和改造的臨時(shí)收治場(chǎng)所，在 新冠肺炎疫情的消滅阻擊中起到了重要作用。然而，由 于體育場(chǎng)館的層高和功能要求等影響，改 造后的方艙醫(yī)院存在熱分層，局 部流速較大的問(wèn)題。為了營(yíng)造方艙醫(yī)院內(nèi)部的負(fù)壓環(huán)境，門(mén) 縫需要承擔(dān) 20%的補(bǔ)風(fēng)量，這 給靠近門(mén)位置的患者造成了較大的吹風(fēng)感。此外，方艙醫(yī)院內(nèi)存在的熱分層及空氣流動(dòng)性差等特點(diǎn)不利于患者呼吸污染物、病 毒飛沫的有效排出，增 大了患者及醫(yī)務(wù)工作者的患病概率。一 些合理的氣流組織改進(jìn)措施，比如增設(shè)擋板，增 加排風(fēng)口等，可 以對(duì)方艙醫(yī)院內(nèi)的環(huán)境起到積極作用。

合理的氣流組織是營(yíng)造舒適健康室內(nèi)環(huán)境的前提，為 了改善局部環(huán)境內(nèi)的流場(chǎng)狀況，增 設(shè)擋板是行之有效的方法之一。楊柳[1]通過(guò)在地鐵列車(chē)車(chē)廂主風(fēng)道內(nèi)添加擋風(fēng)板，使 整個(gè)車(chē)廂內(nèi)的溫度梯度控制在3 ℃以?xún)?nèi)(24 ℃-27 ℃)，風(fēng) 速達(dá)到規(guī)范要求，提 高了風(fēng)道出風(fēng)均勻性和車(chē)廂內(nèi)氣流組織的合理性。郭長(zhǎng)勇[2]等通過(guò)在送風(fēng)口周?chē)釉O(shè)500 mm 擋板，增加了到達(dá)手術(shù)區(qū)高度的氣流速度，降 低了關(guān)鍵區(qū)溫度，提 高了熱舒適性與手術(shù)室空間的溫度均勻性。范昕杰[3]等 發(fā)現(xiàn)豎直擋板的加設(shè)能顯著提高機(jī)柜在進(jìn)風(fēng)面上的風(fēng)量的均勻性，對(duì)冷通道內(nèi)的速度流場(chǎng)有較大改善作用，能夠降低通道內(nèi)流速，修 正孔板出風(fēng)方向，在 較高溫度區(qū)的控制上作用顯著。

除增設(shè)擋板外，合 理設(shè)置送排風(fēng)口位置，也 是改善環(huán)境局部流場(chǎng)，提 高人員熱舒適感，增 大污染物排除效率的手段。周懷改[4]對(duì)機(jī)械通風(fēng)的數(shù)值模擬結(jié)果表明進(jìn)風(fēng)口位置會(huì)影響室內(nèi)污染物的濃度分布，當(dāng) 排風(fēng)口位置不變，進(jìn) 風(fēng)口位置下移時(shí)，可 以提高通風(fēng)效率，改 善室內(nèi)污染物排出的效果。敖永安[5]通 過(guò)對(duì)頂排和側(cè)排兩種排風(fēng)口設(shè)置位置的模擬分析，發(fā) 現(xiàn)靠近污染物散發(fā)處側(cè)排風(fēng)方案的衛(wèi)生間內(nèi)污染物濃度最低，具有最好的通風(fēng)效果。侯艷[6]等發(fā)現(xiàn)排風(fēng)口位置的設(shè)置影響污染物的擴(kuò)散方向，當(dāng) 進(jìn)排風(fēng)口位置的設(shè)置使室內(nèi)無(wú)回流無(wú)漩渦時(shí)，室 內(nèi)污染物可以較好的排出室外。李雪薇[7]等 通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)合理的送排風(fēng)口位置能夠有效的降低CO 濃度，滿(mǎn) 足人員的衛(wèi)生要求，排 風(fēng)口均勻布置在車(chē)庫(kù)頂部時(shí)效果較好。

為了改善方艙醫(yī)院內(nèi)部熱環(huán)境，提高空氣流動(dòng)性，增 大病毒污染物飛沫的排出概率，本 文對(duì)武漢江夏大花山方艙醫(yī)院 A 館病床區(qū)提出了增設(shè)擋板與局部排風(fēng)口的優(yōu)化方案，并 通過(guò)數(shù)值模擬方法，對(duì) 兩種增設(shè)擋板工況與一種增設(shè)排風(fēng)口工況進(jìn)行了模擬對(duì)比，分 析兩種措施的環(huán)境改善作用，為 以后的方艙醫(yī)院建設(shè)改造提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

1 物理模型

1.1 工程概況

武漢江夏大花山戶(hù)外運(yùn)動(dòng)中心 A 館地上一二兩層均為方艙醫(yī)院，A 館一層由“三區(qū)兩通道”（污染區(qū)、半污染區(qū)、清 潔區(qū)。醫(yī) 務(wù)人員通道、患 者通道）組 成。本 研究模擬對(duì)象為武漢江夏大花山方艙醫(yī)院 A 館一層病床區(qū)，大 花山方艙醫(yī)院A 館平面布局如圖1 所示。A 館一層病床區(qū)共設(shè)置273 張床位，6 個(gè)護(hù)士站，床 位之間不設(shè)置圍擋。改 造后，A 館一層病床區(qū)送風(fēng)系統(tǒng)采用全空氣系統(tǒng)，布 袋風(fēng)管送風(fēng)。布袋風(fēng)管開(kāi)孔方向?yàn)?:30 方向與 7:30 方向，在 模擬計(jì)算時(shí)將開(kāi)孔簡(jiǎn)化為15 mm 寬的條縫處理。原空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)口封閉，實(shí) 現(xiàn)全新風(fēng)運(yùn)行。排風(fēng)系統(tǒng)在原有防排煙系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，并 增設(shè)下排風(fēng)口與組合過(guò)濾器（粗效過(guò)濾器G4+中效過(guò)濾器 F8+高效過(guò)濾器 H13）[8]。此外，通 過(guò)在污染區(qū)內(nèi)設(shè)置空氣凈化器，來(lái) 凈化室內(nèi)空氣，延 長(zhǎng)過(guò)濾器的使用壽命。在每個(gè)病床上鋪設(shè)了電熱毯，并 在每8 位患者間設(shè)置一盞功率為 2000 W 的電油汀來(lái)保障患者的人體熱舒適。

圖1 大花山方艙醫(yī)院A 館一層平面布局圖

1.2 優(yōu)化方案

根據(jù)對(duì)大花山方艙醫(yī)院 A 館病床區(qū)的環(huán)境模擬發(fā)現(xiàn)，在 靠近兩側(cè)外門(mén)位置處患者的風(fēng)速較高，超 過(guò)了規(guī)范要求。在方艙醫(yī)院中心位置，存 在通風(fēng)死角區(qū)域，局部氣流速度過(guò)小，使污染物難以及時(shí)排出。為了提高患者的熱舒適性，改 善病床區(qū)的氣流組織，提 出了在靠近門(mén)位置的患者病床處設(shè)置擋板，在 病床區(qū)中部增設(shè)排風(fēng)口的環(huán)境優(yōu)化方案。根據(jù)方艙醫(yī)院門(mén)的尺寸及門(mén)與病床的距離，確 定擋板幾何尺寸為 1.94 m×2.00 m、4.00 m×1 .60 m 兩種方案。大花山方艙醫(yī)院擋板及局部排風(fēng)口安裝位置見(jiàn)圖2。

圖2 大花山方艙醫(yī)院擋板與局部排風(fēng)口位置

方案一：在 距離外墻2.50 m，距 離患者病床0.75 m處增設(shè)擋板，擋 板幾何尺寸為 1.94 m×2 .00 m（W×H）。沈向陽(yáng)[9]等發(fā)現(xiàn)擋板厚度對(duì)送風(fēng)均勻性及氣流組織影響不大，故 在設(shè)計(jì)方案中不會(huì)考慮擋板厚度所帶來(lái)的影響。

方案二：在 距離外墻 2.50 m，距 離患者病床0.75 m 處增設(shè)擋板，擋板幾何尺寸為 4.00 m×1 .60 m（W×H）。

方案三：在 方案二優(yōu)化的基礎(chǔ)上，在 方艙醫(yī)院中間位置，距離地面 0.10 m 高度處增設(shè) 2 個(gè)局部排風(fēng)口，排 風(fēng)口幾何尺寸為 0.8 m×0 .5 m（W×H），排 風(fēng)量為每個(gè)5000 m3/ h。

大花山方艙醫(yī)院A 館病床區(qū)、病床、護(hù)士站、風(fēng) 管、排 風(fēng)口、電 油汀等物理模型尺寸見(jiàn)表1。

表1 物理模型幾何尺寸

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 求解方法

基于連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程與能量守恒方程，建 立方艙醫(yī)院A 館一層病床區(qū)的數(shù)學(xué)模型。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍 流模型。求解器選用壓力基求解器。為減小微分方程低階格式產(chǎn)生的假擴(kuò)散誤差，導(dǎo) 致湍流計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確性，能 量方程、動(dòng) 量方程均采用二階迎風(fēng)離散格式。模型收斂指標(biāo)均保持默認(rèn)?？紤]到空氣溫度變化對(duì)密度產(chǎn)生的影響，采用Boussinesq 假設(shè)，忽略空氣內(nèi)部的粘性耗散以及壓強(qiáng)變化引起的變密度，僅 考慮由于空氣溫度的變化而產(chǎn)生的密度變化。因?yàn)楸敬文M為穩(wěn)態(tài)模擬，經(jīng) 初步計(jì)算得知人員和電熱毯散熱約52.9 kW，電油汀散熱約72 kW，根 據(jù)電氣專(zhuān)業(yè)提供的病房照明燈光散熱約6.7 kW，約 占總散熱量的 5%，燈 光散熱相對(duì)于其他熱源較小，因 此忽略燈光和手機(jī)等熱源。同時(shí)不考慮患者在方艙醫(yī)院內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的氣流干擾，僅 考慮因溫差引起的熱羽流效果。

2.2 邊界條件

經(jīng)改造后空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量為41000 m3/ h，根據(jù)風(fēng)量平衡，為 了維持污染區(qū)內(nèi)負(fù)壓的工作環(huán)境，必 然需要門(mén)縫的滲透進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)。由于送風(fēng)口面積已知，故可以通過(guò)設(shè)置送風(fēng)口風(fēng)速來(lái)確定送風(fēng)量。電熱毯的功率為 110 W，電 油汀的功率為 2000 W，人 員散熱以成年男子在20 ℃時(shí)的散熱量為標(biāo)準(zhǔn)，散 熱量為84 W。具 體計(jì)算模擬過(guò)程中所使用到的邊界條件見(jiàn)表2。

表2 數(shù)值模擬邊界條件參數(shù)設(shè)置

3 模擬結(jié)果分析

3.1 空間溫度場(chǎng)結(jié)果分析

考慮到患者口鼻呼吸帶高度，選 取y=1.6 m（模型規(guī)定y=0 m 處為地板）為 水平溫度觀測(cè)截面，見(jiàn) 圖 3。在無(wú)任何優(yōu)化措施的條件下，方 艙醫(yī)院內(nèi)部溫度分布存在明顯不均勻性，靠 近中心位置處的病床溫度較高，靠近門(mén)位置處的病床由于受到門(mén)縫冷風(fēng)滲透的影響而溫度較低。經(jīng)過(guò)設(shè)置擋板與增加局部排風(fēng)口后，方 艙醫(yī)院內(nèi)部的溫度分布不均勻性得到明顯改善。對(duì)比方案一與方案二，方 案二中較大面積的擋板對(duì)室內(nèi)溫度的提高效果較好，但 對(duì)室內(nèi)溫度均勻性的控制較差。對(duì)比方案二與方案三，增 設(shè)局部排風(fēng)口后會(huì)造成方艙醫(yī)院中間位置區(qū)域的高溫空氣的排出，使 空間溫度降低。由 圖3 與圖4 可以發(fā)現(xiàn)，上 述增設(shè)擋板與局部排風(fēng)口的優(yōu)化措施會(huì)造成方艙醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境溫度的升高。由圖 4 可知，1.0 m-2.0 m 高度處，方艙醫(yī)院內(nèi)部溫度提高了0-0.8 ℃。其原因是擋板位置的增設(shè)使門(mén)縫的滲透風(fēng)與兩側(cè)墻壁處的排風(fēng)口發(fā)生了氣流短路，滲 透冷風(fēng)未及時(shí)與空氣摻混換熱便通過(guò)排風(fēng)口排出。由于方艙醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)為全新風(fēng)運(yùn)行，空 間平均溫度的升高可以降低空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度，有 利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。

圖5 為方艙醫(yī)院內(nèi)部垂直截面溫度分布圖。三種優(yōu)化方案都有效改善了 0-2.0 m 高度處內(nèi)的溫度不均勻性，提高了方艙醫(yī)院病床區(qū)的平均溫度。但豎直方向依舊存在較大的垂直溫差，熱分層現(xiàn)象明顯。最大垂直溫差為 5.6 ℃，最 小垂直溫差為 4.8 ℃，過(guò) 大的垂直溫差會(huì)造成患者呼吸污染物的凝滯，形 成高濃度的水平污染物凝聚帶，不 利于患者呼吸污染物的及時(shí)排出。同時(shí)熱分層也會(huì)促進(jìn)患者病毒飛沫的擴(kuò)散，增 加患者間交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)[10]。

圖3 y=1.6 m 處溫度分布

圖4 不同高度處溫度分布

圖5 垂直溫度分布

3.2 空間流場(chǎng)結(jié)果分析

為了維持污染區(qū)負(fù)壓的設(shè)計(jì)要求，空 調(diào)送風(fēng)量占排風(fēng)量的 80%，其余 20%的送風(fēng)量由門(mén)縫滲透來(lái)完成。這一部分的門(mén)縫滲透風(fēng)量達(dá)8200 m3/ h，使 靠近門(mén)位置處產(chǎn)生了較大風(fēng)速，給患者造成了較大的吹風(fēng)感，局 部風(fēng)速最高達(dá)到1.0 m/s，如 圖6 中A 圖所示。此 外，在中間位置的呼吸帶高度處的局部風(fēng)速極小，存 在一通風(fēng)死角區(qū)域（圖 6-A 中黑框區(qū)域），患 者呼吸污染物容易堆積，造 成濃度的升高，長(zhǎng) 時(shí)間暴露于高濃度氣溶膠污染物的情況下增大了病毒經(jīng)氣溶膠傳播的風(fēng)險(xiǎn)[11]，危 害患者及醫(yī)務(wù)人員的健康。經(jīng) 過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，靠 近門(mén)位置處的風(fēng)速水平得到有效改善，患 者吹風(fēng)感得到有效緩解。對(duì)比方案一與方案二可知，方 案二對(duì)靠近門(mén)位置處風(fēng)速的控制效果較好。對(duì)比方案二與方案三，增 設(shè)局部排風(fēng)口后方艙醫(yī)院中間位置處的局部流場(chǎng)得到改善，一 定程度上解決了通風(fēng)死角區(qū)域的污染物堆積問(wèn)題。

圖6 y=1.6 m 處空氣流速分布

從圖7 中可以看出，增設(shè)擋板與局部排風(fēng)口均不能改善垂直高度上的流場(chǎng)狀態(tài)，布 袋風(fēng)管的吊裝高度較高，送 風(fēng)風(fēng)速較低，其 高溫送風(fēng)難以及時(shí)送至患者活動(dòng)區(qū)域。高溫空氣在空間頂部堆積一方面不利于系統(tǒng)節(jié)能，另 一方面使患者呼吸污染物和病毒飛沫在人員呼吸區(qū)發(fā)生凝滯，增 大了患者間交叉感染的概率和醫(yī)務(wù)人員的工作風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 垂直空氣流速分布

4 討論

通過(guò)對(duì)增設(shè)擋板及局部排風(fēng)口的優(yōu)化方案進(jìn)行模擬分析后發(fā)現(xiàn)，擋 板與局部排風(fēng)口相結(jié)合的方案對(duì)方艙醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境有著良好的改善效果。擋板在有效阻隔門(mén)縫滲透風(fēng)對(duì)相鄰患者帶來(lái)影響的同時(shí)提高了方艙醫(yī)院內(nèi)部平均溫度，有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。局部排風(fēng)口的設(shè)置緩解了通風(fēng)死角區(qū)域的低風(fēng)速，避 免了中央位置患者呼吸污染物的堆積。該研究確定了擋板及局部排風(fēng)口設(shè)置對(duì)方艙醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境改善的積極作用，為 未來(lái)方艙醫(yī)院的建設(shè)及環(huán)境改造提供了簡(jiǎn)單可行的設(shè)計(jì)方案，但 缺少對(duì)擋板與局部排風(fēng)口的尺寸及安裝位置的深入探索，熱 分層現(xiàn)象及空調(diào)送風(fēng)難以及時(shí)送至患者位置兩大問(wèn)題依舊沒(méi)有解決，需 要圍繞降低布袋風(fēng)管吊裝高度、改 變空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)溫度等方面繼續(xù)展開(kāi)研究。

方艙醫(yī)院在城市安全防護(hù)的作用是有目共睹的，其建設(shè)改造之迅速也被公眾認(rèn)可。在方艙醫(yī)院的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面上：送 回風(fēng)形式對(duì)病毒擴(kuò)散傳播特性的影響，系 統(tǒng)設(shè)計(jì)改造的靈活度，疫 情過(guò)后的系統(tǒng)消殺等仍需開(kāi)展進(jìn)一步研究。在房艙醫(yī)院的空調(diào)送風(fēng)參數(shù)的設(shè)計(jì)層面上：保證患者熱舒適的送風(fēng)溫度，保證患者周?chē)《竞侠頋舛鹊乃惋L(fēng)量，不 同房艙醫(yī)院建筑類(lèi)型的送風(fēng)參數(shù)選取等值得深入探索。

5 結(jié)論

1）擋板的設(shè)置可以有效降低靠近門(mén)位置處的較大滲風(fēng)風(fēng)速，緩 解患者的吹風(fēng)感問(wèn)題。同時(shí)，擋 板的設(shè)置提高了室內(nèi)的平均溫度，有 利于空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能。不同尺寸的擋板對(duì)于空間內(nèi)溫度與空氣流速影響較大，方案二中4 m×1 .6 m（W×H）的 擋板對(duì)內(nèi)部環(huán)境的改善效果較好。

2）局部排風(fēng)口的設(shè)置提高了通風(fēng)死角區(qū)域的局部流速，增 大了氣流不均勻性，更 有利于患者呼吸污染物的排出，與 擋板結(jié)合使用可以獲得更好的氣流組織改善效果。排風(fēng)口的設(shè)計(jì)尺寸、設(shè) 計(jì)排風(fēng)量、安 裝位置等影響因素值得后續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究。

3）溫 度分層造成的較大垂直溫差問(wèn)題依舊存在，耗能的同時(shí)造成污染物的堆積，增 大了患者間交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，給 患者的康復(fù)和醫(yī)務(wù)人員的安全工作帶來(lái)了阻礙。建議降低布袋風(fēng)管吊裝高度，降低空調(diào)送風(fēng)溫度，提 高空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量。