凌继红，于会洋，李 猛，邢金城，赵 越

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2.中国航天科工飞航技术研究院动力供应站，北京 100074)

气流组织对负压隔离病房排污效率的影响

凌继红1，于会洋1，李 猛1，邢金城1，赵 越2

(1.天津大学环境科学与工程学院，天津 300072；2.中国航天科工飞航技术研究院动力供应站，北京 100074)

实验研究了气流组织对负压隔离病房排污效率的影响．在病人口部散发SF6示踪气体，通过测量医护人员呼吸区域的污染物浓度，比较了8种气流组织的排污效率，并通过降低换气次数进行了节能研究．研究结果表明：在顶送风的送风方式中，排风口位于病人头顶效果较好；在矢流风口送风方式中，排风口位于病人床侧效果较好，且当换气次数分别降低到8次/h和6次/h时，对医护人员仍有较好的保护效果．

负压隔离病房；气流组织；换气次数

近几年来，经过空气或飞沫传播的传染性疾病(如SARS等)不仅严重危害着人们的生命安全，而且还造成了巨大的经济损失，并使人们心理产生了极大恐慌．作为救治患者的医院，一旦发生感染，则关系到更多的就诊患者和工作人员的安全．如何科学地建设负压隔离病房，以控制传染病的院内感染已成为目前普遍关注和急需解决的问题．隔离病房的目的就是保护工作人员和探访者不受病菌的感染．

对于负压隔离病房气流组织，国内外学者都进行了相关研究．Rydock[1]采用示踪气体法对负压隔离病房气流组织进行了研究，表明此方法非常适合医院隔离病房气流组织的研究．Colquhoun等[2]利用数值模拟方法对气流组织进行了模拟，但只涉及到了气流组织，没有涉及到污染物．Li等[3]通过在房间内表面散发污染物，研究了置换通风和混合通风的排污效果，结果表明两种气流方式的效果基本相同，污染源的位置则是最主要的因素．He等[4]利用实验和数值模拟方法对置换通风及混合通风两种气流组织进行了研究，结果表明从置于地面上的污染源看，置换通风的排污效率较混合通风的高．Kao等[5]对负压隔离病房的气流组织方式进行了CFD模拟研究，结果表明层流的流态对于病房内污染物的排除效率最高．Cheong等[6]利用实验和CFD数值模拟相结合的方法对负压隔离病房的3种气流组织形式及相应的污染物排除状况进行了研究，结果表明与顶送顶回相比，顶送侧下回、病床侧顶送风另一侧下回2种气流组织方式排污效率较高，最后一种气流组织形式排污效率最高．Tung等[7]研究了不同压差及换气次数下隔离病房内污染物分布，压差/换气次数组合效率从高到低依次为-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作为失踪气体，在3种气流组织下，研究了病人对医护人员的影响并用数值模拟方法进行了验证．

杨可[9]利用目前广泛应用的数值模拟方法，模拟计算了负压隔离病房内部气流流场以及污染源散发过程中的浓度场，对最佳换气次数影响的分析最终给出了合理化建议．唐喜庆等[10]分析了送风口的位置、形式、特性对负压隔离病房的气流组织的影响．发现采用顶送风侧下排风的气流组织形式的负压隔离病房中，推荐使用双层百叶送风口可以得到流态较好的气流组织，最大限度防止污染物外泄．冯昕等[11]就单人和双人病房各3种气流组织方案以及4种风口散流器的效果进行了数值模拟，结果表明在床边医护人员工作位置顶送、床内侧单回风口的方案在污染物排除时间、夏冬季污染物扩散高度方面效果最好．

对负压隔离病房的研究从未间断，但所研究的都是典型的排风方式，本文对气流组织形式提出了创新，研究了如何在较小的换气次数下达到较高的排污效率．希望可以在今后的负压隔离病房建设中得到实际应用．

1 实 验

1.1 病房布置

实验区域由缓冲间、负压隔离病房及洁净走廊组成，如图1所示．除洁净走廊外的实验区域尺寸为4.1,m×4.0,m×3.0,m．病房内设1个顶送风口(S1)，1个矢流送风口(S2)；2个排风口(E1，E2)位于侧墙下部．本实验设置了2个局部排风口，床侧局部排风口(E4)距地面高度为0.6,m，风口尺寸为500,mm× 300,mm，病人头顶局部排风口(E3)距地面高度为1.5,m，风口尺寸为500,mm×300,mm．

病房内一平躺人体模型(图2)置于病床上．模型身上缠绕低温电热线，散热量均为75,W，以模拟成年男子人体散热量．示踪气体从病人鼻孔处喷出，SF6流量为2,L/min．SF6的浓度通过多点采样仪器(INNOVA type 1312，测量精度为0.006×10-6)来测量，测量在稳定条件下进行，在示踪气体散发前，必须对房间进行自净．

图1 实验隔离病房示意Fig.1 Layout diagram of the experimental isolation room

图2 人体模型Fig.2 A thermal manikin

实验台设置了调节及自控装置，空调管道及末端安装了电动调节阀和密闭阀，使得病房换气次数在15次/h以内可任意调节，以满足本实验对换气次数的调节要求；气流组织方式也可以根据实验要求自由切换．房间温度保持在(22±1)℃，相对湿度保持在(50±5)%．

1.2 测点布置

图3 室内采样测点布置示意Fig.3 Positions of sampling points in the room

病房污染物浓度的采样测点布置如图3所示，测点1～3、测点5～7布置在床的两侧，高度为1.5,m，用来监测医护人员呼吸区域污染物浓度；测点4和测点8分别布置在顶送风口的正下方和门口的位置，高度Z均为1.5,m．

1.3 实验工况

针对几种气流组织，共有14个实验工况，通过开闭不同的送风口与排风口来切换工况，表1是不同工况的具体参数．

表1 实验工况Tab.1 Experimental conditions

1.4 评价指标

本文采用局部空气质量指数εp和排污效率εe[8，12]来评价气流组织的排污效率，εp表示测点处通风系统除污的能力大小，εe表示通风系统通风效率的大小．

式中：φR为排风口污染物体积分数，10-6；φp为测点体积分数，10-6；φS为送风口污染物体积分数，10-6；φe为病房内污染物平均体积分数，10-6．

由于空调系统采用全新风运行，送风口处污染物体积分数为0，因此

均方差SD[13]表示测点体积分数和平均体积分数之间的波动程度，其计算式为

2 实验结果

2.1 气流组织对排污效率影响

14个实验工况被分成了3组，如表1所示．第1组实验的换气次数均为12,次/h，病房与缓冲间的压差为-10,Pa．8种气流组织下实验结果如表2和表3所示．

表2 顶送风不同排风方式下实验结果Tab.2 Results of different exhaust locations withsupply vent in the center of ceiling

表3 矢流风口送风不同排风方式实验结果Tab.3 Results of different exhaust location with supply diffuser of quarter-cylinder shape

由表2可知，新鲜空气由屋顶风口送入时，采用病人头顶排风的污染物平均体积分数为0.32×10-6，较其他排风方式低，而且排污效率(εe=4.94)也是最高的.

当新鲜空气由矢流风口送入时，采用病人头侧面排风的污染物平均体积分数为0.38×10-6(表3)，排污效率为4.21，远高于其他排风方式．

与全室平均污染物浓度相比，呼吸高度的污染物浓度对保护医护人员的安全更为重要．在12,次/h的换气次数条件下，病房污染物浓度场达到稳态时，比较8种气流组织方式的医护人员呼吸区域(Z= 1.5,m)的浓度分布．

图5(a)为顶送风与4种排风组合形式下，室内各测点污染物的浓度分布，可以看出，在顶送风病人头顶排风的方式下，医护人员呼吸区域所有测点(测点1～3和测点5～7)的浓度都较低，且波动较小；图5(b)为矢流风口送风与4种排风组合形式下，室内各测点污染物的浓度分布，可以看出，在采用矢流风口送风、病人头侧排风时，医护人员呼吸区域所有测点的浓度是最低的．

图5 各测点污染物体积分数曲线Fig.5 Concentration profile of every position

图6 是8种气流组织在12次/h的换气次数下，各个测点的局部空气质量指数．图6(a)显示结果表明，在顶送风、病人头顶排风方式下，各测点的局部空气质量指数最大；图6(b)则表明在矢流风口送风、病人头侧排风方式下，各测点的局部空气质量指数最大．

结果表明，采用顶送风时，局部顶排对医护人员及访客的保护效果较好、排污效率最高；当采用矢流风口送风时，局部侧排对医护人员及访客的保护效果最好，排污效率也最高．

从表2、表3及图6可以看出，通风效率最高的是顶送风/局部顶排风，以下依次为顶送风/局部侧排风、矢流风口送风/局部侧排风、矢流风口送风/局部顶排风、矢流风口送风/两侧下排风、矢流风口送风/单侧下排风、顶送风/两侧下排风、顶送风/单侧下排风．

图6 局部空气质量指数Fig.6 Local air quality index

2.2 换气次数对排污效率的影响

目前，隔离病房普遍采用的气流组织方式为顶送风口加2个侧下排风口的方式(即工况1下的气流组织形式)，而图5表明，在12次/h的换气次数条件下，采用顶送风、病人头顶排风和矢流风口送风、病人头侧排风两种气流组织，室内污染物浓度更低．鉴于此，选取这两种方式，降低换气次数至10次/h、8次/h与6次/h，观察各测点污染物浓度的变化，并与顶送风侧下回在换气次数为12次/h条件下污染物浓度相比较，比值如图7所示，研究其排污效率与换气次数的关系．图中A为不同工况下，各个测点的浓度与工况1下各个测点浓度的比值．

对于顶送风，其排污效率与换气次数成正比(见表4)；病房内各测点污染物浓度随着换气次数的减小而逐渐增大(图7(a))，且换气次数降低到8,次/h时，医护人员呼吸区域的浓度仍远小于工况1下的各测点浓度，说明此气流组织在8,次/h下，对医护人员仍起到了较好的保护作用．

对于矢流风口送风方式，其排污效率在8,次/h下达到最大(表4)，但排污效率的变化较小．如图7(b)所示，医护人员呼吸区域各测点的污染物浓度随换气次数降低而增大，但波动范围较小，且当换气次数降低到6,次/h时，其浓度仍远低于工况1下呼吸区域的测点浓度，说明当采用矢流风口送风，病人头侧面排风时，即使换气次数降低到6,次/h时，对医护人员仍有较好的保护效果．

图7 不同换气次数下各测点污染物浓度分布Fig.7 Concentration profile of every position with different air change rates

表4 不同送风形式的结果对比Tab.4 Contrast of different supply ventilations

表4中的数据表明，与顶送风方式相比，采用矢流风口送风的气流组织形式，室内污染物浓度均值更低，波动更小，排污效率更高．由此得出矢流风口送风形式在室内污染物分布均匀性上比顶送风形式好，室内气流流态均匀稳定．

利用CFD模拟计算，对比医护人员活动区域剖面两种送风方式的流场如图8所示，通过观察、分析流场可以看出：矢流风口送风方式的流线近于单向流，均匀性较好，速度比顶送风方式小；顶送风口的射流区风速较大，周边区存在涡流，周边区与主流区的速度差异较大．由此看出矢流风口送风形式在室内污染物分布均匀性上比顶送风形式好，室内气流流态均匀稳定．

图8 医护人员活动区域流场Fig.8Flow patterns in the working area ofhealthcare worker

3 结 论

(1) 8种气流组织方式的排污效率由高到低依次为顶送风/局部顶排风、顶送风/局部侧排风、矢流风口送风/局部侧排风、矢流风口送风/局部顶排风、矢流风口送风/两侧下排风、矢流风口送风/单侧下排风、顶送风/两侧下排风、顶送风/单侧下排风，所以顶送风/局部顶排风的气流为最佳的气流组织．

(2) 对于顶送风的气流组织中，病人头顶排风的方式下，医护人员呼吸区域污染物浓度最低．此种气流组织对医护人员的保护效果最好．但局部顶排风口距病人头部比较近，会使病人感觉不舒服．

(3) 采用顶送风、病人头顶排风的气流组织时，医护人员呼吸区域浓度随换气次数降低而升高，排污效率随换气次数降低而降低；当换气次数降低到8,次/h时，医护人员呼吸区域污染物浓度仍低于典型气流组织下的测点浓度．说明采用此种气流组织更有利于隔离病房的节能．

(4) 对于矢流风口送风的气流组织，病人头侧排风的方式下，医护人员呼吸区域污染物浓度最低．此种气流组织对医护人员的保护效果最好．

(5) 采用矢流风口送风、病人头侧排风的气流组织时，医护人员呼吸区域浓度随换气次数降低而升高，但波动范围较小，排污效率变化也不大，当换气次数降低到6,次/h时，医护人员呼吸区域污染物浓度仍低于典型气流组织下的测点浓度，此气流组织方式对医护人员的保护效果更好．

(6) 与顶送风相比，在矢流风口送风下，室内污染物浓度更低，气流均匀性较好，且受换气次数影响更小．

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(责任编辑：金顺爱)

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.

天津大学自主创新基金资助项目.

凌继红（1971— ），女，博士，副教授．

凌继红，jihongling@126.com．