李梦雪 刘刚 赵红霞 解紫茹

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

在我国医院感染中，呼吸道感染的发病率居首位[1]，且研究表明大部分致病微生物都可以通过空气传播的方式造成呼吸道感染[2]。当健康人吸入含有一定剂量致病菌的飞沫时，便极易被传染疾病。患者在就诊过程中，致病菌随患者进行呼吸活动时产生的飞沫由口、鼻释放到空气中，粒径较大的飞沫能够快速沉降，而粒径较小的飞沫则会蒸发形成飞沫核悬浮在空气中[3]，医护人员长期暴露在这样的环境之中，有较大的感染风险。因为诊室内有患者和医生长时间停留，因此飞沫传播造成的感染问题不容忽视。

在考虑了《综合医院建筑设计规范》（GB 51039-2014）对医院门诊楼回风口的过滤设备提出的要求[4]。验证了用CO2气体替代飞沫气溶胶颗粒，讨论微生物污染物在诊室内分布规律可行性的基础上，本文以采用侧送下回通风方式的呼吸科诊室为研究对象，对患者进行呼吸活动（交谈）产生的微生物污染物的分布特性进行数值模拟分析。

1 数值模拟方法

1.1 物理模型

本研究选取几何尺寸为长（X）×高（Y）×宽（Z）=4 m×2.5 m×3.2 m 的呼吸科诊室作为研究模型。空调通风方式采用风机盘管侧送下回，送、回风口几何尺寸分别为长（X）×高（Y）=0.2 m×0.1 m、长（X）×高（Y）=0.2 m×0.2 m。诊室内有医生、患者及家属三人，患者口部的几何尺寸为高（Y）×宽（Z）=0.02 m×0.02 m。办公桌的几何尺寸为长（X）×高（Y）×宽（Z）=1.4 m×0.7 m×0.76 m。诊室门关闭，新风量通过门缝渗出。诊室基本结构及布置如图1、2 所示。

图1 诊室几何模型及平面布置示意图

图2 诊室平面布置及监测点位置示意图

1.2 数值模拟方法

本文采用Fluent 软件对诊室内飞沫气溶胶颗粒和CO2示踪气体的分布进行数值模拟。室内气流的流动采用基于N-S 方程组的RNG k-ε 湍流模型进行模拟，数学模型控制方程包括：连续方程、动量方程、能量方程、湍动能k 方程、耗散率ε 方程，其具体通用的表达式为[5]：

对带有CO2释放源的模型，采用化学组分传输方程。颗粒的分布采用Lagrange 法进行模拟，通过求解颗粒的力平衡方程得到其速度，再对时间积分得到其运动轨迹。采用离散相模型模拟气流中飞沫气溶胶颗粒的运动轨迹时，主要考虑颗粒受拖拽力，重力和布朗力的作用[6]，单个颗粒在i 方向的力平衡方程为[7]：

式中：upi表示颗粒在i 方向上的速度；Fd表示拖拽力；Fg表示重力；Fai表示其他外力。

1.3 边界条件及模拟工况

CFD 数值模拟中，边界条件的设置对结果的准确性有很大影响。本文中灯具的散热量取值为50 W/盏，经校核符合医院建筑照明功率密度限值5 W/m2的规定[4]。人体散热量取值为60 W[8]。冬、夏季设计温度分别为22 ℃和26 ℃，新风量取值为2 次换气次数，经气流组织计算求得送风温度分别为27 ℃和18 ℃。患者口部呼出病毒颗粒粒径为1 μm，释放率0.077 μg/s，温度与呼出气体的温度相同[9]，CO2气体以同样的方式释放。《综合医院建筑设计规范》要求：医院门诊楼回风口必须设置微生物一次通过率不大于10%和颗粒物一次计重通过率不大于5%的过滤设备[4]，由《空气过滤器》查得，满足该要求的中效一级过滤器对大于0.5 μm 的微粒的过滤效率为60%～70%[10]。由此本文设置回风口过滤效率为65%，在送、回风口之间处通过UDF 功能来体现回风口的过滤效果。具体设置如表1所示。

表1 边界条件

本文的模拟工况包括：工况1（对比工况）-冬季送风，患者口部为颗粒释放源。工况2-冬季送风，患者口部为CO2气体释放源。工况3-夏季送风，患者口部为CO2气体释放源。

2 模拟结果分析与讨论

2.1 气体污染物与飞沫颗粒污染物分布特性的模拟对比结果

国内外部分学者采用气体代替飞沫进行污染物分布的研究，嵇赟喆等人比较了负压隔离病房内颗粒污染物分布和CO2气体分布的相似性[11]，考虑到患者保持不同姿势时污染源状况发生变化，污染物分布也会随之变化，因此本文以冬季工况为例验证诊室内CO2气体代替飞沫污染物的可行性。经过CFD 数值模拟，两者浓度分布规律基本一致，图3 是由患者口部释放的部分颗粒的运动轨迹图，CO2的流线图以及患者口部纵剖面（Y=0.735 m）的浓度分布图。由此可见在诊室模型中，可以用CO2气体代替飞沫颗粒污染物研究其分布规律。

图2 颗粒运动轨迹和气体流线

2.2 冬、夏两季微生物污染物分布特性的模拟结果

2.2.1 医生、患者口部高度（Z=1.15 m）水平面的微生物污染物分布模拟结果

冬、夏两季诊室内医生、患者呼吸高度水平面（Z=1.15 m）的微生物污染物浓度和速度分布情况如图4 所示。从中可看出：医生位置处的微生物污染物浓度冬季高于夏季，且冬季工况中整个水平面浓度更高。这是由于夏季大部分送风气流沿东外墙向医生侧流动，在医生位置处形成清洁区。而冬季送风气流至该高度水平面时自身浓度较高，稀释作用较弱，且沿东外墙均匀向两侧流动，在医生身后位置形成两个涡流区使得该区域浓度略高。

图4 Z=1.15 m 水平面上速度场和污染物浓度场

2.2.2 家属口部高度（Z=1.5m）水平面的微生物污染物分布模拟结果

冬、夏两季诊室内家属呼吸高度水平面（Z=1.5m）的微生物污染物浓度和速度分布情况如图5 所示。从中可看出：家属位置处的微生物污染物浓度冬季高于夏季，且冬季工况中整个水平面浓度更高。冬、夏季工况的浓度均高于1.15 m 高度水平面，但分布规律相似，这是由于从患者口部呼出的气体温度较高，污染物随之在浮力作用下向上运动。

图5 Z=1.5 m 水平面上速度场和污染物浓度场

2.2.3 医生、患者口部纵剖面（Y=0.735 m）的微生物污染物分布模拟结果

冬、夏两季诊室内通过医生、患者口部的纵剖面（Y=0.735 m）的污染物浓度和速度分布情况如图6 所示。从中可看出：微生物污染物仅在飞离患者口部的短距离内分布规律一致。夏季工况中患者位置及其身后侧浓度较高，医生侧相对清洁。而冬季工况中除房间顶部外，其他区域浓度都较高。这是由于夏季的送风气流沿东外墙向下运动，在医生周围吸收热量上升从而阻挡了污染物的扩散。而冬季的污染物随气流上升至2.5 m 高度处，受到送风气流的阻挡后向医生侧运动，易堆积在此区域内。

图6 Y=0.735 m 纵剖面上速度场和污染物浓度场

2.2.4 监测点处微生物污染物分布模拟结果

在坐、立的呼吸高度水平面上设置7 个监测点，点①、②分别布置在患者口部外0.1 m 处和医生口部位置（坐姿呼吸高度1.15 m 水平面），点③-⑦均匀布置在办公桌周围（站姿呼吸高度1.5 m 水平面），具体位置如图2 所示。表2 给出了7 个监测点的微生物污染物浓度模拟结果。从表中可以看出：各个监测点位置的浓度夏季均低于冬季。通过图7 分析：微生物污染物所受的浮升力与温差成正比，夏季患者呼出的气体与送风气流的温差较大，易携带微生物污染物向高处运动，使得坐、立的呼吸高度水平面上浓度较低。而冬季患者呼出的气体在上升过程中与周围气体换热，不断降温直至低于送风温度，送风气流在浮力作用下阻挡了污染物向上运动，导致污染物在送风气流以下高度聚集，使得在坐、立的呼吸高度水平面上浓度较高。

表2 监测点处微生物污染物浓度模拟计算结果（10-9 kg/m3）

图7 Y=0.735 m 纵剖面上温度场

2.2.5 诊室高度方向和进深方向上微生物污染物分布模拟结果

冬、夏季工况下，微生物污染物浓度随诊室高度方向、进深方向的变化如图8 所示。图中横坐标表示高度/进深（m），纵坐标表示微生物污染物浓度值（10-9kg/m3）。

从图8（a）中分析得出：冬、夏季工况中，各水平面平均浓度的最高值分别出现在1.9 m 和2.3 m 高度处。在该水平面以下的区域，主要受浮升力影响，各水平面的平均浓度随高度的增加而上升。在该水平面以上的区域，主要受送风气流稀释的影响，各水平面的平均浓度随诊室高度增加而下降，其中夏季的送风气流能影响到诊室的整个高度空间，使得在该区域内浓度下降缓慢，而冬季由于送风温度较高，易漂浮在诊室上部空间，对该区域内的稀释效果明显，导致浓度大幅下降。但在冬季工况中，呼吸高度区间内受送风气流的影响较小，浓度较高，不利于人体健康。

从图8（b）中分析得出：冬、夏季工况中，各剖面平均浓度的最高值分别出现在1.7 m 和1.5 m 进深处。患者身后区域（即进深0～1.3 m 区间），各剖面的平均浓度基本一致。在最高浓度所在剖面的东侧区域内，夏季工况中，受到送风气流的稀释，各剖面的平均浓度浓度逐渐下降，而冬季工况中，各剖面的平均浓度在2～3.4 m 进深区间内仍成上升趋势，在进深超过3.4 m后开始下降，且3.8 m 后下降趋势明显，这是由于冬季送风气流的温度较高，在浮升力和初速度作用下水平运动至东外墙，才沿墙向下运动，对医生，患者及家属周围的就诊区域稀释效果不明显。

图8 微生物污染物浓度随诊室高度方向、进深方向的变化

3 结论

以上的数值模拟分析比较了不同季节工况下，患者呼出的微生物污染物在采用侧送下回通风方式的诊室内的运动分布特性，可以得到以下主要结论：

1）诊室内温度分布是影响微生物污染物运动分布的重要因素，即使在同样送风量和室内热源分布的情况下，冬、夏季工况在诊室内形成的气流形态不同，微生物污染物的空间分布也有较大差异，从而对人体健康的影响也有所不同。

2）在本文列举的算例中，夏季送风温度较低，微生物污染物在浮升力作用下可运动至诊室高处，且送风气流向下运动稀释患者呼出的微生物污染物。而冬季送风温度较高，阻挡污染物上升使其聚集在患者前方,送风气流以下高度区域，使得在就诊区域及坐、立的呼吸高度水平面上，冬季工况浓度高于夏季工况。

3）诊室内患者呼吸活动产生的微生物污染物难以靠空调系统完全排除，这就需要长时间在室内停留的人员更加注重防护,并养成良好的卫生习惯。