负压隔离病房压力场及气流组织数值模拟研究.docx

1、负压隔离病房压力场及气流组织数值模拟研究中国电子系统工程第二建设有限公司董连东"周玉杨九祥摘要为研究负压隔离病房压力控制及送风曰布置对室内气流组织影响，建立负压隔离病房仿真模拟，研究门缝隙参数对负压控制影响，得到门缝隙局部阻力损失系数；同时调整送风口位置定量分析风口位置对室内空气龄的影响,为负压病房压力控制及气流组织形式设计提供技术指导。关键词负压病房；压力；气流组织；空气龄：污染物TheNumericalInvestigationofPressureFieldandAirDistributioninNegativePressureIsolationWardDongLiandong,

2、ZhouYuandYangJiuxiangAbstractInordertostudytheinfluenceofpressurecontrolandairsupplyoutletlayoutonindoorairdistributioninnegativepressureisolationward,thenumericalmodelofnegativepressureisolationwardwasestablished.Theinfluenceofdoorgapparametersofonnegativepressurecontrolswasstudiedandthelocalresist

3、ancelosscoefficientofdoorgapwasobtained.At(hesametime,(heinfluenceofairsupplyoutletpositionontheindoorairagewasanalyzed.Theresultswillprovidetechnicalguidanceforthepressurecontrolandthedesignofairdistributioninnegativepressureisolationward.KeywordsNegativepressureward;Pressure;Airdistribution:Ageofa

4、ir;Contaminant0引言随着新型冠状肺炎疫情的爆发，再一次引发人们对于呼吸道传染病的关注。根据中国疾控中心报告显示，截至2020年2月11日，共有3019名医务人员感染新型冠状病毒，医护人员感染-方面是由于在疾病发现初期，对疾病本身的传染性不了解，没有采取必要的隔离防护措施，另一方面表明，病房内的气流组织效果不佳，无法迅速、有效的将病房内污染物排出，并防止污染物向外界扩散。自2003年SARS爆发以来，很多医院着手兴建传染病隔离病房，或将己有的普通病房改造成适应传染病人的隔离病房（负压隔离病房），其中通风系统的设计是传染性隔离病房能否有效发挥作用的关键。传染性隔离病房是针对传染性呼吸

5、道疾病患者进行隔离的病房，切断病菌的空气传播途径，也被称为负压隔离病房。负压隔离病房一方面需要及时排出患者产生的污染物，另一方面需要控制病房和周围区域间的空气流向，避免受污染空气进入其他区域，引起交叉感染。因此负压隔离病房的通风系统研究主要集中在病房和外界压差控制，以及病房气流组织形式。我国传染病设计规范中要求负压隔离病房与其相邻、*萤连东，男，1987年11月生，硕上研究生214135江苏省无锡市新吴区具区路88-mail:dongliandong收稿日期：2020-10-29相通的缓冲间、走廊压差应保持不小于5Pa的负压差，最小换气次数应为12次布。目前，CFD方

6、法越来越多应用到暖通系统设计中，而通风系统是负压隔离病房设计的核心，应用CFD方法对负压病房的通风系统研究有利于通风系统优化设计。本文采用CFD数值模拟方法，对负压隔离病房压力控制及气流组织形式进行模拟研究，首先分析缝隙参数对各区域压力控制影响，其次研究不同送风口位置对室内气流组织、空气龄及污染物扩散的影响，为今后负压病房通风系统设计提供技术参考。1研究内容及方法1.1设计简介新冠肺炎负压隔离病房应当严格按照传染病医院的流程进行布局，严格实施医患分区，结合卫生安全等级分为洁净区、隔离区（半污染区和污染区），相邻区域之间应当设置相应的卫生通过或缓冲间。建筑设施布局应当与气流组织有效结合，严格控制

7、空气按不同压力梯度由清洁区、半污染区、污染区单向流动。相邻相同不同污染等级房间的压差（负压）不小于5Pa,负压程度由高到低依次为卫生间、病房、缓冲间、医护走廊（图I）。病房房间的送风量是600m3/h,排风量是80（）mVh,排风量大新风量，送排风量差通过门、窗等围护结构渗透进入病房房间，从而形成病房负压。条房15Pa<1T污染走崖-10P.<1F15Pa15PaMM15Pa常房15Pa消油走廊OPanr<irE生HI-20Pa-10PaH生阙-20Pa-iOPa-10PaH生何-20PaI生M-20P«图I医院负压隔离病房压力梯度辟禺种房3卫生间择MU1（缓冲同1

8、-室内送心】2室内排风n（a）三维模型房如冲-10Pa-10PaH4-M-20Pa位ItAPRB'ri<图2单人供压隔离病房模型1.2负压病房模型根据火神山负压隔离病房设计图纸，选取一个单人负压隔离病房为研究对象，病房尺寸3mX6mX2.8m（包含缓冲间和卫生间），病房内采用上送下排通风方式，送风量600mVh,送风口尺寸0.36mX0.36m,排风口放在靠近病床下方，排风量600m'/h,排风口尺寸0.2niX0.2ni。卫生间只有排风，从卫生间门缝补风，排风量200m3/h,排风口尺寸0.36mX0.36mo具体风口布置及三维模型见图2。1.3物理模型简化室内空气可以

9、作为不可压缩流体进行研究，病房内空气温度变化较小，室内无明显热源，可以忽略温度对气流组织影响，由于是负压隔离病房，室内存在送排风量差，因此需要考虑门窗等渗透风量为简化物理模型，减少计算量，对物理模型作如下假设：（1）空气为不可压缩流体。（2）室内空气流动为稳态等温工况。（3）墙板等围护结构气密性较好，渗透风量仅从门缝进入病房。1.1模拟工况及边界条件设定图3为建立的病房三维网格，综合考虑网格精度及计算量，对房间模型采用多面体网格划分，在门缝处进行局部网格加密，保证缝隙处至少三个网格，并对壁面进行边界层加密，房间总网格数为370万左右。图3网格模型工况送风口位置送风风速m/s缝隙参数备注位置A1

10、.286Gap1-3：缝隙高度5mm,缝隙总长度5.8m：Gap4：缝隙高度5mm,缝隙总长度6.8m（apl：医护走廊与缓冲间门缝（ap2：缓冲间与病房门缝（叩3：病房与卫生间门缝（叩4：病房与患者走廊门缝II位置A1.286Gap1-2：缝隙高度5mm,缝隙总长度2.9m；Gap3：缝隙高度5mm,缝隙总长度5.8m：Gap4：缝隙高度5mm,缝隙总长度3.4mIII位置A1.286Gap1-2：缝隙高度5mm,缝隙总长度2.9m；Gap3：缝隙高度5mm,缝隙总长度5.8m：Gap4：缝隙高度4mm.缝隙总长度3.4mIV位省B1.286同工况IIIV位置C1.286同工况III表1模拟

11、算例及边界条件设定-lOPa-lOPan-5.00-6.50-8.009.50U-11.0012.50-14.00-15.5017.00-18.50-20.00P司工况IPressure.-5.00Pressure.-5.00-6.50800-9.50-11.00-12.50-14.00-15.501919Pa1421%-17.00-962Pa-18.50-20.00工况II图4不同工况下室内压力对比（z=Im）-6.50800-9.50-11.00-12.50-1400-15.50-17.00-1850工况III-2O55PJ"-20.00(Pal根据火神山送排风风量及风口面积折算

12、得到送排风速度，作为边界条件，医护走廊与患者走廊设置为压力边界条件，压力值分别为-5Pa、-lOPao门缝仅考虑在门四周，缝隙高度为4mm5mm。表I为具体模拟工况，工况I-III设定布缝隙高度及长度，研究不同围护结构气密性对力压隔离病房压控制的影响。工况III-V设定不同送堂风位置，研究风口位置对病房内气流组织影响。2结果及分析n压力模拟结果分析图4为工况I-III压力分布对比，从图中可以看出工况【整体负压较小，主要原因是缓冲间及患者走廊的门缝长度较大，风量渗透进来阻2损失较低，无法达到设计的负压要求，但卫生间上病房内压差在5Pa左右，说明卫生间门缝设置合理。因此需要考虑将围护结构气密性提高

13、，减小缓冲间及患者走廊门缝长度。减小渗透缝隙尺寸后，工况II压力梯度接近设计压差，但是室内负压仍略小。进一步减小患者走廊门缝高度后（4mm）病房内负压达到-15.56Pa,其余各区负压也基本满足设计要求。图5为不同工况下缝隙渗透速度对比，工况I的缝隙速度较小，特别是患者走廊的门缝速度在（）.5m/s左右，大部分风景从医护走廊进入病房，导致病房内负压达不到设计要求。工况II调整缝隙R度后，缝隙处速度变大，特别是患者走廊处门缝隙风速，各区域负压值也变大。工况1【1进一步降低缝隙高度，各缝隙渗透风速基本一致。根据仿真模拟结果，得出每种工况下缝隙的渗透风速及压差，根据公式（1）【3川计算得出局部阻力系

14、数。AP=U（1）2表2为不同工况下的缝隙局部阻力计算表，门缝隙高度4mm5mm时，局部阻力系数平均值为2.24。图5不同工况下缝隙处速度对比(z=Im)表2不同工况下门缝局部阻力系数工况缝隙门缝平均风速m/s门缝压差Pa局部阻力系数4IGapl1.4132.642.159Gap2L4112.642.165Gap31.9174.952.199Gap40.4380.282.383IIGapl1.8374.622.235Gap21.8314.582.230Gap31.9174.992.217Gap41.7334.202.283IIIGapl1.9675.302.236Gap21.9665.272.

15、226Gap31.9154.982.217Gap41.9985.572.278工况III工况H图6不同工况下气流分布2?气流组织结果分析图6为不同工况下室内气流分布情况，负压病房采取上送下排通风方式，排风口设置在病床下侧卫生间内设置上排风口。从图中可看出，病房内整体处于混合流动。当室内送风口处于位置A时（工况HI）,部分气流直接经过病床底部进入排风口排出,另有一部分空气由卫生间排风口排定。送风口设置在位置B（工况IV）,送排风口布置距离较远室内气流混合较为均匀。当送风口布置在位置C时（工况V）,大部分新风直接被排风抽走，也未对室内其他区域起到混合稀释的作用。图7为不同工况Im高度截面的空气龄分

16、布情况，从图中可以看出整体空气龄在300s以下。送风口布置在A位置时（工况III）,房间内存在明显气流死角，靠近缓冲间的地方空气龄较大。调整风口布置后（工况IV和工况V）,室内空气龄明显减小。图8为1.5m高度截面空气龄分布对比，空气龄分布规律和Im截面类似。图9（b）为对负压病房进行区域划分，不同布置方案下室内空气龄平均值均在300s以卜，从图中可以发现送风口处于位置B时，各区域整体空气龄均较低，说明空气混合较为均匀，同时医护活动区域空气龄小于100s,可以降低医护人员暴露风险。图10为不同工况下污染物分布对比，从图中可以看出，送风口布置在B位置时，空气混合均匀，同时也将污染物带到室内其他区

17、域，不利于污染物排出。送风口在位置C时污染物扩散范围最小，主要原因是送风口距离排风口较近，污染物大部分直接从下侧排风口排出。mean政agesR300.0270.0240.02100180.0150.01200900U60.030.000工况IIImeanairage(s)n3000270.0240.0I2100180(150.(120.(90060.030000工况Vmeanarage3000270.0240021001900150012003000270.024002100180.0150.0120.090060030000工况III0.030000meanarages3000270024

18、002100180.015001200工况V工况IV图7不同工况空气龄分布对比（z=Im）moanairagosn3000270.240d1210180150120.090.060.03000.0工况IV图8不同工况空气龄分布对比（z=l.5m）ABC置置置立立立一房一旧I医护活动区域嫂油间II（b）区域分布缓冲间病房IK护活动患者活动卫生间区域区域00500050211(S§<H图9不同送风口位置室内平均空气龄对比20（a）平均空气龄工况工况IV图10不同工况污染物浓度分布对比工况1113结论利用CFD模拟研究负压隔离病房压力及气流组织分布，分析围护结构缝隙对负压隔离病房压力控制影响