凌繼紅，于會洋，李 猛，邢金城，趙 越

(1.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072；2.中國航天科工飛航技術(shù)研究院動力供應(yīng)站，北京 100074)

氣流組織對負壓隔離病房排污效率的影響

凌繼紅1，于會洋1，李 猛1，邢金城1，趙 越2

(1.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072；2.中國航天科工飛航技術(shù)研究院動力供應(yīng)站，北京 100074)

實驗研究了氣流組織對負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，通過測量醫(yī)護人員呼吸區(qū)域的污染物濃度，比較了8種氣流組織的排污效率，并通過降低換氣次數(shù)進行了節(jié)能研究．研究結(jié)果表明：在頂送風的送風方式中，排風口位于病人頭頂效果較好；在矢流風口送風方式中，排風口位于病人床側(cè)效果較好，且當換氣次數(shù)分別降低到8次/h和6次/h時，對醫(yī)護人員仍有較好的保護效果．

負壓隔離病房；氣流組織；換氣次數(shù)

近幾年來，經(jīng)過空氣或飛沫傳播的傳染性疾病(如SARS等)不僅嚴重危害著人們的生命安全，而且還造成了巨大的經(jīng)濟損失，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．如何科學地建設(shè)負壓隔離病房，以控制傳染病的院內(nèi)感染已成為目前普遍關(guān)注和急需解決的問題．隔離病房的目的就是保護工作人員和探訪者不受病菌的感染．

對于負壓隔離病房氣流組織，國內(nèi)外學者都進行了相關(guān)研究．Rydock[1]采用示蹤氣體法對負壓隔離病房氣流組織進行了研究，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)值模擬方法對氣流組織進行了模擬，但只涉及到了氣流組織，沒有涉及到污染物．Li等[3]通過在房間內(nèi)表面散發(fā)污染物，研究了置換通風和混合通風的排污效果，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]利用實驗和數(shù)值模擬方法對置換通風及混合通風兩種氣流組織進行了研究，結(jié)果表明從置于地面上的污染源看，置換通風的排污效率較混合通風的高．Kao等[5]對負壓隔離病房的氣流組織方式進行了CFD模擬研究，結(jié)果表明層流的流態(tài)對于病房內(nèi)污染物的排除效率最高．Cheong等[6]利用實驗和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對負壓隔離病房的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)下隔離病房內(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，研究了病人對醫(yī)護人員的影響并用數(shù)值模擬方法進行了驗證．

楊可[9]利用目前廣泛應(yīng)用的數(shù)值模擬方法，模擬計算了負壓隔離病房內(nèi)部氣流流場以及污染源散發(fā)過程中的濃度場，對最佳換氣次數(shù)影響的分析最終給出了合理化建議．唐喜慶等[10]分析了送風口的位置、形式、特性對負壓隔離病房的氣流組織的影響．發(fā)現(xiàn)采用頂送風側(cè)下排風的氣流組織形式的負壓隔離病房中，推薦使用雙層百葉送風口可以得到流態(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種風口散流器的效果進行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在床邊醫(yī)護人員工作位置頂送、床內(nèi)側(cè)單回風口的方案在污染物排除時間、夏冬季污染物擴散高度方面效果最好．

對負壓隔離病房的研究從未間斷，但所研究的都是典型的排風方式，本文對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)下達到較高的排污效率．希望可以在今后的負壓隔離病房建設(shè)中得到實際應(yīng)用．

1 實 驗

1.1 病房布置

實驗區(qū)域由緩沖間、負壓隔離病房及潔凈走廊組成，如圖1所示．除潔凈走廊外的實驗區(qū)域尺寸為4.1,m×4.0,m×3.0,m．病房內(nèi)設(shè)1個頂送風口(S1)，1個矢流送風口(S2)；2個排風口(E1，E2)位于側(cè)墻下部．本實驗設(shè)置了2個局部排風口，床側(cè)局部排風口(E4)距地面高度為0.6,m，風口尺寸為500,mm× 300,mm，病人頭頂局部排風口(E3)距地面高度為1.5,m，風口尺寸為500,mm×300,mm．

病房內(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的濃度通過多點采樣儀器(INNOVA type 1312，測量精度為0.006×10-6)來測量，測量在穩(wěn)定條件下進行，在示蹤氣體散發(fā)前，必須對房間進行自凈．

圖1 實驗隔離病房示意Fig.1 Layout diagram of the experimental isolation room

圖2 人體模型Fig.2 A thermal manikin

實驗臺設(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)，以滿足本實驗對換氣次數(shù)的調(diào)節(jié)要求；氣流組織方式也可以根據(jù)實驗要求自由切換．房間溫度保持在(22±1)℃，相對濕度保持在(50±5)%．

1.2 測點布置

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

病房污染物濃度的采樣測點布置如圖3所示，測點1～3、測點5～7布置在床的兩側(cè)，高度為1.5,m，用來監(jiān)測醫(yī)護人員呼吸區(qū)域污染物濃度；測點4和測點8分別布置在頂送風口的正下方和門口的位置，高度Z均為1.5,m．

1.3 實驗工況

針對幾種氣流組織，共有14個實驗工況，通過開閉不同的送風口與排風口來切換工況，表1是不同工況的具體參數(shù)．

表1 實驗工況Tab.1 Experimental conditions

1.4 評價指標

本文采用局部空氣質(zhì)量指數(shù)εp和排污效率εe[8，12]來評價氣流組織的排污效率，εp表示測點處通風系統(tǒng)除污的能力大小，εe表示通風系統(tǒng)通風效率的大小．

式中：φR為排風口污染物體積分數(shù)，10-6；φp為測點體積分數(shù)，10-6；φS為送風口污染物體積分數(shù)，10-6；φe為病房內(nèi)污染物平均體積分數(shù)，10-6．

由于空調(diào)系統(tǒng)采用全新風運行，送風口處污染物體積分數(shù)為0，因此

均方差SD[13]表示測點體積分數(shù)和平均體積分數(shù)之間的波動程度，其計算式為

2 實驗結(jié)果

2.1 氣流組織對排污效率影響

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

表2 頂送風不同排風方式下實驗結(jié)果Tab.2 Results of different exhaust locations withsupply vent in the center of ceiling

表3 矢流風口送風不同排風方式實驗結(jié)果Tab.3 Results of different exhaust location with supply diffuser of quarter-cylinder shape

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

當新鮮空氣由矢流風口送入時，采用病人頭側(cè)面排風的污染物平均體積分數(shù)為0.38×10-6(表3)，排污效率為4.21，遠高于其他排風方式．

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

圖5(a)為頂送風與4種排風組合形式下，室內(nèi)各測點污染物的濃度分布，可以看出，在頂送風病人頭頂排風的方式下，醫(yī)護人員呼吸區(qū)域所有測點(測點1～3和測點5～7)的濃度都較低，且波動較??；圖5(b)為矢流風口送風與4種排風組合形式下，室內(nèi)各測點污染物的濃度分布，可以看出，在采用矢流風口送風、病人頭側(cè)排風時，醫(yī)護人員呼吸區(qū)域所有測點的濃度是最低的．

圖5 各測點污染物體積分數(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，各個測點的局部空氣質(zhì)量指數(shù)．圖6(a)顯示結(jié)果表明，在頂送風、病人頭頂排風方式下，各測點的局部空氣質(zhì)量指數(shù)最大；圖6(b)則表明在矢流風口送風、病人頭側(cè)排風方式下，各測點的局部空氣質(zhì)量指數(shù)最大．

結(jié)果表明，采用頂送風時，局部頂排對醫(yī)護人員及訪客的保護效果較好、排污效率最高；當采用矢流風口送風時，局部側(cè)排對醫(yī)護人員及訪客的保護效果最好，排污效率也最高．

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

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口加2個側(cè)下排風口的方式(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、病人頭頂排風和矢流風口送風、病人頭側(cè)排風兩種氣流組織，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，觀察各測點污染物濃度的變化，并與頂送風側(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，各個測點的濃度與工況1下各個測點濃度的比值．

對于頂送風，其排污效率與換氣次數(shù)成正比(見表4)；病房內(nèi)各測點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，醫(yī)護人員呼吸區(qū)域的濃度仍遠小于工況1下的各測點濃度，說明此氣流組織在8,次/h下，對醫(yī)護人員仍起到了較好的保護作用．

對于矢流風口送風方式，其排污效率在8,次/h下達到最大(表4)，但排污效率的變化較?。鐖D7(b)所示，醫(yī)護人員呼吸區(qū)域各測點的污染物濃度隨換氣次數(shù)降低而增大，但波動范圍較小，且當換氣次數(shù)降低到6,次/h時，其濃度仍遠低于工況1下呼吸區(qū)域的測點濃度，說明當采用矢流風口送風，病人頭側(cè)面排風時，即使換氣次數(shù)降低到6,次/h時，對醫(yī)護人員仍有較好的保護效果．

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

表4 不同送風形式的結(jié)果對比Tab.4 Contrast of different supply ventilations

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

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

圖8 醫(yī)護人員活動區(qū)域流場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/局部頂排風、頂送風/局部側(cè)排風、矢流風口送風/局部側(cè)排風、矢流風口送風/局部頂排風、矢流風口送風/兩側(cè)下排風、矢流風口送風/單側(cè)下排風、頂送風/兩側(cè)下排風、頂送風/單側(cè)下排風，所以頂送風/局部頂排風的氣流為最佳的氣流組織．

(2) 對于頂送風的氣流組織中，病人頭頂排風的方式下，醫(yī)護人員呼吸區(qū)域污染物濃度最低．此種氣流組織對醫(yī)護人員的保護效果最好．但局部頂排風口距病人頭部比較近，會使病人感覺不舒服．

(3) 采用頂送風、病人頭頂排風的氣流組織時，醫(yī)護人員呼吸區(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；當換氣次數(shù)降低到8,次/h時，醫(yī)護人員呼吸區(qū)域污染物濃度仍低于典型氣流組織下的測點濃度．說明采用此種氣流組織更有利于隔離病房的節(jié)能．

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

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

(6) 與頂送風相比，在矢流風口送風下，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?。?/p>

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(責任編輯：金順愛)

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.

天津大學自主創(chuàng)新基金資助項目.

凌繼紅（1971— ），女，博士，副教授．

凌繼紅，jihongling@126.com．