王智華 畢海權(quán) 王宏林 李孟柯

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

2020年新冠疫情的襲來使全世界經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展遭遇了重大損失。國(guó)家衛(wèi)健委在試行第七版的診療方案指出：經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播是新冠病毒的主要傳播途徑，且在相對(duì)封閉的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間暴露于高濃度氣溶膠情況下存在經(jīng)氣溶膠傳播的可能[1]。在疫情防控常態(tài)化的當(dāng)今，診室作為抗疫主戰(zhàn)場(chǎng)，在做好人員救治的同時(shí)也要防范交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)氣流組織對(duì)污染物能否有效排放有著較大影響[2]，因此診室的空調(diào)通風(fēng)方案需要專門進(jìn)行設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的研究方法主要分為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種，并且均多以示蹤氣體為研究對(duì)象來研究污染物的傳播。Rydock[3]和凌繼紅等[4]以六氟化硫?yàn)槭聚櫄怏w，實(shí)驗(yàn)研究了氣流組織對(duì)病房排污效率的影響。李勇[5]使用二氧化碳?xì)怏w作為示蹤氣體，以數(shù)值模擬的方法對(duì)ICU 病房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行了研究。此外，嵇赟喆等[6]結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，檢驗(yàn)了在負(fù)壓病房中使用二氧化碳?xì)怏w替代呼吸道疾病病人帶菌飛沫來研究污染物傳播及分布的可行性與可靠性。因此，本文以二氧化碳?xì)怏w為示蹤氣體，研究不同空調(diào)通風(fēng)方案下診室內(nèi)污染物的傳播及分布。

1 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用ANSYS-FLUENT 研究診室在不同空調(diào)通風(fēng)方案下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及污染物濃度場(chǎng)，以選擇合適的空調(diào)通風(fēng)方案并對(duì)已有方案進(jìn)行優(yōu)化。房間內(nèi)的空氣流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)湍流粘性流動(dòng)，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒定律[7]。為防止診室內(nèi)污染物由門縫擴(kuò)散至外界，診室內(nèi)為負(fù)壓環(huán)境，因此在數(shù)值模擬中需要考慮氣體壓縮性，將診室內(nèi)空氣設(shè)置為理想氣體。同時(shí)，由于污染物的擴(kuò)散過程產(chǎn)生了組分運(yùn)輸，因此需要應(yīng)用組分運(yùn)輸模型。此外，因RNG k-ε模型較標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型在室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)模擬中有著更高的準(zhǔn)確度[8]，本文數(shù)值模擬中采用RNG k-ε湍流模型。

2 數(shù)值模型及邊界條件

本文研究對(duì)象為多聯(lián)機(jī)方案和分體空調(diào)方案兩種，其中多聯(lián)機(jī)方案采用多聯(lián)機(jī)和新風(fēng)機(jī)組聯(lián)合送風(fēng)的方式來進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境控制，分體空調(diào)方案采用分體空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組聯(lián)合送風(fēng)的方式來進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境控制。多聯(lián)機(jī)方案和分體空調(diào)方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖分別如圖1 和圖2 所示。診室內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為-10Pa，設(shè)計(jì)溫度為25℃，兩方案下除送風(fēng)口和回風(fēng)口風(fēng)速不同外其余邊界條件一致，各邊界具體參數(shù)如表1 所示。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

圖1 多聯(lián)機(jī)方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖Fig.1 Layout plan and three-dimensional model of multi-split air-conditioner scheme

圖2 分體空調(diào)方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖Fig.2 Layout plan and three-dimensional model of split type air-conditioner scheme

3 結(jié)果與討論

為判斷各方案下診室內(nèi)氣流組織優(yōu)劣，截取1.6m 高度（呼吸區(qū)域高）處房間內(nèi)的速度分布、溫度分布、壓力分布和污染物濃度分布進(jìn)行對(duì)比分析。此外，為了更全面地判斷各方案下房間內(nèi)污染物的分布情況，截取兩方案下診床床頭和辦公桌附近（0.75m 高度）污染物濃度分布進(jìn)行對(duì)比分析。室內(nèi)熱舒適性評(píng)級(jí)參照GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示[9]。

表2 熱舒適度等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standard of thermal comfort level

3.1 速度場(chǎng)

兩方案下1.6m 高度截面速度分布如圖3 所示，可以觀察到在多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)產(chǎn)生了更大范圍的高風(fēng)速區(qū)。多聯(lián)機(jī)方案下此截面內(nèi)的平均風(fēng)速為0.26m/s，滿足熱舒適風(fēng)速II 級(jí)要求；分體空調(diào)方案下此截面的平均風(fēng)速為0.22m/s，滿足熱舒適風(fēng)速I 級(jí)要求。此外，還可觀察到，兩方案下在房間的門縫附近與送風(fēng)口正下方均存在較大范圍的局部高流速區(qū)，局部高流速區(qū)的風(fēng)速主要在0.6m/s-1m/s 之間。這主要是受送風(fēng)風(fēng)速以及門縫滲透風(fēng)的影響。由以上分析可知，在速度場(chǎng)方面，分體空調(diào)方案優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖3 速度云圖（m/s）Fig.3 Velocity contours(m/s)

為對(duì)兩方案下診室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步分析，繪制兩工況下多聯(lián)機(jī)（分體空調(diào)）送風(fēng)口及新風(fēng)口流出氣流的流線于圖4 中。由圖4（a）可知，多聯(lián)機(jī)垂直向下送風(fēng)且有較高的速度，因此氣流撞擊地面時(shí)將產(chǎn)生較大的反向速度，并且以較高的速度向四周散開，這使得室內(nèi)形成了以多聯(lián)機(jī)送風(fēng)為主導(dǎo)的較為紊亂的流場(chǎng)。由圖4（b）可知，分體空調(diào)水平送風(fēng)風(fēng)速較小，因此氣流向下流動(dòng)過程中易受新風(fēng)引導(dǎo)，從而在室內(nèi)形成了以新風(fēng)送風(fēng)為主導(dǎo)的較為穩(wěn)定的流場(chǎng)。

圖4 流線圖Fig.4 Streamlines

3.2 溫度場(chǎng)

兩方案下1.6m 高度截面溫度分布如圖5 所示，由圖中可知，兩方案下診室內(nèi)溫度分布都較為均勻，但多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)低溫區(qū)范圍更大，這是多聯(lián)機(jī)的豎直高速送風(fēng)導(dǎo)致的。多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)平均溫度為24.5℃，分體空調(diào)方案下室內(nèi)平均溫度為24.6℃，兩方案下室內(nèi)溫度值均與設(shè)計(jì)值相近且均滿足I 級(jí)熱舒適要求。由以上分析可知，在溫度場(chǎng)方面，分體空調(diào)方案略優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖5 溫度云圖（℃）Fig.5 Temperature contours(℃)

3.3 壓力場(chǎng)

兩方案下1.6m 高度截面壓力分布如圖6 所示。從圖中可以看出，兩方案下診室內(nèi)壓力大部分維持在-9.4Pa 左右，與設(shè)計(jì)值-10Pa 基本一致。同時(shí)還可以看到，壓力變化的位置與送回風(fēng)口、排風(fēng)口以及門縫位置相吻合，說明當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速出現(xiàn)較大變化時(shí)，該區(qū)域的壓力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。結(jié)合圖3 和圖5 分析可知，由于多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)流場(chǎng)較為紊亂，因此多聯(lián)機(jī)方案下壓力分布更為不均勻。由以上分析可知，在壓力場(chǎng)方面，分體空調(diào)方案略優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖6 壓力云圖（Pa）Fig.6 Pressure contours(Pa)

3.4 污染物濃度場(chǎng)

兩方案下診室內(nèi)污染物濃度分布如圖7 所示，由圖可知：多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)污染物擴(kuò)散范圍較廣，高污染物濃度區(qū)覆蓋診床和辦公桌病人側(cè)大部分區(qū)域，且辦公桌醫(yī)生側(cè)也存在較高的污染物濃度；分體空調(diào)方案下診室內(nèi)污染物擴(kuò)散范圍較小，高污染物濃度區(qū)主要為診床附近區(qū)域。多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)污染物濃度為0.021%，分體空調(diào)方案下診室內(nèi)污染物濃度為0.012%。結(jié)合圖4 和圖7 分析可知，多聯(lián)機(jī)豎直向下高速送風(fēng)使得診室內(nèi)氣流較為紊亂，撞擊到地面向四周散開的氣流在經(jīng)過高污染物濃度區(qū)域時(shí)增強(qiáng)了污染物的擴(kuò)散，從而使得多聯(lián)機(jī)工況下診室內(nèi)污染物濃度較高且擴(kuò)散范圍更廣。由以上分析可知，分體空調(diào)方案污染物控制效果優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖7 污染物濃度云圖（%）Fig.7 Pollutant concentration contours(%)

3.5 優(yōu)化方案

雖然多聯(lián)機(jī)和分體空調(diào)方案下診室內(nèi)均滿足舒適性要求，但是兩方案下診室內(nèi)污染物控制效果均不理想，因此，針對(duì)污染物控制效果較好的分體空調(diào)方案進(jìn)行優(yōu)化。由圖7 可知診床附近污染物濃度較高，故而將排風(fēng)口設(shè)置于診床附近進(jìn)行分體空調(diào)方案的優(yōu)化。

圖8 為分體空調(diào)優(yōu)化方案下診室內(nèi)流線圖。結(jié)合圖4 對(duì)比可知，優(yōu)化方案下氣流受排風(fēng)口引導(dǎo)流經(jīng)診床附近而后通過排風(fēng)口排出。

圖8 分體空調(diào)優(yōu)化方案下的流線圖Fig.8 Streamlines of optimized split type air-conditioner scheme

分體空調(diào)優(yōu)化方案下診室內(nèi)污染物濃度分布如圖9 所示。優(yōu)化方案下診室內(nèi)污染物濃度為0.005%。對(duì)比圖9 和圖7 可知，優(yōu)化方案下診室內(nèi)污染物的擴(kuò)散范圍與濃度都得到了顯著的改善。結(jié)合圖8 分析可知，排風(fēng)口設(shè)置于診床附近可引導(dǎo)氣流流經(jīng)高污染物濃度區(qū)域并及時(shí)排出從而增強(qiáng)了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的污染物排放能力。

圖9 分體空調(diào)優(yōu)化方案下的污染物濃度云圖（%）Fig.9 Pollutant concentration contours of optimized split type air-conditioner scheme(%)

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算研究了不同空調(diào)通風(fēng)方案下診室內(nèi)氣流組織，主要研究結(jié)論如下：

（1）在速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)方面分體空調(diào)方案顯著優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案，在溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)方面分體空調(diào)方案略優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案，因此診室應(yīng)選擇分體空調(diào)方案。

（2）診室內(nèi)部空間較小，多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)氣流較紊亂，污染物的擴(kuò)散被增強(qiáng)且污染物不易被排出，因此相較于分體空調(diào)方案，在多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)污染物的擴(kuò)散范圍更廣并且濃度更高。

（3）將排風(fēng)口設(shè)置在診床附近可有效提升空調(diào)通風(fēng)方案污染物控制效果，采用此方法分體空調(diào)方案下污染物濃度從0.012%減小為0.005%。