張金航 張登春 熊 梨

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院 湘潭 411201）

0 引言

隨著2020年以來新冠疫情在全球的爆發(fā)，醫(yī)院病房的環(huán)境問題越來越受到廣泛重視，ICU 病房作為特別的病房科室，收納的病人大多患有嚴(yán)重疾病，更加容易成為感染高風(fēng)險區(qū)域。目前對于ICU病房內(nèi)氣流特征的研究，大多數(shù)研究病房內(nèi)人員靜止?fàn)顟B(tài)下的情況。

Cheong K W D 等[1]利用數(shù)值模擬結(jié)合實驗驗證的方法，研究了負(fù)壓隔離病房內(nèi)氣流組織與污染物濃度的關(guān)系。Verma T N 等[2]通過CFD 軟件對ICU 病房內(nèi)送風(fēng)速度及送風(fēng)口位置進(jìn)行研究，采用9 種不同組合進(jìn)行比較分析，得出病房內(nèi)通風(fēng)達(dá)到最佳空氣質(zhì)量的方案。馮昕等[3]就單人和雙人病房的三種氣流組織方案進(jìn)行了研究，研究得出頂送，床內(nèi)側(cè)單回風(fēng)口的氣流組織對污染物排除效果最好。趙福云等[4]就某Ⅰ級局部送風(fēng)垂直單向流潔凈手術(shù)室空態(tài)下的氣流組織進(jìn)行了研究，研究了回風(fēng)口布置形式和送風(fēng)速度對氣流組織產(chǎn)生的影響。王明明[5]提出采用局部空氣處理裝置作為降低室內(nèi)顆粒物濃度的措施，采用數(shù)值模擬方法對不同風(fēng)口的效果進(jìn)行相關(guān)分析。岑冬冬[6]在基于室內(nèi)人員走動的情況下，應(yīng)用CFD 軟件就室內(nèi)氣流組織和污染物擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，并且采用動量源的方法模擬人員走動對室內(nèi)環(huán)境的影響。Brohus H 等[7]發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人員走動會對人員周圍氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾，進(jìn)而影響室內(nèi)流場及污染物分布。Wang J 等[8]采用動網(wǎng)格法研究了人員走動對手術(shù)室懸浮液滴的影響，結(jié)果表明人員走動會產(chǎn)生嚴(yán)重的尾流，從而增大局部氣流速度。

以上研究成果，大多數(shù)是在病房內(nèi)人員保持靜止的情況下研究的，而對病房內(nèi)人員走動的情況并沒有做深入的研究。本文運用Ansys Fluent 軟件，對單間ICU 病房內(nèi)氣流分布特征進(jìn)行數(shù)值模擬分析，采用動網(wǎng)格方法分析了醫(yī)護(hù)人員走動對病房內(nèi)氣流分布的影響，研究結(jié)果表明醫(yī)護(hù)人員的走動對病房的局部氣流會有影響，并且主要影響醫(yī)護(hù)人員行走的區(qū)域。同時本研究也為ICU 病房內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)化提供參考。

1 物理模型

按照真實的ICU 單人間病房尺寸與結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并對部分形狀進(jìn)行了簡化，如圖1所示。整個病房尺寸為3.3m×3.03m×2.8m（長×寬×高），病房內(nèi)主要包括：1 名躺在病床上的患者（0.4m×0.3m×1.6m）、1 名醫(yī)護(hù)人員（0.4m×0.6m×1.6m）、1臺呼吸機(jī)（0.4m×0.4m×1.5m）、1 個藥品桌（2.3m×0.5m×0.8m）、2 盞相同燈具（1.0m×0.5m×0.05m）、1 張病床（2.0m×1.0m×0.8m），房間采用頂送側(cè)回的氣流組織形式，房間頂部中央布置尺寸為0.5m×0.5m 的送風(fēng)口，側(cè)下方布置尺寸為0.5m×0.25m 的回風(fēng)口。

圖1 單間ICU 病房物理模型Fig.1 Physical model of single ICU ward

2 數(shù)學(xué)模型

使用FLUENT 軟件對ICU 病房內(nèi)空氣流動與污染物擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮到ICU 病房內(nèi)障礙物較多，選用RNGk-ε模型結(jié)合加強(qiáng)壁面函數(shù)法對病房內(nèi)流場進(jìn)行模擬計算。采用拉格朗日法的顆粒物離散相模型對顆粒物運動進(jìn)行模擬，以展現(xiàn)顆粒物軌跡及單個顆粒的分布情況[9]。對病房內(nèi)進(jìn)行假設(shè)：

（1）ICU 病房內(nèi)空氣流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

（2）病房內(nèi)空氣為低速不可壓縮流動，并且符合Boussinesq 假設(shè)；

（3）整個病房為壁面絕熱狀態(tài)且表面溫度均勻分布；

（4）忽略固體表面間的輻射影響；

（5）病房氣密性良好，不考慮門窗漏風(fēng)的影響。

在ICU 病房內(nèi)空氣流動過程中，滿足質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒以及組分輸運定理，其控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程：

能量方程：

組分輸運方程：

湍流動能k方程：

湍流動能耗散率ε方程：

式中，ui為速度矢量，m/s；xi代表x、y、z三個方向；T為溫度，K；Φ 為能量耗散率，m3/s；qR為內(nèi)熱源產(chǎn)生率，m3/s；μ為層流動力粘度，Pa·s；μt為湍流動力粘度，Pa·s；ν為運動粘度，m2/s；ρ為空氣密度，kg/m3；C為污染物體積濃度，ppm；Re為雷諾數(shù)；Sc為施密特數(shù)；Q為污染物發(fā)生率，ppm/s；L0為特征長度，m；u0為特征速度，m/s；C0為特征濃度，ppm；k為湍流動能，J；ε為湍流動能耗散率；Gk為平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項，J；c為空氣比熱，1.01kJ/(kg·K)；C1、C2為經(jīng)驗常數(shù)；σk、σε分別為k和ε有效普朗特數(shù)的倒數(shù)。

3 動網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置

3.1 動網(wǎng)格模型

選用動網(wǎng)格模型對醫(yī)護(hù)人員的走動進(jìn)行模擬，由于動網(wǎng)格的存在，控制體內(nèi)有一部分是運動的，因此會產(chǎn)生一定的變化，而這些變化需要相應(yīng)的守恒方程來控制，滿足網(wǎng)格守恒定律。對于通量?，在任意一個控制體內(nèi)，其邊界是運動的，其守恒方程式為：

對于動網(wǎng)格，采用彈性系數(shù)法與動態(tài)重構(gòu)法相結(jié)合的更新方法對網(wǎng)格進(jìn)行更新，同時自定義函數(shù)（UDF）用來給定運動物體的運動行為。

3.2 邊界條件

本文使用FLUENT 軟件對病房進(jìn)行模擬，采用控制容積法對控制方程進(jìn)行離散，對流項和擴(kuò)散項使用冪函數(shù)差分格式，應(yīng)用SIMPLE 算法求解離散控制方程。

（1）送回風(fēng)口邊界條件：送風(fēng)口采用速度邊界條件。由于ICU 病房的特殊性，ICU 病房也是一個隔離病房潔凈室，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，ICU 病房屬于Ⅳ級潔凈手術(shù)室，其換氣次數(shù)至少應(yīng)為12 次/h，本計算模型換氣次數(shù)取12.5 次/h，得出送風(fēng)口速度為0.39m/s，送風(fēng)溫度根據(jù)文獻(xiàn)[10]規(guī)定ICU 病房內(nèi)溫度以及送風(fēng)溫差要求，取送風(fēng)溫度為22℃進(jìn)行計算?；仫L(fēng)口采用壓力出口邊界條件。

（2）壁面邊界條件：絕熱狀態(tài)，壁面湍流方法使用加強(qiáng)壁面函數(shù)法。

（3）顆粒物邊界條件：假設(shè)病人的呼氣作為污染源，經(jīng)計算，取人體呼氣速率[11]為0.8m/s，人體發(fā)塵量為送回風(fēng)口以及人的口鼻設(shè)為逃逸邊界，壁面以及呼吸機(jī)設(shè)為反射邊界，其余皆設(shè)為捕捉邊界。

（4）熱源條件：病人散熱量[12]為40W/m2，醫(yī)護(hù)人員散熱量為50W/m2，呼吸機(jī)散熱量為170W，燈具散熱量為60W。

（5）醫(yī)護(hù)人員走動條件：由于ICU 病房的特殊性，醫(yī)護(hù)人員在病房內(nèi)走動速度較慢，綜合國內(nèi)外研究分析[13-17]，擬定醫(yī)護(hù)人員行走速度為0.5m/s。

4 模擬過程

ICU 病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員在病房內(nèi)主要圍繞病患進(jìn)行相關(guān)醫(yī)療工作。因此，醫(yī)護(hù)人員的運動軌跡主要圍繞著病床運動，考慮到ICU 病房的特殊性，醫(yī)護(hù)人員并不能一直待在病房內(nèi)，因此，采用自定義函數(shù)設(shè)置醫(yī)護(hù)人員的軌跡為醫(yī)護(hù)人員繞著病床運動，最后回到醫(yī)護(hù)人員最開始的位置。醫(yī)護(hù)人員軌跡圖如圖2所示。

圖2 病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員走動軌跡俯視圖Fig.2 Top view of walking track of medical staff in the ward

圖2中，箭頭即為醫(yī)護(hù)人員運動軌跡，為了接近實際運動情況，醫(yī)護(hù)人員的來回轉(zhuǎn)動都設(shè)置成原地轉(zhuǎn)動。醫(yī)護(hù)人員整個運動情況如下：醫(yī)護(hù)人員首先沿著X 軸負(fù)方向運動2.15m，然后旋轉(zhuǎn)180°改變醫(yī)護(hù)人員朝向，接著沿著X 軸正方向運動2.15m回到原點，隨后旋轉(zhuǎn)90°改變醫(yī)護(hù)人員朝向，并沿著Z 軸負(fù)方向運動1.8m 到達(dá)病床另一側(cè)，緊接著旋轉(zhuǎn)90°改變醫(yī)護(hù)人員朝向，并沿著X 軸負(fù)方向運動1.4m，然后再旋轉(zhuǎn)180°改變朝向，并沿著X 軸正方向運動1.4m，最后旋轉(zhuǎn)90°改變朝向，并沿著Z 軸正方向運動1.8m 回到最初的起點。

其具體模擬過程為：（1）首先對醫(yī)護(hù)人員處于靜止?fàn)顟B(tài)的情況進(jìn)行模擬，顆粒物在整個模擬過程一直釋放；（2）然后對醫(yī)護(hù)人員走動過程重新進(jìn)行模擬，根據(jù)醫(yī)護(hù)人員0.5m/s 走動速度，設(shè)置人員轉(zhuǎn)動時間，轉(zhuǎn)動180°需要1s，按照圖2的軌跡，醫(yī)護(hù)人員共運動24.9s，回到原點；（3）繼續(xù)對流場變化和粒子擴(kuò)散進(jìn)行模擬計算5.1s。整個模擬過程中走動狀態(tài)一共計算30s。

5 計算結(jié)果分析

為了研究醫(yī)護(hù)人員走動對ICU 病房內(nèi)氣流分布的影響，在醫(yī)護(hù)人員走動軌跡中選取醫(yī)護(hù)人員所在的不同位置進(jìn)行分析比較。醫(yī)護(hù)人員的運動軌跡，分為6 個過程：（1）0-4.3s 過程醫(yī)護(hù)人員在病床一側(cè)朝病床前部運動；（2）5.3s-9.6s 過程醫(yī)護(hù)人員返回；（3）10.1s-13.7s 醫(yī)護(hù)人員朝病床另一側(cè)運動；（4）14.2s-17s 醫(yī)護(hù)人員在另一側(cè)朝病床前部方向運動；（5）18s-20.8s 醫(yī)護(hù)人員在另一側(cè)返回病床尾部方向；（6）21.3s-24.9s 醫(yī)護(hù)人員在病床尾部返回最初位置的運動。

5.1 人員走動對速度分布的影響

分別選取上述六個過程進(jìn)行2s 即走動1m 后的醫(yī)護(hù)人員的位置，醫(yī)護(hù)人員停止走動的時間（t=24.9s），以及整個計算結(jié)束的最終狀態(tài)（t=30s）共8 個狀態(tài)進(jìn)行分析比較，取醫(yī)護(hù)人員嘴部高度所在平面（Y=1.35m）分析氣流運動情況。圖3為人員走動過程中8 個不同時刻下速度矢量分布。

圖3 醫(yī)護(hù)人員走動過程中的速度矢量分布Fig.3 Velocity vector distribution of medical staff during walking

由圖3可知，在醫(yī)護(hù)人員行走過程中，醫(yī)護(hù)人員的運動會干擾到ICU 病房內(nèi)局部氣流，影響區(qū)域主要在醫(yī)護(hù)人員尾部氣流的區(qū)域，其影響范圍大約是人體3 倍身寬，使這些區(qū)域的氣流速度較大。由于醫(yī)護(hù)人員距離病患距離較近，其走動過程會干擾病患部分區(qū)域的氣流，并且在病患區(qū)域同時受到送風(fēng)氣流以及病患呼吸氣流的影響，使病患部分處于干擾區(qū)域中，其氣流隨著時間的改變變得較為紊亂。干擾區(qū)域的氣流速度大小約為0.6m/s，該速度大小正好接近醫(yī)護(hù)人員的運動速度。因此，干擾引起的二次氣流的速度大小與醫(yī)護(hù)人員的行走速度相近保持一致。隨著醫(yī)護(hù)人員在24.9s 后結(jié)束走動后，由圖3（h）可知，由于醫(yī)護(hù)人員走動帶來的二次氣流的干擾隨著醫(yī)護(hù)人員的靜止逐漸變小從而消失，整個ICU 病房內(nèi)氣流逐漸恢復(fù)正常。

5.2 人員走動對病房內(nèi)顆粒物濃度分布的影響

同樣選取上述8 個不同狀態(tài)點進(jìn)行分析比較，取醫(yī)護(hù)人員嘴部高度所在的平面（Y=1.35m）對病房內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行分析。圖4為人員走動過程中8 個不同時刻下顆粒物濃度分布。

由圖4可知，整個ICU 病房內(nèi)大部分顆粒物濃度為0-0.1μg/m3，在醫(yī)護(hù)人員走動過程中，醫(yī)護(hù)人員尾部3 倍身寬范圍內(nèi)顆粒物濃度會受到影響，其濃度較其他區(qū)域濃度略高，為0.1-1μg/m3。而在醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域，由于嘴部顆粒物散發(fā)源的影響，其顆粒物濃度較大。對于醫(yī)護(hù)人員處，顆粒物釋放沿著呼吸的距離逐漸降低。同時在醫(yī)護(hù)人員走動過程中，由于顆粒物濃度較小，醫(yī)護(hù)人員的走動對病患區(qū)域顆粒物濃度并沒有明顯影響，在病患處的顆粒物濃度主要受到病患呼吸氣流的影響。因此，醫(yī)護(hù)人員走動主要影響醫(yī)護(hù)人員身后的濃度場。

圖4 醫(yī)護(hù)人員走動過程中的顆粒物濃度Fig.4 Particulate matter concentration during walking of medical staff

5.3 醫(yī)護(hù)人員不同狀態(tài)下顆粒物濃度分布的對比

為了分析人員走動對病房內(nèi)顆粒物分布的影響，將醫(yī)護(hù)人員走動過程的顆粒物濃度與醫(yī)護(hù)人員未走動時的顆粒物濃度進(jìn)行對比分析，選取X=0.25m 截面，Y=1.3m 高度（病患呼吸區(qū)） 上沿著Z 方向的不同監(jiān)測點。由于醫(yī)護(hù)人員走動會引起顆粒物濃度會隨著時間變化而變化，同樣選取8 個時間點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在X=0.25m 截面、Y=1.3m高度（病患呼吸區(qū)）沿著Z 方向統(tǒng)計了9 個監(jiān)測點，分別為Z=0m、Z=0.37m、Z=1.1m、Z=1.47m、Z=1.83m、Z=2.2m、Z=2.57m、Z=2.93m 和Z=3.3m，這9 個測點具體數(shù)值如表1所示。

由表1計算這9 個測點在8 個不同時間點上的平均值，將其作為醫(yī)護(hù)人員走動狀態(tài)下的顆粒物濃度值，與醫(yī)護(hù)人員保持不走動狀態(tài)下的相同監(jiān)測點的顆粒物濃度進(jìn)行對比，圖5為兩種情況下X=0.25m 截面、Y=1.3m 高度（病患呼吸區(qū)）沿著Z方向上的顆粒物濃度。

圖5 病患呼吸高度截面醫(yī)護(hù)人員不同狀態(tài)下的顆粒物濃度Fig.5 Cross section of patient's respiratory height particulate matter concentration of medical staff in different states

由圖5可以看出，在醫(yī)護(hù)人員行走和醫(yī)護(hù)人員靜止?fàn)顟B(tài)下，兩者的顆粒物濃度變化情況一致，均在Z=1.5m-2.0m 范圍附近的顆粒物濃度較大，此范圍內(nèi)正好是病患所在位置附近，而在Z=1.83m 附近出現(xiàn)峰值，此處正好是病患嘴部呼吸區(qū)所在位置。由于高度Y=1.3m 為顆粒物剛從病患嘴部釋放，最大濃度都集中在病患呼吸區(qū)附近，使顆粒物并未來得及完全擴(kuò)散至四周，因此僅在病患附近處顆粒物濃度較高。

在Z=1.83m 處，醫(yī)護(hù)人員走動狀態(tài)下的顆粒物濃度最大值為1.822μg/m3，醫(yī)護(hù)人員靜止時的最大值為1.905μg/m3，醫(yī)護(hù)人員靜止?fàn)顟B(tài)時的顆粒物濃度最大值則略大于醫(yī)護(hù)人員行走狀態(tài)時的最大值。而在其他不同位置處，醫(yī)護(hù)人員靜止時顆粒物濃度均略小于醫(yī)護(hù)人員行走狀態(tài)下的顆粒物濃度值。因此，由于醫(yī)護(hù)人員的走動，加上病房內(nèi)相關(guān)儀器以及藥品桌對顆粒物捕捉的因素，使病床兩側(cè)的顆粒物濃度較高，而病患處顆粒物濃度受醫(yī)護(hù)人員行走的影響較小。

6 結(jié)論

（1）在ICU 病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員的走動會干擾ICU 病房內(nèi)局部氣流，主要影響醫(yī)護(hù)人員行走的區(qū)域，其影響區(qū)域約為人體3 倍身寬的范圍，使該區(qū)域的濃度及速度較大。

（2）ICU 病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員的走動使影響區(qū)域速度較大，該速度與醫(yī)護(hù)人員行走速度大小基本保持一致。

（3）ICU 病房內(nèi)醫(yī)護(hù)人員的走動對病患區(qū)域影響較小，只有在接近病患時和在ICU 病房內(nèi)呼吸機(jī)和藥品桌等醫(yī)用設(shè)備附近時，由于走動引起的氣流帶動醫(yī)用設(shè)備的顆粒物揚起擴(kuò)散至病患附近。