1、外擾對隔離病區壓力梯度影響的數值模擬研究摘要： 對隔離病區的壓力梯度進行了數值模擬， 分析 了環境風速、門窗開啟、運行狀態的改變等外界因素對壓力梯度的 影響 。模擬結果表明，環境風速對隔離病區的壓力梯度不會產生較大的影響，而門窗開啟、運行狀態的改變則會導致壓力梯度的變化，引起交叉感染。 關鍵詞： 隔離病區 壓力梯度 外擾 數值模擬 0 導言 2003年SARS期間發生在 醫院 內的超級感染事件給人們敲響了警種，醫院內部無序的氣流組織是發生交叉感染的最大隱患，嚴重影響到了醫患人員的健康安全。特別是病人 治療 場所隔離病房區域更是人們關注的焦點，為了防止傳染病源的擴散，需要對單元內的分區進行合理的

2、布置，盡量減少干擾壓力梯度形成的氣流。因此，不僅要保持單元與外部環境之間的合理氣流流向，在單元內部也需要形成合理的氣流流向。切斷致病微生物沿空氣途徑傳播的關鍵在于不同潔凈區域之間形成合理的壓力差，即壓力梯度。 目前 國內外的相關標準對室內外的壓差值作了相應的規定。但是，這些壓力差值都指是靜態壓力值，但是對于醫院的病房來講，室外風速、開關門、運行狀態的改變、外部電梯運行等動態狀況是不克避免的，這些動作必然會影響到隔離室的壓差和氣流。本文利用CFD對外擾對隔離病區的壓力梯度的影響進行數值模擬 研究 ，為隔離病房的相關工程實際提供 理論 和 應用 基礎。1 區域壓力梯度的數值模擬 1.1 壓力梯度模

3、擬的對象 本文選取上海某醫院隔離病房為模擬對象，該醫院是SARS期間指定收治病人的定點醫院，把普通病房改造成SARS隔離病房后，其內部的氣流模型基本符合WHO標準及相關要求。現以此為基本模型進行SARS隔離病區內壓力分布模擬，并把模擬結果與實測數據相比較，以檢驗模擬結果的可靠性。1.2 數學模型及網格生成 在不同的湍流模式理論中，確定湍流粘度 的 方法 不同，因標準 8 模型在數值 計算 中波動小，精度較高，故在低速湍流數值分析中應用廣泛。穩態湍流運動基本方程式除連續性方程外，還有動量方程、湍流脈動動能方程(K方程)、湍流能量耗散率方程( 方程)等這些方程用下述通式表示：（1）方程（1）中左邊

4、項 為對流項，右邊項 為擴散項，以及源項 。 為因變量，可以代表各種不同的物理量；U代表速度場，即U,V,W三個速度分量（笛卡兒坐標系）。總之，無論何種情形，所有的因變量都服從一個通用的守恒原理，其差異只不過是上述方程上令某些項為0而已。上述偏微分方程離散的方法有很多種，有限元、邊界元、有限差分等，最成熟的是有限差分法，本文亦以此分析動量方程及標量方程(k及 )的對流項采用冪函數差分格式，而擴散項采用中心差分格式，則可以推導出一個通用的離散方程式 9 。（3）在網格的劃分上采用結構化網格和非結構化網格相結合的方式，重點考察區域采用結構化網格，輔助區域采用非結構化網格，這種網格形式的劃分在不影響

5、計算精度的前提下，可以大大縮短計算時間。1.3 邊界條件及計算求解方法 空氣從送風口進入，再通過排風口流出，且由于區域之間存在壓力梯度，門窗縫隙處也存在著空氣流動。由于不同區域之間的滲透風量和壓力差值相互耦合，整個區域的氣流處于一個動態的平衡狀態，因此縫隙處的空氣流動非常復雜，很難直接通過計算獲得其空氣流量。因此，把送風口和排風口設為定流量邊界條件，門窗縫隙設為自由出入邊界條件。標準 模型適用離開壁面一定距離的完全湍流區域。固體壁面附近，因層流粘性作用影響加強，必須對標準 模型加以修正。本文采用壁面函數法加以修正墻壁邊界區。對于計算方法的選擇，壓力速度解耦采用Patankar提出的壓力一速度修

6、正算法（SIMPLE），而各線性化離散方程采用SLUR，即逐次線性欠松弛法。1.4 實測驗證 根據隔離病區內實際的平面布局情況，送排風情況和密閉門窗的數量和位置建立幾何模型。送風口和排風口設為定流量邊界條件，門窗縫隙設為自由出入邊界條件。在常物性參數，穩態工況，等溫狀態下，采用標準k-模型計算得到的SARS隔離病區內的壓力分布結果如圖2所示。圖1 隔離病區內壓力分布的實測結果圖2 隔離病區內壓力分布的模擬結果由上圖可以看出，實測結果和模擬結果比較吻合，各個區域均能形成有序的梯度壓差，確保了氣流的定向流動，因此采用該模型可以真實的反映隔離病區的壓力梯度。2 結果與討論 2.1 外界風速對室內壓力

7、梯度影響 參照采暖通風與空氣調節設計規范，上海市的冬季的平均風速為3.1m/s，夏季的平均風速為3.2m/s，現考慮最不利狀況，參照氣象數據，取最大風速為5m/s。風速對室內壓力梯度的影響主要是通過風壓的影響。當風吹到建筑物上時，在迎風面上，由于空氣流動受阻，速度減小，使風的部分動能變成靜壓，在建筑物迎風面的壓力大于大氣壓，形成正壓區。而在背風面、屋頂和兩側，由于在氣流曲繞的過程中，形成空氣稀薄現象，因此，在這些部位的壓力將小于大氣壓力，形成負壓區。下面在環境風速較大時（以5m/s為例）對兩種最不利風向下，環境風速對隔離區壓力分布的影響預測結果如圖3，4所示：圖3 病人走廊處于迎風面時的壓力分

8、布圖4 醫護區處于迎風面時的壓力分布由模擬分析可見：環境風速對邊緣區（醫護區，病人走廊）影響較大。空調系統正常運行時，環境風速不會影響隔離病區內的壓力分布 規律 。對于醫護區，環境風速對室內壓力的影響如圖5所示（正風速表示迎風）。由圖可見：隨著環境風速的增大（迎風），醫護區壓力升高。當環境風速增大到4m/s時，環境風壓高于室內風壓，室外空氣會滲透到醫護區，但這并無害處。圖5 環境風速對醫護區壓力的影響對于病人走廊，環境風速對室內壓力的影響如圖6所示（正風速表示迎風），由圖可見：隨著環境風速的增大（迎風），病人走廊壓力升高。但其始終小于環境風壓，說明污染物不會外滲影響環境安全。圖6 環境風速對病

9、人通道壓力的影響對應整個隔離病區，環境風速對室內壓力的 影響 如圖7所示：圖中正風速表示風由北至南吹（醫護區為迎風面，病人走廊為背風面）。圖7 環境風速對隔離病區壓力梯度的影響由圖可見：1）當空調系統正常運行時，盡管環境風速會影響隔離病區內的壓力值，但并不改變隔離病區內合理的壓力分布 規律 （醫護區醫護走廊緩沖室隔離病房），并且隔離病區內的污染物也不會外逸；2）環境風速對醫護區的影響較大，醫護區與醫護走廊之間的壓力梯度隨環境風速有較大的變化。3）環境風速對病人走廊及隔離病房的影響較小，病人走廊與隔離病房之間的壓差幾乎和環境風速無關。2.2 運行狀態的改變對壓力梯度的影響 隔離病房的空調系統設計

10、，是按照正常醫療狀態下的進行設計的。對SARS隔離病房來講，要求任何時間、任何運行狀態均能夠實現區域之間的正壓分布與各室之間定向流動不變。形成隔離病房部以后，各病房運行狀態可以不同，但保持整個區域內恒定、有序的梯度壓力分布，嚴格防止室內污染空氣滲透到室外以及區域內氣流有序流動勢必也成為重要的控制 問題 。隔離病房一般分為兩種運行模式，即醫療狀態和備用狀態。當某一隔離病房（以病房5為例）由正常狀態轉為備用狀態時，隔離病區內的壓力分布情況如圖8，9所示：圖8 隔離病房5內的風機全部關閉時壓力分布圖圖9 隔離病房5內衛生間風機開時壓力分布圖由圖可見當病房5由醫療狀態轉為備用狀態時，當送風、排風機全部

11、關閉，氣流流向改變為：病房走廊病房內部緩沖室醫務走廊，此時污染物由隔離病房流入醫護走廊，形成交叉感染的隱患。因此在備用狀態時，應將排風機調至低檔運行狀態，以維持隔離病區內壓力的合理分布。2.3 病房門開啟對壓力梯度的影響 在隔離病房門開啟時，與其相鄰的區域壓力會立刻產生變化，從而導致壓力梯度的改變，引起氣流方向的變化，從而產生交叉感染的隱患。為此按以下三種情況模擬了某一隔離病房（以病房5為例）隔離門開啟后，區域之間的壓力分布情況。圖10 病房5緩沖室前門開時壓力分布圖11 病房5緩沖室后門開時壓力分布圖12 病房5病人走廊門開時的壓力分布由上圖可以看出，對于緩沖室來講，其門的開啟沒有造成整個區

12、域壓力的明顯變化，這是由于緩沖室作為一個狹小空間，除了具有防止污染擴散的作用，而且還維持壓力梯度有較好穩定性的作用。但是其使用前提是兩個門必須保證連鎖，即兩個門不能同時打開。而隔離病房后門打開時，則可以發現區域間的壓力梯度產生了明顯的變化，病房5里的壓力上升的-2.77Pa，遠高于醫護走廊的壓力，導致污染空氣從隔離病房5擴散到醫護走廊，從而形成交叉感染的隱患。因此，建議對經常開啟的門進行相應的處理，如設置氣幕裝置，使內外區域隔斷，以降低門開啟對壓力產生的影響。3 結論 3.1 模擬預測了環境風速對隔離病區壓力分布的影響。模擬結果表明在空調系統正常工作時，盡管環境風速會不同程度的影響隔離病區內的

13、壓力值（醫護區受影響較大，隔離病房受影響較小），但并不會對其壓力分布規律造成影響。隔離病區內能夠保持合理的壓力分布，并且隔離病區內的污染空氣不會外逸至室外，造成對周圍環境的影響。3.2 空調系統是保障隔離病區內合理壓力分布的最有效手段。當隔離病房處于備用狀態時，若完全關閉空調系統，將導致污染空氣由隔離病房流入醫護走廊，形成交叉感染的隱患。因此在備用狀態時，應保障排風機運行以在不同工況下維持隔離病區內壓力的合理分布。3.3 隔離病房門的開啟對隔離病區內的壓力分布會產生較大的影響。緩沖室對于隔離病房來講除了具有防止污染擴散的作用，而且還維持壓力梯度有較好穩定性的作用。當隔離病房門打開時，各區域間的

14、壓力分布發生明顯變化，形成了交叉感染的隱患。因此，建議對經常開啟的門進行相應的處理，如設置氣幕裝置，使內外區域隔斷，以降低門開啟對壓力產生的影響。參考 文獻 ： 1 WHO issues consensus document on the epidemiological of SARS，17 October 20032 Cs for Disease Control and Prevention. Guidelines for Environmental Infection Control in Health-Care Facilities Recommendations of CDC and the Healthcare Infection Control Practices Advisory Committee (HICPAC)3 Guidelines for the Classification and Design of Isolation Rooms in Health Care Facilities，Standin