辐射吊顶对负压隔离ICU热环境和排污效率的影响

何 平 钱 华 陈永强

（1 东南大学能源与环境学院 南京 210096；
2 广东呼研菲兰科技有限责任公司 佛山 528200）

自疫情爆发以来，新型冠状病毒已导致全球数十万人死亡，目前仍有2 000多万确诊病例需要治疗[1]。负压隔离ICU是为传染病重症患者提供医疗护理的隔离场所，不仅要为重症患者和医护人员提供舒适卫生的室内环境，更需具有良好的气流组织以防止医患感染。GB 50849—2014《传染病医院建筑设计规范》[2]将负压隔离病房和负压隔离ICU归为一类，具体的条例完全相同，两者具有极大的相似性。目前对负压隔离病房的研究较多，主要通过对病房的气流组织形式进行CFD模拟[3-7]和实验[3,5-7]，对负压隔离ICU的研究则相对较少[8-9]。狄彦强等[3]和李安桂等[4]分别提出了围帘式送风和竖壁贴附加导流板送风，并未研究人体发热对于室内环境的影响，故推荐采用下排风口。而K. W. D. Cheong等[5]考虑热羽流，但忽略了呼出气体温度的影响，研究结果显示在通风效率方面，侧顶送风另一侧下回>顶送侧下回>顶送顶回。凌继红等[6-7]考虑了人体的热羽流和呼出气体温度，推荐采用上排风。李勇[8]对负压隔离ICU进行模拟，顶送下回系统均优于侧送下回系统，但未对上排风进行讨论。T. N. Verma等[9]模拟了不同换气次数对ICU污染物的影响，但送排风形式同样也很重要。综上，目前对负压隔离ICU的研究以传统空调系统为主，缺乏辐射吊顶的应用研究，且对于排风口的位置未达成统一意见。

辐射吊顶加新风系统属于温、湿度独立控制系统，无室内风机盘管，运行噪声较小[10]，无凝结水，不会产生军团菌[11]，较卫生，适用于ICU环境。辐射吊顶配合新风系统还可减少房间垂直温差，提高人员舒适度[12-14]。章重洋等[15-16]研究表明较小的垂直温差有利于减少气溶胶的传播，表明了辐射吊顶配合新风系统在ICU防控方面的潜力。此外辐射吊顶配合新风系统具有良好的节能特性[11,17]，但缺点是存在结露风险[12]，在实际工程中可通过制定合适的运行策略和改进辐射板物性来避免[18]。综上所述，辐射吊顶加新风系统具有卫生、舒适、节能的特点，适用于负压隔离ICU环境。

本文通过CFD模拟了夏冬两季辐射吊顶加新风系统在负压隔离ICU中的应用，研究了辐射吊顶供热供冷量和排风口高度对室内热环境和排污效率的影响。

图1 ICU物理模型Fig.1 Physical model of ICU

1.1 物理模型

建立的某负压隔离ICU模型如图1所示。病房配置2张病床，房间面积为33.5 m2，套内高度为2.7 m。在病床之间安装隔帘，使每个病床区域相对独立，减少交叉感染，新风分两路送出, 一路送风口设置在病床上方，另一路设在ICU医护人员走廊处[19]。由于实际工程复杂，在模拟时需进行部分简化，基本假设如下：

1）辐射毛细管均匀分布在吊顶之上。

2）患者口鼻简化为5 cm×2 cm的长方形。辅助医疗设备简化为0.6 m×0.6 m×1 m的立方体。床简化为2.2 m×1.0 m×0.8 m的立方体。不再考虑房间其他物品对于气流组织的影响。

3）为保证室内负压，排风量会大于送风量，剩下的风量会由维护结构缝隙进入室内。假设该部分渗透风量由门窗边缘缝隙5 cm处均匀渗入。

4）用患者呼出CO2作为示踪气体[4,7]来模拟可能携带病毒的气溶胶污染物的空间分布。

5）仅考虑显热负荷，不考虑相变潜热负荷。混合气体符合Boussinesq假设[4]。

1.2 数学模型

模拟的控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分输运方程，湍流采用RNGk-ε模型[7]，辐射采用DO辐射模型。

根据ISO 7730标准[20]，由于人体发热量为40 W/m2，不满足PMV评价的条件。本文采用垂直温差[14,20]和吹风感指数[20]（draft rate，DR）来评价房间的热环境。

（1）

式中：T1为房间1.1 m高度的平均温度，℃；
T2为房间0.1 m高度的平均温度，℃；
Δh为高度差，m。

DR=（34-T）（u-0.05）0.62（3.14+0.37uTi）

（2）

式中：T为局部温度，℃；
u为局部风速，m/s；
Ti为局部湍流强度，%。

本文采用排污效率ε[21-22]评价气流组织的性能。

（3）

式中：Ce为排风口污染物体积分数；
Cs为送风口污染物体积分数；
Cb为病房内医护人员呼吸区（1.1～1.5 m）的污染物平均体积分数。由于空调系统采用全新风运行，送风口处污染物体积分数为0，式（3）可变为：

（4）

1.3 边界条件和工况设置

考虑到重症患者的舒适性，夏季室内设计温度为26 ℃，冬季室内设计温度为24 ℃，相对湿度均设置为60%。最小换气次数为12 h-1，房间送风量比排风量大150 m3/h[2]。

送风采用4个0.6 m×0.6 m的层流送风罩，边界条件设置为velocity-inlet，送风速度设置为0.21 m/s。排风口尺寸为0.6 m×0.4 m，边界条件设置为pressure-outlet。外窗缝隙设置为velocity-inlet，速度为0.03 m/s，夏季31.8 ℃、相对湿度68%，冬季5.2 ℃、相对湿度72%。其他房间缝隙设置为velocity-inlet，0.03 m/s，温湿度为房间设计温湿度。辐射吊顶设置为wall，热流密度设置为辐射吊顶供冷供热量。外窗边界条件为wall，热流密度设置为夏季124 W/m2、冬季-45 W/m2。中部的隔帘设置为wall（Coupled），传热不传质。其他墙面设置为绝热边界条件。ICU内的辅助医疗设备功率为200 W/台，表面设置热流密度边界。人员发热为40 W/m2，表面设置热流密度边界。患者口鼻设置为velocity-inlet，速度为0.5 m/s[23]，温度为34 ℃[24]，CO2占4%，H2O占5%。模拟采用SIMPLE算法计算速度-压力耦合。控制方程前3 000步采用一阶迎风离散格式提升计算速度，之后采用二阶迎风离散格式提高准确性。利用标准壁面函数描述近壁面湍流特性。当能量方程残差小于10-7，其他方程残差小于10-3，认为计算收敛。

工况设置如表1所示。新风系统或辐射吊顶的负荷分担策略为：1）新风承担全部的冷热负荷，不开启辐射吊顶（Strategy 1，S1）；
2）新风处理到房间温湿度，其余冷热负荷由辐射吊顶承担 （Strategy 2，S2）；
3）新风处理至低于房间设置温度2 ℃，其余冷热负荷由辐射吊顶承担 （Strategy 3，S3）。排风口高度设置为0.1 m（lower exhaust outlet，LE）和1.9 m[3-4,7]（upper exhaust outlet，UE）。

表1 工况设置Tab.1 Setting of conditions

1.4 网格无关性和模型验证

为使计算更加准确，已对患者口鼻、送风口、排风口、门窗缝隙的网格适当加密。为验证网格无关性，分别采用90万、135万、226万网格数进行模拟。模拟的房间垂直方向温度如图2所示。采用135万网格数即可在消耗较小的计算资源下保证计算精度。

图2 网格无关性验证Fig.2 Grid independence test

为验证计算模型的准确性，采用相同的计算模型对实验[14]的辐射吊顶加混合通风实验工况（房间冷负荷为83 W/m2，换气次数为14.4 h-1）进行模拟。模拟结果如图3所示，模拟与实验在大部分测点温度相差小于0.5 ℃，在CO2垂直分布的趋势上保持一致，模型较为准确，可以用于评估室内热环境和排污效率。

图3 模型验证Fig.3 Model validation

2.1 辐射吊顶供冷供热量对热环境的影响

不同工况下房间平均温度和垂直温差如表2所示。夏季排风口高度为0.1 m时，采用辐射吊顶可使垂直温差降低18%～55%。夏季排风口高度为1.9 m时，采用辐射吊顶可使垂直温差降低5%～58%。冬季不使用辐射吊顶时，垂直温差可达2 ℃/m以上。冬季排风口高度为0.1 m时，采用辐射吊顶也可使垂直温差降低42%～59%。冬季排风口高度为1.9 m时，采用辐射吊顶可使垂直温差降低7%～43%。夏冬两季，室内的垂直温差均会随辐射吊顶供冷供热量的增加而减少。

表2 房间平均温度和垂直温差Tab.2 Room average temperature and vertical temperature difference

不同工况下患者附近吹风感指数如图4所示。所有工况下的吹风感指数（DR）均在ISO 7730—2005的推荐范围（<20%）内。夏季使用辐射吊顶可使DR下降68%～86%，且DR随着辐射吊顶供冷量的增加而下降。冬季使用辐射吊顶可使DR升至10%～16%，且随着辐射吊顶供热量的提高，送风温度下降，空气流速增加，DR上升。

图4 不同工况下的吹风感指数Fig.4 Draft rate under different conditions

图5 不同工况下的排污效率Fig.5 Contaminant removal efficiency under different conditions

2.2 辐射吊顶供冷供热量对排污效率的影响

不同工况下排污效率如图5所示。夏季排风高度为0.1 m时，使用辐射吊顶会使排污效率下降13%～16%。夏季排风高度为1.9 m时，使用辐射吊顶会使排污效率下降20%～50%，且随着辐射吊顶供冷量的提高，排污效率下降。冬季排风高度为0.1 m时，使用辐射吊顶会使排污效率下降34%～38%。冬季排风高度为1.9 m时，使用辐射吊顶会使排污效率提升43%～59%，且随着辐射吊顶供热量的提高，排污效率增大。

夏季排风高度为1.9 m时，不同辐射吊顶供冷量下z=1.56 m（即图1中左侧病床中心截面）风速分布如图6所示。随着辐射吊顶承担的冷负荷增加，送风温度变高，与房间空气的密度差变小，送风的定向性变弱。气流组织会由类置换通风（图6（a））变为混合通风（图6（c）），从而使排污效率下降。夏季排风高度为0.1 m时，排污效率也会因气流的定向性变弱而下降。

冬季排风高度为1.9 m时则与夏季相反，随着辐射吊顶供热量的提高，增加送风与房间空气的密度差大，有利于增强送风的定向性，从而提高排污效率。而冬季在排风高度为0.1 m时，虽然随着辐射吊顶的使用，送风定向性增强，但由于患者呼出的污染气体与周围空气的密度差较大，更易向上运动，从而造成在冬季排风高度为0.1 m时排污效率下降。

图6 夏季不同辐射吊顶供冷量下z=1.56 m风速分布Fig.6 Velocity distribution under different cooling capacity of the radiation ceiling in summer at z=1.56 m

2.3 排风口高度对热环境和排污效率的影响

由表2可知，其他条件相同时，排风口高度为1.9 m时房间平均温度比排风口高度为0.1 m，在夏季低0.3～0.5 ℃，在冬季低0.9～1.2 ℃。这是因为房间存在垂直温差，排风口高度为1.9 m的排风温度会更高，有利于夏季室内热空气的排出，但会造成冬季能量的部分浪费。

由表2可知，夏季不使用辐射吊顶时，排风高度为0.1 m时的排污效率为排风高度1.9 m时的48%。使用辐射吊顶制冷时，排风口高0.1 m时的排污效率为排风口高1.9 m时的51%～84%。冬季不使用辐射吊顶时排风高度0.1 m时的排污效率为排风高度1.9 m时的62%。而使用辐射吊顶供暖时，排风高度0.1 m时的排污效率为排风高度1.9 m时的26%～27%。排风口高度不同时房间污染物分布如图7所示。虽然换气次数达到12 h-1,但不足以抑制人体热羽流的作用，该结果与Yang Caiqing等[25]的研究保持一致。病患呼出的污染气体仍会在自身热浮力和人体热羽流的共同作用下向上移动。如图7（a）所示，在排风高度为1.9 m时，污染物会向上移动后直接被排出。如图7（b）所示，在排风高度为0.1 m时，污染物则会先上升，再被送风气流卷吸向下，污染物在房间滞留时间较长，增加了医护人员感染的风险。因而在一定的风量条件下，排风口高为1.9 m时会更有利于房间污染物的排出。

图7 夏季房间污染物分布Fig.7 Contaminant distribution in summer

本文对冬夏两季辐射吊顶加新风系统在负压隔离ICU中的应用进行了模拟研究，结合实验结果验证了模拟的准确性，并对辐射吊顶供冷供热量和排风口高度进行了讨论。得到结论如下：

1）夏季工况时，随着辐射吊顶供冷量的提高，房间垂直温差会减少5%～58%，患者附近吹风感指数下降68%～86%，但排污效率也会降低13%～50%。夏季排风口设置在房间上部有利于气态污染物和房间热量的排出。

2）冬季辐射吊顶配合上排风可使房间垂直温差降低7%～43%，同时使排污效率提高43%～59%，而辐射吊顶配合下排风反而会造成房间内部污染物的聚集。

3）兼顾人员舒适度和排污情况，推荐的运行工况为S3+UE，即送风温度低于房间设置温度2 ℃，开启辐射吊顶处理剩下的冷负荷配合上排风。在该工况下夏季患者附近吹风感下降86%，提高人员舒适度，且辐射吊顶供冷量相对较小，减少了结露风险。冬季可以使房间垂直温差降低43%的同时提高排污效率34%，减少医护人员感染的风险。