病房空气净化消毒器气流模型仿真与分析

1.前言

　　SARS的出现，引起了人们对病房净化消毒和通风空调问题的高度重视，以CFD技术为核心的数值仿真技术，是研究和解决该类问题的有效方法之一。赵彬等采用数值计算方法分析了自然通风条件下，外区房间生物颗粒运动情况及其对内区相邻房间的影响[1]，同时又研究了置换通风、混合通风及自然通风下室内生物颗粒的分布规律[2]，Murakami和Holmberg等人也研究了通风室内颗粒运动和分布规律，均取得了较好的效果[3,4]。藤井修二的研究表明[5]，室内空气中尘埃粒子的运动状态是由有组织气流所决定的，即尘埃粒子跟随气流一起运动。根据这一结论及病毒细菌微生物学特性，作者提出了病房空气中病毒细菌高效滤床捕集远红外热力消毒方法，研制了病房空气净化消毒器，并进行了相关试验研究[6]。病房空气净化消毒器在病房内通过制造有组织气流来实现病房空气的循环净化和动态消毒，因此，室内有组织气流模型分布特性直接关系到其对带毒带菌颗粒性污染物的捕集效果，关系到空气净化消毒效果。为研究该问题，本文利用AirPak软件，对空气净化消毒器在病房内产生的室内气流模型进行仿真模拟，一方面分析气流模型能否满足设计要求，另一方面为消毒器结构参数的优化设计和运行控制提供理论依据。

2.病房空气净化消毒器及室内气流模型设计要求

2.1 空气净化消毒器主要性能参数

　　图1为空气净化消毒器，其中，1为回风口，2为初效滤床，3为耐高温高效滤床，4为风机，5为消声器，6为送风口，7为远红外加热管，8为反射板。为避免热力消毒对室内温度的影响，空气净化过程与消毒过程分时实现，即净化过程不开启热力消毒装置，热力消毒过程不开启风机。

　　在容积为54m3房间内的实验表明[6]，空气净化消毒器对粒径30.3mm的粒子的捕集效率达99.5%以上；在现场试验中对自然菌的消亡率达96%以上，大于《消毒技术规范》现场试验规定值90%[7]，菌落数平均值<200cfu/m2，满足II类病房（普通手术室、产房、婴儿室、早产儿室、普通保护性隔离室、供应室洁净区、烧伤病房、重症监护病房）使用要求；对自然菌的杀灭对数值都>1，符合《消毒技术规范》现场试验规定[7]。

图1 空气净化消毒器原理图图2 病房内部设施示意图

2.2 病房室内气流模型设计要求

　　图2为病房内部设施示意图，其中，1为病房空气净化消毒器，2为病床，3为外窗，4为日光灯，5为桌子。设病房面积为18m2，净高为2.8m。为有效地捕集室内空气中带菌带毒尘粒，要求空气净化消毒器产生的有组织气流满足以下要求：

　　1）送风应首先经过人的呼吸区（高度约1.2~2.0m），从呼吸区到地面的气流方向应由上至下，并由回风口进入消毒器，避免菌毒浓度高的气流上升，进入呼吸区；

　　2）在人的活动区，有组织气流速度应大于人走动和设备热对流所产生的局部气流速度，即0.3~0.5m/s[8]，以消除局部气流带动尘粒在室内的扩散；

　　3）地面附近的有组织气流速度不应超过引起地面尘粒悬浮和迁移所需的气流速度，即0.2m/s[9]。

　　经测定，消毒器风量为685m3/h，送风平均速度为3.35m/s，换气次数为12.7次/h，以此参数进行气流分布特性仿真。

3.病房气流模型的建立与仿真

3.1 控制方程

　　图1所示的病房室内气流模型，设各类壁面附近气流流态与室内主活动区流态相同，室内气流任一微元控制体内无源项，微元控制体内按稳态考虑，则室内气流某一微元控制体内气体控制方程如式（1）~（5）所示[10]。

1）连续性方程

　　　　　　（1）

　　其中，为气流速度，m/s。

2）动量方程

　　　　　　（2）

　　其中，r为空气的密度，kg/m3； p为空气压力，Pa；为应力张量，Pa；为重力加速度（自然对流项可不计），m2/s。

　　对于应力张量，有

　　　　　　（3）

　　其中，m是流体分子动力粘度，Pa×s；I为单位应力张量，Pa。

（3）能量方程

　　　　　　（4）

　　其中，h是空气焓值，kJ/kg；l是层流气体导热系数，W/m×°C；lt是湍流气体导热系数，W/m×°C；T为温度，K。

　　对于湍流气体导热系数lt，有

　　（5）

　　其中，Cp为空气的定压比热，kJ/kg×°C；mt是湍流动力粘度，Pa×s；Prt为湍流普朗特数。

3.2 求解模型

　　为求解式（1）、（2）和式（4），采用室内零方程湍流模型[11]，该模型专门用于室内气流模拟，方法简单，结果可靠，适于计算考虑室内自然对流、强迫对流、气体混合和置换通风的气体流动。

　　为计算边界表面的传热量，需计算对流换热系数a，即

　　W/m2×°C　　　　（6）

　　其中，Preff为有效普朗特数；△xj为墙体附近的网格间距，m；meff为有效动力粘度，Pa×s。有效动力粘度meff为流体分子动力粘度和湍流动力粘度之和，即

　　meff =m+mt　　　　（7）

　　室内零方程湍流模型用下式来计算湍流动力粘度mt：

　　　　　　（8）

　　其中，v为气流速度，m/s；L为距墙的距离，m；0.03874为实验常数。

3.3 仿真模拟

　　图1所示的病房由患者、灯管、墙体、门窗、空气净化消毒器等组成，为便于仿真，对室内气流模型进行以下假设：

　　1）不计质量力、分子作用力、场力、粒子间吸引力对微粒运动特性的影响，仅考虑气流力对微粒的影响，并认为微粒与气体之间无滑移，室内微粒污染物浓度均匀分布；

　　2）考虑人体和灯管散热；

　　3）内墙按绝热处理（不同房间温度认为相同）；

　　4）送风温度按室内温度计，室外温度按30°C；

　　5）考虑窗户对室内的传热影响；

　　6）室内气流控制容积个数约14万个。

　　在上述假设和条件下，即可对图1所示的病房气流模型进行数值仿真。

4.病房气流组织模型的仿真与分析

　　首先在实测风量下模拟分析病房气流分布特性，然后增大风量，考察其气流分布状况，以最终确定满足病房室内颗粒污染物控制要求的气流分布模型。选择距墙0.5m和房间中间断面处的速度分布，一是了解墙面附近的风速大小，推断墙面附近微粒控制效果；二是了解室内主活动区气流模型特性，考察室内气流分布特性是否合理。

4.1 不同风量下病房气流模型分布特性

　　不同风量下病房距墙0.5m和房间中间断面处的速度分布如图3~6所示，图中速度标尺范围为0.0~1.0m/s，间隔为0.125m/s。

图3 距墙0.5m处断面气流模型（685m3/h）图4 病房中间断面气流模型（685m3/h）

图5 距墙0.5m处断面气流模型（1000m3/h）图6 病房中间断面气流模型（1000m3/h）

　　由图3~8可知：

　　1）送风气流都首先经过人的呼吸区、由上至下、从房间下部返回回风口，气流仅在约1m以下的空间产生小的旋涡；

　　2）当风量为685m3/h时，除外窗附近气流速度偏低外，活动区有组织气流速度均能满足要求，可见，对于一定面积的房间，从室内颗粒性污染物浓度控制的角度，其风量存在一下限值；

　　3）在风量为1000m3/h下，墙面和地面附近的有组织气流速度增大，并超过0.2m/s，这将引起地面尘粒悬浮，因此，室内的换气次数不能太大，即风量有一上限值，如图7和图8为风量为1500m3/h时的仿真结果，可见，室内已产生上升气流，且室内气流速度整体较高。

　　因此，以室内颗粒性污染物浓度为控制目标的侧上送侧下回送风气流，其风量不仅存在小限值，而且存在上限值，即存在一最优风量范围。

图7 距墙0.5m处断面气流模型（1500m3/h）图8 病房中间断面气流模型（1500m3/h）

(a) 水平送风(b) 斜上30°送风

(c) 斜上45°送风(d) 斜上60°送风
图9 不同送风角度下室内气流模型

4.2 空气净化消毒器不同送风角度对室内气流分布的影响

　　空气净化消毒器不同的送风角度，所产生的室内气流组织模型将不同，对室内污染物的控制效果也将不同。取风量为685m3/h，送风角度分平送、斜上30°、斜上45°和斜上60°，不同送风角度下室内气流组织模型如图9所示（主要考虑病房中间断面气流组织模型）。

　　由图9可知，随着送风角度的增加，房间下部气流旋涡逐步增大，当送风角度为60°时，下部气流旋涡已高于1m，在局部产生上升气流，此时气流模型不可接受。因此，以室内尘埃污染物浓度为控制目标的侧上送侧下回气流模型，在实际运行中其送风角度应低于一定角度。这为送风口设计及消毒器实际送风运行控制提供了理论依据。

4.3 空气净化消毒器不同回风形式对室内气流分布的影响

　　在风量为685m3/h下，不同回风口面积下室内气流分布如图10所示（主要考虑病房中间断面气流组织模型）。

(a) 回风口为500′300mm(b) 回风口为500′600mm
图10 回风口大小不同时室内气流模型

　　由图10可知，回风口大小对室内气流模型的影响并不是特别显著，但对回风阻力影响较大，因此，在实际中应尽可能增大回风口面积。

5.结论

　　本文分析了病房气流模型设计要求，介绍了空气净化消毒器室内气流数值仿真模型及求解方法，在此基础上，采用CFD技术完成了不同风量下病房室内气流分布特性仿真，分析了空气净化消毒器不同送风和回风方式对室内气流分布特性的影响，研究表明：

　　1）以室内颗粒性污染物浓度为控制目标的房间中间斜上送风、下部回风的气流组织形式，对给定房间，不仅能满足室内气流模型要求，而且存在一最优风量范围。若风量过小，一方面，将导致室内主活动区气流速度低于局部气流速度，难以有效控制颗粒运动；另一方面，导致房间局部地区气流停滞，容易引起微粒污染物的聚集；若风量过大，一方面，在主活动区将产生上升气流，使下部浓度高的空气进入呼吸区；另一方面，导致地面和墙面附近气流速度过高，容易引起微粒二次悬浮，重新污染室内空气。

　　2）空气净化消毒器送风和回风方式对室内气流分布特性影响程度不同，前者影响显著，后者没有太大影响。室内气流分布特性随着送风气流角度的增加而变差，送风角度不应高于60°，否则，将在房间下部出现大的气流旋涡，产生上升气流；回风口面积增大或减小，对室内气流分布特性影响不大，但对回风口阻力影响较大。

　　从室内颗粒性污染物控制的角度，病房内颗粒性污染物在室内的扩散特性、特别是在实际空调工况下颗粒性污染物的控制效果将值得进一步进行数值仿真分析。

参考文献

　　[1] 赵彬，张颖，李先庭. 生物颗粒在相邻房间运动的数值研究. 暖通空调， 2003，Vol.33，暖通空调与SARS特集，31~33.

　　[2] 赵彬，张昭，李先庭. 室内不同通风方式下生物颗粒的分布比较. 暖通空调， 2003，Vol.33，暖通空调与SARS特集，37~40.

　　[3] Murakami S., Kato S., Nagano, and et al. Diffusion characteristics of airborne particles with gravitational settling in a convection dominant indoor flow field. ASHRAE Trans., 1992, 9(1): 81~97.

　　[4] Holmberg S. and Li Y.. Modeling of the indoor environment particle dispersion and deposition. Indoor Air, 1998, 8: 113~122.

　　[5] 藤井修二. 层流型ヶリーンルーム设计に关すゐ考察. 日本建筑学会学术演梗概集(东北). 1982，277~281.

　　[6] 张吉礼，卢振，李本强等. 病房空气净化消毒与空调. 暖通空调，已投稿.

　　[7] 中华人民共和国卫生部. 消毒技术规范. 2002.

　　[8] 许钟麟，钱兆明，沈晋明. 平行流洁净室的下限风速. 建筑科学研究报告，1983，11.

　　[9] 许钟麟. 空气洁净技术原理. 同济大学出版社，1998，311~313.

　　[10] AirPak2.1 User’s Guide Volume 2, Fluent Incorporated, 2002.

　　[11] Chen Q. and W. Xu. A zero-equation turbulence model for indoor airflow simulation. Energy and Buildings, 1998, 28(2):137~144.