普通病房飞沫污染物传播特性与评价

张桉康，张华玲，刘 鹏

(重庆大学 土木工程学院，重庆 400045)

自猪流感、SARS、禽流感、COVID-19等传染性疾病爆发以来，对微生物感染控制的科学探索不再局限于微生物学家或医学科学家，流体力学可以做为研究微生物传播特性的重要手段。医院空调病房相对封闭且微生物污染相对集中，通风空调系统应能有效控制病房内微生物污染物的传播，预防病房人员的交叉感染。普通病房的微生物污染物的主要来源为室外空气、通风空调系统、人体呼吸活动和室内潮湿部位等，其中，人体呼吸活动产生的飞沫是病房微生物污染的重要来源。病人在呼吸、说话和咳嗽时会从口部产生含有致病菌的飞沫污染物，增大医护与陪护人员的感染风险。据统计，SARS期间，北京和香港地区医院的医护人员感染率接近20%，台湾地区医院的医护人员感染率高达 30%[1]。Wei等[2-3]对人体呼吸活动产生的飞沫在室内环境中的释放、传播和扩散特性进行了综述，并强调气流组织的影响至关重要。因此，应建立良好的病房通风气流组织，快速将飞沫污染物排除，防止病房人员的交叉感染。

由于CFD 方法具有实用性强、可靠性好等优点，能够对室内气流组织进行科学地预测和评价，文中通过CFD方法重点关注空调病房内病人产生的飞沫污染物在室内空间的传播特性，其中，飞沫污染源的粒径、数目、速度和温度等是CFD模拟研究的基础数据。Papineni[4]采用光学粒子计数器(OPC)和分析透射电子显微镜(AEM)对人体呼吸和咳嗽飞沫粒径进行测量，发现其粒径均呈双峰值分布，健康人呼吸产生的飞沫粒径范围为0～2.5 μm，90%都小于1 μm。Nicas等[5]建立了飞沫蒸发粒径随时间的变化函数，当飞沫水分完全蒸发时，飞沫核粒径约为飞沫初始粒径的44%。Chao等[6]采用干涉成像仪(IMI)和粒子图像测速仪(PIV)对呼吸、咳嗽产生的飞沫数目进行测量，发现呼吸产生的飞沫数目为112～6 720个；咳嗽产生的飞沫数目为 947～2 085个；Gupta等[7-8]认为呼吸速度随时间呈正弦函数变化，咳嗽速度随时间呈伽玛分布函数关系；Hoppe[9]发现当不考虑环境温度对飞沫的影响时，飞沫温度与人体温度相等。可见，由于研究者采用的实验方法不同，咳嗽产生的飞沫粒径分布的实测值差异较大，分析这些实验数据，发现人体咳嗽产生的飞沫粒径范围大都在0～200 μm之间，依据Wells[10]纯水飞沫蒸发—沉降曲线，初始粒径大于160 μm的飞沫受重力作用，未完全蒸发之前就会沉降至2 m以下。文中基于已有文献的相关实验数据，通过分析整理获得CFD模拟的基础数据。

同时，国内外学者对空调房间内颗粒污染物的运动规律也进行了大量的研究。Zhang等[11]采用拉格朗日法对室内颗粒物在3种送风方式的浓度分布特征进行模拟；通过实验发现，下送风方式排除室内颗粒物的能力最强，但飞沫污染物在传播时存在蒸发，与普通固体颗粒物的传播存在差异。Chao等[12]指出粒径大于87.5 μm的飞沫主要受到重力作用而沉降，而粒径小于45 μm的飞沫则主要随空气传播，但在模拟时则将飞沫污染源的速度设置为稳态，与实际情况偏离较大。Ji等[13]采用离散相模型研究了相对湿度与气流组织形式对病人呼出的感染性飞沫在病房内的蒸发、空间分布与扩散距离的影响，模拟结果显示大多数飞沫在变成飞沫核或沉积之前集中在人体口部±0.5 m范围内，但模拟中仅考虑飞沫的呼出而没有考虑吸入，且飞沫速度为常数。孙炜[14]利用单颗粒随机轨道模型模拟空调病房内病人咳嗽飞沫的浓度分布，指出下送风形式排除室内飞沫的效率要比置换通风和混合通风高，但在模拟时仅考虑了1次咳嗽产生的飞沫。Li 等[15]通过实验测试和CFD模拟2种方法对2个站立的人之间呼出飞沫的暴露水平进行了研究，得出1.5 m为区分飞沫短距离传播与远距离传播的临界距离，但模拟时仅模拟了呼吸模式下飞沫的暴露水平而没有考虑咳嗽模式。

笔者采用CFD模拟方法，探寻空调病房内飞沫污染物在上送上回、贴附射流和上送下回3种气流组织下的传播规律。与现有研究相比，文中在模拟方法上有所改进。首先，模拟时考虑人体飞沫传播过程的蒸发特性；其次，医护人员只考虑呼吸活动，而病人在前60 s内咳嗽4次且每次持续1 s，其余时间均为呼吸活动；另外，呼吸产生的飞沫粒径简化为均匀分布[16]，咳嗽产生的飞沫粒径按不同粒径范围所占平均百分数，结合离散相模型中Rosin-Rammler分布给出其粒径分布函数；最后，编写UDF程序并写入Fluent描述病人呼吸与咳嗽产生飞沫的非稳态速度分布。通过分析模拟数据，对3种气流组织形式排除病房飞沫污染物能力进行初步评价，找出飞沫污染物去除效率最好的气流组织形式。

1 研究方法

1.1 物理模型构建

文中对重庆市3家综合医院的普通病房进行了现场调研，发现普通病房内最常见的气流组织形式为上送上回和贴附射流，而上送下回则是规范手册中推荐的气流组织形式，故选择这3种气流组织形式来开展模拟研究。物理模型依据重庆市某综合医院的双人普通病房，尺寸为长7.5 m、宽3.5 m、高3 m，采用ICEM CFD 16.0建立物理模型，建模时将人员头部与躯体分别简化为正方体和长方体，人体飞沫污染源全部由口部喷出，口部尺寸为长20 mm×宽20 mm，病房卫生间门关闭，缝隙设置为宽0.2 m×高2.1 m。不同气流组织营造的实质为房间送、回风口位置的调整，3种典型气流组织病房的物理模型如图1所示。

图1 病房3种气流组织的物理模型Fig. 1 The physical model of general ward under three typical air distribution forms

1.2 数学模型描述

选择Fluent 16.0作为CFD模拟软件，模拟时对数学模型进行如下假设：

1)病房气密性良好，不考虑房间的渗漏风量；

2)室内空气为常温、低速、常物性、不可压缩的牛顿流体湍流流动；

3)沫颗粒之间不发生凝并、破碎现象，且不考虑飞沫颗粒的存活与衰减特性；

4)沫污染物仅由人体口部喷射而出，无其他来源。

因为空调病房空气为湍流流动，且RNG k-ε模型的计算速度快、结果准确，故选择RNG k-ε模型进行求解，采用壁面函数法模拟近壁面区的流动[17]。Fluent中规定体积分数小于10%的飞沫和颗粒负载流动，应采用离散相模型，房间中飞沫体积分数远小于10%，因此选择离散相模型模拟飞沫喷射与传播过程。考虑到离散相与连续相的相互作用，且病房内粒径小的飞沫长时间悬浮于空气中，采用非稳态离散相模型并开启两相相间耦合计算来模拟飞沫浓度分布。

为了更贴合实际，还需对数学模型进行设置。首先，考虑到飞沫的蒸发特性，将其视为含有一定飞沫核的液滴，选用Droplet作为飞沫污染物的材料，采用通用有限速率化学反应模型模拟飞沫中水分的蒸发过程，不勾选Reaction化学反应模型。其次，根据文献[18]，人体呼吸的喷射速度为正弦函数，咳嗽的喷射速度为脉冲函数，设置病人在前60 s内咳嗽4次，每次持续时间为1 s，其余时间都在呼吸，这种动态过程需要借助UDF(用户自定义函数)编程来解决。数学模型的求解首先利用SIMPLEC算法求解稳态的连续相流场，得到稳定的温湿度流场后，再加入离散相模型并采用PISO算法进行非稳态的两相相间耦合计算，直至收敛[19]。

1.3 模型边界条件

病房围护结构、病床等表面边界条件均根据现场实际表面条件进行设置，进口和出口边界条件设置如表1所示。

表1 进口和出口边界条件Table 1 Inlet and outlet boundary conditions

周期为4 s，呼气为正值，吸气为负值，咳嗽气流速度简化为脉冲函数

周期为15 s；病人和健康人员呼吸活动的气流速度如图2所示。

②开启了离散相模型，进口边界条件需选择逃逸(escape)，表示离散相穿过边界形成逃逸，终止轨道的计算。

图2 病人和健康人员呼吸活动的气流速度Fig. 2 The air velocity of respiratory activities of patients and healthy people

1.4 飞沫污染源的设置

根据现有文献分析可以得到飞沫粒径和数目等参数，参数设置如表2所示。

表2 飞沫污染物主要参数设置Table 2 The main parameter-settings of droplet contaminations

图3 咳嗽飞沫粒径分布(0～200 μm)Fig. 3 The distribution of droplet size generated by coughing(0～200 μm)

2 结果分析

2.1 模型的验证

为了验证CFD计算模型选择的正确性，采用文献[12]中的实测数据对文中选择的数学模型进行验证，依据文献中病房的相关物理参数建立的物理模型，如图5所示。模拟时飞沫污染源粒径设置为实验中的峰值粒径12 μm。边界条件根据文献给出的情况进行设置。数学模型的选择设置同文中2.2节。Fluent模拟结果与实验结果对比,如图6所示。可见，在飞沫喷出后开始一段时间，飞沫的运动轨迹随时间变化的模拟结果与实验结果有较大的偏差，其余的大部分时间变化趋势相同，总体差异不大，说明文中采用的数学模型及UDF程序可以较为准确地模拟病房内飞沫污染物的蒸发扩散。

图5 三人间病房简化物理模型Fig. 5 The simplified physical model of triple general ward

图6 模拟数据与实验数据对比Fig. 6 The comparison between simulation results and experimental results

2.2 上送上回

医院空调病房目前普遍采用上送上回气流组织形式，上部回风更方便布置回风管路，同时可以带走病房照明灯具的散热量，适用于有一定美观要求的普通病房。该气流组织形式下病房内飞沫传播模拟结果，如图7所示。图中的飞沫浓度是指单位空间体积内所含飞沫的质量，单位为kg/m3。

图7 病人与医护人员口部截面的飞沫浓度云图(15 s)Fig. 7 The contour of droplet concentration on the cross section of patient and medical staff’s mouth (15 s)

由图7(a)可知，15 s时图中右侧靠近窗户的病人咳嗽产生的飞沫，由于靠窗一侧天花板处病房排风口的抽吸作用，导致飞沫朝病房窗户侧扩散，粒径大的飞沫往地面沉降；相邻病床的病人产生的飞沫则会随咳嗽气流向上扩散，朝着图中左侧病房入口天花板处的回风口方向运动。表明2个病人呼吸和咳嗽时产生的飞沫在扩散过程中相互影响较小。

由图7(b)可知，15 s时图中左侧靠近窗户的病人咳嗽产生的飞沫会朝站立的医护或陪护人员呼吸区附近扩散，对病房健康人员的影响较大；相邻病床的病人产生的飞沫只有少量往病人口部上方扩散，大部分不会进入医护或陪护人员呼吸区。

为了更加清晰地表示飞沫在房间扩散分布的情况，利用MATLAB软件编程，将房间按0.4 m×0.4 m×0.4 m划分为多个小立方体，每个小立方体内的飞沫个数计算在其中心点位置，表示该小立方体内个数浓度，得到不同粒径飞沫个数浓度分布图，如图8所示(图中红色*为病人嘴部位置，红色+为陪护或医护嘴部的位置，蓝色*或+为嘴部投影到地面的位置，图中色彩条表示小立方体内的飞沫数目)[22]。从图8可知，飞沫喷出后15～300 s，不同粒径的飞沫在病房已充分扩散。在2位病人与2位健康人员呼吸区内的不同粒径飞沫平均个数浓度随时间变化，如表3所示。

图8 不同时刻不同粒径飞沫的个数浓度空间分布图(个/m3) (A.粒径<0.1 μm；B.粒径为0.1～3 μm；C.粒径为3～10 μm；D.粒径>10 μm)Fig. 8 Spatial distribution of number concentration of droplet with different particle size at different time (A. Particle size<0.1 μm; B. The particle size between 0.1 μm to 3 μm; C. Particle size between 3 μm to 10 μm; D. Particle size>10 μm)

表3 不同粒径飞沫呼吸区平均个数浓度随时间变化(个/m3)

由表3可知，B类飞沫个数浓度最大，且A、C、D 3种粒径范围的飞沫个数浓度呈先升后降的趋势。这是因为A、C、D 3类飞沫均为咳嗽产生，咳嗽结束其数量不再增加，飞沫在病房内扩散蔓延或被排除，且大粒径飞沫会沉降，导致浓度降低；而B类飞沫由呼吸和咳嗽共同产生，呼吸一直在继续，飞沫数量不断增加，所以对于健康人员，其呼吸区飞沫个数浓度会增加，直到飞沫的产生与排除达到平衡为止，但是对于病人，由于咳嗽产生的气流的推动作用，会使病人呼吸区内由呼吸活动产生的B类飞沫的个数减少，故病人呼吸区内B类飞沫浓度呈先降后升的趋势。

2.3 贴附射流

贴附射流是另一种广泛应用于医院普通病房中的气流组织形式，利用射流的附壁效应增大射程，通常安装在病房入口处，回风口位于风机盘管下部，占用空间小。该气流组织形式下的模拟结果,如图9所示。

图9 病人与医护人员口部截面的飞沫浓度云图(15 s)Fig. 9 The contour of droplet concentration on the cross section of patient and medical staff’s mouth (15 s)

由图9(a)可知，15 s时图中左侧病人周围的飞沫浓度较大，原因是在贴附射流气流组织形式下，2个病人均处在回流区，飞沫释放后会向病房入口侧回风口扩散，图中右侧病人呼出的飞沫会影响相邻病人，容易引起相邻病人的交叉感染，存在安全风险。

由图9(b)可知，15 s时医护或陪护人员呼吸区平面内飞沫浓度较小，但由于回流的作用，病人产生的飞沫会流经站立的医护或陪护人员呼吸区，因此医护或陪护人员受到感染的风险较大。

该送风方式下在2位病人与2位健康人员呼吸区内的不同粒径飞沫平均个数浓度随时间变化,如表4所示。

表4 不同粒径飞沫呼吸区平均个数浓度随时间变化(个/m3)Table 4 Average number concentration of droplet with different particle size in respiratory area at different time

由表4可知，B类飞沫个数浓度最大，因为回流区的存在，A、B、C 3种粒径飞沫在病人呼吸区个数浓度均比上送上回气流组织形式下的低，而在健康人员呼吸区个数浓度均比上送上回气流组织形式下的高，D类飞沫由于回流区和沉降的作用浓度越来越低，贴附射流气流组织形式下产生的飞沫污染物对健康人员的影响较大。

2.4 上送下回

上送下回为文献[23]推荐的送风方式，送风口送入房间的气流先流经医护人员呼吸区域，再流向病人，最后由病床下部回风口排出，病房气流组织模拟结果如图11所示。

图10 病人与医护人员口部截面的飞沫浓度云图(15 s)Fig. 10 The contour of droplet concentration on the cross section of patient and medical staff’s mouth (15 s)

由图10(a)可知，15 s时图中右侧靠近窗户的病人产生的飞沫受底部回风作用，迅速向病床侧下方回风口聚集，而图中相邻病床病人产生的飞沫受送风气流影响，先向病房入口侧运动，再向下部回风口流动，病人之间发生交叉感染的概率较小。

由图10(b)可知，15 s时病人产生咳嗽飞沫会朝站立医护或陪护人员呼吸区附近扩散，但由于送风气流的推进与下部回风口的抽吸，能较快排出医护人员呼吸区，建议医护或陪护人员在病房送风口下部区域活动。

上送下回气流组织形式下不同粒径飞沫在2位病人与2位健康人员呼吸区内的平均个数浓度随时间变化如表5所示。

表5 不同粒径飞沫呼吸区平均个数浓度随时间变化(个/m3)Table 5 Average number concentration of droplet with different particle size in respiratory area at different time

由表5可知，当飞沫充分扩散至整个病房时，健康人员呼吸区不同粒径飞沫个数浓度与另外2种气流组织形式相比最低，而病人呼吸区B类飞沫个数浓度较高，这是因为上送下回气流组织形式的回风口位于病床下部，离病人呼吸区较近。上送下回气流组织形式对病房内健康人员更为有利。

2.5 污染物排除效果评价

从模拟结果可知，上送下回送风方式由于回风口位于病房床头下部，靠近污染源，能维持室内较低的飞沫污染物个数浓度，排除室内飞沫污染物的能力最强。文中采用通风效率Ev(t)来评价不同气流组织下送风气流对房间不同位置污染物的排除效果，Ev(t)越大说明送风气流对房间某一位置污染物的排除效果好，反之，Ev(t)越小，说明送风气流对房间某一位置污染物的排除效果差[24]。Ev(t)计算式为

(1)

式中，Ce(t)为t时刻排风口污染物个数浓度，个/m3；Co(t)为t时刻送风口污染物个数浓度，个/m3；C(t)为t时刻评价区域污染物个数浓度，个/m3。可设送风口浓度Co(t)=0，式(1)简化为

(2)

此时，通风效率为某时刻排风口处的飞沫污染物个数浓度与工作区个数浓度之比，根据模拟结果，计算得到不同气流组织形式下病房内健康人员呼吸区通风效率，如图11所示。

图11 不同气流组织形式下健康人员呼吸区通风效率对比Fig. 11 The time-varying ventilation efficiency in respiratory area of medical staff under three typical air distribution forms

由图11可知，上送下回气流组织形式通风效率在健康人员呼吸区内均大于上送上回和贴附射流气流组织形式，300 s时上送下回气流组织形式通风效率约为0.34，上送上回气流组织形式通风效率约为0.24，贴附射流气流组织形式通风效率约为0.12，同样说明上送下回气流组织形式排除室内飞沫污染物的能力最强。

3 结 论

针对空调病房内病人产生的飞沫污染物在室内空间的传播特性，基于文献与现场调研获得现有综合医院空调病房气几种常见流组织形式，以及人体呼吸活动产生飞沫的粒径、数目、速度和温度等基础数据，运用Fluent软件建立了病房物理模型与飞沫污染物蒸发扩散模型，借助软件的开放接口用户自定义函数(UDF)编写程序作为人体4次咳嗽与呼吸结合的飞沫喷射过程的速度输入条件。分析模拟飞沫在病房内的蒸发扩散与迁移，得到以下结论：

1)上送上回、贴附射流和上送下回3种气流组织下，粒径在0.1～3 μm之间B类飞沫在病人与健康人员呼吸区域个数浓度都最大，且1～5 μm的粒子可进入肺深处，对人体造成的危害较大。300 s时上送上回气流组织形式下，B类飞沫在健康人员呼吸区域个数浓度超过2 500个/m3，贴附射流超过4 200个/m3；而上送下回气流组织形式下，B类飞沫在健康人员呼吸区域个数浓度只有1 500个/m3左右，比上送上回低40%，比贴附射流气流组织形式低近70%，说明上送下回气流组织形式排除飞沫污染物效果更好。

2)对比上送上回、贴附射流和上送下回3种气流组织形式，300 s时在站立健康人员呼吸区域，即健康人员距地面高度1.6 m处的通风效率，上送上回气流组织形式通风效率约为0.24，贴附射流气流组织形式通风效率约为0.12，上送下回气流组织形式通风效率约为0.34，说明上送下回气流组织形式排除病房飞沫污染物的能力最强。

3)目前医院病房常采用的贴附射流气流组织形式对病原微生物飞沫污染物的排除效果较差，容易造成室内人员的交叉感染，建议普通病房采用上送下回气流组织形式。