武汉大花山方舱医院病床区环境改善模拟研究

王当瑞 徐先港 郝爽 刘京 董建锴 * 王春香

1 中南建筑设计院股份有限公司

2 哈尔滨工业大学建筑学院

3 寒地城乡人居环境科学与技术工业和信息化部重点实验室

0 引言

方舱医院是利用既有建筑，在 最短时间内，以 最小的成本建设和改造的临时收治场所，在 新冠肺炎疫情的消灭阻击中起到了重要作用。然而，由 于体育场馆的层高和功能要求等影响，改 造后的方舱医院存在热分层，局 部流速较大的问题。为了营造方舱医院内部的负压环境，门 缝需要承担 20%的补风量，这 给靠近门位置的患者造成了较大的吹风感。此外，方舱医院内存在的热分层及空气流动性差等特点不利于患者呼吸污染物、病 毒飞沫的有效排出，增 大了患者及医务工作者的患病概率。一 些合理的气流组织改进措施，比如增设挡板，增 加排风口等，可 以对方舱医院内的环境起到积极作用。

合理的气流组织是营造舒适健康室内环境的前提，为 了改善局部环境内的流场状况，增 设挡板是行之有效的方法之一。杨柳[1]通过在地铁列车车厢主风道内添加挡风板，使 整个车厢内的温度梯度控制在3 ℃以内(24 ℃-27 ℃)，风 速达到规范要求，提 高了风道出风均匀性和车厢内气流组织的合理性。郭长勇[2]等通过在送风口周围加设500 mm 挡板，增加了到达手术区高度的气流速度，降 低了关键区温度，提 高了热舒适性与手术室空间的温度均匀性。范昕杰[3]等 发现竖直挡板的加设能显著提高机柜在进风面上的风量的均匀性，对冷通道内的速度流场有较大改善作用，能够降低通道内流速，修 正孔板出风方向，在 较高温度区的控制上作用显著。

除增设挡板外，合 理设置送排风口位置，也 是改善环境局部流场，提 高人员热舒适感，增 大污染物排除效率的手段。周怀改[4]对机械通风的数值模拟结果表明进风口位置会影响室内污染物的浓度分布，当 排风口位置不变，进 风口位置下移时，可 以提高通风效率，改 善室内污染物排出的效果。敖永安[5]通 过对顶排和侧排两种排风口设置位置的模拟分析，发 现靠近污染物散发处侧排风方案的卫生间内污染物浓度最低，具有最好的通风效果。侯艳[6]等发现排风口位置的设置影响污染物的扩散方向，当 进排风口位置的设置使室内无回流无漩涡时，室 内污染物可以较好的排出室外。李雪薇[7]等 通过数值模拟发现合理的送排风口位置能够有效的降低CO 浓度，满 足人员的卫生要求，排 风口均匀布置在车库顶部时效果较好。

为了改善方舱医院内部热环境，提高空气流动性，增 大病毒污染物飞沫的排出概率，本 文对武汉江夏大花山方舱医院 A 馆病床区提出了增设挡板与局部排风口的优化方案，并 通过数值模拟方法，对 两种增设挡板工况与一种增设排风口工况进行了模拟对比，分 析两种措施的环境改善作用，为 以后的方舱医院建设改造提供指导意见。

1 物理模型

1.1 工程概况

武汉江夏大花山户外运动中心 A 馆地上一二两层均为方舱医院，A 馆一层由“三区两通道”（污染区、半污染区、清 洁区。医 务人员通道、患 者通道）组 成。本 研究模拟对象为武汉江夏大花山方舱医院 A 馆一层病床区，大 花山方舱医院A 馆平面布局如图1 所示。A 馆一层病床区共设置273 张床位，6 个护士站，床 位之间不设置围挡。改 造后，A 馆一层病床区送风系统采用全空气系统，布 袋风管送风。布袋风管开孔方向为4:30 方向与 7:30 方向，在 模拟计算时将开孔简化为15 mm 宽的条缝处理。原空调系统回风口封闭，实 现全新风运行。排风系统在原有防排烟系统的基础上进行改造，并 增设下排风口与组合过滤器（粗效过滤器G4+中效过滤器 F8+高效过滤器 H13）[8]。此外，通 过在污染区内设置空气净化器，来 净化室内空气，延 长过滤器的使用寿命。在每个病床上铺设了电热毯，并 在每8 位患者间设置一盏功率为 2000 W 的电油汀来保障患者的人体热舒适。

图1 大花山方舱医院A 馆一层平面布局图

1.2 优化方案

根据对大花山方舱医院 A 馆病床区的环境模拟发现，在 靠近两侧外门位置处患者的风速较高，超 过了规范要求。在方舱医院中心位置，存 在通风死角区域，局部气流速度过小，使污染物难以及时排出。为了提高患者的热舒适性，改 善病床区的气流组织，提 出了在靠近门位置的患者病床处设置挡板，在 病床区中部增设排风口的环境优化方案。根据方舱医院门的尺寸及门与病床的距离，确 定挡板几何尺寸为 1.94 m×2.00 m、4.00 m×1 .60 m 两种方案。大花山方舱医院挡板及局部排风口安装位置见图2。

图2 大花山方舱医院挡板与局部排风口位置

方案一：在 距离外墙2.50 m，距 离患者病床0.75 m处增设挡板，挡 板几何尺寸为 1.94 m×2 .00 m（W×H）。沈向阳[9]等发现挡板厚度对送风均匀性及气流组织影响不大，故 在设计方案中不会考虑挡板厚度所带来的影响。

方案二：在 距离外墙 2.50 m，距 离患者病床0.75 m 处增设挡板，挡板几何尺寸为 4.00 m×1 .60 m（W×H）。

方案三：在 方案二优化的基础上，在 方舱医院中间位置，距离地面 0.10 m 高度处增设 2 个局部排风口，排 风口几何尺寸为 0.8 m×0 .5 m（W×H），排 风量为每个5000 m3/ h。

大花山方舱医院A 馆病床区、病床、护士站、风 管、排 风口、电 油汀等物理模型尺寸见表1。

表1 物理模型几何尺寸

2 数学模型

2.1 求解方法

基于连续性方程，动量守恒方程与能量守恒方程，建 立方舱医院A 馆一层病床区的数学模型。湍流模型选用标准k-ε湍 流模型。求解器选用压力基求解器。为减小微分方程低阶格式产生的假扩散误差，导 致湍流计算结果的不准确性，能 量方程、动 量方程均采用二阶迎风离散格式。模型收敛指标均保持默认。考虑到空气温度变化对密度产生的影响，采用Boussinesq 假设，忽略空气内部的粘性耗散以及压强变化引起的变密度，仅 考虑由于空气温度的变化而产生的密度变化。因为本次模拟为稳态模拟，经 初步计算得知人员和电热毯散热约52.9 kW，电油汀散热约72 kW，根 据电气专业提供的病房照明灯光散热约6.7 kW，约 占总散热量的 5%，灯 光散热相对于其他热源较小，因 此忽略灯光和手机等热源。同时不考虑患者在方舱医院内部运动时造成的气流干扰，仅 考虑因温差引起的热羽流效果。

2.2 边界条件

经改造后空调系统送风量为41000 m3/ h，根据风量平衡，为 了维持污染区内负压的工作环境，必 然需要门缝的渗透进行补风。由于送风口面积已知，故可以通过设置送风口风速来确定送风量。电热毯的功率为 110 W，电 油汀的功率为 2000 W，人 员散热以成年男子在20 ℃时的散热量为标准，散 热量为84 W。具 体计算模拟过程中所使用到的边界条件见表2。

表2 数值模拟边界条件参数设置

3 模拟结果分析

3.1 空间温度场结果分析

考虑到患者口鼻呼吸带高度，选 取y=1.6 m（模型规定y=0 m 处为地板）为 水平温度观测截面，见 图 3。在无任何优化措施的条件下，方 舱医院内部温度分布存在明显不均匀性，靠 近中心位置处的病床温度较高，靠近门位置处的病床由于受到门缝冷风渗透的影响而温度较低。经过设置挡板与增加局部排风口后，方 舱医院内部的温度分布不均匀性得到明显改善。对比方案一与方案二，方 案二中较大面积的挡板对室内温度的提高效果较好，但 对室内温度均匀性的控制较差。对比方案二与方案三，增 设局部排风口后会造成方舱医院中间位置区域的高温空气的排出，使 空间温度降低。由 图3 与图4 可以发现，上 述增设挡板与局部排风口的优化措施会造成方舱医院内部环境温度的升高。由图 4 可知，1.0 m-2.0 m 高度处，方舱医院内部温度提高了0-0.8 ℃。其原因是挡板位置的增设使门缝的渗透风与两侧墙壁处的排风口发生了气流短路，渗 透冷风未及时与空气掺混换热便通过排风口排出。由于方舱医院空调系统为全新风运行，空 间平均温度的升高可以降低空调系统送风温度，有 利于空调系统节能。

图5 为方舱医院内部垂直截面温度分布图。三种优化方案都有效改善了 0-2.0 m 高度处内的温度不均匀性，提高了方舱医院病床区的平均温度。但竖直方向依旧存在较大的垂直温差，热分层现象明显。最大垂直温差为 5.6 ℃，最 小垂直温差为 4.8 ℃，过 大的垂直温差会造成患者呼吸污染物的凝滞，形 成高浓度的水平污染物凝聚带，不 利于患者呼吸污染物的及时排出。同时热分层也会促进患者病毒飞沫的扩散，增 加患者间交叉感染的风险[10]。

图3 y=1.6 m 处温度分布

图4 不同高度处温度分布

图5 垂直温度分布

3.2 空间流场结果分析

为了维持污染区负压的设计要求，空 调送风量占排风量的 80%，其余 20%的送风量由门缝渗透来完成。这一部分的门缝渗透风量达8200 m3/ h，使 靠近门位置处产生了较大风速，给患者造成了较大的吹风感，局 部风速最高达到1.0 m/s，如 图6 中A 图所示。此 外，在中间位置的呼吸带高度处的局部风速极小，存 在一通风死角区域（图 6-A 中黑框区域），患 者呼吸污染物容易堆积，造 成浓度的升高，长 时间暴露于高浓度气溶胶污染物的情况下增大了病毒经气溶胶传播的风险[11]，危 害患者及医务人员的健康。经 过优化设计后，靠 近门位置处的风速水平得到有效改善，患 者吹风感得到有效缓解。对比方案一与方案二可知，方 案二对靠近门位置处风速的控制效果较好。对比方案二与方案三，增 设局部排风口后方舱医院中间位置处的局部流场得到改善，一 定程度上解决了通风死角区域的污染物堆积问题。

图6 y=1.6 m 处空气流速分布

从图7 中可以看出，增设挡板与局部排风口均不能改善垂直高度上的流场状态，布 袋风管的吊装高度较高，送 风风速较低，其 高温送风难以及时送至患者活动区域。高温空气在空间顶部堆积一方面不利于系统节能，另 一方面使患者呼吸污染物和病毒飞沫在人员呼吸区发生凝滞，增 大了患者间交叉感染的概率和医务人员的工作风险。

图7 垂直空气流速分布

4 讨论

通过对增设挡板及局部排风口的优化方案进行模拟分析后发现，挡 板与局部排风口相结合的方案对方舱医院内部环境有着良好的改善效果。挡板在有效阻隔门缝渗透风对相邻患者带来影响的同时提高了方舱医院内部平均温度，有利于空调系统的节能。局部排风口的设置缓解了通风死角区域的低风速，避 免了中央位置患者呼吸污染物的堆积。该研究确定了挡板及局部排风口设置对方舱医院内部环境改善的积极作用，为 未来方舱医院的建设及环境改造提供了简单可行的设计方案，但 缺少对挡板与局部排风口的尺寸及安装位置的深入探索，热 分层现象及空调送风难以及时送至患者位置两大问题依旧没有解决，需 要围绕降低布袋风管吊装高度、改 变空调系统送风温度等方面继续展开研究。

方舱医院在城市安全防护的作用是有目共睹的，其建设改造之迅速也被公众认可。在方舱医院的暖通空调系统设计层面上：送 回风形式对病毒扩散传播特性的影响，系 统设计改造的灵活度，疫 情过后的系统消杀等仍需开展进一步研究。在房舱医院的空调送风参数的设计层面上：保证患者热舒适的送风温度，保证患者周围病毒合理浓度的送风量，不 同房舱医院建筑类型的送风参数选取等值得深入探索。

5 结论

1）挡板的设置可以有效降低靠近门位置处的较大渗风风速，缓 解患者的吹风感问题。同时，挡 板的设置提高了室内的平均温度，有 利于空调系统节能。不同尺寸的挡板对于空间内温度与空气流速影响较大，方案二中4 m×1 .6 m（W×H）的 挡板对内部环境的改善效果较好。

2）局部排风口的设置提高了通风死角区域的局部流速，增 大了气流不均匀性，更 有利于患者呼吸污染物的排出，与 挡板结合使用可以获得更好的气流组织改善效果。排风口的设计尺寸、设 计排风量、安 装位置等影响因素值得后续开展相关研究。

3）温 度分层造成的较大垂直温差问题依旧存在，耗能的同时造成污染物的堆积，增 大了患者间交叉感染的风险，给 患者的康复和医务人员的安全工作带来了阻碍。建议降低布袋风管吊装高度，降低空调送风温度，提 高空调系统送风量。