数字化技术在医院建筑绿色健康环境设计中的应用实践

文｜太原中医医院 王力文

在实际的医院房间中，空气参数（例如速度、温度和浓度等）的分布是不均匀的[1-2]。为了保证室内热环境的舒适程度，需要对房间内部的空气环境进行精细化模拟[3-4]。本文基于计算流体力学CFD 的方法，对于我国寒冷热工气候区中医院建筑夏季空调冷却工况下的典型病房房间进行数值模拟；同时采用建筑室内环境热评价参数比较不同送回风模式的实际效果。在数值模拟的基础上，给出工程设计建议，同时也对于其它气候分区医院病房空调气流组织数值设计提供范例。

1.计算方法介绍

计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是空间离散和纳维-斯托克斯方程的仿真预测工具，用于求解流体的参数在时间和空间分布问题。CFD的开发源于航空科技，后来逐渐扩展到土木、电子、环境、机械、医学等多个领域[5-6]。近年来，CFD 在建筑环境中发挥越来越重要的作用，是建筑性能分析的有手段（包括环境、能耗、力学等）。相对于实验测量研究，其成本更低、信息更多、功能更强。CFD 通常包含如下几个主要环节：构建几何模型、空间区域离散、数理模型选择、数值仿真迭代、数据后处理等。

2.计算结果

本文以某医院住院楼典型病房的单人间、双人间和三人间为典型案例进行分析，具体的数值模拟步骤包括房间建模策略、网格策略、计算流程策略、初步计算等。图1展示了顶送顶回工况下的三种病房布局和送回风口位置。送风模式都是顶送顶回，不同之处在于病床的大小不同。根据病人的数量不同，每个房间的送风速度不同；室外环境温度设置为30 摄氏度，送风温度是21 摄氏度。本文医院位于我国北方地区，热工分区整体上属于寒冷地区（如山西太原），故夏季室外温度选取30 摄氏度，而非我国南方炎热高温气候。对于该医院环境调控系统，夏季采用空调降温模式，冬季采用换热器采暖模式（热舒适程度好且节能经济），春秋等过度季节则直接采用自然通风模式。本文的研究重点是该热工气候分区下的医院病房夏季空调降温模式。对于其它环境调控模式，将在未来研究之中进行详细分析，且不是本文的研究重点内容。当前医院病房外墙厚度45 cm，采用带有保温属性的钢筋混凝土材料。

图1 医院住院楼典型病房的布局和送回风模式

图2展示了三种病房内距离墙面距离为1.8m 平面的温度场和速度场分布，此平面的截面位置包含了病床。由于送风口设置在房间顶部，病床上的病人会有严重的吹风感。这对于病人的热舒适和健康是极为不利的。当然，通过调整送风口和病床的相对位置可以减缓吹风感。但这样做有两点隐患：一是施工条件不一定允许；二是在房间中走动的人员的热舒适很难保证。因此，尽管顶送顶回的方式施工容易，但对于医院房间的整体热舒适是极为不利的。

图2 医院住院楼典型病房顶送顶回模式下的模拟结果（垂直面）

图3展示了三种病房内距离地面高度为1.8m 平面的温度场和速度场分布。由于送风口设置在房间顶部，病床上的病人会有严重的吹风感。这对于病人的热舒适和健康是极为不利的。水平截面的结果很难分析出较为有用的结论。因此，采用包含床位的垂直截面数据更为合理。

图3 医院住院楼典型病房顶送顶回模式下的模拟结果（水平面）

本文发现医院房间内顶送顶回的模式存在吹风感等问题。因此，我们推荐侧侧送顶回的模式，如图4所示。送风口在墙壁侧，但是回风口在顶部，这也是有利于施工的。本文以医院住院楼典型病房的双人间为典型案例进行分析，具体的数值模拟步骤包括房间建模策略、网格策略、计算流程策略、初步计算等。室外环境温度设置为30 摄氏度，送风温度是21 摄氏度；房间的换气次数是6 次。我们在保证总的送风量的基础上，通过改变送风口尺寸以改变送风速度。本文模拟了三种送风速度下的双人间工况，包括0.8 m/s,1.0 m/s,1.3 m/s。本文采用两个不同的热评价指标以评价不同的送风模式，包括PMV 和PPD。PMV（Predicted Mean Vote）是指预测平均评价指标，同空气温度、湿度、速度、辐射温度、衣服热阻等紧密相关。PMV 指标表明群体对于（+3～-3）七个等级热感觉投票的平均指数。PMV 数值越大，人体热感觉越偏热；PMV 数值越小，人体热感觉越偏冷；PMV接近于0，则室内环境越舒适。PPD 是人体热舒适不满意百分比，此比例越大则越多的人不满意，建筑热环境质量越差。

图4 医院住院楼典型病房的布局和送回风模式

图5展示了双人病房内距离墙面距离为1.8m 平面的PMV 场和速度场分布，此平面的截面位置包含了病床。由于送风口设置在房间侧顶部，病床上的病人没有严重的吹风感。尽管病房房间内部有一定的热分布不均匀性，但PMV 在正负0.5 之间波动，满足病人热舒适的要求。在吹风感方面，算例2(送风速度为1 m/s 时)的空间整体吹风感最弱。考虑到工程的实际性质，本团队认为采用1.0 m/s 的送风速度是最优工况。送风速度偏高，吹风感来源于较强的射流；送风速度偏低，吹风感来源于较强的射流；送风速度偏低，吹风感则来源与冷空气的下沉。因此，存在最优的气流组织设置。

图5 医院住院楼典型病房侧送顶回模式下的模拟结果（垂直面/PMV）

图6展示了双人病房内距离墙面距离为1.8m 平面的PPD 场和速度场分布。结果显示病人区域和房间整体区域的热感觉不满意率低于10%；整体上看病房内部空气速度较低，不会给人员（包括医生、病人、以及家属等）造成显著的吹风冷感以及热不满意问题。综上，医院建筑房间中的侧送顶回气流组织模式满足热舒适需求。

图6 医院住院楼典型病房侧送顶回模式下的模拟结果（垂直面/PPD）

本文针对夏季空调的冷却工况进行数值设计，通过向病房送入冷风以有效去除建筑室内的产热量。通过CFD 手段对于病房室内气流组织系统进行优化，有效保证了室内的热舒适程度，并降低了不满意百分比。本文还通过数值方法探究了医院不同墙体厚度的影响（当前外墙厚度45 cm，本文计算了49 cm 和54 cm 两个工况）。模拟结果显示，增加墙体厚度对于建筑热环境影响小于5%且可以忽略，其主要原因是墙体厚度较大对于建筑室外热流，故当前基于建筑标准化的病房墙体设计可以满足建筑热工设计要求。本研究主要聚焦于我国寒冷地区医院病房夏季空调工况的室内通风气流组织设计，其相关方法并不适用于其它工况，例如冬季采暖工况和春秋过渡季自然通风工况。对于采暖工况，需要发展相应的辐射制热模拟方法；而对于自然通风工况，需针对开窗形式的不同发展基于建筑室内外耦合仿真预测的混合式流体力学方法。

3.结论

本文采用CFD 数值模拟的方法比较了医院病房中顶送顶回和侧送顶回的气流组织模式以及热舒适情况。结果显示侧送顶回可以满足热舒适需求，同时也方便实际工程施工。