謝軍龍，吳鑫，郭曉亮，侯佳鑫，段梅子，王飛飛，徐新華，高乃平

(1.華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢，430074；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢，430074；3.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海，200092)

醫(yī)院是人發(fā)生交叉感染的高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所[1]，許多感染通過空氣中的病原體[2]傳播。病原體一旦離開感染者，其去向取決于多種復(fù)雜的因素[3]，無論是在整個(gè)房間里[4]，還是在源患者和脆弱個(gè)體周圍的微環(huán)境中[5]，氣流組織是最重要的因素之一。李安桂等[6]研究了不同送風(fēng)模式下病房室的內(nèi)病原微生物的排除效果；凌繼紅等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究了氣流組織對(duì)負(fù)壓隔離病房排污效率的影響；張桉康等[8]研究了不同氣流組織條件下呼氣區(qū)域的飛沫個(gè)數(shù)及飛沫排除效果；鄭曉紅等[9]針對(duì)個(gè)性化通風(fēng)系統(tǒng)下病房的排污效率及吸入空氣質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行了研究；LIU等[10]主要研究了熱均勻和分層環(huán)境中的濃度分布及最大直接暴露距離來評(píng)估暴露風(fēng)險(xiǎn)；YU 等[11]從病毒清除能力的角度探討了綜合醫(yī)院病房通風(fēng)設(shè)計(jì)策略的有效性。目前，人們主要利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)對(duì)隔離病房?jī)?nèi)氣流組織進(jìn)行仿真，但僅從流動(dòng)角度對(duì)病房?jī)?nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)值初步進(jìn)行定性分析，未能結(jié)合病原體傳播途徑及特性對(duì)感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行定量分析。為了對(duì)感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行定量分析，人們基于隨機(jī)非閾值Dose-response 模型[12]，考慮病原體的傳播途徑、粒徑特性等因素對(duì)感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行評(píng)價(jià)[13]。但其都是通過實(shí)驗(yàn)或者數(shù)值模擬后得到某點(diǎn)病原體濃度分布后再進(jìn)行感染風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算，都未將該模型應(yīng)用在CFD 仿真過程中以得到任意時(shí)刻的感染風(fēng)險(xiǎn)值。

因此，為了在氣流組織流場(chǎng)計(jì)算過程中對(duì)隔離病房?jī)?nèi)感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行定量分析，本文作者在隨機(jī)非閾值Dose-response 模型上加以改進(jìn)，提出Medical Staff Dose-response 模型(簡(jiǎn)稱MSDR 模型)。MSDR 模型可結(jié)合CFD 仿真過程分析隔離病房在不同氣流組織參數(shù)下對(duì)醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值的影響，為隔離病房氣流組織設(shè)計(jì)提供參考。

1 MSDR模型建立

1.1 隨機(jī)非閾值Dose-response模型

SZE等[12]提出的隨機(jī)非閾值Dose-response模型公式為

式中：PI(x,to)為在to時(shí)間內(nèi)于x位置處的感染風(fēng)險(xiǎn)值即感染概率；to為暴露時(shí)間，h；m為病原體總個(gè)數(shù)；v(x,t)j為第j個(gè)粒徑病原體的體積分?jǐn)?shù)；fs為咳嗽頻率；p為呼吸量，m3/h；c為初始病原體濃度；f(t)為病原體在空氣中的存活能力參數(shù)；rj為第j個(gè)粒徑病原體的傳染性參數(shù)；βj為第j個(gè)粒徑病原體在肺泡區(qū)域的沉積分?jǐn)?shù)；rj與βj為與病原體的粒徑有關(guān)的參數(shù)。

隨機(jī)非閾值Dose-response 模型關(guān)注的是房間內(nèi)某個(gè)點(diǎn)的感染風(fēng)險(xiǎn)，但是醫(yī)護(hù)人員是在一個(gè)相對(duì)固定的區(qū)域內(nèi)呼吸，其余區(qū)域的暴露水平對(duì)醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)影響較小。只分析某點(diǎn)的感染風(fēng)險(xiǎn)值不能全面反映醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)值。所以，隨機(jī)非閾值Dose-response 模型不利于對(duì)醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨機(jī)非閾值Dose-response模型雖然考慮了咳嗽頻率，但只是簡(jiǎn)單疊加。而患者在一段時(shí)間內(nèi)并不是均勻咳嗽的，有可能前一段時(shí)間咳嗽比較頻繁，后一段時(shí)間基本不咳嗽，且第二次及以后的咳嗽對(duì)呼吸區(qū)域內(nèi)的暴露水平有很大影響。因此，這會(huì)導(dǎo)致得到的暴露水平與實(shí)際的暴露水平有差異。

1.2 MSDR模型

MSDR 模型從以下4 個(gè)方面對(duì)隨機(jī)非閾值Dose-response模型進(jìn)行改進(jìn)。

1)可同時(shí)對(duì)醫(yī)護(hù)人員的呼吸區(qū)域和時(shí)間進(jìn)行積分，從而得到醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值。這表明將醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理可行的，其更能表征醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)值。

2)在實(shí)際過程中，患者咳嗽是無規(guī)律的，咳嗽頻率難以統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)，在對(duì)醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)帶來較大處理難度。因此，MSDR模型簡(jiǎn)化了時(shí)域上的處理過程，消除咳嗽頻率不規(guī)律性對(duì)醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值的影響，只對(duì)單次咳嗽的呼吸區(qū)域內(nèi)咳嗽液滴進(jìn)行研究。

3)咳嗽液滴粒徑對(duì)感染風(fēng)險(xiǎn)值影響較大，且咳嗽液滴在隔離病房?jī)?nèi)傳播擴(kuò)散過程中，因蒸發(fā)作用，自身粒徑會(huì)發(fā)生變化，所以，在對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，不可忽略咳嗽液滴的蒸發(fā)效應(yīng)。MSDR 模型在CFD 仿真過程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸區(qū)域內(nèi)咳嗽液滴的循環(huán)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)咳嗽液滴粒徑，從而在感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型中應(yīng)考慮液滴蒸發(fā)效應(yīng)。

4)鑒于氣流組織流場(chǎng)非穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程中采用變時(shí)間步長(zhǎng)求解，因此，為了便于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，本模型將觀察時(shí)間離散為多個(gè)時(shí)間步進(jìn)行積分。

通過以上分析，對(duì)式(1)進(jìn)行修改，即可得MSDR模型公式。

MSDR 模型只考慮醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)，因此，該模型第j個(gè)粒徑病原體的體積分?jǐn)?shù)可表示為

MSDR 模型將觀察時(shí)間離散為多個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，因此，該模型對(duì)時(shí)間積分可表示為

式中：d0jk為第k個(gè)在當(dāng)前步長(zhǎng)的初始直徑為第j個(gè)粒徑的病原體直徑，m；Δti為第i個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)；H為呼吸區(qū)域的豎直高度，該模型隔離病房距地面1.3～1.5 m[14]高度區(qū)域?yàn)獒t(yī)護(hù)人員的呼吸區(qū)域高度，即呼吸區(qū)域高H=0.2 m；S為醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的水平面積，即為房間的占地面積，m2。

通過以上分析，可得醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)MSDR模型公式為

2 MSDR模型數(shù)值應(yīng)用

在對(duì)MSDR 模型進(jìn)行數(shù)值應(yīng)用時(shí)，其正確性不僅取決于MSDR 模型參數(shù)，還取決于咳嗽液滴蒸發(fā)擴(kuò)散模型。咳嗽液滴蒸發(fā)擴(kuò)散模型直接決定了醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值。因此，需要對(duì)咳嗽液滴蒸發(fā)擴(kuò)散模型及MSDR 模型參數(shù)進(jìn)行正確、合理設(shè)置。

2.1 咳嗽液滴蒸發(fā)擴(kuò)散模型設(shè)置

根據(jù)本文中患者的嘴部長(zhǎng)×寬為0.02 m×0.02 m，若咳嗽時(shí)的氣流速度最大為9 m/s，則噴出的最大空氣體積流率為0.003 6 m3/s，咳嗽時(shí)的咳嗽液滴的最大質(zhì)量流率為1.9×10?6kg/s，咳嗽液滴的密度取1 003 kg/m3，則咳嗽液滴的體積流率為1.894×10?9m3/s，咳嗽液滴所占的體積分?jǐn)?shù)為5.26×10?7，遠(yuǎn)小于10%，顆粒物中心的相對(duì)間距與粒徑之比為99[15]。本文所設(shè)置的咳嗽液滴初始參數(shù)都參考以上數(shù)值。對(duì)于本文咳嗽液滴擴(kuò)散傳播的研究可認(rèn)為是稀疏兩相流，可忽略顆粒?顆粒之間的相互作用。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)模擬過程，本文對(duì)咳嗽液滴擴(kuò)散過程進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)咳嗽液滴進(jìn)行了以下4點(diǎn)假設(shè)：

1)咳嗽液滴間不發(fā)生碰撞、破碎與凝并現(xiàn)象；

2)咳嗽液滴與壁面間的碰撞為完全彈性碰撞；

3)咳嗽液滴僅考慮重力、單曳力及熱泳力[16]；

4)咳嗽液滴離開嘴部后開始蒸發(fā)直至無水分，在蒸發(fā)過程中咳嗽液滴保持為球狀[17]。

采用離散相模型(DPM)對(duì)咳嗽液滴的蒸發(fā)擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算；湍流模型選擇RNGk?ε模型；采用隱式Simple 算法耦合壓力和速度場(chǎng)，計(jì)算變量均采用二階迎風(fēng)差分格式；壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；能量方程收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為10?6，其他變量收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)為10?4。

2.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

咳嗽液滴蒸發(fā)擴(kuò)散模型主要用于模擬咳嗽液滴在隔離病房?jī)?nèi)的擴(kuò)散傳播，在此基礎(chǔ)上定量分析因咳嗽液滴擴(kuò)散特性而擴(kuò)散到醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域所導(dǎo)致的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)值?？人砸旱螖U(kuò)散特性的準(zhǔn)確性對(duì)本文計(jì)算結(jié)果的正確性起到?jīng)Q定性作用，針對(duì)該模型對(duì)咳嗽液滴的擴(kuò)散特性進(jìn)行了準(zhǔn)確性驗(yàn)證，將該模型在CHAO等[18]相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行模擬計(jì)算，并將可反映咳嗽液滴擴(kuò)散特性的均方位移與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖1所示(其中，Y2為Y坐標(biāo)二次方的平均值，即為均方位移)。

由圖1可知：數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相似，吻合較好。由咳嗽液滴的均方位移和時(shí)間可得粒徑為28 μm的咳嗽液滴在該段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值分別約為0.010 150 m2/s 和0.010 950 m2/s，粒徑為45 μm的咳嗽液滴在該段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值分別約為0.000 195 m2/s 和0.000 180 m2/s[18]，模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差分別為7.9%和7.7%。因?yàn)樵谀M過程中忽略了咳嗽液滴在實(shí)際擴(kuò)散過程中可能黏附空氣中的顆粒物、咳嗽液滴之間的相互作用等，與實(shí)驗(yàn)值會(huì)有誤差，但都在可接受的誤差范圍內(nèi)。相對(duì)于整個(gè)隔離病房的面積而言，咳嗽液滴在某一時(shí)刻擴(kuò)散位置的模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差是比較小的，其誤差帶來的咳嗽液滴在整個(gè)房間內(nèi)擴(kuò)散特征差異基本可忽略不計(jì)，本模型能較好地反映咳嗽液滴在病房?jī)?nèi)的擴(kuò)散特性。

圖1 不同粒徑下咳嗽液滴均方位移的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of numerical simulation and experimental results of mean azimuth shift of cough droplets with different particle sizes

2.3 物理模型設(shè)置

針對(duì)單人隔離病房，在MSDR 模型基礎(chǔ)上，對(duì)隔離病房?jī)?nèi)患者咳嗽1次后的室內(nèi)的氣流組織進(jìn)行模擬，分析不同氣流組織因素對(duì)MSDR的影響。其中4種送風(fēng)形式分別為單條縫對(duì)側(cè)上送下回、雙條縫異側(cè)上送下回、百葉對(duì)側(cè)上送下回和格柵對(duì)側(cè)下送上回，在下面分析中分別用A，B，C 和D表示，送、回風(fēng)口的布置如圖2所示。隔離病房以及風(fēng)口的具體尺寸見表1。

表1 隔離病房及各風(fēng)口尺寸Table 1 Dimensions of isolation ward and each diffuser

圖2 送風(fēng)形式方案設(shè)計(jì)Fig.2 Scheme design of air supply form

2.4 MSDR模型參數(shù)確定

MSDR 模型適用于分析呼吸道傳染性疾病的感染風(fēng)險(xiǎn)。目前，對(duì)流感病毒的研究比較全面，可獲得流感病毒初始濃度、存活能力等參數(shù)，因此，本文針對(duì)醫(yī)護(hù)人員流感病毒的感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行模擬分析。結(jié)合相關(guān)研究：將醫(yī)護(hù)人員呼吸量設(shè)為8.6 L/min[19]；液滴中的流感病毒初始濃度根據(jù)文獻(xiàn)[20]設(shè)為4.41× 109PFU/L。流感病毒的存活能力按下式處理：

傳染性表達(dá)取值為[13]

病原體粒徑與其在肺泡區(qū)域的沉積關(guān)系[21]按下式處理：

2.5 MSDR模型數(shù)值應(yīng)用流程

MSDR 模型在數(shù)值應(yīng)用的流程為：先通過穩(wěn)態(tài)計(jì)算得到各送風(fēng)形式的初始穩(wěn)定流場(chǎng)，然后通過非穩(wěn)態(tài)方法模擬咳嗽液滴在隔離病房?jī)?nèi)傳播擴(kuò)散過程。在咳嗽過程中(0～0.4 s)，患者嘴巴模型邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口條件?？人越Y(jié)束后，將患者嘴巴模型邊界條件設(shè)置為壁面條件，并保持此狀態(tài)直至計(jì)算結(jié)束。在非穩(wěn)態(tài)模擬過程中，加載并運(yùn)行根據(jù)MSDR 模型相關(guān)公式以及關(guān)鍵參數(shù)編寫的感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)UDF(User Defined Functions，用戶自定義函數(shù))，即可得到相應(yīng)的感染風(fēng)險(xiǎn)值。MSDR模型計(jì)算流程如圖3所示。

3 氣流組織因素對(duì)MSDR影響分析

3.1 送風(fēng)形式對(duì)MSDR影響分析

對(duì)以上4種送風(fēng)形式進(jìn)行模擬，并對(duì)不同送風(fēng)形式下隔離病房?jī)?nèi)醫(yī)護(hù)人員的呼吸區(qū)域感染風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算。

圖4和圖5所示分別為病房?jī)?nèi)的X截面(病房長(zhǎng)的中截面)及Z=0.3 m 截面(距離病房地板0.3 m 截面)的速度等值線圖。由圖4和圖5可知：在4種送風(fēng)形式下，病房?jī)?nèi)的速度分布不同。其中采用格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式時(shí)，病房?jī)?nèi)的風(fēng)速比較低，其分布比較均勻。氣流從病房底部進(jìn)風(fēng)口水平射入房間后，沿房間地板向進(jìn)風(fēng)口相反方向運(yùn)動(dòng)，主氣流受到回風(fēng)口抽吸作用，帶著患者產(chǎn)生的大部分咳嗽液滴直接從回風(fēng)口排出，而其他氣流在室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱氣流提升作用下向上運(yùn)動(dòng)，并帶著其余小部分咳嗽液滴向四周擴(kuò)散，最后從房間頂部排到室外；而在其余3種送風(fēng)形式下，氣流從房間頂部送風(fēng)口射入，由于送風(fēng)速度較大，所以，送風(fēng)口附近的速度梯度比較大，氣流攪動(dòng)較大。在單條縫對(duì)側(cè)上送下回送風(fēng)和雙條縫異側(cè)上送下回送風(fēng)形式下，射入房間內(nèi)的氣流在重力作用下氣流下沉，并向四周擴(kuò)散，裹挾著部分咳嗽液滴向咳嗽反方向從回風(fēng)口流出。而在百葉對(duì)側(cè)上送下回送風(fēng)形式下，氣流從送風(fēng)口斜向下射入，所以，氣流撞擊到障礙物后向上擴(kuò)散，后又受到回風(fēng)口抽吸作用裹挾部分咳嗽液滴向下運(yùn)動(dòng)，從而排出室外。

圖4 X截面速度等值線圖Fig.4 Velocity contour maps of X section

圖5 Z=0.3 m截面速度等值線圖Fig.5 Velocity contour maps of Z=0.3 m

圖6～9所示分別為4種送風(fēng)形式下的咳嗽液滴擴(kuò)散圖，由圖6～9可知：在4種送風(fēng)形式下，咳嗽液滴在病房?jī)?nèi)的分布不同，所以，病房?jī)?nèi)每個(gè)位置的感染風(fēng)險(xiǎn)值也不同。當(dāng)t<10 s時(shí)，在格柵對(duì)側(cè)下送上回和雙條縫異側(cè)上送下回送風(fēng)形式下，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域內(nèi)的咳嗽液滴數(shù)目明顯比其余2種送風(fēng)形式的高。但是當(dāng)t=10～1 000 s時(shí)，格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下的醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的咳嗽液滴數(shù)目減少，當(dāng)t=50 s時(shí)，呼吸區(qū)域的咳嗽液滴數(shù)目明顯比其余3 種送風(fēng)形式的少，到t=1 000 s時(shí)，呼吸區(qū)域基本無咳嗽液滴。而其余3種送風(fēng)形式在t=10 s 后，呼吸區(qū)域的咳嗽液滴數(shù)目還在增加，其液滴數(shù)目及其增加量最多的是雙條縫異側(cè)上送下回送風(fēng)形式。

圖6 單條縫對(duì)側(cè)上送下回送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖Fig.6 Droplet diffusion diagrams at air supply mode of up-supply and down-return on opposite side of single seam

圖7 雙條縫異側(cè)上送下回送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖Fig.7 Droplet diffusion diagrams at air supply mode of up-supply and down-return on opposite side of double seam

圖8 百葉對(duì)側(cè)上送下回送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖Fig.8 Droplet diffusion diagrams at air supply mode of up-supply and down-returnon opposite side of louver

圖9 格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)液滴擴(kuò)散圖Fig.9 Droplet diffusion diagrams at air supply mode of down-return and up-supply on opposite side of grille

圖10所示為4種送風(fēng)形式下的MSDR分析圖，由圖10可知：當(dāng)t<10 s 時(shí)，格柵對(duì)側(cè)下送上回和雙條縫異側(cè)上送下回送風(fēng)形式下，醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)值明顯比其余2種送風(fēng)形式的高。但是當(dāng)t=10～1 000 s時(shí)，格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下的醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值基本不變而其余3種送風(fēng)形式增加幅度比較大。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，其余3種送風(fēng)方式與格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下的感染風(fēng)險(xiǎn)差值變大。當(dāng)t=600 s時(shí)，4種送風(fēng)形式下的感染風(fēng)險(xiǎn)值都基本維持穩(wěn)定，其余3種送風(fēng)形式的感染風(fēng)險(xiǎn)值是格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域感染風(fēng)險(xiǎn)值的6.7～12.5倍。這與咳嗽液滴在呼吸區(qū)域分布規(guī)律相符，因此，用MSDR模型計(jì)算醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域感染風(fēng)險(xiǎn)值是準(zhǔn)確的、可行的。

圖10 不同送風(fēng)形式的MSDR分析Fig.10 MSDR analysis of different air supply forms

出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)楦駯艑?duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式的回風(fēng)口在呼吸區(qū)域上方，送風(fēng)口在呼吸區(qū)域下方，又因?yàn)榭人砸旱瘟皆叫。渲亓驮叫?，在醫(yī)護(hù)人員肺泡區(qū)域的沉積分?jǐn)?shù)就越大，傳染性越強(qiáng)。所以，當(dāng)t=0～20 s時(shí)，在格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下，患者剛噴出的較小粒徑咳嗽液滴大部分被裹挾到醫(yī)護(hù)人員的呼吸區(qū)域，其感染風(fēng)險(xiǎn)值也就最大。但是，隨通風(fēng)時(shí)間變長(zhǎng)，格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下的病房?jī)?nèi)較小粒徑咳嗽液滴大部分已被排出室外，懸浮在呼吸區(qū)域內(nèi)的小粒徑咳嗽液滴已經(jīng)很少，且較大咳嗽液滴基本沉降至地面，所以，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值趨于平緩。而其余3種送風(fēng)方式回風(fēng)口均在房間下部，氣流總體方向與咳嗽液滴擴(kuò)散方向相反，所以，咳嗽液滴到達(dá)醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域所需時(shí)間較長(zhǎng)。因此，咳嗽液滴入射初期，其感染風(fēng)險(xiǎn)值較??；隨室內(nèi)流場(chǎng)的攪動(dòng)，咳嗽液滴容易被氣流裹挾到病房醫(yī)護(hù)人員的呼吸區(qū)域，不易被排出室外，從而導(dǎo)致感染風(fēng)險(xiǎn)值不斷增大。

因?yàn)楸狙芯恐粚?duì)隔離病房進(jìn)行一次咳嗽液滴的入射，所以，在咳嗽液滴基本被排出室外及沉降到地面后，醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的咳嗽液滴數(shù)趨于零，因此，當(dāng)t=1 000 s 時(shí)，醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值也趨于平穩(wěn)，基本不變。

3.2 溫濕度對(duì)MSDR影響分析

選用感染風(fēng)險(xiǎn)值較小的格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式為例，分別模擬分析30%，40%，50%，60%和70%相對(duì)濕度環(huán)境下及18，20，22，24 和26 ℃送風(fēng)溫度下醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值。不同送風(fēng)濕度和溫度的MSDR 分析結(jié)果分別如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可知：溫度和濕度送風(fēng)條件的變化對(duì)醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值影響較小。雖然溫度和濕度送風(fēng)條件對(duì)咳嗽液滴蒸發(fā)的影響較大，但是對(duì)咳嗽液滴擴(kuò)散的影響較小。本文的感染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)是對(duì)醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域內(nèi)的咳嗽液滴數(shù)目以及咳嗽液滴的粒徑、感染性等相關(guān)特性進(jìn)行綜合分析。其中，咳嗽液滴的擴(kuò)散相對(duì)咳嗽液滴因蒸發(fā)效應(yīng)引起的粒徑變化對(duì)醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值的影響較大。這是因?yàn)榭人砸旱伪旧砹捷^小，蒸發(fā)時(shí)間較短，所以，溫度和濕度引起咳嗽液滴蒸發(fā)時(shí)間及粒徑變化值差異非常小，溫度和濕度送風(fēng)條件對(duì)醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值影響較小。

圖11 不同濕度條件下的MSDR分析Fig.11 MSDR analysis at different humidity conditions

圖12 不同溫度條件下的MSDR分析Fig.12 MSDR analysis at different temperatures

但在患者咳嗽后1 000 s 內(nèi)，濕度變化引起感染風(fēng)險(xiǎn)值的變化明顯比溫度的變化大，而且濕度與感染風(fēng)險(xiǎn)值有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域的感染風(fēng)險(xiǎn)值隨濕度的減小而增大。因?yàn)椴》績(jī)?nèi)濕度越小，咳嗽液滴蒸發(fā)速度就會(huì)越快，咳嗽液滴粒徑變小的速度也就越快，在某種程度上增加了病房?jī)?nèi)較小粒徑咳嗽液滴的占比，而較小粒徑咳嗽液滴在肺泡區(qū)域有著較大的沉積分?jǐn)?shù)與傳染性。因此，在患者發(fā)生咳嗽后1 000 s 內(nèi)，濕度越低，醫(yī)護(hù)人員的感染風(fēng)險(xiǎn)值越大。

3.3 換氣次數(shù)對(duì)MSDR影響分析

通過調(diào)節(jié)送風(fēng)風(fēng)速以及風(fēng)口尺寸以實(shí)現(xiàn)每小時(shí)換氣次數(shù)的改變，其模擬結(jié)果分別如圖13和圖14所示。

圖13 定風(fēng)速下的MSDR分析Fig.13 MSDR analysis at constant wind speed

由圖13可知：在定風(fēng)速下，隨每小時(shí)換氣次數(shù)增多，液滴排除能力不斷增強(qiáng)，但是當(dāng)每小時(shí)換氣次數(shù)過多時(shí)，氣流組織對(duì)咳嗽液滴的影響不再明顯增大，當(dāng)每小時(shí)換氣次數(shù)增大到16次/h后，咳嗽液滴排除能力不再隨每小時(shí)換氣次數(shù)的增多有明顯變化。但是，較多的換氣次數(shù)排除液滴的能力較強(qiáng)，時(shí)效性較好，所以，當(dāng)t=100 s 時(shí)，醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值基本已達(dá)到峰值并保持穩(wěn)定。而較少的換氣次數(shù)的咳嗽液滴排除液滴的能力較弱，因此，在t=100 s時(shí)感染風(fēng)險(xiǎn)值仍有顯著增加。在t=1 000 s 時(shí)，每小時(shí)換氣次數(shù)為24 次/h 的感染風(fēng)險(xiǎn)值是8次/h的47%。

由圖14可知：在定風(fēng)口條件下，增大風(fēng)速對(duì)排除液滴效果的增益不明顯，甚至?xí)兴陆?，每小時(shí)換氣次數(shù)為12 次/h 的風(fēng)險(xiǎn)值明顯比其他情況的高。這是因?yàn)轱L(fēng)速增大加劇了液滴在病房?jī)?nèi)的四處擴(kuò)散，因此，感染風(fēng)險(xiǎn)值沒有隨之減小，反而有所增加。

圖14 定風(fēng)口下的MSDR分析Fig.14 MSDR analysis at fixed tuyere

4 結(jié)論

1)送風(fēng)形式對(duì)醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域感染風(fēng)險(xiǎn)值影響較大，當(dāng)感染風(fēng)險(xiǎn)值穩(wěn)定時(shí)，其余3種送風(fēng)形式醫(yī)護(hù)人員呼吸區(qū)域感染風(fēng)險(xiǎn)值為格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下的6.7～12.5倍。

2)在格柵對(duì)側(cè)下送上回送風(fēng)形式下，患者咳嗽后1 000 s 內(nèi)，濕度與感染風(fēng)險(xiǎn)值呈負(fù)相關(guān)，而溫度與感染風(fēng)險(xiǎn)值間無明顯的規(guī)律；在定風(fēng)速條件下，醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)值隨每小時(shí)換氣次數(shù)的增加而增大；在定風(fēng)口條件下，每小時(shí)換氣次數(shù)(風(fēng)速)過少或者過多都會(huì)使感染風(fēng)險(xiǎn)值增大。