王智華 畢海權(quán) 王宏林 李孟柯

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

2020年新冠疫情的襲來(lái)使全世界經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展遭遇了重大損失。國(guó)家衛(wèi)健委在試行第七版的診療方案指出：經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播是新冠病毒的主要傳播途徑，且在相對(duì)封閉的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間暴露于高濃度氣溶膠情況下存在經(jīng)氣溶膠傳播的可能[1]。在疫情防控常態(tài)化的當(dāng)今，診室作為抗疫主戰(zhàn)場(chǎng)，在做好人員救治的同時(shí)也要防范交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。室內(nèi)氣流組織對(duì)污染物能否有效排放有著較大影響[2]，因此診室的空調(diào)通風(fēng)方案需要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的研究方法主要分為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種，并且均多以示蹤氣體為研究對(duì)象來(lái)研究污染物的傳播。Rydock[3]和凌繼紅等[4]以六氟化硫?yàn)槭聚櫄怏w，實(shí)驗(yàn)研究了氣流組織對(duì)病房排污效率的影響。李勇[5]使用二氧化碳?xì)怏w作為示蹤氣體，以數(shù)值模擬的方法對(duì)ICU 病房空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行了研究。此外，嵇赟喆等[6]結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，檢驗(yàn)了在負(fù)壓病房中使用二氧化碳?xì)怏w替代呼吸道疾病病人帶菌飛沫來(lái)研究污染物傳播及分布的可行性與可靠性。因此，本文以二氧化碳?xì)怏w為示蹤氣體，研究不同空調(diào)通風(fēng)方案下診室內(nèi)污染物的傳播及分布。

1 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用ANSYS-FLUENT 研究診室在不同空調(diào)通風(fēng)方案下的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及污染物濃度場(chǎng)，以選擇合適的空調(diào)通風(fēng)方案并對(duì)已有方案進(jìn)行優(yōu)化。房間內(nèi)的空氣流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)湍流粘性流動(dòng)，滿足質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒定律[7]。為防止診室內(nèi)污染物由門(mén)縫擴(kuò)散至外界，診室內(nèi)為負(fù)壓環(huán)境，因此在數(shù)值模擬中需要考慮氣體壓縮性，將診室內(nèi)空氣設(shè)置為理想氣體。同時(shí)，由于污染物的擴(kuò)散過(guò)程產(chǎn)生了組分運(yùn)輸，因此需要應(yīng)用組分運(yùn)輸模型。此外，因RNG k-ε模型較標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型在室內(nèi)空調(diào)通風(fēng)模擬中有著更高的準(zhǔn)確度[8]，本文數(shù)值模擬中采用RNG k-ε湍流模型。

2 數(shù)值模型及邊界條件

本文研究對(duì)象為多聯(lián)機(jī)方案和分體空調(diào)方案兩種，其中多聯(lián)機(jī)方案采用多聯(lián)機(jī)和新風(fēng)機(jī)組聯(lián)合送風(fēng)的方式來(lái)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境控制，分體空調(diào)方案采用分體空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組聯(lián)合送風(fēng)的方式來(lái)進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境控制。多聯(lián)機(jī)方案和分體空調(diào)方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖分別如圖1 和圖2 所示。診室內(nèi)設(shè)計(jì)壓力為-10Pa，設(shè)計(jì)溫度為25℃，兩方案下除送風(fēng)口和回風(fēng)口風(fēng)速不同外其余邊界條件一致，各邊界具體參數(shù)如表1 所示。

表1 邊界條件Table 1 Boundary conditions

圖1 多聯(lián)機(jī)方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖Fig.1 Layout plan and three-dimensional model of multi-split air-conditioner scheme

圖2 分體空調(diào)方案的系統(tǒng)平面圖和三維模型圖Fig.2 Layout plan and three-dimensional model of split type air-conditioner scheme

3 結(jié)果與討論

為判斷各方案下診室內(nèi)氣流組織優(yōu)劣，截取1.6m 高度（呼吸區(qū)域高）處房間內(nèi)的速度分布、溫度分布、壓力分布和污染物濃度分布進(jìn)行對(duì)比分析。此外，為了更全面地判斷各方案下房間內(nèi)污染物的分布情況，截取兩方案下診床床頭和辦公桌附近（0.75m 高度）污染物濃度分布進(jìn)行對(duì)比分析。室內(nèi)熱舒適性評(píng)級(jí)參照GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，具體評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示[9]。

表2 熱舒適度等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Evaluation standard of thermal comfort level

3.1 速度場(chǎng)

兩方案下1.6m 高度截面速度分布如圖3 所示，可以觀察到在多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)產(chǎn)生了更大范圍的高風(fēng)速區(qū)。多聯(lián)機(jī)方案下此截面內(nèi)的平均風(fēng)速為0.26m/s，滿足熱舒適風(fēng)速I(mǎi)I 級(jí)要求；分體空調(diào)方案下此截面的平均風(fēng)速為0.22m/s，滿足熱舒適風(fēng)速I(mǎi) 級(jí)要求。此外，還可觀察到，兩方案下在房間的門(mén)縫附近與送風(fēng)口正下方均存在較大范圍的局部高流速區(qū)，局部高流速區(qū)的風(fēng)速主要在0.6m/s-1m/s 之間。這主要是受送風(fēng)風(fēng)速以及門(mén)縫滲透風(fēng)的影響。由以上分析可知，在速度場(chǎng)方面，分體空調(diào)方案優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖3 速度云圖（m/s）Fig.3 Velocity contours(m/s)

為對(duì)兩方案下診室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步分析，繪制兩工況下多聯(lián)機(jī)（分體空調(diào)）送風(fēng)口及新風(fēng)口流出氣流的流線于圖4 中。由圖4（a）可知，多聯(lián)機(jī)垂直向下送風(fēng)且有較高的速度，因此氣流撞擊地面時(shí)將產(chǎn)生較大的反向速度，并且以較高的速度向四周散開(kāi)，這使得室內(nèi)形成了以多聯(lián)機(jī)送風(fēng)為主導(dǎo)的較為紊亂的流場(chǎng)。由圖4（b）可知，分體空調(diào)水平送風(fēng)風(fēng)速較小，因此氣流向下流動(dòng)過(guò)程中易受新風(fēng)引導(dǎo)，從而在室內(nèi)形成了以新風(fēng)送風(fēng)為主導(dǎo)的較為穩(wěn)定的流場(chǎng)。

圖4 流線圖Fig.4 Streamlines

3.2 溫度場(chǎng)

兩方案下1.6m 高度截面溫度分布如圖5 所示，由圖中可知，兩方案下診室內(nèi)溫度分布都較為均勻，但多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)低溫區(qū)范圍更大，這是多聯(lián)機(jī)的豎直高速送風(fēng)導(dǎo)致的。多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)平均溫度為24.5℃，分體空調(diào)方案下室內(nèi)平均溫度為24.6℃，兩方案下室內(nèi)溫度值均與設(shè)計(jì)值相近且均滿足I 級(jí)熱舒適要求。由以上分析可知，在溫度場(chǎng)方面，分體空調(diào)方案略優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖5 溫度云圖（℃）Fig.5 Temperature contours(℃)

3.3 壓力場(chǎng)

兩方案下1.6m 高度截面壓力分布如圖6 所示。從圖中可以看出，兩方案下診室內(nèi)壓力大部分維持在-9.4Pa 左右，與設(shè)計(jì)值-10Pa 基本一致。同時(shí)還可以看到，壓力變化的位置與送回風(fēng)口、排風(fēng)口以及門(mén)縫位置相吻合，說(shuō)明當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)部風(fēng)速出現(xiàn)較大變化時(shí)，該區(qū)域的壓力也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。結(jié)合圖3 和圖5 分析可知，由于多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)流場(chǎng)較為紊亂，因此多聯(lián)機(jī)方案下壓力分布更為不均勻。由以上分析可知，在壓力場(chǎng)方面，分體空調(diào)方案略優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖6 壓力云圖（Pa）Fig.6 Pressure contours(Pa)

3.4 污染物濃度場(chǎng)

兩方案下診室內(nèi)污染物濃度分布如圖7 所示，由圖可知：多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)污染物擴(kuò)散范圍較廣，高污染物濃度區(qū)覆蓋診床和辦公桌病人側(cè)大部分區(qū)域，且辦公桌醫(yī)生側(cè)也存在較高的污染物濃度；分體空調(diào)方案下診室內(nèi)污染物擴(kuò)散范圍較小，高污染物濃度區(qū)主要為診床附近區(qū)域。多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)污染物濃度為0.021%，分體空調(diào)方案下診室內(nèi)污染物濃度為0.012%。結(jié)合圖4 和圖7 分析可知，多聯(lián)機(jī)豎直向下高速送風(fēng)使得診室內(nèi)氣流較為紊亂，撞擊到地面向四周散開(kāi)的氣流在經(jīng)過(guò)高污染物濃度區(qū)域時(shí)增強(qiáng)了污染物的擴(kuò)散，從而使得多聯(lián)機(jī)工況下診室內(nèi)污染物濃度較高且擴(kuò)散范圍更廣。由以上分析可知，分體空調(diào)方案污染物控制效果優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案。

圖7 污染物濃度云圖（%）Fig.7 Pollutant concentration contours(%)

3.5 優(yōu)化方案

雖然多聯(lián)機(jī)和分體空調(diào)方案下診室內(nèi)均滿足舒適性要求，但是兩方案下診室內(nèi)污染物控制效果均不理想，因此，針對(duì)污染物控制效果較好的分體空調(diào)方案進(jìn)行優(yōu)化。由圖7 可知診床附近污染物濃度較高，故而將排風(fēng)口設(shè)置于診床附近進(jìn)行分體空調(diào)方案的優(yōu)化。

圖8 為分體空調(diào)優(yōu)化方案下診室內(nèi)流線圖。結(jié)合圖4 對(duì)比可知，優(yōu)化方案下氣流受排風(fēng)口引導(dǎo)流經(jīng)診床附近而后通過(guò)排風(fēng)口排出。

圖8 分體空調(diào)優(yōu)化方案下的流線圖Fig.8 Streamlines of optimized split type air-conditioner scheme

分體空調(diào)優(yōu)化方案下診室內(nèi)污染物濃度分布如圖9 所示。優(yōu)化方案下診室內(nèi)污染物濃度為0.005%。對(duì)比圖9 和圖7 可知，優(yōu)化方案下診室內(nèi)污染物的擴(kuò)散范圍與濃度都得到了顯著的改善。結(jié)合圖8 分析可知，排風(fēng)口設(shè)置于診床附近可引導(dǎo)氣流流經(jīng)高污染物濃度區(qū)域并及時(shí)排出從而增強(qiáng)了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的污染物排放能力。

圖9 分體空調(diào)優(yōu)化方案下的污染物濃度云圖（%）Fig.9 Pollutant concentration contours of optimized split type air-conditioner scheme(%)

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值計(jì)算研究了不同空調(diào)通風(fēng)方案下診室內(nèi)氣流組織，主要研究結(jié)論如下：

（1）在速度場(chǎng)和污染物濃度場(chǎng)方面分體空調(diào)方案顯著優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案，在溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)方面分體空調(diào)方案略優(yōu)于多聯(lián)機(jī)方案，因此診室應(yīng)選擇分體空調(diào)方案。

（2）診室內(nèi)部空間較小，多聯(lián)機(jī)方案下室內(nèi)氣流較紊亂，污染物的擴(kuò)散被增強(qiáng)且污染物不易被排出，因此相較于分體空調(diào)方案，在多聯(lián)機(jī)方案下診室內(nèi)污染物的擴(kuò)散范圍更廣并且濃度更高。

（3）將排風(fēng)口設(shè)置在診床附近可有效提升空調(diào)通風(fēng)方案污染物控制效果，采用此方法分體空調(diào)方案下污染物濃度從0.012%減小為0.005%。