導(dǎo)語：隔離病區(qū)壓力影響論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：對隔離病區(qū)的壓力梯度進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了環(huán)境風(fēng)速、門窗開啟、運(yùn)行狀態(tài)的改變等外界因素對壓力梯度的影響。模擬結(jié)果表明，環(huán)境風(fēng)速對隔離病區(qū)的壓力梯度不會產(chǎn)生較大的影響，而門窗開啟、運(yùn)行狀態(tài)的改變則會導(dǎo)致壓力梯度的變化，引起交叉感染。

關(guān)鍵詞：隔離病區(qū)壓力梯度外擾數(shù)值模擬

0導(dǎo)言

2003年SARS期間發(fā)生在醫(yī)院內(nèi)的超級感染事件給人們敲響了警種，醫(yī)院內(nèi)部無序的氣流組織是發(fā)生交叉感染的最大隱患，嚴(yán)重影響到了醫(yī)患人員的健康安全。特別是病人治療場所－隔離病房區(qū)域更是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，為了防止傳染病源的擴(kuò)散，需要對單元內(nèi)的分區(qū)進(jìn)行合理的布置，盡量減少干擾壓力梯度形成的氣流。因此，不僅要保持單元與外部環(huán)境之間的合理氣流流向，在單元內(nèi)部也需要形成合理的氣流流向。切斷致病微生物沿空氣途徑傳播的關(guān)鍵在于不同潔凈區(qū)域之間形成合理的壓力差，即壓力梯度。目前國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對室內(nèi)外的壓差值作了相應(yīng)的規(guī)定。但是，這些壓力差值都指是靜態(tài)壓力值，但是對于醫(yī)院的病房來講，室外風(fēng)速、開關(guān)門、運(yùn)行狀態(tài)的改變、外部電梯運(yùn)行等動態(tài)狀況是不克避免的，這些動作必然會影響到隔離室的壓差和氣流。本文利用CFD對外擾對隔離病區(qū)的壓力梯度的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為隔離病房的相關(guān)工程實際提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1區(qū)域壓力梯度的數(shù)值模擬

1.1壓力梯度模擬的對象

本文選取上海某醫(yī)院隔離病房為模擬對象，該醫(yī)院是SARS期間指定收治病人的定點(diǎn)醫(yī)院，把普通病房改造成SARS隔離病房后，其內(nèi)部的氣流模型基本符合WHO標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)要求?，F(xiàn)以此為基本模型進(jìn)行SARS隔離病區(qū)內(nèi)壓力分布模擬，并把模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相比較，以檢驗?zāi)M結(jié)果的可靠性。

1.2數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格生成

在不同的湍流模式理論中，確定湍流粘度的方法不同，因標(biāo)準(zhǔn)[8]模型在數(shù)值計算中波動小，精度較高，故在低速湍流數(shù)值分析中應(yīng)用廣泛。穩(wěn)態(tài)湍流運(yùn)動基本方程式除連續(xù)性方程外，還有動量方程、湍流脈動動能方程(K方程)、湍流能量耗散率方程(方程)等．這些方程用下述通式表示：

（1）

方程（1）中左邊項為對流項，右邊項為擴(kuò)散項，以及源項。為因變量，可以代表各種不同的物理量；U代表速度場，即｛U,V,W｝三個速度分量（笛卡兒坐標(biāo)系）?？傊?，無論何種情形，所有的因變量都服從一個通用的守恒原理，其差異只不過是上述方程上令某些項為0而已。

上述偏微分方程離散的方法有很多種，有限元、邊界元、有限差分等，最成熟的是有限差分法，本文亦以此分析．動量方程及標(biāo)量方程(k及)的對流項采用冪函數(shù)差分格式，而擴(kuò)散項采用中心差分格式，則可以推導(dǎo)出一個通用的離散方程式[9]。

（3）

在網(wǎng)格的劃分上采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式，重點(diǎn)考察區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，輔助區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這種網(wǎng)格形式的劃分在不影響計算精度的前提下，可以大大縮短計算時間。

1.3邊界條件及計算求解方法

空氣從送風(fēng)口進(jìn)入，再通過排風(fēng)口流出，且由于區(qū)域之間存在壓力梯度，門窗縫隙處也存在著空氣流動。由于不同區(qū)域之間的滲透風(fēng)量和壓力差值相互耦合，整個區(qū)域的氣流處于一個動態(tài)的平衡狀態(tài)，因此縫隙處的空氣流動非常復(fù)雜，很難直接通過計算獲得其空氣流量。因此，把送風(fēng)口和排風(fēng)口設(shè)為定流量邊界條件，門窗縫隙設(shè)為自由出入邊界條件。

標(biāo)準(zhǔn)模型適用離開壁面一定距離的完全湍流區(qū)域。固體壁面附近，因?qū)恿髡承宰饔糜绊懠訌?qiáng)，必須對標(biāo)準(zhǔn)模型加以修正。本文采用壁面函數(shù)法加以修正墻壁邊界區(qū)。

對于計算方法的選擇，壓力速度解耦采用Patankar提出的壓力一速度修正算法（SIMPLE），而各線性化離散方程采用SLUR，即逐次線性欠松弛法。

1.4實測驗證

根據(jù)隔離病區(qū)內(nèi)實際的平面布局情況，送排風(fēng)情況和密閉門窗的數(shù)量和位置建立幾何模型。送風(fēng)口和排風(fēng)口設(shè)為定流量邊界條件，門窗縫隙設(shè)為自由出入邊界條件。在常物性參數(shù)，穩(wěn)態(tài)工況，等溫狀態(tài)下，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型計算得到的SARS隔離病區(qū)內(nèi)的壓力分布結(jié)果如圖2所示。

圖1隔離病區(qū)內(nèi)壓力分布的實測結(jié)果

圖2隔離病區(qū)內(nèi)壓力分布的模擬結(jié)果

由上圖可以看出，實測結(jié)果和模擬結(jié)果比較吻合，各個區(qū)域均能形成有序的梯度壓差，確保了氣流的定向流動，因此采用該模型可以真實的反映隔離病區(qū)的壓力梯度。

2結(jié)果與討論

2.1外界風(fēng)速對室內(nèi)壓力梯度影響

參照《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》，上海市的冬季的平均風(fēng)速為3.1m/s，夏季的平均風(fēng)速為3.2m/s，現(xiàn)考慮最不利狀況，參照氣象數(shù)據(jù)，取最大風(fēng)速為5m/s。風(fēng)速對室內(nèi)壓力梯度的影響主要是通過風(fēng)壓的影響。當(dāng)風(fēng)吹到建筑物上時，在迎風(fēng)面上，由于空氣流動受阻，速度減小，使風(fēng)的部分動能變成靜壓，在建筑物迎風(fēng)面的壓力大于大氣壓，形成正壓區(qū)。而在背風(fēng)面、屋頂和兩側(cè)，由于在氣流曲繞的過程中，形成空氣稀薄現(xiàn)象，因此，在這些部位的壓力將小于大氣壓力，形成負(fù)壓區(qū)。

下面在環(huán)境風(fēng)速較大時（以5m/s為例）對兩種最不利風(fēng)向下，環(huán)境風(fēng)速對隔離區(qū)壓力分布的影響預(yù)測結(jié)果如圖3，4所示：

圖3病人走廊處于迎風(fēng)面時的壓力分布

圖4醫(yī)護(hù)區(qū)處于迎風(fēng)面時的壓力分布

由模擬分析可見：環(huán)境風(fēng)速對邊緣區(qū)（醫(yī)護(hù)區(qū)，病人走廊）影響較大?？照{(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，環(huán)境風(fēng)速不會影響隔離病區(qū)內(nèi)的壓力分布規(guī)律。

對于醫(yī)護(hù)區(qū)，環(huán)境風(fēng)速對室內(nèi)壓力的影響如圖5所示（正風(fēng)速表示迎風(fēng)）。由圖可見：隨著環(huán)境風(fēng)速的增大（迎風(fēng)），醫(yī)護(hù)區(qū)壓力升高。當(dāng)環(huán)境風(fēng)速增大到4m/s時，環(huán)境風(fēng)壓高于室內(nèi)風(fēng)壓，室外空氣會滲透到醫(yī)護(hù)區(qū)，但這并無害處。

圖5環(huán)境風(fēng)速對醫(yī)護(hù)區(qū)壓力的影響

對于病人走廊，環(huán)境風(fēng)速對室內(nèi)壓力的影響如圖6所示（正風(fēng)速表示迎風(fēng)），由圖可見：隨著環(huán)境風(fēng)速的增大（迎風(fēng)），病人走廊壓力升高。但其始終小于環(huán)境風(fēng)壓，說明污染物不會外滲影響環(huán)境安全。

對應(yīng)整個隔離病區(qū)，環(huán)境風(fēng)速對室內(nèi)壓力的影響如圖7所示：圖中正風(fēng)速表示風(fēng)由北至南吹（醫(yī)護(hù)區(qū)為迎風(fēng)面，病人走廊為背風(fēng)面）。

圖7環(huán)境風(fēng)速對隔離病區(qū)壓力梯度的影響

由圖可見：1）當(dāng)空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，盡管環(huán)境風(fēng)速會影響隔離病區(qū)內(nèi)的壓力值，但并不改變隔離病區(qū)內(nèi)合理的壓力分布規(guī)律（醫(yī)護(hù)區(qū)－醫(yī)護(hù)走廊－緩沖室－隔離病房），并且隔離病區(qū)內(nèi)的污染物也不會外逸；2）環(huán)境風(fēng)速對醫(yī)護(hù)區(qū)的影響較大，醫(yī)護(hù)區(qū)與醫(yī)護(hù)走廊之間的壓力梯度隨環(huán)境風(fēng)速有較大的變化。3）環(huán)境風(fēng)速對病人走廊及隔離病房的影響較小，病人走廊與隔離病房之間的壓差幾乎和環(huán)境風(fēng)速無關(guān)。

2.2運(yùn)行狀態(tài)的改變對壓力梯度的影響

隔離病房的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，是按照正常醫(yī)療狀態(tài)下的進(jìn)行設(shè)計的。對SARS隔離病房來講，要求任何時間、任何運(yùn)行狀態(tài)均能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)域之間的正壓分布與各室之間定向流動不變。形成隔離病房部以后，各病房運(yùn)行狀態(tài)可以不同，但保持整個區(qū)域內(nèi)恒定、有序的梯度壓力分布，嚴(yán)格防止室內(nèi)污染空氣滲透到室外以及區(qū)域內(nèi)氣流有序流動勢必也成為重要的控制問題。隔離病房一般分為兩種運(yùn)行模式，即醫(yī)療狀態(tài)和備用狀態(tài)。

當(dāng)某一隔離病房（以病房5為例）由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)時，隔離病區(qū)內(nèi)的壓力分布情況如圖8，9所示：

圖8隔離病房5內(nèi)的風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉時壓力分布圖

圖9隔離病房5內(nèi)衛(wèi)生間風(fēng)機(jī)開時壓力分布圖

由圖可見當(dāng)病房5由醫(yī)療狀態(tài)轉(zhuǎn)為備用狀態(tài)時，當(dāng)送風(fēng)、排風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉，氣流流向改變?yōu)椋翰》孔呃取》績?nèi)部→緩沖室→醫(yī)務(wù)走廊，此時污染物由隔離病房流入醫(yī)護(hù)走廊，形成交叉感染的隱患。因此在備用狀態(tài)時，應(yīng)將排風(fēng)機(jī)調(diào)至低檔運(yùn)行狀態(tài)，以維持隔離病區(qū)內(nèi)壓力的合理分布。

2.3病房門開啟對壓力梯度的影響

在隔離病房門開啟時，與其相鄰的區(qū)域壓力會立刻產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致壓力梯度的改變，引起氣流方向的變化，從而產(chǎn)生交叉感染的隱患。為此按以下三種情況模擬了某一隔離病房（以病房5為例）隔離門開啟后，區(qū)域之間的壓力分布情況。

圖10病房5緩沖室前門開時壓力分布

圖11病房5緩沖室后門開時壓力分布

圖12病房5病人走廊門開時的壓力分布

由上圖可以看出，對于緩沖室來講，其門的開啟沒有造成整個區(qū)域壓力的明顯變化，這是由于緩沖室作為一個狹小空間，除了具有防止污染擴(kuò)散的作用，而且還維持壓力梯度有較好穩(wěn)定性的作用。但是其使用前提是兩個門必須保證連鎖，即兩個門不能同時打開。而隔離病房后門打開時，則可以發(fā)現(xiàn)區(qū)域間的壓力梯度產(chǎn)生了明顯的變化，病房5里的壓力上升的-2.77Pa，遠(yuǎn)高于醫(yī)護(hù)走廊的壓力，導(dǎo)致污染空氣從隔離病房5擴(kuò)散到醫(yī)護(hù)走廊，從而形成交叉感染的隱患。因此，建議對經(jīng)常開啟的門進(jìn)行相應(yīng)的處理，如設(shè)置氣幕裝置，使內(nèi)外區(qū)域隔斷，以降低門開啟對壓力產(chǎn)生的影響。

3結(jié)論

3.1模擬預(yù)測了環(huán)境風(fēng)速對隔離病區(qū)壓力分布的影響。模擬結(jié)果表明在空調(diào)系統(tǒng)正常工作時，盡管環(huán)境風(fēng)速會不同程度的影響隔離病區(qū)內(nèi)的壓力值（醫(yī)護(hù)區(qū)受影響較大，隔離病房受影響較?。?，但并不會對其壓力分布規(guī)律造成影響。隔離病區(qū)內(nèi)能夠保持合理的壓力分布，并且隔離病區(qū)內(nèi)的污染空氣不會外逸至室外，造成對周圍環(huán)境的影響。

3.2空調(diào)系統(tǒng)是保障隔離病區(qū)內(nèi)合理壓力分布的最有效手段。當(dāng)隔離病房處于備用狀態(tài)時，若完全關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，將導(dǎo)致污染空氣由隔離病房流入醫(yī)護(hù)走廊，形成交叉感染的隱患。因此在備用狀態(tài)時，應(yīng)保障排風(fēng)機(jī)運(yùn)行以在不同工況下維持隔離病區(qū)內(nèi)壓力的合理分布。

3.3隔離病房門的開啟對隔離病區(qū)內(nèi)的壓力分布會產(chǎn)生較大的影響。緩沖室對于隔離病房來講除了具有防止污染擴(kuò)散的作用，而且還維持壓力梯度有較好穩(wěn)定性的作用。當(dāng)隔離病房門打開時，各區(qū)域間的壓力分布發(fā)生明顯變化，形成了交叉感染的隱患。因此，建議對經(jīng)常開啟的門進(jìn)行相應(yīng)的處理，如設(shè)置氣幕裝置，使內(nèi)外區(qū)域隔斷，以降低門開啟對壓力產(chǎn)生的影響。

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5《醫(yī)院病房暖通空調(diào)設(shè)計》，沈晉明，《潔凈與空調(diào)技術(shù)》，2002年增刊p.53－58.

6《關(guān)于SARS醫(yī)院空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的思考與設(shè)計實踐》，伍小亭，《暖通空調(diào)》，2003年第5期，P.6-12;