引言
医院是各种病人的汇集地，是各种病原微生物的集聚中心。为了防止院内感染和交叉感染，可以通过建立隔离病区并实施压力控制的方法在隔离病房和周边区域之间形成气流由清洁区→半污染区→污染区的定向流动，并保证这种有序的压力分布在任何时间、任何运行状态下均维持不变。
CFD（计算流体力学）方法在暖通空调领域的应用已日趋成熟。但采用CFD方法模拟隔离病区内的压力分布尚不多见。模拟隔离病区内的压力分布其难点在于如何模拟密闭门窗的缝隙，由于模拟对象是整个隔离病区而非单独的隔离病房，若不对门窗缝隙作适当的简化，则在离散计算区域时会造成网格数量过多，造成计算困难。
本文采用CFD方法，通过建立密闭门窗模型，提出了隔离病区内压力分布的模 拟方法。通过该模拟方法可以检验隔离病区内的压力分布，预测环境风速对隔离病区内压力分布的影响，检验不同密闭性能的门窗及空调系统的不同运行工况对压力 分布的影响。为隔离病区平面布局优化，空调系统的设计及运行管理和密闭门窗的选型提供参考。
1 密闭门窗模型的建立
在模拟隔离病区压力分布时，首先必须对密闭门窗的缝隙作适当的简化。本文根据实际门窗的压差—漏风量关系，将密闭门窗分为不同的气密级别。在建立密闭门窗模型时，将实际门窗的复杂缝隙简化为长度统一（10cm），高度变化（hcm）的孔口。模拟计算不同孔口尺寸模型的气密特性（压差—漏风量关系）。通过对比门窗气密特性的实测值和模拟值，确定各气密级别实际门窗的孔口模型。
1.1 实际密闭门窗的气密特性
文献[1]给出了我国，德国，前苏联在5～50Pa压力范围下不同密闭门窗气密性的测量结果。通过回归分析，可以将实测结果总结为如下的幂函数形式。
密闭门窗气密特性的实测结果如表1所示：
表1 密闭门窗气密特性的实测结果
| 泡沫乳胶条密封，单扇无窗内开，700×1800 | 泡沫乳胶条密封，单扇有窗内开，700×1800 | 橡胶条密封，单扇无窗外开，675×1780，（门膛有回风槽） | 橡胶条密封，单扇无窗外开，675×1780，（门膛无回风槽） | 包布海绵条密封，双扇无窗内开，675×1780 |
| a=5.12 b=0.52 | a=5.24 b=0.53 | a=6.57 =0.57 | a=6.95 b=0.58 | a=7.52 b=0.55 |
| 包布海绵条密封，单扇无窗内开，675×1780 | 橡胶条密封，双扇无窗外开，675×1780，（门膛无回风槽） | 橡胶条密封，双扇有窗外开，675×1780，（门膛无回风槽） | 非密封，单扇无窗外开，675×1780 | 非密封，双扇外开，700×1800 |
| a=7.97 b=0.55 | a=9.88 b=0.55 | a=9.99 b=0.58 | a=17.00 b=0.54 | a=35.79 b=0.53 |
1.2 门窗气密性等级的分类及各气密等级典型门窗的选取
由以上实测结果可以看出：尽管不同类型门窗的气密性有较大差异，但将其气密特性回归为的形式时，各种门的气密性差异主要体现在a值的变化，而b值集中在0.52～0.58。因此本文根据a值的不同范围，将密闭门的气密等级分为以下5级，气密级别的分类及各级别典型门的气密特性如表2所示：
表2 密闭门窗气密等级的划分
| 密闭门 气密等级 | 实测气密特性 | 各级别典型门的气密特性 | ||||
| a值 | b值 | a值 | b值 (选取) | 10Pa压差的漏风量(m3/h) | 代表性的门 | |
| 1级，优良 | ＜10 | 0.52～0.58 | 5 | 0.56 | 18.1 | 泡沫乳胶条密封，单扇无窗内开门，700×1800 |
| 2级，良好 | 10～20 | 0.54 | 15 | 0.54 | 51.5 | 非密封，单扇无窗外开门，675×1780 |
| 3级，一般 | 20～30 | 0.53～0.54 | 25 | 0.53 | 84.8 | / |
| 4级，较差 | 30～40 | 0.53～0.54 | 35 | 0.53 | 118.1 | 非密封，双扇外开门，700×1800 |
| 5级，极差 | ＞40 | 0.53 | 50 | 0.53 | 168.1 | / |
1.3 密闭门窗模型的初步选取
模拟结果准确，数值计算方便是选取密闭门窗模型的两个基本原则。在对门窗复杂缝隙作简化时，常见的处理方法是以1m长，h mm 高系列的缝隙代表实际门窗缝隙。这样会导致空间离散网格的最小尺寸在毫米量级，无疑对于大空间模拟（如整个隔离病区），不仅增加了空间离散的难度也延长了计算收敛的时间。本文采用10cm长，hcm高系列的孔口作为密闭门窗模型，这克服了上述缺点，使得该系列模型更适用于压力分布的实际工程模拟。
1.4 密闭门窗模型的建立
对于同一门窗模型，在6种不同送风量下计算求解了两室压差。从计算结果可以看出同一房间内压力分布均匀，因此以两房平均压差和房间的送风量作为门窗模型的气密特性参数。同样将模拟结果总结为式（1）的幂函数形式，模拟结果列于表3。
表3 不同气密等级门窗模型气密特性的模拟结果
| 模型尺寸 | 10cm×1cm | 10cm×2cm | 10cm×3cm | 10cm×4cm | 10cm×5cm |
| 气密特性 | a=2.7,b=0.54 | a=6.7,b=0.52 | a=7.3,b=0.52 | a=13.1,b=0.52 | a=13.4,b=0.56 |
| 模型尺寸 | 10cm×6cm | 10cm×7cm | 10cm×8cm | 10cm×9cm | 10cm×10cm |
| 气密特性 | a=18.6,b=0.53 | a=22.7,b=0.52 | a=26.8,b=0.51 | a=30.3,b=0.51 | a=34.7,b=0.50 |
| 模型尺寸 | 10cm×11cm | 10cm×12cm | 10cm×13cm | 10cm×14cm | 10cm×15cm |
| 气密特性 | a=37.4,b=0.51 | a=41.0,b=0.50 | a=42.1,b=0.50 | a=46.0,b=0.50 | a=48.6,b=0.51 |
1.5 密闭门窗模型的验证
由上表可见，采用长10cm，高hcm的孔口代表密闭门窗时，其气密特性参数b值在0.50～0.56之间，与表1实际门窗的特性参数b值（0.52～0.58）非常接近，说明采用该系列孔口代表密闭门窗的气密特性具有较高的准确性。
另外，与长1m、高h mm系列的孔口相比，采用长10cm、高h cm的孔口作为密闭门窗模型可以大大降低离散网格数量（以上述4m×4m×4m房间为例，两者网格数量相差近1个量级），从而减小了计算量，使该系列模型更适用于工程实际模型。
1.6 密闭门窗模型的选取
根据表2的实测结果和表3的模拟结果，可以针对不同气密级别的实际门窗选取适当的孔口模型。不同门窗对应的孔口模型如表4所示：
表4 不同气密等级门窗对应的模型尺寸
| 密闭门气密等级 | 1级，优良 | 2级，良好 | 3级，一般 | 4级，较差 | 5级，极差 |
| 对应的模型高度 （长10cm） | 1～3cm | 4～6cm | 7cm，8cm | 9～11cm | ＞ 12 cm |
| 典型门窗对应的模型高度（长10cm） | 2cm | 5cm | 8cm | 10cm | 15cm |
2 隔离病区压力分布的模拟方法
通过建立密闭门窗模型，主要可以实现以下模拟功能：①在给定平面布局，送排风情况及密闭门窗类型及布局 情况下，模拟预测隔离区域内各洁净区间的压力分布情况。检验压力梯度是否满足设计要求。②在给定平面布局及送风量的情况下，根据隔离等级确定出的压力分布 要求，模拟试算应该采用何种等级的密闭门窗以及应如何布局。为密闭门窗的选型提供依据。③在给定平面布局，密闭门窗类型及分布的情况下，根据压力梯度的设 计值，模拟试算满足压力分布要求时各区域的正/负压风量。为送排风系统的设计提供依据。④在给定平面布局，密闭门窗类型及分布 的情况下，模拟预测通风系统不同运行工况时，模拟对比隔离病区内压力梯度的变化情况。为通风系统的运行管理提供参考。⑤在给定平面布局，送排风情况及密闭 门窗类型及环境风速时，模拟预测环境风速对压力分布的影响。⑥在不同的平面布局情况下，模拟对比隔离区域内的压力分布情况。为平面布局及人/物洁污流程的优化提供参考。上述模拟功能可总结为表5所示：
表5 压力分布模拟功能汇总
| 通过建立密闭门窗模型能够实现的模拟预测功能 | |||||
| 功能 方法 | 检验设计结果 | 为设计提供依据 | 为空调系统的运行管理提供参考 | 为平面布局及人/物流程优化提供参考 | |
| 密闭门窗的选型 | 空调系统的设计 | ||||
| 输入参数 | 平面布局，送排风，密闭门窗 | 平面布局，送排风，压力分布要求 | 平面布局，密闭门窗，压力分布要求 | 平面布局，密闭门窗，系统不同工况 | 送排风，密闭门，各种平面布局 |
| 模拟步骤 | 预测 | 试算 | 试算 | 预测 | 预测 |
| 模拟结果 | 压力分布 | 满足压力分布要求的密闭门窗 | 满足压力分布要求的正/负压风量 | 各工况下对应的压力分布 | 各平面布局对应的压力分布 |
3 隔离病区压力分布模拟的应用研究
以下以上海市某医院隔离病区的改造工程为背景，以预测隔离病区内压力分布及环境风速对压力分布的影响为例，说明上述模拟方法的实际工程应用价值。
3.1 预测隔离病区内压力分布
表6 隔离病区内实测压差及风量
| 隔离病房 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 负压风量（m3/h） | 666 | 700 | 607 | 652 | 702 | 555 | 751 |
| 医护区 | 机械室 | 更衣室 | 缓冲间 | 医护办公 | 男更衣 | 女更衣 | |
| 正压风量（m3/h） | 37.5 | 44.5 | 78.8 | 810 | 86.3 | 105.8 | |
根据现场调研，选用如下的密闭门窗模型：医护区外窗:10cm×10cm，医护区门10cm×15cm，隔离病房缓冲室前（后）门：10cm×10cm，隔离病房外门：10×15cm，病人走廊外窗10cm×15cm，区域之间隔离门10cm×15cm。根据上述实际送、排风量，及门窗模型，对该隔离病区内的压力分布的数值模拟结果如下所示：
由以上压力分布的实测和模拟结果比较可见：模拟结果和实测结果接近，说明了本文建立的密闭门窗模型可以用于工程模拟，具有较高的准确性。
3.2 环境风速对隔离病区内压力分布的影响
为了预测最不利环境风向对隔离病区内压力分布的影响，考虑环境风由污染区吹向清洁区。以环境风速5m/s为例，风压系数迎风面取0.8，背风面取0.4，预测结果如下所示：
由模拟结果可见，在该例中环境风速对隔离病区内的压力有一定的影响，最不利影响出现在病人走道，在迎风的情况下，压力由原来的－3.0Pa增至＋1.3Pa，因此应考虑适当提高病人走道外窗的气密性。
4 结论
4.1 为了实现区域之间压力分布的模拟，必须对门窗的复杂缝隙作适当的简化。本文采用长10cm高hcm系列的孔口代表整个门窗的复杂缝隙，由于模型尺寸较大，从而大大降低了区域压力求解的计算量，使得采用CFD方法模拟区域压力分布能够用于实际工程。
4.2 隔离病区压力分布模拟的准确性主要取决于密闭门窗模型的选取。采用长10cm，高hcm系列的孔口时，其气密特性的模拟值（0.5＜b＜0.56）与密闭门窗气密性的实测结果（0.52＜b＜0.58）非常接近。说明该系列孔口在模拟压力分布方面具有较高的准确性。
4.3 以上海某医院隔离病区为工程背景的实例研究表明：隔离病区内压力分布的模拟结果和实测结果接近。
4.4 模拟洁污区域之间的压力分布具有实际工程应用价值，通过模拟能够检验设计结果，预测环境风速对隔离病区压力分布的影响，为密闭门窗的选型和空调系统的设计提供依据，为空调系统的运行及隔离病区的管理提供参考，为隔离病区内平面布局及人（物）流的规划提供参考。
参考文献：
1.符济湘，俞渭雄，《洁净技术与建筑设计》，中国建筑工业出版社.
2.沈晋明，刘云祥，隔离病房与非典病房通风空调设计，暖通空调，2003年,第4期.
3.沈晋明，邓伟鹏，正确认识空调系统防范非典型肺炎，暖通空调，2003年,第3期特刊.
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