西安建筑科技大学侯立安院士团队：适应性贴附通风——负压呼吸性传染病隔离病房有效性的比较研究丨Engineering
西安建筑科技大学侯立安院士团队：适应性贴附通风——负压呼吸性传染病隔离病房有效性的比较研究丨Engineering
engineering2015
《Engineering》是中国工程院院刊主刊，2015年创刊，中英文双语出版，全文开放获取，目标是建设世界一流工程科技综合性权威期刊，报道全球工程前沿，促进工程科技进步，服务社会、造福人类。
引言
新冠病毒的传播给隔离病房的室内环境控制提出了挑战。科学的气流组织设计和运行管理是保证医护人员环境安全的关键。因此，西安建筑科技大学侯立安院士团队提出了适应性贴附通风在隔离病房的应用，并从污染物扩散、去除效率、热舒适性和运行费用等方面对这种送风方式进行了评估。适应性贴附通风将新鲜空气直接、较好地供应至医护人员工作区。与顶送风或侧壁上送风相比，在相同的污染物释放率和房间换气次数（ACH；10 h −1 ）条件下，适应性贴附通风的污染物平均浓度降低了15%~47%。理想的混合通风的污染物去除效率不能超过1.0。对于适应性贴附通风，污染物去除效率是换气次数的指数函数。与顶送风模式或侧壁上送风模式相比，适应性贴附通风可实现相似的热舒适水平[预测平均评价（PMV）为−0.1~0.4；吹风感为2.5%~6.7%]，且以较低的换气次数和能耗获得相似去除污染物的性能。
在传染病如新冠病毒肺炎（COVID-19）、中东呼吸综合征（MERS）或严重急性呼吸综合征（SARS）流行期间，患者与医护人员之间的传播风险大大增加。据报道， 飞沫传播及密切接触是COVID-19的主要传播途径 。此外，根据在密闭空间的临床观察，气溶胶扩散被认为是另一种重要的传播途径。一项回顾性队列研究表明，空气传播可能在SARS病毒的传播中发挥了重要作用。许多其他病毒，如鼻病毒、流感病毒和腺病毒都是通过空气传播的。除了采取个人防护措施（即防护服、医用口罩、护目镜等）和清洁消毒措施（即洗手、表面清洁和消毒）外，还应强调空气呼吸性传染病隔离病房的气流组织。
呼吸性传染病隔离病房应该尽可能减小病房内医护人员的职业暴露，降低病房外其他人员接触病毒传播媒介的可能性。换气次数和气流组织形式是降低医院建筑物中污染物浓度的重要因素。换气次数通常用于衡量送风在整个房间内分布的速度。许多研究表明， 较低的换气次数会增加空气中交叉感染的风险 。在研究中，一般采用的换气次数范围是3~29.9 h −1 。根据不同国家的法规和世界卫生组织（WHO）的建议，换气次数的范围为6~15 h −1 。也有现场试验研究表明，新建的隔离病房并不都符合12 h −1 的换气次数，测试研究中心多达21%（3/14）的隔离病房违反了对现有建筑换气次数6 h −1 的最低要求。使用较低的换气次数是为了节约运行用能。换气次数的概念是将房间作为一个整体，描述其通风状况，并假设送风在整个空间中完全混合。然而，通风房间内空气的混合程度取决于室内气流组织形式。
建筑环境有许多不同的气流组织形式。呼吸性传染病隔离病房气流组织的一般原则是实现并保持新鲜空气从清洁区域到非清洁区域的定向气流流动，并应将排气口尽可能设置在靠近污染源的位置。建筑环境中的气流组织形式主要由送风口和排风口的位置决定，并与换气次数相关的雷诺数（ Re ）、送风状况下的阿基米德数（ Ar ），以及其他潜在的混杂因素相关。在室内空气完全混合的条件下，基于混合通风，通常采用顶送风和侧壁上送风模式。 混合通风的概念最初是考虑房间内人员热舒适性提出的，因此不能有效提升吸入空气质量，尤其是室内有空气污染源的情况下，比如存在呼吸性传染病源 。
置换通风是利用室内热源产生的浮力实现的。置换通风房间中的污染物组织取决于污染源的位置及其与热源的关系。由于空气可直接、较好地供应到医护人员工作区，因此换气次数受到限制，以避免产生人体不适感。因此， 西安建筑科技大学侯立安院士团队有机结合了混合通风、置换通风和冲击射流的优点，提出了贴附通风 。送风射流的高动量可以通过墙壁维持，并且由撞击获得可接受的空气速度，以到达医护人员工作区。这一概念的背景机制是扩展康达效应（Coanda-Li effect），是一种射流在撞击后继续附着在凹凸表面复合体的趋势。
适应性贴附通风是基于竖壁贴附通风的一种变工作区调控模式，气流结构如图1所示。 适应性贴附通风表现为当靠近壁面的等温射流从送风口流出后，射流发生偏转，贴附墙壁表面向下流动，碰撞后转向的流动 。撞击区是分离点和再贴附点（再贴附点与滞止点重合）之间的区域，其压力接近环境压力。在撞击区下游，静压增加并达到最大值。利用恢复的静压，射流克服壁面阻力进行水平移动。撞击地面后，描述射流运动特征的关键是确定虚拟原点，其由扩展康达效应决定，该效应还决定了水平射流范围 s h 和送风的轴心速度衰减 v max / v 0 （ v 0 是送风口的初始速度）。轴心速度衰减的最终结果是达到工作区的设计空气速度。
图1. 用于呼吸性传染病隔离病房的适应性贴附通风及其射流结构。Region I：竖壁贴附区；Region II：水平射流区。 s 0 ：竖壁贴附长度； s y ：分离点I和滞止点之间的距离； s v ：虚拟原点和滞止点之间的距离； s h ：水平射流范围； v max ：轴心速度； v ：不同位置上的速度。
多年来室内环境研究领域的研究人员将计算流体力学（CFD）作为预测通风空间中空气运动的有效工具。像“火神山”和“雷神山”（建于中国武汉）这样需要在短时间内快速建造的医院，使用现场实验方法通常难以解决设计问题。在这种情况下，计算流体力学可以通过已验证的数值模型，对隔离病房的气流组织进行科学的数值计算，并为室内空气污染控制提供有效的方法。
数值模拟结果表明，与其他气流组织形式相比，适应性贴附通风可以为医护人员和患者创造一个清洁舒适的区域且能耗更低。因此，本研究的主要结论如下：
（1） 适应性贴附通风可以为医护人员和患者所在的区域直接、较好地提供新鲜空气 。在污染物连续释放的情况下，适应性贴附通风以相同的换气次数（10 h −1 ），在工作区的平均污染物浓度最低（冬季为0.45%，夏季为0.29%），其次是顶送风（冬季为0.95%，夏季为1.91%）和侧壁上送风（冬季为1.4%，夏季为1.19%）。与其他两种气流组织方式相比，适应性贴附通风提供了有效的新风供应途径。当大量污染物间歇释放时，污染物的浓度随时间变化，在相同的持续时间内，适应性贴附通风排出的污染物量最多。
（2）获得了用于适应性贴附通风的换气次数与去除效率指数函数关联式。当换气次数增加时，适应性贴附通风的去除效率显著增加，而顶送风和侧壁上送风的去除效率保持在1.0左右。当换气次数为10 h −1 ， 适应性贴附通风的去除效率是顶送风的1.3~2.5倍 。
（3）负压的影响只出现在排风口附近的局部区域。负压对适应性贴附通风的气流组织几乎没有任何影响。因此， 在这种模式下，隔离病房不需要大的负压 。
（4）在相同的供暖和制冷负荷下，适应性贴附通风可以实现与顶送风相同的污染物去除效率和相当的热舒适性水平，但换气次数减小了15%。较小的换气次数也意味着在材料投资方面需要的风管面积较小、节省运行费用。使用此模式节省的风管面积比此模式要求导流板增加的面积大12.6倍。因此， 适应性贴附通风在技术、经济上均是可行的，而且相比其他方案更节能 。
关键词： 通风效率；换气率；新冠病毒肺炎（COVID-19）；贴附通风；气流组织；隔离病房
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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2020.10.020
以上内容来自： Ying Zhang, Ou Han, Angui Li, Li´an Hou, Thomas Olofsson, Linhua Zhang, Wenjun Lei. Adaptive Wall-Based Attachment Ventilation: A Comparative Study on Its Effectiveness in Airborne Infection Isolation Rooms with Negative Pressure [J]. Engineering, 2022, 8(1): 130-137.
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