在供暖期间优化医院病房的置换通风：局部排气装置与气流控制元件的影响

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Enhancing Displacement Ventilation in Hospital Wards During Heating: Impact of Local Exhausts and Airflow Control Elements

位移通风（DV）在冬季供暖医院病房中的优化研究，通过诱导空气供应单元（IU）与局部排气结合，利用天花板隔帘、围护结构和排气罩等被动控制手段，显著降低呼吸区污染物浓度（50%以上），并验证了排气位置与气流分布对通风效率的关键影响。

　　

沈少宇|山中敏夫|小林智弘

中国湖北省武汉市武汉工业大学土木工程与建筑学院，邮编430070

摘要

在冬季实现置换通风（DV）仍然具有挑战性，因为浮力作用的送风和冷气流会破坏置换通风所需的气流分层。我们之前的研究介绍了一种诱导式送风单元（IU），该单元可以预混合处理过的空气和室内空气，从而在夏季提高热舒适度，并在冬季增加进入占用区域的新鲜空气量。然而，在供暖条件下，进入占用区域的空气量仍然不足，且外围的冷气流会继续将污染物向下吸入。尽管使用外围隔板有助于减弱污染物传输并引导气流方向，但整体通风效率仍然受到限制。本研究探讨了结合使用局部排风装置和被动气流控制元件（包括隔间帘、外围隔板和天花板罩）来进一步提高冬季置换通风效果的方法。在配备有IU和天花板安装式局部排风的四床位病房中进行了全尺寸实验，并通过CFD模拟评估了排风位置和流量平衡。与中央排风相比，结合使用局部排风和隔间帘显著提高了通风效果，将周边患者的呼吸区污染物浓度降低了50%以上（降至约0.3），而在天花板帘下的内部床位区域，污染物浓度最低（低于0.1）。靠近墙壁的排风装置捕获污染物的效果更好，整体性能取决于污染物来源位置和排风分布。作为我们IU优化研究的最终成果，本研究表明，实用的被动气流控制布局与局部排风结合使用，可以在不增加额外机械系统的情况下实现接近最优的冬季通风效果，有效解决了医院病房中IU和置换通风长期存在的性能问题。

引言

置换通风（DV）是一种具有高通风效率和低能耗特性的通风策略[1]、[2]、[3]。在DV系统中，处理过的空气从地面水平供应，扩散到占用区域，吸收内部热源的热量后以浮力上升，将污染物带到天花板排风口。DV在工厂中应用最为成功[4,5]，因为那里有强烈的热源确保了稳定的气流形成，冷却需求占主导地位，且较大的空间体积减少了边界层干扰。先前的研究还表明，DV可以在工厂环境中维持可接受的舒适度水平[6]。

在民用建筑中维持DV效果较为困难。供暖需求会产生浮力作用的暖空气，破坏了置换通风的特性；较小的房间体积放大了靠近墙壁的气流效应；变化的热负荷会破坏气流分层。这些因素限制了DV的稳定性。因此，民用建筑中的相关研究主要集中在大型空间，如办公室[7,8]、教室和礼堂[9,10]、交通枢纽[11,12]以及体育场[13,14]，在这些地方内部热量较高且边界层影响较小。DV在紧凑型环境（如飞机客舱[15]和火车车厢[16]）中也显示出可行性，尽管这些特殊环境更注重感染控制，无法推广到需要全年运行和平衡能源性能的典型小房间。

尽管医院病房布局狭窄、热量产生较少且对舒适度要求严格，但由于其对高质量空气的需求以及一些固有的优势，它们仍然是置换通风研究的重要领域。在持续空调的条件下，病房的热负荷和环境条件相对稳定，有利于气流分层；患者躺在床上减少了靠近地面的气流问题。此外，用于分隔患者的隔间帘也起到了被动气流控制元件的作用，影响了气流分层和污染物扩散。

现有的病房置换通风研究表明了其潜力和挑战。Choi等人[17]展示了靠近墙壁的上升和下降气流对污染物分布的显著影响。Bhagat等人[18]证明，在临时设置的COVID-19病房中，DV可以将靠近地面的污染物浓度降低几个数量级。Yin等人[19]报告称，在单床位病房中DV的效果优于混合通风（MV），但其效果对排风位置非常敏感。Mazumdar等人[20]和Li等人[21]发现，患者的移动会显著干扰污染物分布，Qian等人[22]指出热气流相互作用和局部下降气流是破坏分层的重要因素。虽然这些研究证明了DV在病房中的可行性，但也强调了其对气流扰动的敏感性。此外，大多数研究都集中在冷却或等温条件下，对冬季供暖条件的关注较少。

鉴于关于医院病房冬季置换通风性能的研究较少，可以从相关室内环境中获得三种思路。第一种方法是通过将DV与辐射地板[23,24]、辐射面板[25]或嵌入式管道窗户[16]结合使用，将供暖与通风分离。第二种方法是通过预热[26,27]、改进保温[28,29]或使用稳定气流分层的便携式设备，保持送风温度接近室内空气温度。第三种方法是通过墙壁汇流或柱状附着的通风[31,32]、冲击射流通风[33,34]或地面送风DV[35,36]来改变气流模式。虽然这些方法可以有效提高DV效果，但它们通常依赖于额外的暖通空调组件和更复杂的控制策略，这可能限制了它们在常规医院病房操作中的实用性。

为了解决这些限制，我们开始了一系列研究，使用一种原型全空气式壁挂式诱导送风单元（IU）在医院病房中部署DV。在我们的第一项研究[37]中，IU预混合了处理过的空气和室内空气，消除了再加热的需要，避免了冷凝风险，减少了主空气体积和风扇功率，提供了低速、温度兼容的气流。该研究还确定了IU应用的几何要求，并开发了一种能够再现其诱导-混合特性的CFD方法。

我们的第二项研究[38]在夏季冷却条件下测试了IU的性能（图1a），量化了窗户热负荷的影响，使用Wells–Riley模型估算了交叉感染风险，并评估了热舒适度（DR, ADPI）以确定最佳运行策略。通过验证网格设计和湍流模型（SKE, RNG, AKN），进一步改进了CFD方法，确认SKE模型在再现IU气流方面具有最高的准确性。

在我们的第三项研究[39]中，我们首次评估了IU在冬季供暖条件下的性能。尽管可以建立类似DV的温度梯度，但外部窗户周围的冷下降气流会将污染物带入占用区域，严重降低了通风效果（图1b）。研究表明，在供暖期间维持DV需要保持窗户引起的下降气流清洁或消除冷下降气流以防止污染物进入。因此，我们研究了多种缓解策略，包括在窗户附近安装电加热器、使用窗户帘以及调整隔间帘的长度。电加热器有效地消除了下降气流，恢复了DV预期的上升传输机制，而窗户帘的影响可以忽略不计。长款天花板安装的隔间帘显著提高了性能，但仍观察到一些污染物从下缘泄漏（图1c），与夏季运行相比存在明显差距。

鉴于在冬季供暖条件下，即使不使用额外的设备（如窗户安装的电加热器），DV性能仍有很大的提升空间，本研究旨在通过加强被动气流设计来提高通风效果。为了进一步减少污染物在源头附近的捕获，我们引入了分布式局部排风装置，可以通过改造现有的中央天花板出口以低成本实现，并结合气流控制元件来增强DV所需的上升传输并抑制污染物的无控制侧向扩散。

因此，本研究探讨了先进的被动气流控制元件，包括将中央排风改为多个局部排风、用天花板安装的隔间帘替换轨道安装的隔间帘以及添加外围隔板。如图1d所示，天花板安装的隔间帘与每个隔间的局部排风结合使用，类似于罩子，能够快速捕获污染物并减少隔间间的泄漏，从而提高整体空气质量。为了评估这些策略，我们进行了全尺寸实验，测量了室内温度和示踪气体浓度，并通过CFD模拟进行了补充。系统地改变了帘子和隔板的尺寸以及局部排风的配置，分析了由此产生的气流机制，以全面评估冬季供暖条件下的DV性能。考虑到病房环境中的实际要求（如美观性、沟通便利性和移动性），我们还研究了减少帘子或外围隔板长度是否仍能实现理想的通风效果。

总体而言，所提出的配置为显著提高冬季供暖条件下的DV性能提供了一条可行途径，解决了长期存在的季节性限制，实现了医院病房更可靠的全年通风和感染控制效果。

实验部分

全尺寸医院病房实验室和空调系统

实验于2024-2025年冬季在一个全尺寸实验室中进行，该实验室模拟了一个日本的四床位医院病房，位于大阪某栋建筑的第三层。如图2所示，病房尺寸为7.0×7.0×2.6米。其中一面外墙由室外气候室（OCC）模拟，其他三面用100毫米聚苯乙烯泡沫（U = 0.22 W/m2·K）进行保温。

计算设置和数值方案

使用RANS模型进行了稳态CFD分析，以研究局部排风尺寸、位置以及外围区域和内部区域之间的气流分布对通风性能的影响。首先对模型进行了验证实验，然后进行了额外的情景分析。

结果与讨论

通风性能主要通过标准化浓度C_n和污染物去除效率（CRE）来评估。利用这些指标，比较了垂直温度和浓度分布，以评估局部排风和气流控制元件的影响。此外，还分析了CFD分析得到的气流速度场和空气交换特性，以进一步了解主导通风机制。

结论

本研究结合了全尺寸病房实验和CFD模拟，研究了分布式局部排风和气流控制元件如何影响冬季供暖条件下的置换通风（DV）性能。主要结论如下：

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隔间帘的总体效果：在局部排风运行的情况下，隔间帘引导了气流并限制了水平污染物扩散，使典型的四床位病房在供暖条件下能够保持较高的DV效率（标准化

作者贡献声明

沈少宇：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、调查、形式分析、数据整理、概念构思。山中敏夫：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法论、调查、资金获取、概念构思。小林智弘：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件使用、资源管理。