大型室内场所的通风结构优化与病毒扩散规律_栾一刚.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20211207基金项目:病毒气溶胶在密闭舱室传播规律数值模拟及通风系统耦合(3072020CFT0301)第一作者:栾一刚(1981)，男，教授，主要研究方向为船舶燃气轮机高温部件冷却关键技术。shandong-313 163com*通信作者:孙涛(1978)，男，副教授，主要研究方向为船舶动力装置进排气系统性能研究。heu_jf 126comDOI:10.13205/jhjgc202212024栾一刚，张力敏，殷越，等 大型室内场所的通风结构优化与病毒扩散规律 J 环境工程，2022，40(12):180186大型室内场所的通风结构优化与病毒扩散规律栾一刚张力敏殷越严蓝漪吴雪孙涛*(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，哈尔滨 150001)摘要:大型室内场所中的人员密集，且内部空气流场复杂，研究以气溶胶为载体的病毒在大型封闭空间中的扩散规律，对预防传染病毒的传播具有重要意义。以 2020 年武汉抗疫期间由某体育场临时改装的方舱医院为研究对象，利用数值模拟的方法分析方舱中的空气流场，同时采用 DPM 模型(离散相颗粒模型)模拟了带有病毒的气溶胶颗粒在方舱中分布和扩散情况，并研究了自然通风、强制通风、风道配风和底部抽吸对颗粒分布的影响。数值模拟结果表明:在风道配风及底部抽吸的情况下，气溶胶扩散得到了有效抑制，且风道配风的风压为 50 Pa 时，具有最佳的病毒气溶胶排出效果。关键词:气溶胶;扩散;室内场所;通风结构;DPM 模型VENTILATION STUCTUE OPTIMIZATION AND VIUS SPEADING LAW INLAGE INDOO PLACESLUAN Yigang，ZHANG Limin，YIN Yue，YAN Lanyi，WU Xue，SUN Tao*(College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)Abstract:As for the limited space and complex air flow field in large indoor places，research on the spread of aerosol-borneviruses in such large enclosed spaces is of great significance for preventing spreading of infectious viruses Taking a shelterhospital in Wuhan temporarily refitted from a stadium in the COVID-19 epidemic in 2020 as the research object，the air flowfield in the shelter was analyzed by numerical simulation，and the DPM model(discrete phase particle model)was used tosimulate the virus-carrying distribution and diffusion of aerosol particles in the shelter The effects of natural ventilation，forcedventilation，air distribution in air ducts and bottom suction on particle distribution were also studied The results of thenumerical simulation showed that the aerosol diffusion was effectively suppressed，when the air distribution of the air duct wasmatched with the bottom suction，and when the wind pressure of the air distribution in the air duct was 50 kPa，the effect ofparticle removal was the bestKeywords:aerosol;diffusion;indoor places;ventilation structure;DPM model0引言新型冠状病毒肺炎(COVID-19)是一种传染性极强的呼吸系统疾病1，导致该疾病的病毒能够在体外存活较长时间，具有很强的传播能力，且潜伏期较长2。虽然目前已有多种预防该病毒的疫苗出现，但其存在局限性3。因此，为有效控制疫情的恶性发展，需加快疫苗研发的进度，同时也要遏制病毒在环境中的传播4。病毒在环境中扩散主要以大气中的气溶胶为载体进行，气溶胶是一种悬浮在大气中直径为 0.02 100 m 的颗粒物5，气溶胶直径越小，越容易被人体吸入6。在 2019 年疫情期间，武汉为缓解医院床第 12 期栾一刚，等:大型室内场所的通风结构优化与病毒扩散规律位紧张的压力，曾将体育场等大型室内场所改装成临时医院。在封闭的室内空间中，病人咳嗽、说话和呼吸时会产生飞沫等携带病毒的气溶胶颗粒，了解气溶胶颗粒在空间中的分布，并以此为依据设计通风结构对抑制病毒的室内扩散有重要意义。王烁烁等7 采用沉降采样分析的方法，研究了学校中若干个公共场所中微生物气溶胶的分布情况，发现自然环境、人群流动情况、建筑结构和气象环境均会影响气溶胶分布。史庆丰等8 总结了几种医院内冠状病毒气溶胶的传播情况，以及空气流动对传播的影响，发现强制通风和配风系统可抑制携带病毒的气溶胶进行远距离传播。方舱医院的大厅因通风良好未检测到病毒，而不通风的厕所中提取的样本检测后呈阳性。李永辉等9 以办公楼、医院、住宅楼为研究对象，提出了对通风结构设计方面的建议，认为上述建筑物的通风口均存在气溶胶病毒传播的风险，应在通风管道中安装对应的过滤网和消毒装置，并且需要保持干燥以免滋生细菌。另外，如洗手间、手术室等微生物聚集量较大的场所，应当保持负压状态防止病毒向外扩散，而在住宅楼中，由于各住户的厨房油烟机共用同一排烟道，需要在厨房中保持一定的正压力环境以防止排烟道中的烟气倒灌入厨房中。李雪等10 分析了包括新型冠状病毒在内的 3 种冠状病毒以气溶胶为载体的传播情况和在环境中的存活情况，发现排风扇附近区域中呈阳性的 SAS 病毒样本占总样本比例最高。考虑到排风扇是建筑通风系统的重要部件，能够实现建筑物内各个房间与外界之间的空气掺混流动，通风系统的结构将会影响病毒的扩散情况。截至 2021 年 8 月，国内新型冠状病毒的扩散得到了有效控制，但局部地区仍存在病毒传播，如果长时间暴露在含有病毒气溶胶的封闭环境中11，感染的风险将会大幅度提升。通风、温度、湿度以及人口密度等12 均会影响气溶胶在空气中的传播情况。除了加强室内消毒外，改善通风布局以及风量能够抑制气溶胶的传播。CFD(computational fluid dynamics)是一种求解离散的流体力学方程组获得空间或时间点上数值解的方法，国外学者曾采用此类方法对新冠病毒在室内扩散进行研究。Dao 等13 采用 CFD 方法研究了不同通风配置下医院隔离室中咳嗽液滴的运动情况，并考虑液滴水分蒸发的因素，最后给出了隔离室最佳出风口的位置。由于空气中含有新型冠状病毒的颗粒物不一定会被人体捕捉到并产生感染，Portarapillo 等14 在 CFD 模拟生物气溶胶扩散的基础上耦合了接触事件概率的计算方法，计算出病毒传播演化过程中各种事件的概率，最后确定同一空间内允许最大密切接触者的判定范围，而 Motamedi 等15 将空间与时间这 2 个因素均考虑进感染概率中，评估了不同通风条件下人员的感染概率，最后发现单体感染的 概 率 最 大。为 达 到 更 精 确 的 模 拟 结 果，Bhattacharyya 等16 采用 SST-k 模型分析了具有空调设备和消毒液的隔离室中的流场，最后发现高湍流度的流场配合消毒液有利于清除室内存在的新型冠状病毒。Obeidat 等17 利用 CFD 方法系统分析了医院内主要病房中的空气流动和气溶胶扩散情况，并基于CFD 模拟的结果提出了对进出口布置、区域分隔的建议。体育馆、厂房、商场等大型室内场所在无风险时期人流量大，人员密集，在疫情扩散时期能够改装成临时医院以解决床位不足的问题，但其原本的通风结构设计并不符合作为医院的要求。为降低人员被病毒气溶胶感染的风险，需要合理地设计室内的通风结构，目前的研究主要是围绕小空间中病毒气溶胶扩散展开的，通风方式以相对简单的门窗对流为主。本研究旨在研究大型室内场所中空气的流动情况，并针对室内的流场优化进风和排风结构，为大型室内场所通风结构的设计提供参考。1研究模型与数值仿真1.1研究模型2020 年初，武汉抗疫期间曾将体育馆改装成临时医院，查询相关资料后，本研究以 1 个最大长宽尺寸为 65 m30 m，高度为 11 m 的体育馆作为研究对象，根据体育馆的尺寸和结构特点建立其内部模型用于数值模拟。体育馆的内部结构如图 1 所示，体育馆的窗户沿Z 轴方向打开，两侧各设置 5 个窗户用于进风和出风，体育馆中间的场地上为临时改装的床位。床位上的病人会通过咳嗽等方式将含有病毒的气溶胶传播至体育馆内，而体育馆通过两侧的窗户实现馆内空气流动。本文采用 CFD 方法对这一过程进行模拟。1.2网格划分与网格无关性验证在数值模拟前需要对计算域模型进行离散化处理，即网格划分。采用几何适应能力较强的非结构化网格处理计算域，为确保计算结果的准确性，将窗户和床位附近区域的网格进行加密处理，最后得到的网181环境工程第 40 卷注:单位，m图 1体育馆内部结构Figure 1The internal structure of stadium格如图 2 所示。图 2计算域网格Figure 2Computational domain mesh为排除网格节点数量对计算结果的影响，且尽量降低计算机运行过程中的资源占用率，需进行网格无关性验证。本文划分的网格节点数量为 120 万、198万、259 万和 309 万的网格。从计算结果中比较入口窗户高度方向上的空气流动速度分布情况，如图 3所示。图 3不同网格节点数下窗户上的空气流动速度分布Figure 3Air flow velocity distribution in window of different meshes由图 3 可知:窗户截面沿高度方向的速度分布呈先增加后降低趋势，即存在 1 个速度峰值。网格节点数量为 259 万和 309 万时，速度峰值后的分布情况基本一致，而速度峰值前的分布较其他 2 个网格节点数更接近。因此选择网格节点数为 259 万的网格进行后续研究。1.3数值仿真本研究在 Fluent 软件中进行数值仿真，由于室内流场速度较低18，没有复杂的二次流，因此采用Standard k-湍流模型，工质设为理想空气。考虑体育馆位于城市中心地段，周围存在数量众多的高层建筑，当体育馆的窗户采用自然通风实现空气流动时，认为外部气象环境具有一级软风，该等级下的风速较慢，能够反映低速环境下体育馆内的通风情况，一级软风下通风口的速度为 0.5 m/s。因此计算域的入口采用速度边界，而出口采用压力边界，其他几何边界设置为无滑移壁面即可。考虑春季一般为各种传染病的高发季，因此将环境温度设定为常温，即外部来流温度和室内温度均为 27。采用离散项模型(DPM)模拟病毒载体的扩散过程。定义粒子的材质为液态水，垂直于床