1. 引言
在呼吸内科隔离病房，呼吸道疾病主要通过空气传播，对医护人员和其他病人构成很大隐患。医护人员必须穿上多层严密的防护服，防护服热阻较大，夏季长时间穿这些防护装备时容易引起胸闷、大量出汗、中暑甚至虚脱晕倒等生理现象。本文针对隔离病房这一特殊场所，建立数值模拟计算模型，对机械通风、空调方案热舒适性进行了研究，并给出合理的通风方式。
2. 物理模型
选择某医院典型隔离病房结构及通风系统布置如图1所示，病房包括了医护人员、病人、病床、通风系统、灯光及其它设备等标准特征，其中天花板通风系统由天花板散流器、天花板及洗手间排气装置构成。新鲜空气经位于病床斜上方入风口进入隔离病房，带走房间内的热负荷及含有病毒的污染空气，再从天花板通风系统的回风口排出病房，由此，构成循环系统。病房内的热负荷主要有灯光、医疗设备、电视机、病人以及护理人员。
3. 通风换气方案
由于隔离病房医护人员服装热阻大，按照国家标准 [1] [2] 进行空调设计时，难以满足人体热舒适性要求，因此本文提出两种新的空调通风方案，通过降低空调送风温度达到改善热舒适性的目的。计算方案及参数见表1。
Figure 1. Geometric model of isolation ward
图1. 隔离病房几何模型
Table 1. Ventilate schemes and parameters
表1. 四种通风换气方案及参数
4. 数学模型
在笛卡尔坐标系下，适用于隔离病房三维流动数学模型可用下述方程组表示 [3] [4] ：
连续性方程：
(1)
动量守恒方程:
(2)
能量方程：
(3)
上式适用于不同压缩流动与可压缩流动计算。
为密度，
为速度，源项
为分散相或其他用户自定义源项附加到连续相的质量，
为静压，
为应力张量，
及
为重力及外部体力，
同时包含了模型相关的源项。
网格建模与求解利用大型商业流体软件FlowEFD计算。其中网格数量总共为201,932个，图2为各截面网格，采用六面体网格进行建模。方程组求解采用有限体积法进行计算。其中热舒适性参数结合P. O. Fanger提出的人体热平衡原理，确定衡量人体热感觉的PMV参数数学计算公式 [5] ，根据该参数将人体热感觉划分为不同的等级，PMV = 0时表明处于舒适状态，PMV > 0且越大时表明人感觉越热，PMV < 0且越小时表明人感觉越冷。
5. 边界条件
外部气流参数采用西安地区夏季空调室外设计参数，室内医护人员的能量代谢率 [6] [7] 取80 W/m2，服装热阻取0.35 m2∙℃/W，热源条件：室内照明负荷(三盏日光灯，共120 W)、人员散热(定员数2人，共200 W，按照均布热源处理)、墙体热负荷及太阳辐射。除送、回风口外，壁面边界取无滑移边界条件。
方案1 入口边界：进口流量V = 0.06 m3∙s−1，t = 33℃。出口边界：P = 101325 Pa。
方案2 入口边界：进口流量V = 0.06 m3∙s−1，t = 18℃。出口边界：P = 101325 Pa。
方案3 入口边界：进口流量V = 0.10 m3∙s−1，t = 15℃。出口边界：P = 101325 Pa。
方案4 入口边界：进口流量V = 0.10 m3∙s−1，t = 10℃。出口边界：P = 101325 Pa。
6. 结果及分析
根据上述4种计算方案，分别进行了计算，本文列出每个方案在室内50%高度截面的计算结果，见图3~6。
(a) Grids at twenty percent span (b) Grids at fifty percent span (c) Grids at eighty percent span(a) 20%高度截面网格 (b) 50%高度截面网格 (c) 80%高度截面网格
Figure 2. Computed grids
图2. 计算网格
Figure 3. Computed PMV distributions for case 1 (50% span )
图3. 方案1计算PMV分布(50%截面)
Figure 4. Computed PMV distributions for case 2 (50% span )
图4. 方案2计算PMV分布(50%截面)
Figure 5. Computed PMV distributions for case 3 (50% span )
图5. 方案3计算PMV分布(50%截面)
Figure 6. Computed PMV distributions for case 4 (50% span )
图6. 方案4计算PMV分布(50%截面)
(a) Case 1(b) Case 2 (c) Case 3 (d) Case 4(a) 方案1 (b) 方案2 (c) 方案3 (d) 方案4
Figure 7. Computed PMV distributions around doctor’s body
图7. 医护人员身体周围PMV分布
图3为通风状态下计算的截面PMV数值，可以看到，室内整体PMV值偏高。气流通过入风口进入到室内时，由于垂直入风口平面进入至室内气体来不及扩散，与室内周围空气热量交换较少，该区域气流速度大，温度低，因此PMV值相对较小，最小值为3.05。当气体在室内扩散时，由于医护人员人体散热及对气流的阻滞作用，使得人体周围温度相对较高，气流速度相对较低，使得医护人员身体附近PMV值相对较高，最大值达到了5.14，表明该状态下人体热舒适性较差。
图4为方案2传统空调工况下计算的截面PMV数值，可知该工况下医护人员的热舒适性仍然很差，达到了3.91，室内最低热舒适性指数为2.01，说明室内人体热感觉偏热。
图5为方案3计算结果。可知人体周围PMV为0.71左右，室内其余位置PMV值主要分布在-0.28至0.71之间，室内基本处于热舒适范围。
图6为方案4计算结果。可知人体周围PMV为−0.88左右，室内其余位置PMV值主要分布在-1.93至−0.88之间，表明室内热感觉偏冷。且耗能最大。
图7给出了四种工况计算得到的医护人员身体周围热舒适性参数分布，可以看出，方案1至方案3对应的人体PMV主要分布大于0，且参数依此减小，表明人体热舒适性逐步提高。方案4对应的人体PMV参数在人体表面主要分布在-0.88左右，人体热感觉偏冷。在人体腋下及大腿根部附近由于气体流动速度较低，热交换不充分，使得该位置人体热舒适性相对较差。
7. 结论
本文建立了考虑人体模型的热舒适性计算模型，针对某隔离病房，计算获得不同空调通风方案下室内热舒适参数分布，结果表明，由于隔离服装热阻较大，采用传统空调方案已不能满足人体热舒适性需要，在设计隔离病房空调系统时，应考虑医护人员服装热阻的影响。在4种送风方案中，方案3改进后的空调送风方式下，室内热舒适性最佳，表明该送风状态下送风方式最合理。