控制传播 | 模块化负压隔离室设计

新型冠状病毒日渐迅速在全球扩散，疫情对世界各国医疗基础设施均造成了巨大的压力，且目前还没有行之有效的治疗方法。在人口密集地区急需配置易于制造的检测隔离室，为应对极为严峻的社区传播情况做好充分准备。

根据ASHRAE指南定义，负压室和负压隔间可用于预防医院内呼吸道疾病的空气传播。负压室内的机械通风系统能够保证室内工作压力低于周围环境压力，可防止被污染空气大量泄露的现象。Ansys Fluent计算流体动力学（CFD）软件可助力设计易于制造的模块化负压室。

在本文探索性研究中，工程师创建并评估了若干种通风设计概念，以确定隔离室排除受污染空气的最有效方法，以及物理原型的最佳选择。

新型冠状病毒（COVID-19）在社区传播阶段期间，在人口密集区域需要设置可变规模型测试及隔离基础设施。根据ASHRAE/ASHE标准170-2017，1,2，精心设计的负压室与卫生医疗设施需配置成本高昂的基础设施。此类设计对医疗系统将造成巨大的财政负担，也难以在短时间内建成，因此，基于“现场发现，就地隔离”的防疫原则，当前唯一可行的解决方案便是使用当地所采购材料，以及可快速建成的负压室设计。

空气传染隔离室（负压室Negative Pressure Room）可防止患者相关病原体溢出。本研究中的建材与基础设计灵感来自韩国为大规模检测设计的电话亭式负压室。

ANSI/ASHRAE/ASHE标准170-20081,2建议医院等应用应每小时换气（ACH）至少12次，以利于有效通风。

所有排出空气需首先通过HEPA过滤器，以此去除95%-99%的污染物，而后再排入外部环境空气中。该通风系统的下游位置通常使用带反向式叶片的离心式鼓风机，用于提供所需的负向/吸入压力。

工程师使用Ansys SpaceClaim建立CAD模型，包括模拟躺在9英尺x9英尺x8英尺病房中病床上的一位患者。根据有关研究和CFD设计优化，排气通风管设置于患者头部正上方的墙上，引风口的位置应使空气直接扫过患者的头部和躯干部分，并输送至排风口。该通风设计可避免污染物在病房内再循环，保障病房内医务人员及其他患者的安全。针对容积为648立方英尺的病房，实现12 ACH所需最小流量约为130 CFM。

CFD建模计算区域及流量条件

工程师采用Ansys Fluent生成网格模型，将地面、门和墙体定义为无滑移壁面，将出口边界定义为外界环境压力的压力出口，以此构建CFD模型。入口边界定义为外界环境压力的压力入口，按照45°导流栅设置。风扇采用移动参照系 (MRF)模型进行建模，构成所需的吸力。HEPA过滤器处的压降采用多孔介质模型建模。

在仿真中以约1 m/s的速度生成无质量颗粒，以计算由患者口中排出气体的流动。研究表明，由患者鼻子/口腔区域以约1 m/s排出气体的速度能够理想适用于负压室通风系统设计的用途，4计算区域及流量条件如图1所示。

始于患者口腔区域的无质量颗粒轨迹经Ansys VRXPERIENCE渲染，如图2所示。可以看到：无质量颗粒轨迹直接输送至室外，无任何室内再循环现象。经研究，推荐采用超过100 CFM的流量并结合向下45°的送风角度。

根据CFD预测生成的推荐通风系统设计

CFD仿真有助于预测特定病房及患者布置中通风系统设计的有效性并可用于可视化信息的制作。该仿真结果印证了研发负压隔离室的过程中对流量、送风角度、进排风口尺寸、布局、以及风扇与滤材选择进行优化的重要性。

参考资料

Jinkyun Cho.“Improved Ventilation System for Removal of Airborne Contamination in AirborneInfectious Isolation Rooms.”ASHRAE Journal, February 2019.

Khankari, Kishor.“Patient Room HVAC.”ASHRAE Journal, Vol. 58 (6), 2016.

South Korean Hospital’s ‘Phone Booth’ Coronavirus Tests

Airflow and AII Rooms: Why Supply and Exhaust Location Matters