新型冠狀病毒日漸迅速在全球擴散，疫情對世界各國醫療基礎設施均造成了巨大的壓力，且目前還沒有行之有效的治療方法。在人口密集地區急需配置易于制造的檢測隔離室，為應對極為嚴峻的社區傳播情況做好充分準備。

根據ASHRAE指南定義，負壓室和負壓隔間可用于預防醫院內呼吸道疾病的空氣傳播。負壓室內的機械通風系統能夠保證室內工作壓力低于周圍環境壓力，可防止被污染空氣大量泄露的現象。Ansys Fluent計算流體動力學（CFD）軟件可助力設計易于制造的模塊化負壓室。

在本文探索性研究中，工程師創建并評估了若干種通風設計概念，以確定隔離室排除受污染空氣的最有效方法，以及物理原型的最佳選擇。

新型冠狀病毒（COVID-19）在社區傳播階段期間，在人口密集區域需要設置可變規模型測試及隔離基礎設施。根據ASHRAE/ASHE標準170-2017，1,2，精心設計的負壓室與衛生醫療設施需配置成本高昂的基礎設施。此類設計對醫療系統將造成巨大的財政負擔，也難以在短時間內建成，因此，基于“現場發現，就地隔離”的防疫原則，當前唯一可行的解決方案便是使用當地所采購材料，以及可快速建成的負壓室設計。

空氣傳染隔離室（負壓室Negative Pressure Room）可防止患者相關病原體溢出。本研究中的建材與基礎設計靈感來自韓國為大規模檢測設計的電話亭式負壓室。

ANSI/ASHRAE/ASHE標準170-20081,2建議醫院等應用應每小時換氣（ACH）至少12次，以利于有效通風。

所有排出空氣需首先通過HEPA過濾器，以此去除95%-99%的污染物，而后再排入外部環境空氣中。該通風系統的下游位置通常使用帶反向式葉片的離心式鼓風機，用于提供所需的負向/吸入壓力。

工程師使用Ansys SpaceClaim建立CAD模型，包括模擬躺在9英尺x9英尺x8英尺病房中病床上的一位患者。根據有關研究和CFD設計優化，排氣通風管設置于患者頭部正上方的墻上，引風口的位置應使空氣直接掃過患者的頭部和軀干部分，并輸送至排風口。該通風設計可避免污染物在病房內再循環，保障病房內醫務人員及其他患者的安全。針對容積為648立方英尺的病房，實現12 ACH所需最小流量約為130 CFM。

CFD建模計算區域及流量條件

工程師采用Ansys Fluent生成網格模型，將地面、門和墻體定義為無滑移壁面，將出口邊界定義為外界環境壓力的壓力出口，以此構建CFD模型。入口邊界定義為外界環境壓力的壓力入口，按照45°導流柵設置。風扇采用移動參照系 (MRF)模型進行建模，構成所需的吸力。HEPA過濾器處的壓降采用多孔介質模型建模。

在仿真中以約1 m/s的速度生成無質量顆粒，以計算由患者口中排出氣體的流動。研究表明，由患者鼻子/口腔區域以約1 m/s排出氣體的速度能夠理想適用于負壓室通風系統設計的用途，4計算區域及流量條件如圖1所示。

始于患者口腔區域的無質量顆粒軌跡經Ansys VRXPERIENCE渲染，如圖2所示。可以看到：無質量顆粒軌跡直接輸送至室外，無任何室內再循環現象。經研究，推薦采用超過100 CFM的流量并結合向下45°的送風角度。

根據CFD預測生成的推薦通風系統設計

CFD仿真有助于預測特定病房及患者布置中通風系統設計的有效性并可用于可視化信息的制作。該仿真結果印證了研發負壓隔離室的過程中對流量、送風角度、進排風口尺寸、布局、以及風扇與濾材選擇進行優化的重要性。

參考資料

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