时间：2024-02-26 点击量：
“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组张稼昕博士在中科院二区期刊《Energy and Buildings》(JCR Q1, IF=6.7)发表论文, 负压隔离病房靶向通风方式对COVID-19感染风险控制、患者热舒适及能效评估。
Assessment of COVID-19 infection Risk, thermal Comfort, and energy efficiency in negative pressure isolation wards with varied ventilation modes
负压隔离病房不同通风范式COVID-19 感染风险、热舒适和能源效率评估
该研究获得“十四五”国家重点研发项目资助（NO. 2022YFC3702803）
项目所属专项大气与土壤、地下水污染综合治理，负责课题名称室内气载污染物有机毒性和氧化活性定量评价及协同净化技术。
课题主要研究内容：
（1）超细颗粒和 SVOCs 高效协同净化技术
（2）新型靶向通风气流组织和空气净化对病原体污染的协同驱除机理及效果。
课题主要创新点：
（1）建立兼顾认知和生理的健康评价方法，突破多污染物协同治理技术
（2）提出新型靶向汇聚气流组织通风新理念新技术
Jiaxin Zhang(张稼昕), Yanan Zhao(赵雅楠), Shihao Wen(文诗豪), Daixin Tu(涂岱昕), Junjie Liu(刘俊杰), Sumei Liu(刘素梅，通讯作者)
• 为负压隔离病房设计了新的风幕式通风系统。
• TARGETING 可以评价通风系统的靶向排污性能。
• 使用层次分析法对不同通风模式进行综合效益评估。
• 风幕式通风的TARGETING值为1.3，最优。
• 优化的通风模式能效提升超35%。
2019年以来，SARS-CoV-2病毒在全球传播。显然，隔离措施是遏制疫情传播和保障民众福祉的最有效手段。负压病房，包括负压隔离病房(NPIWs)，是治疗SARS-CoV-2患者和保障医护人员安全的关键基础设施。然而，就现有的NPIW设计而言，目前的标准仅概述了每小时换气次数(ACH)，而没有强制规定特定的通风形式或送风参数。挑战仍然存在，如过度通风、不加区分的通风做法和不同的通风设计，这往往导致不理想的气溶胶去除和能源的浪费。有研究表明，医院能耗是其他公共建筑的1.6 - 2.0倍，仅住院部能耗就占医院总能耗的25-40%。同时，在中国，新冠肺炎疫情爆发初期，医院感染病例占总感染病例的40%，超3000多名医护人员感染新冠肺炎。因此，在后疫情时代，有必要提供安全、舒适和节能的病房环境，以减轻医护人员的感染风险，同时节能降耗。
NPIWs的通风系统通常分为两种：上送底回(CSFR)和上送顶回(CSCR)。然而病房中现有的通风模式在去除气溶胶方面效果较差，并且盲目增加换气次数会显著增加能耗，而在气溶胶去除方面的增益并不明显。一些研究强调了通过优化通风系统控制来节约能源。为此，研究人员为NPIWs探索了新的通风模式。这些通风模式包括更改排风口位置，在原有通风模式的基础上增加排风口以及设置个性化通风。总之，研究人员探索了现有的病房通风方案，引入了空气幕或个性化的排气口来增强现有的通风系统，尽管这是以增加能耗为代价的。然而上述研究并没有充分考虑患者的热舒适，并且额外增加分口及个性通风并不适合NPIW的实际应用。
本文借鉴已往的研究提出风幕式通风系统(ACV)，意在通过提升全局通风的精度即靶向性，来实现低换气次数，低能耗以及高排污。为此本研究提出了一种评价指标TARGETING来定量评价通风系统的精度。此外，本文还建立了一个适合负压隔离病房的综合效益评估模型。该模型评估了多个因素，包括患者的吹风感觉、热舒适、通风系统的靶向性、医护人员感染风险和能耗。
1. 评估通风系统靶向性的新指标TARGETING
其中da为气溶胶/颗粒物从源处释放受室内气流组织的影响运动至排风口处的实际距离。d为理想排污轨迹即源与排风口的直线距离。n为源处的网格数，i为源处的轨迹数。
图10采用新指标TARGETING定量评估了三种通风模式不同换气次数的靶向性。图11绘制了三种通风模式下患者呼出的气溶胶在病房内的实际运动轨迹。很明显，CSCR靶向性最差，气溶胶在室内无规则的运动，较难排出。ACV具有很好的靶向性，气溶胶在患者呼出后被定向去除，优于CSFR。
Figure 10. Targeting values with different ventilation modes with different supply air parameters in the ward.
Figure 11. The trajectory of the aerosol exhaled by the patient in the ward (26℃, 12 ACH): (a) CSFR, (b) CSCR, (c) ACV.
2. 层次分析法对负压隔离病房不同通风范式进行综合评估
对不同通风范式下患者的热舒适，吹风感，医护人员的感染风险以及通风系统的靶向性和能耗进行评估。由于不同的通风方式都有其独特的优势和特点，不能用单一的指标来概括，因此我们在使用上述指标对各种通风系统进行评估之后，引入了一个综合评价模型。层次分析法(AHP)是一种能够解决多目标、多准则决策问题的决策算法。并构建了一个5*5的判断矩阵来表示这些关系，如表4所示。评价结果如表5所示，ACV可以兼顾患者热舒适及吹风感并且具有较好的靶向排污性能及节能潜力。
Figure. 8, Figure. 9, Figure. 10, Figure.12, Figure.13.
Table 4
The judgment matrix of each sub-index.
Index |
ADPI-1 |
∣PMV∣ |
TARGETING |
P |
Lcool |
ADPI-1 |
1 |
1 |
1/3 |
1/5 |
3 |
∣PMV∣ |
1 |
1 |
1/3 |
1/5 |
3 |
TARGETING |
3 |
3 |
1 |
1/3 |
5 |
P |
5 |
5 |
3 |
1 |
7 |
Lcool |
1/3 |
1/3 |
1/5 |
1/7 |
1 |
Table 5
Relative quantitative results of comprehensive benefit evaluation for different ventilation systems.
Ventilation modes |
ACH |
Inlet temperature (℃) |
|||
20 |
22 |
24 |
26 |
||
CSFR |
6 |
0.386 |
0.898 |
0.264 |
0.282 |
10 |
0.741 |
0.626 |
0.236 |
0.178 |
|
12 |
0.592 |
0.420 |
0.265 |
0.182 |
|
15 |
0.367 |
0.352 |
0.205 |
0.203 |
|
CSCR |
6 |
1.097 |
1.065 |
1.275 |
1.336 |
10 |
0.988 |
0.852 |
0.841 |
0.841 |
|
12 |
0.884 |
0.793 |
0.851 |
0.690 |
|
15 |
0.708 |
0.706 |
0.698 |
0.685 |
|
ACV |
6 |
0.320 |
0.240 |
0.182 |
0.248 |
10 |
0.352 |
0.267 |
0.214 |
0.160√ |
|
12 |
0.361 |
0.286 |
0.213 |
0.175 |
|
15 |
0.385 |
0.305 |
0.235 |
0.171 |
|
ACV系统可在患者呼吸区形成推拉流，便于靶向去除患者呼出的气溶胶。
新引入的评价指标“TARGETING”有效反映了通风系统的靶向气溶胶去除性能。ACV表现出最高的靶向水平，与CSFR和CSCR系统相比，其靶向值分别提高了88.1%和96.4%。由于其卓越的靶向气溶胶去除性能，ACV可将感染风险降至0.03%以下，显著低于CSFR和CSCR系统。此外，在相同感染风险的情况下，ACV可节能约35.1%-57.3%。
ACV系统成为最佳通风选择，特别是当换气次数为10次送风温度为26℃时。这种优化设计既保证了NPIW内患者的舒适度和医护人员的安全，又提高了能源效率。
Zhang J, Zhao Y, Wen S, et al. Assessment of COVID-19 infection Risk, thermal Comfort, and energy efficiency in negative pressure isolation wards with varied ventilation modes [J]. Energy and buildings, 2024, 308: 114002.
原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S037877882400118X?via%3Dihub
审核人：刘俊杰
刘素梅
田媛
