Residence Time Distribution Analysis of Patient-Emitted Air in a Mock Hospital Isolation Room: A CFD Study
本研究表明，虽然换气次数（ACH）本身无法因气流拓扑结构的原因预测污染物去除效率，但通过计算流体力学（CFD）进行的停留时间分布（RTD）分析显示，通过优化排气位置以建立直接的“患者至排气”路径，在最大限度降低医护人员暴露于患者排放空气方面，其效果显著优于单纯提高通风率。
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在医院隔离病房持续不断的低鸣声中，空气不断流动，携带著患者呼出的肉眼看不见的微粒。几十年来，工程师们一直依赖一个单一的数字来判断这些空气是否得到了有效净化：每小时换气次数。这一指标计算的是在六十分钟内，房间内的总空气体积被新鲜空气替换了多少次。其背后的假设简单且令人安心：如果你泵入足够的新鲜空气，旧的、受污染的空气就会均匀地消失，就像房间是一个巨大的、搅拌得非常均匀的咖啡杯一样。在这种理想化的观点中，空气通风口的位置和空气流动的路径并不重要；只有流经空间的空气体积才算数。
然而，真实的房间并不是咖啡杯。房间里充满了床铺、人员和家具，这些都会扰乱气流。空气可能会直接从通风口冲向排气口，而从未接触到护士可能站立的角落；或者空气可能会被困在长时间停留的旋涡口袋中。这意味着，即使换气次数相同，对于身处其中的人来说，其安全水平也可能大相径庭。准确了解空气如何移动、在哪里滞留，以及它能多快地带走患者呼出的气体，对于保护医护人员免受传染性疾病的侵害至关重要。
南佛罗里达大学和加州大学圣迭戈分校的研究人员致力于超越简单的换气次数计数。他们利用强大的计算机模拟技术，绘制了一个模拟医院隔离病房内从患者口中排出的空气路径图。研究人员并没有仅仅计算移动了多少空气，而是追踪了一股从患者身上释放出的隐形示踪气体，观察它到达排气口需要多长时间，以及清空整个房间需要多长时间。他们测试了两种截然不同的房间布局：一种是将排气口直接设置在患者正上方，以创造一条让空气直接逃逸的路径；另一种是将排气口设在房间的另一侧，迫使空气横跨整个空间移动。他们针对每小时六次和十二次这两种常见的换气率进行了模拟实验。
结果显示，“空气越多越好”这一简单规则完全取决于房间的布局。当换气率较低（每小时六次）时，两种房间设计表现得相似。由于空气流动较慢，通风口位置的差异影响不大；示踪气体在两种情况下离开房间所需的时间大致相同。但当研究人员将换气率增加一倍至每小时十二次时，两种设计的设计出现了剧烈的分歧。在具有直接路径的房间中，来自患者的空气直冲排气口，使房间清理得更快。而在排气口较远的房间中，空气被困在大型、缓慢移动的旋涡中，逃逸所需的时间显著增加。
这种差异对站在房间内的医护人员的暴露程度产生了深远影响。在具有直接路径的设计中，将换气次数增加一倍，使医护人员长期暴露于患者空气中的风险降低了百分之七十五。而在排气口较远的设计中，同样的换气量增加仅使暴露风险降低了百分之三十九。更令人惊讶的是，在排气口较远的房间中，增加换气次数在短时间内反而加重了短期暴露情况。更快的气流将受污染的空气推入了一个循环回路，使得污染空气在最终排出之前，在医护人员头部附近停留的时间更长。研究表明，如果空气没有被引导沿着清晰的路径远离室内人员，那么仅仅向房间内泵入更多的空气并不能保证安全。
研究人员发现，前百分之十的受污染空气到达排气口所需的时间是衡量安全性的关键指标。在高换气率且具有直接路径的房间中，这一突破几乎是瞬间发生的。而在另一种房间中，这一过程延迟了数分钟，导致受污染的空气扩散并停留。通过测量这些特定时间以及空气在房间内的总停留时间，团队可以预测医护人员将面临多少暴露。他们得出结论，医院的设计者应该停止仅仅依赖换气次数的计数。相反，他们应该使用这些基于时间的测量指标，以确保空气不仅是在流动，而且是以一种能尽可能快地将污染物带离人员的方式在流动。这项研究表明，一个能为空气出口创造出一条“直接高速公路”的通风口设计，比单纯增加在房间角落里迷失的高容量气流要有效得多。
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