云景山医院平疫结合可转换病区通风空调系统模块设计与控制

  根据平疫结合医院实例,针对可转换病区空间及功能的转换模式,提出了平疫结合的弹性设计原则。详细论述了通风空调系统平疫转换技术的路径与方法。分析了平疫转换设备构造特点及设计需注意的问题,同时介绍了通风空调系统控制策略。

  中南建筑设计院股份有限公司 宋 涛 彭 凯 李环环 吕中一 王羽珊 张银安

  中建三局第一建设工程有限责任公司 闫 忠 孙照付 万 巍 吴小凯 陈永康

  2020年全球大规模暴发的COVID-19疫情使世界各国公共卫生安全遭遇了前所未有的打击,也充分暴露出我国综合医院防疫设计的缺失。目前我国既有综合医院传染病科室规模小,硬件条件不足以满足传染病医院感控要求;既有传染病专科医院数量少,收治能力有限,无法接收大量患者。疫情初期快速建造的应急临时医院、方舱医院等在控制新冠疫情中发挥了及其重要的作用。但在后疫情时期,这些临时防疫医院闲置,无法持续利用,造成资源浪费。

  这种不计成本的快速建造方式是非常时期的非常之举。目前世界各国的疫情仍在蔓延,疫情防控还需常态化。为提升城市应对突发公共卫生事件的能力,当前我国各地都在大力推动“疫后重振补短板强功能公共卫生体系补短板工程”实施,医疗建筑进入快速建设的高潮时期。为指导《公共卫生防控救治能力建设方案》(发改社会[2020]0735号)实施,加强重大疫情救治基地建设,为综合医院“平疫结合”建设提供可借鉴的技术措施,国家卫生健康委员会及国家发展和改革委员会颁布了《综合医院“平疫结合”可转换病区建筑技术导则(试行)》。因此,今后“平疫结合、快速转换、综合利用及智慧建造”是医院建设的新方向。这对医疗建筑规划设计提出了更加高的要求,值得深入探讨。

  云景山医院位于武汉市江夏区郑店街,距离雷神山医院约10 km, 东侧为107国道,北侧为规划长途汽车站,建筑外景如图1所示。总建筑面积25.2万m2,总床位数1 000张,预留应急床位1 000张。医院以“医养融合、健康养老、平疫结合”为目标,建设集区域康复综合医院和疫情防控医院为一体的三级综合医院。医院按照传染病医院建设标准设计,着眼提升市区重大疫情防控和应急医疗救治能力,疫情时期可转化为传染病医院。该项目为武汉市2020年“四区二院”重大疫情救治基地项目之一,将于2021年10月投入到正常的使用中,建成后将取代雷神山医院所有救治功能,雷神山医院将实现永久性“休仓”。

  《综合医院“平疫结合”可转换病区建筑技术导则(试行)》中规定各级卫生健康行政部门应当结合当地医疗资源布局,将一切救治定点医院列入区域健康规划中。在制定呼吸道传染病应急预案的基础上,重大疫情救治基地建设项目应当兼顾平时与疫情时的医疗服务内容,从总体设计、建筑规划设计、机电系统配置上做到平疫结合,满足结构、消防、环保、节能等方面的规范、标准要求。在符合平时医疗服务的前提下,满足疫情时快速转换、开展疫情救治的需要,应充分的利用发热门诊、感染疾病科病房等建筑设施。

  “平疫结合”医院设计首先必须理清平疫结合医院的功能构成和医疗流程与普通医疗设施的不同之处,然后明确防疫医院需要预留的空间、场地、机电设施、管线接口,再针对详细情况制定相关措施预案,为疫情时的功能流程创造有利条件。

  该项目以呼吸道传染病患者症状为导向,按照“疑似患者”“无症状、轻症”“中度症状”“危重症症状”4类患者,通过建立“方舱医院、临时应急医院、定点医院、危重症医院”4类救治场所,形成高效的分级、分层医疗救治体系。

  1) 停车楼(4层):平时作为停车楼使用,预留机电设施、管线接口,疫情时转换为方舱医院,可收治“无症状、轻症”患者1 500人。

  2) 应急预留用地:预留机电设施、管线接口,疫情时快速建造集装箱装配式应急医院(2层),可收治患者1 000人。

  3) A栋医疗综合楼(13层,240床)、B栋康复综合楼(11层,320床):平时为医疗及康复病房,疫情时转换为负压病房,收治危重症患者560人。

  4) C栋中端养老楼(9层,336床)、D栋高端养老楼(7层,150床):平时为中高端养老房,疫情时转换为负压病房,收治中度症状患者486人。

  5) 医技楼手术室:平时为正压手术室,疫情时其中2间转换为负压手术室(一用一备)。

  6) 门诊:平时感染门诊、肠道门诊、肝病门诊空间隔离分开使用,疫情时肠道门诊、肝病门诊转换为感染门诊使用。

  平疫结合医院需根据其在市区重大疫情救治项目规划中的定位,设计时采取对应符合平疫转换要求的措施。在综合医院平时功能平面布局设计中,考虑疫时三区两通道的设计的基本要求,在疫时改造时,结合走廊或房间设置缓冲间,增设卫生通过,实现清洁区、半污染区、污染区的物理分隔,快速将普通病区改造转换为传染病负压病区,达到医患分流、洁污分离的目的(住院部疫时基本流程图见图3)。病房在平时设置外阳台,疫情时可拆除阳台隔墙快速改造为敞开式患者走道,病房疫情时标准层建筑平面如图4所示。

  平疫结合通风空调系统设计需满足普通病房、负压病房和负压隔离病房的不同规范要求。采取弹性的设计原则,在保证通风空调系统平时运行经济性及舒适性的前提下,采用快速简易、经济适用的转换技术措施,使通风空调系统的温湿度、新排风量、洁净度、压力梯度及气流组织等满足传染病医院的使用上的要求。同时需避免平疫2套系统共存。

  平疫结合区的护理单元、门急诊区平时按微正压设计,疫情期间清洁区按正压设计,半污染区、污染区转换为负压;建筑室内通风气流组织形成从清洁区→半污染区→污染区有序的压力梯度,实现空气定向流动,避免空气传播途径的交叉感染。病房与患者走廊、病房与缓冲间、缓冲间与医护走道等相邻房间保持不小于5 Pa的压差。

  为维持病房室内压力及病房与相邻、相通房间之间的压差,建筑规划设计时需注意以下问题:

  1) 病区通向外界的门向外开启,内门向静压大的一侧开启。这与综合医院等非传染病医院的内门开启方向相反(向房间开启),建筑专业设计中容易忽视、且不容易接受这个要求,根本原因是医护人员及患者进出房间时,门向外开启会影响走道的顺畅。

  2) 除普通工作区外,病区房间内门均为非木质门,均不采用密闭门,缓冲间与门下边通常留有10 mm左右的缝隙,以防开关门时,造成室内外压差波动较大。

  3) 病区通向室外的门有密闭性要求。因疫时病房为负压,为避免病房夏季出现“热风渗透”、冬季出现“冷风渗透”,影响室内舒适性,其通向敞开式患者走道的外阳台门采用密闭门。其外窗采用双层玻璃的6级密闭窗,疫时不开窗,必要时由专人开窗。其漏风量需符合GB/T 7106—2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测的新方法》的规定。

  冷热源主要设备选择及容量搭配需最大限度地考虑平疫工况负荷特点、平时夜间负荷等因素。该项目冷热源采用电驱动水冷冷水机组+燃气真空热水锅炉形式。根据空调系统冷热负荷,夏季选择3台单台制冷量4 220 kW的离心式冷水机组,2台单台制冷量1 400 kW的带部分冷凝热回收螺杆式冷水机组。空调供/回水温度为6 ℃/12 ℃,冷却水供/回水温度为32 ℃/37 ℃。选择4台单台制热量4.2 MW的燃气微压相变热水锅炉作为冬季供暖及全年生活热水的热源,供/回水温度为90 ℃/70 ℃。冬季供暖由热水锅炉提供供/回水温度90 ℃/70 ℃的热水至水-水换热器交换成供/回水温度60 ℃/45 ℃的热水,供空调末端使用。同时配置2台单台额定蒸发量4 t/h的燃气蒸汽锅炉(1.0 MPa),供洗衣房、中心消毒、厨房及冬季病房新风加湿等使用。

  采用一级泵变流量(主机变流量)系统。空调水系统按照各功能分区分别设置环路,其中疫时使用的功能区域的水系统设置独立的环路。

  病房新风换气次数平时按3 h-1计算,疫时按6h-1计算;疫时(平时)清洁区新风换气次数按3 h-1计算。依据负压病区各房间负压值及压力梯度分布,采用压差法计算门窗缝隙渗透风量,采用式(1)计算病房及缓冲间各门窗的渗透风量L。

  式中μ为流量系数,一般取0.3~0.5,建议取0.4;F为缝隙面积,m2,内房间门缝隙考虑3 mm, 门下留10 mm缝隙,外阳台门采用密闭门或密闭措施;Δp1为压差,Pa;ρ为空气密度,取1.2 kg/m3。

  依据风量平衡,排风量+渗出风量=送风量+渗入风量,该项目送风根据新风换气次数确定,可依次求出病房、缓冲间、医护走廊等主要房间区域疫时通风量,见表4。

  病房平时采用风机盘管+新风系统的空调形式。疫时A、B栋收治危重症患者,采用全新风系统;C、D栋收治中度症状患者,采用风机盘管+新风系统。

  夏季、冬季新风与风机盘管送风分别送入病房,其空气处理过程如图6所示。风机盘管承担室内冷、热负荷,新风只承担新风负荷。设计工况下,夏季室内温度tn=26℃、相对湿度φ=55%,新风处理后状态点L1(室内状态点等比焓线 ℃)与风机盘管处理后的空气混合至室内状态点N;冬季室内温度tn=22 ℃、φ=40%,新风处理到室内温度22 ℃,与风机盘管处理后的空气混合至室内状态点N。

  注:W为室外状态点;N为室内状态点;ε为热湿比线分别为夏季和冬季新风机组送风状态点;L3、R3分别为夏季和冬季风机盘管出风状态点;N1为风机盘管出风进入空调房间沿室内热湿比线变到的状态点。

  疫时因A、B栋病房病人为危重症患者,一些产生气溶胶的操作(气管插管、无创通气、气管切开术、心肺复苏、插管前人工通气和支气管镜检查)会增加传播新冠病毒传播的风险,在保证安全和节能的前提下,疫时病区收治需要上述操作的重症病人时,采用全新风运行模式。其空气处理过程如图7所示。

  新风机组承担系统新风本身及室内冷热负荷总和。设计工况下,夏季室内温度tn=26 ℃、相对湿度

  =55%,新风处理至状态点L1,经风机温升(1.5 ℃)后沿热湿比线送入室内,室内状态点的露点温度为15.8 ℃;冬季室内温度tn=22 ℃、相对湿度φ=55%,新风加热处理到R1(26.7 ℃),再经过蒸汽加湿至R2,沿热湿比线至室内状态点N。3.5.3

  通风空调系统需平疫结合统筹设计,避免平疫2套系统共存。病房通风空调系统模块设计平时和疫时的主要差别表现在送排风量、过滤要求、压力梯度、气流组织及系统分区等方面。病房平时为微正压,疫时转换为负压。病房平时通风空调系统对分区没有严格规定,换气次数为3 h-1,新风过滤要求为粗效+中效过滤器,排风无过滤要求。病房疫时通风空调系统要求按照清洁区、半污染区、污染区划分系统,建筑室内通风气流组织形成从清洁区→半污染区→污染区的有序的压力梯度,实现空气定向流动,避免空气传播途径的交叉感染;疫时病房最小新风换气次数为6 h-1,病房新风过滤要求为粗效+中效+亚高效过滤器,病房排风过滤要求为粗效+高效过滤器。

  为满足上述2种工况使用上的要求,病房平疫结合通风空调系统按照每层的清洁区、半污染区、污染区设置独立系统,通风空调管道需按疫时的风量设计布置。新风机组设置于每层的新风机房内,机房设置于清洁区,每层排风机组均设置于屋面。

  由于疫时病房新风量是平时新风量的2倍,病房排风量是平时排风量的3倍以上,因此新风及排风风道在相同风速下的面积及尺寸疫情时均比平时成倍增加,同时根据疫时室内气流组织的送风及排风形式要求,室内装修需要设置吊顶。因此建筑层高及室内净高控制是设计重点考虑的问题。该项目标准层病房层高3.90 m、梁高0.75 m, 走道实际控制净高为2.35 m, 房间净高为2.80 m, 见图8、9。从实际使用角度分析,走道净高2.35m、房间净高2.80 m偏低,建议类似项目层高宜为4.0~4.2 m。

  :mm)该项目A、B 2栋病房疫时收治重症患者,均安装室内排风立管,C、D 2栋病房疫时收治一般患者,在室内排风干管处预留接口,排风立管疫时再安装进行平疫转换,标准层病房通风空调系统平时及疫情转换如图10所示。

  病房新、排风口布置见图5。室内吊顶标高2.80 m,主送风口:尺寸250 mm×1 000 mm, 送风量240 m3/h, 送风速度0.27 m/s;次送风口:尺寸100 mm×300 mm, 送风量120m3/h, 送风速度1.1 m/s;下排风口(2个):尺寸200 mm×500 mm,排风量265 m3/h, 排风速度0.74 m/s。病人废气呼出量按0.7 L/min计算。为验证病房内气流组织及污染物的扩散情况,基于某有限元分析软件对病房通风系统来进行CFD数值模拟,该有限元分析软件计算采用标准

  模型,控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、湍流脉动动能K方程及湍流能量耗散ε方程。为提高计算精度,利用某软件划分非结构化网格,并在风口及人呼吸口处进行网格加密处理,最终生成120余万网格。按实际设计设置边界条件后进行模拟计算。A、B栋病房内气流组织模拟结果如图11所示,上送下排的气流组织形式能实现气流的连贯性,减少涡流的产生。病人处于气流下风向,病人呼出的污染物能在第一时间被气流裹挟排至室外。

  病房内气流速度分布及病床附近污染物浓度分布如图12、13所示。在送风口及排风口处风速较大,病人所处范围内并无明显涡流,病人呼出的污染物能够及时排至室外,病房整体范围内污染物浓度较低,可以在一定程度上完成控制污染物、降低交叉感染风险的预期。

  进出病房等平疫转换房间新风及排风支总管上均设置多工况风量调节器,设置为定风量控制模式,由最小风量设定器设定平时风量,最大风量设定器设定疫时风量,根据风量刻度表现场调节设定值。可实现平时风量、疫时风量及阀门开关3种状态控制,疫时可替代电动密闭阀实现病房消毒时需要关闭或开启的使用上的要求。多工况风量调节器是针对后疫情时代平疫转换医疗建筑在定风量阀的基础上开发的新产品,也是负压病房风量平衡及维持房间负压的关键设备。其风量偏差为±10%,对于负压病房最不利的情况是:新风管上的多工况风量调节器或新风机出现正偏差,即送风量过大;排风管上的多工况风量调节器或排风机出现负偏差,即实际风量小于设计或设定风量。这种情况下负压排风量不够,负压达不到要求。所以在计算压差排风量时,不仅要考虑漏风量,还需考虑风机、调节器风量正负偏差绝对值之和。

  表5给出了多工况风量调节器与国产电动密闭阀漏风率比较,前者漏风率远低于后者。

  3.7.2平疫共用数字化新风机组目前平疫共用数字化新风机组与排风机组均属于定制化非标产品,是根据不同转换设计的基本要求进行设计。因此,需从使用要求及经济性等方面对平疫共用数字化新风机组构造、风机形式、表冷器及机组控制进行单独设计。设计中建议避免平疫2套系统共存,能实现平疫快速转换,同时需考虑其表冷器容量及防冻措施等。

  设计采用高效节能EC风机(采用数字化无刷直流外转子电动机的离心式风机)和数字化智能控制技术的平疫共用新风机组。图14为数字化新风机组各功能段组合图。中标供货商根据设计方提出的平疫转换方式,进行设备本体构造设计及生产。其功能段依次为:粗效→中效→中间段→亚高效段→表冷(热)段→蒸汽加湿段→挡水板段→风机段。其中,风机段采用双风机形式,选择2台EC风机,平时使用时单台风机运行,2台风机交替使用,互为备用;疫时2台风机同时运行。

  新风机组内的亚高效过滤器作为平疫转换设备,平时不安装,疫时再安装。新风机组自带智能控制柜,对风机启停、风机状态、故障报警、过滤器压差报警及风机变速控制等进行一体化控制,并预留RS485通讯接口接入BA系统。新风机组和控制柜均安装于清洁区新风机房内,便于疫时设备维护管理,避免维护管理人员出现交叉感染。

  平疫共用新风机组在设计工况下的冷、热量需满足在全新风运行时的新风负荷及所服务区域室内负荷之和。普通新风机组表冷器迎面风速一般按2.5 m/s设计,对于平疫共用新风机组表冷器如果依然按照2.5 m/s的迎面风速常规选型,那么在50%风量下,表冷器迎面风速仅为1.25 m/s, 根据图15表冷器风速换热系数曲线能够准确的看出,此时表冷器的传热系数衰减较大。如果表冷器按照3m/s的迎面风速进行选型,这样在50%风量下,表冷器迎面风速为1.5m/s, 此时表冷器的传热系数衰减在合理范围内。

  )平疫共用新风机组表冷器迎面风速按3 m/s设计校核表冷器冷凝水挡水率。由图16能够准确的看出,在表冷器迎面风速高于3 m/s的情况下,挡水板挡水率急剧下降,易引起表冷器飘水,影响正常使用。表冷器设计迎面风速建议控制在3 m/s以内。

  )在平疫结合的特殊使用情况下,表冷器的水路流程也有必要进行特殊设计。机组冷量在50%~100%范围变化时,通过机组的水流量及流速会发生大幅度变化。通常情况下,考虑表冷器水流阻力和换热系数因素,流速一般按照1.8 m/s设计,但在平疫结合的需求下,流速可按2.4 m/s进行设计。表冷器盘管水流速度的调节通过特殊设计的盘管回路实现,以图17所示的盘管举例说明:普通机组的标准盘管回路通常设置16个进口、16个出口,每个口流速为1.8m/s;平疫结合机组的盘管回路中,为提高管路中的水流速度,可将16个口缩减为12个口,每个口水流速度提高为2.4 m/s。根据图18能够准确的看出,在2.4 m/s流速下,水阻力增加较小,并能保证50%流量下,流速1.2 m/s时,表冷器有较高的换热效率(见图19),同时也减小了低速工况下表冷器盘管局部产生冻伤的可能。

  )在平疫工况风量变化时,对过滤器的阻力做复核。通过图20能够准确的看出:在过滤器迎面风速为3 m/s时,以中效袋式过滤器为例,过滤器的阻力相对处于可接受范围内,迎面风速大于3m/s时过滤器阻力急剧增加。

  图21为数字化排风机组各功能段组合图,其功能段依次为:粗效→中间段→高效段→风机段。其中:风机段采用双风机形式,选择2台EC风机,平时使用时单台风机运行,2台风机交替使用,互为备用;疫时2台风机同时运行。排风机组自带智能控制柜,对风机启停、风机状态、故障报警、过滤器压差报警及风机变速控制等进行一体化控制,并预留RS485通讯接口接入BA系统。高效过滤器作为平疫转换设备,平时不安装,疫时再安装。

  卫生通过是指采用换鞋、更衣、淋浴等措施控制人员、物品从非清洁区到洁净区的净化过程。卫生通过区域,平时在更衣室新风换气次数为2 h-1,卫生间及淋浴室平时使用排气扇侧墙排风,排风换气次数为10h-1。疫时在一次更衣室设置换气次数不小于30 h-1的送风,在脱隔离服间设置不小于40 h-1的排风,疫时排风机设置室外屋面,预留土建及机电条件,风机疫时安装。排风过滤要求为粗效+高效过滤器,各相邻隔间设置直径为D300带密闭阀的圆形通风短管,气流流向从清洁区至污染区。该项目卫生通过通风平面如图22所示。

  粗效、中效、亚高效空气过滤器过滤效率分别不低于现行国家标准GB/T 14295—2019《空气过滤器》的C2、Z3、YG类要求;高效过滤器效率不低于现行国家标准GB/T 13554—2020《高效空气过滤器》的过滤效率级别40类要求。对于回风的过滤要求是微生物一次通过率不大于10%,颗粒物一次计重通过率不大于5%,该项目所使用过滤器要求见表7。

  由于新风机组及排风机组过滤器在使用的过程中随着使用时间的延长,其阻力也逐步增加,其通风系统风量会逐步减小。为灵活控制通风系统风量,满足平疫工况各病房的送排风量及疫时病房的负压要求,对通风系统风机进行调速控制,即通风系统需采用变风量控制。普通变风量系统,空调机组定送风温度运行,变风量末端根据室内负荷的变化调节运行风量,保证室内温度,其末端会出现频繁调节的情况。与普通变风量系统不同,平疫转换变风量系统中,疫时每间病房新风量大小及每间病房在疫时与相邻、相通的缓冲间、走廊的压差大小要求固定,其送、排风量不可能会出现频繁调节过程。在病房新风、排风支管上设置压力无关型多工况风量调节器(定风量阀)是控制病房新、排风量及病房与其相邻、相通的缓冲间、走廊压差简单有效的方法。

  GB 50849—2014《传染病医院建筑规划设计规范》、GB 50686—2011《传染病医院建筑施工及检验收取规范》中明确规定:负压(隔离)病房应设置压差传感器,负压(隔离)病房与其相邻、相通的缓冲间、走廊应保持不小于5 Pa的负压差。建筑设备监控系统应监视污染区、半污染区的压差及负压手术室的温度、湿度与压差,当压差失调时声光报警,维护人员到出现一些明显的异常问题的现场做处理。该项目通过设定及调整多工况风量调节器的风量,满足负压病房与其相邻、相通的缓冲间、走廊保持不小于5 Pa的负压差的要求。

  采用定静压法控制方式。在风系统上游约1/3处设置压力传感器,PLC控制器根据测得的压力值与设定值的偏差,通过调节EC风机电压(0~10 V)来调整风机转速,实现设置压力传感器处的压力恒定,满足系统模块设计资用压力,克服下游风道的阻力损失。该项目采用一体化数字新风机组与排风机组,并自带控制柜,每个新风及排风系统的变风量控制、监测报警等独立完成,并预留RS485通讯接口接入BA系统。

  A~D栋病房平时及C、D栋病房疫时空调系统采用风机盘管+新风系统。新风机组采用定温度送风,夏季送风温度为20.5 ℃(室内设计温度26 ℃,相对湿度55%;新风处理到室内状态的等比焓线,不承担室内冷负荷),冬季送风温度为20 ℃(室内设计温度)。PLC控制器根据新风出口温度与设定温度的偏差对新风机组盘管水管上的电动两通调节阀进行比例积分调节,维持送风温度的恒定。同时,通过风机盘管(三挡调节)控制室内温度。疫时A、B栋病房空调系统采用全新风运行(风机盘管停止运行)。为相对精确控制病房室内温度,设计中在3个典型病房(正常使用)各设置1个温度传感器,通过新风机组控制柜通讯数据采集对房间温度平均值进行计算,PLC控制器根据病房温度设定值与平均值的偏差对新风机组盘管上的电动两通调节阀进行比例积分调节,维持病房室内温度相对恒定。当室外气温变化引起室内冷负荷波动时,新风机组出风口温度不能低于室内状态(设计工况)下的露点温度

  疫时启动通风系统时,清洁区先启动送(新)风机,再启动排风机;关停时,先关闭系统排风机,后关闭系统送(新)风机。半污染区、污染区先启动系统排风机、后启动送(新)风机,关停时先关闭系统送(新)风机、后关闭系统排风机。各区之间风机启动先后顺序为污染区、半污染区、清洁区。

  在医院内人员密集及感染控制要求严格的场所(感染门诊、重症病房等)设置温度、相对湿度、二氧化碳浓度、细颗粒物PM2.5浓度及菌落数等的监测装置,其监测系统纳入BA系统。

  1) 平疫结合通风空调系统平时及疫时的主要差别在送排风量、过滤要求、压力梯度、气流组织、系统分区及控制等方面。2) 平疫结合通风空调系统建议采用简易、适用、经济及节能的技术措施,实现其快速转换,满足平时及疫时的使用要求。

  本文引用格式:宋涛,彭凯,李环环,等 .云景山医院平疫结合可转换病区通风空调系统模块设计与控制[J].暖通空调,2021,51(9):88-98

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