船舶傳染病隔離艙空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討

張 揚(yáng) 姜 威

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

船舶傳染病隔離艙空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討

張 揚(yáng) 姜 威

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

介紹了船舶傳染病隔離負(fù)壓艙的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和思路，結(jié)合一典型傳染病艙模型進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對艙內(nèi)污染控制分區(qū)進(jìn)行了分區(qū)設(shè)置，對換氣次數(shù)、負(fù)壓值、空調(diào)負(fù)荷、空氣處理等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算和結(jié)果分析。結(jié)合艙內(nèi)空調(diào)負(fù)荷介紹了通風(fēng)換氣設(shè)備與節(jié)能措施，根據(jù)傳染病隔離負(fù)壓艙空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)選取了相應(yīng)的熱回收裝置，并描述了其工作原理和特點(diǎn)。

船舶；傳染病隔離艙；空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；能耗；節(jié)能；熱回收裝置

1 引言

醫(yī)療救護(hù)船和一些大型特種船舶上的傳染病隔離艙主要用于治療呼吸道傳染病患者，其功用主要有兩點(diǎn)：一是利用負(fù)壓隔離病原微生物，同時(shí)將艙內(nèi)被患者污染的空氣經(jīng)特殊處理后排放，保證環(huán)境不受污染；二是通過通風(fēng)換氣及合理的氣流組織，稀釋隔離艙內(nèi)的病原微生物濃度，并使醫(yī)護(hù)人員處于有利的風(fēng)向段，保證醫(yī)護(hù)人員安全。傳染隔離負(fù)壓艙空調(diào)設(shè)計(jì)有別于一般的常規(guī)空調(diào)設(shè)計(jì)，應(yīng)對負(fù)壓值、負(fù)壓梯度值、負(fù)荷值、換氣次數(shù)、空氣處理等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，同時(shí)應(yīng)采用必要的節(jié)能措施減少能耗。為了說明傳染隔離負(fù)壓艙空調(diào)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合一典型艙室模型進(jìn)行計(jì)算說明。

2 傳染隔離負(fù)壓艙二級三區(qū)的控制模式

該傳染病隔離艙有一級病床區(qū)、二級緩沖區(qū)和二級衛(wèi)生間區(qū)三部分組成。與一般的傳染隔離負(fù)壓艙相比，一級病床區(qū)即相當(dāng)于一般傳染艙的病房區(qū)，病人主要在隔離病床區(qū)活動(dòng)。結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。其中緩沖區(qū)有與內(nèi)通道接觸的一艙門，病床區(qū)有與緩沖區(qū)接觸的一艙門，衛(wèi)生間有與緩沖區(qū)接觸的一艙門。

圖1 隔離艙布置圖

3 負(fù)壓及負(fù)壓梯度的確定

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中，艙內(nèi)始終處于壓力平衡狀態(tài)，但在有污染空氣的傳染病隔離艙中，需要保持負(fù)壓狀態(tài)。排氣量大于進(jìn)氣量是形成艙室內(nèi)負(fù)壓的先決條件，負(fù)壓值的大小也和艙室的密封程度密切相關(guān)，并且負(fù)壓值的選取也關(guān)系到空調(diào)系統(tǒng)的能耗。負(fù)壓梯度是指負(fù)壓隔離艙的病床區(qū)、衛(wèi)生間和緩沖區(qū)具有有序的梯度壓差，以保證氣流從低污染區(qū)向高污染區(qū)的定向流動(dòng)。緩沖區(qū)為低污染區(qū)，相對于病床區(qū)和衛(wèi)生間應(yīng)為正壓區(qū)；病床區(qū)為高污染區(qū)，相對于二者應(yīng)為負(fù)壓區(qū)；而衛(wèi)生間和病床區(qū)之間被緩沖區(qū)隔開，所以衛(wèi)生間壓力應(yīng)在兩者之間。根據(jù)相關(guān)規(guī)則［1，2］，選取病床區(qū)負(fù)壓為－30 Pa，緩沖區(qū)負(fù)壓為－15 Pa，衛(wèi)生間負(fù)壓為－20 Pa。壓力關(guān)系為外界＞緩沖區(qū)＞病床區(qū)，且緩沖區(qū)＞衛(wèi)生間。

4 換氣次數(shù)的確定

換氣次數(shù)（ACH）是指隔離艙的排風(fēng)量除以艙室容積所得的值，即通過排風(fēng)實(shí)現(xiàn)的可更換艙室內(nèi)空氣量的次數(shù)。較大的換氣次數(shù)有利于降低艙室內(nèi)的污染物濃度，試驗(yàn)表明換氣次數(shù)達(dá)到10ACH后，換氣次數(shù)的增加對減少室內(nèi)的污染物濃度所需的時(shí)間并沒有顯著的效果，如表1所示。換氣次數(shù)的增加將導(dǎo)致風(fēng)速增加、能耗增加等一系列問題，所以根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)換氣次數(shù)選為12ACH較為合適［3］。

表1 換氣次數(shù)與除污時(shí)間關(guān)系

5 滲透風(fēng)量的確定

為了維持艙室內(nèi)始終處于某一壓力狀態(tài)，艙室內(nèi)進(jìn)出風(fēng)需保持風(fēng)量平衡，對于因保持負(fù)壓狀態(tài)的傳染病房，必然有風(fēng)經(jīng)過艙門的縫隙進(jìn)入室內(nèi)。滲透風(fēng)量的大小可按縫隙法L＝1.1～1.2×（單位長度縫隙滲透風(fēng)量）×（縫隙長度）來確定，為了保證負(fù)壓效果，至少應(yīng)保持85 m3／h的滲透風(fēng)量。由縫隙法可以看出滲透風(fēng)量和壓差的保持在很大程度上依賴于隔離艙的密封程度。單位長度縫隙滲漏空氣量用公式計(jì)算是比較困難的，一般是通過不同型式的門、窗進(jìn)行多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后得出的。表2是對國內(nèi)陸上潔凈室的20多種常用的門、窗在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，取得的數(shù)據(jù)［4］。參考其中數(shù)據(jù)得到各區(qū)域壓差風(fēng)量（m3/ h）。

表2 單位長度縫隙滲漏空氣量（m3/h）

5.1 緩沖區(qū)相對于內(nèi)走廊、外界的壓差風(fēng)量

緩沖區(qū)相對于外界的壓差為－15 Pa。非密閉門相對于通道的每米縫隙滲透風(fēng)量為30 m3／h，滲透風(fēng)量為345 m3／h。

5.2 病床區(qū)相對緩沖區(qū)的壓差風(fēng)量

病床區(qū)相對于緩沖區(qū)的壓差為－15 Pa。非密閉門相對于緩沖區(qū)的每米縫隙滲透風(fēng)量為30 m3／h，滲透風(fēng)量為201.6 m3／h。

5.3 衛(wèi)生間相對緩沖區(qū)的壓差風(fēng)量

衛(wèi)生間相對緩沖區(qū)的壓差為－5 Pa。非密閉門相對于緩沖區(qū)的每米縫隙滲透風(fēng)量為17 m3／h，滲透風(fēng)量為126.48 m3／h。

6 排風(fēng)量的確定

由各區(qū)的滲透風(fēng)量和新風(fēng)量，根據(jù)風(fēng)量平衡計(jì)算出各區(qū)的排風(fēng)量，風(fēng)量平衡如圖2所示，其中A為病床區(qū)、B為緩沖區(qū)、C為衛(wèi)生間、D為內(nèi)通道。

圖2 隔離艙風(fēng)量平衡圖

1）病床區(qū)的排風(fēng)量的確定

根據(jù)風(fēng)量平衡可得：S2＋G2＝P2其中，S2為病床區(qū)新風(fēng)量；G2為病床區(qū)滲透風(fēng)量；P2為病床區(qū)排風(fēng)量。排風(fēng)量P2為241.6 m3／h，換氣次數(shù)為24 ACH。

2）衛(wèi)生間的排風(fēng)量的確定

根據(jù)風(fēng)量平衡，進(jìn)風(fēng)量等于排風(fēng)量，即衛(wèi)生間滲透風(fēng)G3＝排風(fēng)P3，得衛(wèi)生間排風(fēng)P3＝126.48 m3／h。

3）緩沖區(qū)的排風(fēng)量的確定

根據(jù)風(fēng)量平衡可得：S1＋S2＋G1＝P1＋P2＋P3其中，S1為緩沖區(qū)新風(fēng)量；S2為病床區(qū)新風(fēng)量；G1為緩沖區(qū)門縫滲透風(fēng)量；P1為緩沖區(qū)排風(fēng)量；P2為病床區(qū)排風(fēng)量；P3為衛(wèi)生間排風(fēng)量。得緩沖區(qū)排風(fēng)量為168 m3／h。

7 室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷的確定

以某典型傳染病隔離艙為例，艙外狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)按夏季干球溫度35℃，濕球溫度28.2℃；冬季干球溫度－5℃，相對濕度76%。夏季冷。負(fù)荷按艙內(nèi)溫度為24℃，相對濕度為55%計(jì)算；冬季熱負(fù)荷按艙內(nèi)溫度為22℃，相對濕度為45%計(jì)算。傳染病隔離艙的空調(diào)負(fù)荷的計(jì)算除了按常規(guī)計(jì)算外，由于隔離艙的滲透風(fēng)的存在，對艙內(nèi)的冷、熱和濕負(fù)荷產(chǎn)生影響，應(yīng)根據(jù)滲透風(fēng)量的大小加以考慮計(jì)算。艙內(nèi)各區(qū)的空調(diào)負(fù)荷見表3所示。

8 傳染病負(fù)壓隔離艙的空調(diào)設(shè)備

為防止傳染病隔離艙與別的醫(yī)療艙產(chǎn)生交叉感染，傳染病隔離艙的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立設(shè)置。負(fù)壓隔離艙內(nèi)被患者污染的空氣必須經(jīng)過特殊的處理后才能排放到艙外，一般排風(fēng)經(jīng)過高效過濾器排到艙外。新風(fēng)則應(yīng)經(jīng)過初、中效過濾器處理，減少附著在塵埃粒子上的病原微生物數(shù)量，有利于醫(yī)護(hù)人員的安全。病床區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)采用全新風(fēng)形式，空調(diào)系統(tǒng)如圖3所示。緩沖區(qū)則采用獨(dú)立新風(fēng)加風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。為了保證傳染隔離負(fù)壓病房的風(fēng)量，加上房間內(nèi)嚴(yán)格的壓力要求，氣流控制手段顯得非常重要。目前，定風(fēng)量裝置被廣泛采用?！夺t(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》也規(guī)定在送、回、新、排系統(tǒng)上采用定風(fēng)量系統(tǒng)［5］。

表3 傳染隔離負(fù)壓病房各區(qū)負(fù)荷

圖3 病床區(qū)空調(diào)系統(tǒng)

9 通風(fēng)換氣設(shè)備與節(jié)能措施

從隔離艙各區(qū)的冷熱負(fù)荷表2可以看出，采用把病床區(qū)單獨(dú)隔離起來的艙室布局比常規(guī)的布局要節(jié)能。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)隨著艙內(nèi)的病床區(qū)的增加，緩沖區(qū)的冷熱指標(biāo)也將相應(yīng)的成非線性的增加。造成傳染負(fù)壓隔離艙的能耗比一般艙室大的原因，主要是病床區(qū)采用全新風(fēng)空氣系統(tǒng)，且為了保證安全，換氣次數(shù)也比一般的病房較大。為了減少能耗，可以采用以下節(jié)能措施。

9.1 增加艙室的密封性，采用帶高效過濾器的自循環(huán)系統(tǒng)，降低換氣次數(shù)

隔離艙的密封性對負(fù)壓的維持比較重要，密封性不好艙外滲透風(fēng)量將增加，造成艙內(nèi)負(fù)荷的增加；而較好的密封性，可以減少排風(fēng)量從而減少風(fēng)機(jī)的能耗等等。而且換氣次數(shù)的增加勢必要增加新風(fēng)量，增加能耗，所以在滿足最低要求的情況下，應(yīng)該盡量減少換氣次數(shù)。為了降低換氣次數(shù)，緩沖區(qū)亦可采用獨(dú)立新風(fēng)加帶高效過濾器的干工況。風(fēng)機(jī)盤管自循環(huán)系統(tǒng)（圖4）來減少新風(fēng)量，但最小新風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)大于2 ACH。

圖4 病床區(qū)獨(dú)立新風(fēng)加自循環(huán)風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

9.2 采用相應(yīng)的熱回收裝置

采用熱回收裝置是目前較成熟的一種節(jié)能措施，熱回收的裝置很多，有轉(zhuǎn)輪式熱回收機(jī)、板式熱回收機(jī)、熱管式熱回收機(jī)、熱泵式熱回收機(jī)等，其中又可分為全熱回收式和顯熱回收式，兩者由于換熱機(jī)理不同，適應(yīng)的環(huán)境也不同。通常在新風(fēng)濕負(fù)荷較大的大氣環(huán)境宜使用全熱交換裝置，對于溫差較大且新風(fēng)排濕度差較小的大氣環(huán)境，采用顯熱回收裝置效果較好［6，7］。計(jì)算熱回收裝置的熱效率時(shí)，利用下面兩式：

其中，t1、h1為新風(fēng)進(jìn)熱交換器的溫度（℃）、焓值（kJ／kg）；t2、h2為新風(fēng)出熱交換器的溫度 （℃）、焓值（kJ／kg）；t3、h3為排風(fēng)進(jìn)熱交換器的溫度（℃）、焓值（kJ／kg）。

負(fù)壓隔離艙在進(jìn)、排風(fēng)進(jìn)行熱交換時(shí)，嚴(yán)格要求兩者不能直接接觸，應(yīng)采用熱管熱回收裝置和熱泵熱回收裝置。在傳染病隔離艙的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將經(jīng)過過濾后排風(fēng)和新風(fēng)通過熱回收裝置作為媒介交換熱量，如圖5所示。同時(shí)，由于艦船上的設(shè)備艙室空間的要求，設(shè)備小型化也是選擇熱回收裝置的重要指標(biāo)。

圖5 帶熱回收裝置的獨(dú)立新風(fēng)自循環(huán)空調(diào)系統(tǒng)

1）熱管熱回收裝置

熱管是一種高效的傳熱元件，其導(dǎo)熱能力比金屬高出幾百倍，熱管還具有均溫特性好，熱流密度可調(diào)、傳熱方向可逆等，用它組成熱管換熱器不僅具有熱管固有的傳熱量大、溫差小、重量輕、體積小、熱響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。采用熱管回收裝置時(shí)，新風(fēng)顯熱回收效率冬夏季按65%計(jì)算。根據(jù)室內(nèi)外的狀態(tài)利用顯熱回收效率式計(jì)算得：

夏季：t2＝35℃、h2＝90.1 kJ／kg；

冬季：t2＝－18℃、h2＝－16.6 kJ／kg；采用熱管熱回收機(jī)的回收新風(fēng)負(fù)荷值和比例如表4所示。

表4 采用熱管熱回收機(jī)的節(jié)能效果

2）熱泵熱回收機(jī)

熱回收式熱泵機(jī)組是以先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，采用制冷效率高的半封閉式壓縮機(jī)和換熱效果好的銅管鋁片的翹片式換熱器。由于回收了排風(fēng)中的能量而有效降低了空調(diào)機(jī)用于新風(fēng)降熱降濕所消耗的能量。相對于普通的空氣源熱泵［8］，使用熱泵式熱回收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是熱回收效率高，由于工況改善，機(jī)組的cop大大提高，在夏季工況下，熱泵的性能系數(shù) （熱泵的傳遞的能量與輸入功的比值）都能達(dá)到3～4。熱回收式熱泵機(jī)無互串氣，安裝方便，使用簡單，各風(fēng)管接管便利，適應(yīng)溫差范圍大，不但大大降低了運(yùn)行能耗，而且體積小，價(jià)格低，具有良好的設(shè)計(jì)適應(yīng)性，維護(hù)方便的特點(diǎn)。圖5為冬（夏）季過程原理圖，實(shí)線表示冬季循環(huán)過程，虛線表示夏季循環(huán)過程。

圖5 熱泵熱回收機(jī)冬（夏）季過程原理圖

10 結(jié)語

傳染病隔離艙由于其對艦船上空調(diào)系統(tǒng)要求的單獨(dú)性、特殊性，空調(diào)設(shè)計(jì)方面應(yīng)從氣流流向控制，氣壓控制，氣流組織分布，過濾器要求等方面認(rèn)真考慮計(jì)算。同時(shí)，由于負(fù)壓隔離艙的空調(diào)冷熱負(fù)荷比一般的艙室大，在船上條件允許的情況下，采用相應(yīng)的節(jié)能措施。相對陸地上醫(yī)院傳染病隔離病房的空調(diào)設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)比較成熟，船舶上的傳染病隔離艙的相關(guān)設(shè)備和技術(shù)還比較少，有待我們進(jìn)一步去開展研究。

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Discussion on the Design of Air-conditioning System of Infectious Isolation Cabin in Ships

Zhang Yang Jiang Wei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Through a special infectious isolation cabin model，the paper makes some analyses and cal鄄culations on the partition set－up，ACH，negative pressure value，air conditioning load and air treatment of infectious isolation cabin.In reference to air conditioning load and characteristics of air－condition sys鄄tem，the paper introduces venting and air change devices and energy saving measures.Besides，the op鄄eration principle and characteristics of the heat recovery device，which was selected according to charac鄄teristics of air－condition system，were also summarized.

ship；infectious isolation cabin；air－conditioning system design；energy consumption；en鄄ergy saving；heat recovery device

U664.5

A

1673－3185（2009）06－66－04

2008-09-26

張 揚(yáng)（1980－），男，助理工程師。研究方向：船舶輔助系統(tǒng)。E鄄mail：zangyangnet＠126.com