獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)在負(fù)壓隔離病房平疫轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

華東建筑設(shè)計(jì)研究總院 陸瓊文

將普通診室、病房轉(zhuǎn)換為適應(yīng)傳染病醫(yī)治要求的負(fù)壓診室、負(fù)壓病房，需要在建筑平面布局上通過設(shè)置衛(wèi)生通過、緩沖間，實(shí)現(xiàn)清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)的物理分隔。并用盡可能簡單有效的轉(zhuǎn)換措施，使得空調(diào)系統(tǒng)的溫濕度、新排風(fēng)量、潔凈度、壓力梯度、氣流組織滿足傳染病醫(yī)院的使用要求。同時(shí)兼顧平時(shí)運(yùn)行模式下的空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及舒適性。

1 病房的規(guī)范要求

病房平疫轉(zhuǎn)換空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)滿足普通病房、負(fù)壓病房和負(fù)壓隔離病房的不同規(guī)范要求。筆者根據(jù)GB 51039—2014《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]、GB 50849—2014《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、《新冠肺炎應(yīng)急救治設(shè)施負(fù)壓病區(qū)建筑技術(shù)導(dǎo)則(試行)》[3]、T/CECS 661—2020《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應(yīng)急醫(yī)療設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[4]、DB 11/663—2009《負(fù)壓隔離病房建設(shè)配置基本要求》[5]、ASHRAE 170-2017 Ventilation of health care facilities[6]，梳理了不同的醫(yī)院設(shè)計(jì)規(guī)范對各類型病房的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，包括室內(nèi)溫濕度、換氣次數(shù)、新風(fēng)量、壓力控制、氣流組織、過濾等級等。

1.1 室內(nèi)溫濕度

表1給出了不同規(guī)范病房溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)。由表1可知，醫(yī)院設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的普通病房設(shè)計(jì)溫度、濕度取值范圍較為寬泛，負(fù)壓隔離病房的設(shè)計(jì)溫度、相對濕度取值范圍雖相對較小，但仍在普通病房設(shè)計(jì)溫濕度取值范圍內(nèi)。因此，病房設(shè)計(jì)值建議取夏季溫度26 ℃、相對濕度60%，冬季溫度22 ℃、相對濕度40%，該溫濕度設(shè)計(jì)值可同時(shí)滿足普通病房、負(fù)壓病房、負(fù)壓隔離病房要求。

表1 不同規(guī)范病房溫濕度設(shè)計(jì)參數(shù)[1-3,6]

1.2 換氣次數(shù)及新風(fēng)量要求

表2給出了不同規(guī)范的病房設(shè)計(jì)換氣次數(shù)及新風(fēng)量。由表2可知：普通病房的房間換氣次數(shù)要求為6 h-1，新風(fēng)換氣次數(shù)為2 h-1；非呼吸道傳染病房、呼吸道傳染病房的換氣次數(shù)未作明確要求，參照普通病房的要求不應(yīng)低于6 h-1，相應(yīng)的新風(fēng)換氣次數(shù)分別為3 h-1和6 h-1；負(fù)壓隔離病房換氣次數(shù)可以按12 h-1取值。平疫轉(zhuǎn)換空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)量應(yīng)能滿足6、12 h-12種工況，新風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)能滿足2、3、6 h-1和全新風(fēng)4種工況。

表2 不同規(guī)范病房設(shè)計(jì)換氣次數(shù)及新風(fēng)換氣次數(shù)[1-6]

1.3 壓力控制要求

表3給出了不同規(guī)范病房壓力設(shè)計(jì)要求。由表3可知，普通病房對壓差沒有明確要求。國家規(guī)范要求負(fù)壓隔離病房與相鄰房間的壓差值均為-5 Pa，GB 50849—2014《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》中非呼吸道病房、呼吸道病房雖然沒有提出具體的壓差控制值，但均要求排風(fēng)量比新風(fēng)量大150 m3/h，一般情況下形成的壓差值也在-5 Pa左右。

表3 不同規(guī)范病房壓力設(shè)計(jì)要求

1.4 氣流組織要求

表4給出了不同規(guī)范病房氣流組織設(shè)計(jì)要求。由表4可知，普通病房的氣流組織規(guī)范沒有要求，一般采用上送上回(排)的氣流組織形式。在負(fù)壓隔離病房中，由于傳染病源的存在，清潔的氣流宜首先經(jīng)過醫(yī)護(hù)人員所在的清潔區(qū)域，而后在病患周圍排出，送風(fēng)口應(yīng)布置在醫(yī)護(hù)人員滯留的區(qū)域頂部，回(排)風(fēng)口布置在送風(fēng)口相對下側(cè)，如病房床頭處(如圖1所示)。DB 11/663—2009《負(fù)壓隔離病房建設(shè)配置基本要求》推薦的風(fēng)口布置、氣流組織方式可以有效地實(shí)現(xiàn)這一控制原則。在平疫轉(zhuǎn)換空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以考慮采用上送下回(排)的氣流組織形式。

表4 病房氣流組織設(shè)計(jì)要求

圖1 病房上送下回氣流組織設(shè)置平面示意圖(單位：mm)

1.5 過濾要求

表5給出了不同規(guī)范的病房過濾設(shè)計(jì)要求。由表5可知：1) 對于新風(fēng)過濾設(shè)置，普通病房新風(fēng)過濾采用粗效+中效+高中效過濾器可滿足規(guī)范要求，負(fù)壓隔離病房需提高過濾等級至粗效+中效+亞高效過濾器。2) 對于回風(fēng)過濾設(shè)置，普通病房的回風(fēng)可采用低阻中效過濾器，負(fù)壓隔離病房的回風(fēng)可設(shè)置高效過濾器；普通病房送風(fēng)無需設(shè)置過濾器，負(fù)壓隔離病房送風(fēng)采用高中效過濾器；普通病房排風(fēng)無過濾要求，負(fù)壓隔離病房排風(fēng)采用高效過濾器。3) 送風(fēng)口、回(排)風(fēng)口過濾器均安裝在風(fēng)口處，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換時(shí)可以通過更換過濾器得以實(shí)現(xiàn)。

平疫轉(zhuǎn)換空調(diào)系統(tǒng)對不同類型病房有不同過濾要求，可以通過更換過濾器得以實(shí)現(xiàn)。值得關(guān)注的是，不同類型的過濾器阻力有較大差異。特別是普通病房對于送、排風(fēng)無過濾要求，空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)機(jī)的選型需要考慮該部分壓力值的變化，風(fēng)機(jī)的性能曲線應(yīng)相應(yīng)地調(diào)整。

1.6 其他設(shè)計(jì)要求

除上述規(guī)范中明確規(guī)定的暖通設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)注意以下設(shè)計(jì)點(diǎn)：

1) 每間負(fù)壓隔離病房的送、排風(fēng)管上應(yīng)設(shè)置電動密閉閥。

2) 排風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口的水平距離不應(yīng)小于20 m，當(dāng)水平距離不足20 m時(shí)，排風(fēng)口應(yīng)高于進(jìn)風(fēng)口，高差不宜小于6 m；排風(fēng)口應(yīng)高于屋面不小于3 m，風(fēng)口應(yīng)設(shè)錐形風(fēng)帽，排風(fēng)高空排放。

3) 冷凝水應(yīng)集中收集。

2 平疫轉(zhuǎn)換病房設(shè)計(jì)要求

表5 不同規(guī)范病房過濾設(shè)計(jì)要求

平疫轉(zhuǎn)換病房需要實(shí)現(xiàn)普通病房、負(fù)壓病房和負(fù)壓隔離病房之間的切換，其中負(fù)壓病房模式又可以細(xì)分為非呼吸道負(fù)壓病房和呼吸道負(fù)壓病房。平疫轉(zhuǎn)換病房設(shè)計(jì)參數(shù)可按表6取值。

表6 平疫轉(zhuǎn)換病房設(shè)計(jì)參數(shù)

3 獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)DOAS-VAV

目前國內(nèi)醫(yī)院設(shè)計(jì)中，診室、病房一般采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的末端空調(diào)形式。當(dāng)平疫轉(zhuǎn)換時(shí)，可以通過增大新風(fēng)量、排風(fēng)量，加強(qiáng)新風(fēng)、排風(fēng)過濾要求等措施，實(shí)現(xiàn)平時(shí)診室、病房轉(zhuǎn)換為負(fù)壓診室、負(fù)壓病房的要求。近年來，部分高端醫(yī)院對標(biāo)國外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，全空氣空調(diào)系統(tǒng)也開始在醫(yī)療建筑設(shè)計(jì)中得以應(yīng)用。全空氣系統(tǒng)較風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的空調(diào)形式，有更好的過濾能力和舒適性。特別是房間內(nèi)不設(shè)置換熱末端，避免了病菌在凝結(jié)水盤滋生的隱患。ASHRAE 170-2017中也規(guī)定了負(fù)壓隔離病房等區(qū)域不得采用房間空調(diào)器作為末端。全空氣系統(tǒng)在造價(jià)、控制、機(jī)房面積和吊頂空間的需求上較風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)系統(tǒng)有著更高的要求，適合高端醫(yī)院。本文針對采用全空氣系統(tǒng)的醫(yī)療建筑如何實(shí)現(xiàn)平疫轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析。

平疫轉(zhuǎn)換病房通常為單人間或雙人間，病房面積為30 m2左右。按換氣次數(shù)6 h-1計(jì)算，單間病房的送風(fēng)量為500～600 m3/h左右。通常情況下空調(diào)機(jī)組的最小風(fēng)量為1 500～2 000 m3/h，按單個(gè)房間設(shè)置系統(tǒng)很難找到合適的空調(diào)機(jī)組設(shè)備。通常情況下可以考慮4～6間病房合并設(shè)置系統(tǒng)，為了靈活控制各房間溫度，通常情況采用變風(fēng)量系統(tǒng)。

普通的變風(fēng)量(VAV)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組定送風(fēng)溫度運(yùn)行，變風(fēng)量末端根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷的變化作變風(fēng)量調(diào)節(jié)運(yùn)行以保證房間溫度。該空調(diào)系統(tǒng)以房間顯熱負(fù)荷為控制對象，由于送風(fēng)溫度、含濕量的耦合關(guān)系，房間濕度不作主動控制。此外，由于所有房間的送風(fēng)新風(fēng)比一定，對于有不同新風(fēng)量要求的房間，只能通過調(diào)整系統(tǒng)新風(fēng)比得以實(shí)現(xiàn)。對于醫(yī)療建筑，房間溫度、濕度、新風(fēng)量和壓力值均有要求，VAV的應(yīng)對就顯得不夠靈活。

常規(guī)空調(diào)機(jī)組采用機(jī)器露點(diǎn)送風(fēng)，送風(fēng)溫度和濕度有耦合關(guān)系，不同熱濕比線的房間無法同時(shí)進(jìn)行溫度和濕度的獨(dú)立控制。此外，一套空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)比固定，對于有不同新風(fēng)比要求的房間，也難以實(shí)現(xiàn)靈活控制調(diào)節(jié)。因此，當(dāng)實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，溫度、濕度、新風(fēng)量無法分別獨(dú)立調(diào)整。所以為解耦送風(fēng)溫度、濕度、新風(fēng)比等參數(shù)，筆者提出了一種可獨(dú)立調(diào)整溫度、濕度、新風(fēng)量3種參數(shù)，適合醫(yī)療建筑的全空氣空調(diào)系統(tǒng)——獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)，見圖2。

圖2 獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)

該系統(tǒng)由新風(fēng)機(jī)組(PAU)+變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組(AHU)+排風(fēng)機(jī)(EF)組成。

PAU由如下功能段組成：進(jìn)風(fēng)段+過濾段(粗效G3+中效F5+高中效F8過濾器，轉(zhuǎn)換為負(fù)壓隔離病房時(shí)更換為粗效G3+中效F5+亞高效F9過濾器)+加熱段+冷卻段+再熱段+加濕段+風(fēng)機(jī)段。

AHU由如下功能段組成：進(jìn)風(fēng)段+混合段+過濾段(粗效G3+中效F5+高中效F8過濾器，轉(zhuǎn)換為負(fù)壓隔離病房時(shí)更換為粗效G3+中效F5+亞高效F9過濾器)+加熱段+冷卻段+再熱段+加濕段+風(fēng)機(jī)段。

PAU定頻運(yùn)行，變風(fēng)量空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)采用變頻控制，采用定靜壓控制或總風(fēng)量控制。

送風(fēng)變風(fēng)量末端，根據(jù)房間設(shè)定溫度作風(fēng)量調(diào)節(jié)；回風(fēng)變風(fēng)量末端隨送風(fēng)變風(fēng)量末端等值變化；新風(fēng)變風(fēng)量末端根據(jù)設(shè)定模式作風(fēng)量調(diào)節(jié)；排風(fēng)變風(fēng)量末端根據(jù)房間壓差設(shè)定值作風(fēng)量調(diào)節(jié)；排風(fēng)管和回風(fēng)管也可合并設(shè)置，變風(fēng)量末端根據(jù)房間壓差設(shè)定值作風(fēng)量調(diào)節(jié)。當(dāng)病房門開啟造成房間壓差值變化時(shí)，排風(fēng)變風(fēng)量末端隨風(fēng)量作動態(tài)調(diào)節(jié)。排風(fēng)機(jī)采用變頻控制，采用定靜壓控制。

獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)突破傳統(tǒng)變風(fēng)量系統(tǒng)，一種送風(fēng)參數(shù)組合應(yīng)對多個(gè)房間顯熱負(fù)荷、濕負(fù)荷、新風(fēng)換氣次數(shù)和壓力值的耦合關(guān)系，h-d圖見圖3?？梢杂行?yīng)對醫(yī)療建筑這類需要同時(shí)對溫度、濕度、壓力、換氣次數(shù)、新風(fēng)量作控制的應(yīng)用場景。

1) 普通病房和非呼吸道負(fù)壓病房模式。

夏季工況：新風(fēng)經(jīng)PAU冷水盤管冷凍除濕處理至狀態(tài)點(diǎn)L，經(jīng)風(fēng)機(jī)溫升至狀態(tài)點(diǎn)L′送入室內(nèi)，狀態(tài)點(diǎn)L根據(jù)各房間最大濕負(fù)荷確定；回風(fēng)經(jīng)AHU冷水盤管等濕降溫后送入室內(nèi)，狀態(tài)點(diǎn)N′根據(jù)各房間最小送風(fēng)溫差確定，AHU通常情況下為干工況運(yùn)行；當(dāng)房間負(fù)荷變小、最小換氣次數(shù)小于規(guī)范允許值時(shí)提高送風(fēng)溫度，以保證換氣量。

冬季工況：室外新風(fēng)經(jīng)冷水盤管等濕加熱至狀態(tài)點(diǎn)L，經(jīng)等溫加濕后送入房間；回風(fēng)經(jīng)AHU熱水盤管等濕加熱后送入室內(nèi)，狀態(tài)點(diǎn)N′根據(jù)各房間最大熱負(fù)荷確定。

2) 呼吸道傳染病房和負(fù)壓隔離病房模式。

在呼吸道傳染病房和負(fù)壓隔離病房模式下，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為全新風(fēng)直流模式。

夏季工況：新風(fēng)經(jīng)PAU冷水盤管冷凍除濕處理至狀態(tài)點(diǎn)L，經(jīng)風(fēng)機(jī)溫升至狀態(tài)點(diǎn)L′送入室內(nèi)，狀態(tài)點(diǎn)L根據(jù)各房間最大濕負(fù)荷確定；新風(fēng)經(jīng)AHU冷水盤管處理至機(jī)器露點(diǎn)，再熱后送入室內(nèi)，狀態(tài)點(diǎn)M′根據(jù)各房間最小送風(fēng)溫差確定。

冬季工況：室外新風(fēng)經(jīng)熱水盤管等濕加熱至狀態(tài)點(diǎn)L，經(jīng)等溫加濕后送入房間。

4 案例分析

以某病房為例進(jìn)行分析，該病房為雙人病房，室內(nèi)面積25 m2，室內(nèi)高度3 m，普通病房為雙床間，見圖4。

圖4 案例病房示意圖

4.1 壓力值控制計(jì)算

房間漏風(fēng)量L1按式(1)計(jì)算：

(1)

式中A為門的漏風(fēng)面積，m2；Δp為壓差，Pa；n為經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，一般取2。

以病房為控制對象，當(dāng)Δp=5 Pa時(shí)，新排風(fēng)量差值為230 m3/h。

4.2 負(fù)荷計(jì)算

按照室內(nèi)溫度26 ℃、相對濕度60%進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，該病房室內(nèi)全熱負(fù)荷1 230 W，顯熱負(fù)荷970 W，濕負(fù)荷390 g/h。

4.3 不同病房類型的系統(tǒng)參數(shù)(見表7)及運(yùn)行模式

表7 不同病房類型的系統(tǒng)參數(shù)

普通病房：PAU按非呼吸道傳染病房進(jìn)行設(shè)計(jì)(新風(fēng)量225 m3/h，換氣次數(shù)3 h-1)，平時(shí)工況新風(fēng)管變風(fēng)量末端控制至新風(fēng)量150 m3/h、換氣次數(shù)2 h-1。AHU僅室內(nèi)循環(huán)，負(fù)擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)，送風(fēng)變風(fēng)量末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)。變風(fēng)量末端最小送風(fēng)量根據(jù)房間換氣次數(shù)設(shè)定。當(dāng)變風(fēng)量末端節(jié)流至最小開度時(shí)，AHU不再變頻，切換為變送風(fēng)溫度運(yùn)行。房間壓力控制為微正壓，排風(fēng)機(jī)關(guān)閉。

非呼吸道傳染病房：PAU定頻運(yùn)行，新風(fēng)承擔(dān)全部濕負(fù)荷。AHU僅室內(nèi)循環(huán)，承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷變化時(shí)，送風(fēng)變風(fēng)量末端變風(fēng)量調(diào)節(jié)。房間壓力控制為負(fù)壓，排風(fēng)機(jī)根據(jù)室內(nèi)外壓差值作變頻控制。

呼吸道傳染病房：新風(fēng)已能承擔(dān)全部室內(nèi)負(fù)荷，系統(tǒng)切換為全新風(fēng)直流模式。PAU定頻運(yùn)行，承擔(dān)全部室內(nèi)濕負(fù)荷。AHU提供剩余新風(fēng)量，定頻運(yùn)行。送風(fēng)處理至室內(nèi)露點(diǎn)溫度，通過再熱控制室內(nèi)溫度。房間壓力控制為負(fù)壓，排風(fēng)機(jī)根據(jù)室內(nèi)外壓差作變頻控制。

負(fù)壓隔離病房：全新風(fēng)直流模式。PAU定頻運(yùn)行，承擔(dān)全部室內(nèi)濕負(fù)荷。AHU提供剩余新風(fēng)量，定頻運(yùn)行。送風(fēng)處理至室內(nèi)露點(diǎn)溫度，通過再熱控制室內(nèi)溫度。房間壓力控制為負(fù)壓，排風(fēng)機(jī)根據(jù)室內(nèi)外壓差作變頻控制。

5 結(jié)論

1) 獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)變風(fēng)量系統(tǒng)多房間送風(fēng)時(shí)濕度、新風(fēng)量被動跟隨的問題。特別是醫(yī)療建筑對于新風(fēng)換氣次數(shù)的要求嚴(yán)格，變風(fēng)量系統(tǒng)只能通過調(diào)整系統(tǒng)新風(fēng)比保證最小送風(fēng)房間的新風(fēng)量，獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)可避免造成額外的新風(fēng)負(fù)荷。

2) 獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)在全新風(fēng)直流模式下，只有經(jīng)過AHU機(jī)組的新風(fēng)需要再熱處理，且AHU送風(fēng)參數(shù)較PAU高，減少了再熱損失，具有節(jié)能意義。對于全新風(fēng)直流系統(tǒng)，有較大的冷熱抵消損失，可以采用冷源熱回收、U形熱管熱回收技術(shù)，減少部分再熱損失。