重慶海潤節(jié)能研究院 丁艷蕊
重慶科技學院 劉麗瑩
重慶海潤節(jié)能技術股份有限公司 鄧曉梅
重慶海潤節(jié)能研究院 付祥釗
2020年新冠肺炎疫情暴發(fā),全國進入緊急備戰(zhàn)狀態(tài),各省市快速反應,新建、改建及臨時建設收治新冠肺炎患者的負壓隔離病房。一方面凸顯了我國現(xiàn)有傳染病醫(yī)院或負壓病房數(shù)量應對突發(fā)疫情的不足,另一方面也反映出疫情暴發(fā)前對負壓病房通風系統(tǒng)重視不夠。雷神山、火神山醫(yī)院及各省市改建負壓病房的情況充分反映了所存在的問題。在國內(nèi)疫情已得到控制并進入常態(tài)化防控時,2020年6月北京新發(fā)地、新疆、大連等地新冠肺炎患者的出現(xiàn),無疑又增加了疫情防控的緊張感,各省市迅速采取各項措施控制疫情,新冠肺炎患者的收治場所是各地區(qū)需要緊急解決的問題。國家發(fā)展和改革委員會、國家衛(wèi)生健康委員會和國家中醫(yī)藥管理局于2020年5月9日聯(lián)合發(fā)布的〔2020〕735號文件[1]《關于印發(fā)公共衛(wèi)生防控救治能力建設方案的通知》(以下簡稱《建設方案》),將“平疫結(jié)合”作為公共衛(wèi)生防控救治能力建設的5項基本原則之一,既滿足“疫情時”快速反應、集中救治和物質(zhì)保障需要,又充分考慮“平時”職責和運行成本。
為了指導各地對《建設方案》的實施,2020年7月30日,國家衛(wèi)生健康委員會、國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合發(fā)布了國衛(wèi)辦規(guī)劃函〔2020〕663號文件[2]《關于印發(fā)綜合醫(yī)院“平疫結(jié)合”可轉(zhuǎn)換病區(qū)建筑技術導則(試行)的通知》(以下簡稱《導則》),從建設技術角度對平疫結(jié)合可轉(zhuǎn)換病區(qū)如何實施作了規(guī)定。
本文分析健康通風與安全通風的區(qū)別和轉(zhuǎn)換要求,探討平疫結(jié)合型醫(yī)院病區(qū)通風系統(tǒng)實現(xiàn)健康與安全功能轉(zhuǎn)換的設計方法,重點是壓力要求、通風量需求、氣流組織、通風系統(tǒng)分區(qū)和形式、管道設計、機組選型及系統(tǒng)控制等方面,使一套系統(tǒng)通過運行切換或簡單改造實現(xiàn)平疫狀態(tài)下的不同通風需求。
《建設方案》明確提出要健全完善城市傳染病救治網(wǎng)絡,建設目標以“平疫結(jié)合、分層分類、高效協(xié)作”為原則,不鼓勵新建獨立的傳染病醫(yī)院。同時還提出要改造升級重大疫情救治基地,要建設可轉(zhuǎn)換病區(qū),按照平疫結(jié)合要求,改造現(xiàn)有病區(qū)和影像檢查用房,能在疫情時達到三區(qū)兩通道的防護要求。
可轉(zhuǎn)換醫(yī)院病區(qū)的建筑平面設計需要考慮并滿足平時和疫情時病區(qū)診療的工藝流程。綜合醫(yī)院的標準病區(qū)建筑平面沒有嚴格的三區(qū)兩通道,平時運行時,重點是保證病房、辦公室等區(qū)域的健康送風,衛(wèi)生間、處置室等污染區(qū)利用排風控制污染空氣、濕氣等,平面布局和流線示意如圖1所示。
平疫結(jié)合型的綜合醫(yī)院,其標準病區(qū)的平面結(jié)構(gòu)應能通過拆增墻體迅速轉(zhuǎn)換成呼吸道傳染病病區(qū)的三區(qū)兩通道形式,形成清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)在物理空間上的分隔,形成醫(yī)護走道到病房之間的緩沖空間,滿足醫(yī)療工藝需求,如圖2所示。平時作為女更、女衛(wèi)及男更、男衛(wèi)的空間通過增加墻體形成清潔區(qū)和半污染區(qū)之間的更衣室、緩沖間及進出的定向路徑;半污染區(qū)的走廊、部分房間的連通門疫情下鎖閉(圖2中紅線封閉位置),形成半污染區(qū)內(nèi)單一的定向路徑;病房內(nèi)入門附近增加墻體形成病房內(nèi)緩沖間,病房外陽臺通過移動和拆除墻體、柜子形成污染區(qū)患者通道。左右兩邊各利用一間病房分別轉(zhuǎn)換為污物通道和污染區(qū)至半污染區(qū)的更衣室、緩沖間。由此,綜合醫(yī)院標準病區(qū)轉(zhuǎn)換為呼吸道傳染病病區(qū)。
圖2 綜合醫(yī)院病區(qū)疫情時分區(qū)及流線示意圖
醫(yī)院室內(nèi)空氣安全和健康需要依靠通風系統(tǒng)實現(xiàn),通風系統(tǒng)設計在病區(qū)功能分區(qū)轉(zhuǎn)換和醫(yī)患流線設計的基礎上進行。通風系統(tǒng)的主要實現(xiàn)目標平時和疫情時有明顯的區(qū)別,平時是健康通風,疫情時是安全通風。平時狀態(tài)下,綜合醫(yī)院標準病區(qū)和傳染病醫(yī)院非呼吸道病區(qū)的室內(nèi)污染物主要為建筑本體、人員、醫(yī)療過程等產(chǎn)生的空氣污染物,如甲醛、苯、揮發(fā)性有機物、二氧化碳、臭氣、濕氣等,人員長時間在此類污染環(huán)境中停留會影響身體健康,需要借助通風解決人員的呼吸健康問題。疫情狀態(tài)下,作為呼吸道傳染病使用的病區(qū),病人呼吸會散發(fā)傳染性病毒,人員短時間接觸和停留就可能被感染,影響生命安全,需要依靠通風對危害嚴重的傳染性病毒進行控制,解決人員的呼吸安全問題。
通風系統(tǒng)的平疫結(jié)合設計,需要依據(jù)當?shù)匦l(wèi)生健康委等部門對醫(yī)院在區(qū)域重大疫情救治中的規(guī)劃定位,如疫情期的醫(yī)療流程、最大接診患者人數(shù)、接診患者的病癥程度,以及建筑專業(yè)提供的平疫結(jié)合醫(yī)院的建筑布局等,明確平疫2種狀態(tài)下通風系統(tǒng)的設計要求,開展通風系統(tǒng)設計[2-3]。
呼吸道傳染病病區(qū)根據(jù)是否被病原微生物污染劃分為清潔區(qū)、半污染區(qū)和污染區(qū)。清潔區(qū)對相鄰功能空間保持正壓;污染區(qū)對相鄰功能空間保持負壓,防止污染區(qū)空氣外泄污染相鄰空間;半污染區(qū)壓力等級介于清潔區(qū)和污染區(qū)之間。另外,和普通建筑一樣,局部釋放大量熱濕的區(qū)域應保持負壓,防止熱濕擴散至其他區(qū)域。
國家標準、規(guī)范、導則[4-8]等也是根據(jù)以上原則對病區(qū)房間壓力和相鄰房間之間壓差作出相應規(guī)定,如表1所示,目的是保證污染物不會從污染區(qū)經(jīng)過半污染區(qū)擴散至清潔區(qū),造成交叉感染。
表1 標準規(guī)范對病區(qū)壓力及與相鄰房間的壓差要求
以某傳染病醫(yī)院非呼吸道病區(qū)和某綜合醫(yī)院標準病區(qū)為例,表2中列出了病房及與之連通功能區(qū)的平時和疫情時的壓力設計要求。例如,綜合醫(yī)院病房平時為零壓,而疫情下為防止病人產(chǎn)生的病毒污染物外溢,要控制病房內(nèi)為負壓,且與其相鄰相通的緩沖間、緩沖間與醫(yī)護走廊宜保持不小于5 Pa的負壓差。
表2 病房及與之連通區(qū)域平疫壓力要求
因此,平疫結(jié)合型醫(yī)院病區(qū)通風設計中應該首先確定病區(qū)各個房間平時和疫情時的清潔/污染分區(qū)屬性,進而確定平疫狀態(tài)下房間的壓力,在其基礎上設計機械送風和機械排風系統(tǒng),實現(xiàn)實時動態(tài)通風,病區(qū)運行時才能通過調(diào)節(jié)送風量和排風量實現(xiàn)房間內(nèi)的正壓或負壓,以及滿足房間之間的壓力梯度需求。
平時的健康通風可采用混合稀釋的通風方法,通過一定量(如規(guī)范規(guī)定的新風換氣次數(shù))的清潔空氣與室內(nèi)污染空氣混合,將污染物濃度稀釋到衛(wèi)生標準的限值以下,如將二氧化碳體積分數(shù)稀釋到1 000×10-6以下。
與平時的健康通風不同,疫情時的安全通風更重要的是控制污染區(qū)的排風量,使排風量大于進風量,保持病毒污染區(qū)的負壓值,用壓力梯度阻擋病毒擴散,控制氣流流向,避免新風與污染空氣混合,使得污染空氣得到有效控制和排出。國家標準、規(guī)范、導則等對綜合醫(yī)院標準病區(qū)和傳染病醫(yī)院病區(qū)的房間通風量(新風量、排風量等)分平、疫狀態(tài)作了不同的規(guī)定,如表3所示??梢钥闯?,傳染病醫(yī)院呼吸道病區(qū)即疫情使用狀態(tài)的安全通風新風量大于平時的健康通風新風量,且規(guī)定了排風量和新風量的差值,以保證房間的壓力等級。
表3 規(guī)范[4-5,8]對病區(qū)房間通風量的規(guī)定
平時狀態(tài)下,新、排風量主要根據(jù)標準規(guī)范對健康通風所需新、排風量的要求確定;疫情狀態(tài)下,根據(jù)控制病毒及房間壓力要求計算新、排風量,并利用縫隙法計算房間的滲透風量,最終根據(jù)房間的風量平衡確定新、排風量。當缺乏相關的計算條件時,應按表3確定通風量。
平時和疫情時病房單元的平面布局分別如圖3和圖4所示。平時工況下病房單元的平面布局沒有緩沖間和患者走道,通過柜子或可移動式墻體隔出病房陽臺;疫情時病房單元的入口處增加緩沖間,通過移除陽臺的柜子或墻體形成患者走道。病房面積為25 m2(疫情下,病房面積20 m2,緩沖間面積5 m2),衛(wèi)生間面積為5.4 m2,層高按3 m計。以該病房為例計算平時和疫情時的通風量。
圖3 病房單元平時平面布置和壓力需求圖示
圖4 病房單元疫情時平面布置和壓力需求圖示
平時工況下作為綜合醫(yī)院標準病房使用,病房為零壓,按規(guī)范規(guī)定病房新風換氣次數(shù)為2 h-1,則病房新風量為150 m3/h;按每人不低于40 m3/h的新風量標準,2位病人+2位陪護人員,則病房最小新風量為160 m3/h;二者取大值,病房設計最小新風量取160 m3/h。衛(wèi)生間排風換氣次數(shù)按10 h-1計,排風量為160 m3/h。病房單元內(nèi)新風量等于衛(wèi)生間排風量,空氣平衡,通過病房衛(wèi)生間與病房之間的連通門形成病房向污染區(qū)衛(wèi)生間的氣流路徑。
疫情工況下作為呼吸道傳染病負壓病房使用,規(guī)范規(guī)定病房的新風換氣次數(shù)為6 h-1,則病房新風量為360 m3/h,為保證污染區(qū)病房氣流不外溢,病房相對于緩沖間及病人走道保持5 Pa負壓。采用縫隙法計算,病房與緩沖間之間門的滲入風量為112 m3/h,病房與病人走道之間的滲入風量為112 m3/h,即因壓力梯度滲入病房的風量為224 m3/h。因此排風量應為新風量+224 m3/h=584 m3/h,滿足規(guī)范規(guī)定的排風量比新風量大150 m3/h的要求。相對平時,病房需增加新風量360 m3/h-160 m3/h=200 m3/h,需增加排風量584 m3/h-160 m3/h=424 m3/h。
根據(jù)計算的平疫2種工況下的新風量和排風量確定兼顧二者的通風系統(tǒng)。
通風系統(tǒng)氣流組織涉及2個層面。第一層面,相互連通的各區(qū)域之間的氣流組織。第二層面,病房內(nèi)的氣流組織。
各區(qū)域之間的氣流組織,依靠各區(qū)域設計新、排風量的大小形成壓力梯度實現(xiàn)。如綜合醫(yī)院標準病區(qū)和傳染病醫(yī)院非呼吸道病區(qū),平時運行狀態(tài)下,衛(wèi)生間、處置室、污物室作為主要污染區(qū)域,健康通風需要實現(xiàn)病房、辦公室、走廊等→衛(wèi)生間、處置室、污物室的氣流路徑;疫情狀態(tài)下,為了控制病毒由污染區(qū)向半污染區(qū)或清潔區(qū)的擴散,安全通風需要嚴格實現(xiàn)由醫(yī)護走廊→緩沖間→病房→衛(wèi)生間的氣流路徑。
病房內(nèi)的氣流組織,依靠病房內(nèi)新、排風量的大小及新、排風口的位置和形式實現(xiàn)。標準規(guī)范對綜合醫(yī)院標準病區(qū)和傳染病醫(yī)院非呼吸道病區(qū)病房內(nèi)的氣流組織沒有明確要求,只要形成病房內(nèi)氣流向病房衛(wèi)生間流動,防止衛(wèi)生間污染空氣外溢即可。疫情狀態(tài)下的病房內(nèi)安全通風,直接關系到室內(nèi)人員的安全問題,氣流組織應有利于病毒等污染物的控制和盡快排出,應使傳染源處于排風氣流或排風區(qū)內(nèi)。還要加強排風氣流的收斂作用,削弱送風氣流的擴散作用,避免病毒逃出排風區(qū),被送風氣流卷吸進入呼吸區(qū)。
上送下排的氣流組織形式在傳染病醫(yī)院相關標準中有明確規(guī)定,而由于普通病房和非呼吸道傳染病房室內(nèi)氣流組織對人員安全性的影響不明顯,人們對室內(nèi)氣流組織的重視程度不高,目前綜合醫(yī)院的標準病房大多僅設機械新風,在病房衛(wèi)生間設置排風,或病房內(nèi)采用上送上排的送排風氣流組織形式。
根據(jù)房間的使用特點和病房內(nèi)的污染物分布情況,不論是普通病房還是呼吸道傳染病房,室內(nèi)豎向空間上均可形成清潔區(qū)、醫(yī)護人員呼吸區(qū)和污染區(qū)的豎向三區(qū)劃分,如圖5所示;房間上部即為空氣清潔區(qū),房間中部為醫(yī)護人員呼吸區(qū),房間中下部為病患呼吸及垃圾桶等污染區(qū)。通風氣流組織應實現(xiàn)在污染區(qū)內(nèi)靠近污染源排風,控制好帶有病毒或污染物的空氣,新風從上部送入醫(yī)護人員呼吸區(qū)。
圖5 病房醫(yī)療單元豎向三區(qū)劃分
送、排風口的位置設定后,后期使用過程難以改變。平疫結(jié)合型病房,為了增強作為普通病房使用時室內(nèi)空氣的安全性,以及確保滿足疫情下作為負壓病房的使用需求,應采用病房內(nèi)清潔區(qū)送風、污染區(qū)排風的氣流組織形式。病房內(nèi)排風口設置于病床床頭,即病毒污染源內(nèi),參考相關設計標準規(guī)范[6,8],風口下邊沿距地不應小于100 mm,上邊沿距地不應大于600 mm,風速不宜大于1.0 m/s。平時運行狀態(tài)下,注重送風量和送風氣流,病房內(nèi)新風量大于排風量,或病房內(nèi)僅送新風,依靠衛(wèi)生間排風實現(xiàn)病房內(nèi)的健康通風氣流需求;疫情運行狀態(tài)下,注重排風量和排風氣流對病毒污染空氣的控制,病房內(nèi)排風量大于新風量,建立要求的壓力梯度,實現(xiàn)病房內(nèi)安全通風氣流需求。
平疫結(jié)合通風系統(tǒng)應獨立分區(qū),避免污染。按照疫情下的三區(qū)兩通道需求進行劃分與設置,清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)應采用獨立系統(tǒng)。清潔區(qū)設置獨立新風系統(tǒng),排風可通過豎井至屋面排放,每層清潔區(qū)的排風可共用豎井;污染區(qū)病房各層排風經(jīng)高效過濾器處理后獨立排至室外,不宜與其他樓層共用豎井。如圖6和圖7所示。
圖6 某醫(yī)院病區(qū)新風系統(tǒng)平面圖示
圖7 某醫(yī)院病區(qū)排風系統(tǒng)平面圖示
平疫結(jié)合型醫(yī)院病區(qū)在平時與疫情時的風量需求不同,尤其是疫情時,需要通過風量的調(diào)控形成壓力梯度,保證潔污定向氣流路徑;且各自的動態(tài)變化時間不同,室內(nèi)壓力梯度也呈現(xiàn)動態(tài)變化,需要各個末端隨時可變可調(diào)。動力分布式通風系統(tǒng)[9-11]部分動力分布于各支路末端,調(diào)節(jié)靈活、穩(wěn)定,更能適應和保障醫(yī)院病區(qū)平疫結(jié)合的通風需求,如圖8所示。
圖8 通風系統(tǒng)流程示意圖
平時工況下,主要是滿足室內(nèi)健康通風的動態(tài)需求,動力分布式新風系統(tǒng)各末端支路風量調(diào)節(jié)模塊風機依據(jù)各房間末端的動態(tài)需求而調(diào)節(jié),動力分布式排風系統(tǒng)依據(jù)新風系統(tǒng)的動態(tài)變化而變化;疫情工況下,要維持各區(qū)域之間的壓力梯度及滿足污染區(qū)的排風需求,動力分布式排風系統(tǒng)各末端支路風量調(diào)節(jié)模塊風機根據(jù)各房間的需求動態(tài)變化調(diào)節(jié),新風系統(tǒng)按照疫情下的新風需求定風量運行。
通風系統(tǒng)管道確定并安裝后,難以根據(jù)平疫狀態(tài)不同需求進行調(diào)整,平疫結(jié)合型醫(yī)院病區(qū)通風系統(tǒng)需要按照疫情狀態(tài)下的感染控制分區(qū)劃分,管道設計通風量取平時和疫情下各個房間新(排)風量的逐時綜合最大值的較大者,滿足疫情最不利情況下呼吸安全的通風需求,平時運行時通過風量調(diào)控來滿足呼吸健康通風的需求。
文獻[12]規(guī)定:通風系統(tǒng)干管推薦風速為5.0~6.5 m/s,最大風速為8.0 m/s;支管推薦風速為3.0~4.5 m/s,最大風速為6.5 m/s。該風速是基于經(jīng)濟流速和防止氣流在風管中產(chǎn)生再生噪聲等因素,考慮房間的允許噪聲級等確定的??紤]到平疫2種使用狀態(tài)風量的不同,可按照平時狀態(tài)所需風量下推薦風速的下限值設計通風系統(tǒng)管道,并校核疫情下通風管道的風速,盡可能保證風速不超過最大限值。
新風機組一般安裝在每層新風機房內(nèi),機組的選型及設置有3種方式:1) 按照疫情時的風量需求選擇1臺機組,如圖9所示;2) 按照疫情時的風量需求選擇2~3臺機組,如圖10所示;3) 只安裝1臺滿足平時風量需求的機組,疫情時增加1~2臺并聯(lián)機組,預留疫情時需增加機組的位置。
圖9 新風機房布置1臺新風機組示意圖
圖10 新風機房布置3臺新風機組示意圖
根據(jù)平時和疫情時的風量設計標準,疫情時的風量是平時狀態(tài)最小風量需求的2~3倍,按照疫情時的風量設置1臺或多臺并聯(lián)新風機組,通過風機的變頻調(diào)速或運行臺數(shù)調(diào)節(jié),可以實現(xiàn)平時空調(diào)季節(jié)和供暖季節(jié)最小風量運行,同時又可實現(xiàn)平時過渡季節(jié)全新風運行,用通風消除室內(nèi)余熱余濕,縮短空調(diào)運行時間,減少空調(diào)系統(tǒng)能耗;疫情下按照滿足呼吸道傳染病病房需求的大風量運行,滿足疫情下空氣稀釋、壓力梯度保障等。既達到使用效果,又減少運行能耗,符合綠色建筑的發(fā)展要求。建議按照疫情狀態(tài)下的需求風量安裝新風機組。
排風機組一般安裝在屋面,考慮疫情防控等級、初投資等因素,可按照平疫狀態(tài)下分別設置,通過密閉風閥實現(xiàn)平疫轉(zhuǎn)換;也可通過增加并聯(lián)風機臺數(shù),實現(xiàn)疫情狀態(tài)下的需求。不同方式均需預留所需的設備安裝空間。
風量調(diào)節(jié)模塊即支路模塊風機,按照平疫2種狀態(tài)下的最大風量需求選型,平時狀態(tài)下小風量運行,疫情下大風量運行;同時模塊風機自帶電動密閉風閥,系統(tǒng)啟動時,電動密閉風閥自動開啟,系統(tǒng)停止運行時,電動密閉風閥自動關閉,滿足疫情下每個支路可單獨關斷、室內(nèi)消殺的需求。
通風控制系統(tǒng)應兼顧平疫2種工況下的不同控制需求。根據(jù)需求情況通過控制邏輯實現(xiàn)平時運行狀態(tài)和疫情運行狀態(tài)的一鍵切換或快速轉(zhuǎn)換。
病房設置空氣品質(zhì)傳感器,平時運行狀態(tài)下,根據(jù)空氣品質(zhì)傳感器對室內(nèi)空氣品質(zhì)的監(jiān)測情況實現(xiàn)支路風機手動或自動調(diào)節(jié),進而聯(lián)動主新風機和排風機的變風量運行,控制邏輯如圖11所示。
圖11 平時作為普通病房使用時通風系統(tǒng)控制邏輯
病房設置壓差傳感器,或預留壓差傳感器的安裝位置,疫情狀態(tài)下,控制系統(tǒng)快速切換,根據(jù)壓差傳感器對病房與緩沖間之間或病房與醫(yī)護走廊之間的壓差監(jiān)測情況,聯(lián)動控制支路排風機的自動調(diào)節(jié)運行,進而聯(lián)動主排風機的變風量運行,控制邏輯如圖12所示。
圖12 疫情時作為呼吸道傳染病房使用時通風系統(tǒng)控制邏輯
1) 作為平疫結(jié)合型醫(yī)院病區(qū),通風系統(tǒng)需要滿足2種狀態(tài)下的不同使用需求,對于系統(tǒng)中不可變或難以改變的部分,要按照高要求的呼吸道傳染病病房的需求設置,如系統(tǒng)劃分、氣流組織、系統(tǒng)管道設計等。
2) 作為平疫結(jié)合使用的通風系統(tǒng),要實現(xiàn)不同狀態(tài)下的轉(zhuǎn)變及滿足各運行狀態(tài)下的動態(tài)需求,風量可變性是系統(tǒng)必須具備的特性。1套系統(tǒng)滿足差異較大的2種狀態(tài)下的需求,動力分布式通風系統(tǒng)是最優(yōu)的系統(tǒng)形式。
3) 氣流組織是污染源得到良好控制的根本,傳染病病房氣流組織應使傳染源處于排風氣流或排風區(qū)內(nèi)。不論是傳染病病房還是普通病房,均可形成上部清潔區(qū)、中部醫(yī)護人員呼吸區(qū)和下部污染區(qū)的三區(qū)劃分。平疫結(jié)合型病房,為了增強作為普通病房使用時室內(nèi)空氣的安全性,以及確保滿足疫情下作為負壓病房的使用需求,應采用污染區(qū)排風、清潔區(qū)送風的氣流組織形式,并確保送風氣流不超出清潔區(qū)。
4) 呼吸道傳染病病區(qū)需要保證嚴格的壓力梯度,根據(jù)壓差傳感器的監(jiān)測結(jié)果控制通風系統(tǒng)的運行;普通病房重點是滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的需求,根據(jù)空氣品質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果控制通風系統(tǒng)的運行。平疫結(jié)合型醫(yī)院病區(qū),需要設置2種壓差傳感器或預留壓差傳感器的安裝位置,通風系統(tǒng)需要設置平、疫2套控制邏輯,實現(xiàn)功能改變時一鍵切換。