負壓病房防護通風設計要點及影響因素分析

劉字峻 池燕燕 艾 帥 潘嘉信

（1.中建中原建筑設計院有限公司 鄭州 450004；2.河南東森市政工程有限公司 鄭州 450004）

0 引言

本文以鄭州市第一人民醫(yī)院應急傳染病醫(yī)院和三門峽第二傳染病醫(yī)院為例，總結了負壓隔離病房防護通風設計的要點，希望為同類項目的設計提供一定的參考意義。

1 負壓隔離病房防護通風設計的意義

根據醫(yī)學臨床經驗和研究表明，Covid-19，SARS 等呼吸道傳染病主要傳播途徑為接觸傳播、飛沫傳播、氣溶膠傳播、母嬰傳播等[1]。負壓隔離病房的防護通風系統(tǒng)主要實現三種防止病毒傳播的功能：（1）有效的壓力梯度—嚴防帶菌氣體的泄露；（2）合理的換氣次數—稀釋房間帶菌氣體濃度；（3）合理的氣流組織—降低醫(yī)護人員感染風險。防護通風系統(tǒng)對降低污染源擴散范圍，稀釋病區(qū)污染物濃度，減少醫(yī)護工作人員感染風險有著重要的作用，是防止負壓隔離病區(qū)各類呼吸道傳染病毒傳播的重要手段。

2 建筑功能分區(qū)布置和人員流線

建筑一般按照“三區(qū)兩通道”布局，分別設置清潔區(qū)（包含醫(yī)辦、護辦、值班、會診、示教等功能），潛在污染區(qū)（護士站、處置室、治療室、醫(yī)護走道等）、污染區(qū)（負壓隔離病房、患者走道），且在清潔區(qū)與潛在污染區(qū)、污染區(qū)與潛在污染區(qū)設置緩沖間[2]。負壓隔離病房人流流線及“三區(qū)兩通道”如圖1、2 所示。

圖1 負壓隔離病房醫(yī)生、患者流線Fig.1 Doctors and patients streamline in negative pressure isolation ward

圖2 中有兩個區(qū)域值得注意：（1）為了方便醫(yī)護人員和患者進入治療區(qū)，建筑一般把治療室、檢查室等治療功能設置于護士站與患者走道之間，并且把這部分區(qū)域劃分為潛在污染區(qū)。根據負壓隔離病房日常管理規(guī)定，一般不允許病人進入醫(yī)護走道，但治療區(qū)卻是病人可以進入的區(qū)域，因此筆者認為相對醫(yī)護走道，治療室、處置室等房間的交叉感染風險比較大，這些區(qū)域設計時，建議相對于醫(yī)護走道保持一定的負壓梯度。（2）醫(yī)護人員經醫(yī)護走道、病房、患者通道、脫衣后返回時有兩個流線，一個流線是經清潔區(qū)的退出流線，另一個流線是進入護士站的返回流線。

圖2 負壓隔離病房“三區(qū)兩通道”及醫(yī)生、患者進出流線Fig.2 Three zones and two channels and doctors and patients streamline in negative pressure isolation ward

建筑的功能分區(qū)劃分和流線布置是判斷氣流流向和壓力梯度的基本依據，是通風系統(tǒng)設計是否合理的關鍵，因此暖通專業(yè)對建筑功能分區(qū)的設置和人流流線必須有足夠的了解，以確保氣流流向的合理性和壓力梯度的準確度，從而能夠降低交叉污染的風險，有效保護醫(yī)護人員。

3 負壓隔離病房通風設計要點及影響因素分析

負壓隔離病房各房間風量計算分六個步驟：（1）確定壓力梯度；（2）確定換氣次數；（3）計算滲透風量；（4）計算房間送、排風量；（5）分析其他風量計算影響因素；（6）確定風機風量。

3.1 壓力梯度的確定

負壓隔離病房各區(qū)域的壓力梯度是防護通風設計的關鍵點，負壓值過小不能有效阻止污染區(qū)空氣向清潔區(qū)擴散；負壓值過大會引起風量增加，導致設備容量及管道尺寸增大，系統(tǒng)投資和能耗增加。目前各個國家對負壓隔離病房負壓梯度執(zhí)行的標準差異性較大，澳大利亞傳染病控制常務委員會給出的壓力梯度需滿足＞10Pa，其中病房負壓值為-45±5Pa，病房衛(wèi)生間為-30±5Pa，緩沖間的負壓值為-15±5Pa；美國ASHRAE Standard 170-2017 標準規(guī)定要求相對潔凈的空間與鄰室最小壓差為2.5Pa[3]；我國《醫(yī)院隔離技術規(guī)范》規(guī)定病室負壓值宜為-30Pa，緩沖間負壓值宜為-15Pa[4]；《傳染病醫(yī)院建筑設計規(guī)范》規(guī)定負壓隔離病房與其相鄰房間、緩沖、走廊壓差應不小于5Pa；《醫(yī)院負壓隔離病房環(huán)境控制要求》進一步采用示意圖的方式明確了各功能區(qū)的壓力梯度[5]，各功能分區(qū)的壓力梯度取值如圖3 所示。

國內近兩年設計的負壓隔離病房，壓力梯度一般按照《醫(yī)院負壓隔離病房環(huán)境控制要求》的壓力梯度取值。由圖2 和圖3 對比可知，《醫(yī)院負壓隔離病房環(huán)境控制要求》沒有明確治療區(qū)和護士站的壓力梯度，考慮治療區(qū)是醫(yī)患流線交叉的區(qū)域，筆者建議治療區(qū)按照相對于護士站-5Pa 的壓差設計，護士站與醫(yī)護走道壓差值取值可以統(tǒng)一，但建議中間加設緩沖間。

圖3 各功能分區(qū)壓力梯度示意Fig.3 Schematic diagram of pressure gradient in each functional zone

3.2 換氣次數的確定

任何房間都遵循風量平衡的基本原則，即送風量+∑滲入風量=全面排風量+局部排風量+∑滲出風量。為了有效稀釋房間帶菌氣體濃度，保證通風效果，一般正壓房間的全面排風量，負壓房間送風量按照換氣次數計算。各區(qū)域換氣次數參照《傳染病醫(yī)院建筑設計規(guī)范》[6]和《醫(yī)院負壓隔離病房環(huán)境控制要求》[5]，詳見列表1。

表1 負壓隔離病房計算風量Table 1 Calculated air volume of negative pressure isolation ward

3.3 滲透風量計算

滲透風量的理論計算公式來自《流體力學》中孔口淹沒出流的伯努利方程[7]，公式如下：

滲透風量包含以下三種：（1）門窗縫隙、圍護結構縫隙造成的漏風量，（2）開關門引起的漏風量，（3）開關傳遞窗引起的漏風量。前面表1 中給出的各個區(qū)域的壓差指的是房間的靜態(tài)壓差，即不考慮開關門和傳遞窗引起的漏風，這些漏風在壓力梯度要求嚴格的房間之間，需要通過設置緩沖間等動態(tài)隔離措施來保證。

滲透風量有縫隙法、壓差法和換氣次數法三種計算方式，分別如下：

公式中各參數代表的含義及單位如表2 所示。

表2 滲透風量參數含義及對應數據Table 2 Meanings and corresponding data of infiltration air volume parameters

續(xù)表2 滲透風量參數含義及對應數據

以鄭州市第一人民醫(yī)院應急傳染病醫(yī)院負壓隔離病房為例，建筑有南北兩側對稱布置的16 間病房，一側污染走道共有4 扇外窗，1 個室外疏散門，兩端緩沖對稱布置，房間均采用長寬高3m×6m×2.8m 的箱式板房拼裝而成，各區(qū)域門窗尺寸如圖4 所示。

圖4 負壓隔離病房示意圖Fig.4 Schematic diagram of negative pressure isolation ward

以一個尺寸為1.2m×2.1m 的雙扇非密閉門為例，采用上述四個公式分別計算出的典型門窗滲透風量對比結果如表3 所示。

由表3 對比可知，采用不同的計算方法，結果差異性非常大，在實際項目中，筆者建議依據公式5 進行滲透風量計算，原因見本文后續(xù)分析。

以隔離病房為例，由公式（5）計算出來的滲透風量詳見表4。

表4 隔離病房通風量計算匯總Table 4 Summary of ventilation calculation in isolation ward

3.4 房間送、排風量計算

房間換氣次數和滲透風量確定后，即可按照圖2、圖3 中各區(qū)域壓力梯度要求，按照風量平衡公式，進一步計算房間送、排風量。

房間風量計算時，有以下三種類型房間：（1）相對周邊區(qū)域均為正壓的房間，滲入風量為零，公式簡化為：送風量=全面排風量+局部排風量+∑滲出風量；（2）相對周邊區(qū)域均為負壓的房間，滲出風量為零，公式簡化為：全面排風量=送風量-局部排風量-∑滲入風量；（3）介于上述兩種情況的房間，既有相對正壓房間的滲入風量，又有相對負壓房間的滲出風量，需要按公式分別計算。

仍以鄭州市第一人民醫(yī)院應急傳染病醫(yī)院隔離病房為例，根據《傳染病醫(yī)院建筑設計規(guī)范》要求，隔離病房最小換氣次數需按12 次/h 計算，根據風量平衡公式：送風量+∑滲入風量=全面排風量+局部排風量+∑滲出風量

采用上述計算方法，經過計算，各房間通風量計算結果統(tǒng)計結果如表5 所示。

表5 各房間通風量計算結果統(tǒng)計Table 5 Statistics of ventilation calculation results of each room

根據以上計算結果對比分析，在負壓隔離病房各房間通風量計算時，有以下幾個問題需要注意：

（1）計算公式的選取?！秱魅静♂t(yī)院建筑設計規(guī)范》規(guī)定的送排風之間150m3/h 的差值是基于2.5Pa 的壓差且圍護結構密封好的情況下的經驗數據，公式（4）也是上述情況；而公式（2）、（3）出自門窗嚴密性要求較高的潔凈廠房或者手術室。根據《傳染病醫(yī)院建筑設計規(guī)范》及衛(wèi)健委文件要求，負壓隔離病房要盡可能考慮自然通風，門窗嚴密性達不到（2）～（4）所適用場合，因此筆者建議依據公式（5）對負壓隔離病房進行滲透風量計算。

（2）正負壓房間風量計算。對于規(guī)范有明確換氣次數要求的房間，為了稀釋房間帶菌氣體濃度，減少感染風險，當房間為負壓時，以換氣次數作為送風量計算依據，在此基礎上，根據風量平衡計算排風量，如表4 所示。正壓房間則計算方式相反。

（3）滲透風量對送、排風量的影響。由表5計算可知，醫(yī)生走道滲出風量遠大滲入風量的房間，雖為負壓房間，但僅需送風即可滿足相對負壓要求。因此，對于與其他區(qū)域有大量門窗相連的公共空間，滲透風量會起到主導作用。

3.5 影響風量計算的其他因素分析

計算風量確定后，在進行風機風量選型前，還需要考慮其他不可見縫隙、管道連接方式、過濾器阻力變化等因素對風機選型影響，從而最終確定送、排風機風量、風壓。

3.5.1 其他不可見縫隙對滲透風量的影響

除門窗縫隙外，房間還存在一些其他諸如墻體、吊頂、管道等縫隙。這些縫隙對于施工周期和施工質量有保證的項目，可能不會對風量計算有較大影響。但如果受建設周期影響，圍護結構形式不夠嚴密，管道密封不到位，這類縫隙會導致房間壓力梯度達不到預期效果。以鄭州市第一人民醫(yī)院應急傳染病醫(yī)院為例，建筑采用箱式板房結構，房間吊頂為扣板吊頂，圖5 為負壓隔離病房與緩沖之間壓差表在病房圍護結構縫隙采用密封處理前后的對比，處理前后壓差增加了5Pa（圖中為正壓表，調試時設定30pa 為基準值），可見圍護結構密封性對滲透風量的影響之大。

圖5 病房圍護結構縫隙處理前后壓差值變化Fig.5 Change of pressure difference before and after treatment of cracks in ward envelope

3.5.2 風管連接方式漏風率對通風量的影響

可用作通風系統(tǒng)的風管材質包含金屬風管、非金屬風管和復合金屬風管；風管板材連接方式根據風管材質的不同可采用咬口連接、焊接和膠接等多種形式，風管連接形式有角鋼法蘭連接、共板法蘭連接、承插連接等形式?！稘崈羰沂┕ぜ膀炇找?guī)范》對排放含有害化學氣溶膠和致病生物氣溶膠空氣的風管的連接方式、風管嚴密性要求、漏風率均有明確要求。但《傳染病醫(yī)院建筑設計規(guī)范》對負壓隔離病房潔凈度等級及風管連接方式均未做明確要求，因此筆者參與設計的兩個醫(yī)院均采用熱鍍鋅鋼板風管共板法蘭連接，受加工方式和時間周期影響，后期進行嚴密性實驗時，均不甚理想。因此筆者建議風管連接有條件時盡量采用角鋼法蘭連接，設備選型計算時可在計算風量的基礎上，參照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準》要求的1.2 的系數考慮漏風率。

3.5.3 過濾器阻力變化對通風量影響

負壓隔離病區(qū)各房間過濾器配置如表6 所示。各級過濾器的初、終阻力詳見國家標準《空氣過濾器》和《高效空氣過濾器》[11,12]。過濾器的阻力隨迎面風速和積塵量的增加而增大，過濾器阻力變化對風機風量的影響示意如圖6 所示。計算過濾器阻力時，《傳染病醫(yī)院建筑設計規(guī)范》規(guī)定按過濾器的終阻力計算[6]，《潔凈室及其受控環(huán)境設計》建議按照初阻力加一定數值或者2 倍初阻力計算[9]。為了保證負壓隔離病區(qū)各房間壓差值，筆者建議按照過濾器終阻力選取，并在送、排風支管輔以定風量閥。

表6 負壓隔離病房過濾器配置Table 6 Filter configuration of negative pressure isolation ward

圖6 過濾器阻力變化對風機風量的影響Fig.6 Influence of filter resistance change on fan air volume

3.5.4 氣流組織對通風量影響

負壓隔離病房防護通風有兩個主目的：（1）通過在各區(qū)域設置合理的壓力梯度，防止帶菌氣體的泄漏；（2）通過合理的送、排風風口位置和不同形式組合，在換氣次數確定的前提下，創(chuàng)建合理的氣流組織形式，有效稀釋房間帶菌氣體濃度，減少帶菌氣溶膠的無序流動和二次污染，達到事半功倍的效果。

本文在鄭州市第一人民醫(yī)院應急傳染病醫(yī)院風口布置形式（兩個百葉風口頂送，一個排風口側下排）的基礎上，通過調整送、排風口數量、角度及位置，經過氣流組織模擬，最終得出較為理想的氣流組織形式。風口布置形式及其氣流組織模擬結果如圖7 所示。這種氣流組織形式，有效的降低了送風流線過長、易產生渦流的問題，且風口角度的設置，有利于新鮮空氣送入醫(yī)護人員頭部，經患者呼吸區(qū)排至排風口，有效的提高了通風效率。這種氣流組織形式在三門峽第二傳染病醫(yī)院得到采用并取得了一定的實際效果。

圖7 風口布置形式及其氣流組織模擬Fig.7 Simulation of tuyere layout and air distribution

3.6 風機風量的確定

經過以上分析，風量的選擇需要綜合考慮壓力梯度、滲透風量、管道連接方式、過濾器阻力等各種因素的影響，并結合醫(yī)院建設周期帶來的不確定因素（風機實際參數與設計參數有出入等因素），綜合考慮后確定。值得說明的是，考慮后期運行成本控制及節(jié)能要求，風機建議選用變頻風機，以實現病房的平疫轉換運行。

4 結語

鄭州市第一人民醫(yī)院應急傳染病醫(yī)院和三門峽第二傳染病醫(yī)院均為筆者參與設計建造的負壓隔離病房項目。經過兩個項目的建設，經驗總結如下：

（1）負壓隔離病房壓力梯度的確定與建筑功能流線有密不可分的聯(lián)系，暖通設計人員在設計時，除了依據規(guī)范規(guī)定外，尚應對建筑房間功能及其交叉感染風險進行足夠的分析避免部分規(guī)范無明確規(guī)定的區(qū)域壓力梯度時，設計風量偏小或者壓差不對，加大醫(yī)護人員感染風險。

（2）房間計算風量受壓力梯度、滲透風量、管道連接方式、過濾器阻力等各種因素的影響，在風機風量及機外余壓選擇時，要進行綜合判定并保證適當余量，以免因風機參數選擇不當導致后期調試無法達到預期效果。

希望通過兩個負壓隔離病房通風系統(tǒng)設計的對比分析和總結，為以后的負壓隔離病房設計提供一定的參考意義。