一種車載負(fù)壓醫(yī)療方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

周文強(qiáng)，譚 偉，施曉松

一種車載負(fù)壓醫(yī)療方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

周文強(qiáng)，譚 偉，施曉松

（陜西德仕汽車部件（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200）

為有效緩解因突發(fā)公共衛(wèi)生事件而導(dǎo)致的醫(yī)療資源短缺問(wèn)題，以達(dá)到快速解決輕癥患者收治問(wèn)題的目的。文章介紹了一種車載負(fù)壓醫(yī)療方艙，利用專用車輛搭載，能夠滿足醫(yī)用方艙其機(jī)動(dòng)性、快速維修性、應(yīng)急性等方面一直存在的局限性。通過(guò)三維數(shù)模搭建、總體方案設(shè)計(jì)、工作原理、方艙結(jié)構(gòu)以及各系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算校核風(fēng)量、制冷、制熱量、光照強(qiáng)度等驗(yàn)證。結(jié)果表明，各項(xiàng)性能符合設(shè)計(jì)要求，滿足客戶使用需求。

模塊化設(shè)計(jì)；車載負(fù)壓；醫(yī)療方艙；專用車；新風(fēng)系統(tǒng)

公共衛(wèi)生安全事件會(huì)給人民生活帶來(lái)嚴(yán)重困擾，其具有多點(diǎn)散發(fā)的特點(diǎn)，為了緩解醫(yī)療資源短缺，國(guó)家在多地建立多所方艙醫(yī)院，快速有效地解決了確診輕癥患者的收治問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)最大限度救治患者的目標(biāo)。方艙醫(yī)院在全國(guó)公共衛(wèi)生應(yīng)急保障中發(fā)揮著重要作用，常規(guī)方艙醫(yī)院建設(shè)周期較長(zhǎng)，又不適用于臨時(shí)性的散發(fā)病例隔離收治，而模塊化方艙系統(tǒng)與車輛結(jié)合，即可實(shí)現(xiàn)拆裝、轉(zhuǎn)移、多式聯(lián)運(yùn)等作業(yè)方式，為車載負(fù)壓醫(yī)療方艙提供了技術(shù)可行性，因此，需對(duì)此命題進(jìn)行進(jìn)一步深入探究。

1 總體方案介紹

1.1 機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)思路及規(guī)范要求

車載負(fù)壓醫(yī)療方艙適配12.4 m骨架車，可實(shí)現(xiàn)便捷轉(zhuǎn)運(yùn)，具有靈活機(jī)動(dòng)、功能完善、性能可靠、自我保障性強(qiáng)等特點(diǎn)[1]，依據(jù)《救護(hù)車》（QC/T 457—2013）和《救護(hù)車》（WS/T 292—2008）標(biāo)準(zhǔn)要求選擇防護(hù)救護(hù)型布局結(jié)構(gòu)，以確保滿足設(shè)備（包含救護(hù)設(shè)備）、相對(duì)壓強(qiáng)、過(guò)濾、效率等方面的規(guī)范要求[2]。

1.2 艙體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

艙體內(nèi)部需具備密封、持續(xù)負(fù)壓、防雷雨特性，艙體機(jī)構(gòu)、附件需具備通用性和互換性，以便滿足陸運(yùn)、鐵路轉(zhuǎn)運(yùn)，方便快速裝卸。

空氣過(guò)濾采用新風(fēng)系統(tǒng)，每個(gè)區(qū)域設(shè)置獨(dú)立進(jìn)風(fēng)口（單向氣流），采用“初效—中效—高效”三級(jí)過(guò)濾方案，上送下排，以確保其對(duì)艙內(nèi)氣態(tài)污染物中的病毒等細(xì)菌氣體進(jìn)行過(guò)濾凈化，從而達(dá)到患者治療所需的醫(yī)療條件標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部空氣靜壓差、新風(fēng)量、溫濕度等應(yīng)可調(diào)整，所有艙門選用氣密門，門鎖要有互鎖功能，保證每次只能打開(kāi)一扇門，同時(shí)設(shè)置自救解鎖按鈕，緊急狀態(tài)下可解除門互鎖及鎖定逃生。門上設(shè)置限位裝置，并將其安裝在門上沿，此結(jié)構(gòu)形式具備抗風(fēng)能力，限位裝置在艙壁及艙門上的安裝位置具有足夠的剛度，內(nèi)部設(shè)置埋鐵，其與艙壁及艙門內(nèi)部的骨架連接可靠，同時(shí)艙門開(kāi)啟角度不小于 110°。

2 方艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1 組成及功能

車載負(fù)壓醫(yī)療方艙用于突發(fā)性公共衛(wèi)生安全事件，能快速有效地收治確診輕癥患者，并根據(jù)每位患者的具體情況進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、隔離、治療等，以改善醫(yī)療資源不足的現(xiàn)狀，轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中可以有效地阻斷病毒傳播，同時(shí)保護(hù)醫(yī)務(wù)人員的健康安全。

車載負(fù)壓醫(yī)療方艙主要由方艙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、新風(fēng)空氣處理系統(tǒng)、消殺系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、廢物收集設(shè)備、配套醫(yī)療設(shè)備六個(gè)部分組成，其中方艙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用于提供負(fù)壓密閉廂體，為病患及醫(yī)護(hù)人員提供居住環(huán)境，同時(shí)為醫(yī)療設(shè)備提供安裝平臺(tái)和空間，滿足設(shè)備承載要求；新風(fēng)空氣處理系統(tǒng)為廂體內(nèi)部提供安全新鮮的空氣，并對(duì)排氣進(jìn)行過(guò)濾；消殺系統(tǒng)用于對(duì)隔離服等進(jìn)行消毒殺菌；智能控制系統(tǒng)用于對(duì)氧氣供給、隔離門的互鎖、艙內(nèi)醫(yī)療器械及設(shè)備及的啟停及狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制；廢物收集設(shè)備用于收集醫(yī)療污染物；配套醫(yī)療設(shè)備用于對(duì)隔離病患提供日常監(jiān)護(hù)和急救。

2.2 新風(fēng)系統(tǒng)工作原理

新風(fēng)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。外界空氣經(jīng)安裝于設(shè)備間的新風(fēng)機(jī)組過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，確保進(jìn)氣中已不再含有病毒、細(xì)菌可傳染物質(zhì)，冬季時(shí)過(guò)濾器空氣進(jìn)入加熱器進(jìn)行加熱；夏季時(shí)，過(guò)濾后空氣進(jìn)入安裝于設(shè)備間的冷凝器進(jìn)行冷卻，春秋兩季根據(jù)情況自行選擇調(diào)整，過(guò)濾后氣體進(jìn)入新風(fēng)機(jī)組，經(jīng)風(fēng)道被送至病房區(qū)和休息間，風(fēng)量根據(jù)具體需要調(diào)整后進(jìn)入室內(nèi)。病房、休息間空氣經(jīng)過(guò)濾后再排出外界。

圖1 新風(fēng)系統(tǒng)工作原理示意圖

2.3 整車技術(shù)性能參數(shù)設(shè)計(jì)

整車嚴(yán)格遵守《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》（GB 1589—2016）[3]、《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB 7258—2017）標(biāo)準(zhǔn)[4]的相關(guān)要求，外形尺寸滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸的相關(guān)規(guī)定。車載負(fù)壓醫(yī)療方艙必須滿足1～4名患者及配套醫(yī)護(hù)人員同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)、隔離、治療的需求，同時(shí)具備不少于8 h的氧源儲(chǔ)備（17 L/min的氧氣供應(yīng)量），對(duì)粒徑為0.25 μm的微粒氣溶膠過(guò)濾率大于99.96%，同時(shí)對(duì)艙內(nèi)氣態(tài)污染物（含排放物）中病毒細(xì)菌凈化率達(dá)到99.99%，各功能區(qū)的微風(fēng)速應(yīng)小于0.26 m/s，其中感染源上方的微風(fēng)速應(yīng)0.1～0.26 m/s。

2.4 整體及各部件裝配方式

方艙六塊箱板裝配方式，以及角件和角形件的連接方式均采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，艙門、安全門及采光窗采用通用化、模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)定點(diǎn)投放，運(yùn)抵目的地后簡(jiǎn)單進(jìn)行維修安裝即可快速投入使用。病房區(qū)設(shè)置安裝病床固定接口，該接口易于實(shí)現(xiàn)病床與方艙底板快速對(duì)接固定且易于拆裝，同時(shí)該接口可對(duì)接兩把舒適性強(qiáng)的座椅，以方便將病床改裝成座椅，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)輕癥患者的目的，提高后期更換病床或座椅的作業(yè)效率。

3 方艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)及整箱布局設(shè)計(jì)

3.1 方艙內(nèi)部各區(qū)域箱板結(jié)構(gòu)

方艙內(nèi)部各區(qū)域箱板結(jié)構(gòu)采用冷藏保溫車現(xiàn)有成熟技術(shù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部預(yù)埋高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)型材作為整艙骨架，中間為聚氨酯保溫材料，內(nèi)外部使用高強(qiáng)度復(fù)合材料作為壁板，方艙各個(gè)頂點(diǎn)加裝8個(gè)集裝箱角件用于實(shí)現(xiàn)吊裝、運(yùn)輸鎖止、固定、承載等作業(yè)。

3.2 整體強(qiáng)度、氣密性和機(jī)體散熱性

方艙內(nèi)部各區(qū)域隔斷加裝加強(qiáng)立柱，防止振動(dòng)后因受外力沖擊引起的氣密性失效，病房區(qū)域左右兩側(cè)各設(shè)置兩個(gè)密封窗。設(shè)備間、排氣機(jī)組區(qū)域底板以及與外部連接部分無(wú)需安裝保溫層，且墻體需安裝通風(fēng)散熱裝置。

3.3 分區(qū)及布局

設(shè)備間用于布置安裝不間斷電源（Uninterrup- tible Power Supply, UPS）、新風(fēng)系統(tǒng)機(jī)組、過(guò)氧發(fā)生器、汽油發(fā)電機(jī)組等；儲(chǔ)物間用于安裝儲(chǔ)存輔助醫(yī)療設(shè)備；病房區(qū)用于患者隔離、治療、休息等；消殺區(qū)用于布置安裝消殺設(shè)備，對(duì)醫(yī)護(hù)人員出入病區(qū)進(jìn)行消殺作業(yè)；更衣室用于醫(yī)護(hù)人員進(jìn)出病區(qū)更換防護(hù)服、防護(hù)裝備；休息區(qū)用于醫(yī)護(hù)人員的休息、觀察病房患者實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；排氣以及氧氣機(jī)房、配電機(jī)房用于儲(chǔ)氧供氧、排氣機(jī)組和整艙配電設(shè)備的布局安裝。車載負(fù)壓醫(yī)療方艙設(shè)備布局如圖2所示。

1—冷凝機(jī)組；2—UPS不間斷電源；3—新風(fēng)機(jī)組；4—汽油發(fā)電機(jī)；5—輔助醫(yī)療設(shè)備；6—陪護(hù)椅；7—病床；8—地漏；9—排氣機(jī)組；10—電氣柜；11—氧氣柜；12—干式座便器；13—吸氧面板及對(duì)講系統(tǒng)；14—消殺設(shè)備；15—吊頂及電氣線路；16—座椅；17—折疊桌；18—監(jiān)控顯示屏。

4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 電、氣、液模塊化設(shè)計(jì)

1）方艙的電路全部采用線槽式的明線結(jié)構(gòu)，在遇到突發(fā)情況或后期需要臨時(shí)改造時(shí)，可快速拆裝并重新布置安裝，同時(shí)采用集中控制設(shè)計(jì)理念、人機(jī)工程設(shè)計(jì)，集合電壓控制、漏電保護(hù)等功能，界面友好、可視化程度高，便于操作。

2）方艙的送風(fēng)、排氣、廢氣處理等管路采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行區(qū)分標(biāo)記，在特殊緊急情況下便于問(wèn)題的快速排除，提高產(chǎn)品后期維修性和施工工藝性，同時(shí)各氣路采用自動(dòng)控制并檢測(cè)異常報(bào)警，對(duì)于氧氣壓力過(guò)低、送風(fēng)不暢、廢氣過(guò)濾精度異常變化會(huì)及時(shí)報(bào)警處理。艙體產(chǎn)品從標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方面易于作進(jìn)一步技術(shù)優(yōu)化。

3）方艙廢水、廢液收集于污水收集箱，經(jīng)特殊設(shè)備處理后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)可自行進(jìn)行排放，同時(shí)管道安裝污染物濃度傳感器，可隨時(shí)檢測(cè)排放是否達(dá)標(biāo)，確保排放物安全、環(huán)保。

4.2 配電控制系統(tǒng)

4.2.1供電方式

在正常情況下，整艙工作時(shí)使用市電；因突發(fā)情況斷電時(shí)，則使用UPS不間斷電源；在野外特殊情況下，工作時(shí)使用汽油發(fā)電機(jī)。

4.2.2配電控制系統(tǒng)功能

設(shè)備接地的目的是保護(hù)輸入設(shè)備，防止雷電浪涌和直擊雷，在負(fù)壓方艙頂部合適位置設(shè)置發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）燈，燈的選型美觀大方，開(kāi)關(guān)設(shè)置在門附近，方便操作，且所使用的接觸器、斷路器、繼電器、電源模塊、開(kāi)關(guān)、按鈕等均采用高性能、高可靠性的元器件，可滿足-20～+50 ℃溫度內(nèi)正常啟動(dòng)與工作。消殺控制開(kāi)關(guān)設(shè)置在休息間，開(kāi)關(guān)具備定時(shí)功能，配電箱具備顯示當(dāng)前供電電壓值、各支路供電電流值的功能；配電柜采用一體化機(jī)柜，配電與控制功能二合一的電控柜，內(nèi)部具備直流配電、交流配電、控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，可向系統(tǒng)主要醫(yī)療設(shè)備、照明、新風(fēng)風(fēng)機(jī)、排氣裝置等設(shè)備提供電力，配電柜各工作區(qū)和主要設(shè)備供電都可以單獨(dú)控制，具有電源過(guò)壓、過(guò)載、缺零保護(hù)，具備防浪涌及防雷等接地措施，配電柜內(nèi)設(shè)有電壓表、電流表、控制開(kāi)關(guān)、指示燈等，可觀察電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)設(shè)備供電狀態(tài)。配電表用于外接電源時(shí)電量計(jì)算，安裝在電控柜內(nèi)。

4.3 新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)排氣

4.3.1風(fēng)量計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，方艙內(nèi)部容積約為53 m3，換氣頻率要求達(dá)到12次/h，新風(fēng)機(jī)組風(fēng)量經(jīng)計(jì)算為636 m3/h，初選進(jìn)風(fēng)量為1 000 m3/h的新風(fēng)機(jī)組。

4.3.2加熱器功率計(jì)算

空氣質(zhì)量計(jì)算公式為

=×（1）

式中，為空氣質(zhì)量；為空氣密度；為空氣體積。

按照上述公式計(jì)算可得空氣質(zhì)量為60.63 kg，另外加熱管熱量計(jì)算公式為

=×(2-1) （2）

式中，為空氣比熱容，取值1.01 kJ/kg·℃；2為目標(biāo)溫度，取值26 ℃；1為初始溫度，取值-20 ℃；為空氣質(zhì)量。按照上述公式計(jì)算可得加熱管熱量為2 817 kJ，另外加熱器功率計(jì)算公式為

式中，為加熱器功率；為考慮加熱器熱效率的裕度，初選裕度為1.5；為加熱管加熱量。按照上述公式計(jì)算可得加熱器功率為1.18 kW，初選加熱器功率為1.2 kW。

4.3.3冷凝器制冷量計(jì)算

冷凝器制冷量計(jì)算公式為

×250 （4）

式中，為凝器制冷總量；為制冷面積；250為單位面積制冷量，W/m2。按照上述公式計(jì)算可得，冷凝器制冷量為5 750 W，經(jīng)查詢1 470 W（2匹）空調(diào)制冷量為6 250 W，初選1 837.5 W（2.5匹）空調(diào)，其功率為1.837 kW。

4.4 光照度計(jì)算

光照系統(tǒng)的光照度公式為

式中，av為照度；為燈光通量，取80 Lm/W；為燈具數(shù)量；U為利用系數(shù)，取值0.4；F為維護(hù)系數(shù)，取值0.8；為光照面積。病房照度設(shè)計(jì)校核顯示，病房初定四盞LED燈，功率為30 W。病房照度按照上述公式計(jì)算可得照度為183 Lux，符合要求，其他區(qū)域經(jīng)校核照度也滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的車載負(fù)壓醫(yī)療方艙科學(xué)合理，能夠滿足產(chǎn)品在應(yīng)用場(chǎng)景中的主要技術(shù)指標(biāo)要求，所涉及的氣密技術(shù)、保溫技術(shù)、新風(fēng)換氣技術(shù)、智能監(jiān)控及控制技術(shù)均得到有效落實(shí)，可靠性、維修性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)措施有效，元器件和配套件符合有關(guān)規(guī)定并有穩(wěn)定的供貨來(lái)源，風(fēng)險(xiǎn)可控，能夠指導(dǎo)樣艙試制。

[1] 王洪杰,于霞,王振宇,等.智能拓展醫(yī)療移動(dòng)方艙[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2020(5):197-200.

[2] 張治紅,宋淼,郭穎.疫情防控緊急條件下負(fù)壓救護(hù)車的設(shè)計(jì)制造[J].專用汽車,2022(5):53-55.

[3] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值:GB 1589—2016[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2016.

[4] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件: GB 7258—2017[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2017.

Structural Design and Verification of a Vehicle-mounted Negative Pressure Medical Shelter

ZHOU Wenqiang, TAN Wei, SHI Xiaosong

( Shaanxi Deshi Vehicle Components (Group) Company Limited, Xi'an 710200, China )

In order to effectively alleviate the shortage of medical resources caused by public health emergencies, the purpose of quickly solving the problem of admission of mild patients has been achieved. This paper introduces a vehicle-mounted negative pressure medical shelter, which can meet the limitations of medical shelter in terms of mobility, rapid maintenance and emergency. Through the three-dimensional mathematical model construction, overall scheme design, working principle, shelter structure and functional design of each system, the air volume, refrigeration, heating capacity and light intensity are verified by calculation, and the results show that the performance meets the design requirements and meets the customer's use requirements.

Modularization design;Vehicle-mounted negative pressure;Medical shelter;Special vehicle;Ventilation system

P634.3+3；U462.2+5

A

1671-7988(2023)10-96-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.020

周文強(qiáng)（1987—），工程師，研究方向?yàn)槠嚵悴考?、專用車上裝、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，E-mail:35038 4056@qq.com。