移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙的設(shè)計(jì)

任章霞，郭金成，田現(xiàn)鋼，丁艷蕊，陳 靜*，楊 寧*

（1.廣安市人民醫(yī)院，四川廣安 638000；2.重慶海潤(rùn)節(jié)能技術(shù)股份有限公司，重慶 401147；3.陸軍特色醫(yī)學(xué)中心，重慶 400037）

0 引言

新型冠狀病毒感染作為一種呼吸道傳染病對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。我國(guó)疫情暴發(fā)初期采用快速拼裝式集裝箱負(fù)壓病房建設(shè)模式，在保護(hù)醫(yī)護(hù)人員的生命安全和遏制疫情蔓延中發(fā)揮了關(guān)鍵性作用[1]。利用集裝箱進(jìn)行拼接式組裝進(jìn)行輕癥和疑似患者的集中觀察治療具有管理集中、分區(qū)明確、搭建快速、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)[2-4]。野戰(zhàn)場(chǎng)景下的現(xiàn)場(chǎng)急救和長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)需要一種可多載具搭載的機(jī)動(dòng)式救治平臺(tái)，如野戰(zhàn)帳篷醫(yī)院、野戰(zhàn)方艙醫(yī)院、車載式移動(dòng)醫(yī)院等，但這些裝備均需要固定的牽引載具，彼此不能互換[5]。本文設(shè)計(jì)一種具有單一密閉空間和基本救治功能的移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙，可作為多種運(yùn)載工具互換的通用型治療單元，可用于基層醫(yī)院和特殊人群個(gè)例患者的應(yīng)急救治和危重癥患者的長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)。其采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸，便于不同運(yùn)載工具的互換，可作為固定式負(fù)壓病房的必要補(bǔ)充，比現(xiàn)有負(fù)壓救護(hù)車具有更大的救治空間和更強(qiáng)的功能，比拼裝式方艙醫(yī)院具有更好的機(jī)動(dòng)和快速反應(yīng)能力。

1需求分析與設(shè)計(jì)思路

1.1 需求分析

疫情后新建或改建的固定式負(fù)壓病房大量閑置，占據(jù)現(xiàn)有醫(yī)療空間，后期維護(hù)費(fèi)用高昂，目前主要分布在城市大型綜合性三級(jí)醫(yī)院、傳染病?？漆t(yī)院和公共衛(wèi)生臨床中心，多用于呼吸道傳染病確診或危重癥患者的集中救治，而縣級(jí)及以下醫(yī)院缺乏固定式負(fù)壓病房。呼吸道傳染病的暴發(fā)時(shí)間和空間具有很大的不確定性，基層醫(yī)院和特殊場(chǎng)所需要一種可移動(dòng)的臨時(shí)負(fù)壓治療單元，因此設(shè)計(jì)一種移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙顯得十分必要。

1.2 設(shè)計(jì)思路

呼吸道傳染病暴發(fā)的偶然性強(qiáng)，短期內(nèi)感染人數(shù)劇增，導(dǎo)致對(duì)固定式負(fù)壓病房的需求量增加。移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙基于負(fù)壓隔離病原微生物原理和空氣凈化技術(shù)設(shè)計(jì)，利用全直流送排風(fēng)系統(tǒng)形成各功能區(qū)負(fù)壓差，保證艙內(nèi)空氣形成定向流，借助高效微?？諝膺^(guò)濾系統(tǒng)對(duì)患者呼出氣進(jìn)行排放前凈化處理，并輔以相應(yīng)的支持系統(tǒng)，從而形成容納單個(gè)患者的救治轉(zhuǎn)運(yùn)一體化的機(jī)動(dòng)醫(yī)療單元。

為便于多載具互換、快速搭建和倉(cāng)儲(chǔ)保存，設(shè)計(jì)上選取6 058 mm×2 438 mm×2 591 mm（長(zhǎng)×寬×高）標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的外形尺寸，構(gòu)建獨(dú)立的隔離治療單元，配備便攜式生命監(jiān)測(cè)與支持儀器、遠(yuǎn)程會(huì)診、水電供應(yīng)、暖通和網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)，有一定的野外機(jī)動(dòng)能力，其結(jié)構(gòu)和功能與固定式負(fù)壓病房類似。本負(fù)壓艙可用于呼吸道傳染病暴發(fā)期間基層醫(yī)院患者的就地隔離和治療、發(fā)病高峰期對(duì)固定式負(fù)壓病房的補(bǔ)充、沒(méi)有固定式負(fù)壓病房配置的特殊人群聚集地臨時(shí)使用及危重患者的長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)。

2 負(fù)壓艙設(shè)計(jì)

2.1 艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)

艙體圍護(hù)結(jié)構(gòu)為2 mm 厚鍍鋅鋼板+10 mm 厚高性能保溫隔熱聚氨酯發(fā)泡板+2 mm 厚鍍鋅鋼板+10 mm 厚整體式內(nèi)墻板，在艙內(nèi)外溫差為55 ℃的環(huán)境條件下，艙體總傳熱系數(shù)為1.59 W/（m2·℃），滿足GJB 6109—2007《軍用方艙通用規(guī)范》中Ⅱ級(jí)保溫性能[傳熱系數(shù)≤2 W/（m2·℃）]的要求。內(nèi)墻板表面采用抗菌型復(fù)合材料，具有高光潔度、高抗菌性、高平整度等優(yōu)點(diǎn)，便于維持艙內(nèi)的清潔衛(wèi)生。

2.2 平面布局

負(fù)壓艙三維空間示意圖如圖1 所示，艙內(nèi)分為辦公區(qū)、通道、病室（含洗手間）3 個(gè)功能區(qū)，如圖2 所示，醫(yī)護(hù)流線和患者流線獨(dú)立。各功能區(qū)壓力設(shè)計(jì)為：辦公區(qū)（清潔，0 Pa）>通道（半污染，-5 Pa）>病室（污染，-10 Pa）>洗手間（污染，-15 Pa），氣流流向如圖3中箭頭所示，可維持艙內(nèi)空氣形成清潔區(qū)到半污染區(qū)再到污染區(qū)的流向，避免辦公區(qū)空氣受到污染。

圖1 移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙三維空間示意圖

圖2 移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙平面設(shè)計(jì)示意圖

圖3 移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙壓力及氣流流向設(shè)計(jì)圖

2.3 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 風(fēng)量及負(fù)荷計(jì)算

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用全直流新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，新風(fēng)承擔(dān)艙內(nèi)全部的冷熱負(fù)荷。根據(jù)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及艙內(nèi)壓力進(jìn)行風(fēng)量平衡計(jì)算，得到辦公區(qū)新風(fēng)量為179 m3/h，病室新風(fēng)量為300 m3/h、排風(fēng)量為434 m3/h，洗手間排風(fēng)量為89 m3/h。

選取重慶市的室外設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行冷熱負(fù)荷計(jì)算，室外設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，負(fù)荷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 負(fù)荷計(jì)算結(jié)果單位：W

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于選擇的全直流新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)形式，辦公區(qū)和病室各設(shè)置一臺(tái)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，外界新風(fēng)經(jīng)初、中、高效過(guò)濾器過(guò)濾后送入辦公區(qū)和病室。全直流新風(fēng)空調(diào)機(jī)組設(shè)置在艙頂部夾層內(nèi)，洗手間上方設(shè)置一臺(tái)直膨機(jī)組作為艙內(nèi)辦公區(qū)和病室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源。病室和洗手間的負(fù)壓排風(fēng)采用智能排風(fēng)模塊?？照{(diào)系統(tǒng)具體布置如圖4 所示。

圖4 移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙空調(diào)系統(tǒng)布置圖

辦公區(qū)采用側(cè)送風(fēng)形式，從辦公桌一側(cè)上方送風(fēng)，不設(shè)排風(fēng)口；通道不設(shè)送排風(fēng)口，采用電動(dòng)壓差閥進(jìn)行調(diào)壓；病室采用貼壁射流導(dǎo)流送風(fēng)、側(cè)排風(fēng)形式，送風(fēng)設(shè)置在病床對(duì)側(cè)墻壁上，采用長(zhǎng)條形頂送風(fēng)口，其下設(shè)置導(dǎo)流擋板，病床床頭側(cè)邊設(shè)置高效排風(fēng)口，送風(fēng)射流貼壁下行后經(jīng)過(guò)導(dǎo)流擋板流向病床區(qū)域，從病床旁邊下側(cè)高效排風(fēng)口排出[6]；洗手間采用上排風(fēng)口。

新風(fēng)空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)模塊動(dòng)力選用直流無(wú)刷式免維護(hù)型風(fēng)機(jī)，能夠進(jìn)行0～100%無(wú)級(jí)調(diào)速，自帶RS485 通信接口、0～10 V 傳感器輸出接口、4～20 mA調(diào)速開(kāi)關(guān)輸出接口，可接收壓差數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)壓差控制邏輯進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。病室及洗手間的高效排風(fēng)口選用H14 高效過(guò)濾器，對(duì)空氣中粒徑≥0.3 μm氣溶膠、塵埃的過(guò)濾效率大于99.99%，能夠有效截留空氣中的病毒和細(xì)菌，避免外排空氣對(duì)外部環(huán)境造成污染。

在夏季制冷工況下，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組對(duì)新風(fēng)降溫處理時(shí)可同時(shí)進(jìn)行新風(fēng)減濕處理，以滿足艙內(nèi)除濕需求。除嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)外，夏熱冬冷等其他區(qū)域冬季基本無(wú)加濕需求，為避免新風(fēng)空調(diào)機(jī)組功能段多、機(jī)組復(fù)雜和龐大影響使用效果，機(jī)組內(nèi)不設(shè)置加濕功能段，在有加濕需求的地區(qū)使用時(shí)可在艙內(nèi)增設(shè)獨(dú)立加濕器。

2.3.3 設(shè)備選型及冷熱量校核

按照舒適性空調(diào)最大溫差不超過(guò)8 ℃的要求，夏季新風(fēng)處理極限狀態(tài)點(diǎn)為溫度18 ℃、相對(duì)濕度90%，冬季新風(fēng)處理極限溫度為28 ℃。

根據(jù)風(fēng)量計(jì)算結(jié)果，辦公區(qū)初選風(fēng)量為200 m3/h的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，病室初選風(fēng)量為300 m3/h 的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，新風(fēng)冷熱量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。可知辦公區(qū)和病室的新風(fēng)均不能完全承擔(dān)室內(nèi)冷負(fù)荷，需重新選擇新風(fēng)空調(diào)機(jī)組。

表4 初選新風(fēng)空調(diào)機(jī)組冷熱量計(jì)算結(jié)果

辦公區(qū)選擇風(fēng)量為300 m3/h 的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，病室選擇風(fēng)量為450 m3/h 的新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，則新風(fēng)冷熱量與室內(nèi)負(fù)荷校核見(jiàn)表5。辦公區(qū)總冷負(fù)荷為3 426 W，總熱負(fù)荷為2 301 W；病室總冷負(fù)荷為5 436 W，總熱負(fù)荷為3 786 W?？芍k公區(qū)和病室的新風(fēng)均能完全承擔(dān)室內(nèi)冷熱負(fù)荷，且辦公區(qū)新風(fēng)冷量足以承擔(dān)通道的負(fù)荷。

表5 終選新風(fēng)空調(diào)機(jī)組冷熱量計(jì)算結(jié)果

基于以上辦公區(qū)和病室新風(fēng)空調(diào)機(jī)組風(fēng)量的終選型，根據(jù)風(fēng)量平衡，病室選擇排風(fēng)量為700 m3/h 的排風(fēng)機(jī)，衛(wèi)生間選擇排風(fēng)量為100 m3/h 的排風(fēng)機(jī)。

2.3.4 負(fù)壓控制策略

壓力控制策略采用定送風(fēng)量、變排風(fēng)量的控制模式，確保入艙新風(fēng)量充足。通過(guò)艙內(nèi)壓差傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)排風(fēng)量，維持艙內(nèi)壓差在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)到艙內(nèi)壓差高于或低于預(yù)設(shè)壓差范圍時(shí)，觸發(fā)排風(fēng)控制模塊減小或增加排風(fēng)量，以恢復(fù)到預(yù)設(shè)壓差范圍內(nèi)。艙內(nèi)負(fù)壓控制策略如圖5 所示。

圖5 艙內(nèi)負(fù)壓控制策略

為保證艙內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)，新風(fēng)空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)模塊聯(lián)鎖啟停[7-8]，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，將先啟動(dòng)排風(fēng)模塊，再啟動(dòng)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組；系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，將先關(guān)閉新風(fēng)空調(diào)機(jī)組，再關(guān)閉排風(fēng)模塊。

2.3.5 溫濕度控制策略

根據(jù)艙內(nèi)溫濕度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，分別對(duì)相應(yīng)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行制冷劑流量調(diào)控，以維持室內(nèi)熱環(huán)境。以夏季為例，艙內(nèi)溫度控制策略如圖6 所示。

圖6 艙內(nèi)溫度控制策略

艙內(nèi)濕度未作精確控制，夏季工況下，新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行降溫處理的同時(shí)進(jìn)行除濕處理；冬季工況下，室外干燥有加濕需求的地區(qū)如嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，艙內(nèi)可設(shè)置加濕器，根據(jù)需求隨時(shí)開(kāi)啟加濕器進(jìn)行加濕處理。

2.4 通道與污物傳遞窗設(shè)計(jì)

醫(yī)護(hù)人員出入病室的通道設(shè)在病室與辦公區(qū)之間，通道的辦公區(qū)側(cè)和病室側(cè)各設(shè)置一扇門(mén)，兩門(mén)互鎖，不能同時(shí)開(kāi)啟。同時(shí)在通道與辦公區(qū)、通道與病室相鄰的墻上設(shè)置電動(dòng)壓差閥，根據(jù)設(shè)定壓差值自動(dòng)調(diào)壓，防止病室內(nèi)污染空氣倒流到辦公區(qū)。

在病室與辦公區(qū)之間設(shè)置污物傳遞窗，其空間結(jié)構(gòu)類似通道設(shè)計(jì)，有單向開(kāi)閉的氣密門(mén)，采用微波高溫消毒裝置移出艙內(nèi)醫(yī)療和生活廢物，其中金屬類廢物通過(guò)浸泡消毒預(yù)處理，采用塑料袋密封后傳遞（暫停高溫消毒模式），防止在傳送過(guò)程中產(chǎn)生火花造成安全隱患[9]。傳遞窗結(jié)構(gòu)示意圖如圖7 所示。

圖7 艙內(nèi)污物傳遞窗結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 遠(yuǎn)程會(huì)診與指導(dǎo)系統(tǒng)

基于4G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可頭部佩戴的交互式遠(yuǎn)程會(huì)診與指導(dǎo)系統(tǒng)，利用微型高清攝像頭、音頻采集器和配套藍(lán)牙耳麥等，通過(guò)遠(yuǎn)程傳輸與會(huì)診者進(jìn)行實(shí)時(shí)語(yǔ)音和視頻交流。與傳統(tǒng)遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)不同，遠(yuǎn)程會(huì)診者可利用佩戴者的移動(dòng)，十分方便地獲得患者、設(shè)備和環(huán)境的實(shí)時(shí)狀況，同時(shí)可指導(dǎo)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行操作，其功能與現(xiàn)有微信或QQ 聊天功能類似[10-11]。

2.6 車載水電支持系統(tǒng)

借鑒房車水電支持系統(tǒng)原理，在洗手間頂部附近搭載可拆卸水箱（300 L）、電熱水器、大功率車載逆變器和靜音柴油發(fā)電機(jī)，預(yù)留市電和網(wǎng)絡(luò)接口。

3 艙內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)

由第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)艙內(nèi)空間環(huán)境進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表6。本負(fù)壓艙檢測(cè)結(jié)果符合GB/T 38800—2020《應(yīng)急醫(yī)用模塊化隔離單元通用技術(shù)要求》[12]，潔凈度等級(jí)達(dá)百萬(wàn)級(jí)。在艙內(nèi)衛(wèi)生方面，空氣細(xì)菌菌落總數(shù)符合WS/T 368—2012 的要求，物體表面微生物數(shù)量符合GB/T 35428—2017 的要求。

表6 移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙內(nèi)部環(huán)境檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)式集裝箱負(fù)壓艙經(jīng)過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)測(cè)試，艙內(nèi)各項(xiàng)空氣質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求和國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，艙內(nèi)形成清潔區(qū)到半污染區(qū)再到污染區(qū)的定向流，可最大限度降低醫(yī)護(hù)人員交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。本負(fù)壓艙功能定位于基層醫(yī)院呼吸道傳染患者的應(yīng)急處置，內(nèi)置便攜式生命監(jiān)測(cè)與支持設(shè)備，配套暖通、水電供給、遠(yuǎn)程會(huì)診和網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)，可為初發(fā)個(gè)例患者提供隔離和治療的臨時(shí)空間；作為機(jī)動(dòng)式醫(yī)療平臺(tái)，可用于戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)景下野外急救，搭載不同載具進(jìn)行危重傷員的長(zhǎng)途后送；疫情暴發(fā)高峰期可作為固定式負(fù)壓病房的應(yīng)急補(bǔ)充。本負(fù)壓艙最大的優(yōu)勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)化的外形尺寸可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)載工具的互換，甚至與國(guó)際救援接軌，可作為呼吸道傳染病和戰(zhàn)爭(zhēng)場(chǎng)景下的戰(zhàn)略儲(chǔ)備裝備。本負(fù)壓艙受疫情暴發(fā)期間嚴(yán)格管控政策的影響，難以開(kāi)展相關(guān)臨床數(shù)據(jù)觀察，同時(shí)缺乏太陽(yáng)能采集與儲(chǔ)存功能，野外生成能力有待提升，未來(lái)應(yīng)進(jìn)行臨床相關(guān)數(shù)據(jù)的收集與分析，并開(kāi)展車載光伏儲(chǔ)能研究，以提高其野外適應(yīng)能力。