中国建筑东北设计研究院有限公司 侯鸿章 周慧鑫 张鹏 刘晓晖 杨磊
【摘 要】介绍了我院在新冠疫情初期，承接了沈阳市第六人民医院（传染病医院）4号楼负压隔离病房改造项目暖通空调设计总体情况，从能耗计算、通风量计算两个方面对严寒地区传染病医院的环境防控进行思考、分析。
【关键词】负压隔离病房 环境防控 暖通设计 严寒地区 新风能耗
Abstract:Presents the overview HVAC design of the reconstruction project of negative pressure isolation ward in 4th Building of Shenyang Sixth People's Hospital (infectious disease hospital) in the early stage of the 2019-nCoV situation, and analyzes the environmental prevention and controlling of infectious disease hospitals in severe cold area from two aspects of energy consumption calculation and ventilation calculation.
Key words:Negative pressure isolation ward , environmental prevention and controlling, HVAC design, severe cold area, fresh air energy consumption
一 引言
新冠疫情在国内发展初期，我院承接了沈阳市第六人民医院（传染病医院）4号楼负压隔离病房改造项目。严寒地区独特的气候特征，使得在执行现行规范中发现冬季能耗问题十分突出，因而基于对本项目在设计、建造、调试和运行等方面全过程实践，有必要从通风量计算和能源使用方面进行思考与分析，为将来疫情防控建设提供适宜于严寒地区的经验，以满足医疗隔离、救治、防护的目的。
二 工程项目
1、项目概况及背景
沈阳市第六人民医院（传染病医院）4号楼为1989年建成的砖混建筑，总建筑面积为4900m2，共4层。设计任务是将原来普通病房楼改造为应急负压病房楼，初步确定按医疗流程分清洁区、半污染区、污染区，共设48间负压隔离病房。
本项目由于疫情防控需求，具有工期紧（实际设计施工图周期总计仅12天），设计条件受既有建筑、市政条件、施工、采购等实际条件制约的特点，同时本项目要求设计与现场施工同步进行，进一步增加了设计难度。
图1 负压隔离病房改造功能分区平面图
2、执行的规范、标准
针对医疗建筑国家、行业及地方出台了众多的设计规范及标准，新冠疫情期间不同机构、组织也陆续发布了医疗类建筑暖通相关建设标准、指南以适应新冠疫情条件下负压隔离病房技术要求。而目前不同规范对于负压隔离病房的换气次数、压差等参数的规定及表述存在差异，使得在操作执行层面需要因地制宜根据实际情况判别、执行。本项目执行规范、标准的确定主要基于以下几个方面考虑：
（1）保证结构安全，保证消防、舒适标准不降低；
（2）满足负压隔离病房相关要求以及排放要求；
（3）满足舒适性（供热、供冷）要求。
因而在本项目设计施工周期（2020年1月28日~2月10日）主要参照执行以下规范、标准及指南作为本项目暖通设计依据：
表1 医疗类建筑相关主要建设标准
3、设计要点
本项目为改造项目，一方面暖通设计在满足隔离病房规范要求的前提下尽可能利用原系统，故保留原病房楼风机盘管系统，作为房间温度调节控制的补充。增设机械送风、机械排风的直流通风系统，控制空气压力从清洁区、半污染区、污染区依次降低。另一方面，本项目须满足快速建造要求，以安全可靠、便于快速建造为前提，选用能源以电力为主，选用设备随时根据招采情况调整、修改，整个设计过程贯穿于本项目启动、施工、验收到移交使用全过程。
基于以上改造需求和现状，暖通专业设计重点从以下几个方面进行改造：
冷热源系统：本楼的空调冷热负荷均由原有系统负担，增设的通风空调系统设置独立的冷热源。立足节能，冷热源釆用空气源热泵机组来负担新增新风负荷。机组单台制冷量为136KW,单台制冷用电量42KW，制冷工况COP值为3.24W/W，空调冷水温度7/12℃；单台制热量为144KW,单台制热用电量47KW，制热工况COP值为3.06W/W，空调热水温度50/45℃，共30台机组设于室外地面（原理图见图2）。
新风系统：设计初期均配备加热、冷却功能，新风采用电预热、电极加湿，后期由于现场电力条件紧张，取消直接电预热，采用空气源热泵热水供热，以降低电力使用。新风系统按清洁区、半污染区、污染区分区设置独立直流系统，设变频调速控制，各层按每个护理单元设置1~2套新风系统，取风口设于北侧本层。清洁区新风经粗、中效过滤器两级处理，半污染区、污染区新风经粗、中、高效过滤器三级处理。
排风系统：按清洁区、半污染区、污染区，分区设置并引致屋面高空排放。半污染区、污染区的缓冲间、病房按病房设置独立的排风系统，排风经高效过滤、杀毒，风机设置在排风末端的污物走廊内，一用一备，并配变频调速装置。医护走廊增设排风，以方便控制分区压力梯度（原理图见图3）。
水系统：考虑严寒地区特殊性，水系统安全性，采用25%乙二醇水溶液水系统。
负压隔离病房末端：送、排风高效过滤风口与房间充分结合，均设于末端与房间共同组成密封体，确保污染不扩散。
图2 空调水系统原理图
图3 空调通风系统原理图
三 传染病医院环境防控问题思考
从目前传染病房设计及改造设计经验来看，负压隔离病房及传染区、非传染区通风均需要较高的换气次数来降低感染风险，而较高的换气次数会导致通风系统的能耗增加；严寒地区冬季室外温度低的气候特征，使得冬季在通风量基础上须满足防冻及舒适性要求，新风必须经过加热才能满足温度需求，因而能耗高成为严寒地区传染病医院环控的突出问题，有必要对此进行分析研究，制定针对严寒地区的规范、标准，选择合适技术措施兼顾疾病防控要求及运行节能要求。
1、新风加热能耗问题
现行规范针对传染病医院换气次数均较大，《传染病医院建筑设计规范》GB50849-2014对换气次数（新风量）规定：非呼吸道传染病区3次/h，呼吸道传染病区6次/h，负压隔离病房12次/h。《医院负压隔离病房环境控制要求》GB/T 35428-2017对换气次数（新风量）规定“负压隔离病房污染区和潜在污染区的换气次数宜10~15次/h，人均新风量不应少于40m3/h。负压隔离病房清洁区的换气次数宜为6次/h~10次/h。”较大的换气次数在冬季须做加热处理以满足室内环境需求，由此产生的运行费用高。
据此本文计算新风加热能耗选取计算模型条件为：室内设计温度20℃，电价取0.53元/kwh，室内净高2.6m，室内面积25m2。比较东北地区主要城市（沈阳、大连、长春、哈尔滨）在2次、3次、6次及12次换气次数和对应采暖期条件下，计算其单位面积新风量、单位面积新风加热量、供暖季新风加热量和供暖季运行费用（见图4-图7）。
图4 单位面积新风量指标 图5 单位面积新风量加热量指标
图6 供暖季新风加热量指标 图7 供暖季运行费用指标
可以看出随换气次数的增加，单位面积新风量指标增大，由此带来相应的新风能耗增加显著，计算模型条件下以沈阳为例，12次/h换气次数负压隔离病房，供暖季运行费用指标达711元/m2（电价取0.53元/kwh计算），冬季室外计算温度越低地区，能耗增加越大，由此可见有必要在传染病医院建设改造过程中选择合适的能量供应方式，制定相应严寒地区标准规范，根本上保障严寒地区在不利条件下安全可靠运行，同时降低系统能耗，因此从系统设计角度建议从以下几个方面解决：
（1）采用高效供热系统，提高能源利用率；
（2）做好新风、排风的热回收应用；
（3）加强新风防冻措施，最冷季的系统运行可靠性；
（4）探索严寒地区适用的规范、标准。
2、传染病防控计算思考
目前设计规范对于空气传播传染病防控，可使用的控制方法有稀释类、气流组织控制类、过滤类、温湿度控制类、消杀类等。若将防、控二者区分，从传染病防护方面考虑，主要是通过通风手段，采用较大换气次数稀释污染物浓度，同时考虑合理气流组织方式提高通风效率、降低感染风险；从传染病控制方面，在空气处理过程中使用高效过滤、消杀的方式达到控制污染的目的。
稀释通风目前Wells-Riley风险预测模型是较为公认的感染风险预测方式，它是在1978年基于quanta的概念提出，利用概率的方法确定空气传染病的感染概率。Wells-Riley模型成功预测和验证了美国纽约州罗切斯顿附近一所郊区小学的麻疹爆发情况，该方程及改进方程也被广泛预测各个空气传染疾病的爆发情况[1-2]。
Wells-Riley风险预测模型见下式
P=C/S=1-exp(-Iqpt/Q)
式中，C——一次爆发中新产生的被感染人数；
S——总的易感人数；
I——感染人数
Q——房间通风量（m3/h）；
q——一个感染者的quanta产生率；
p——呼吸通风量（m3/h）；
t——暴露时间（h）。
quanta定义为单位时间内，当每个动物吸入1 quanta量的传染源，会有63.2%的动物被感染，即平均感染概率服从Poisson分布，不同传染疾病呼吸通风量及quanta产生率见表2，本文假定病毒产生率为12600。
表2 肺结核、风疹、流感及SARS的呼气通风量及quanta产生率[3]
根据以上传染疾病产生率（quanta值）不同，在呼吸通风量为0.6m3/h条件下，利用风险预测模型计算不同房间通风量（人数4人，人数40人）及不同暴露时间（2.4h，12h）下的感染概率（见图8-图11）。
图8 通风量120m3/h（4人）暴露时间12h 图9 通风量120m3/h（4人）暴露时间2.4h
图10 通风量1200m3/h（40人）暴露时间12h 图11 通风量1200m3/h（40人）暴露时间2.4h
可以看出，对于不同传染疾病，产生率quanta值变化很大，是影响感染率的决定因素；暴露时间和房间通风量是影响感染率的主要因素；个体呼吸通风量亦对封闭空间内感染率有影响，但变化不大。对于较高quanta值的传染疾病，只要有传染源存在，封闭空间内感染率将很高，仅靠通风难以解决交叉感染问题，应采用戴口罩、防护服等方法避免感染；对于较低quanta值的传染疾病，暴露时间、房间通风量亦对封闭空间内感染率有影响。
因此笔者从传染病防控角度建议应根据不同疾病传播特性，做相应的模型修正，以此为依据选择适宜的稀释通风量；在建筑内部引入室内净化过滤器处有效消杀的理念，明确提出新风换气次数、过滤换气次数在一定范围内的有效替代，以控制较大通风量带来能耗高的问题；建议结合目前标准规范，设计平时、疫情两套系统，便于快速转换。
四 结语
在沈阳第六人民医院改造项目设计中由于经验不多、时间仓促、认知有限，尤其是改造项目现场情况更复杂，更受限，有必要以此为经验在新建医疗建筑中加以应用、完善,我院以此经验总结编制了《应急疫情防控病房设计指南》。
严寒地区的气候特点决定了在高换气次数条件下能耗高的问题突出，由此反映在医疗建筑，特别是传染病医院隔离病房在暖通系统设计中需要因地制宜解决实际问题，有必要在基础理论和对传染病认知的基础上探索适宜严寒地区气候特征的标准、规范。因此建议一方面，采用高效供热系统，提高能源利用率，加强新风防冻措施，保证最冷季的系统运行可靠性；另一方面，根据不同疾病传播特性，做相应的模型修正，通过加入室内净化消杀手段等效通风量，满足传染病防控要求同时兼顾系统的节能运行。
参考文献：
[1] Fennelly K P, Martyny J W, Fulton K E, et al. Cough-generated aerosols of mycobacterium tuberculosis: a new method to study infectiousness [J]. Am J Respire Crit Care Med, 2004, 169(5):604-609.
[2] Riley E C, Murphy G, Riley R L. Airbase spread of measles in a suburban elementary school [J]. Am J Epidemio, 1978,107(5):421-432.
[3] Qian H, Ventilation for airbase infection in hospital environment [D]. Hong Kong: Department of Mechanical Engineering of University of Hong Kong, 2007.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊 总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
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