船舶传染病隔离舱空调系统设计的探讨

张 扬 姜 威

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

船舶传染病隔离舱空调系统设计的探讨

张 扬 姜 威

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

介绍了船舶传染病隔离负压舱的空调系统设计的特点和思路，结合一典型传染病舱模型进行空调系统设计，对舱内污染控制分区进行了分区设置，对换气次数、负压值、空调负荷、空气处理等主要技术指标进行了计算和结果分析。结合舱内空调负荷介绍了通风换气设备与节能措施，根据传染病隔离负压舱空调系统的特点选取了相应的热回收装置，并描述了其工作原理和特点。

船舶；传染病隔离舱；空调系统设计；能耗；节能；热回收装置

1 引言

医疗救护船和一些大型特种船舶上的传染病隔离舱主要用于治疗呼吸道传染病患者，其功用主要有两点：一是利用负压隔离病原微生物，同时将舱内被患者污染的空气经特殊处理后排放，保证环境不受污染；二是通过通风换气及合理的气流组织，稀释隔离舱内的病原微生物浓度，并使医护人员处于有利的风向段，保证医护人员安全。传染隔离负压舱空调设计有别于一般的常规空调设计，应对负压值、负压梯度值、负荷值、换气次数、空气处理等主要技术指标进行详细的计算，同时应采用必要的节能措施减少能耗。为了说明传染隔离负压舱空调设计的特点，结合一典型舱室模型进行计算说明。

2 传染隔离负压舱二级三区的控制模式

该传染病隔离舱有一级病床区、二级缓冲区和二级卫生间区三部分组成。与一般的传染隔离负压舱相比，一级病床区即相当于一般传染舱的病房区，病人主要在隔离病床区活动。结构布局如图1所示。其中缓冲区有与内通道接触的一舱门，病床区有与缓冲区接触的一舱门，卫生间有与缓冲区接触的一舱门。

图1 隔离舱布置图

3 负压及负压梯度的确定

常规空调系统中，舱内始终处于压力平衡状态，但在有污染空气的传染病隔离舱中，需要保持负压状态。排气量大于进气量是形成舱室内负压的先决条件，负压值的大小也和舱室的密封程度密切相关，并且负压值的选取也关系到空调系统的能耗。负压梯度是指负压隔离舱的病床区、卫生间和缓冲区具有有序的梯度压差，以保证气流从低污染区向高污染区的定向流动。缓冲区为低污染区，相对于病床区和卫生间应为正压区；病床区为高污染区，相对于二者应为负压区；而卫生间和病床区之间被缓冲区隔开，所以卫生间压力应在两者之间。根据相关规则［1，2］，选取病床区负压为－30 Pa，缓冲区负压为－15 Pa，卫生间负压为－20 Pa。压力关系为外界＞缓冲区＞病床区，且缓冲区＞卫生间。

4 换气次数的确定

换气次数（ACH）是指隔离舱的排风量除以舱室容积所得的值，即通过排风实现的可更换舱室内空气量的次数。较大的换气次数有利于降低舱室内的污染物浓度，试验表明换气次数达到10ACH后，换气次数的增加对减少室内的污染物浓度所需的时间并没有显著的效果，如表1所示。换气次数的增加将导致风速增加、能耗增加等一系列问题，所以根据相关经验换气次数选为12ACH较为合适［3］。

表1 换气次数与除污时间关系

5 渗透风量的确定

为了维持舱室内始终处于某一压力状态，舱室内进出风需保持风量平衡，对于因保持负压状态的传染病房，必然有风经过舱门的缝隙进入室内。渗透风量的大小可按缝隙法L＝1.1～1.2×（单位长度缝隙渗透风量）×（缝隙长度）来确定，为了保证负压效果，至少应保持85 m3／h的渗透风量。由缝隙法可以看出渗透风量和压差的保持在很大程度上依赖于隔离舱的密封程度。单位长度缝隙渗漏空气量用公式计算是比较困难的，一般是通过不同型式的门、窗进行多次试验的数据统计后得出的。表2是对国内陆上洁净室的20多种常用的门、窗在实验室进行了大量的试验，取得的数据［4］。参考其中数据得到各区域压差风量（m3/ h）。

表2 单位长度缝隙渗漏空气量（m3/h）

5.1 缓冲区相对于内走廊、外界的压差风量

缓冲区相对于外界的压差为－15 Pa。非密闭门相对于通道的每米缝隙渗透风量为30 m3／h，渗透风量为345 m3／h。

5.2 病床区相对缓冲区的压差风量

病床区相对于缓冲区的压差为－15 Pa。非密闭门相对于缓冲区的每米缝隙渗透风量为30 m3／h，渗透风量为201.6 m3／h。

5.3 卫生间相对缓冲区的压差风量

卫生间相对缓冲区的压差为－5 Pa。非密闭门相对于缓冲区的每米缝隙渗透风量为17 m3／h，渗透风量为126.48 m3／h。

6 排风量的确定

由各区的渗透风量和新风量，根据风量平衡计算出各区的排风量，风量平衡如图2所示，其中A为病床区、B为缓冲区、C为卫生间、D为内通道。

图2 隔离舱风量平衡图

1）病床区的排风量的确定

根据风量平衡可得：S2＋G2＝P2其中，S2为病床区新风量；G2为病床区渗透风量；P2为病床区排风量。排风量P2为241.6 m3／h，换气次数为24 ACH。

2）卫生间的排风量的确定

根据风量平衡，进风量等于排风量，即卫生间渗透风G3＝排风P3，得卫生间排风P3＝126.48 m3／h。

3）缓冲区的排风量的确定

根据风量平衡可得：S1＋S2＋G1＝P1＋P2＋P3其中，S1为缓冲区新风量；S2为病床区新风量；G1为缓冲区门缝渗透风量；P1为缓冲区排风量；P2为病床区排风量；P3为卫生间排风量。得缓冲区排风量为168 m3／h。

7 室内空调负荷的确定

以某典型传染病隔离舱为例，舱外状态点参数按夏季干球温度35℃，湿球温度28.2℃；冬季干球温度－5℃，相对湿度76%。夏季冷。负荷按舱内温度为24℃，相对湿度为55%计算；冬季热负荷按舱内温度为22℃，相对湿度为45%计算。传染病隔离舱的空调负荷的计算除了按常规计算外，由于隔离舱的渗透风的存在，对舱内的冷、热和湿负荷产生影响，应根据渗透风量的大小加以考虑计算。舱内各区的空调负荷见表3所示。

8 传染病负压隔离舱的空调设备

为防止传染病隔离舱与别的医疗舱产生交叉感染，传染病隔离舱的空调通风系统应独立设置。负压隔离舱内被患者污染的空气必须经过特殊的处理后才能排放到舱外，一般排风经过高效过滤器排到舱外。新风则应经过初、中效过滤器处理，减少附着在尘埃粒子上的病原微生物数量，有利于医护人员的安全。病床区的空调系统应采用全新风形式，空调系统如图3所示。缓冲区则采用独立新风加风机盘管系统。为了保证传染隔离负压病房的风量，加上房间内严格的压力要求，气流控制手段显得非常重要。目前，定风量装置被广泛采用。《医院洁净手术部建筑技术规范》也规定在送、回、新、排系统上采用定风量系统［5］。

表3 传染隔离负压病房各区负荷

图3 病床区空调系统

9 通风换气设备与节能措施

从隔离舱各区的冷热负荷表2可以看出，采用把病床区单独隔离起来的舱室布局比常规的布局要节能。经计算发现随着舱内的病床区的增加，缓冲区的冷热指标也将相应的成非线性的增加。造成传染负压隔离舱的能耗比一般舱室大的原因，主要是病床区采用全新风空气系统，且为了保证安全，换气次数也比一般的病房较大。为了减少能耗，可以采用以下节能措施。

9.1 增加舱室的密封性，采用带高效过滤器的自循环系统，降低换气次数

隔离舱的密封性对负压的维持比较重要，密封性不好舱外渗透风量将增加，造成舱内负荷的增加；而较好的密封性，可以减少排风量从而减少风机的能耗等等。而且换气次数的增加势必要增加新风量，增加能耗，所以在满足最低要求的情况下，应该尽量减少换气次数。为了降低换气次数，缓冲区亦可采用独立新风加带高效过滤器的干工况。风机盘管自循环系统（图4）来减少新风量，但最小新风换气次数应大于2 ACH。

图4 病床区独立新风加自循环风空调系统

9.2 采用相应的热回收装置

采用热回收装置是目前较成熟的一种节能措施，热回收的装置很多，有转轮式热回收机、板式热回收机、热管式热回收机、热泵式热回收机等，其中又可分为全热回收式和显热回收式，两者由于换热机理不同，适应的环境也不同。通常在新风湿负荷较大的大气环境宜使用全热交换装置，对于温差较大且新风排湿度差较小的大气环境，采用显热回收装置效果较好［6，7］。计算热回收装置的热效率时，利用下面两式：

其中，t1、h1为新风进热交换器的温度（℃）、焓值（kJ／kg）；t2、h2为新风出热交换器的温度 （℃）、焓值（kJ／kg）；t3、h3为排风进热交换器的温度（℃）、焓值（kJ／kg）。

负压隔离舱在进、排风进行热交换时，严格要求两者不能直接接触，应采用热管热回收装置和热泵热回收装置。在传染病隔离舱的空调系统设计中，将经过过滤后排风和新风通过热回收装置作为媒介交换热量，如图5所示。同时，由于舰船上的设备舱室空间的要求，设备小型化也是选择热回收装置的重要指标。

图5 带热回收装置的独立新风自循环空调系统

1）热管热回收装置

热管是一种高效的传热元件，其导热能力比金属高出几百倍，热管还具有均温特性好，热流密度可调、传热方向可逆等，用它组成热管换热器不仅具有热管固有的传热量大、温差小、重量轻、体积小、热响应迅速等特点。采用热管回收装置时，新风显热回收效率冬夏季按65%计算。根据室内外的状态利用显热回收效率式计算得：

夏季：t2＝35℃、h2＝90.1 kJ／kg；

冬季：t2＝－18℃、h2＝－16.6 kJ／kg；采用热管热回收机的回收新风负荷值和比例如表4所示。

表4 采用热管热回收机的节能效果

2）热泵热回收机

热回收式热泵机组是以先进的设计理论为基础，采用制冷效率高的半封闭式压缩机和换热效果好的铜管铝片的翘片式换热器。由于回收了排风中的能量而有效降低了空调机用于新风降热降湿所消耗的能量。相对于普通的空气源热泵［8］，使用热泵式热回收机的优点是热回收效率高，由于工况改善，机组的cop大大提高，在夏季工况下，热泵的性能系数 （热泵的传递的能量与输入功的比值）都能达到3～4。热回收式热泵机无互串气，安装方便，使用简单，各风管接管便利，适应温差范围大，不但大大降低了运行能耗，而且体积小，价格低，具有良好的设计适应性，维护方便的特点。图5为冬（夏）季过程原理图，实线表示冬季循环过程，虚线表示夏季循环过程。

图5 热泵热回收机冬（夏）季过程原理图

10 结语

传染病隔离舱由于其对舰船上空调系统要求的单独性、特殊性，空调设计方面应从气流流向控制，气压控制，气流组织分布，过滤器要求等方面认真考虑计算。同时，由于负压隔离舱的空调冷热负荷比一般的舱室大，在船上条件允许的情况下，采用相应的节能措施。相对陆地上医院传染病隔离病房的空调设备和技术已经比较成熟，船舶上的传染病隔离舱的相关设备和技术还比较少，有待我们进一步去开展研究。

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Discussion on the Design of Air-conditioning System of Infectious Isolation Cabin in Ships

Zhang Yang Jiang Wei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Through a special infectious isolation cabin model，the paper makes some analyses and cal鄄culations on the partition set－up，ACH，negative pressure value，air conditioning load and air treatment of infectious isolation cabin.In reference to air conditioning load and characteristics of air－condition sys鄄tem，the paper introduces venting and air change devices and energy saving measures.Besides，the op鄄eration principle and characteristics of the heat recovery device，which was selected according to charac鄄teristics of air－condition system，were also summarized.

ship；infectious isolation cabin；air－conditioning system design；energy consumption；en鄄ergy saving；heat recovery device

U664.5

A

1673－3185（2009）06－66－04

2008-09-26

张 扬（1980－），男，助理工程师。研究方向：船舶辅助系统。E鄄mail：zangyangnet＠126.com