多级扩展医疗方舱环境保障系统的设计

2018-05-08李明孟晓东郑静晨谢钦王伟徐冬

中国医疗设备 2018年4期

李明，孟晓东，郑静晨，谢钦，王伟，徐冬

1.武警总医院，北京 100039；2.合肥天鹅制冷科技有限公司，安徽合肥 230051；3.南阳二机车辆制造有限公司，河南南阳 473006

引言

方舱扮演设备工作平台的角色，利用方舱平台对各专用设备进行车载化和合理匹配、集成，使之具备完成各种任务的功能，该应用方式广泛应用在通信、指挥、医疗、抢险、综合保障等特种车辆上。其中随着移动应急医疗需求的上升，医疗方舱备受重视，其具备良好的快速机动能力，可用于应急抢救、医疗下乡，在野外应急医疗场所等[1-2]，可完成对病人进行身体检查、伤情处置、手术医疗、康复服务等任务。

多级扩展医疗方舱作为医疗方舱的一种，是移动应急医疗领域的重点研究对象，其具备大扩展比，在驻车展开后有更大的舱内空间，可容纳更多的设备仪器和人员，功能集成化程度高，武警总医院研制的多级扩展舱，体积可拓展9～10倍，可在单个扩展舱内设置多个科室，有效减少医疗方舱车辆的数量，降低运输需求和能源消耗[3]。

多级扩展医疗方舱根据功能要求在方舱内配置CT设备、DR设备、彩超、心电、生化、手术台等相关设备，该类医疗仪器设备对工作环境有着严格的要求，如CT设备的工作环境条件为温度20℃～28℃、湿度30%～70%[4]，而多级扩展医疗方舱因任务的需要，可能工作在各种气候、地域条件下，包括热区、寒区、戈壁、高原和沿海等各地域环境条件，会遭遇高温、低温、太阳辐射、淋雨、湿热、盐雾、霉菌、砂尘、地面风、低气压、冲击、振动和电磁干扰等各种环境条件。所以多级扩展医疗方舱通常配置环境保障系统，对方舱内空气的温度、湿度、洁净度等进行调节，确保舱内设备仪器以及人员在适宜的温湿度的环境条件下正常高效的工作。

环境保障系统是多级扩展医疗方舱完成医疗任务的重要一环，可以确保多级扩展医疗方舱最大限度摆脱气候、地域的影响。多级扩展医疗方舱展开后舱室使用面积大，内部使用的设备和工作人员多，从展开到完成准备只有数小时时间，对环境保障系统的功能和性能要求更高。多级扩展医疗方舱展开条件下进行环境保障，所需制冷量高达20～30 kW以上，制热量需求达30～40 kW以上，且要求具备新风、加湿、空气净化等功能。目前国内大多数医疗方舱环境保障系统针对固定式方舱或单级扩展方舱开发，大多是普通方舱式的分体式空调或整体空调，制冷/制热量小，功能少，集成化程度低[5]，无法独立满足多级扩展医疗方舱的环境控制需求。

本文针对多级扩展医疗方舱的特点，结合车辆安装空间、舱内布局、功能诉求等，对多级扩展医疗方舱的环境保障系统进行设计介绍和技术应用探讨。

1 多级扩展医疗方舱对环境保障系统的要求

1.1 适应车载环境

普通医院的环境保障系统可以作为当地固定式的设备进行设计考虑，而多级扩展医疗方舱属于机动车辆运载平台，其环境保障系统从设计之始考虑的侧重点有所不同。

首先，车辆搭载的所有设备特别是车载CT都需要经受得住运输、跑车的考验[6-7]，环境保障系统也不例外，所以要求环境保障系统具备一定的抗冲击振动性能，如对于军事用途的多级扩展医疗方舱环境保障系统，其振动需承受交越频率5～200～5 Hz，加速度2.5 g的条件，冲击承受半正弦波峰值加速度为15 g，脉冲持续时间为11 ms的条件[8]。环境保障系统在设计上可采用隔震器减轻对车底盘、方舱的振动影响，同时保护自身减少来自跑车时的振动冲击。内部结构上，材料选用力求牢固、可靠；对钣金件结构进行抗震和抗冲击设计，管路采用柔性设计，关键部位采用双重减振、金属避震软管等进行减振。

其次，为获得更多的扩展空间，多级扩展医疗舱在车载设备中体积占用空间是尽可能大，势必挤占其他设备的安装空间，环境保障系统在保障性能的前提下，必须轻小型化，一方面可降低行车能源消耗，另一方面方便车载设备的布局。在医院建筑的空调系统中使用的结构和器件在车载环境下不具备装车优势，车载的环境保障系统势必要采用高效换热器、高性能风机、铝合金材料等措施来降低的重量以及缩小体积。

同时，环境保障系统大部分安装在舱外，所以车载环境也可以看作野外露天环境，要求系统具备防淋雨、风沙、潮湿、盐雾、霉菌、防雷等能力。系统的耐环境设计必须考虑各种因素，结构防护设计、高防护等级的器件选用、降额设计、三防涂层使用等，可有效提高系统的环境适应性。

环境保障系统需要在行车和驻车过程中都能启用，长途行车过程中，车辆可能途经不同的温区，为确保舱内仪器设备不遭受环境温度的影响而损坏，环境保障系统必须借助车载电源开机，保障舱内的温度。驻车时，可外接电源驱动环境保障系统工作，因此系统需要适应车载电源以及其他电源制式。

1.2 配合多级扩展医疗方舱的特殊用途

多级扩展医疗方舱需要完成的任务可能有手术、体检、化验、康复等，根据不同的任务配置不同的仪器设备和人员，环境保障系统除了实现对舱内空气的降温、升温的基本功能外，还需根据多级扩展医疗方舱功能定位，整合不同的功能模块，如除湿、加湿、新风、空气净化、供氧等。当然，环境保障系统的性能和功能根据实际需求选择，不必追求大而全，兼顾了经济性，也便于简化系统，便于维护。

除此之外，环境保障系统工作产生的振动与噪音必须控制一定的范围内，作好消声、隔振措施，确保舱内CT设备、手术室等的良好工作环境条件。

2 多级扩展医疗方舱环境保障系统的设计思想和方法

2.1 设计思想

多级扩展医疗方舱环境保障系统应是多种功能模块的组合体，对应不同的方舱任务平台，环境保障系统有相应的功能组合。以为武警总医院新研的某综合处置医疗方舱设计的环境保障系统为例。综合处置医疗方舱是一种组合式多级扩展方舱，分为固定舱和扩展舱，主要进行医疗检测、处置等项目，设备包括CT、移动DR、心电等（图1）。考虑在各地域工作的可能性，其环境保障系统的设计输入要求在-41℃～46℃气候条件下，一小时内将舱内温度控制在21℃～28℃之间，湿度35%～65%，整车全长12.1 m；医疗方舱收起状态全长9.1 m，宽2.5 m，高2.1 m，展开后宽度可达13 m（图2）。

图1 综合处置医疗方舱车示意

图2 方舱展开后状态

其环境保障系统安装在驾驶舱和医疗方舱之间，其外形尺寸仅有600 mm×2500 mm×2000 mm。考虑舱体材料结构、太阳辐射、舱内设备需求、人员数量、新风需求等[9]，经计算环境保障系统需要在46℃时提供32 kW制冷量，在-41℃时提供46 kW的制热量。环境保障系统的设计以可靠实用为基础，追求功能、性能对总体要求的全面覆盖，确保综合保障医疗方舱车能在各种气候、地域条件下正常工作。

该环境保障系统相对于普通的方舱空调要求环境适应能力和制冷制热能力更强、送风能力更强且噪音更小、结构更紧凑、功能更齐全、使用更加方便智能，以保障医疗方舱良好的舱内环境，提升现场救治效能。以此为目标，该环境保障系统具备以下创新的设计特点：① 模块化的多制冷系统组合，提升制冷能力；② 两种制热方式并存，提升制热能力；③ 大温差变风量通风功能，并采用流场仿真进行气流设计和优化，提升送风能力并降低噪音；④ 整合新风、空气净化、加湿、除湿、制水、制氧等多种功能；⑤ 优化结构形式，采用新材料，以减少重量、增加寿命并提升减震能力；⑥ 采用电控智能化操作，提升操作性能和环境控制的精确性。

功能比较全面的多级扩展医疗方舱环境保障系统原理示意图，见图3，它包括了环境保障系统中绝大部分的功能。

2.2 多制冷系统组合

制冷功能是环境保障系统的核心功能，在炎热环境条件下可以将舱内空气维持在22℃～28℃范围内的人体舒适温度。受空间安装条件限制，该环境保障系统采用的是多套蒸汽压缩制冷系统组合的形式，其中前舱一套制冷系统，最大制冷量为7 kW；后舱两套制冷系统，最大制冷量2×12.5 kW。各系统可分别独立运行，多系统的并存虽然带来了一定结构的复杂性，但有效地缩小了体积，提高了结构的紧凑度，便于节能运行，且在某种程度上提高了任务可靠性。

制冷运行时，舱内空气在通过表面温度很低的蒸发器时被冷却至饱和的状态时，空气中的水蒸汽在蒸发器翅片表面析出形成冷凝水析出，从而达到了除湿的效果，所以制冷的同时也在除湿。

2.3 两种制热方式并存

制热功能多在冬季时或气温低的环境区域下使用，将舱内空气温度加热至所需的范围内，在行车和驻车条件下都可能开启使用。其中行车过程中开启，是为了确保在低温环境下行驶过程中，舱内的设备仪器不会处于存储温度之下，造成损坏。

该环境保障系统包含燃油加热以及电加热两种加热方式，燃油加热是由车载电源供电，通过燃油燃烧获得热量，电加热直接通过电加热管使电能转换为热能。驻车条件下，环境保障系统可由市电或电源保障车供电，容量充足，可直接采用电加热方式进行制热，在行车过程中，当舱内温度低于保护值时，车载电源直接驱动燃油加热器启动工作，实现舱内升温。两种制热方式的适时工作，可解决方舱驻车以及行车加热的问题。

2.4 大温差变风量通风

通风功能是环境保障系统的基本功能，开启送风机，使舱内空气循环流动，通风贯穿系统使用的始末，是其他功能开启的前提条件。在适宜的外界环境条件下，不需要开启制冷或制热功能，开启通风功能即可满足舱内温度需求。

通风设计采用大温差变风量的方式进行舱内的空气循环，大温差则风量小，除湿效果较好，对风道的要求较低，且意味着低噪音[10]。需要注意的是在进行制热量的风量设计时，最低的风量带来的空气温升不能大于风机工作环境温度以及风道材料的安全温度。

在该环境保障系统中，舱内风机风量可无级调节，可由人员按需调节，也可由电控系统自动调节，前舱循环风量为1000 m3/h，后舱循环风量为4000 m3/h。

2.5 新风以及空气净化

人员在舱内长时间工作，必须对舱内补充新鲜空气，按标准为30 m3/h人[11]，新风系统通过对新风进行过滤干燥等预处理，经舱内风道后降温或加热后送入舱内，同时新风的引入也可以有效保持舱内对舱外的正压值，保持舱内的洁净。

环境保障系统在送风处和回风处设计有空气过滤器，用于收集舱内的颗粒灰尘及各种悬浮物，使舱内洁净度达到标准要求，由于该方舱没有洁净手术室的高要求，采用初效、中效的空气过滤即可满足方舱的要求。

图3 环境保障系统工作原理示意图

2.6 独立的加湿模块以及制氧模块

在纬度较高的地区，冬季空气干燥，影响人体舒适度以及仪器的精度，根据舱内的湿度控制要求，需对舱内空气进行加湿处理。

通常医院病人供氧由专门的制氧机或氧气瓶提供氧气，但在高原地区，除给病人提供氧气外，还需为医生等工作人员考虑。环境保障系统中的制氧功能多采用分子筛制氧原理，对空气进行分离，得到富氧空气，可接到系统风道内，通过风口射流实现对舱内的弥散式供氧[12-13]。作为短时使用或备用的供氧需求，也可以通过携带氧气瓶来解决。

由于空间限制，加湿模块和制氧模块设置在环境保障系统主机之外，在方舱展开后，必要时，加湿模块和制氧模块接入环境保障系统预留的接口进行加湿以及弥散式供氧。

2.7 制水功能

在该环境保障系统中的具备一个特殊的制水功能，主要收集系统在制冷运行时产生的冷凝水或者采集地表水，进行多级净化过滤，得到纯净水，可用于饮用或作为加湿用水，适用野外遭受用水安全威胁时的应急用水保障。该制水功能在夏季最大可产生100 L/d的纯净水，但在低温环境下需进行系统排空或模块拆除处理，避免水结冰对管路和设备造成损伤。

2.8 结构形式设计

医疗舱在撤收时，舱板折叠占用空间，如环境保障系统采用分体式结构，室内部分将影响整舱的撤收，所以环境保障系统采用整体式结构，室外冷凝部分采用背进侧出的方式，室内部分通过连接舱内风道进行送风以及回风，从而实现舱内空气循环，因此环境保障系统的结构上应包含主机部分以及舱内风道部分（图4）。风道的构造、截面积等直接影响着空调送风量，风速以及噪音等，在空调舱内风道设计时，考虑了舱内的总体布局以及内饰、照明等与风道相关的因素，避免产生过大的阻力损失和风噪[14]。

图4 扩展方舱环境保障系统结构示意图

环境保障系统主机基本采用不锈钢、防锈铝等耐腐蚀材料，重要部件进行了纳米涂层的涂覆处理，提高其耐腐蚀性和寿命。与车辆底盘、方舱连接处安装聚氨酯减震器，隔振处理。

2.9 流场仿真进行气流组织设计

环境保障系统舱内气流组织设计需保障功能空间的需求，如手术室的气流组织设计，需便于污染物的扩散控制和排除[15]，可通过层流罩自上而下均匀送风，确保手术台区域的空气洁净度以及麻醉气体的流走。多级扩展医疗方舱舱内的气流组织分布设计受许多因素制约，风道设计便于方舱的收展，且截面积不能过大，以免占用过多的舱内空间，送回风口设计确保空气流动覆盖各功能区，在人员工作呼吸区域的空气流动速度以0.5 m/s为宜。综合处置车的环境保障系统没有手术室，所以不考虑层流设计，运用流场仿真软件辅助方舱进行舱内风道及气流组织设计，具有良好的合理性和经济性，见图5。

图5 流场仿真软件辅助多级扩展医疗方舱舱内风道及气流组织设计示意图

2.10 电控智能化

环境保障系统采用集成线路板或者可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）进行控制[16]，通过各种传感器监测系统所处的环境以及自身的状态，实现智能运行。其电控系统有两种操控方式共存，分别为自动运行和手动运行，提高其任务可靠性。通常系统在自动运行模式下运行，一键操作，环境保障系统根据舱内外空气状态以及舱内温度设定自动选择工作模式，通常是在冬季选择制热以及加湿模式，在夏季选择制冷以及除湿模式；在线路板或PLC损坏的情况下，通过手动方式开启环境保障系统，以保障舱内任务的正常进行。

综合保障医疗方舱的环境保障系统通过以上的针对性设计，可以满足综合保障医疗方舱在任务需求、环境需求等方面的总体要求，并且其结构、功能形式可借鉴使用在其他的医疗方舱上。