干燥地区传染病医院的空调设计与应用

黄 翔,贺红霞,褚俊杰

(1.西安工程大学 城市规划与市政工程学院,陕西 西安 710048；2.中国建筑科学研究院有限公司 建筑环境与能源研究院,北京 100013)

0 引 言

2003“非典”(SARS)疫情和2019新型冠状病毒(COVID-19)疫情的暴发,对医院的隔离病房使用发出巨大挑战。一个个让人惊叹的工程也同时涌现:用时7 d建成的北京小汤山“非典”定点收治医院,建筑面积25 000 m2[1]; 用时10 d建成的火神山医院,建筑面积34 000 m2;用时12 d建成的雷神山医院,建筑面积75 000 m2 [2];以及 “非典”过后,为满足突发事件的需求,2004年建设的上海金山市公共卫生临床中心,建筑面积2.6 万m2[3]。这些应急传染病医院建设的共同点是快速、安全、使用方便,在疫情危难之时作出了重要贡献。在医院建设中空调系统的设计与安装也是其重要组成部分。蒸发冷却新风空调具有绿色、低碳、环保、健康的全新风调控的巨大优势,可以快速安装使用[4]。在2003年应对“非典”(SARS)疫情时,新疆维吾尔自治区乌鲁木齐建设了一座传染病定点收治医院,其空调系统的设计是根据乌鲁木齐的气候条件和特点,最终确定以蒸发冷却技术为核心的空调系统。本文在回顾乌鲁木齐传染病医院空调设计的基础上,根据南北方不同的气候条件,对蒸发冷却技术在传染病医院的应用进行探讨。

1 乌鲁木齐北郊“非典”医院案例

1.1 工程概况

2003年5月为应对突如其来的“非典”(SARS)疫情,效仿北京小汤山医院,新疆维吾尔自治区政府决定在乌鲁木齐北郊建设一座现代化的应对“非典”疫情的专科传染病医院,如图1所示。

工程于2003年5月15日开工,边设计边建设,昼夜不停。在施工高峰期,最多的一天有1 800名工人在工地忙碌。医院生活区6月4日完工,病区6月7日竣工,在20多天时间内建成一座建筑面积11 000 m2,总占地面积270 000m2的现代化医院, 为自治区应对防控“非典”疫情做出了突出贡献。后来自治区政府在乌鲁木齐北郊医院基础上,建设了防控传染病疫情的新疆维吾尔自治区第六人民医院。

乌鲁木齐北郊医院位于东戈壁污水处理厂附近,分为病区和生活区。病区共有120张床位,由南向北依次包括重症区、诊断确定病区、疑似病区、留观区4个区域,建筑外墙均以建设速度快捷、隔离效果好，厚度15 cm的聚乙烯彩板为主。生活区包括医护人员宿舍、中心消毒室、污水处理地、焚烧炉、锅炉房等,以砖混结构为主。病区与生活区之间是40 m宽的隔离带,中间有一条6 m宽的绿化带。医院内的道路分南北2个出入口,南面是病区的出入口,北面是生活区的出入口,可避免交叉感染。应急通道从乌昌高速公路直接由南面出入口进入病区。

1.2 蒸发冷却空调技术

考虑到乌鲁木齐湿球温度低, 属于干燥地区。根据全国民用建筑供暖通风与空气调节设计规范的室外气象参数,本地区夏季室外通风干湿球温差达15.3 ℃,干燥程度超过规范中所给出的99%的城市。疫情传染病医院需要全新风运行来防止交叉感染。常用的新风机组是采用常规制冷剂制冷,对新风具有除湿功能,低湿度有利于病毒传播,干扰了气道中纤毛对病毒颗粒的去除效果,降低了气道细胞修复损伤的能力,并且在低湿度下病毒感染后的先天免疫防御系统会失效[5]。乌鲁木齐北郊医院于6月初投入使用,月平均干球温度21.5 ℃,湿球温度13.43 ℃,如图2所示。

室外气温不高,适合蒸发冷却空调的使用[6],因此,该医院的空调系统设计采用直接蒸发冷却全新风空调系统。

直接蒸发冷却空调机组的产出介质为空气,其过程为产出介质(冷风)和工作介质(冷却水)直接接触发生热湿交换,通过水的蒸发使产出介质温度下降,产出介质的含湿量增加,被降温的极限温度为室外空气的湿球温度[7]。

图 2 乌鲁木齐月平均干湿球温度Fig.2 Monthly average wet and wet bulb temperatures in Urumqi

直接蒸发冷却器的核心部件是填料,它的功能包括降温、加湿、过滤。分析其结构,单片填料波纹角度呈45°或60°,波纹具有一定高度,2片填料呈45°叠加形成整块填料,结构如同过滤器一样密集,如图3所示。喷淋水在填料表面与水换热,空气既可以通过蒸发冷却作用被加湿降温,还可以通过在填料内部发生碰撞拦截和重力沉降被净化过滤。

图 3 直接蒸发冷却填料示意图Fig.3 Direct evaporative cooling packing diagram

可吸入粒子是对人体健康危害较大的微生物[8]。赵炜等[9]对医院环境的气溶胶浓度进行监测,发现呼吸科病房中气溶胶浓度最高。其中,可吸入粒子(直径<4.7 μm)占88.33%,可进入肺泡的气溶胶粒子(直径<2.1 μm)占58.40%。尽可能除去内环境中气溶胶粒子成为空调系统的又一使命。Paschold对2个直接蒸发冷却器进行实验模型测试,发现经过蒸发冷却器后的空气PM10减少了50%,PM2.5减少了10%～40%[10]。申永波通过气溶胶粒径谱仪对填料的过滤性能进行测试,发现PM10减少了32.9%,PM2.5减少了21.2%,对总悬浮微粒净化效率为31.6%[11]。由此可知,直接蒸发冷却对空气中存在的气溶胶粒子具有较好的去除效果,颗粒物减少可以起到防止病毒传染的作用[12]。

净化效率计算为

(1)

式中:η为净化效率;c1、c2分别为处理前、后空气中含尘浓度,μg/m3。

1.3 动态紫外线消毒

直接蒸发冷却全新风空调系统是将室外空气经过过滤段过滤后再经紫外线消毒,到达室内送风口处再经过初、中、高效过滤器过滤,保证进入病房的新风达到洁净度要求,如图4所示。这一过程中空气经过紫外线消毒的过程是动态消毒。经紫外线消毒后的新风不断送入室内,空气在病房送风口和排风作用下,经过合理的气流组织可有效去除病人周围的病毒、细菌以及气溶胶颗粒。

图 4 紫外线消毒段Fig.4 UV disinfectant section

医院常用的消毒方法有紫外线照射和循环风消毒法。紫外线照射消毒是过去医院经常使用的消毒方法,随着医院卫生条件和人体健康要求的提高,紫外线照射伴有杀菌消毒范围有限,存在死角的问题；且不能长时间照射,距离人的位置太近还会导致人体细胞死亡,可刺激眼睛 、皮肤黏膜,引起眼结膜红肿、过敏性皮炎、白细胞计数减少等,对人体有一定危害[13]。循环风空气消毒法避免了紫外线照射带来的危害,可以实现室内的持续消毒,对人体无伤害,但在疫情传染病医院不可使用循环风。可将紫外线消毒段安装到直接蒸发冷却全新风空调机组中,对送入病房的新风在送风源头进行消毒,保证病人所处空气环境的质量,也避免紫外线太近对人体的伤害。

1.4 直接蒸发冷却全新风系统

直接蒸发冷却全新风空调系统如图5所示。直接蒸发冷却全新风空调机组取消全部系统回风,以避免病房或者空调机房中因回风造成的空气交叉污染。直接蒸发冷却全新风空调系统运行时,空气功能段为直接蒸发冷却填料功能段。空气经过过滤段、紫外线消毒段以后,再经直接蒸发冷却填料冷却段与水直接接触,相当于一段湿式过滤,空气被水直接清洗,使得送入室内的新风更为舒适洁净。处理后的新风送入到每个病房,病房中备有独立的新风送风口(图6(a))和排风口(图6(b))。各房间新风送风口处配有调节阀,送风风量可以单独控制。不同病房内的病人根据个人的需要调节送入房间的送风量,满足病人不同的生理、心理卫生需求。经全新风处理后的室内空气新鲜、干净,可有效防止病毒的传播,有利于感染肺炎病人的康复。该空调系统为病房提供了健康的呼吸系统。

图 5 “非典”医院的直接蒸发冷却全新风空调系统图Fig.5 A new air-conditioning system for direct evaporative cooling of SARS hospital

(a) 送风口 (b) 排风口图 6 “非典”医院病房送排风口(2003年8月拍摄)Fig.6 Ventilation vents in the ward of the SARS hospital

1.5 直接蒸发冷却空调系统应用效果

冷却效率是蒸发冷却空调机组性能评价的重要标准,冷却效率是否可以达到100%成为评价标准[14],冷却效率包括湿球效率，即

(2)

式中:tdb1为蒸发冷却全新风空调机组入口空气的干球温度,℃;tdb2为蒸发冷却全新风空调机组出口空气的干球温度,℃;twb1为蒸发冷却全新风空调机组入口空气的湿球温度,℃。

图7为直接蒸发冷却空调机组在同一时期应用效果。在室外平均干球温度32.6 ℃、湿球温度17.9 ℃的条件下,空调机组出风平均干球温度在19.3 ℃左右。机组湿球效率在87%～92%之间,机组干球温度平均温降为13.3℃。

图 7 直接蒸发冷却空调机组应用效果Fig.7 Application effect of direct evaporative cooling air-conditioning unit

2 蒸发冷却新风空调的应用

2.1 干燥地区医院新风空调应用

新疆、青海等属干燥地区,气候特征为光照长、气温日变化较大、降水量少、蒸发旺盛、室外干球温度高、湿球温度低、干空气能大,新风可以带走室内热负荷和湿负荷,满足送风要求,因此,这些地方的普通医院新风系统应用较多的是蒸发冷却新风空调机组。不同地区温湿度不同,采用的蒸发冷却新风空调机组功能段形式多样,如图8所示。直接蒸发冷却段处理空气过程为等焓加湿,间接蒸发冷却段处理空气过程为等湿冷却,两者组合可以适应不同时期。气候干燥温和地区需要降温加湿时可使用一级直接蒸发冷却;气候干燥炎热地区需要加湿并且温降较大时,可使用二级直接+间接蒸发冷却;气候湿润炎热地区需要除湿降温时,可使用直接+多级间接蒸发冷却,配合外冷式冷水机组,可将温湿度调制到要求范围。

(a) 直接蒸发冷却空调(一级) (b) 直接+间接蒸发冷却空调(二级)

(c) 直接+多级间接蒸发冷却空调(多级内冷式) (d) 直接+多级间接蒸发冷却空调(多级外冷式)图 8 蒸发冷却新风空调机组功能段汇总Fig.8 Summary of functional sections of evaporative cooling fresh air air conditioning units

2.2 潮湿和干燥地区空调应用对比

以干燥的乌鲁木齐市和湿度较大的北京市、武汉市为例,对比分析夏季空调的应用情况。根据全国民用建筑供暖通风与空气调节设计规范的室外气象参数,乌鲁木齐市夏季室外含湿量小于室内含湿量的时间占99.6%,北京市夏季室外含湿量小于室内含湿量的时间占41.9%,武汉市夏季室外含湿量小于室内含湿量的时间占6%。表1为3个城市的室内外空调设计参数。从表1可以看出,干燥地区含湿量由室内向室外传递,通过新风就可以起到去除室内湿负荷的作用,而潮湿地区含湿量多数由室外向室内传递,通新风会增加室内湿负荷,必须采用除湿系统。

在干燥地区,蒸发冷却空调通过不同功能段组合可以去除室内热负荷,满足温度要求。同时,此系统为全新风空调系统,新风也可以去除室内湿负荷。如果使用普通机械制冷组合式新风机组,除湿功能有可能导致湿度不满足要求。在干燥地区应用蒸发冷却空调时,其能耗也会降低,运行费用仅为潮湿地区应用具有除湿功能的机械制冷空调的3/4[15]。

表 1 室内外空调设计参数对比Tab.1 Comparison of indoor and outdoor design parameters

3 传染病医院空调系统设计要点

3.1 营造负压病房

为防止各种突发病毒传染而建设的临时定点医院,建设施工耗时短,总体结构较为简单。在传染性强的病房中,医护人员除自身防护服外,怎样能让病人和医生都处于相对安全的环境非常重要,通过空气气流来控制环境安全是较好的选择。

医院中任何清洁、无菌、无尘、无臭以及怕污染的场所,应保持正压;凡是有污染发生、有害气体散发以及极大热湿产生的室内,应保持负压。无明显的污染、热湿及有害气体发生,又无特殊要求的室内可与室外保持同压[16]。呼吸类临时传染病医院设计导则规定,相邻相通不同污染等级房间的压差(负压)不小于5 Pa[17],负压梯度从清洁区到半污染区到污染区依次增大,如表2所示。普通医院与呼吸类传染病临时医院各类用房的房间压差有所不同,如表3所示。

表 2 负压梯度表Tab.2 Negative pressure gradient

表 3 医院各功能房压差Tab.3 Pressure differences in various functional rooms of the hospital

普通医院的重症监护室维持常压即可,而呼吸类传染病临时医院病房都要维持负压,保证病房内病人呼吸的空气不会外流入其他区域进行传播,使有害病毒控制在设定的区域内。达到负压要求的空调系统排风量要大于送风量,要有较低的漏风量,压差控制精度要求较高。病房的负压条件还需搭配合理的气流组织,可以有效去除病房内的污染源。病毒存在以飞沫和气溶胶传播的可能,病毒气溶胶直径在0.02～0.3 μm[18],粒径大的气溶胶颗粒因重力影响沉降到地面,粒径小的会随气流流动。根据这一特性,病房内的气流组织通常采用上部送风,下部回风的形式,通过风口压头保证带走病人床位周围的被污染空气,实现从床尾到床头的短距离定向流动。

3.2 防止交叉污染

面对传染性病毒,三步走就是控制传染源、切断传播途径和保护易感人群。在医院空调系统的设计中,就要负责做到切断传播途径,防止交叉感染。疫区走廊等空间较大的地方空调系统适宜采用全新风直流式系统,机械排风。全新风系统不能用回风混合系统,回风会导致病毒相互传播,容易发生交叉感染。通风空调的正确运行可以降低交叉感染率。

对送风和排风的过滤是降低医院交叉感染的另一重要举措。医院是传染源最集中的地方,空气被病毒污染严重,使得进入的人员都处于易感染环境中,确诊人员周围的环境势必存在病毒,无论是接触者还是病患自身,周围污染的环境都不利于身体和康复,因此需要对医院内环境和外环境进行空气净化处理。送风应采用粗效、中效、高效过滤器3级处理,排风也应采用粗效、中效、高效过滤器过滤处理后再排放[19]。这样,才能降低医院环境中病毒的数量,减少医院内部交叉感染率;同时,还可以避免病毒随着气流二次传播至室外,污染室外空气。

3.3 对新风的要求

《GB 50849—2014 传染病医院建筑设计规范》指出,呼吸道传染病房内的换气次数应不少于6次/h, 负压病房内的换气次数至少12次/h。 新风系统在医院中的作用主要有2个,一是新风可以为医院提供冷量(热量),使室内空气的温湿度满足医护人员和病患对舒适度的要求; 二是新风和排风结合,可以使室内形成一定压差,通过合适的气流组织,保证病毒传染源被稀释和排出[20]。 在呼吸类传染病临时医院中第二点尤为重要,降低内环境病毒浓度可有效防止感染,减少感染人数,患者康复可能性也更大。

4 结 论

通过分析2003年新疆维吾尔自治区在建设“非典”定点收治医院——乌鲁木齐北郊医院时采用直接蒸发冷却全新风空调系统的案例,探讨不同气候条件下,传染病医院的空调设计方案。通过对比干燥地区和湿度较大地区普通医院的空调形式,研究结论如下：

1) 干燥地区的传染病医院应使用蒸发冷却新风空调系统。

2) 蒸发冷却空调系统出风具有较大的压差,单一通道送风,每个病房设置排风风口,可以保证病房内的负压状态。

3) 蒸发冷却空调可进行全新风调控,向病房内通入处理后的室外全新风,避免医院病房内回风的交叉污染。

4) 蒸发冷却空调对室外新风进行湿式过滤,送入的新风干净舒适,有效防止疾病的传播,有利于感染肺炎病人的康复。再结合紫外线消毒,保证空气洁净,节省人为消毒。

5) 蒸发冷却空调机组为完整的空调箱,易达到集成化,能耗低。