ASHRAE医院设计标准的实践与思考

2021-12-02华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院李常山

暖通空调 2021年11期

关键词：排风过滤器新风

华东建筑设计研究院有限公司华东都市建筑设计研究总院刘蕾杜坤李常山

0 引言

随着我国“一带一路”经济合作战略的实施，国内建筑设计院承接国外项目的机会日益增多，项目所在国对建筑设计可能要求采用美国标准、欧洲标准或当事国标准。

科威特某医院项目采用工程总承包(EPC)形式，华东都市建筑设计研究总院承担设计总承包。该医院的暖通设计与建设主要采用美国FGI、ASHRAE医院标准及科威特当地规范。

本文以该医院为例，阐述ASHRAE医院设计标准及科威特当地规范在暖通空调设计中的应用与实践，并试图对中外一些设计观点及方法进行总结、提炼及分析，供同类设计项目参考。

1 ASHRAE医院暖通空调设计标准

《医院设计与建设指南》(Guidelines for design and construction of hospitals)(以下简称《指南》)由美国设施指南协会(The Facility Guidelines Institute)出版，每4年更新一次[1]，是美国最权威的医院设计与建设文件之一[2]。

在2018版《指南》中，涉及暖通空调设计的主要内容在第3部分“医院通风”(Ventilation of hospitals)中，该部分内容引自ANSI/ASHRAE/ASHE 170-2017《医疗保健设施通风》(Ventilation of health care facilities)(以下简称“ASHRAE 170标准”)，目前该标准已经更新为2021版。

按照“ASHRAE 170标准”2021版前言中的说明，该标准仅是最低要求，更详细和更多的要求可参考《ASHRAE手册——暖通空调应用》(ASHRAE handbook—HVAC applications)、《医院和诊所暖通空调设计手册》(HVAC design manual for hospitals and clinics)[3](以下简称《手册》)等。

科威特该医院项目当时采用的主要设计标准为2014版《指南》、《手册》、科威特当地规范及合同文件中的其他技术要求。

2 项目概况

该医院总建筑面积114 903 m2，建筑高度31.8 m，设置315张床位，是一家集门诊、急诊、医技、病房、重症监护病房(ICU)、手术、产科、中心供应、实验室等功能于一体的综合性医院。

3 气候特点及空调室外空气计算参数选择

科威特属热带沙漠气候，夏季时间长且炎热干燥，极端温度为52 ℃[4]。当地常见沙尘暴，在沙尘暴肆虐时，悬浮于空气中的尘埃致使能见度大大降低。

该项目空调室外空气计算参数按照科威特内陆气象参数[5]，重点考虑室外计算温度与相对湿度的发生频率，同时结合医院建筑的重要性与可靠性确定，有关计算参数如表1所示。

表1 空调室外空气计算参数

4 冷热源设计及特点

4.1 空调冷热源冗余设计

科威特夏季室外温度很高，空调系统在供冷季基本上是每天24 h运行，鉴于医院建筑的重要性，可靠的空调系统尤为重要。结合当地标准要求，在该项目设计中，冷水机组、热水锅炉、蒸汽锅炉及冷水泵、冷却水泵、冷却塔均采用N+1冗余设计。

4.2 空调冷源

4.2.1设备配置

该项目冷源选用4台水冷离心式冷水机组，单台机组制冷量为4 572 kW(1 300 rt)；同时按照科威特当地节能标准的要求，考虑对电力的移峰填谷，采用部分负荷水蓄冷，蓄冷水池容积为2 435 m3，蓄冷能力为日间高峰负荷时段4 h累计负荷的25%。空调冷水设计供/回水温度为6.6 ℃/14.4 ℃(44 ℉/58 ℉)，温差7.8 ℃。

4.2.2冷水机组冷凝器与冷却塔选型特点

针对当地极热的气候特点，冷水机组与冷却塔配置，除了考虑N+1冗余外，还采取了以下安全措施：冷却塔按室外空气湿球温度29.4 ℃(85 ℉)选型，比室外空调计算湿球温度高2.3 ℃；冷却塔设计进/出水温度为32.2 ℃/37.8 ℃(90 ℉/100 ℉)，冷水机组冷凝器按照进/出水温度34.4 ℃/40.0 ℃(94 ℉/104 ℉)选型，比冷却水设计水温高2.2 ℃。这些措施进一步保证了冷水机组在夏季极端气温时能安全可靠地运行。

4.3 空调与其他用热源

4.3.1空调用热源

为冬季空调供暖及空调再热共选用3台燃油热水锅炉，单台制热量为2 000 kW。空调热水供/回水温度为82.2 ℃/71.1 ℃(180 ℉/160 ℉)。

4.3.2其他用蒸汽源

生活热水、洗衣房及洁净蒸汽发生器所使用的一次蒸汽由3台燃油蒸汽锅炉提供，单台锅炉蒸发量为4.7 t/h。2台洁净蒸汽发生器集中产生二次洁净蒸汽，供中心消毒及冬季空调加湿使用。

5 空调与通风系统设计及中外设计方案差异

5.1 房间参数

房间设计及需求参数是暖通空调设计的重要依据。对于医院建筑，不仅包括室内空气温度与湿度、新风量、与邻室之间的空气压差等，还包括室内设备等的使用情况及相关参数，例如设备散热量、局部排风、冷水供给等。

按照当地设计习惯，这些由业主提供的医疗设备参数和使用资料等在初步设计前确定，而在我国，通常在业主订货后方可获得，这种时间上的差异常会造成设计及建设返工，乃至经济损失，故我国设计与业主方应加以重视。

在该项目设计中，室内空气设计参数参照“ASHRAE 170标准”表7-1，结合当地设计标准确定。

5.2 空调系统形式及中外设计方案差异

5.2.1国内医院建筑常用的空调系统形式

国内医院建筑空调系统主要采用全空气定风量系统、风机盘管加新风系统，对于医技用房也经常采用多联机加新风系统、单元式空调机组等。

5.2.2ASHRAE标准针对医院建筑空调系统形式的观点

1) ASHRAE标准针对医院建筑采用风机盘管机组的观点。

从2021版“ASHRAE 170标准”表7-1(即表2所列出的部分房间的设计参数)可以看出，它虽未明确限制或禁止在普通病房、诊室、医技等房间内采用房间空气循环的单元型机组(例如风机盘管机组)，但《手册》中明确指出，因风机盘管机组的空气过滤效率很低，对于病房，它不能满足MERV-14级的过滤要求，对空气湿度控制能力也有限。又因它产生空气冷凝水，会积聚污染物，致使人员有受感染风险[6]。此外，风机盘管的维护管理工作量也较大，因此，针对医疗区域不建议采用风机盘管机组。对此，国内专家也有相同的观点[7]。

表2 部分房间设计参数

2) 推荐的空调系统形式及分析。

ASHRAE标准针对医院建筑推荐的空调系统形式为定风量末端再热系统及变风量末端再热系统。对于压力控制严格的房间，在送风及回(排)风支管上均要求配置定(变)风量末端装置[6]。

笔者认为，对于医院建筑，空调系统的主要任务是在设计工况及非设计工况下保证室内温湿度，减少和控制医院空气感染。在任何情况下，空调系统均应满足房间最小总换气次数及最小新风换气次数的要求，同时保证各房间及区域之间正确的压力梯度关系，即气流从清洁区流向非清洁区。

采用全空气系统，可以保证室内空气换气次数及空气过滤等级要求，采用变风量系统提高了系统的节能性；对于压力控制要求严格的房间，在送风及回(排)风支管上设置末端装置，可以有效控制室内设计压力，保证房间及区域间的压力梯度。采用末端再热装置，对于定风量空调系统，当房间负荷改变时，调节再热量可以满足室内空气设计温度的要求；对于变风量空调系统，当房间负荷改变时，调节送风量和再热量，可以满足室内空气设计温度及最小换气次数的要求。因此ASHRAE标准推荐的空调系统形式适合医院环境。

5.2.3该项目空调系统设计

1) 采用定风量或变风量空调系统。

在该项目设计中，按照不同的医疗功能区设计空调系统。对于换气次数要求较高或压力控制要求严格的区域，例如手术室、中心供应区、太平间等，采用定风量空调系统；对于诊室区、病房区、医技用房区等，采用变风量空调系统。

对于采用变风量空调系统的区域，也存在该区域中有个别房间换气次数要求较高及压力控制要求严格的情况，可在此类房间的送风及回(排)风支管上配置定风量末端装置。例如门诊区中的操作室(procedure room)就属于此类情况。

2) 送、回风末端装置及再热。

① 送、回风末端装置。

在该项目设计中，对于压力要求严格的房间，例如手术室、操作室、ICU、新生儿重症监护病房(NICU)、分娩室、急诊分诊、急诊创伤/复苏室、空气感染隔离病房(AII病房)、实验室等，在送风及回(排)风支管上均配置了定(变)风量末端装置；对于普通病房、门诊诊室等，仅在送风支管上配置了变风量末端装置，从而可以有效地控制室内压力，保证房间及区域间的压力梯度。

② 送风末端再热。

在该项目设计中，不论是定风量或变风量空调系统，对于换气次数有最低要求的医疗房间，均采用了带再热的送风末端装置。

3) 全新风空调系统设计。

GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》及GB 50849—2014《传染病医院建筑设计规范》规定，应或宜采用全新风空调系统的医疗房间有分娩室、解剖室、负压隔离病房。

“ASHRAE 170标准”表7-1中的所有房间，包括分娩室、解剖室、AII病房，最小总换气次数与最小新风换气次数均不相同，表明没有严格要求采用全新风空调系统，但对于解剖室、AII病房要求房间所有空气应直接排至室外。

根据“ASHRAE 170标准”并结合当地习惯，该医院中采用全新风空调系统的医疗房间及区域有：手术室、ICU、NICU、急诊区、太平间、实验室区、产科区等。

5.3 空调及通风设备冗余

对于医院空调系统，关闭空调箱和风机对整体环境的影响比较突出，不仅会降低环境舒适度，而且还会因某些关键区域压力梯度的消失而引起感染，故考虑设备冗余设计是非常必要的[6]。

在该项目设计中，服务于手术室、分娩室、ICU、NICU的空调箱(带排风机)均分别设置备用，服务于门诊、病房、医技用房等的空调箱风机的电动机设置备用，AII病房及各区域隔离房间的排风机均分别设置备用。

5.4 新风/排风集中热回收

科威特气候夏季极端炎热，室内外空气最大温差约为25 ℃，新风/排风热回收节能效果明显。为避免新风/排风交叉污染，设计采用非接触式的水-水盘管显热回收。新风/排风热回收空调机组如图1所示。

针对全新风空调系统，每个空调机组独立设置新风/排风热回收；针对一次回风定(变)风量空调系统，每个空调机组的新风量由分区域设置的集中新风/排风热回收机组供给，接至每个空调机组的新风支管上设置定风量末端装置，以保证各系统最小新风量满足设计要求。

为了避免交叉感染，对于各个集中新风/排风热回收机组，按照区域功能相近、排风品质无碍的原则收集房间排风；对于一些特殊房间，如急诊分诊、急诊洗消间、隔离病房及其缓冲间、支气管镜室、生化实验室、内镜清洗室等，其排风直接排至室外，不进入热回收系统。

5.5 应对当地气候条件的其他设计措施

科威特当地夏季生活水箱内水温较高，需采用空调冷水及换热器进行间接降温。

应对当地的沙尘气候，所有外墙百叶窗均采用防沙百叶，空调机组设置预过滤器，冷却水系统设置除砂器。

6 感染控制策略中外设计差异比较

6.1 ASHRAE标准中关于暖通空调系统与感染控制

减少和控制空气感染是医院暖通空调设计的重要内容，从图2可以看出，影响医院感染控制的核心要素为空气稀释、过滤、压力梯度、气流组织、局部排风及适合的温湿度等[6]。

图2 影响感染控制的暖通空调设计参数(摘引自《手册》图2-5)

病毒与细菌一般依附在0.5～10 μm的尘埃粒子上，由表3～5可见，在一定的时间内，采用适当的过滤器，并采用清洁空气稀释，可有效去除空气中的颗粒物，从而有效控制空气感染。

表4 部分MERV等级对应不同粒径的过滤效率

表5 部分类型HEPA的过滤效率

6.2 中外感染控制设计策略异同

手术室、AII病房、保护性环境病房(PE病房)、急诊候诊区及诊室是医院感染控制中的重点区域，以下简要说明除PE病房外，其他几个区域中外感染控制不同的技术策略及该项目的设计方案。

6.2.1急诊候诊区及诊室

《手册》指出，急诊候诊区是未经诊断病人的逗留场所，其中可能有空气感染病原体携带者，例如肺结核病菌。因此，急诊候诊区所有空气应直接排到室外，如果采用回风，则必须设置高效过滤器(HEPA)[6]。此外，急诊区所有或部分诊室应具有应对急性传染病大流行的可能。如原来设置有回风，则空调系统应能改为全新风运行，排风系统、盘管容量等也应有相应的配置。

在2021版“ASHRAE 170标准”表7-1中，给出了急诊区域各房间的感染控制设计参数要求，如表6所示。

表6 急诊区域各房间的感染控制设计参数

GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》针对急诊区的特别要求是：急诊隔离区宜设单独空调系统，否则要求房间全部空气单独排放，不应系统回风。

比较上述设计标准可以看出，“ASHRAE 170标准”对急诊区各个房间有更详细及更高的要求。

基于当今的新冠疫情，针对急诊区，《手册》及“ASHRAE 170标准”中的观点及要求，值得我国在规范制定及实际设计中参考或借鉴。

该项目设计按照2014版《指南》及《手册》要求，结合当地习惯设计方案，急诊区采用全新风变风量末端再热空调系统；对于压力及换气次数要求较高的急诊候诊区、分诊区、创伤室，送、排风支管均设置定风量末端装置；对于换气次数要求较低的诊室、药房等房间，在送风支管设置变风量末端装置。空调机组设置三级过滤器，效率分别为MERV-3、MERV-7、MERV-14[10]。

6.2.2AII病房

AII病房是专门收治和隔离通过空气传播的传染病患者，针对感染控制策略核心技术参数要求，ASHRAE标准与中国医院设计标准对比见表7。

表7 AII病房感染控制核心技术参数中外对比

① DOP法测试，对于粒径大于0.3 μm的微粒，过滤器最低效率为99.97%。

② 可采用也可不采用。

③ 盘管前至少还需配置MERV-8级过滤器[3]。

④ 应竖向排向大气(无防雨帽或其他有碍竖向动量的装置)并且至少高出毗邻屋顶3 m(例外情况：首先通过HEPA)[3]。确保排放位置合理，防止被重新吸入建筑物内[11]。

⑤ 在既有建筑中，可采用带HEPA的循环设备，作为临时的补充室内环境控制措施；允许在AII病房内采用带HEPA的辅助循环装置，以增加等效的室内换气次数[3]。

⑥ 与AII病房之间无最小压差要求，但应保证压力梯度走道>缓冲间>病房[3]。

⑦ 导则等是指《新冠肺炎应急救治设施负压病区建筑技术导则(试行)》及GB/T 35428—2017《医院负压隔离病房环境控制要求》。

⑧ 房间内排风口应设置高效过滤器，排风口应满足高于半径15 m范围内建筑物3 m以上。

从表7可以看出：对于AII病房，我国标准要求更严格；“ASHRAE 170标准”无全新风要求，可以采用带HEPA的辅助循环装置增加等效的室内换气次数，在不能满足排放高度等情况下，排风才要通过HEPA排放。

在该项目设计中，按照2014版《指南》及《手册》要求，结合当地习惯设计方案，针对与其他病房处于同一楼层，且普通病房数量较多、AII病房只有1 间或2间的情况，AII病房和普通病房共同采用变风量末端再热空调系统。AII病房送风量按照换气次数12 h-1计算，送、排风支管均采用定风量末端装置，每间AII病房设置独立排风系统，满足全部空气直接排至室外的要求。送风支管上设置电动密闭阀，与空调机组连锁。空调机组设置三级过滤器，效率分别为MERV-3、MERV-7、MERV-14[10]，排风机入口设置HEPA过滤器。

6.2.3手术室

手术室是医院感染控制中最关键的区域之一。手术中的病人内体暴露在环境中，易受到病原体的侵袭，故暖通空调系统除了需满足医护人员、患者及医疗设备对室内环境的要求外，另一重要任务是将感染率降到最低。

针对手术室感染控制核心技术参数要求，ASHRAE标准与我国医院设计标准对比如表8所示。

表8 手术室感染控制核心技术参数中外对比

① 盘管前至少还应有MERV-8级过滤器[3]。

② DOP法测试，对于粒径大于0.3 μm的微粒，过滤器最低效率为99.97%。

③ 根据当地环境空气状况确定，如果设置三级过滤器，应分别为粗效、中效、高中效。

④ ≥0.5 μm微粒计数效率不低于40%的中效过滤器。

⑤ ≥0.5 μm微粒计数效率不低于60%的中效过滤器。

⑥ 对于粒径大于0.5 μm的微粒，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级洁净手术室过滤器最低效率分别为99.99%、99%、95%。

由表8可以看出：我国手术室的要求更严格，送风换气次数要求更高，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级手术室送风末端必须设置高效过滤器；“ASHRAE 170标准”中，仅要求在骨科、移植、神经外科、烧伤手术室送风末端设置高效过滤器。

在该项目设计中，按照2014版《指南》及当地手术室设计标准[12]，结合当地习惯设计方案，手术室采用全新风定风量末端再热空调系统，1间或2间设置1套系统；送、排风支管设置定风量末端装置；送风量按照换气次数20 h-1计算；空调机组设置三级过滤器，效率分别为MERV-3、MERV-7、MERV-14[10]；室内送风末端均设置HEPA过滤器。