“平战结合、床随人动”型临时应急医院模块化空调、通风系统研究

2021-12-02中信建筑设计研究总院有限公司张再鹏陈焰华雷建平

暖通空调 2021年11期

中信建筑设计研究总院有限公司张再鹏陈焰华雷建平

1 概述

临时应急医院建设的时效性是最重要的建设原则，只有通过标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修来进行产品的深度集成，并预留与其他标准化模块的快速连接接口和信息化系统接口，通过各功能模块的深度集成，大量的工作留在工厂内提前完成，现场只需要少量工人完成最后的拼接工作，才能最大限度地提高建设速度。笔者根据4种建筑基础模块拼接成各类医疗单元的模型，拓展了临时应急医院建设场地选择范围，探讨了2种平时医疗建筑的建设模式和战略储备原则(将另文介绍)。通过这些技术措施，可以最大限度地提高建筑、结构专业的建设速度。但是通过研究各类临时应急医院的建设过程发现，机电系统的装配化率不高，建设耗工耗时，机电系统成为影响该类医院建设周期、建设质量的主要因素。其中空调、通风系统工艺特别复杂，为了确保工期，许多临时应急医院不得不采用分体空调这种不太合适的空调系统。本文结合新型临时应急医院的建造方式，探索一套空调、通风系统建设模式，提高建设速度。同时该建设模式也会兼顾功能性原则和经济性原则。

2 模块化空调、通风系统建造方案

2.1 空调、通风模块介绍

建筑基础模块按极简、通用要求可分割成4个可拆装的标准化基础模块，其中基础模块A包括整体钢结构框架、屋面板、底面板及各类管线预留洞口，整体钢结构框架尺寸为6 m×3 m×3 m(长×宽×高)。空调、通风模块在建筑基础模块A的基础上，进行深度集成和标准化建设。该模块包括空调模块和排风2模块两大部分，两者配合工作，实现各项功能。

空调模块如图1所示，整合了新风换气机、蒸发盘管、过滤器、气密风阀、定风量风阀及变风量风阀。其结构包括：送风通道沿气流方向先后设置气密风阀2、混风段、粗中效过滤段、热回收段、蒸发盘管段、送风机段、空段、亚高效过滤段和出风段，热回收段并联气密风阀3；新风通道沿气流方向先后设置风阀1(多工况定风量阀)、电加热段，并连接混风段；排风通道1沿气流方向先后设置风阀4(变风量兼气密风阀)、空段、高效过滤段、热回收段和排风机1段。

图1 空调模块结构示意图

排风2模块如图2所示，整合了排风机、过滤器和气密风阀。其结构包括沿气流方向先后设置的静压箱、气密风阀5、高效过滤段、排风机2段和止回阀。

其中，空调模块的热回收段可采用热管式换热器，也可采用其他类型的换热器。送风通道和排风通道1彻底分开，避免因箱体漏风而污染新风，外露的热管进行密封和隔热处理。蒸发盘管段可采用水盘管，也可采用制冷剂盘管，当采用制冷剂盘管时，室外机可采用一拖一或一拖多形式。

空调、通风模块可以实现临时应急医院的制冷、制热、通风、净化与压力控制功能，普通病房的平时制冷、制热、通风功能，以及平时和战时(疫情)的快速切换，以一种通用模块满足了从普通病房到负压病房等各类功能房间的空调、通风需求。

空调、通风模块可以与集装箱进行深度集成，如图3所示。空调模块和排风2模块布置在集装箱屋面上，室内只设2处送风口，病房送风口送风量为450 m3/h，缓冲间送风口送风量为150 m3/h。室内设有回风立管，回风口距地100 mm安装。排风2模块的排风入口对接室内卫生间的排风口。所有风管穿建筑箱体处均设气密风阀，并做泛水和密封处理。此外，屋面的设备及风管应考虑防风、防雨、防腐措施，预留新风预热接口、凝结水接口、制冷剂管或水管接口，屋面设备应同时做减振处理。

图3 与集装箱体模块进行深度集成示意图

高效过滤器集中设置于室外排风机入口处，可避免后期在病房内对过滤器进行消杀与更换，大大降低设备维护管理人员感染的风险。

2.2 运行策略

本模块可实现的运行工况如下：

1) 普通病房工况。空调系统按混风工况运行，新风量按换气次数3 h-1设计，病房不排风，不作压力控制，排风2模块对卫生间进行机械排风，满足基本的空调、卫生通风需求。

2) 负压病房工况。空调系统按混风工况运行，新风量按换气次数6 h-1设计，病房按防疫要求通过调节排风量进行压力控制，排风2模块对卫生间进行机械排风，满足负压病房的压力控制、空调与卫生通风需求。

3) 负压隔离病房工况。空调系统按全新风工况运行，新风量按换气次数12 h-1设计，病房按防疫要求通过调节排风量进行压力控制，排风2模块对卫生间进行机械排风，满足负压隔离病房的压力控制、空调与卫生通风需求。

4) 穿衣口部、传递窗工况。穿衣口部、传递窗按防疫要求进行送风，不排风，不进行压力控制，但需形成从一更到过渡区或传递窗入口到出口的气流流向。空调系统按全新风工况运行。

5) 脱衣口部工况。脱衣口部按防疫要求进行排风，不送风，不进行压力控制，但需形成稳定的气流流向，并且不考虑空调需求。当脱衣口部有空调需求时，按负压隔离病房工况运行，进行压力控制，并形成稳定的气流流向。

传染病区的其他各功能房间及走道新风量均按换气次数6 h-1设计，可按负压病房工况运行。

该模块的控制策略如下：

1) 压力控制。普通病房工况不进行压力控制。负压病房工况、负压隔离病房工况通过调节排风量进行压力控制，保证压力梯度。排风机1采用双速风机或变频风机，高速用于负压隔离病房排风，低速用于负压病房排风；阀门4为变风量风阀，通过压差信号控制阀门4的开度，调整排风量从而进行压力控制。穿衣口部、传递窗工况按全新风工况送风，不排风，不进行压力控制，但是形成稳定的气流流向。脱衣口部只排风，不送风，不进行压力控制，但需形成稳定的气流流向。脱衣口部有空调需求时，按负压隔离病房工况运行，进行压力控制，并形成稳定的气流流向。

2) 新风量控制。阀门1为多工况定风量阀，3种工况新风量对应的换气次数分别为3、6、12 h-1，需设定好定风量风阀与运行工况的关系。

3) 温度控制。需要空调的房间均采用调整送风参数的方式进行温度控制。

4) 气密性保护控制。利用风阀1、气密风阀5～8进行保护控制，除风阀1与送风机同步开关外，其他阀门常开，当任何设备出现故障、停机更换设备或过滤器时，所有风机停机，并启动气密性保护控制。

该模块在各种运行工况下的控制策略如表1所示。

3 应用场景分析

3.1 普通病房工况

普通病房工况适用于普通病房，室内建筑布置、风口布置及其风量如图4所示。回风立管可以不装，吊顶处设置回风口；送风口分2处布置，顶送风；排风立管与成品卫生间的排风口对接。

3.2 负压病房工况

负压病房工况适用于负压病房及传染病区的其他各功能房间及走道。该模块应用于负压病房时，室内建筑布置、风口布置及其风量如图5所示。排风口距地100 mm；顶送风口分2处布置，缓冲间送风量为150 m3/h，病房送风量为450 m3/h；排风立管与模块卫生间的排风口对接。缓冲间与病房间的隔断门门下留10 mm的缝隙，形成从缓冲间到病房的气流流向。

该模块应用于传染病区的其他各功能房间及走道时，风口布置如图6所示，室内的风口布置及其风量保持不变，风口位置可以在室内根据建筑需求进行相应的调整。

3.3 负压隔离病房工况

负压隔离病房工况适用于负压隔离病房、ICU病房和脱衣口部。该模块应用于负压隔离病房时，室内建筑布置、风口布置及其风量如图7所示。该模块应用于ICU病房时，室内建筑布置、风口布置及其风量如图8所示，其中600 mm×200 mm的送风口分成2个300 mm×200 mm的风口，分别布置在床尾和床右侧。同时，排风机2的排风立管根据需求增加一段排风立管，与排风机1的排风管汇合，并将排风口布置在床头侧下部。

表1 控制策略

图4 普通病房的室内布置示意图

图5 负压病房的室内布置示意图

图6 其他功能房间及走道的室内布置示意图

图7 负压隔离病房的室内布置示意图

图8 ICU病房的室内布置示意图

3.4 穿衣口部、传递窗工况

穿衣口部、传递窗工况适用于各类临时应急医院及方舱医院的穿衣口部和传递窗口部。该模块应用于穿衣口部时，室内建筑布置、风口布置及其风量如图9所示。箱体中间设2道基础模块D，形成一更、二更和缓冲间，基础模块D的门下部留有10 mm的缝隙，方便送风有组织渗透。

图9 穿衣口部的室内布置示意图

该模块应用于传递窗时，室内建筑布置、风口布置及其风量如图10所示。建筑箱体中间设1个基础模块D，形成传递窗和缓冲间，基础模块D的门下部留有10 mm的缝隙，疏导送风渗透方向。增设缓冲间有利于控制气流流向，有利于减弱传递窗的入口门和出口门误操作对气流的扰动。

图10 传递窗的室内布置示意图

穿衣口部、传递窗口部不进行压力控制，但是室内的压力值、渗透风量和渗透方向可以进行精确计算。计算条件如下：基础模块C、D的门均为1.2 m×2.0 m的子母门，门缝及墙体折叠处的缝隙宽度均为4 mm，送风量为600 m3/h。经计算得，穿衣口部往入口方向的渗透风量为252 m3/h，往出口方向的渗透风量为348 m3/h，一更的压力为9 Pa，二更压力为5.9 Pa，缓冲间压力为2.8 Pa，各房间的实际压力值均优于目标控制值。传递窗口部往入口方向的渗透风量为219 m3/h，往出口方向的渗透风量为381 m3/h，传递窗的压力为8.1 Pa，缓冲间压力为4.3 Pa，各房间的实际压力值也优于目标控制值。计算结果表明，在入口和出口处进行压力精确控制的前提条件下，利用基础模块C、D的缝隙控制气流流向和各房间的气压是可行的，不需要分房间进行气压的精确控制。

当穿衣口部还有其他功能房间时，可以由多个箱体拼接而成，只对一更送风，其他功能房间不送不排，通过相邻门的缝隙，控制气流流向。计算结果表明，各房间的实际压力值会进一步增大，系统安全可靠。

多名医护人员聚集在一个房间内更衣或脱衣，也会增加感染的风险，因此穿衣、脱衣口部宜小型化，通过增加口部数量的方式解决多人使用问题。该标准化模块基本满足口部小型化建设的需求。

3.5 脱衣口部工况

脱衣口部工况适用于各类临时应急医院及方舱医院的脱衣口部。该模块应用于脱衣口部时，室内建筑布置、风口布置及其风量如图11所示。箱体中间设2道基础模块D，形成脱防护服间、脱隔离服间和缓冲间，基础模块D的门下部留有10 mm的缝隙，疏导排风渗透方向。只开启排风机1，关停送风机和排风机2。在中间房间设排风口，不进行压力控制，但是形成从两端门向中间渗透的稳定气流。计算结果表明，脱衣口部入口方向渗入的风量为207 m3/h，出口方向渗入的风量为393 m3/h，脱防护服间的压力为-4.8 Pa，脱隔离服间的压力为-8.8 Pa，缓冲间的压力为-7.7 Pa，各房间的实际压力值均优于目标控制值。在脱衣口部的入口和出口处进行压力精确控制的前提条件下，利用基础模块C、D的缝隙控制气流流向和气压是可行的，不需要分房间进行气压的精确控制。

图11 脱衣口部的室内布置示意图

当脱衣口部还有其他功能房间时，可以由多个箱体拼接而成，只对脱隔离服间排风，其他功能房间不送不排，通过相邻门的缝隙，控制气流流向。计算结果表明，各房间的实际压力值会进一步减小，系统安全可靠。

当脱衣口部有空调需求时，按负压隔离病房工况运行，对第一道脱衣间和缓冲间排风，进行压力控制，基本不改变原气流流向。

3.6 室外风口位置及新排风口部对接

该模块对外的接口包括新风接口、排风机1接口和排风机2接口，室外的新风口和排风口位置应满足规范[1-2]的要求。对于1层的临时应急医院，新风接口可以就近取新风；排风机1接口和排风机2接口需要分区、分片设置集中的机械排风系统，将各模块的排风汇集到远离人员活动区的地方集中排风，避免排风污染新风取风口。

4 功能性、经济性分析

4.1 功能性分析

“平战结合、床随人动”型临时应急医院强调医院的流动性，空调、通风模块既要能适应南方的炎热气候，也要能适应北方的严寒气候。

箱式房一般采用100 mm厚的玻璃棉保温，箱体的保温性能良好。箱式房的负荷计算条件如下：墙体、屋面、地面传热系数均取0.5 W/(m2·K)，新风量取600 m3/h，新风换气机效率取0.6；四面墙体均按外墙考虑，夏季室内设计温度26 ℃，相对湿度60%，冬季室内设计温度22 ℃，相对湿度40%，冬季新风先预热至5 ℃。经计算，夏季最大冷负荷约为3.84 kW，冬季最大热负荷约为3.78 kW，不含新风预热负荷，且均以新风负荷为主，围护结构负荷占比较小。而600 m3/h风量对应的回风工况室内机的供冷能力约为4 kW，供热能力约为4.5 kW，现有空调技术基本可以满足全国各地箱式房的空调需求。新风换气机在模块中的作用不仅是减少新风负荷，更重要的是减少新风负荷波动对多联机空调系统的影响。新风负荷波动对换热器形式、膨胀阀选型、主机效率等具有一系列的影响，减少新风负荷波动有利于减少多联机空调系统改造成本和改造技术难度，提高系统的经济性和能源利用效率。

空调、通风模块应用于普通病房时，应能与医疗建筑的建筑、机电系统有机结合，不得妨碍医疗建筑的平时功能。从图12中可以看出，空调、通风模块融入平时医疗建筑中时，医疗建筑的通风大系统建设方式不变，卫生间排风系统可以就近接入排风竖井，凝结水可以就近接入水管井，病房排风系统可以就近接入走道的排风系统。

图12 空调、通风模块融入平时医疗建筑的外部接管示意图

此外，该空调、通风模块包括5种工况，基本满足了除手术室、CT室、生物检验室外所有功能房间的空调、通风需求，因此可认为本模块基本解决了临时应急医院的空调、通风模块化建设问题。当建筑有更高舒适性要求时，可以在送风通道蒸发盘管旁边设置旁通风道，并设电动风阀9控制旁通风量，采取类似“二次回风”的再热措施，提高室内的空气品质。该措施如下：让一部分混合风进入蒸发盘管段进行冷凝除湿，控制室内的相对湿度；让另一部分未经降温处理的混合风经过旁通风道后，加热经过冷凝除湿的风，从而控制室内温度，达到温湿度双控的目的。该措施不需要另设加热热源，节能性较好。

4.2 经济性分析

空调、通风模块整合了新风换气机、蒸发盘管、过滤器、密闭风阀、定风量风阀、变风量风阀及送排风机，其中个别产品需要定制，因此成本较高。唯有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修才能降低设备造价和工程造价。此外，按平战结合方式进行建设，提高建筑和设备的利用率，也是提高经济性的有效手段。

空调、通风模块应用于普通病房时，空调运行能耗相当于多联机空调的运行能耗，冬季多联机空调的运行能耗和运行成本也低于锅炉，因此认为该模块应用于普通病房时，其运行成本一般不高于常规空调系统的运行成本。

“平战结合、床随人动”型临时应急医院的经济性主要体现在该类医院的建设规模上。按照传统模式进行建设，全国各地必将建设大量的医院，以应对当地可能产生的疫情，建设规模是空前的，成本是巨大的。只有让医院流动起来，全国统筹考虑，哪里有疫情，就将医院搬到哪里去，才能减少全国范围内的医院建设规模，降低成本。同时该类移动医院平时可以布置在医疗条件欠发达的地区，改善当地的医疗卫生条件，减小地区差异。疫情时，快速集结，采取农村支援城市的策略，从容应对疫情。