智慧医院室内空气净化研究

文｜浙江五洲工程项目管理有限公司 马建民

1.引言

医院建筑使用功能复杂且持续运营时间长，人员密度高且流动性大，导致医院建筑存在较为严重的室内空气质量问题，每天都影响着广大患者和医务工作者的身心健康。医院室内空气质量参数主要包括可吸入颗粒物PM2.5、挥发性有机化合物、CO2、细菌等。而在新冠疫情期间，新冠病毒又在医院里传播扩散，进一步凸显出室内空气质量的重要性。

本文对医院室内空气净化进行了研究探讨，并从建设智慧医院角度出发，结合国家5G 技术发展战略和无人机产业发展战略，提出了基于建筑信息模型的空气净化技术方案：5G 融合通风控制和多旋翼无人机空气消毒，为提升医院室内空气质量提供了有效的技术措施。

2.室内空气净化探讨

2.1 通风系统

医院空调房间的通风净化尤为重要，普通病房区域的新风量应根据人数变化规律按实际需求进行调节，合理设计通风路径避免交叉感染，采用机械通风的方式加强无法自然通风的区域，优化通风系统效率。通风系统可采用变频调节风速分别满足治疗和休息两种功能。

空调通风系统保障了医院室内卫生环境，但其高能耗也是有待解决的难题，随着国家提出“碳达峰”和“碳中和”目标，医院空调通风系统需要进一步优化降低能耗。虽然标准规范要求新风量能够调控，但如何合理高效进行调控难度比较大，对于人流变化较大的门诊大厅和候诊区，目前空调系统新风量一般根据CO2浓度监测结果进行调节，然而这样的控制方式较为迟钝，而且设置的CO2浓度监测点不一定能准确反应整个区域的新风需求，更有效的控制方式需要将实际人数与空调控制系统联动，这样可以根据实时人流变化更准确的调节新风量。在病房区域，也需要将实时入院和出院的病人以及陪同和探视的人员数量与空调控制系统联动，基于实时人数的控制方式可以比CO2浓度监测点控制方式更加高效确定新风具体调控时间和新风量的大小。

2.2 消毒措施

空调环境下的温湿度以及密闭环境很适合细菌的生存与繁殖，医院室内使用空调后细菌数量明显增多，人员增多及人员频繁走动会明显增加细菌数量，细菌会附着在悬浮颗粒物上进行扩散。医院室内空气消毒杀菌是预防和控制感染的关键措施。

由于医院室内空气消毒工作量比较大，如何高效率进行室内空气消毒，降低医务人员的工作负担，减少人工成本和时间成本，成为了医院运营过程中亟待解决的问题。另一方面由于新冠疫情的影响，医院各区域更加需要高频次全面消毒，进一步增加了消毒工作量。虽然目前疫情已经得到了全面控制，但仍然有局部地区出现疫情反复情况，并且有医务人员被新冠病毒感染，因此医院需要继续加强防疫措施，严格落实疫情防控常态化管理。医院传统的人工消毒方式难以满足迅速增加的常态化消毒需求，并且存在将消毒人员暴露在新冠病毒之下的风险，如何采用智能化技术解决这个难题变得日益重要。

3.5G 融合通风控制

3.1 5G 通风控制概述

随着5G 网络大规模推广，大数据传输与分析决策已经变得越来越快捷，从而万物互联成为可能。基于5G 网络，室内位置数据的时空变化和快速更新使得定位数据信息形成了具有实际应用价值的重要资源。对室内人员的准确定位不仅可以为医务人员和患者提供便利服务，同样可以实现对各种设备高效管理。室内通风设备可以根据实时人员数量变化进行控制，从而将节能减排落到实处（图1）。

图1 智慧医院5G 室内人流定位

3.2 医院室内5G 融合定位

室内定位技术包括5G 蜂窝定位、蓝牙定位、Wi-Fi 定位、UWB 定位等多种技术方案。为了能提供更精确的医院室内人流定位数据，5G 技术可以结合其它定位技术进行效率提升，其中蓝牙定位技术和Wi-Fi定位技术是比较合适的选择，两者均可以与5G 网络系统共同部署和维护，运行成本较低，手机蓝牙和Wi-Fi 路由器也已经全面商业化。通过5G 室内融合定位，可以获得医院各区域人员数量的实时变化信息，为通风系统的准确调控提供了基础（图2）。

图2 智慧医院5G 室内融合定位网络架构

3.3 BIM 空间匹配分析

通过5G 融合定位之后，每个区域空间的人数实时上传到医院私有云平台，在云平台储存的医院建筑信息模型中包含每个区域空间的三维几何数据以及通风设备的型号和性能参数等非几何数据。大数据管理模块通过对人数、区域空间大小和所需新风量等BIM 信息数据进行匹配分析，将优化调控指令传送到通风设备的控制系统，从而实现对室内通风的优化控制（图3）。

图3 智慧医院5G 融合通风控制逻辑流程

4.多旋翼无人机空气消毒

4.1 无人机空气消毒概述

医院室内空气消毒目前基本都是人工操作完成，由于日常需求量较大，空气消毒工作占用了大量人工成本和时间成本。如何利用智能化技术协助完成空气净化工作对于医院运营具有重要价值。目前无人机已经被越来越广泛的应用到各个领域，而随着5G 网络大规模商业化，无人机的应用效率得到了进一步提升。在医院普通病房和公共区域内，无人机喷洒消毒液净化空气可以有效减少人力资源消耗，消毒过程简单便捷容易操作，并可以24 小时在线工作，大幅减轻了医务人员的工作负担。另外消毒人员也避免了直接暴露在各种病毒之下的风险（图4）。

图4 智慧医院无人机空气消毒

4.2 多旋翼无人机消毒与监测

无人机结构类型有固定翼型、多旋翼型、伞翼型等，多旋翼无人机用于医院室内空气消毒具有明显优势。消毒液喷洒到空气中后，每个旋翼快速旋转加速了消毒液扩散和雾化，消毒液随着无人机飞行过程而迅速弥漫到整个室内空间，大幅提升了消毒效率。此外，多旋翼无人机操控性较强，可以垂直起降并且可以悬停在空中，对于室内不同高度不同位置的消毒任务都可以轻松完成。目前普通病房在室内无人时进行消毒通常采用过氧化氢或紫外线照射等方式，但新冠病毒具有强传染性，无人机在室内无人时进行消毒降低了消毒人员被感染的风险。除了消毒净化的功能外，无人机可以同时对室内空气环境进行监测，包括PM2.5、CO2、温度、湿度等，都可以通过无人机携带的传感器进行实时监测，这样的监测方式比在室内固定点设置监测仪器结果更加准确(图5)。

图5 智慧医院多旋翼无人机控制系统架构

4.3 BIM 飞行路线规划

医院室内空间区域的几何数据均存储在建筑信息模型中，无人机在执行消毒任务前，可通过医院私有云平台提取目标区域的BIM几何数据，并选择最近的飞行路线。在连续执行多个任务时，可根据不同目标区域位置对任务的先后顺序进行排序，以选择最优化的飞行路线，确保在最短的飞行时间内完成工作任务。在目标区域进行消毒时，可根据区域空间大小和区域形状的BIM 几何数据，设置不同的飞行路线，确保喷洒出的消毒液可覆盖整个区域（图6）。

图6 智慧医院多旋翼无人机空气消毒逻辑流程

5.总结

医院建筑作为具有特殊功能的人员密集型公共建筑，其室内空气质量问题一直困扰着广大患者和医务工作者。本文对医院室内空气净化进行了研究探讨，包括通风系统和消毒措施两个方面，提出了基于智慧医院建设的室内空气净化方案，包括5G 融合通风控制和多旋翼无人机空气消毒，方案将智能化技术与医院建筑信息模型深度结合，为提升医院室内空气质量提供了高效的解决措施。