平疫结合的普通公共建筑暖通空调设计理念探讨

2022-03-08张伟伟

建筑热能通风空调 2022年1期

张伟伟

华建集团华东都市建筑设计研究总院

0 引言

新冠病毒肺炎疫情已经施虐全球，4月 7 日全球总感染人数已超130 万。这次疫情已经成为了全人类的挑战，同一个地球村谁都不能独善其身。中国在党中央的坚强领导下取得了关键性的胜利，但是这次疫情值得反思的问题还有很多。

2020 年2月14 日习近平总书记主持召开中央全面深化改革委员会第十二次会议，强调了要完善重大疫情防控体制机制，健全国家公共卫生应急管理体系。公共建筑的空调通风系统是与卫生防疫息息相关的系统，特别是对空气传播或气溶胶传播的病毒疾病而言。虽然新冠病毒目前还未确认会通过气溶胶空气传播。国家卫生健康委员会发布了《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六版）》中指出在相对封闭的环境中长时间暴露于高浓度气溶胶的情况下存在气溶胶传播[1]。

但是对于暖通从业者，更应该关心的是以空气传播或者气溶胶传播为主的疫情，因为这是与空调通风系统息息相关的。笔者建议应该搁置争议，共同探讨建筑物如何应对将来可能出现的空气传播疫情。本文所探讨的对象为非医院建筑的普通公共建筑，笔者提出了在普通建筑的暖通设计中，应该考虑平时和疫情两种工况，采用平疫结合的暖通空调设计理念。

1 平疫结合的设计理念概述

平疫结合，顾名思义是平时工况和疫情工况，就像人防设计一样，为了考虑战时的应急措施，在建筑设计中均需考虑人防设施的设计。面对将来可能突发的公共卫生事件或大规模暴发的疫情，作为人们工作和生活的建筑环境，也应考虑如何应对。暖通空调系统是建筑物的“呼吸系统”，人离开呼吸无法生存，同样建筑离开“呼吸”，室内空气品质将无法满足人们的基本需求。

平疫结合的设计理念对于建筑设计来讲需要整体通盘考虑，暖通空调的设计是其中重要的一个环节。平疫结合的设计不仅是个技术问题更是个经济问题。对于一栋建筑物，究竟是多大面积，多少空间或楼层采用平疫结合的设计。对于暖通空调系统设计，是要对应建筑的这些区域考虑疫情工况，还是所有的系统考虑疫情工况？这些都是需要进一步研究的问题。

在此笔者仅提出初步的不成熟的想法，平疫结合的设计是否可以像人防设计一样，在疫情暴发期间考虑两种情况，即疫情工况一和疫情工况二，以下以办公建筑和“方舱医院建筑”为例进行分析。

疫情工况一指的是疫情初期和末期，还未大规模流行和疫情，这时人们还可以正常上班，此时的空调通风系统需要按可接受的感染率风险的工况运行。这种情况，整个办公建筑物的空调通风系统都需按疫情工况设计。而“方舱医院建筑”（如体育馆、展览馆、会议中心等）因为在疫情期间未启用之前，基本是关闭的，所以这类建筑不需要考虑第一种情况。

疫情工况二指的是疫情中期，大规模暴发，此时人们可能以居家办公形式为主。办公建筑可以不考虑这种情况的设计。但是可能被改造为“方舱医院”的建筑则需考虑这种情况的设计，可以称为“半传染病医院建筑设计工况”。此种工况要参照应急传染病医院的措施进行设计。

以上两种疫情工况都需考虑经济性问题，考虑业主在初投资上可以接受的程度，如果在疫情要转换为方舱医院，属于公益事业，政府也应该拿出一部分补贴资金，支持疫情工况的设计。

2 稀释通风量的定量分析

目前暖通行业关于降低室内病毒气溶胶浓度的研究主要有两种技术路线，一是稀释通风，二是杀菌消毒。杀菌消毒特别是用化学物质的杀菌消毒，可能造成对人体的衍生危害，以及极有可能造成病的变异，从而更难控制。因此笔者认为稀释通风可能是比较有效，安全和可行的技术路线。

故在疫情工况下，通风换气次数取几次合适，就成为了需要研究的基础性问题。这个通风量的确定关系到暖通空调系统的整体设计，包括设备的选型，管道的设计和土建条件的预留等。

以下以文献[2]中的气溶胶传播数学模型进行具体分析。

式中：C为新感染的人数，个；S为易感人群的数，个；I为已经感染的人数，个；q为感染者人均呼出的病毒数，个/(h·人)，肺结核取 1.45～249 个/(h·人)，麻疹取5480 个/(h·人)；p为人均呼吸空气量，m3/ (h·p)，取值0.3 m3/ (h·p)；t为暴露时间，h；Q为新鲜空气量或干净空气量，m3/ h。

S为易感人群，和病毒特性有关，比如新冠病毒，全体人都易感。q的取值也与病毒特性有关，而且与人的呼吸系统和免疫系统可能有很大关系，这个值为统计平均值，需要大量的样本数据才能确定，对于新冠病毒，q值目前还不能确定。Q值可以是室外新风也可以是经过过滤的干净回风，但是采用多少过滤级别的过滤器，与空气中活性的病毒气溶胶大小有关。

以下以肺结核传染病为例，计算办公建筑新感染者比例与病毒携带者比例以及新风量指标的关系，分四种模式进行计算分析。

模式1：在满足现设计规范规定的新风量指标情况下，计算新感染者比例与病毒携带者比例的关系。从表1 和图1 可以看出，随着病毒携带者比例的增加，新感染者比例会增加。当病毒携带者比例超过1%时，新感染者比例迅速增加。

图1 新感染者比例与病毒携带者比例的关系

表1 新感染者比例与病毒携带者比例的关系

模式2：病毒携带者比例按10%计算，当新风量指标按现设计指标10 的倍数增长的情况下，计算新感染者比例与病毒携带者比例的关系。从表 2 和图2 可以看出，随着新风量的增加，新感染者比例呈下降趋势。当新风量指标为原设计指标的20 倍时，新感染者比例迅速减少到 10%以下。也即新风量为呼吸空气量的2000 倍时，新感染者比例趋于稳定，那么这个人均新风量指标 600 m3/ h 是否可以作为工程上在疫情设计工况的新风量指标呢？则需要进一步的进行经济性的分析。

表2 新风量按10 的倍数增加的感染者比例计算

图2 新感染者比例与新风量的关系(按10 的倍数增长)

模式3：病毒携带者比例按10%计算，当新风量指标按现设计指标1 的倍数增长的情况下，计算新感染者比例与病毒携带者比例的关系。从表3 和图3 可以看出，当新风量指标为原设计指标的3 倍时，即相当于按50%新风比运行。当新风量指标为原设计指标的 6倍时，即相当于按 100%全新风运行。这两种工况下，新感染者比例还非常高。由此可以得出，按现有的空调系统，即使转换为全新风运行，病毒感染者的比例仍然很高。

表3 新风量按1 的倍数增加的感染者比例计算

图3 新感染者比例与新风量的关系(按1 的倍数增长)

模式 4：考虑加大新风运行，或者全新风运行，如果新风不进行冷热处理，室内温湿度不能满足要求，如果进行冷热处理，处理能耗过高。因此引入干净空气的概念，即通过过滤措施净化回风，来对室内的病毒气溶胶浓度进行稀释。以下计算新风量指标不变，通过增加送风量来降低感染者的比例。从表4 和图4 可以看出，当送风量为原来的3 倍时，感染者比例下降到10%以下。

图4 新感染者比例与送风量的关系(按1 的倍数增长)

表4 送风量按1 的倍数增加的感染者比例计算

3 应对疫情工况的暖通空调设计技术措施

3.1 室内温度和湿度参数研究

对温度和湿度参数的控制是暖通空调系统的基本功能，常规暖通系统的设计，室内环境温度和湿度的取值是从满足人的舒适性要求出发的。如果应对疫情，就要考虑如何才能达到病毒或细菌不适宜生存或存活的温湿度条件。

不同的病毒可能会有不同的温湿度不适应工况，所以疫情工况下温湿度参数的设定要联合微生物学专家共同研究。在暖通设计时，如果经济技术合理，可以预留一定的温度和相对湿度的冗余调节空间，以应对疫情工况。

3.2 蓄能技术的应用

蓄能技术包括水蓄冷，冰蓄冷和水蓄热，如果有峰谷电价差，技术经济性比较合理，建议尽量多地采用蓄能系统。从下图可以看出中国的可再生电力已经占到了总发电量的30%左右，风电和光电都是与天气条件密切相关的，目前我国存在大量弃风弃光的情况，就是因为末端需求与发电需求不匹配，因此从全国能源应用的大局和减少碳排放的角度，应该大力推广蓄能技术在暖通空调领域的应用。

图5 全国2017-2018 年的发电结构(来源于国家统计局，华经产业研究院整理)

蓄能技术还有一个最大的优势，就是将机组运行和负荷需求之间进行了解耦，使得系统的适应性更好，不受机组最小负荷调节的限制。同时蓄能系统储存的冷量或热量本身就可以作为冷热源系统的备用，有利于应对突发疫情工况时的额外冷热量需求。从而减少应对疫情工况的一次性主机配置，降低投资。

3.3 温湿度独立控制的设计理念

温度和湿度控制的解耦，不仅是空调系统节能设计的一个方向，也是应对空气传播疫情的一个设计理念。温度和湿度分别独立控制，即由室内的冷热盘管末端控制温度，新风系统控制湿度和承担通风换气的功能，在疫情设计工况，加大新风量运行。而风机盘管加新风系统，冷热辐射末端加新风系统是两种比较容易实现温湿度解耦的系统。

风机盘管可以设计为干工况运行，没有集水盘和冷凝水的排放，减少了细菌和病毒等微生物的滋生。冷热辐射末端，本身就要求干工况运行。这两种系统适合于人员密度不大，湿负荷相对较小的场合，比如办公建筑的办公室，医院建筑的病房、诊室、部分医技用房，酒店建筑的客房等。

温湿度独立控制空调系统要求新风系统具有很强的除湿能力。对于水系统的冷热源方案，即需要提供两种水温，较低的供水温度用于新风系统，而末端系统需要相对较高供水的温度。比如新风系统采用 5～6 ℃的供水，末端盘管采用16～18 ℃的供水。不同品质的水温分别加以利用可以更好的节约能耗，同时也有利于室内污染物浓度的控制。

辐射供冷供暖技术也属于温湿度独立控制空调的一种形式，从舒适角度讲，供暖系统要比空调热风要感觉舒适，主要原因是空调热风属于对流换热原理，而供暖系统，特别是辐射供暖系统主要以辐射形式进行换热，室内的围护结构及家具等的表面温度都会和室内温度比较接近，人体的感觉更加舒适。辐射空调还有一个的优点就是噪声小，会进一步增加舒适感。

从防控空气传播疫情角度讲，辐射供冷供暖技术因为没有回风，所以相对而言更加安全，新风系统在常规工况下满足人员最小新风量要求及夏季室内的除湿要求即可。在疫情工况下，新风系统可设计为加大新风量运行。

3.4 合理通风换气次数的研究

现行的设计规范，新风量标准是满足人员最小新风量的要求。新风的作用是什么，不同阶段有不同的认识。18～19 世纪，新风的目的在于控制室内人员呼出CO2的危害。19 世纪末，通风用来稀释室内空气中的微生物，减少疾病传播风险。20 世纪 30 年代，Yaglou C.P.的研究将新风的作用定义为满足室内的舒适，并将室内主要污染物定性为生物散发物，并将 CO2确定为生物散发物的指标。而且随着人们对室内空气品质要求不断提高，新风的作用已发展到颗粒物污染控制到化学污染控制，并提出分子污染的概念[3]。

对于呼吸道传播的病毒来讲，病毒一般是附着在室内的颗粒上在空气中存在，这个颗粒的尺度一般是气溶胶的尺度，通过气流的运动产生传播。而对于颗粒物的净化，阻隔式过滤器是目前为止较好的一种方式。但是，通风换气仍然是最有效的净化方法。美国ASHRAE62 标准也指出，不允许完全用空气净化器替代室外新鲜空气。

安全通风量的研究涉及不同的专业领域，病毒学，空气动力学和暖通专业。疫情设计工况通风量取多少详见第2 节的分析。因此应对空气传播疫情时空调系统加大新风量运行是可行的措施。在设计新风系统时，就需要考虑变新风量运行的可能性，新风百叶、新风管道和新风机的选择都需按疫情工况考虑，自控系统在疫情时要能自动转换工况。

3.5 变新风比设计研究

全空气系统分为定风量空调系统和变风量空调系统。定风量空调系统一般用于大堂、中庭、宴会厅、多功能厅、电影院、商业公共区域、体育馆、游泳馆、展览馆和博物馆的展厅等大空间。变风量空调系统在国内，主要应用于办公楼，其它场合较少应用。

国家的节能标准《公共建筑节能设计标准》GB50189-2015 规定，设计定风量全空气调节系统时，宜采用实现全新风运行，或可调新风比的措施，并宜设计相应的排风系统。上海市《公共建筑节能设计标准》DGJ08-107-2015 规定，除塔楼外的所有全空气系统的总新风比不小于50%。节能标准的规定是从节能角度出发考虑的，如果从控制空气传播的角度，加大新风比也是必要的。

核心筒型式的办公楼变风量系统，如果是通过新风竖井取风，很难实现变新风比运行。如果要加大新风比运行，在设计时需要考虑在当层取新风，提前和建筑师沟通好立面百叶如何设置。变风量系统变新风比设计，也可以实现在冬季或过度季节直接给内区新风供冷，节省能耗。其它大空间的定风量空调系统，相对容易实现变新风比或全新风运行，需在设计时注意设计好相对应的排风系统，并联动开启。

3.6 空气过滤技术的应用

根据各方面的研究，对于病毒气溶胶尺度的过滤，文献[4]指出，病毒是附着在颗粒上以气溶胶型式传播的，μ m 级或亚 μm 级的气溶胶可以通过阻隔式的高效过滤器过滤。

一般飞沫粒径约为 0.1～1000 μm，100 μm 以上的飞沫很快沉降。10～100 μm 的飞沫颗粒在空气中水分蒸发、与空气中颗粒物撞击接触转化为小粒径飞沫，而这些飞沫都有可能携带病毒。1～10 μm 的携带病毒的飞沫颗粒如果浓度达到了医学生的感染剂量限值，就称为气溶胶传播。因此虽然冠状病毒的粒径约为0.1 μm，但其附着的颗粒物粒径范围为 1～10 μm，最低设置亚高效过滤器就可以过滤。

另外一种过滤方式是电子式过滤器（紫外线灯、静电过滤器或光触媒过滤器）产生强氧化作用的臭氧杀灭空气中的微生物。文献[5]指出，在空调系统中不应安装臭氧、紫外线等消毒装置，因为这些措施可能不能立马把病菌杀死，反而可能造成“ 光复生”，使得病毒变异，传染性更强。WHO 的专家也是这个建议，因此对于即有建筑的全空气系统在应对突发疫情改造时需要慎重采用。

根据目前的研究成果，阻隔式过滤还是最有效的过滤方式，无论是对于洁净手术室还是微生物实验室，目前都是以采用此类方法为主。

常规普通的全空气系统，空气过滤器的等级一般为粗效+中效过滤器（静电或袋式）。如果增加亚高效过滤器，会增加系统阻力，其初阻力不大于 120 Pa，终阻力按 300 Pa 考虑。系统阻力增加，相应的系统风量将会减少，相应的空调箱的制冷制热能力也会同比例减少。

按原系统阻力的不同，增加过滤器后造成的风量减少的百分比也不同，具体计算见表 6，计算中新增加的亚高效过滤器的阻力按终阻力考虑。

表6 增设过滤器后对系统风量的影响

亚高效阻隔式过滤器具有较好的效果。但目前常规的空调系统，一般只设计粗效加中效的过滤手段。从表6 可以看出，常规的全空气空调系统，在空调箱内增设亚高效过滤器后，风量减少约 12%～15%，根据厂家提供的数据，冷热量减少约7.2%～9%。在设计时需要考虑在疫情工况下的变风量运行，或者也可以通过降低冷机供水温度增加制冷量的方法来实现。

如果维持常规空调工况不变，那么在疫情工况下，空调箱的制冷能力降低，在夏季工况会使得室内温度会增高。常规空调工况室内温度一般按 25 ℃设计，在疫情工况下，室内温度即使达到 28～30 ℃，因为人体的舒适性范围是比较宽泛的，所以造成的影响应不大。而且病毒一般在低温环境下的生存时间比高温环境下要长，因此适当提高室内温度有助于消灭病毒。空调箱的制热能力降低，冬季室内温度会低于原设计温度。但只要满足最低的防冻温度需要，应该是没问题的。

另外，在疫情期间，空调箱内增加亚高效过滤器是可行的。但是要定期更换亚高效过滤器，并妥善处理旧的过滤器，这个过滤器上可能会有病毒，在无法确认病毒是否仍具有活性的前提下，建议喷消毒水后再作为有害垃圾扔掉。更换过滤器的人员应该有专业的防护措施。