传染楼通风空调系统平疫结合设计实例参考

一、工程概况
本工程为某综合医院的公共卫生应急楼（以下简称传染楼）新建项目，项目位于陕西省汉中市，地上3层，建筑面积4926.5㎡，空调面积4455㎡，建筑高度13.2m。一层为消化道专科门诊、呼吸道专科门诊，设置DR、CT各一间、门诊手术室一间、负压隔离病房一间；二层为40床的消化科护理单元；三层为40床的呼吸科护理单元。在呼吸道传染病疫情时期消化科护理单元可转换为呼吸科护理单元使用，消化道专科门诊停用。在本项目医院建设整体规划中，传染楼属于前期建设的一个单体，在院内其他单体投入使用前，传染楼应能独立运行。
二、设计原则
1、避免交叉感染
传染病医院最基本和最重要的要求就是必须避免交叉感染。为此，建筑平面布置应分区设计，划分污染区、半污染区和清洁区，并明确洁污人流、物流通道。暖通专业要对建筑空间的气流流向进行控制，通过营造合理的压力梯度确保气流由清洁区至半污染区再至污染区有序流动，同时还要避免不洁空气在通风空调系统内部的扩散污染。此外，污染区的气流组织应使医护人员得到充分保护，清洁空气首先流过房间中医护人员可能的工作区域，然后流过污染源进入排风口，避免病人的飞沫在医护人员呼吸区乱流。
2、节能
传染病医疗用房的新风量与普通医疗用房存在明显差异。考虑到人员舒适、气味控制、稀释空气中细菌、病毒浓度等因素，《传染病医院建筑设计规范》（GB 50849-2014）明确非呼吸道传染病的门诊、医技用房及病房新风量最小换气次数为3次/h，呼吸道传染病的门诊、医技用房及病房、发热门诊新风量最小换气次数为6次/h。对于控制空气中致命性的病原体的负压隔离病房，由于目前空调机对回风的空气处理不能保证100%阻隔或杀死病菌，所以要求采用全新风直流式空调系统，换气次数为12次/h。相比综合医院普通医疗用房2次/h的新风量换气次数要求，传染病医疗用房数倍的新风量带来巨大能耗，因此必须重视节能设计。
3、平疫结合
非呼吸道传染病房平时新风量与突发呼吸道传染病疫情时要求的新风量相差一倍，为了控制气流流向，排风量也随之改变，在设计通风空调系统时要着重解决平疫不同时期风量不同的矛盾。面对可能突发的未知传染性疾病，由于病毒对人类、环境的影响尚不明确，应对排风采取必要的处理措施，在设计排风系统时应留有设置高效过滤器的条件。针对疫情传播速度快的特点，通风空调系统应能快速完成平疫转换，且疫时系统应便于维护。
三、通风空调系统设计
1、设计依据
设计主要依据的标准文件有《传染病医院建筑设计规范》（GB 50849-2014）、《医院负压隔离病房环境控制要求》（GB/T 35428-2017）、《综合医院“平疫结合"可转换病区建筑技术导则（试行）》（国卫办规划函〔2020〕663号）等。此外设计还应遵守《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）、《建筑设计防火规范（2018年版）》（GB 50016-2014）等相关标准。
2、设计参数
项目地点的室外空气计算参数为：夏季空调室外计算干球温度32.3℃；夏季空调室外计算湿球温度26℃；冬季空调室外计算干球温度-1.8℃；冬季空调室外计算相对湿度80%；夏季通风室外计算温度28.5℃；冬季通风室外计算温度2.4℃；夏季大气压力947.8hPa；冬季大气压力964.3hPa。

 
注：表中P表示正压5Pa，N表示负压-5Pa，NR表示不要求。
3、风系统
（1）避免交叉感染设计
从暖通专业的角度，传染病可分为呼吸道传染病和非呼吸道传染病。非呼吸道传染病的主要传播途径是手接触、消化道摄入等，呼吸道传染病的主要传播途径是吸入一定浓度的带病菌气溶胶。非呼吸道传染病控制感染的措施主要是物理隔离与洗消，而呼吸道传染病主要依赖于控制气流流向和稀释带病菌气溶胶浓度，因此呼吸道传染病区是风系统设计时重点考虑的对象。无论是呼吸道传染病还是非呼吸道传染病，为避免交叉感染，受保护的医护人员都不应与患者直接接触。这要求建筑平面应按污染区、半污染区、清洁区设计，清洁程度不同的分区之间设置更衣、缓冲等卫生通过，患者、医护人员分别在患者走道、医护走道通行。在建筑平面分区的前提下，新风、排风系统均按照污染区、半污染区、清洁区独立设置，不同楼层的污染区、半污染区的新风、排风系统也独立设置。由于理论上不同楼层的清洁区不存在交叉感染可能，各层新风量、排风量也较小，为方便设备选型和机房排布，本项目一至三层的清洁区新风、排风分别合用一个系统。
对呼吸道传染病区，通过营造合理的压力梯度来控制气流流向，清洁区相对半污染区为正压，半污染区相对污染区为正压。病房、诊室等污染区房间维持负压。压差大小取决于机械送、排风量的差值和空间密封性。根据3.2节的新风量设计参数容易得到各房间的机械送风量，污染区房间的机械排风量设计值根据维持房间负压5Pa的规则确定，清洁区的淋浴、卫生间等房间的机械排风量按照换气次数经验值估算。各分区的机械送、排风量设计值见表 2。表中二层消化科护理单元的风量按照呼吸道传染病疫情时期的风量设计。

  
为控制呼吸道传染病区各分区之间的气流流向，除设计合理的风量差外，各分区的机械送排风系统必须设计联锁：各区之间的风机启动先后顺序为污染区、半污染区、清洁区；清洁区先启动送风机，再启动排风机；半污染区、污染区先启动排风机，再启动送风机；关闭风机时，清洁区先关闭排风机，再关闭送风机；半污染区、污染区应先关闭送风机，再关闭排风机。呼吸道传染病区的污染区房间气流组织设计为上送侧下排，送风口采用散流器或百叶风口，下排风口采用自研圆筒形风口，其结构及安装示意见3.3.3节。一般呼吸道污染区房间设风机盘管承担其热湿负荷，负压隔离病房采用全新风直流式系统。普通呼吸道病房的风管平面布置图见图。
  

图中各项设备编号含义如下：YSV170-圆形散流器，设计风量170m³/h；XPV170-圆筒形下排风口，设计风量170m³/h；FD-动作温度为70℃的防火阀；RSV-CG-变风量控制阀，规格为200×200mm；MD-电动风阀，密封性满足规范要求；CAVC180/360-配开关型电动执行器的方型机械式定风量阀，能在风阀两侧压差为50-1000Pa的条件下保持180/360m³/h两态定风量，CAVC250/500同理。
对于呼吸道病房、负压隔离病房等需要保持负压的房间，本项目采用“定新风量、变排风量"的控制策略。具体措施为：在上述房间的送风支管上设置机械式定风量阀，排风支管上设变风量控制阀，病房与缓冲间的隔墙、缓冲间与医护走道的隔墙上设微压差计，在一层医生办公室、二/三层护士站分别设控制器，将微压差计的压差信号输入控制器后经运算输出控制信号调节变风量控制阀，达到保持房间负压的目的。
（2）节能设计
传染楼新风量大导致通风空调系统能耗大，考虑降低新风热湿处理能耗。注意到传染病区的污染区、半污染区排风为有组织的集中排风系统，它们在本层收集后统一于高出屋面3米处排放，此特点为回收排风中的冷热量创造了得天独厚的条件。本项目选用多台分体式冷凝排风热泵热回收空调机组用于回收排风中的冷热量，负压隔离病房采用全直流新风系统，原理图见下图，普通呼吸道病房采用风机盘管加独立新风系统，原理图见下图。
负压隔离病房通风空调系统原理图
  
图中各项设备编号含义如下：1-风口，2-电动风阀，3-分体式热泵热回收空调机组送风段，4-连接其他空调设备的水管，5-空调水管，6-分体式热泵热回收空调机组送风段与排风段间的冷媒管，7-风冷热泵，8-分体式热泵热回收空调机组排风段，9-手动风阀，10-变风量控制阀，11-排风管，12-亚高效过滤器送风口，13-设高效过滤器的圆筒形下排风口，14-直流无刷风机盘管，15-送风管，16-机械式定风量阀，17-微压差计。
呼吸道病房通风空调系统原理图
   

图中各项设备编号含义如下：1-连接其他病房的送风管，2-连接其他病房的排风管，3-圆筒形下排风口（预留高效过滤器安装空间），4-风机盘管，5-设双位电动执行器的机械式定风量阀，其他未注明的设备编号含义同负压隔离病房通风空调系统原理图。
如图所示，呼吸道病房的排风口通过排风管道连接屋顶的分体式热泵热回收空调机组排风段，分体式热泵热回收空调机组送风段通过送风管道连接新风口，排风段与送风段之间通过冷媒管道连接，排风段设备内包含压缩机、换热器、四通阀、膨胀阀等组件，送风段设备内包含换热器、膨胀阀等组件。病房排风通过排风口送入排风段中对冷媒进行换执，换热后的冷媒通过冷媒管送入送风段中对新风进行处理，处理后的新风通过新风口送入病房内，由此实现冷热量由排风到新风的转移。
选用热回收装置时送风状态是不容忽视的问题。在3.2节的设计参数条件下，对本项目所选用的6ERM-AE(0500)型排风段和6EIV-D(0500)型送风段组成的热泵系统进行模拟计算得知，当送排风比为1时，夏季送风状态为干球温度18.2℃，湿球温度17.8℃，冬季送风状态为干球温度28.7℃，湿球温度12.7℃。将送风状态点绘制在焓湿图上可知夏季送风状态点的比焓52.6kJ/kg小于室内设计状态比焓57.8kJ/kg，冬季送风状态点的比焓37.3kJ/kg大于室内设计状态比焓32 kJ/kg，呼吸道病房的风机盘管仅需承担部分房间冷热负荷即可达到室内设计状态。
对于采用全新风直流式系统的负压隔离病房，根据夏季送风状态和房间热湿比在焓湿图上分析易知，经热泵热回收系统处理后的送风承担全部室外新风冷负荷和室内冷负荷的能力不足。为解决此问题，如图 2所示，负压隔离病房的送风管连接直流无刷风机盘管，送风经过风冷热泵提供的空调冷水间接二次降温减湿后再送入室内，送风温度可由盘管上的模拟量电动调节阀及控制器调节。
本项目选用两台风冷热泵置于屋面作为空调设备冷热源，相关参数见下表。
  
（3）平疫结合设计
建筑专业在设计平面布局时可按平时使用需求考虑，但应符合医患分离、洁污分区的设计理念，疫情时通过改造隔墙、门窗、增设卫生通过等措施实现“三区两通道"物理空间分隔。设计层高时考虑各专业的工艺要求，本项目设计层高为一层4.8m，二、三层4.2m，屋面机房3.9m。
为解决通风空调系统平、疫风量不同的矛盾，避免平、疫两套系统共存，使用下列技术措施：
1）非呼吸道病房通风空调风管、设备均按照呼吸科护理单元的要求设计布置。
2）非呼吸道病房、呼吸道病房的新排风设备按照两台设计，且采用变频控制技术，方便通过改变运行设备台数、变频调节系统风量。
3）非呼吸道病房、呼吸道病房的送风支管上设置机械式定风量阀，阀上设开关型电动执行器，可在平、疫不同送风量之间转换。
4）非呼吸道病房、呼吸道病房、呼吸道门诊的污染区、半污染区的送风管段预留亚高效过滤箱，平时抽掉过滤器，疫情时再装。
5）非呼吸道病房、呼吸道病房的排风立管采用圆筒形排风口，预留安装高效过滤器的条件。
6）非呼吸道病房在呼吸道传染病疫情期的新排风量增大，且增设亚高效过滤器、高效过滤器，导致新排风机运行功率增大，电气专业设计供配电系统时按照疫时设备电量考虑。
考虑突发疫情时快速安装高效过滤器的可实施性及维护操作的方便性，降低使用成本，本项目采用自研的可装高效过滤器的圆筒形排风口，其结构和安装示意图见下图 。
圆筒形排风口结构示意图

   

圆筒形排风口安装示意图
   
（4）其它系统
除了前述送排风系统，防排烟系统、空调冷热水系统、空调冷凝水系统、冷热源系统等同样重要，但不作为本文重点，不再赘述。值得注意的是，非呼吸道病房、呼吸道病房、呼吸道门诊的空调冷凝水应分区集中收集并随生活污水排放消毒处理，非呼吸道病房及门诊的空调冷凝水也要消毒处理后排放。
四、总结
本项目使用分区设置系统、控制气流流向、采用上送侧下排气流组织等方法避免了因不合理的通风空调系统引起的交叉感染。节能方面，除了使用风冷热泵作为空调冷热源，还采用分体式热泵热回收空调将排风中的冷热量转移到送风中，大幅降低了送风热湿处理能耗，而且优化了排风和新风系统的布局。为了疫情来临时能快速转换，在一次建设时把空调、风管、阀门等设备按照疫情工况安装到位，预留过滤器安装条件，通过改变设备运行台数、变频、使用两态定风量阀和变风量控制阀等措施实现平疫转换。