中南建筑设计院股份有限公司
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       【摘  要】为应对2019年末爆发的新型冠状病毒肺炎（COVID-19肺炎）疫情，全国部分地区陆续新建或改建了一批COVID-19肺炎临时应急医院。根据临时应急医院的特点，探讨了医院核心区域“负压隔离病房区”的环境控制方法，着重阐述了其压差控制措施及气流组织方法，并简要介绍了武汉市雷神山临时医院的工程案例及设计思路。

       【关键词】COVID-19肺炎  负压隔离病房  压差控制  气流组织 设计

0 引言

       2019年末冬春交替之际，新型冠状病毒肆虐神州大地，并导致严重的肺炎疫情。据统计，截至 2020 年 2 月 14 日，全国确诊病例达 63932例，疑似病例达10109例，死亡病例达1381例。大量感染病人对现有医疗系统造成了巨大压力。为紧急应对此次新冠病毒突发公共卫生事件，全国新建、改建了大量应急医疗设施工程。建设此类工程社会意义重大,时间紧、任务重，为满足相关应急医疗设施建设和使用需求, 保证工程建设质量，各地先后制定了相关设计标准及导则。根据武汉市政府部署，笔者团队承担了武汉市雷神山临时医院暖通设计及防疫研究工作。此类传染病医院的核心是切断传染染，保护及避免医护人员及病人不交叉感染，需要考虑的关键要素有2个：一是要合理布置医院的各功能分区及流线，实现三区两通道；另一个是控制好各区域的环境，其重点及难点是控制各区域的压力，实现有序的压力梯度。负压病房区涉及的环境因素有各空间相对压差，环境温湿度、空气洁净度、噪声、空气流速度等因素。本文系基于COVID-19肺炎疫情临时医院的设计措施及总结，这些措施及方法适用于其他呼吸类传染病医院的设计及建设。

图1 建设中的雷神山医院

1 负压隔离病房温湿度控制

       1.1 温湿度设计标准

       COVID-19肺炎病人体质较弱，且由于此类流行病大多发于寒冷的冬季，病房需有温度保证措施，合适的环境温度有利于病人身体恢复。参照规范，冬季室内设计温度宜为18~22℃，夏季室内设计温度宜为25~28℃，夏季相对湿度不大于60%。

       目前还没有确切的证据证明新冠病毒存活时间与环境湿度的密切关系，参考美国ASHRAE Standard 170-2017标准，临时医院负压隔离病房冬季湿度不作具体控制。

       1.2 空调通风系统设置原则

       隔离病房主要是控制以空气为传染媒介的传染性疾病，为了不使隔离室内的空气扩散到医院内的其他场所，阻止对其他区域的传染，必须维持隔离病房为负压。同时为了控制整个负压隔离病房区的空气定向流动，使洁净的空气从清洁区→潜在污染区→污染区有序流动，从而更有效地阻止污染空气扩散，负压隔离病房区应采用机械通风系统。清洁区、潜在污染区及污染区各自空气污染程度不同，为防止污染区域的空气通过通风管道对较清洁区域空气产生影响，清洁区、潜在污染区及污染区的机械送、排风系统及空调系统应按区域独立设置，杜绝污染空气通过通风系统流到清洁区的可能。

       负压隔离病房空调系统禁止采用带回风的全空气集中空调系统，宜设置直流式空调系统，考虑到应急使用及非流行病期间使用情况，国内相关规范及标准允许有限制条件地采用带循环风的空调机组，可在负压隔离病房内独立设置风机盘管机组或热泵式分体空调机组。此次应急临时医院考虑到货源及施工周期等因素，所有隔离病房均采用热泵式分体空调机组。并应遵循下列原则：

       1）宜采用独立热泵型分体空调或变制冷剂流量（VRF）空调,每个房间空调末端应能独立运行。

       2）应采用全新风直流式空调系统。

       3）直流式新风系统宜首选直喷式热泵型空气处理机组，当需求货源不能满足应急时间时，也可采用电加热器作为临时应急医院空气加热设备。

       4）若医院周边有成熟可靠的冷热源站、城市热力网时，可作为应急医院空调系统的冷热源。

       5）当采用电加热器时,应设置分档调节并采取无风断电保护措施。

       6）送排风系统不易设置过大，宜按4～6间隔离病房组成一个系统。

       7）空调冷凝水不应单独排至室外,应分区随各区污水、废水排放集中收集。

2 负压隔离病房区压差控制方法

       2.1 控制压差的目的

       此次新型冠状病毒的传播途径主要是经空气快速广泛地传播，属呼吸系统传染病显著特征，其非医学防控途径主要就是控制空气传播途径，切断空气传播链，物理分离及隔离传染病人。医院感染的预防与控制是指防止病原微生物从病人或携带者传播给其他人的措施，预防疾病在患者、医护人员及探视者之间传播。物理分离措施就是合理分区，临时医院同常规医院一样，必须有完整的医疗功能分区，俗称为“三区两通道”，主要功能分为隔离区及医护区，隔离区内设污染区及潜在污染区，医护区主要为清洁区。合理分区，采用病人通道及医护通道2种通道方式，病人与医护人员流线分开，通过这些物理分隔措施，可大幅减少空气传播及接触传播。但这些措施不足以完全切断医院内的传播途径，空调房间的气流受送排风、温度、室外风、门窗启闭、医护人员的通过等因素影响，如不加控制会无序流动，这样势必会引起交叉感染。空气隔离的措施就是在隔离区及医护区各区域控制合理的压差，采取有效的措施确保气流有序地定向流动，机械送、排风系统应使医院内空气压力从清洁区至半污染区至污染区依次降低，清洁区应为正压区，污染区应为负压区。采用压力梯度控制措施可有效避免污染区内带病毒的危险空气进入清洁区，减少及杜绝病毒的传播，控制气流流向是防止空气交叉污染的根本。因此控制压差的目的就是完全切断空气传播链。

       2.2 压差控制标准

       各区域压差控制是隔离病房设计的关键点，压差值过小不能有效组织污染区的空气向清洁区扩散；压差设置过大，会导致系统能耗升高，设备及管道增大，系统投资增加。规范明确规定了负压隔离病房与其相邻、相通的缓冲间、走廊压差，应保持不小于5Pa的负压差。标准给出了各区域压差示意图，中国标准要求相对洁净的空间与邻室有5Pa的压差，美国ASHRAE Standard 170-2017标准规定要求相对洁净的空间与邻室最小压差为2.5Pa。

       压差的建立与建筑物的气密性、送风量、排风量三者相关，相同缝隙下压差大的门窗处缝隙渗透风量大，同样，相同压差下门窗缝隙大的渗透风量亦大，上述2种情况对于负压病房则需要更多的排风，开口流量与压差的关系式为

       L= 3600μA(∆p/ρ) 1/2    （1）

       式中 L为泄漏风量，m³/h；μ为流量系数；A为缝隙面积，m²；∆p为缝隙两侧空间压差，Pa；ρ为空气密度，取1.2 kg/m³。

       工程中采用压差法计算门窗缝隙泄漏风量，简化计算式为

       L=0.827A·∆p1/2×1.25    （2）

       根据式（2）可计算出病房各门窗的泄漏风量，当一个负压隔离病房的送风量确定时，不同的负压值直接影响排风量。因病房与其比邻的缓冲间及卫生间都有空气渗透关系，病房需求排风量与压差的关系并不是式（1）（2）表示的函数关系。按雷神山医院一个隔离病房送风量500m³/h（12h^-1换气次数）计算，特定条件下房间负压值与需求的排风量关系见图2。

图2 隔离病房负压值与需求的排风量关系

       从图2趋势可以看出，病房负压与需求排风量近似为线性关系，较大的排风量不仅使投资增加、能耗增加，且使安装工程量增大，施工工期延长，更是不允许的，因此过大的压差控制不适合临时应急医院。美国CDC标准及ASHRAE Standard 170标准均要求相邻空间的最小压差为2.5Pa，根据国内现行规范，参考ASHRAE Standard 170标准，并结合临建医院气密性较差的特点，建议在临时应急医院中按图3确定负压病房区各部分的压力。

图3 隔离病房区域压力及气流流向示意图

       关于送、排风量的差值，规范要求污染区每个房间排风量大于送风量150m³/h, 美国CDC标准将送排风量的差值从过去的85m³/h提高到210m³/h，实际工程应用中应按需求压差计算送、排风量。

       2.3 压差控制措施

       当病房气密性确定后，控制压差的措施主要是要控制送、排风量，通风系统的一个重要任务是建立压力梯度，使空气从洁净区流向污染区。系统控制主要有2种方法：

       1）排风机变频控制。变频控制是控制风量有效的措施，控制逻辑是设定送风量不变，根据病房与缓冲室或走道的压差，控制排风机变频运行，调节病房排风量，此时需在送风支管上设置定风量阀。

       2）定风量控制。在送排风支管上均设置高精度定风量阀，定风量阀宜采用压力无关型，风量控制精度不得大于±10%，定风量阀可以较好地补偿高效及中效过滤器阻力变化引起的系统风量变化，其控制措施简洁有效。临时应急医院建设中没有足够时间配套BA系统，甚至分区域的DDC控制也可能没有时间实施。设计采用定风量控制方法更为实用，定风量控制的关键是要准确计算各区域送排风量，采用换气次数等经验估算法准确度低，仅可用于方案阶段，不应在工程实施阶段采用。

3 负压隔离病房气流组织分析

       3.1 病房区定向气流组织

       气流有组织地定向流动是传染病医院防止交叉感染主要的控制手段，传染病区应严格控制气流流向，空气在有效压力梯度驱动下，从清洁区流向污染区，绝不允许气流倒流，同时合理设置缓冲间作为安全屏障。图3给出了负压隔离病房区气流流向示意图，向缓冲间1送入定量洁净空气，形成10Pa以上的正压差，可有效阻止潜在污染区（医护走道）的气流流入清洁区；缓冲间2可阻止污染区的空气进入医护走道，缓冲间3~6阻止病房的污染空气进入医护走道。

       3.2 病房气流组织及风量平衡

       3.2.1 病房气流组织

       隔离病房的气流组织首先应防止送、排风气流短路，应避免病人的吹风感，同时送风口位置应使清洁空气首先流经房间中医务人员可能的工作区域，然后流过传染源进入排风口。图4，5是美国CDC标准及ASHRAE Standard 170标准推荐的负压隔离病房的2种气流组织形式，日本医疗福祉设备协会标准《医院空调设备的设计与管理指南》（HEAS022004）也采用了图4，5所示的气流组织形式。图4适用于正常免疫病传染病人，图5适用于易感染的传染病人。对于当下COVID-19肺炎临时医院，建议采用图4所示的气流组织形式，该方案复合定向气流原则，是ASHRAE Standard 170标准推荐的气流组织形式，也是雷神山医院的实施方案。实际工程中，取消了缓冲间排风管道，缓冲间靠走廊渗透风换气，可满足其6h^-1换气要求。

图4 负压隔离病房气流组织方案1

图5 负压隔离病房气流组织方案2

       关于送、排风口位置，规范要求“送风口应设置在房间上部。病房、诊室等污染区的排风口应设置在房间下部，房间排风口底部距地面不应小于100mm”“负压隔离病房的送风口与排风口布置应符合定向气流组织原则，送风口应设置在房间上部，排风口应设置在病床床头附近，应利于污染空气就近尽快排出”“送风口应设在医护人员常规站位的顶棚处，排风口应设在与送风口相对的床头下侧”。上述现行的规范及标准，主要是从定向气流的原则，使清洁的空气先流向医护人员相对洁净的区域，再从病人呼吸区排出，同时也旨在保护医护人员的安全。ASHRAE Standard 170标准对送风口位置未作明确规定，对排风口建议设置在头部上顶棚处或头部上墙壁处，没有明确要求排风口在床头下方设置。此次肺炎疫情发生在冬季，冬季空调热风上浮，如果下排风口紧靠病人床头的下部，污染浓度大的气体有可能在病人呼吸区域集聚，此处空气质量较差，病人长时间身处在该环境中，对病人的健康及快速恢复是不利的。因此，应从保护医护人员及保护病人2个方面权衡考虑，合理设置送排风口位置，如下排风口适当离病人一定距离（移向污物走廊侧），或在紧靠病人头部之上的墙壁处设上排风口，如图6所示的风口布置方式，此种气流组织方式占用空间相对较多，在临时应急医院可能难以实现，但建议在永久性医院建设中可综合考虑。

图6 负压隔离病房排风口设置方案

       3.2.2 隔离病房风量平衡

       隔离病房风量平衡是设计重要环节，图7为雷神山医院一间隔离病房的风量平衡示意图。图中SA表示送风，EA表示排风。

图7 负压隔离病房风量平衡示意图

4 负压隔离病房空气质量控制措施

       4.1 稀释措施

       降低污染空气中病毒的浓度是降低感染率的重要措施，在2003年SARS的抗疫过程中，国内专家学者研究认为，当含 SARS 的病毒空气被稀释到 10000 倍以上时，就不再具有传染性，说明当含有病毒的空气被稀释后，病毒浓度降低，其活性及毒性也降低。国家规范及标准均要求负压隔离病房新风换气次数不小于12 h^-1，按此标准，雷神山医院设计新风量500m³/h，每室2人，按每人0.3m³/h呼气量计算，1h后相当于空气有害物浓度被稀释至830倍。

       4.2 过滤措施

       2020年2月19日国家卫健委印发的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六版）》强调新冠病毒主要传播途径是经呼吸飞沫传播和密切接触传播。在相对封闭的环境中，长时间暴露于高浓度气溶胶情况下，存在经气溶胶传播的可能。飞沫粒径一般大于5μm，新冠病毒粒径约0.06～0.14μm，新冠病毒在空气中不是单独存在，而是依附在较大的颗粒中与空气一起形成气溶胶，二者形成的颗粒物远大于病毒自身粒径。空气中带菌最多的是4～20μm粒子，最易被呼吸道捕获的是1～5μm粒子。因此在负压隔离病房通风系统中采用高效过滤措施是截留冠状病毒有效的措施，国家规范及标准均要求在排风系统设置高效过滤器的措施。当采用H13级高效过滤器，其对0.3μm粒径的颗粒计数效率为99.99%，绝大部分病毒被高效过滤器截留，可再通过如紫外线消毒等方式消杀病毒。

       4.3 其他消毒措施

       《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第六版）》强调新冠病毒对紫外线和热敏感，56℃加热30分钟、乙醚、75%乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒。

       紫外线消毒杀菌的原理就是利用高能量的紫外光打断DNA双螺旋链，从而达到对细菌和病毒的灭活。紫外线实现有效杀菌消毒需要满足一定要求，应注意紫外线光源的波长、照射剂量和时间，对不同的细菌和病毒要满足一定的照射剂量和时间，否则不能灭活。紫外线消毒灯在电压为20V、环境相对湿度为60%温度为20℃时,辐射的253.7m紫外线强度(使用中的强度)应不低于70W/cm²。相比化学杀菌消毒，紫外线的优势是杀菌效率高，灭活时间短，而且不产生其它化学污染物。

5 案例分析

       5.1 主要设计技术措施

       武汉雷神山医院作为此次肺炎疫情新建的第一批临时应急医院，病床总床位数1500床，医院定位为收治重症病人，全部按负压隔离病房设计。隔离病房区为一层临时建筑。采用箱式板房构造，每个单元外形尺寸（长×宽×高）为3m×6m×2.6m，室内净高不足2.4m。

       雷神山医院建设规模大，时间急，单元式空气处理机组现货少，设计将能采购到的单元式空气处理机组都用在ICU、手术室等净化空调区域，负压隔离病房采用“分体空调+离心送风机+电加热”的配置方式确保室内环境温度。

       每个送、排风系统服务4～6间隔离病房，每个房间送排风支管上设有压力无关型定风量阀，通过控制送、排风量差来控制房间压力，系统小型化、控制简单化。

       负压隔离病房按12h^-1换气次数设计，病房内设置热泵型分体空调，新风采用“离心送风机+电加热”的临时应急方式。新风设粗效（G2）、中效（F7）、高效（H13）三级过滤保证送风洁净度，排风采用HEAP高效过滤（H13）。室内另配置紫外灯灭菌消毒。

       因层高限制，设计病房内无风管通过，送、回风同侧布置，高位侧送风，床头侧低位回风，回风末端配置高效过滤回风口。图8为雷神山医院工程现场图。

图8 雷神山医院工程现场图

       5.2 隔离病房气流组织模拟

       采用箱式房建造的应急隔离病房，由于室内净高仅为2.4m，在顶棚处安装管道及风口均会占用层高，影响病房的空间感，设计将送、排风口设置在靠近外廊的病房的同一侧，顶部侧送风，底部同侧下回风，与规范及标准给定的送风方案不完全一致，为验证气流组织合理性采用了2种不同的软件对病房内风速场及有害物质的浓度场进行了模拟，本文采用的是Airpak软件模拟的结果，送回风气流没有短路现象，病人区气流速度0.2～0.3m/s，各区域速度场及温度场满足舒适度要求。图9~11为模拟结果图，浓度场的模拟分析因篇幅有限另文描述。

图9 设计方案的速度流线

图10 Z=0.6m（平躺时头部的高度）的速度分布图

图11 Z=1.7m（站立时头部的高度）的速度分布图

6 结语

       2019年末暴发的COVID-19肺炎疫情来势猛、传播快、范围广，新型病毒时刻威胁着人类的健康，这次抗疫的经验教训说明了及时有效防控的重要性，也说明了当前传染病医疗设施建设的重要性，总结防控设施的设计及建设经验，对提高传染病医疗设施的可靠性，保障病人及医护人的生命安全，保护环境，都有着积极的意义。本文结合武汉雷神山医院的设计实践，从通风空调系统设计角度总结了新冠肺炎疫情临时应急医院负压病房区环境控制方法，并分析了临时应急医院与永久性的医院建设及设计上差别。主要结论及建议如下：

       1）压差控制是隔离病房区域关键控制要素，隔离病房与邻室的压差应不小于5Pa，考虑到应急医院建筑气密性差的特点，外区污染走廊存在大量外窗，可适当降低负压值，但不宜低于-2.5Pa，并应在缓冲间处加强空气隔断的辅助措施。

       2）应保证负压隔离病房区有序的压力梯度，气流应从“医护走廊→病房缓冲间→病房”的顺序有序流动。

       3）在建筑构造及密封性确定的情况下，设计压差的大小取决于排风量，过大的设计压差导致过大的排风系统，会带来投资、能耗增加，工程建设难道增大等不利因素，不利于应急工程快速建设。

       4）病房内的气流组织应从保护医护工作人员及保护病人两个方面合理确定。

       5）临时应急医院工期短，不宜在空调通风系统中设计复杂的自动控制系统，需用简单实用的方式达到使用要求。雷神山医院设计中采用定风量阀措施固定各区域送风量及排风量，简单有效地实现了各区域的压力梯度，满足了使用要求。

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