船舶傳染病隔離艙空調系統設計的探討

張 揚 姜 威

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

船舶傳染病隔離艙空調系統設計的探討

張 揚 姜 威

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

介紹了船舶傳染病隔離負壓艙的空調系統設計的特點和思路，結合一典型傳染病艙模型進行空調系統設計，對艙內污染控制分區進行了分區設置，對換氣次數、負壓值、空調負荷、空氣處理等主要技術指標進行了計算和結果分析。結合艙內空調負荷介紹了通風換氣設備與節能措施，根據傳染病隔離負壓艙空調系統的特點選取了相應的熱回收裝置，并描述了其工作原理和特點。

船舶；傳染病隔離艙；空調系統設計；能耗；節能；熱回收裝置

1 引言

醫療救護船和一些大型特種船舶上的傳染病隔離艙主要用于治療呼吸道傳染病患者，其功用主要有兩點：一是利用負壓隔離病原微生物，同時將艙內被患者污染的空氣經特殊處理后排放，保證環境不受污染；二是通過通風換氣及合理的氣流組織，稀釋隔離艙內的病原微生物濃度，并使醫護人員處于有利的風向段，保證醫護人員安全。傳染隔離負壓艙空調設計有別于一般的常規空調設計，應對負壓值、負壓梯度值、負荷值、換氣次數、空氣處理等主要技術指標進行詳細的計算，同時應采用必要的節能措施減少能耗。為了說明傳染隔離負壓艙空調設計的特點，結合一典型艙室模型進行計算說明。

2 傳染隔離負壓艙二級三區的控制模式

該傳染病隔離艙有一級病床區、二級緩沖區和二級衛生間區三部分組成。與一般的傳染隔離負壓艙相比，一級病床區即相當于一般傳染艙的病房區，病人主要在隔離病床區活動。結構布局如圖1所示。其中緩沖區有與內通道接觸的一艙門，病床區有與緩沖區接觸的一艙門，衛生間有與緩沖區接觸的一艙門。

圖1 隔離艙布置圖

3 負壓及負壓梯度的確定

常規空調系統中，艙內始終處于壓力平衡狀態，但在有污染空氣的傳染病隔離艙中，需要保持負壓狀態。排氣量大于進氣量是形成艙室內負壓的先決條件，負壓值的大小也和艙室的密封程度密切相關，并且負壓值的選取也關系到空調系統的能耗。負壓梯度是指負壓隔離艙的病床區、衛生間和緩沖區具有有序的梯度壓差，以保證氣流從低污染區向高污染區的定向流動。緩沖區為低污染區，相對于病床區和衛生間應為正壓區；病床區為高污染區，相對于二者應為負壓區；而衛生間和病床區之間被緩沖區隔開，所以衛生間壓力應在兩者之間。根據相關規則［1，2］，選取病床區負壓為－30 Pa，緩沖區負壓為－15 Pa，衛生間負壓為－20 Pa。壓力關系為外界＞緩沖區＞病床區，且緩沖區＞衛生間。

4 換氣次數的確定

換氣次數（ACH）是指隔離艙的排風量除以艙室容積所得的值，即通過排風實現的可更換艙室內空氣量的次數。較大的換氣次數有利于降低艙室內的污染物濃度，試驗表明換氣次數達到10ACH后，換氣次數的增加對減少室內的污染物濃度所需的時間并沒有顯著的效果，如表1所示。換氣次數的增加將導致風速增加、能耗增加等一系列問題，所以根據相關經驗換氣次數選為12ACH較為合適［3］。

表1 換氣次數與除污時間關系

5 滲透風量的確定

為了維持艙室內始終處于某一壓力狀態，艙室內進出風需保持風量平衡，對于因保持負壓狀態的傳染病房，必然有風經過艙門的縫隙進入室內。滲透風量的大小可按縫隙法L＝1.1～1.2×（單位長度縫隙滲透風量）×（縫隙長度）來確定，為了保證負壓效果，至少應保持85 m3／h的滲透風量。由縫隙法可以看出滲透風量和壓差的保持在很大程度上依賴于隔離艙的密封程度。單位長度縫隙滲漏空氣量用公式計算是比較困難的，一般是通過不同型式的門、窗進行多次試驗的數據統計后得出的。表2是對國內陸上潔凈室的20多種常用的門、窗在實驗室進行了大量的試驗，取得的數據［4］。參考其中數據得到各區域壓差風量（m3/ h）。

表2 單位長度縫隙滲漏空氣量（m3/h）

5.1 緩沖區相對于內走廊、外界的壓差風量

緩沖區相對于外界的壓差為－15 Pa。非密閉門相對于通道的每米縫隙滲透風量為30 m3／h，滲透風量為345 m3／h。

5.2 病床區相對緩沖區的壓差風量

病床區相對于緩沖區的壓差為－15 Pa。非密閉門相對于緩沖區的每米縫隙滲透風量為30 m3／h，滲透風量為201.6 m3／h。

5.3 衛生間相對緩沖區的壓差風量

衛生間相對緩沖區的壓差為－5 Pa。非密閉門相對于緩沖區的每米縫隙滲透風量為17 m3／h，滲透風量為126.48 m3／h。

6 排風量的確定

由各區的滲透風量和新風量，根據風量平衡計算出各區的排風量，風量平衡如圖2所示，其中A為病床區、B為緩沖區、C為衛生間、D為內通道。

圖2 隔離艙風量平衡圖

1）病床區的排風量的確定

根據風量平衡可得：S2＋G2＝P2其中，S2為病床區新風量；G2為病床區滲透風量；P2為病床區排風量。排風量P2為241.6 m3／h，換氣次數為24 ACH。

2）衛生間的排風量的確定

根據風量平衡，進風量等于排風量，即衛生間滲透風G3＝排風P3，得衛生間排風P3＝126.48 m3／h。

3）緩沖區的排風量的確定

根據風量平衡可得：S1＋S2＋G1＝P1＋P2＋P3其中，S1為緩沖區新風量；S2為病床區新風量；G1為緩沖區門縫滲透風量；P1為緩沖區排風量；P2為病床區排風量；P3為衛生間排風量。得緩沖區排風量為168 m3／h。

7 室內空調負荷的確定

以某典型傳染病隔離艙為例，艙外狀態點參數按夏季干球溫度35℃，濕球溫度28.2℃；冬季干球溫度－5℃，相對濕度76%。夏季冷。負荷按艙內溫度為24℃，相對濕度為55%計算；冬季熱負荷按艙內溫度為22℃，相對濕度為45%計算。傳染病隔離艙的空調負荷的計算除了按常規計算外，由于隔離艙的滲透風的存在，對艙內的冷、熱和濕負荷產生影響，應根據滲透風量的大小加以考慮計算。艙內各區的空調負荷見表3所示。

8 傳染病負壓隔離艙的空調設備

為防止傳染病隔離艙與別的醫療艙產生交叉感染，傳染病隔離艙的空調通風系統應獨立設置。負壓隔離艙內被患者污染的空氣必須經過特殊的處理后才能排放到艙外，一般排風經過高效過濾器排到艙外。新風則應經過初、中效過濾器處理，減少附著在塵埃粒子上的病原微生物數量，有利于醫護人員的安全。病床區的空調系統應采用全新風形式，空調系統如圖3所示。緩沖區則采用獨立新風加風機盤管系統。為了保證傳染隔離負壓病房的風量，加上房間內嚴格的壓力要求，氣流控制手段顯得非常重要。目前，定風量裝置被廣泛采用。《醫院潔凈手術部建筑技術規范》也規定在送、回、新、排系統上采用定風量系統［5］。

表3 傳染隔離負壓病房各區負荷

圖3 病床區空調系統

9 通風換氣設備與節能措施

從隔離艙各區的冷熱負荷表2可以看出，采用把病床區單獨隔離起來的艙室布局比常規的布局要節能。經計算發現隨著艙內的病床區的增加，緩沖區的冷熱指標也將相應的成非線性的增加。造成傳染負壓隔離艙的能耗比一般艙室大的原因，主要是病床區采用全新風空氣系統，且為了保證安全，換氣次數也比一般的病房較大。為了減少能耗，可以采用以下節能措施。

9.1 增加艙室的密封性，采用帶高效過濾器的自循環系統，降低換氣次數

隔離艙的密封性對負壓的維持比較重要，密封性不好艙外滲透風量將增加，造成艙內負荷的增加；而較好的密封性，可以減少排風量從而減少風機的能耗等等。而且換氣次數的增加勢必要增加新風量，增加能耗，所以在滿足最低要求的情況下，應該盡量減少換氣次數。為了降低換氣次數，緩沖區亦可采用獨立新風加帶高效過濾器的干工況。風機盤管自循環系統（圖4）來減少新風量，但最小新風換氣次數應大于2 ACH。

圖4 病床區獨立新風加自循環風空調系統

9.2 采用相應的熱回收裝置

采用熱回收裝置是目前較成熟的一種節能措施，熱回收的裝置很多，有轉輪式熱回收機、板式熱回收機、熱管式熱回收機、熱泵式熱回收機等，其中又可分為全熱回收式和顯熱回收式，兩者由于換熱機理不同，適應的環境也不同。通常在新風濕負荷較大的大氣環境宜使用全熱交換裝置，對于溫差較大且新風排濕度差較小的大氣環境，采用顯熱回收裝置效果較好［6，7］。計算熱回收裝置的熱效率時，利用下面兩式：

其中，t1、h1為新風進熱交換器的溫度（℃）、焓值（kJ／kg）；t2、h2為新風出熱交換器的溫度 （℃）、焓值（kJ／kg）；t3、h3為排風進熱交換器的溫度（℃）、焓值（kJ／kg）。

負壓隔離艙在進、排風進行熱交換時，嚴格要求兩者不能直接接觸，應采用熱管熱回收裝置和熱泵熱回收裝置。在傳染病隔離艙的空調系統設計中，將經過過濾后排風和新風通過熱回收裝置作為媒介交換熱量，如圖5所示。同時，由于艦船上的設備艙室空間的要求，設備小型化也是選擇熱回收裝置的重要指標。

圖5 帶熱回收裝置的獨立新風自循環空調系統

1）熱管熱回收裝置

熱管是一種高效的傳熱元件，其導熱能力比金屬高出幾百倍，熱管還具有均溫特性好，熱流密度可調、傳熱方向可逆等，用它組成熱管換熱器不僅具有熱管固有的傳熱量大、溫差小、重量輕、體積小、熱響應迅速等特點。采用熱管回收裝置時，新風顯熱回收效率冬夏季按65%計算。根據室內外的狀態利用顯熱回收效率式計算得：

夏季：t2＝35℃、h2＝90.1 kJ／kg；

冬季：t2＝－18℃、h2＝－16.6 kJ／kg；采用熱管熱回收機的回收新風負荷值和比例如表4所示。

表4 采用熱管熱回收機的節能效果

2）熱泵熱回收機

熱回收式熱泵機組是以先進的設計理論為基礎，采用制冷效率高的半封閉式壓縮機和換熱效果好的銅管鋁片的翹片式換熱器。由于回收了排風中的能量而有效降低了空調機用于新風降熱降濕所消耗的能量。相對于普通的空氣源熱泵［8］，使用熱泵式熱回收機的優點是熱回收效率高，由于工況改善，機組的cop大大提高，在夏季工況下，熱泵的性能系數 （熱泵的傳遞的能量與輸入功的比值）都能達到3～4。熱回收式熱泵機無互串氣，安裝方便，使用簡單，各風管接管便利，適應溫差范圍大，不但大大降低了運行能耗，而且體積小，價格低，具有良好的設計適應性，維護方便的特點。圖5為冬（夏）季過程原理圖，實線表示冬季循環過程，虛線表示夏季循環過程。

圖5 熱泵熱回收機冬（夏）季過程原理圖

10 結語

傳染病隔離艙由于其對艦船上空調系統要求的單獨性、特殊性，空調設計方面應從氣流流向控制，氣壓控制，氣流組織分布，過濾器要求等方面認真考慮計算。同時，由于負壓隔離艙的空調冷熱負荷比一般的艙室大，在船上條件允許的情況下，采用相應的節能措施。相對陸地上醫院傳染病隔離病房的空調設備和技術已經比較成熟，船舶上的傳染病隔離艙的相關設備和技術還比較少，有待我們進一步去開展研究。

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Discussion on the Design of Air-conditioning System of Infectious Isolation Cabin in Ships

Zhang Yang Jiang Wei
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Through a special infectious isolation cabin model，the paper makes some analyses and cal鄄culations on the partition set－up，ACH，negative pressure value，air conditioning load and air treatment of infectious isolation cabin.In reference to air conditioning load and characteristics of air－condition sys鄄tem，the paper introduces venting and air change devices and energy saving measures.Besides，the op鄄eration principle and characteristics of the heat recovery device，which was selected according to charac鄄teristics of air－condition system，were also summarized.

ship；infectious isolation cabin；air－conditioning system design；energy consumption；en鄄ergy saving；heat recovery device

U664.5

A

1673－3185（2009）06－66－04

2008-09-26

張 揚（1980－），男，助理工程師。研究方向：船舶輔助系統。E鄄mail：zangyangnet＠126.com