基于2019 冠狀病毒（COVID-19）對嚴寒地區(qū)醫(yī)院HVAC系統(tǒng)的研究

張淑秘 周冠丞

吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院

0 引言

2019 冠狀病毒引發(fā)的肺炎感染肆虐我國，致使病毒高發(fā)地武漢實施封城措施，全國多地也相繼實施了嚴格的人員管控工作。美國、西班牙、意大利等地疫情大面積爆發(fā)，可見此次病疫相較于非典和SARS更加嚴峻。大型綜合醫(yī)院是患者及其陪同人員高度聚集的場所，因此醫(yī)院內空氣的潔凈程度將直接關乎患者的康復速度以及陪同人員的健康。未達標的醫(yī)院HVAC 系統(tǒng)不能良好的處理含有室內人員產塵、細菌及氣溶膠的空氣，將導致更多的醫(yī)患間傳染、患者間傳染及健康人員之間的傳染。良好的醫(yī)院室內空氣調節(jié)和除菌措施可有效降低病毒感染率和死亡率。

1 病毒的院內傳播

病毒的院內傳播主要分為間接感染（空氣感染）、直接噴濺，即：由口而入和由皮膚傳入的接觸感染。其中間接感染即空氣感染大部分以塵埃為病毒細菌載體，因人員的活動、醫(yī)院內空氣的流動及塵埃的飛揚，典型病例是天花病毒和猩紅熱。以飛沫為載體的直接噴濺感染主要為患者的噴嚏和咳嗽，以此方式傳染的典型疾病為SARS、結核病和流行性感冒。由口而入的接觸感染主要是由于食品及水源的污染，常見的疾病為消化道疾病。以接觸為途徑的皮膚傳入感染的主要病例為破傷風、性病及砂眼。

此次COVID-19的傳播途徑為氣溶膠傳播，所謂氣溶膠即氣體中穩(wěn)定分散懸浮的液態(tài)或固體小顆粒。氣體中的小顆粒粒徑越小，在空氣中懸浮的時間就越久，可見空氣為主要載體。新型冠狀病毒傳播按途徑分類見圖1。

圖1 2019冠狀病毒傳播途徑

據中國疾控中心研究表明，新型冠狀病毒對紫外線和熱敏感（56 ℃存活時間低于30 min），乙醚、75%乙醇、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可有效將病毒滅活。溫度越高，病毒越難存活，在室溫25 ℃左右，病毒很快會喪失傳染性，在春、冬季節(jié)，病毒在體外存活的時間會更長。同濟大學的許鵬[1]研究了溫濕度對2019 冠狀病毒存活的影響，見圖2。滿孝新[2]就COVID-19 在常見環(huán)境中的存活時間也給出了相應的參考值，見圖3。

研究結果表明，冠狀病毒在寒冷和干燥的空氣環(huán)境中存活時間更長，同時傳染率也更高。COVID-19 會在嚴寒地區(qū)生存更長時間，因此我國的嚴寒地區(qū)防疫工作將面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。此外，嚴寒地區(qū)的建筑窗墻比大多較我國其他地區(qū)小，且由于室外氣溫寒冷導致開窗換氣的次數少之又少，醫(yī)院建筑室內新風來源大多為機械通風，適宜病毒生存的室內外溫度以及不達標的HVAC系統(tǒng)將致使病毒對于嚴寒地區(qū)醫(yī)院室內環(huán)境產生更大的威脅。

圖2 溫濕度對2019冠狀病毒傳染率的影響

圖3 2019冠狀病毒在常見環(huán)境中的存活時間

2 應對病毒感染醫(yī)院內空調HVAC系統(tǒng)采取的措施

2.1 國內外應對病毒對醫(yī)院內傳播的現狀及發(fā)展趨勢

病毒在醫(yī)院內的交叉感染是醫(yī)學界以及暖通空調界的難題，相關學者運用調查、模擬、實驗和理論分析等方法研究病毒的院內傳染途徑，并且對于生物、化學和通風凈化等方法做了大量的實驗研究。

早在2003年，非典和SARS病疫給生物醫(yī)學界和空氣調節(jié)凈化領域敲了警鐘，使人們意識到了醫(yī)院是病源傳染的重災區(qū)，從空調系統(tǒng)運行方式的角度出發(fā)，江億[3]等提出對于設置集中制冷站，室內空間有風道連通的單位，很容易通過空調系統(tǒng)使各房間空氣進行相互摻混，某房間存在的污染源或病源很可能通過空調系統(tǒng)傳播到其他房間從而導致交叉感染，尤其是對于無窗的內區(qū)房間更容易出現此類問題。解決的主要方法是引入大量的室外空氣進入室內，通過換氣作用將含有病源體的室內空氣排至室外，若采用內部循環(huán)通風則會產生適得其反的效果，因此正確運行現有的空調系統(tǒng)至關重要。同時分析了全空氣系統(tǒng)、風機盤管加新風系統(tǒng)和各類窗機、柜機的運行模式，總結得出：保證是全新風方式或室內自循環(huán)的風機盤管方式，空調系統(tǒng)即可運行的結論。另外，需要注意新風的取風位置應避免與回風發(fā)生短路現象。

近期江億院士在2019 冠狀病毒傳播機理探討會[4]上分享了通過實驗和病毒傳播模型的研究得到相關結論：室外空氣是安全的，但室內空氣稀釋倍數在10 000 倍以上才是絕對安全的。從側面反映了室內達到這一數值，簡單的開窗行為是很難實現的，需要借助機械通風使室內空氣達到安全的稀釋倍數。假設在醫(yī)院環(huán)境中停留3 小時，當環(huán)境中有10%被感染者時，只有人均新風量達到36 m3/h時，病毒的感染概率將小于2% 安全數值。因此，要達到安全的稀釋倍數及感染概率，還應繼續(xù)加強醫(yī)院環(huán)境的通風措施。

趙延奉[5]等從潔凈空調在醫(yī)院中的應用及優(yōu)化角度，探討了潔凈空調冷水進水溫度高于設計值、過濾器不能及時更換且積塵嚴重導致送風阻力增大、污染嚴重等維護不當問題，造成了后期醫(yī)院HVAC 系統(tǒng)處理的空氣達不到設計值。因此，HVAC系統(tǒng)后期的運行維護也至關重要。

從醫(yī)院內空氣通風對氣溶膠的影響方向入手，澳大利亞的R.E.Stockwell[6]等系統(tǒng)地論述了不同病區(qū)生物氣溶膠的組成和與醫(yī)院不同通風系統(tǒng)的影響，在醫(yī)院的核心區(qū)域使用機械通風系統(tǒng)可使生物氣溶膠的濃度降到最低，帶有接力風機等通風增強功能的機械通風系統(tǒng)是改善醫(yī)院空氣質量控制感染的重要策略。

醫(yī)院的HVAC 系統(tǒng)對醫(yī)院空氣品質的控制主要體現在運行調節(jié)和過濾凈化方面，孟令坤[7]針對病房末端風機盤管加裝凈化過濾器對病房空氣凈化的效果進行了實驗對比研究，研究結果表明，在HVAC系統(tǒng)末端加裝過濾凈化裝置可有效降低PM 2.5和浮游菌的濃度。從空調過濾器及病毒最易滋生的環(huán)境角度出發(fā)，汪訓昌[8]等指出目前多數空調工程未經過過濾器選擇計算即安裝粗、中效過濾器，設計時缺少對空氣過濾的規(guī)定計算，僅由機組自帶的空氣過濾網進行過濾。這樣的空氣過濾要求與過濾器設計既無法抵御外來病菌的入侵，也不能有效防止建筑物內部病菌的交叉感染與擴散。此外，噴淋式冷卻塔是肺炎類病菌最易滋生繁殖的溫床與傳播工具，缺少對冷卻水水質的控制裝置，應通過計算投入適量的防結垢緩蝕殺菌滅藻的化學試劑的化學方法或者利用靜電、高壓極化離化和磁化等物理方法控制冷卻水的水質，防止病菌的滋生和傳播。盧昕怡[9]針對消毒對醫(yī)院空氣中細菌數量的影響做了相關的實驗研究，采用自然沉降法對門診區(qū)域進行空氣細菌總數的監(jiān)測，結果顯示，消毒手段可以有效阻斷細菌的傳播，說明消毒對于凈化醫(yī)院空氣效果是顯著的。從高效凈化醫(yī)院內空氣質量角度出發(fā)，楊成斌[10]等提出當前通風空調系統(tǒng)急需解決的問題是在呼吸道傳染病流行期間減少由于空氣污染造成的二次感染，在非呼吸道傳染病流行期間提升醫(yī)院內空氣質量及除味工作。指出當前常使用的幾種改善處理方法，例如高效過濾器、靜電除塵、光催化低溫等離子凈化等，通過比較分析，其中高能離子凈化對醫(yī)院空氣凈化較為有利，可利用此方法將污染物消滅在萌芽之中。對于醫(yī)院常用的消毒凈化技術，楊繪敏[11]等做了比較系統(tǒng)的整理與綜述，就靜電吸附、離子凈化、光觸媒等消毒凈化技術闡述了工作原理，并對各自適用環(huán)境以及優(yōu)缺點等做了詳細的對比說明，見表1。

通過對各主流凈化技術詳細的分析定性，可在醫(yī)院不同區(qū)域針對性地使用凈化技術，使凈化效果更佳，同時也降低能源消耗及運維成本。譚金煜[12]等人對比研究了過氧乙酸氣溶膠噴霧法與氣體熏蒸消毒法對醫(yī)院空氣消毒的效果，通過與對照組的對比實驗研究，發(fā)現采用兩種方法對醫(yī)院空氣消毒合格率都達到了100%。但是，由于氣體熏蒸消毒法費時費量且刺激性強，建議醫(yī)院多采用過氧乙酸氣溶膠噴霧法進行消毒。針對室外空氣污染對呼吸系統(tǒng)發(fā)病率的關系，陳真飛[13]等人研究了病房內空氣質量特征與醫(yī)院感染的關系并比較了其空氣凈化方式，得到了細菌數量與醫(yī)院感染發(fā)生率呈正相關的結論，指出細菌的數量對下呼吸道的感染率影響最大，根據需求選擇合理的凈化方式對降低感染率尤為重要。通過對文獻的研究分析，對于COVID-19 而言，可選擇靜電、離子以及光觸媒等凈化方法凈化空調系統(tǒng)的回風系統(tǒng)。

表1 各消毒凈化技術的優(yōu)缺點

2.2 針對當前疫情醫(yī)院內HVAC 系統(tǒng)的新研究與探討

雖然自二十一世紀開始醫(yī)院空氣質量問題開始愈受關注，但現階段對于類似COVID-19造成的這種特大疫情還是暴露出很多問題，醫(yī)院的HVAC系統(tǒng)仍無法高效的阻斷病毒在醫(yī)院內交叉感染，截至2020 年4 月21 日全國共有476 家醫(yī)療機構4 387例醫(yī)務人員感染冠狀病毒，就此情況，科研人員進行了應對COVID-19 類特大疫情醫(yī)院空氣調節(jié)新措施的研究。

自2020 年1 月30 日，清華大學建筑技術科學系劉荔副教授團隊[14]在某醫(yī)院不同區(qū)域部署了32套云端環(huán)境監(jiān)測設備，發(fā)現醫(yī)院現有公共就診空間存在環(huán)境承載力超負，重點區(qū)域新風供給不足等問題，醫(yī)院門診區(qū)域人員密度高達每平方米3人，遠超過規(guī)范的設計密度，導致按照規(guī)范設計的新風量遠不能滿足此時的新風需求，即便是新風系統(tǒng)全開，甚至所有可開啟外窗全開，室內仍可能超過國內外相關標準的推薦值。針對此情況，研究團隊提出具體的改進方案，該方案根據環(huán)境監(jiān)測情況，及時對每日接診患者進行分時限流，降低醫(yī)院內人員的病毒暴露風險，針對環(huán)境評估隱性高風險區(qū)增加局部凈化過濾器，優(yōu)化氣流組織形式，根據環(huán)境監(jiān)測情況針對部分隔離病房區(qū)域強化通風和管控措施，增加醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的人流智能監(jiān)測和環(huán)境污染預警等功能。綜合以上分析可見，在特大疫情爆發(fā)時，由于感染人數的激增使醫(yī)院對人員的限流工作變得更加困難，因此后續(xù)對新建醫(yī)院HVAC 系統(tǒng)的設計及運維研究還亟待進一步深化。

與此同時，國務院應對新型冠狀病毒肺炎疫情聯(lián)防聯(lián)控機制綜合組[15]也發(fā)布了空調通風系統(tǒng)運行管理指南，強調的諸多運行措施都圍繞如何將室外新風高效引入室內及杜絕回風使用等問題展開的說明。

清華大學生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點實驗室和西安建筑科技大學西部綠色建筑國家重點實驗室團隊[16]研究了冬季工況下熱分層環(huán)境人際間飛沫傳染問題，經過CFD模擬研究及百級潔凈室內進行的單分散氣溶膠顆粒物發(fā)生器實驗驗證，發(fā)現室內人員活動區(qū)域內的熱分層能夠顯著影響近距離內的飛沫傳染。如有效控制熱分層，例如將溫度梯度由 1.50 ℃/m 減少到 1.08 ℃/m，即可將相距1 m 內的兩個人中的易感者吸入5μm 飛沫的數量可降低80%以上。為此提出了寒冷季節(jié)時應優(yōu)先增加新風量，并在冷壁下布置加熱器降低貼壁流動，抑制人員活動區(qū)域內的熱分層現象,避免形成垂直溫度分層，稀釋人員所在區(qū)域的飛沫和飛沫核濃度，可有效降低交叉感染風險。

3 成果討論

除了部分赤道地區(qū)氣溫可能達到病毒的滅活溫度50 ℃以外，考慮到近期全球疫情的持續(xù)惡化以及COVID-19 自身的特性，COVID-19 并不會隨著室外氣溫的升高而消失。預計全球疫情將會持續(xù)1-2 年，結合文獻綜述的內容以及對《綜合醫(yī)院建筑設計規(guī)范GB51039-2014》等規(guī)范[17-21]的研究，大型綜合醫(yī)院的HVAC 系統(tǒng)還應加強平疫結合的思想及運行模式。即在疫情突然爆發(fā)時，基本不需要改造現有醫(yī)院的布局與設施，能在較短時間轉換成可以正常接診的疫情應急醫(yī)院，其要點是根據區(qū)域的劃分保證區(qū)域風量平衡，滿足分區(qū)間壓差控制要求。風道應按“平疫”兩種狀態(tài)計算風量最大者進行設置，空氣處理設備應按平/疫兩種狀態(tài)分別設置，通過密閉風閥實現轉換且設備不應安裝在疫情期間的污染區(qū)內。病房宜采用可回風運行與直流運行的全空氣系統(tǒng)，平時采用回風運行，疫情期間關閉回風,采用全直流空調運行模式。空氣機組宜采用獨立新風變風量系統(tǒng)，可以規(guī)避傳統(tǒng)變風量系統(tǒng)濕度、新風值被動跟隨的問題。由于目前對于醫(yī)院平/疫結合的設計運行還處在起步階段，后期還需通過實驗研究進行完善。

4 結論及展望

通過研究近年來國內外應對病毒院內傳播的現狀以及COVID-19的院內交叉感染情況可見，改變HVAC 系統(tǒng)的運行方式和末端參數的方法是最直接且見效最快的方法。就COVID-19 生存時間較國內其他地區(qū)相比都要長的嚴寒地區(qū)而言，局部高污染區(qū)域設置為負壓區(qū)并加大HVAC 系統(tǒng)的新風量和換氣次數采用全新風方式運行，可快速稀釋空氣中病毒的濃度，使其達到安全的稀釋倍數，與冷壁下方布置加熱器的方法聯(lián)用可以有效降低交叉感染風險。但此次疫情的病源及傳播途徑仍處在發(fā)現探索階段，利用傳統(tǒng)的手段防止交叉感染顯然不夠高效全面，同時在嚴寒地區(qū)舍棄回風的使用將造成大量的能源浪費，對于現有送回風管段加裝離子、靜電、光觸媒等對病毒和塵埃有不同側重的凈化過濾裝置，在滿足凈化要求的條件下提高醫(yī)院使用回風的安全性，但存在后期加裝難度大、初投資大、后期運維費用高等缺點難以在嚴寒地區(qū)大規(guī)模使用，因此嚴寒地區(qū)如何經濟、安全、高效地利用回風且大規(guī)模推廣使用，還需進一步實驗研究。同時，如何進行醫(yī)院平疫結合的設計思想，也將成為研究人員需要攻克的新目標。