獨立新風變風量系統在負壓隔離病房平疫轉換中的應用

華東建筑設計研究總院 陸瓊文

將普通診室、病房轉換為適應傳染病醫治要求的負壓診室、負壓病房，需要在建筑平面布局上通過設置衛生通過、緩沖間，實現清潔區、半污染區、污染區的物理分隔。并用盡可能簡單有效的轉換措施，使得空調系統的溫濕度、新排風量、潔凈度、壓力梯度、氣流組織滿足傳染病醫院的使用要求。同時兼顧平時運行模式下的空調系統的經濟性及舒適性。

1 病房的規范要求

病房平疫轉換空調系統，應滿足普通病房、負壓病房和負壓隔離病房的不同規范要求。筆者根據GB 51039—2014《綜合醫院建筑設計規范》[1]、GB 50849—2014《傳染病醫院建筑設計規范》[2]、《新冠肺炎應急救治設施負壓病區建筑技術導則(試行)》[3]、T/CECS 661—2020《新型冠狀病毒感染的肺炎傳染病應急醫療設施設計標準》[4]、DB 11/663—2009《負壓隔離病房建設配置基本要求》[5]、ASHRAE 170-2017 Ventilation of health care facilities[6]，梳理了不同的醫院設計規范對各類型病房的空調系統設計參數要求，包括室內溫濕度、換氣次數、新風量、壓力控制、氣流組織、過濾等級等。

1.1 室內溫濕度

表1給出了不同規范病房溫濕度設計參數。由表1可知，醫院設計規范規定的普通病房設計溫度、濕度取值范圍較為寬泛，負壓隔離病房的設計溫度、相對濕度取值范圍雖相對較小，但仍在普通病房設計溫濕度取值范圍內。因此，病房設計值建議取夏季溫度26 ℃、相對濕度60%，冬季溫度22 ℃、相對濕度40%，該溫濕度設計值可同時滿足普通病房、負壓病房、負壓隔離病房要求。

表1 不同規范病房溫濕度設計參數[1-3,6]

1.2 換氣次數及新風量要求

表2給出了不同規范的病房設計換氣次數及新風量。由表2可知：普通病房的房間換氣次數要求為6 h-1，新風換氣次數為2 h-1；非呼吸道傳染病房、呼吸道傳染病房的換氣次數未作明確要求，參照普通病房的要求不應低于6 h-1，相應的新風換氣次數分別為3 h-1和6 h-1；負壓隔離病房換氣次數可以按12 h-1取值。平疫轉換空調系統的送風量應能滿足6、12 h-12種工況，新風換氣次數應能滿足2、3、6 h-1和全新風4種工況。

表2 不同規范病房設計換氣次數及新風換氣次數[1-6]

1.3 壓力控制要求

表3給出了不同規范病房壓力設計要求。由表3可知，普通病房對壓差沒有明確要求。國家規范要求負壓隔離病房與相鄰房間的壓差值均為-5 Pa，GB 50849—2014《傳染病醫院建筑設計規范》中非呼吸道病房、呼吸道病房雖然沒有提出具體的壓差控制值，但均要求排風量比新風量大150 m3/h，一般情況下形成的壓差值也在-5 Pa左右。

表3 不同規范病房壓力設計要求

1.4 氣流組織要求

表4給出了不同規范病房氣流組織設計要求。由表4可知，普通病房的氣流組織規范沒有要求，一般采用上送上回(排)的氣流組織形式。在負壓隔離病房中，由于傳染病源的存在，清潔的氣流宜首先經過醫護人員所在的清潔區域，而后在病患周圍排出，送風口應布置在醫護人員滯留的區域頂部，回(排)風口布置在送風口相對下側，如病房床頭處(如圖1所示)。DB 11/663—2009《負壓隔離病房建設配置基本要求》推薦的風口布置、氣流組織方式可以有效地實現這一控制原則。在平疫轉換空調系統的設計中，可以考慮采用上送下回(排)的氣流組織形式。

表4 病房氣流組織設計要求

圖1 病房上送下回氣流組織設置平面示意圖(單位：mm)

1.5 過濾要求

表5給出了不同規范的病房過濾設計要求。由表5可知：1) 對于新風過濾設置，普通病房新風過濾采用粗效+中效+高中效過濾器可滿足規范要求，負壓隔離病房需提高過濾等級至粗效+中效+亞高效過濾器。2) 對于回風過濾設置，普通病房的回風可采用低阻中效過濾器，負壓隔離病房的回風可設置高效過濾器；普通病房送風無需設置過濾器，負壓隔離病房送風采用高中效過濾器；普通病房排風無過濾要求，負壓隔離病房排風采用高效過濾器。3) 送風口、回(排)風口過濾器均安裝在風口處，當需要轉換時可以通過更換過濾器得以實現。

平疫轉換空調系統對不同類型病房有不同過濾要求，可以通過更換過濾器得以實現。值得關注的是，不同類型的過濾器阻力有較大差異。特別是普通病房對于送、排風無過濾要求，空調機組和排風機的選型需要考慮該部分壓力值的變化，風機的性能曲線應相應地調整。

1.6 其他設計要求

除上述規范中明確規定的暖通設計要求外，還應注意以下設計點：

1) 每間負壓隔離病房的送、排風管上應設置電動密閉閥。

2) 排風口與進風口的水平距離不應小于20 m，當水平距離不足20 m時，排風口應高于進風口，高差不宜小于6 m；排風口應高于屋面不小于3 m，風口應設錐形風帽，排風高空排放。

3) 冷凝水應集中收集。

2 平疫轉換病房設計要求

表5 不同規范病房過濾設計要求

平疫轉換病房需要實現普通病房、負壓病房和負壓隔離病房之間的切換，其中負壓病房模式又可以細分為非呼吸道負壓病房和呼吸道負壓病房。平疫轉換病房設計參數可按表6取值。

表6 平疫轉換病房設計參數

3 獨立新風變風量系統DOAS-VAV

目前國內醫院設計中，診室、病房一般采用風機盤管+新風的末端空調形式。當平疫轉換時，可以通過增大新風量、排風量，加強新風、排風過濾要求等措施，實現平時診室、病房轉換為負壓診室、負壓病房的要求。近年來，部分高端醫院對標國外標準進行建設，全空氣空調系統也開始在醫療建筑設計中得以應用。全空氣系統較風機盤管+新風的空調形式，有更好的過濾能力和舒適性。特別是房間內不設置換熱末端，避免了病菌在凝結水盤滋生的隱患。ASHRAE 170-2017中也規定了負壓隔離病房等區域不得采用房間空調器作為末端。全空氣系統在造價、控制、機房面積和吊頂空間的需求上較風機盤管+新風系統有著更高的要求，適合高端醫院。本文針對采用全空氣系統的醫療建筑如何實現平疫轉換進行分析。

平疫轉換病房通常為單人間或雙人間，病房面積為30 m2左右。按換氣次數6 h-1計算，單間病房的送風量為500～600 m3/h左右。通常情況下空調機組的最小風量為1 500～2 000 m3/h，按單個房間設置系統很難找到合適的空調機組設備。通常情況下可以考慮4～6間病房合并設置系統，為了靈活控制各房間溫度，通常情況采用變風量系統。

普通的變風量(VAV)系統，空調機組定送風溫度運行，變風量末端根據室內負荷的變化作變風量調節運行以保證房間溫度。該空調系統以房間顯熱負荷為控制對象，由于送風溫度、含濕量的耦合關系，房間濕度不作主動控制。此外，由于所有房間的送風新風比一定，對于有不同新風量要求的房間，只能通過調整系統新風比得以實現。對于醫療建筑，房間溫度、濕度、新風量和壓力值均有要求，VAV的應對就顯得不夠靈活。

常規空調機組采用機器露點送風，送風溫度和濕度有耦合關系，不同熱濕比線的房間無法同時進行溫度和濕度的獨立控制。此外，一套空調送風系統的新風比固定，對于有不同新風比要求的房間，也難以實現靈活控制調節。因此，當實際工況偏離設計工況時，溫度、濕度、新風量無法分別獨立調整。所以為解耦送風溫度、濕度、新風比等參數，筆者提出了一種可獨立調整溫度、濕度、新風量3種參數，適合醫療建筑的全空氣空調系統——獨立新風變風量系統，見圖2。

圖2 獨立新風變風量系統

該系統由新風機組(PAU)+變風量空調機組(AHU)+排風機(EF)組成。

PAU由如下功能段組成：進風段+過濾段(粗效G3+中效F5+高中效F8過濾器，轉換為負壓隔離病房時更換為粗效G3+中效F5+亞高效F9過濾器)+加熱段+冷卻段+再熱段+加濕段+風機段。

AHU由如下功能段組成：進風段+混合段+過濾段(粗效G3+中效F5+高中效F8過濾器，轉換為負壓隔離病房時更換為粗效G3+中效F5+亞高效F9過濾器)+加熱段+冷卻段+再熱段+加濕段+風機段。

PAU定頻運行，變風量空調機組風機采用變頻控制，采用定靜壓控制或總風量控制。

送風變風量末端，根據房間設定溫度作風量調節；回風變風量末端隨送風變風量末端等值變化；新風變風量末端根據設定模式作風量調節；排風變風量末端根據房間壓差設定值作風量調節；排風管和回風管也可合并設置，變風量末端根據房間壓差設定值作風量調節。當病房門開啟造成房間壓差值變化時，排風變風量末端隨風量作動態調節。排風機采用變頻控制，采用定靜壓控制。

獨立新風變風量系統突破傳統變風量系統，一種送風參數組合應對多個房間顯熱負荷、濕負荷、新風換氣次數和壓力值的耦合關系，h-d圖見圖3。可以有效應對醫療建筑這類需要同時對溫度、濕度、壓力、換氣次數、新風量作控制的應用場景。

1) 普通病房和非呼吸道負壓病房模式。

夏季工況：新風經PAU冷水盤管冷凍除濕處理至狀態點L，經風機溫升至狀態點L′送入室內，狀態點L根據各房間最大濕負荷確定；回風經AHU冷水盤管等濕降溫后送入室內，狀態點N′根據各房間最小送風溫差確定，AHU通常情況下為干工況運行；當房間負荷變小、最小換氣次數小于規范允許值時提高送風溫度，以保證換氣量。

冬季工況：室外新風經冷水盤管等濕加熱至狀態點L，經等溫加濕后送入房間；回風經AHU熱水盤管等濕加熱后送入室內，狀態點N′根據各房間最大熱負荷確定。

2) 呼吸道傳染病房和負壓隔離病房模式。

在呼吸道傳染病房和負壓隔離病房模式下，系統轉為全新風直流模式。

夏季工況：新風經PAU冷水盤管冷凍除濕處理至狀態點L，經風機溫升至狀態點L′送入室內，狀態點L根據各房間最大濕負荷確定；新風經AHU冷水盤管處理至機器露點，再熱后送入室內，狀態點M′根據各房間最小送風溫差確定。

冬季工況：室外新風經熱水盤管等濕加熱至狀態點L，經等溫加濕后送入房間。

4 案例分析

以某病房為例進行分析，該病房為雙人病房，室內面積25 m2，室內高度3 m，普通病房為雙床間，見圖4。

圖4 案例病房示意圖

4.1 壓力值控制計算

房間漏風量L1按式(1)計算：

(1)

式中A為門的漏風面積，m2；Δp為壓差，Pa；n為經驗數值，一般取2。

以病房為控制對象，當Δp=5 Pa時，新排風量差值為230 m3/h。

4.2 負荷計算

按照室內溫度26 ℃、相對濕度60%進行負荷計算，該病房室內全熱負荷1 230 W，顯熱負荷970 W，濕負荷390 g/h。

4.3 不同病房類型的系統參數(見表7)及運行模式

表7 不同病房類型的系統參數

普通病房：PAU按非呼吸道傳染病房進行設計(新風量225 m3/h，換氣次數3 h-1)，平時工況新風管變風量末端控制至新風量150 m3/h、換氣次數2 h-1。AHU僅室內循環，負擔室內顯熱負荷。當室內負荷變化時，送風變風量末端變風量調節。變風量末端最小送風量根據房間換氣次數設定。當變風量末端節流至最小開度時，AHU不再變頻，切換為變送風溫度運行。房間壓力控制為微正壓，排風機關閉。

非呼吸道傳染病房：PAU定頻運行，新風承擔全部濕負荷。AHU僅室內循環，承擔室內顯熱負荷。當室內負荷變化時，送風變風量末端變風量調節。房間壓力控制為負壓，排風機根據室內外壓差值作變頻控制。

呼吸道傳染病房：新風已能承擔全部室內負荷，系統切換為全新風直流模式。PAU定頻運行，承擔全部室內濕負荷。AHU提供剩余新風量，定頻運行。送風處理至室內露點溫度，通過再熱控制室內溫度。房間壓力控制為負壓，排風機根據室內外壓差作變頻控制。

負壓隔離病房：全新風直流模式。PAU定頻運行，承擔全部室內濕負荷。AHU提供剩余新風量，定頻運行。送風處理至室內露點溫度，通過再熱控制室內溫度。房間壓力控制為負壓，排風機根據室內外壓差作變頻控制。

5 結論

1) 獨立新風變風量系統解決了傳統變風量系統多房間送風時濕度、新風量被動跟隨的問題。特別是醫療建筑對于新風換氣次數的要求嚴格，變風量系統只能通過調整系統新風比保證最小送風房間的新風量，獨立新風變風量系統可避免造成額外的新風負荷。

2) 獨立新風變風量系統在全新風直流模式下，只有經過AHU機組的新風需要再熱處理，且AHU送風參數較PAU高，減少了再熱損失，具有節能意義。對于全新風直流系統，有較大的冷熱抵消損失，可以采用冷源熱回收、U形熱管熱回收技術，減少部分再熱損失。