某傳染病醫(yī)院平疫結合設計中通風系統(tǒng)的配置及運行分析

汪 順 李俊昆 楊亞博

（云南省設計院集團有限公司 昆明 650000）

0 引言

呼吸道傳染病醫(yī)院在疫情未發(fā)生時的使用率較低，經濟性較差，社會資源浪費；本次疫情發(fā)生時，利用普通醫(yī)院轉換成呼吸道傳染病醫(yī)院的項目，存在轉換難度大、轉換周期長、可靠性低等問題。而“平疫結合”傳染病醫(yī)院致力于解決此類問題，同時也給暖通專業(yè)提出新挑戰(zhàn)，“平疫結合”通風系統(tǒng)既需要在非疫情時適用于平時運行工況，也需要滿足疫情發(fā)生時轉換過程的應急響應以及轉換后的安全性和可靠性，同時還要兼顧其平時運行的合理性和經濟性[1]。

1 項目概況

本“平疫結合”傳染病醫(yī)院設計床位數100 床，建筑面積約為10000 平方米，為地上5 層建筑，其中1 層為門急診、醫(yī)技功能，2～4 層為標準住院護理單元，5 層為負壓手術室、ICU 及隔離病房，建筑高度：23.2 米。項目地處云南省滇東高原北部，氣候分區(qū)為溫和地區(qū)，月平均最高溫度為23.6℃，最低溫度為0.8℃，具有典型的溫帶氣候特點，根據相關規(guī)范及設計導則[11]要求，該項目通風系統(tǒng)可不經過熱濕處理，夏季充分利用低焓值室外空氣帶走室內余濕余熱，僅預留冬季新風預熱段，應對疫情時極端氣候條件下的運行工況。

2 設計要點

該項目通風系統(tǒng)室內設計參數如表1 所示。

表1 “平疫結合”傳染病醫(yī)院暖通設計參數Table 1 HVAC design parameters of"combination of normal time with emergency"infectious diseases hospital

為了使觀點論述、結果分析較為直觀，本文主要以標準住院護理單元（第三層）通風系統(tǒng)為研究對象，通過整理分析“平疫結合”通風系統(tǒng)計算數據，對平時作為非呼吸道傳染病病房使用，疫情轉換為呼吸道傳染病病房使用的“平疫轉化”設計思路、系統(tǒng)運行能耗分析及通風系統(tǒng)運行策略進行分析。

如圖1 所示為“三層通風平面圖”，按照建筑“三區(qū)兩通道”布置原則，該層共設置4 套機械新風系統(tǒng)，其中：GX-3-1 為半污染區(qū)新風系統(tǒng)，GX-3-2、GX-3-3 為污染區(qū)新風系統(tǒng)，GX-3-4 為清潔區(qū)無窗房間及衛(wèi)生通過區(qū)新風系統(tǒng)；設置3 套機械排風系統(tǒng)，其中，GP-3-1 為半污染區(qū)排風系統(tǒng)，GP-3-2、GP-3-3 為污染區(qū)排風系統(tǒng)。

圖1 三層通風平面圖Fig.1 Ventilation plan view of the third floor

為確保疫情時期通風系統(tǒng)風量平衡及受控區(qū)壓力梯度調試的可控性，同時兼顧作為平時非呼吸道傳染病醫(yī)院運營時通風系統(tǒng)運行控制的靈活性，本設計所有通風系統(tǒng)采用小系統(tǒng)通風類型，且保證各區(qū)域送、排風系統(tǒng)一一對應聯(lián)鎖方式，圖2 所示為第三層送風系統(tǒng)GX-3-3 及排風系統(tǒng)GP-3-3 流程圖，疫情狀態(tài)：送風系統(tǒng)經初、中、亞高效三級過濾處理后送入室內，排風系統(tǒng)經過高效過濾處理后高空排放至室外；平時狀態(tài)：送風系統(tǒng)經初、中二級過濾處理后送入室內，排風系統(tǒng)直接高空排放至室外。

圖2 送風系統(tǒng)GX-3-3、排風系統(tǒng)GP-3-3 流程圖Fig.2 Flow chart of air supply system GX-3-3 and exhaust system GP-3-3

為滿足疫情時期負壓病房壓力梯度要求，病房機械通風系統(tǒng)設計時采用“定送變排”方式，如圖3 所示為標準病房單元送、排風平面圖示，從圖中可以看出，各病房新風支管設置雙穩(wěn)態(tài)定風量閥，排風支管設置變風量閥，雙穩(wěn)態(tài)定風量閥可實現(xiàn)“平疫轉換”不同送風量的快速切換，而變風量閥可通過房間壓差傳感器反饋值，自動調整病房排風量恒定房間壓差，同時兩套閥門均具有密閉消殺工況下的遠程關斷功能，既能保證系統(tǒng)平時運行的安全穩(wěn)定、也能縮短轉換周期滿足“平疫結合”的應急響應時間。

圖3 標準護理單元送、排風平面圖Fig.3 Air supply and exhaust system plan view of standard nursing unit

3 運行分析

“平疫結合”設計要求中，通風系統(tǒng)應按疫情標準設計，主要通風設備、管道及配件均應滿足疫情工況下的配置要求，然而實際建成后的傳染病醫(yī)院通風系統(tǒng)必將長期在平時（非疫情）工況下運行，因此確保整個通風系統(tǒng)在平、疫不同工況下運行的穩(wěn)定性和節(jié)能性成為設計的重點、難點。

3.1 風機選型分析

風機性能曲線（P-Q曲線）可以用一個二次曲線來描述：

其中，P為風機壓頭或系統(tǒng)總阻力；Q為運行風量；A，B，C為與風機有關的常數。

設計采用風機變頻設計，風機變頻后性能曲線發(fā)生移動，由于風機結構不變，風機性能曲線的形狀不發(fā)生變化。變頻后風機的性能曲線變?yōu)椋?/p>

其中，ζ為變頻后頻率與變頻前頻率的比值。

以排風系統(tǒng)GP-3-3 管網特性曲線為例，通過對平、疫兩種狀態(tài)下系統(tǒng)管網特性曲線進行計算分析。得出如圖4 所示的平、疫兩種狀態(tài)下系統(tǒng)管網的特性曲線，從圖中可以看出，從平時狀態(tài)向疫情狀態(tài)轉換后，由于換氣次數不同，系統(tǒng)風量會增加，同時疫情狀態(tài)下增加的過濾段會導致管網阻力進一步變大，管網阻力特性曲線變陡峭。

圖4 風機在管網系統(tǒng)中變頻工作Fig.4 Variable frequency operation of fan in the pipe network system

結合上述公式計算結果，可得出排風系統(tǒng)GP-3-3 風機在“平疫轉換”后兩種狀態(tài)運行工作點如圖4 所示，通過結合兩種狀態(tài)下風機運行性能參數，如圖5、圖6 所示，從圖中可以看出，平時風機工作點處于低轉速運行，疫情風機工作點處于高轉速運行，通過調節(jié)轉速和功率完成系統(tǒng)“平疫轉化”要求。設計選用變頻風機分別在平、疫兩個工作狀態(tài)點運行時，由于局部房間的閥門動作或過濾器積塵均會導致了系統(tǒng)阻抗發(fā)生微小變化，由于變頻器的作用，風機工作狀態(tài)點可根據管網特性曲線的變化，自適應調節(jié)，滿足系統(tǒng)風量及壓力運行要求，確保不同運行狀態(tài)點下系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

圖5 平時風機運行性能參數Fig.5 Operation performance parameters of fan at normal times

圖6 疫情風機運行性能參數Fig.6 Operation performance parameters of fan at emergency times

3.2 通風系統(tǒng)運行能耗分析

按照上述原則進行風機選型后，結合風機性能參數，以標準層通風系統(tǒng)為例，對該層系統(tǒng)平時及疫情兩種狀態(tài)下進行系統(tǒng)風機用電功率及運行能耗進行粗略分析計算。具體計算結果如表2、表3所示，從表中可以看出，由于考慮“平疫轉換”結合設計后，兩種狀態(tài)下系統(tǒng)風量及系統(tǒng)壓力變化較大，導致送、排風風機運行功率變化也非常大。

表2 標準層送風系統(tǒng)運行參數及費用分析Table 2 Operation parameters and cost analysis of air supply system at the standard floor

表3 標準層排風系統(tǒng)運行參數及費用分析Table 3 Operation parameters and cost analysis of exhaust system at the standard floor

結合本項目各通風系統(tǒng)及風機性能參數，若按商業(yè)用電0.8 元/度計算，可得出標準層平、疫兩種狀態(tài)下風機全年運行費用估算，如圖7 所示為該層通風系統(tǒng)全年運行費用對比，可以看出平時送風系統(tǒng)與疫情狀態(tài)相比較，平時運行費用為疫情時期的43.8%左右，而平時排風系統(tǒng)與疫情狀態(tài)相比較，平時運行費用為疫情時期的19.0%左右。單從通風系統(tǒng)上就可以看出，若設計不考慮平、疫狀態(tài)不同設計參數要求，盲目的按照疫情標準設計，而忽略該系統(tǒng)大部分時間作為平時狀態(tài)使用，人為提高平時使用的標準，會大大提高醫(yī)院后期的運營費用，同時也造成資源浪費。

圖7 標準層風機全年運行費用估算對比Fig.7 Comparison of annual operation cost estimation of fan at the standard floor

4 結論建議

綜合上述分析，筆者認為“平疫結合”設計不能盲目的以滿足疫情需求為主，反而應該多考慮平時使用需求，兼顧向疫情轉化條件。

（1）在滿足疫情時期使用需求的前提下，設計應盡可能考慮平時使用需求，合理劃分設置通風系統(tǒng)，可實現(xiàn)平、疫轉化安全、節(jié)能運行，從而提高醫(yī)院平時運營效率。

（2）從項目選型分析可看出，風機平、疫時期運行工況點相差甚遠，在設計中應充分分析系統(tǒng)不同狀態(tài)下的實際情況，以什么狀態(tài)作為風機額定工況點，還需結合風機特性進一步深入分析，確保風機高效節(jié)能運行。

（3）平時作為非呼吸道傳染病房使用時，應充分考慮各醫(yī)療功能區(qū)域使用需求，盡可能按樓層及通風系統(tǒng)覆蓋區(qū)域合理規(guī)劃醫(yī)院各科室使用分布，減少通風系統(tǒng)低載或空載運行，節(jié)省運行費用。