平疫結合的普通公共建筑暖通空調設計理念探討

張偉偉

華建集團華東都市建筑設計研究總院

0 引言

新冠病毒肺炎疫情已經施虐全球，4月 7 日全球總感染人數已超130 萬。這次疫情已經成為了全人類的挑戰，同一個地球村誰都不能獨善其身。中國在黨中央的堅強領導下取得了關鍵性的勝利，但是這次疫情值得反思的問題還有很多。

2020 年2月14 日習近平總書記主持召開中央全面深化改革委員會第十二次會議，強調了要完善重大疫情防控體制機制，健全國家公共衛生應急管理體系。公共建筑的空調通風系統是與衛生防疫息息相關的系統，特別是對空氣傳播或氣溶膠傳播的病毒疾病而言。雖然新冠病毒目前還未確認會通過氣溶膠空氣傳播。國家衛生健康委員會發布了《新型冠狀病毒肺炎診療方案（試行第六版）》中指出在相對封閉的環境中長時間暴露于高濃度氣溶膠的情況下存在氣溶膠傳播[1]。

但是對于暖通從業者，更應該關心的是以空氣傳播或者氣溶膠傳播為主的疫情，因為這是與空調通風系統息息相關的。筆者建議應該擱置爭議，共同探討建筑物如何應對將來可能出現的空氣傳播疫情。本文所探討的對象為非醫院建筑的普通公共建筑，筆者提出了在普通建筑的暖通設計中，應該考慮平時和疫情兩種工況，采用平疫結合的暖通空調設計理念。

1 平疫結合的設計理念概述

平疫結合，顧名思義是平時工況和疫情工況，就像人防設計一樣，為了考慮戰時的應急措施，在建筑設計中均需考慮人防設施的設計。面對將來可能突發的公共衛生事件或大規模暴發的疫情，作為人們工作和生活的建筑環境，也應考慮如何應對。暖通空調系統是建筑物的“呼吸系統”，人離開呼吸無法生存，同樣建筑離開“呼吸”，室內空氣品質將無法滿足人們的基本需求。

平疫結合的設計理念對于建筑設計來講需要整體通盤考慮，暖通空調的設計是其中重要的一個環節。平疫結合的設計不僅是個技術問題更是個經濟問題。對于一棟建筑物，究竟是多大面積，多少空間或樓層采用平疫結合的設計。對于暖通空調系統設計，是要對應建筑的這些區域考慮疫情工況，還是所有的系統考慮疫情工況？這些都是需要進一步研究的問題。

在此筆者僅提出初步的不成熟的想法，平疫結合的設計是否可以像人防設計一樣，在疫情暴發期間考慮兩種情況，即疫情工況一和疫情工況二，以下以辦公建筑和“方艙醫院建筑”為例進行分析。

疫情工況一指的是疫情初期和末期，還未大規模流行和疫情，這時人們還可以正常上班，此時的空調通風系統需要按可接受的感染率風險的工況運行。這種情況，整個辦公建筑物的空調通風系統都需按疫情工況設計。而“方艙醫院建筑”（如體育館、展覽館、會議中心等）因為在疫情期間未啟用之前，基本是關閉的，所以這類建筑不需要考慮第一種情況。

疫情工況二指的是疫情中期，大規模暴發，此時人們可能以居家辦公形式為主。辦公建筑可以不考慮這種情況的設計。但是可能被改造為“方艙醫院”的建筑則需考慮這種情況的設計，可以稱為“半傳染病醫院建筑設計工況”。此種工況要參照應急傳染病醫院的措施進行設計。

以上兩種疫情工況都需考慮經濟性問題，考慮業主在初投資上可以接受的程度，如果在疫情要轉換為方艙醫院，屬于公益事業，政府也應該拿出一部分補貼資金，支持疫情工況的設計。

2 稀釋通風量的定量分析

目前暖通行業關于降低室內病毒氣溶膠濃度的研究主要有兩種技術路線，一是稀釋通風，二是殺菌消毒。殺菌消毒特別是用化學物質的殺菌消毒，可能造成對人體的衍生危害，以及極有可能造成病的變異，從而更難控制。因此筆者認為稀釋通風可能是比較有效，安全和可行的技術路線。

故在疫情工況下，通風換氣次數取幾次合適，就成為了需要研究的基礎性問題。這個通風量的確定關系到暖通空調系統的整體設計，包括設備的選型，管道的設計和土建條件的預留等。

以下以文獻[2]中的氣溶膠傳播數學模型進行具體分析。

式中：C為新感染的人數，個；S為易感人群的數，個；I為已經感染的人數，個；q為感染者人均呼出的病毒數，個/(h·人)，肺結核取 1.45～249 個/(h·人)，麻疹取5480 個/(h·人)；p為人均呼吸空氣量，m3/ (h·p)，取值0.3 m3/ (h·p)；t為暴露時間，h；Q為新鮮空氣量或干凈空氣量，m3/ h。

S為易感人群，和病毒特性有關，比如新冠病毒，全體人都易感。q的取值也與病毒特性有關，而且與人的呼吸系統和免疫系統可能有很大關系，這個值為統計平均值，需要大量的樣本數據才能確定，對于新冠病毒，q值目前還不能確定。Q值可以是室外新風也可以是經過過濾的干凈回風，但是采用多少過濾級別的過濾器，與空氣中活性的病毒氣溶膠大小有關。

以下以肺結核傳染病為例，計算辦公建筑新感染者比例與病毒攜帶者比例以及新風量指標的關系，分四種模式進行計算分析。

模式1：在滿足現設計規范規定的新風量指標情況下，計算新感染者比例與病毒攜帶者比例的關系。從表1 和圖1 可以看出，隨著病毒攜帶者比例的增加，新感染者比例會增加。當病毒攜帶者比例超過1%時，新感染者比例迅速增加。

圖1 新感染者比例與病毒攜帶者比例的關系

表1 新感染者比例與病毒攜帶者比例的關系

模式2：病毒攜帶者比例按10%計算，當新風量指標按現設計指標10 的倍數增長的情況下，計算新感染者比例與病毒攜帶者比例的關系。從表 2 和圖2 可以看出，隨著新風量的增加，新感染者比例呈下降趨勢。當新風量指標為原設計指標的20 倍時，新感染者比例迅速減少到 10%以下。也即新風量為呼吸空氣量的2000 倍時，新感染者比例趨于穩定，那么這個人均新風量指標 600 m3/ h 是否可以作為工程上在疫情設計工況的新風量指標呢？則需要進一步的進行經濟性的分析。

表2 新風量按10 的倍數增加的感染者比例計算

圖2 新感染者比例與新風量的關系(按10 的倍數增長)

模式3：病毒攜帶者比例按10%計算，當新風量指標按現設計指標1 的倍數增長的情況下，計算新感染者比例與病毒攜帶者比例的關系。從表3 和圖3 可以看出，當新風量指標為原設計指標的3 倍時，即相當于按50%新風比運行。當新風量指標為原設計指標的 6倍時，即相當于按 100%全新風運行。這兩種工況下，新感染者比例還非常高。由此可以得出，按現有的空調系統，即使轉換為全新風運行，病毒感染者的比例仍然很高。

表3 新風量按1 的倍數增加的感染者比例計算

圖3 新感染者比例與新風量的關系(按1 的倍數增長)

模式 4：考慮加大新風運行，或者全新風運行，如果新風不進行冷熱處理，室內溫濕度不能滿足要求，如果進行冷熱處理，處理能耗過高。因此引入干凈空氣的概念，即通過過濾措施凈化回風，來對室內的病毒氣溶膠濃度進行稀釋。以下計算新風量指標不變，通過增加送風量來降低感染者的比例。從表4 和圖4 可以看出，當送風量為原來的3 倍時，感染者比例下降到10%以下。

圖4 新感染者比例與送風量的關系(按1 的倍數增長)

表4 送風量按1 的倍數增加的感染者比例計算

3 應對疫情工況的暖通空調設計技術措施

3.1 室內溫度和濕度參數研究

對溫度和濕度參數的控制是暖通空調系統的基本功能，常規暖通系統的設計，室內環境溫度和濕度的取值是從滿足人的舒適性要求出發的。如果應對疫情，就要考慮如何才能達到病毒或細菌不適宜生存或存活的溫濕度條件。

不同的病毒可能會有不同的溫濕度不適應工況，所以疫情工況下溫濕度參數的設定要聯合微生物學專家共同研究。在暖通設計時，如果經濟技術合理，可以預留一定的溫度和相對濕度的冗余調節空間，以應對疫情工況。

3.2 蓄能技術的應用

蓄能技術包括水蓄冷，冰蓄冷和水蓄熱，如果有峰谷電價差，技術經濟性比較合理，建議盡量多地采用蓄能系統。從下圖可以看出中國的可再生電力已經占到了總發電量的30%左右，風電和光電都是與天氣條件密切相關的，目前我國存在大量棄風棄光的情況，就是因為末端需求與發電需求不匹配，因此從全國能源應用的大局和減少碳排放的角度，應該大力推廣蓄能技術在暖通空調領域的應用。

圖5 全國2017-2018 年的發電結構(來源于國家統計局，華經產業研究院整理)

蓄能技術還有一個最大的優勢，就是將機組運行和負荷需求之間進行了解耦，使得系統的適應性更好，不受機組最小負荷調節的限制。同時蓄能系統儲存的冷量或熱量本身就可以作為冷熱源系統的備用，有利于應對突發疫情工況時的額外冷熱量需求。從而減少應對疫情工況的一次性主機配置，降低投資。

3.3 溫濕度獨立控制的設計理念

溫度和濕度控制的解耦，不僅是空調系統節能設計的一個方向，也是應對空氣傳播疫情的一個設計理念。溫度和濕度分別獨立控制，即由室內的冷熱盤管末端控制溫度，新風系統控制濕度和承擔通風換氣的功能，在疫情設計工況，加大新風量運行。而風機盤管加新風系統，冷熱輻射末端加新風系統是兩種比較容易實現溫濕度解耦的系統。

風機盤管可以設計為干工況運行，沒有集水盤和冷凝水的排放，減少了細菌和病毒等微生物的滋生。冷熱輻射末端，本身就要求干工況運行。這兩種系統適合于人員密度不大，濕負荷相對較小的場合，比如辦公建筑的辦公室，醫院建筑的病房、診室、部分醫技用房，酒店建筑的客房等。

溫濕度獨立控制空調系統要求新風系統具有很強的除濕能力。對于水系統的冷熱源方案，即需要提供兩種水溫，較低的供水溫度用于新風系統，而末端系統需要相對較高供水的溫度。比如新風系統采用 5～6 ℃的供水，末端盤管采用16～18 ℃的供水。不同品質的水溫分別加以利用可以更好的節約能耗，同時也有利于室內污染物濃度的控制。

輻射供冷供暖技術也屬于溫濕度獨立控制空調的一種形式，從舒適角度講，供暖系統要比空調熱風要感覺舒適，主要原因是空調熱風屬于對流換熱原理，而供暖系統，特別是輻射供暖系統主要以輻射形式進行換熱，室內的圍護結構及家具等的表面溫度都會和室內溫度比較接近，人體的感覺更加舒適。輻射空調還有一個的優點就是噪聲小，會進一步增加舒適感。

從防控空氣傳播疫情角度講，輻射供冷供暖技術因為沒有回風，所以相對而言更加安全，新風系統在常規工況下滿足人員最小新風量要求及夏季室內的除濕要求即可。在疫情工況下，新風系統可設計為加大新風量運行。

3.4 合理通風換氣次數的研究

現行的設計規范，新風量標準是滿足人員最小新風量的要求。新風的作用是什么，不同階段有不同的認識。18～19 世紀，新風的目的在于控制室內人員呼出CO2的危害。19 世紀末，通風用來稀釋室內空氣中的微生物，減少疾病傳播風險。20 世紀 30 年代，Yaglou C.P.的研究將新風的作用定義為滿足室內的舒適，并將室內主要污染物定性為生物散發物，并將 CO2確定為生物散發物的指標。而且隨著人們對室內空氣品質要求不斷提高，新風的作用已發展到顆粒物污染控制到化學污染控制，并提出分子污染的概念[3]。

對于呼吸道傳播的病毒來講，病毒一般是附著在室內的顆粒上在空氣中存在，這個顆粒的尺度一般是氣溶膠的尺度，通過氣流的運動產生傳播。而對于顆粒物的凈化，阻隔式過濾器是目前為止較好的一種方式。但是，通風換氣仍然是最有效的凈化方法。美國ASHRAE62 標準也指出，不允許完全用空氣凈化器替代室外新鮮空氣。

安全通風量的研究涉及不同的專業領域，病毒學，空氣動力學和暖通專業。疫情設計工況通風量取多少詳見第2 節的分析。因此應對空氣傳播疫情時空調系統加大新風量運行是可行的措施。在設計新風系統時，就需要考慮變新風量運行的可能性，新風百葉、新風管道和新風機的選擇都需按疫情工況考慮，自控系統在疫情時要能自動轉換工況。

3.5 變新風比設計研究

全空氣系統分為定風量空調系統和變風量空調系統。定風量空調系統一般用于大堂、中庭、宴會廳、多功能廳、電影院、商業公共區域、體育館、游泳館、展覽館和博物館的展廳等大空間。變風量空調系統在國內，主要應用于辦公樓，其它場合較少應用。

國家的節能標準《公共建筑節能設計標準》GB50189-2015 規定，設計定風量全空氣調節系統時，宜采用實現全新風運行，或可調新風比的措施，并宜設計相應的排風系統。上海市《公共建筑節能設計標準》DGJ08-107-2015 規定，除塔樓外的所有全空氣系統的總新風比不小于50%。節能標準的規定是從節能角度出發考慮的，如果從控制空氣傳播的角度，加大新風比也是必要的。

核心筒型式的辦公樓變風量系統，如果是通過新風豎井取風，很難實現變新風比運行。如果要加大新風比運行，在設計時需要考慮在當層取新風，提前和建筑師溝通好立面百葉如何設置。變風量系統變新風比設計，也可以實現在冬季或過度季節直接給內區新風供冷，節省能耗。其它大空間的定風量空調系統，相對容易實現變新風比或全新風運行，需在設計時注意設計好相對應的排風系統，并聯動開啟。

3.6 空氣過濾技術的應用

根據各方面的研究，對于病毒氣溶膠尺度的過濾，文獻[4]指出，病毒是附著在顆粒上以氣溶膠型式傳播的，μ m 級或亞 μm 級的氣溶膠可以通過阻隔式的高效過濾器過濾。

一般飛沫粒徑約為 0.1～1000 μm，100 μm 以上的飛沫很快沉降。10～100 μm 的飛沫顆粒在空氣中水分蒸發、與空氣中顆粒物撞擊接觸轉化為小粒徑飛沫，而這些飛沫都有可能攜帶病毒。1～10 μm 的攜帶病毒的飛沫顆粒如果濃度達到了醫學生的感染劑量限值，就稱為氣溶膠傳播。因此雖然冠狀病毒的粒徑約為0.1 μm，但其附著的顆粒物粒徑范圍為 1～10 μm，最低設置亞高效過濾器就可以過濾。

另外一種過濾方式是電子式過濾器（紫外線燈、靜電過濾器或光觸媒過濾器）產生強氧化作用的臭氧殺滅空氣中的微生物。文獻[5]指出，在空調系統中不應安裝臭氧、紫外線等消毒裝置，因為這些措施可能不能立馬把病菌殺死，反而可能造成“ 光復生”，使得病毒變異，傳染性更強。WHO 的專家也是這個建議，因此對于即有建筑的全空氣系統在應對突發疫情改造時需要慎重采用。

根據目前的研究成果，阻隔式過濾還是最有效的過濾方式，無論是對于潔凈手術室還是微生物實驗室，目前都是以采用此類方法為主。

常規普通的全空氣系統，空氣過濾器的等級一般為粗效+中效過濾器（靜電或袋式）。如果增加亞高效過濾器，會增加系統阻力，其初阻力不大于 120 Pa，終阻力按 300 Pa 考慮。系統阻力增加，相應的系統風量將會減少，相應的空調箱的制冷制熱能力也會同比例減少。

按原系統阻力的不同，增加過濾器后造成的風量減少的百分比也不同，具體計算見表 6，計算中新增加的亞高效過濾器的阻力按終阻力考慮。

表6 增設過濾器后對系統風量的影響

亞高效阻隔式過濾器具有較好的效果。但目前常規的空調系統，一般只設計粗效加中效的過濾手段。從表6 可以看出，常規的全空氣空調系統，在空調箱內增設亞高效過濾器后，風量減少約 12%～15%，根據廠家提供的數據，冷熱量減少約7.2%～9%。在設計時需要考慮在疫情工況下的變風量運行，或者也可以通過降低冷機供水溫度增加制冷量的方法來實現。

如果維持常規空調工況不變，那么在疫情工況下，空調箱的制冷能力降低，在夏季工況會使得室內溫度會增高。常規空調工況室內溫度一般按 25 ℃設計，在疫情工況下，室內溫度即使達到 28～30 ℃，因為人體的舒適性范圍是比較寬泛的，所以造成的影響應不大。而且病毒一般在低溫環境下的生存時間比高溫環境下要長，因此適當提高室內溫度有助于消滅病毒。空調箱的制熱能力降低，冬季室內溫度會低于原設計溫度。但只要滿足最低的防凍溫度需要，應該是沒問題的。

另外，在疫情期間，空調箱內增加亞高效過濾器是可行的。但是要定期更換亞高效過濾器，并妥善處理舊的過濾器，這個過濾器上可能會有病毒，在無法確認病毒是否仍具有活性的前提下，建議噴消毒水后再作為有害垃圾扔掉。更換過濾器的人員應該有專業的防護措施。

3.7 新風和排風系統型式研究

從控制空氣傳播疫情的角度或者應對疫情工況而言，新風系統和排風系統都建議設計為水平系統，盡量避免垂直系統設計。比如對于酒店建筑的客房和醫院建筑的病房新風和排風系統，一般是設計為垂直系統。這樣的系統應對疫情工況比較薄弱，容易造成上下層的污染傳播。水平系統則可以將污染控制在本層內。

但是對于水平系統，因增加了水平干管，需要與建筑結構專業核對凈高是否滿足要求。這個問題在前期方案階段就要解決。另外水平新風系統需每層設置新風機房，也需要方案階段就與建筑師溝通。排風系統每層設置水平干管，豎井內單獨立管至屋頂排放，屋頂風機分層設置，也有利于疫情工況下的分層通風系統控制。

3.8 冷凝水分區收集處理和排放

普通民用建筑（除醫院建筑）的空調冷凝水一般不會分區收集，更不會處理后再排放。在非典時期香港淘大花園發生了衛生間沖水引起的病毒氣溶膠或引入的微生物可能沿管道上下層傳播造成感染。

對于疫情工況，或者預留將來在疫情期間可能作為收留空氣傳染疾病病人的建筑的某些樓層，這些區域的空調冷凝水必須單獨收集，并經過處理達到《醫療機構水污染排放標準》GB18466 的標準后再進行排放。另外冷凝水水封需要保證有水，以抑制污染氣溶膠擴散。

因此建議空調冷凝水系統的設計盡量采用分層水平干管排放，盡量避免采用垂直系統。這樣的設計有利于疫情工況下的傳染控制。

4 總結

從以上分析可以得到以下初步結論：

1）為了應對突發的空氣傳播疫情，建議暖通空調系統的設計考慮平時和疫情兩種工況。對于疫情工況的考慮，根據疫情爆發的階段和建筑本身的特點又可分為兩種情況。

2）疫情工況的設計還要考慮經濟性的因素，需要對增加的成本進行進一步分析，才能確定實際工程中的可行性。

3）采用稀釋通風的方式是比較安全可靠和可行的降低感染者比例的一種措施。對于普通公共建筑而言，病毒攜帶者比例是個未知數，而且通風量還與病毒特性有關。在工程中需要確定一個經濟上合理的邊界條件，以確定疫情工況的通風換氣參數指標。

4）從控制能耗角度考慮，采用經過過濾的干凈空氣是可行的措施。通過分析得出當辦公建筑的送風量增加到超過現有送風量的3 倍時，對于肺結核病毒，新增感染者比例降低到病毒攜帶者比例之下。

5）分析了有利于疫情防控的八項暖通空調技術措施，建議在平疫結合的設計時采用。

情工況的設計還需進一步研究，特別是需要結合病毒學進行研究。本文僅是拋轉引玉，不對之處請同行批評指正。