暖通戰(zhàn)“疫” | 解析雷神山醫(yī)院通風空調設計

“武漢第二所專門用于收治新型冠狀病毒肺炎患者的醫(yī)院——雷神山醫(yī)院火速建成的背后，凝聚著建筑師和工程師的智慧和力量。作為一所呼吸類臨時傳染病醫(yī)院，如何確保醫(yī)院內部的空調與通風設計為病人及醫(yī)護人員提供安全的、舒適的就醫(yī)及工作環(huán)境，如何避免因空氣流通造成的交叉感染，又如何在通風系統(tǒng)中,進行過濾、殺菌、凈化裝置的設置和選擇?暖通工程師需要考慮到方方面面。中南建筑設計院參與此次雷神山醫(yī)院設計的暖通工程師就為你解讀這所特殊時期、特殊條件下的傳染病醫(yī)院如何進行通風空調的設計。”

01

項目建設背景

Background

2020年跨年之際，一場突如其來的疫情從武漢波及全國，生命重于泰山，疫情防控牽動著每個人的心。抗擊疫情工作啟動以來，中南建筑設計院堅決貫徹落實黨中央及湖北省委、省政府，中南設計集團各項工作部署，第一時間由主要領導牽頭建立應急設計應對機制，以國企大院的使命和擔當，充分發(fā)揮設計專業(yè)優(yōu)勢，全力以赴參與抗擊疫情工作。疫情如火，刻不容緩，雷神山醫(yī)院中南院暖通設計團隊從1月24日晚接到任務，開始圖紙設計，到2月5日開始驗收，10天10夜與時間賽跑，毫不松懈。3天交付全部施工圖，全程在項目現(xiàn)場配合施工，突破常規(guī)，及時根據(jù)現(xiàn)場實際需要進行圖紙優(yōu)化，直至轉入使用運維配合服務階段。

02

項目概況

Introduction

雷神山醫(yī)院建設用地面積約 22萬m 2 ，總建筑面積約 7.9萬 m 2，整體規(guī)劃按照傳染病醫(yī)院標準設計，設計用于收治已確診的新型冠狀病毒感染肺炎患者的醫(yī)院。根據(jù)用地情況將東、西兩區(qū)分別規(guī)劃為隔離醫(yī)療區(qū)和醫(yī)護生活區(qū)，并配備有相關運維用房，病床總床位數(shù)建設目標為 1600床，可容納醫(yī)護人員約 2300人。

隔離醫(yī)療區(qū)總建筑面積為 52200 m 2，為新建一層臨時建筑，設有衛(wèi)生通過單元、病區(qū)護理單元、醫(yī)技單元、接診區(qū)。護理單元為集裝箱拼接式建筑，外形尺寸(長×寬×高)為3m×6m×2.6m，室內凈高2.4m;醫(yī)技區(qū)為鋼結構板房建筑，建筑高度4.5m。隔離醫(yī)療區(qū)北側設有污水處理站、微波消毒間、垃圾暫存庫、垃圾焚燒間、液氧站、正負壓站房等配套設施。

┃ 雷神山醫(yī)院 俯瞰效果圖

┃ 雷神山醫(yī)院 俯瞰實景圖

03

通風空調系統(tǒng)設計原則

Design Principles

空調設計參數(shù)

設計空調室外參數(shù)主要考慮疫情爆發(fā)期間的武漢冬季氣象條件并考慮預期氣候條件。參照國家相關規(guī)范，病房區(qū)、醫(yī)護區(qū)、醫(yī)技區(qū)主要房間冬季室內設計溫度為18~22℃，主要病人及醫(yī)護通道的設計溫度不低于18℃。

空調通風系統(tǒng)

為避免交叉感染，病房區(qū)、醫(yī)護區(qū)、醫(yī)技區(qū)的主要房間均采用熱泵型分體空調。醫(yī)技區(qū)負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術室采用直膨式全空氣型凈化空調機組全新風運行，送風管道設有電加熱器。電加熱器設置分檔調節(jié)并采取無風斷電保護措施。

漂浮在空氣中或附著在灰塵顆粒上的病菌會附著在空調機組的盤管上，并隨冷凝水排出，這些病毒可能導致人員致病。因此空調的冷凝水不應單獨散排至室外，均分區(qū)集中收集，并應隨各區(qū)污水、廢水排放集中收集。

在通風空調設計中應致力于采用有序的壓力梯度控制措施，合理控制氣流流向，不同污染等級區(qū)域壓力梯度的設置應符合定向氣流組織原則，應保證氣流從清潔區(qū)→半污染區(qū)→污染區(qū)方向流動。醫(yī)護區(qū)相對傳染區(qū)為正壓，控制負壓隔離病房、負壓檢驗室室內負壓值，避免潔凈空氣與污染空氣的交叉， 減少相互感染概率，有效阻斷病毒傳播，保證醫(yī)護人員安全健康。負壓隔離病房最小換氣次數(shù)為12 h -1 ，污染區(qū)最小換氣次數(shù)為6 h -1 ，清潔區(qū)最小換氣次數(shù)為3 h -1 。

所有區(qū)域送風系統(tǒng)設粗、中、高三級過濾保證送風潔凈度，同時應采取有效的空氣凈化消毒措施，最大限度降低負壓隔離病房等污染區(qū)的排風對周圍環(huán)境的影響。送風過濾單元、排風高效過濾器前后設置壓差檢測、報警裝置，當壓差數(shù)值超過設定值時傳感器報警，相應進行設備更換。

設備與材料

結合當前應急臨時醫(yī)院建設時間短、要求高，部分設備材料供應不滿足建設工期要求的特點，因地制宜做好暖通空調的設計工作是我們重點考慮的問題。設計過程中團隊派專人與各大設備供應商對接，盡量選用成熟可靠、庫存量大、運輸快速、廠商捐贈的設備，節(jié)省產(chǎn)品的采購、調貨時間。同時方便施工單位快速安裝、調試簡單。選用的通風空調管道滿足建設周期要求，制作安裝簡單，氣密性好。通過上述措施，在保證系統(tǒng)運行可靠的前提下極大地縮短了施工周期。

04

病房區(qū)氣流組織與壓差控制措施

Control Measure

區(qū)域功能

病房區(qū)主要由安置病人的負壓隔離病房及其衛(wèi)生間、緩沖間、醫(yī)護人員通行的走廊等部分組成。

設計方案

負壓隔離病房區(qū)域采取壓差控制措施，保證氣流從半污染區(qū)→污染區(qū)方向流動，病房維持-10~-15Pa，相鄰房間維持不小于5Pa的壓力梯度。病房與醫(yī)護走廊的墻面上裝有顯示不同區(qū)域壓力差值的微壓差計，便于醫(yī)護和維護人員實時觀察房間壓力梯度與送排風系統(tǒng)運行是否正常。

污染區(qū)、半污染區(qū)分別設置獨立的送/排風系統(tǒng)，風機采用低噪音高效離心風機箱且一用一備，排風口至距地4.5m以上。設計將5~6間病房及其衛(wèi)生間合用一套送/排風系統(tǒng)，極大的方便了系統(tǒng)調試，同時有效保證了壓力梯度，風機風量的合理控制也避免了風機運行噪音和振動對病房人員的影響。病房區(qū)送/排風系統(tǒng)及氣流組織示意圖如下：

氣流組織模擬

為檢驗病房氣流組織設計效果，對病房的氣流組織進行了模擬論證。

模型描述：建立5.8m×3m×2.4m(長×寬×高)的病房空間，2張單人床尺寸為2m×0.9m，床頭柜尺寸為0.6m×0.6m×0.6m，分體空調室內機尺寸為1.0m×0.4m×0.32m(長×高×深)，房間采用上側送風下側排風的通風系統(tǒng)，2個送風口尺寸均為Ф150，排風口尺寸400mm×400mm，三維物理模型如圖所示：

┃ 三維物理模型示意圖

房間上部單個送風口送風量為250m 3 /h，總送風量為500m 3 /h，送風溫度為20℃，水平送風; 下部排風口排風量為700m 3 /h，水平排風。 分體空調風量為1000m 3 /h，送風溫度為30℃，斜向下45°出風。 內墻和外墻分別依據(jù)房間溫度和環(huán)境溫度采用等壁溫邊界條件，計算中不考慮輻射模型。通過模擬得到如下結果：

(1)病房速度場和溫度場

┃ Z=0.6m(病人平躺時頭部的高度)的速度矢量圖

┃ Z=0.6m(病人平躺時頭部的高度)的溫度場

病人平躺時，頭部處的速度為0.25~0.35m/s，溫度為19~22℃，滿足舒適度的要求。

┃ Z=1.7m(病人站立時頭部的高度)的速度矢量圖

┃ Z=1.7m(病人站立時頭部的高度)的溫度場

病人站立時，病房內主要活動區(qū)(除空調出風口處)頭部處的速度為0.3~0.5m/s，溫度為18~25℃。

(2)病房內氣流組織

┃ 病房內部速度跡線

通過模擬得到如圖所示的速度跡線，由圖可見，采用設計方案(上側送風下側排風)時床頭處于回流區(qū)，整個房間易形成良好的定向氣流，通風系統(tǒng)可以有效及時排除病房內污染氣體。

安裝與調試

負壓隔離病房及其緩沖間的送/排風口布置應符合定向氣流組織原則，防止送排風氣流短路。送風口應設置在房間靠近醫(yī)護入口上部的上側，送風需經(jīng)過粗、中、高三級過濾;排風口應設置在病房內靠近床頭的下部并設高效過濾器，利于污染空氣就近盡快排出且對周邊大氣環(huán)境不造成污染。

負壓隔離病房及衛(wèi)生間的送/排風管均由側墻接入室內，減小管道對室內吊頂高度的影響，避免屋面開設太多洞口增加漏水隱患，管道穿墻處做好相應的密封處理有效保證房間氣密性。醫(yī)護走廊及緩沖間的送風管由醫(yī)護走廊頂部進入后分別開設側送風口，既減小了管道對走道凈高的影響，同時避免管道穿越污染區(qū)，所有屋面洞口都做好相應的防水密封處理。

送/排風支管上均設置與設計風量匹配的定風量風閥，病房送/排風支管同時裝有可單獨關斷的電動密閉風閥。

經(jīng)過現(xiàn)場調試，各區(qū)域的壓差值均在設計范圍內，病房、緩沖間、醫(yī)護走廊之間可以形成有效的壓力梯度。

05

醫(yī)護區(qū)氣流組織與壓差控制措施

Control Measure

區(qū)域功能

醫(yī)護區(qū)由中央潔凈通道連通，每個醫(yī)護單元對應4個隔離病房單元。醫(yī)護單元可分為潔凈區(qū)(含中央潔凈通道及與其連通的潔凈房間)和潛在污染區(qū)(通向隔離病房區(qū)的走道及與其連通的房間)。

設計方案

醫(yī)護區(qū)相對傳染區(qū)為正壓，有效阻斷病毒傳播，保證醫(yī)護人員安全健康。通過合理的送/排風氣流組織，保證整個醫(yī)護單元為正壓區(qū)域，同時保證氣流從清潔區(qū)→潛在污染區(qū)流動。送/排風系統(tǒng)支管設置定風量閥，通過送/排風量精準控制相鄰房間不低于5Pa的壓力梯度。

醫(yī)護區(qū)的的潔凈區(qū)和潛在污染區(qū)分別設置相應的送/排風系統(tǒng)，風機采用低噪音高效離心風機箱。每個送風系統(tǒng)均設置粗、中、高三級過濾，保證送入醫(yī)護單元的空氣潔凈度，排風口至距地4.5m以上。醫(yī)護區(qū)送/排風系統(tǒng)及氣流組織示意如下圖：

安裝與調試

為了保證潔凈區(qū)正壓，除了按設計要求組織送排風，通過定風量風閥精準調控送排風風量外，還需注重房間密閉性。實際施工過程中，對維護結構間的縫隙、管線穿墻及樓板的縫隙都要做密封處理，不留死角。

06

醫(yī)技區(qū)氣流組織與壓差控制措

Control Measure

區(qū)域功能

隔離區(qū)醫(yī)技單元分為A，B，D三個區(qū)，A區(qū)包括28床的負壓ICU、負壓檢驗及其配套用房;B區(qū)包括負壓手術室、CT、超聲、心電及其配套用房;D區(qū)包括33床的負壓ICU及其配套用房。

方案設計

主要房間排風換氣次數(shù)：1、負壓檢驗/緩沖間13h -1 ;2、負壓手術室22h -1 ，走廊/輔房13h -1 ;3、負壓ICU/緩沖間/輔房13h -1 ;4、CT、超聲、心電及其配套用房8h -1 。通過送/排風量精準控制壓力梯度，各主要區(qū)域壓力梯度：1、負壓檢驗：-20 Pa，緩沖間：-10Pa;2、負壓手術室：-20Pa，復蘇室/消毒打包/前室：-15 Pa，走廊/存床/醫(yī)護前室/無菌間：-10Pa;3、負壓ICU：-20Pa，病人緩沖/污物/污洗/清洗槽/纖支鏡/脫防護服：-15Pa，脫隔離服/治療室/緩沖/設備間：-10Pa。

為方便快速安裝及調試，負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術室采用直膨式全空氣型凈化空調機組全新風運行，送風管道加裝電加熱器，送排風機均采用低噪音高效離心風機箱。由于極短的供貨周期造成直膨機供應商無法根據(jù)設計參與進行有針對性的生產(chǎn)，在設計過程中設計團隊與供應商密切對接，將現(xiàn)有的庫存產(chǎn)品參數(shù)與設計值進行對比并第一時間鎖定各地庫存設備，部分設備參數(shù)由于無法滿足設計要求廠家第一時間對設備部件進行改造。

送風系統(tǒng)均設置粗、中、高三級過濾，其中負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術室設高效過濾風口。所有區(qū)域排風經(jīng)高效過濾器處理后高空排放，負壓ICU、負壓手術室、治療室、復蘇室等房間設下排風口。以負壓ICU為例，其送/排風系統(tǒng)及氣流組織示意如下圖：

安裝與調試

經(jīng)過實際調試，各區(qū)域的溫度及壓差值均在設計范圍內，負壓ICU、負壓檢驗、負壓手術室等重要區(qū)域內各房間之間均能形成有效的壓力梯度。下圖為負壓檢驗室內溫度、換氣次數(shù)、壓力梯度等參數(shù)的自檢報告。

檢驗科自檢報告

07

醫(yī)用氣體系統(tǒng)設計原則

Design Principles

設計方案

醫(yī)院設置氧氣、負壓吸引、壓縮空氣等醫(yī)用氣體，管網(wǎng)系統(tǒng)由管道、設備帶、儀表、閥門及終端等組成。病房氧氣終端用量按40～80l/(min·床)，終端壓力按0.4～0.45MPa確定;負壓吸引終端用量按30～80l/(min·床)，終端壓力按-0.03～-0.07MPa確定;壓縮空氣終端用量按15～25l/(min·床)，終端壓力按0.4～0.45MPa確定。

氧氣氣源采用液氧罐，并預留罐車臨時供氧的接口。需根據(jù)應急臨時傳染病醫(yī)院的使用要求，充分考慮氧氣用量。共設6個20m3液態(tài)氧儲罐，液氧總儲量120 m3;每個儲罐配置1200 m3/h的汽化器，總汽化量7200 m3/h，保證醫(yī)院整體氧氣供應量。

負壓系統(tǒng)由真空泵、水汽分離器、負壓真空罐、儀表及管道閥門組成，負壓吸引裝置的排氣經(jīng)過高效過濾器過濾并消毒滅菌后排出。壓縮空氣系統(tǒng)由壓縮空氣設備源與壓縮空氣管網(wǎng)系統(tǒng)組成，配置的螺桿式壓縮空氣組二用一備。

室外管網(wǎng)布置

氧氣、負壓吸引、壓縮空氣主管道由機房接出后埋地進入隔離病區(qū)內。隔離病區(qū)內醫(yī)用氣體主管主要鋪設于醫(yī)護區(qū)屋面，各病區(qū)分支管穿越各自屋面后進入相應區(qū)域內。南北區(qū)各分別設置一根DN150的氧氣總管及DN80負壓吸引總管，各區(qū)氧氣總管間設有旁通管，接入各護理單元的醫(yī)用氣體分支管上設有閥門。既可保證不同區(qū)域分批使用互不干擾，同時管道間互為備用有效提高供氧系統(tǒng)可靠性。總圖醫(yī)用氣體管道示意圖如下：

安裝與調試

目前各用氣區(qū)域已經(jīng)陸續(xù)通氣，氧氣輸送管道壓力平穩(wěn)，輸送量較為穩(wěn)定。液氧貯罐及汽化器根據(jù)實際使用量分批投入使用，可有效保證氧氣供應量。

08

負壓隔離病房廢氣排放

對環(huán)境的影響模擬分析

Analysis

模擬方案

在設計過程中為充分評估污染區(qū)廢氣排放是否對項目周圍環(huán)境造成影響，設計過程中得到清華大學陸新征教授及團隊的大力支持。陸新征教授及團隊提出了臨時醫(yī)院排風環(huán)境影響的快速模擬方法。本方法以開源流體力學計算軟件FDS為基礎，實現(xiàn)了臨時醫(yī)院建筑的快速建模。基于云計算平臺的分布式計算以及有害空氣流動的監(jiān)測和可視化，為臨時醫(yī)院設計階段的快速分析提供了專門工具。

┃ 有害氣體軌跡及濃度等值面圖

┃ 雷神山醫(yī)院三維FDS模型

主要結論及對設計的指導

1. 根據(jù)江億等研究，對于SARS病毒，稀釋1萬倍后不再具備傳播性。模擬結果證明4.5m排風口高程可以滿足要求新風口空氣稀釋1萬倍的要求。

2. 將排風口高程提高到4.5m后，可有效降低新風口高程面(3m)污染空氣相對濃度。

3. 為確保負壓隔離病房區(qū)域醫(yī)護人員的健康安全及保護室外環(huán)境，本項目送風系統(tǒng)采用粗效(G2)+中效(F7)+高效(H13)三級過濾，排風系統(tǒng)采用高效(H13)過濾后接至4.5m高空排放，設計方案符合模擬預期。

09

結 語

Epilogue

此次雷神山醫(yī)院暖通設計先經(jīng)過專業(yè)評審確定技術方案，邊設計、邊校對、邊審核、邊修改，提高工作效率，避免返工，合理穩(wěn)妥的設計方案就是雷神山醫(yī)院建設的最大保障。在項目施工過程中積極主動與項目建設各方溝通配合，不分白天黑夜每天派有經(jīng)驗的設計師駐場巡檢，第一時間發(fā)現(xiàn)和解決施工環(huán)節(jié)中存在的問題，同時對重點難點處的施工予以現(xiàn)場指導。在疫情發(fā)展迅猛、項目建設周期極短、設備采購壓力極大的背景下，設計團隊的每個人頂住壓力，迎難而上，為有力抗擊疫情作出了自己應有的貢獻，用中南院暖通人的專業(yè)水準和職業(yè)操守為雷神山醫(yī)院的順利建設保駕護航。