武漢加油 中國(guó)加油
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(shí)傳染病醫(yī)院，如何確保醫(yī)院內(nèi)部的空調(diào)與通風(fēng)設(shè)計(jì)為病人及醫(yī)護(hù)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(fēng)系統(tǒng)中,進(jìn)行過濾、殺菌、凈化裝置的設(shè)置和選擇？暖通工程師需要考慮到方方面面。中南建筑設(shè)計(jì)院參與此次雷神山醫(yī)院設(shè)計(jì)的暖通工程師就為你解讀這所特殊時(shí)期、特殊條件下的傳染病醫(yī)院如何進(jìn)行通風(fēng)空調(diào)的設(shè)計(jì)。
01
項(xiàng)目建設(shè)背景
Background
2020年跨年之際，一場(chǎng)突如其來的疫情從武漢波及全國(guó)，生命重于泰山，疫情防控牽動(dòng)著每個(gè)人的心。抗擊疫情工作啟動(dòng)以來，中南建筑設(shè)計(jì)院堅(jiān)決貫徹落實(shí)黨中央及湖北省委、省政府，中南設(shè)計(jì)集團(tuán)各項(xiàng)工作部署，第一時(shí)間由主要領(lǐng)導(dǎo)牽頭建立應(yīng)急設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)機(jī)制，以國(guó)企大院的使命和擔(dān)當(dāng)，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)專業(yè)優(yōu)勢(shì)，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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從1月24日晚接到任務(wù)，開始圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，到2月5日開始驗(yàn)收，10天10夜與時(shí)間賽跑，毫不松懈。3天交付全部施工圖，全程在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)配合施工，突破常規(guī)，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要進(jìn)行圖紙優(yōu)化，直至轉(zhuǎn)入使用運(yùn)維配合服務(wù)階段。
02
項(xiàng)目概況
Introduction
雷神山醫(yī)院建設(shè)用地面積約22萬m2，總建筑面積約7.9萬m2，整體規(guī)劃按照傳染病醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(hù)生活區(qū)，并配備有相關(guān)運(yùn)維用房，病床總床位數(shù)建設(shè)目標(biāo)為1600床，可容納醫(yī)護(hù)人員約2300人。
隔離醫(yī)療區(qū)總建筑面積為52200m2，為新建一層臨時(shí)建筑，設(shè)有衛(wèi)生通過單元、病區(qū)護(hù)理單元、醫(yī)技單元、接診區(qū)。護(hù)理單元為集裝箱拼接式建筑，外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為3m×6m×2.6m，室內(nèi)凈高2.4m；醫(yī)技區(qū)為鋼結(jié)構(gòu)板房建筑，建筑高度4.5m。隔離醫(yī)療區(qū)北側(cè)設(shè)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(fù)壓站房等配套設(shè)施。
03
通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
Design Principles
空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)
設(shè)計(jì)空調(diào)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(yù)期氣候條件。參照國(guó)家相關(guān)規(guī)范，病房區(qū)、醫(yī)護(hù)區(qū)、醫(yī)技區(qū)主要房間冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為18~22℃，主要病人及醫(yī)護(hù)通道的設(shè)計(jì)溫度不低于18℃。
空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)
為避免交叉感染，病房區(qū)、醫(yī)護(hù)區(qū)、醫(yī)技區(qū)的主要房間均采用熱泵型分體空調(diào)。醫(yī)技區(qū)負(fù)壓檢驗(yàn)、負(fù)壓ICU、負(fù)壓手術(shù)室采用直膨式全空氣型凈化空調(diào)機(jī)組全新風(fēng)運(yùn)行，送風(fēng)管道設(shè)有電加熱器。電加熱器設(shè)置分檔調(diào)節(jié)并采取無風(fēng)斷電保護(hù)措施。
漂浮在空氣中或附著在灰塵顆粒上的病菌會(huì)附著在空調(diào)機(jī)組的盤管上，并隨冷凝水排出，這些病毒可能導(dǎo)致人員致病。因此空調(diào)的冷凝水不應(yīng)單獨(dú)散排至室外，均分區(qū)集中收集，并應(yīng)隨各區(qū)污水、廢水排放集中收集。
在通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(jí)區(qū)域壓力梯度的設(shè)置應(yīng)符合定向氣流組織原則，應(yīng)保證氣流從清潔區(qū)→半污染區(qū)→污染區(qū)方向流動(dòng)。醫(yī)護(hù)區(qū)相對(duì)傳染區(qū)為正壓，控制負(fù)壓隔離病房、負(fù)壓檢驗(yàn)室室內(nèi)負(fù)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(hù)人員安全健康。負(fù)壓隔離病房最小換氣次數(shù)為12h-1，污染區(qū)最小換氣次數(shù)為6h-1，清潔區(qū)最小換氣次數(shù)為3h-1。
所有區(qū)域送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)粗、中、高三級(jí)過濾保證送風(fēng)潔凈度，同時(shí)應(yīng)采取有效的空氣凈化消毒措施，最大限度降低負(fù)壓隔離病房等污染區(qū)的排風(fēng)對(duì)周圍環(huán)境的影響。送風(fēng)過濾單元、排風(fēng)高效過濾器前后設(shè)置壓差檢測(cè)、報(bào)警裝置，當(dāng)壓差數(shù)值超過設(shè)定值時(shí)傳感器報(bào)警，相應(yīng)進(jìn)行設(shè)備更換。
設(shè)備與材料
結(jié)合當(dāng)前應(yīng)急臨時(shí)醫(yī)院建設(shè)時(shí)間短、要求高，部分設(shè)備材料供應(yīng)不滿足建設(shè)工期要求的特點(diǎn)，因地制宜做好暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)工作是我們重點(diǎn)考慮的問題。設(shè)計(jì)過程中團(tuán)隊(duì)派專人與各大設(shè)備供應(yīng)商對(duì)接，盡量選用成熟可靠、庫存量大、運(yùn)輸快速、廠商捐贈(zèng)的設(shè)備，節(jié)省產(chǎn)品的采購(gòu)、調(diào)貨時(shí)間。同時(shí)方便施工單位快速安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單。選用的通風(fēng)空調(diào)管道滿足建設(shè)周期要求，制作安裝簡(jiǎn)單，氣密性好。通過上述措施，在保證系統(tǒng)運(yùn)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(fù)壓隔離病房及其衛(wèi)生間、緩沖間、醫(yī)護(hù)人員通行的走廊等部分組成。
設(shè)計(jì)方案
負(fù)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(dòng)，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(hù)走廊的墻面上裝有顯示不同區(qū)域壓力差值的微壓差計(jì)，便于醫(yī)護(hù)和維護(hù)人員實(shí)時(shí)觀察房間壓力梯度與送排風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行是否正常。
污染區(qū)、半污染區(qū)分別設(shè)置獨(dú)立的送/排風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)采用低噪音高效離心風(fēng)機(jī)箱且一用一備，排風(fēng)口至距地4.5m以上。設(shè)計(jì)將5~6間病房及其衛(wèi)生間合用一套送/排風(fēng)系統(tǒng)，極大的方便了系統(tǒng)調(diào)試，同時(shí)有效保證了壓力梯度，風(fēng)機(jī)風(fēng)量的合理控制也避免了風(fēng)機(jī)運(yùn)行噪音和振動(dòng)對(duì)病房人員的影響。病房區(qū)送/排風(fēng)系統(tǒng)及氣流組織示意圖如下：
氣流組織模擬
為檢驗(yàn)病房氣流組織設(shè)計(jì)效果，對(duì)病房的氣流組織進(jìn)行了模擬論證。
模型描述：建立5.8m×3m×2.4m（長(zhǎng)×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(diào)室內(nèi)機(jī)尺寸為1.0m×0.4m×0.32m（長(zhǎng)×高×深），房間采用上側(cè)送風(fēng)下側(cè)排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)，2個(gè)送風(fēng)口尺寸均為Ф150，排風(fēng)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(gè)送風(fēng)口送風(fēng)量為250m3/h，總送風(fēng)量為500m3/h，送風(fēng)溫度為20℃，水平送風(fēng)；下部排風(fēng)口排風(fēng)量為700m3/h，水平排風(fēng)。分體空調(diào)風(fēng)量為1000m3/h，送風(fēng)溫度為30℃，斜向下45°出風(fēng)。內(nèi)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(jì)算中不考慮輻射模型。通過模擬得到如下結(jié)果：
（1）病房速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)
病人平躺時(shí)，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。
病人站立時(shí)，病房?jī)?nèi)主要活動(dòng)區(qū)（除空調(diào)出風(fēng)口處）頭部處的速度為0.3~0.5m/s，溫度為18~25℃。
（2）病房?jī)?nèi)氣流組織
通過模擬得到如圖所示的速度跡線，采用設(shè)計(jì)方案（上側(cè)送風(fēng)下側(cè)排風(fēng)）時(shí)床頭處于回流區(qū)，整個(gè)房間易形成良好的定向氣流，通風(fēng)系統(tǒng)可以有效及時(shí)排除病房?jī)?nèi)污染氣體。
安裝與調(diào)試
負(fù)壓隔離病房及衛(wèi)生間的送/排風(fēng)管均由側(cè)墻接入室內(nèi)，減小管道對(duì)室內(nèi)吊頂高度的影響，避免屋面開設(shè)太多洞口增加漏水隱患，管道穿墻處做好相應(yīng)的密封處理有效保證房間氣密性。醫(yī)護(hù)走廊及緩沖間的送風(fēng)管由醫(yī)護(hù)走廊頂部進(jìn)入后分別開設(shè)側(cè)送風(fēng)口，既減小了管道對(duì)走道凈高的影響，同時(shí)避免管道穿越污染區(qū)，所有屋面洞口都做好相應(yīng)的防水密封處理。
送/排風(fēng)支管上均設(shè)置與設(shè)計(jì)風(fēng)量匹配的定風(fēng)量風(fēng)閥，病房送/排風(fēng)支管同時(shí)裝有可單獨(dú)關(guān)斷的電動(dòng)密閉風(fēng)閥。
經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，各區(qū)域的壓差值均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，病房、緩沖間、醫(yī)護(hù)走廊之間可以形成有效的壓力梯度。
05
醫(yī)護(hù)區(qū)氣流組織與壓差控制措施
Control Measure
區(qū)域功能
醫(yī)護(hù)區(qū)由中央潔凈通道連通，每個(gè)醫(yī)護(hù)單元對(duì)應(yīng)4個(gè)隔離病房單元。醫(yī)護(hù)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(shè)計(jì)方案
醫(yī)護(hù)區(qū)相對(duì)傳染區(qū)為正壓，有效阻斷病毒傳播，保證醫(yī)護(hù)人員安全健康。通過合理的送/排風(fēng)氣流組織，保證整個(gè)醫(yī)護(hù)單元為正壓區(qū)域，同時(shí)保證氣流從清潔區(qū)→潛在污染區(qū)流動(dòng)。送/排風(fēng)系統(tǒng)支管設(shè)置定風(fēng)量閥，通過送/排風(fēng)量精準(zhǔn)控制相鄰房間不低于5Pa的壓力梯度。
醫(yī)護(hù)區(qū)的的潔凈區(qū)和潛在污染區(qū)分別設(shè)置相應(yīng)的送/排風(fēng)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)采用低噪音高效離心風(fēng)機(jī)箱。每個(gè)送風(fēng)系統(tǒng)均設(shè)置粗、中、高三級(jí)過濾，保證送入醫(yī)護(hù)單元的空氣潔凈度，排風(fēng)口至距地4.5m以上。醫(yī)護(hù)區(qū)送/排風(fēng)系統(tǒng)及氣流組織示意如下圖：
安裝與調(diào)試
為了保證潔凈區(qū)正壓，除了按設(shè)計(jì)要求組織送排風(fēng)，通過定風(fēng)量風(fēng)閥精準(zhǔn)調(diào)控送排風(fēng)風(fēng)量外，還需注重房間密閉性。實(shí)際施工過程中，對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)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(gè)區(qū)，A區(qū)包括28床的負(fù)壓ICU、負(fù)壓檢驗(yàn)及其配套用房；B區(qū)包括負(fù)壓手術(shù)室、CT、超聲、心電及其配套用房；D區(qū)包括33床的負(fù)壓ICU及其配套用房。
方案設(shè)計(jì)
主要房間排風(fēng)換氣次數(shù)：1、負(fù)壓檢驗(yàn)/緩沖間13h-1；2、負(fù)壓手術(shù)室22h-1，走廊/輔房13h-1；3、負(fù)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(fēng)量精準(zhǔn)控制壓力梯度，各主要區(qū)域壓力梯度：1、負(fù)壓檢驗(yàn)：-20 Pa，緩沖間：-10Pa；2、負(fù)壓手術(shù)室：-20Pa，復(fù)蘇室/消毒打包/前室：-15 Pa，走廊/存床/醫(yī)護(hù)前室/無菌間：-10Pa；3、負(fù)壓ICU：-20Pa，病人緩沖/污物/污洗/清洗槽/纖支鏡/脫防護(hù)服：-15Pa，脫隔離服/治療室/緩沖/設(shè)備間：-10Pa。
為方便快速安裝及調(diào)試，負(fù)壓檢驗(yàn)、負(fù)壓ICU、負(fù)壓手術(shù)室采用直膨式全空氣型凈化空調(diào)機(jī)組全新風(fēng)運(yùn)行，送風(fēng)管道加裝電加熱器，送排風(fēng)機(jī)均采用低噪音高效離心風(fēng)機(jī)箱。由于極短的供貨周期造成直膨機(jī)供應(yīng)商無法根據(jù)設(shè)計(jì)參與進(jìn)行有針對(duì)性的生產(chǎn)，在設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與供應(yīng)商密切對(duì)接，將現(xiàn)有的庫存產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比并第一時(shí)間鎖定各地庫存設(shè)備，部分設(shè)備參數(shù)由于無法滿足設(shè)計(jì)要求廠家第一時(shí)間對(duì)設(shè)備部件進(jìn)行改造。
送風(fēng)系統(tǒng)均設(shè)置粗、中、高三級(jí)過濾，其中負(fù)壓檢驗(yàn)、負(fù)壓ICU、負(fù)壓手術(shù)室設(shè)高效過濾風(fēng)口。所有區(qū)域排風(fēng)經(jīng)高效過濾器處理后高空排放，負(fù)壓ICU、負(fù)壓手術(shù)室、治療室、復(fù)蘇室等房間設(shè)下排風(fēng)口。以負(fù)壓ICU為例，其送/排風(fēng)系統(tǒng)及氣流組織示意如下圖：
安裝與調(diào)試
經(jīng)過實(shí)際調(diào)試，各區(qū)域的溫度及壓差值均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，負(fù)壓ICU、負(fù)壓檢驗(yàn)、負(fù)壓手術(shù)室等重要區(qū)域內(nèi)各房間之間均能形成有效的壓力梯度。下圖為負(fù)壓檢驗(yàn)室內(nèi)溫度、換氣次數(shù)、壓力梯度等參數(shù)的自檢報(bào)告。
檢驗(yàn)科自檢報(bào)告
07
醫(yī)用氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
Design Principles
設(shè)計(jì)方案
醫(yī)院設(shè)置氧氣、負(fù)壓吸引、壓縮空氣等醫(yī)用氣體，管網(wǎng)系統(tǒng)由管道、設(shè)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(fù)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(yù)留罐車臨時(shí)供氧的接口。需根據(jù)應(yīng)急臨時(shí)傳染病醫(yī)院的使用要求，充分考慮氧氣用量。共設(shè)6個(gè)20m3液態(tài)氧儲(chǔ)罐，液氧總儲(chǔ)量120m3；每個(gè)儲(chǔ)罐配置1200m3/h的汽化器，總汽化量7200m3/h，保證醫(yī)院整體氧氣供應(yīng)量。
負(fù)壓系統(tǒng)由真空泵、水汽分離器、負(fù)壓真空罐、儀表及管道閥門組成，負(fù)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(shè)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(fù)壓吸引、壓縮空氣主管道由機(jī)房接出后埋地進(jìn)入隔離病區(qū)內(nèi)。隔離病區(qū)內(nèi)醫(yī)用氣體主管主要鋪設(shè)于醫(yī)護(hù)區(qū)屋面，各病區(qū)分支管穿越各自屋面后進(jìn)入相應(yīng)區(qū)域內(nèi)。南北區(qū)各分別設(shè)置一根DN150的氧氣總管及DN80負(fù)壓吸引總管，各區(qū)氧氣總管間設(shè)有旁通管，接入各護(hù)理單元的醫(yī)用氣體分支管上設(shè)有閥門。既可保證不同區(qū)域分批使用互不干擾，同時(shí)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(diào)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(shí)際使用量分批投入使用，可有效保證氧氣供應(yīng)量。
08
負(fù)壓隔離病房廢氣排放
對(duì)環(huán)境的影響模擬分析
Analysis
模擬方案
在設(shè)計(jì)過程中為充分評(píng)估污染區(qū)廢氣排放是否對(duì)項(xiàng)目周圍環(huán)境造成影響，設(shè)計(jì)過程中得到清華大學(xué)陸新征教授及團(tuán)隊(duì)的大力支持。陸新征教授及團(tuán)隊(duì)提出了臨時(shí)醫(yī)院排風(fēng)環(huán)境影響的快速模擬方法。本方法以開源流體力學(xué)計(jì)算軟件FDS為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)醫(yī)院建筑的快速建模。基于云計(jì)算平臺(tái)的分布式計(jì)算以及有害空氣流動(dòng)的監(jiān)測(cè)和可視化，為臨時(shí)醫(yī)院設(shè)計(jì)階段的快速分析提供了專門工具。
主要結(jié)論及對(duì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)
09
結(jié) 語
Epilogue
此次雷神山醫(yī)院暖通設(shè)計(jì)先經(jīng)過專業(yè)評(píng)審確定技術(shù)方案，邊設(shè)計(jì)、邊校對(duì)、邊審核、邊修改，提高工作效率，避免返工，合理穩(wěn)妥的設(shè)計(jì)方案就是雷神山醫(yī)院建設(shè)的最大保障。在項(xiàng)目施工過程中積極主動(dòng)與項(xiàng)目建設(shè)各方溝通配合，不分白天黑夜每天派有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師駐場(chǎng)巡檢，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和解決施工環(huán)節(jié)中存在的問題，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)難點(diǎn)處的施工予以現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。在疫情發(fā)展迅猛、項(xiàng)目建設(shè)周期極短、設(shè)備采購(gòu)壓力極大的背景下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人頂住壓力，迎難而上，為有力抗擊疫情作出了自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)，用中南院暖通人的專業(yè)水準(zhǔn)和職業(yè)操守為雷神山醫(yī)院的順利建設(shè)保駕護(hù)航。
