武漢加油 中國加油
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(fēng)系統(tǒng)中,進行過濾、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)計院參與此次雷神山醫(yī)院設(shè)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(fēng)空調(diào)的設(shè)計。
01
項目建設(shè)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??箵粢咔楣ぷ鲉右詠?,中南建筑設(shè)計院堅決貫徹落實黨中央及湖北省委、省政府,中南設(shè)計集團各項工作部署,第一時間由主要領(lǐng)導(dǎo)牽頭建立應(yīng)急設(shè)計應(yīng)對機制,以國企大院的使命和擔(dān)當,充分發(fā)揮設(shè)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(shè)計團隊從1月24日晚接到任務(wù),開始圖紙設(shè)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(zhuǎn)入使用運維配合服務(wù)階段。
02
項目概況
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)院標準設(shè)計,設(shè)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(guān)運維用房,病床總床位數(shù)建設(shè)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52200m2,為新建一層臨時建筑,設(shè)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(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、正負壓站房等配套設(shè)施。
03
通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計原則
Design Principles
空調(diào)設(shè)計參數(shù)
設(shè)計空調(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。參照國家相關(guān)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(nèi)設(shè)計溫度為18~22℃,主要病人及醫(yī)護通道的設(shè)計溫度不低于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)負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術(shù)室采用直膨式全空氣型凈化空調(diào)機組全新風(fēng)運行,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(diào)機組的盤管上,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。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(nèi)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、高三級過濾保證送風(fēng)潔凈度,同時應(yīng)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(fēng)對周圍環(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、報警裝置,當壓差數(shù)值超過設(shè)定值時傳感器報警,相應(yīng)進行設(shè)備更換。
設(shè)備與材料
結(jié)合當前應(yīng)急臨時醫(yī)院建設(shè)時間短、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,因地制宜做好暖通空調(diào)的設(shè)計工作是我們重點考慮的問題。設(shè)計過程中團隊派專人與各大設(shè)備供應(yīng)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(shè)備,節(jié)省產(chǎn)品的采購、調(diào)貨時間。同時方便施工單位快速安裝、調(diào)試簡單。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(shè)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(fēng)系統(tǒng)運行是否正常。
污染區(qū)、半污染區(qū)分別設(shè)置獨立的送/排風(fēng)系統(tǒng),風(fēng)機采用低噪音高效離心風(fēng)機箱且一用一備,排風(fēng)口至距地4.5m以上。設(shè)計將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,同時有效保證了壓力梯度,風(fēng)機風(fēng)量的合理控制也避免了風(fēng)機運行噪音和振動對病房人員的影響。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
為檢驗病房氣流組織設(shè)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(diào)室內(nèi)機尺寸為1.0m×0.4m×0.32m(長×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)病房速度場和溫度場
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。
病人站立時,病房內(nèi)主要活動區(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)病房內(nèi)氣流組織
通過模擬得到如圖所示的速度跡線,采用設(shè)計方案(上側(cè)送風(fēng)下側(cè)排風(fēng))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(fēng)系統(tǒng)可以有效及時排除病房內(nèi)污染氣體。
安裝與調(diào)試
負壓隔離病房及衛(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)護走廊及緩沖間的送風(fēng)管由醫(yī)護走廊頂部進入后分別開設(shè)側(cè)送風(fēng)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(yīng)的防水密封處理。
送/排風(fēng)支管上均設(shè)置與設(shè)計風(fēng)量匹配的定風(fēng)量風(fēng)閥,病房送/排風(fēng)支管同時裝有可單獨關(guān)斷的電動密閉風(fēng)閥。
經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試,各區(qū)域的壓差值均在設(shè)計范圍內(nèi),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(yīng)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(shè)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(fēng)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(fēng)系統(tǒng)支管設(shè)置定風(fēng)量閥,通過送/排風(fēng)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(shè)置相應(yīng)的送/排風(fēng)系統(tǒng),風(fēng)機采用低噪音高效離心風(fēng)機箱。每個送風(fēng)系統(tǒng)均設(shè)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(fēng)口至距地4.5m以上。醫(yī)護區(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)計要求組織送排風(fēng),通過定風(fēng)量風(fēng)閥精準調(diào)控送排風(fēng)風(fēng)量外,還需注重房間密閉性。實際施工過程中,對維護結(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(shù)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(shè)計
主要房間排風(fēng)換氣次數(shù):1、負壓檢驗/緩沖間13h-1;2、負壓手術(shù)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(fēng)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(shù)室:-20Pa,復(fù)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(shè)備間:-10Pa。
為方便快速安裝及調(diào)試,負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術(shù)室采用直膨式全空氣型凈化空調(diào)機組全新風(fēng)運行,送風(fēng)管道加裝電加熱器,送排風(fēng)機均采用低噪音高效離心風(fēng)機箱。由于極短的供貨周期造成直膨機供應(yīng)商無法根據(jù)設(shè)計參與進行有針對性的生產(chǎn),在設(shè)計過程中設(shè)計團隊與供應(yīng)商密切對接,將現(xiàn)有的庫存產(chǎn)品參數(shù)與設(shè)計值進行對比并第一時間鎖定各地庫存設(shè)備,部分設(shè)備參數(shù)由于無法滿足設(shè)計要求廠家第一時間對設(shè)備部件進行改造。
送風(fēng)系統(tǒng)均設(shè)置粗、中、高三級過濾,其中負壓檢驗、負壓ICU、負壓手術(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,負壓ICU、負壓手術(shù)室、治療室、復(fù)蘇室等房間設(shè)下排風(fēng)口。以負壓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)過實際調(diào)試,各區(qū)域的溫度及壓差值均在設(shè)計范圍內(nèi),負壓ICU、負壓檢驗、負壓手術(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。下圖為負壓檢驗室內(nèi)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(shè)計原則
Design Principles
設(shè)計方案
醫(yī)院設(shè)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(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)留罐車臨時供氧的接口。需根據(jù)應(yīng)急臨時傳染病醫(yī)院的使用要求,充分考慮氧氣用量。共設(shè)6個20m3液態(tài)氧儲罐,液氧總儲量120m3;每個儲罐配置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(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(nèi)。隔離病區(qū)內(nèi)醫(yī)用氣體主管主要鋪設(shè)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(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負壓吸引總管,各區(qū)氧氣總管間設(shè)有旁通管,接入各護理單元的醫(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,同時管道間互為備用有效提高供氧系統(tǒng)可靠性??倛D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)實際使用量分批投入使用,可有效保證氧氣供應(yīng)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(shè)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(shè)計過程中得到清華大學(xué)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(fēng)環(huán)境影響的快速模擬方法。本方法以開源流體力學(xué)計算軟件FDS為基礎(chǔ),實現(xiàn)了臨時醫(yī)院建筑的快速建模?;谠朴嬎闫脚_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(shè)計階段的快速分析提供了專門工具。
主要結(jié)論及對設(shè)計的指導(dǎo)
09
結(jié) 語
Epilogue
此次雷神山醫(yī)院暖通設(shè)計先經(jīng)過專業(yè)評審確定技術(shù)方案,邊設(shè)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(shè)計方案就是雷神山醫(yī)院建設(shè)的最大保障。在項目施工過程中積極主動與項目建設(shè)各方溝通配合,不分白天黑夜每天派有經(jīng)驗的設(shè)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(dǎo)。在疫情發(fā)展迅猛、項目建設(shè)周期極短、設(shè)備采購壓力極大的背景下,設(shè)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(yīng)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(shè)保駕護航。