基于2019 冠状病毒（COVID-19）对严寒地区医院HVAC系统的研究

张淑秘 周冠丞

吉林建筑大学市政与环境工程学院

0 引言

2019 冠状病毒引发的肺炎感染肆虐我国，致使病毒高发地武汉实施封城措施，全国多地也相继实施了严格的人员管控工作。美国、西班牙、意大利等地疫情大面积爆发，可见此次病疫相较于非典和SARS更加严峻。大型综合医院是患者及其陪同人员高度聚集的场所，因此医院内空气的洁净程度将直接关乎患者的康复速度以及陪同人员的健康。未达标的医院HVAC 系统不能良好的处理含有室内人员产尘、细菌及气溶胶的空气，将导致更多的医患间传染、患者间传染及健康人员之间的传染。良好的医院室内空气调节和除菌措施可有效降低病毒感染率和死亡率。

1 病毒的院内传播

病毒的院内传播主要分为间接感染（空气感染）、直接喷溅，即：由口而入和由皮肤传入的接触感染。其中间接感染即空气感染大部分以尘埃为病毒细菌载体，因人员的活动、医院内空气的流动及尘埃的飞扬，典型病例是天花病毒和猩红热。以飞沫为载体的直接喷溅感染主要为患者的喷嚏和咳嗽，以此方式传染的典型疾病为SARS、结核病和流行性感冒。由口而入的接触感染主要是由于食品及水源的污染，常见的疾病为消化道疾病。以接触为途径的皮肤传入感染的主要病例为破伤风、性病及砂眼。

此次COVID-19的传播途径为气溶胶传播，所谓气溶胶即气体中稳定分散悬浮的液态或固体小颗粒。气体中的小颗粒粒径越小，在空气中悬浮的时间就越久，可见空气为主要载体。新型冠状病毒传播按途径分类见图1。

图1 2019冠状病毒传播途径

据中国疾控中心研究表明，新型冠状病毒对紫外线和热敏感（56 ℃存活时间低于30 min），乙醚、75%乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效将病毒灭活。温度越高，病毒越难存活，在室温25 ℃左右，病毒很快会丧失传染性，在春、冬季节，病毒在体外存活的时间会更长。同济大学的许鹏[1]研究了温湿度对2019 冠状病毒存活的影响，见图2。满孝新[2]就COVID-19 在常见环境中的存活时间也给出了相应的参考值，见图3。

研究结果表明，冠状病毒在寒冷和干燥的空气环境中存活时间更长，同时传染率也更高。COVID-19 会在严寒地区生存更长时间，因此我国的严寒地区防疫工作将面临更严峻的挑战。此外，严寒地区的建筑窗墙比大多较我国其他地区小，且由于室外气温寒冷导致开窗换气的次数少之又少，医院建筑室内新风来源大多为机械通风，适宜病毒生存的室内外温度以及不达标的HVAC系统将致使病毒对于严寒地区医院室内环境产生更大的威胁。

图2 温湿度对2019冠状病毒传染率的影响

图3 2019冠状病毒在常见环境中的存活时间

2 应对病毒感染医院内空调HVAC系统采取的措施

2.1 国内外应对病毒对医院内传播的现状及发展趋势

病毒在医院内的交叉感染是医学界以及暖通空调界的难题，相关学者运用调查、模拟、实验和理论分析等方法研究病毒的院内传染途径，并且对于生物、化学和通风净化等方法做了大量的实验研究。

早在2003年，非典和SARS病疫给生物医学界和空气调节净化领域敲了警钟，使人们意识到了医院是病源传染的重灾区，从空调系统运行方式的角度出发，江亿[3]等提出对于设置集中制冷站，室内空间有风道连通的单位，很容易通过空调系统使各房间空气进行相互掺混，某房间存在的污染源或病源很可能通过空调系统传播到其他房间从而导致交叉感染，尤其是对于无窗的内区房间更容易出现此类问题。解决的主要方法是引入大量的室外空气进入室内，通过换气作用将含有病源体的室内空气排至室外，若采用内部循环通风则会产生适得其反的效果，因此正确运行现有的空调系统至关重要。同时分析了全空气系统、风机盘管加新风系统和各类窗机、柜机的运行模式，总结得出：保证是全新风方式或室内自循环的风机盘管方式，空调系统即可运行的结论。另外，需要注意新风的取风位置应避免与回风发生短路现象。

近期江亿院士在2019 冠状病毒传播机理探讨会[4]上分享了通过实验和病毒传播模型的研究得到相关结论：室外空气是安全的，但室内空气稀释倍数在10 000 倍以上才是绝对安全的。从侧面反映了室内达到这一数值，简单的开窗行为是很难实现的，需要借助机械通风使室内空气达到安全的稀释倍数。假设在医院环境中停留3 小时，当环境中有10%被感染者时，只有人均新风量达到36 m3/h时，病毒的感染概率将小于2% 安全数值。因此，要达到安全的稀释倍数及感染概率，还应继续加强医院环境的通风措施。

赵延奉[5]等从洁净空调在医院中的应用及优化角度，探讨了洁净空调冷水进水温度高于设计值、过滤器不能及时更换且积尘严重导致送风阻力增大、污染严重等维护不当问题，造成了后期医院HVAC 系统处理的空气达不到设计值。因此，HVAC系统后期的运行维护也至关重要。

从医院内空气通风对气溶胶的影响方向入手，澳大利亚的R.E.Stockwell[6]等系统地论述了不同病区生物气溶胶的组成和与医院不同通风系统的影响，在医院的核心区域使用机械通风系统可使生物气溶胶的浓度降到最低，带有接力风机等通风增强功能的机械通风系统是改善医院空气质量控制感染的重要策略。

医院的HVAC 系统对医院空气品质的控制主要体现在运行调节和过滤净化方面，孟令坤[7]针对病房末端风机盘管加装净化过滤器对病房空气净化的效果进行了实验对比研究，研究结果表明，在HVAC系统末端加装过滤净化装置可有效降低PM 2.5和浮游菌的浓度。从空调过滤器及病毒最易滋生的环境角度出发，汪训昌[8]等指出目前多数空调工程未经过过滤器选择计算即安装粗、中效过滤器，设计时缺少对空气过滤的规定计算，仅由机组自带的空气过滤网进行过滤。这样的空气过滤要求与过滤器设计既无法抵御外来病菌的入侵，也不能有效防止建筑物内部病菌的交叉感染与扩散。此外，喷淋式冷却塔是肺炎类病菌最易滋生繁殖的温床与传播工具，缺少对冷却水水质的控制装置，应通过计算投入适量的防结垢缓蚀杀菌灭藻的化学试剂的化学方法或者利用静电、高压极化离化和磁化等物理方法控制冷却水的水质，防止病菌的滋生和传播。卢昕怡[9]针对消毒对医院空气中细菌数量的影响做了相关的实验研究，采用自然沉降法对门诊区域进行空气细菌总数的监测，结果显示，消毒手段可以有效阻断细菌的传播，说明消毒对于净化医院空气效果是显著的。从高效净化医院内空气质量角度出发，杨成斌[10]等提出当前通风空调系统急需解决的问题是在呼吸道传染病流行期间减少由于空气污染造成的二次感染，在非呼吸道传染病流行期间提升医院内空气质量及除味工作。指出当前常使用的几种改善处理方法，例如高效过滤器、静电除尘、光催化低温等离子净化等，通过比较分析，其中高能离子净化对医院空气净化较为有利，可利用此方法将污染物消灭在萌芽之中。对于医院常用的消毒净化技术，杨绘敏[11]等做了比较系统的整理与综述，就静电吸附、离子净化、光触媒等消毒净化技术阐述了工作原理，并对各自适用环境以及优缺点等做了详细的对比说明，见表1。

通过对各主流净化技术详细的分析定性，可在医院不同区域针对性地使用净化技术，使净化效果更佳，同时也降低能源消耗及运维成本。谭金煜[12]等人对比研究了过氧乙酸气溶胶喷雾法与气体熏蒸消毒法对医院空气消毒的效果，通过与对照组的对比实验研究，发现采用两种方法对医院空气消毒合格率都达到了100%。但是，由于气体熏蒸消毒法费时费量且刺激性强，建议医院多采用过氧乙酸气溶胶喷雾法进行消毒。针对室外空气污染对呼吸系统发病率的关系，陈真飞[13]等人研究了病房内空气质量特征与医院感染的关系并比较了其空气净化方式，得到了细菌数量与医院感染发生率呈正相关的结论，指出细菌的数量对下呼吸道的感染率影响最大，根据需求选择合理的净化方式对降低感染率尤为重要。通过对文献的研究分析，对于COVID-19 而言，可选择静电、离子以及光触媒等净化方法净化空调系统的回风系统。

表1 各消毒净化技术的优缺点

2.2 针对当前疫情医院内HVAC 系统的新研究与探讨

虽然自二十一世纪开始医院空气质量问题开始愈受关注，但现阶段对于类似COVID-19造成的这种特大疫情还是暴露出很多问题，医院的HVAC系统仍无法高效的阻断病毒在医院内交叉感染，截至2020 年4 月21 日全国共有476 家医疗机构4 387例医务人员感染冠状病毒，就此情况，科研人员进行了应对COVID-19 类特大疫情医院空气调节新措施的研究。

自2020 年1 月30 日，清华大学建筑技术科学系刘荔副教授团队[14]在某医院不同区域部署了32套云端环境监测设备，发现医院现有公共就诊空间存在环境承载力超负，重点区域新风供给不足等问题，医院门诊区域人员密度高达每平方米3人，远超过规范的设计密度，导致按照规范设计的新风量远不能满足此时的新风需求，即便是新风系统全开，甚至所有可开启外窗全开，室内仍可能超过国内外相关标准的推荐值。针对此情况，研究团队提出具体的改进方案，该方案根据环境监测情况，及时对每日接诊患者进行分时限流，降低医院内人员的病毒暴露风险，针对环境评估隐性高风险区增加局部净化过滤器，优化气流组织形式，根据环境监测情况针对部分隔离病房区域强化通风和管控措施，增加医院环境监测系统的人流智能监测和环境污染预警等功能。综合以上分析可见，在特大疫情爆发时，由于感染人数的激增使医院对人员的限流工作变得更加困难，因此后续对新建医院HVAC 系统的设计及运维研究还亟待进一步深化。

与此同时，国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制综合组[15]也发布了空调通风系统运行管理指南，强调的诸多运行措施都围绕如何将室外新风高效引入室内及杜绝回风使用等问题展开的说明。

清华大学生态规划与绿色建筑教育部重点实验室和西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室团队[16]研究了冬季工况下热分层环境人际间飞沫传染问题，经过CFD模拟研究及百级洁净室内进行的单分散气溶胶颗粒物发生器实验验证，发现室内人员活动区域内的热分层能够显著影响近距离内的飞沫传染。如有效控制热分层，例如将温度梯度由 1.50 ℃/m 减少到 1.08 ℃/m，即可将相距1 m 内的两个人中的易感者吸入5μm 飞沫的数量可降低80%以上。为此提出了寒冷季节时应优先增加新风量，并在冷壁下布置加热器降低贴壁流动，抑制人员活动区域内的热分层现象,避免形成垂直温度分层，稀释人员所在区域的飞沫和飞沫核浓度，可有效降低交叉感染风险。

3 成果讨论

除了部分赤道地区气温可能达到病毒的灭活温度50 ℃以外，考虑到近期全球疫情的持续恶化以及COVID-19 自身的特性，COVID-19 并不会随着室外气温的升高而消失。预计全球疫情将会持续1-2 年，结合文献综述的内容以及对《综合医院建筑设计规范GB51039-2014》等规范[17-21]的研究，大型综合医院的HVAC 系统还应加强平疫结合的思想及运行模式。即在疫情突然爆发时，基本不需要改造现有医院的布局与设施，能在较短时间转换成可以正常接诊的疫情应急医院，其要点是根据区域的划分保证区域风量平衡，满足分区间压差控制要求。风道应按“平疫”两种状态计算风量最大者进行设置，空气处理设备应按平/疫两种状态分别设置，通过密闭风阀实现转换且设备不应安装在疫情期间的污染区内。病房宜采用可回风运行与直流运行的全空气系统，平时采用回风运行，疫情期间关闭回风,采用全直流空调运行模式。空气机组宜采用独立新风变风量系统，可以规避传统变风量系统湿度、新风值被动跟随的问题。由于目前对于医院平/疫结合的设计运行还处在起步阶段，后期还需通过实验研究进行完善。

4 结论及展望

通过研究近年来国内外应对病毒院内传播的现状以及COVID-19的院内交叉感染情况可见，改变HVAC 系统的运行方式和末端参数的方法是最直接且见效最快的方法。就COVID-19 生存时间较国内其他地区相比都要长的严寒地区而言，局部高污染区域设置为负压区并加大HVAC 系统的新风量和换气次数采用全新风方式运行，可快速稀释空气中病毒的浓度，使其达到安全的稀释倍数，与冷壁下方布置加热器的方法联用可以有效降低交叉感染风险。但此次疫情的病源及传播途径仍处在发现探索阶段，利用传统的手段防止交叉感染显然不够高效全面，同时在严寒地区舍弃回风的使用将造成大量的能源浪费，对于现有送回风管段加装离子、静电、光触媒等对病毒和尘埃有不同侧重的净化过滤装置，在满足净化要求的条件下提高医院使用回风的安全性，但存在后期加装难度大、初投资大、后期运维费用高等缺点难以在严寒地区大规模使用，因此严寒地区如何经济、安全、高效地利用回风且大规模推广使用，还需进一步实验研究。同时，如何进行医院平疫结合的设计思想，也将成为研究人员需要攻克的新目标。