独立新风变风量系统在负压隔离病房平疫转换中的应用

华东建筑设计研究总院 陆琼文

将普通诊室、病房转换为适应传染病医治要求的负压诊室、负压病房，需要在建筑平面布局上通过设置卫生通过、缓冲间，实现清洁区、半污染区、污染区的物理分隔。并用尽可能简单有效的转换措施，使得空调系统的温湿度、新排风量、洁净度、压力梯度、气流组织满足传染病医院的使用要求。同时兼顾平时运行模式下的空调系统的经济性及舒适性。

1 病房的规范要求

病房平疫转换空调系统，应满足普通病房、负压病房和负压隔离病房的不同规范要求。笔者根据GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》[1]、GB 50849—2014《传染病医院建筑设计规范》[2]、《新冠肺炎应急救治设施负压病区建筑技术导则(试行)》[3]、T/CECS 661—2020《新型冠状病毒感染的肺炎传染病应急医疗设施设计标准》[4]、DB 11/663—2009《负压隔离病房建设配置基本要求》[5]、ASHRAE 170-2017 Ventilation of health care facilities[6]，梳理了不同的医院设计规范对各类型病房的空调系统设计参数要求，包括室内温湿度、换气次数、新风量、压力控制、气流组织、过滤等级等。

1.1 室内温湿度

表1给出了不同规范病房温湿度设计参数。由表1可知，医院设计规范规定的普通病房设计温度、湿度取值范围较为宽泛，负压隔离病房的设计温度、相对湿度取值范围虽相对较小，但仍在普通病房设计温湿度取值范围内。因此，病房设计值建议取夏季温度26 ℃、相对湿度60%，冬季温度22 ℃、相对湿度40%，该温湿度设计值可同时满足普通病房、负压病房、负压隔离病房要求。

表1 不同规范病房温湿度设计参数[1-3,6]

1.2 换气次数及新风量要求

表2给出了不同规范的病房设计换气次数及新风量。由表2可知：普通病房的房间换气次数要求为6 h-1，新风换气次数为2 h-1；非呼吸道传染病房、呼吸道传染病房的换气次数未作明确要求，参照普通病房的要求不应低于6 h-1，相应的新风换气次数分别为3 h-1和6 h-1；负压隔离病房换气次数可以按12 h-1取值。平疫转换空调系统的送风量应能满足6、12 h-12种工况，新风换气次数应能满足2、3、6 h-1和全新风4种工况。

表2 不同规范病房设计换气次数及新风换气次数[1-6]

1.3 压力控制要求

表3给出了不同规范病房压力设计要求。由表3可知，普通病房对压差没有明确要求。国家规范要求负压隔离病房与相邻房间的压差值均为-5 Pa，GB 50849—2014《传染病医院建筑设计规范》中非呼吸道病房、呼吸道病房虽然没有提出具体的压差控制值，但均要求排风量比新风量大150 m3/h，一般情况下形成的压差值也在-5 Pa左右。

表3 不同规范病房压力设计要求

1.4 气流组织要求

表4给出了不同规范病房气流组织设计要求。由表4可知，普通病房的气流组织规范没有要求，一般采用上送上回(排)的气流组织形式。在负压隔离病房中，由于传染病源的存在，清洁的气流宜首先经过医护人员所在的清洁区域，而后在病患周围排出，送风口应布置在医护人员滞留的区域顶部，回(排)风口布置在送风口相对下侧，如病房床头处(如图1所示)。DB 11/663—2009《负压隔离病房建设配置基本要求》推荐的风口布置、气流组织方式可以有效地实现这一控制原则。在平疫转换空调系统的设计中，可以考虑采用上送下回(排)的气流组织形式。

表4 病房气流组织设计要求

图1 病房上送下回气流组织设置平面示意图(单位：mm)

1.5 过滤要求

表5给出了不同规范的病房过滤设计要求。由表5可知：1) 对于新风过滤设置，普通病房新风过滤采用粗效+中效+高中效过滤器可满足规范要求，负压隔离病房需提高过滤等级至粗效+中效+亚高效过滤器。2) 对于回风过滤设置，普通病房的回风可采用低阻中效过滤器，负压隔离病房的回风可设置高效过滤器；普通病房送风无需设置过滤器，负压隔离病房送风采用高中效过滤器；普通病房排风无过滤要求，负压隔离病房排风采用高效过滤器。3) 送风口、回(排)风口过滤器均安装在风口处，当需要转换时可以通过更换过滤器得以实现。

平疫转换空调系统对不同类型病房有不同过滤要求，可以通过更换过滤器得以实现。值得关注的是，不同类型的过滤器阻力有较大差异。特别是普通病房对于送、排风无过滤要求，空调机组和排风机的选型需要考虑该部分压力值的变化，风机的性能曲线应相应地调整。

1.6 其他设计要求

除上述规范中明确规定的暖通设计要求外，还应注意以下设计点：

1) 每间负压隔离病房的送、排风管上应设置电动密闭阀。

2) 排风口与进风口的水平距离不应小于20 m，当水平距离不足20 m时，排风口应高于进风口，高差不宜小于6 m；排风口应高于屋面不小于3 m，风口应设锥形风帽，排风高空排放。

3) 冷凝水应集中收集。

2 平疫转换病房设计要求

表5 不同规范病房过滤设计要求

平疫转换病房需要实现普通病房、负压病房和负压隔离病房之间的切换，其中负压病房模式又可以细分为非呼吸道负压病房和呼吸道负压病房。平疫转换病房设计参数可按表6取值。

表6 平疫转换病房设计参数

3 独立新风变风量系统DOAS-VAV

目前国内医院设计中，诊室、病房一般采用风机盘管+新风的末端空调形式。当平疫转换时，可以通过增大新风量、排风量，加强新风、排风过滤要求等措施，实现平时诊室、病房转换为负压诊室、负压病房的要求。近年来，部分高端医院对标国外标准进行建设，全空气空调系统也开始在医疗建筑设计中得以应用。全空气系统较风机盘管+新风的空调形式，有更好的过滤能力和舒适性。特别是房间内不设置换热末端，避免了病菌在凝结水盘滋生的隐患。ASHRAE 170-2017中也规定了负压隔离病房等区域不得采用房间空调器作为末端。全空气系统在造价、控制、机房面积和吊顶空间的需求上较风机盘管+新风系统有着更高的要求，适合高端医院。本文针对采用全空气系统的医疗建筑如何实现平疫转换进行分析。

平疫转换病房通常为单人间或双人间，病房面积为30 m2左右。按换气次数6 h-1计算，单间病房的送风量为500～600 m3/h左右。通常情况下空调机组的最小风量为1 500～2 000 m3/h，按单个房间设置系统很难找到合适的空调机组设备。通常情况下可以考虑4～6间病房合并设置系统，为了灵活控制各房间温度，通常情况采用变风量系统。

普通的变风量(VAV)系统，空调机组定送风温度运行，变风量末端根据室内负荷的变化作变风量调节运行以保证房间温度。该空调系统以房间显热负荷为控制对象，由于送风温度、含湿量的耦合关系，房间湿度不作主动控制。此外，由于所有房间的送风新风比一定，对于有不同新风量要求的房间，只能通过调整系统新风比得以实现。对于医疗建筑，房间温度、湿度、新风量和压力值均有要求，VAV的应对就显得不够灵活。

常规空调机组采用机器露点送风，送风温度和湿度有耦合关系，不同热湿比线的房间无法同时进行温度和湿度的独立控制。此外，一套空调送风系统的新风比固定，对于有不同新风比要求的房间，也难以实现灵活控制调节。因此，当实际工况偏离设计工况时，温度、湿度、新风量无法分别独立调整。所以为解耦送风温度、湿度、新风比等参数，笔者提出了一种可独立调整温度、湿度、新风量3种参数，适合医疗建筑的全空气空调系统——独立新风变风量系统，见图2。

图2 独立新风变风量系统

该系统由新风机组(PAU)+变风量空调机组(AHU)+排风机(EF)组成。

PAU由如下功能段组成：进风段+过滤段(粗效G3+中效F5+高中效F8过滤器，转换为负压隔离病房时更换为粗效G3+中效F5+亚高效F9过滤器)+加热段+冷却段+再热段+加湿段+风机段。

AHU由如下功能段组成：进风段+混合段+过滤段(粗效G3+中效F5+高中效F8过滤器，转换为负压隔离病房时更换为粗效G3+中效F5+亚高效F9过滤器)+加热段+冷却段+再热段+加湿段+风机段。

PAU定频运行，变风量空调机组风机采用变频控制，采用定静压控制或总风量控制。

送风变风量末端，根据房间设定温度作风量调节；回风变风量末端随送风变风量末端等值变化；新风变风量末端根据设定模式作风量调节；排风变风量末端根据房间压差设定值作风量调节；排风管和回风管也可合并设置，变风量末端根据房间压差设定值作风量调节。当病房门开启造成房间压差值变化时，排风变风量末端随风量作动态调节。排风机采用变频控制，采用定静压控制。

独立新风变风量系统突破传统变风量系统，一种送风参数组合应对多个房间显热负荷、湿负荷、新风换气次数和压力值的耦合关系，h-d图见图3。可以有效应对医疗建筑这类需要同时对温度、湿度、压力、换气次数、新风量作控制的应用场景。

1) 普通病房和非呼吸道负压病房模式。

夏季工况：新风经PAU冷水盘管冷冻除湿处理至状态点L，经风机温升至状态点L′送入室内，状态点L根据各房间最大湿负荷确定；回风经AHU冷水盘管等湿降温后送入室内，状态点N′根据各房间最小送风温差确定，AHU通常情况下为干工况运行；当房间负荷变小、最小换气次数小于规范允许值时提高送风温度，以保证换气量。

冬季工况：室外新风经冷水盘管等湿加热至状态点L，经等温加湿后送入房间；回风经AHU热水盘管等湿加热后送入室内，状态点N′根据各房间最大热负荷确定。

2) 呼吸道传染病房和负压隔离病房模式。

在呼吸道传染病房和负压隔离病房模式下，系统转为全新风直流模式。

夏季工况：新风经PAU冷水盘管冷冻除湿处理至状态点L，经风机温升至状态点L′送入室内，状态点L根据各房间最大湿负荷确定；新风经AHU冷水盘管处理至机器露点，再热后送入室内，状态点M′根据各房间最小送风温差确定。

冬季工况：室外新风经热水盘管等湿加热至状态点L，经等温加湿后送入房间。

4 案例分析

以某病房为例进行分析，该病房为双人病房，室内面积25 m2，室内高度3 m，普通病房为双床间，见图4。

图4 案例病房示意图

4.1 压力值控制计算

房间漏风量L1按式(1)计算：

(1)

式中A为门的漏风面积，m2；Δp为压差，Pa；n为经验数值，一般取2。

以病房为控制对象，当Δp=5 Pa时，新排风量差值为230 m3/h。

4.2 负荷计算

按照室内温度26 ℃、相对湿度60%进行负荷计算，该病房室内全热负荷1 230 W，显热负荷970 W，湿负荷390 g/h。

4.3 不同病房类型的系统参数(见表7)及运行模式

表7 不同病房类型的系统参数

普通病房：PAU按非呼吸道传染病房进行设计(新风量225 m3/h，换气次数3 h-1)，平时工况新风管变风量末端控制至新风量150 m3/h、换气次数2 h-1。AHU仅室内循环，负担室内显热负荷。当室内负荷变化时，送风变风量末端变风量调节。变风量末端最小送风量根据房间换气次数设定。当变风量末端节流至最小开度时，AHU不再变频，切换为变送风温度运行。房间压力控制为微正压，排风机关闭。

非呼吸道传染病房：PAU定频运行，新风承担全部湿负荷。AHU仅室内循环，承担室内显热负荷。当室内负荷变化时，送风变风量末端变风量调节。房间压力控制为负压，排风机根据室内外压差值作变频控制。

呼吸道传染病房：新风已能承担全部室内负荷，系统切换为全新风直流模式。PAU定频运行，承担全部室内湿负荷。AHU提供剩余新风量，定频运行。送风处理至室内露点温度，通过再热控制室内温度。房间压力控制为负压，排风机根据室内外压差作变频控制。

负压隔离病房：全新风直流模式。PAU定频运行，承担全部室内湿负荷。AHU提供剩余新风量，定频运行。送风处理至室内露点温度，通过再热控制室内温度。房间压力控制为负压，排风机根据室内外压差作变频控制。

5 结论

1) 独立新风变风量系统解决了传统变风量系统多房间送风时湿度、新风量被动跟随的问题。特别是医疗建筑对于新风换气次数的要求严格，变风量系统只能通过调整系统新风比保证最小送风房间的新风量，独立新风变风量系统可避免造成额外的新风负荷。

2) 独立新风变风量系统在全新风直流模式下，只有经过AHU机组的新风需要再热处理，且AHU送风参数较PAU高，减少了再热损失，具有节能意义。对于全新风直流系统，有较大的冷热抵消损失，可以采用冷源热回收、U形热管热回收技术，减少部分再热损失。