智慧醫院室內空氣凈化研究

文｜浙江五洲工程項目管理有限公司 馬建民

1.引言

醫院建筑使用功能復雜且持續運營時間長，人員密度高且流動性大，導致醫院建筑存在較為嚴重的室內空氣質量問題，每天都影響著廣大患者和醫務工作者的身心健康。醫院室內空氣質量參數主要包括可吸入顆粒物PM2.5、揮發性有機化合物、CO2、細菌等。而在新冠疫情期間，新冠病毒又在醫院里傳播擴散，進一步凸顯出室內空氣質量的重要性。

本文對醫院室內空氣凈化進行了研究探討，并從建設智慧醫院角度出發，結合國家5G 技術發展戰略和無人機產業發展戰略，提出了基于建筑信息模型的空氣凈化技術方案：5G 融合通風控制和多旋翼無人機空氣消毒，為提升醫院室內空氣質量提供了有效的技術措施。

2.室內空氣凈化探討

2.1 通風系統

醫院空調房間的通風凈化尤為重要，普通病房區域的新風量應根據人數變化規律按實際需求進行調節，合理設計通風路徑避免交叉感染，采用機械通風的方式加強無法自然通風的區域，優化通風系統效率。通風系統可采用變頻調節風速分別滿足治療和休息兩種功能。

空調通風系統保障了醫院室內衛生環境，但其高能耗也是有待解決的難題，隨著國家提出“碳達峰”和“碳中和”目標，醫院空調通風系統需要進一步優化降低能耗。雖然標準規范要求新風量能夠調控，但如何合理高效進行調控難度比較大，對于人流變化較大的門診大廳和候診區，目前空調系統新風量一般根據CO2濃度監測結果進行調節，然而這樣的控制方式較為遲鈍，而且設置的CO2濃度監測點不一定能準確反應整個區域的新風需求，更有效的控制方式需要將實際人數與空調控制系統聯動，這樣可以根據實時人流變化更準確的調節新風量。在病房區域，也需要將實時入院和出院的病人以及陪同和探視的人員數量與空調控制系統聯動，基于實時人數的控制方式可以比CO2濃度監測點控制方式更加高效確定新風具體調控時間和新風量的大小。

2.2 消毒措施

空調環境下的溫濕度以及密閉環境很適合細菌的生存與繁殖，醫院室內使用空調后細菌數量明顯增多，人員增多及人員頻繁走動會明顯增加細菌數量，細菌會附著在懸浮顆粒物上進行擴散。醫院室內空氣消毒殺菌是預防和控制感染的關鍵措施。

由于醫院室內空氣消毒工作量比較大，如何高效率進行室內空氣消毒，降低醫務人員的工作負擔，減少人工成本和時間成本，成為了醫院運營過程中亟待解決的問題。另一方面由于新冠疫情的影響，醫院各區域更加需要高頻次全面消毒，進一步增加了消毒工作量。雖然目前疫情已經得到了全面控制，但仍然有局部地區出現疫情反復情況，并且有醫務人員被新冠病毒感染，因此醫院需要繼續加強防疫措施，嚴格落實疫情防控常態化管理。醫院傳統的人工消毒方式難以滿足迅速增加的常態化消毒需求，并且存在將消毒人員暴露在新冠病毒之下的風險，如何采用智能化技術解決這個難題變得日益重要。

3.5G 融合通風控制

3.1 5G 通風控制概述

隨著5G 網絡大規模推廣，大數據傳輸與分析決策已經變得越來越快捷，從而萬物互聯成為可能。基于5G 網絡，室內位置數據的時空變化和快速更新使得定位數據信息形成了具有實際應用價值的重要資源。對室內人員的準確定位不僅可以為醫務人員和患者提供便利服務，同樣可以實現對各種設備高效管理。室內通風設備可以根據實時人員數量變化進行控制，從而將節能減排落到實處（圖1）。

圖1 智慧醫院5G 室內人流定位

3.2 醫院室內5G 融合定位

室內定位技術包括5G 蜂窩定位、藍牙定位、Wi-Fi 定位、UWB 定位等多種技術方案。為了能提供更精確的醫院室內人流定位數據，5G 技術可以結合其它定位技術進行效率提升，其中藍牙定位技術和Wi-Fi定位技術是比較合適的選擇，兩者均可以與5G 網絡系統共同部署和維護，運行成本較低，手機藍牙和Wi-Fi 路由器也已經全面商業化。通過5G 室內融合定位，可以獲得醫院各區域人員數量的實時變化信息，為通風系統的準確調控提供了基礎（圖2）。

圖2 智慧醫院5G 室內融合定位網絡架構

3.3 BIM 空間匹配分析

通過5G 融合定位之后，每個區域空間的人數實時上傳到醫院私有云平臺，在云平臺儲存的醫院建筑信息模型中包含每個區域空間的三維幾何數據以及通風設備的型號和性能參數等非幾何數據。大數據管理模塊通過對人數、區域空間大小和所需新風量等BIM 信息數據進行匹配分析，將優化調控指令傳送到通風設備的控制系統，從而實現對室內通風的優化控制（圖3）。

圖3 智慧醫院5G 融合通風控制邏輯流程

4.多旋翼無人機空氣消毒

4.1 無人機空氣消毒概述

醫院室內空氣消毒目前基本都是人工操作完成，由于日常需求量較大，空氣消毒工作占用了大量人工成本和時間成本。如何利用智能化技術協助完成空氣凈化工作對于醫院運營具有重要價值。目前無人機已經被越來越廣泛的應用到各個領域，而隨著5G 網絡大規模商業化，無人機的應用效率得到了進一步提升。在醫院普通病房和公共區域內，無人機噴灑消毒液凈化空氣可以有效減少人力資源消耗，消毒過程簡單便捷容易操作，并可以24 小時在線工作，大幅減輕了醫務人員的工作負擔。另外消毒人員也避免了直接暴露在各種病毒之下的風險（圖4）。

圖4 智慧醫院無人機空氣消毒

4.2 多旋翼無人機消毒與監測

無人機結構類型有固定翼型、多旋翼型、傘翼型等，多旋翼無人機用于醫院室內空氣消毒具有明顯優勢。消毒液噴灑到空氣中后，每個旋翼快速旋轉加速了消毒液擴散和霧化，消毒液隨著無人機飛行過程而迅速彌漫到整個室內空間，大幅提升了消毒效率。此外，多旋翼無人機操控性較強，可以垂直起降并且可以懸停在空中，對于室內不同高度不同位置的消毒任務都可以輕松完成。目前普通病房在室內無人時進行消毒通常采用過氧化氫或紫外線照射等方式，但新冠病毒具有強傳染性，無人機在室內無人時進行消毒降低了消毒人員被感染的風險。除了消毒凈化的功能外，無人機可以同時對室內空氣環境進行監測，包括PM2.5、CO2、溫度、濕度等，都可以通過無人機攜帶的傳感器進行實時監測，這樣的監測方式比在室內固定點設置監測儀器結果更加準確(圖5)。

圖5 智慧醫院多旋翼無人機控制系統架構

4.3 BIM 飛行路線規劃

醫院室內空間區域的幾何數據均存儲在建筑信息模型中，無人機在執行消毒任務前，可通過醫院私有云平臺提取目標區域的BIM幾何數據，并選擇最近的飛行路線。在連續執行多個任務時，可根據不同目標區域位置對任務的先后順序進行排序，以選擇最優化的飛行路線，確保在最短的飛行時間內完成工作任務。在目標區域進行消毒時，可根據區域空間大小和區域形狀的BIM 幾何數據，設置不同的飛行路線，確保噴灑出的消毒液可覆蓋整個區域（圖6）。

圖6 智慧醫院多旋翼無人機空氣消毒邏輯流程

5.總結

醫院建筑作為具有特殊功能的人員密集型公共建筑，其室內空氣質量問題一直困擾著廣大患者和醫務工作者。本文對醫院室內空氣凈化進行了研究探討，包括通風系統和消毒措施兩個方面，提出了基于智慧醫院建設的室內空氣凈化方案，包括5G 融合通風控制和多旋翼無人機空氣消毒，方案將智能化技術與醫院建筑信息模型深度結合，為提升醫院室內空氣質量提供了高效的解決措施。