武漢常福醫院空調壓差控制設計

劉付偉 夏旭輝 陳焰華 昌愛文 黃杜釵 萬東東 朱君隆

（中信建筑設計研究總院有限公司 武漢 430014）

0 引言

2020年新冠病毒全球大流行，收治新冠病毒醫療資源嚴重不足，傳染病醫療資源遭遇擠兌，人民生命財產損失慘重，按照國家發展改革委、國家衛生健康委、國家中醫藥局制定的《公共衛生防控救治能力建設方案》[1]，國家緊急發行抗疫專項債，新建、改擴建大量醫院，平時作為普通醫院使用，疫情暴發期間作為傳染病房使用，補齊醫療資源短板。常福醫院是武漢市為了完善重大疫情防控機制，提高公共衛生工作水平，統籌規劃開工建設的公共衛生應急管理基礎設施的平疫結合醫院之一。

1 工程概況

武漢常福醫院位于武漢市蔡甸區，為武漢市公共衛生應急管理體系基礎設施建設項目之一，處于醫療資源薄弱的新城區，周邊無住宅用地，主要是物流倉儲用地。總建筑面積約220721m2，其中地下約81701m2，地上約139020m2，由門診樓、醫技樓、感染樓、后勤樓、住院樓組成，感染樓設置有100 張床位，住院樓設置有900 張床位。平時為綜合醫院，三級疫情響應時啟用感染樓，二級疫情響應時啟用住院樓、急診樓、醫技樓，一級疫情響應時再啟用北側預留空地建設1000 張傳染病床位。

普通綜合醫院除了感染科及部分醫技科室外，絕大部分區域只有相對的潔污分區，送風大于排風或者只送不排保持清潔區相對正壓，排風大于送風或者只排不送保持污染區相對負壓，對壓差沒有嚴格規定。應對疫情的平疫結合醫院按呼吸道傳染病醫院標準設計和建設，與普通綜合醫院相比是按照傳染病醫院的院感控制要求設計有“三區兩通道”和嚴格的醫患、潔污物理隔離和分流，對醫院室內環境來說主要是在新、排風需求和房間壓力梯度控制上存在差別，可以根據傳染病的控制要求快速進行平疫轉換。

平疫結合醫院“平疫結合”區應符合現行國家標準《傳染病醫院建筑設計規范》GB 50849[2]的有關規定，進行嚴格的物理隔離和潔污分區，即清潔區、半污染區、污染區，并且各區應保持嚴格的壓力梯度要求，即各相鄰相通空間不小于5Pa 的壓差。

2 壓差計算方法

現行的國家標準、教材關于壓差計算方法，主要有四種方式，分別如下。

2.1 《潔凈廠房設計規范》GB 50073 計算方法

根據《潔凈廠房設計規范》GB 50073 第6.2.3條，“潔凈室維持不同的壓差值所需的壓差風量，根據潔凈室特點，宜采用縫隙法或換氣次數法確定”[3]。

2.1.1 縫隙法

縫隙法宜按下式計算：

式中：Q 為維持潔凈室壓差值所需的壓差風量，m3/h；a 為根據圍護結構氣密性確定的安全系數，可取1.1～1.2；q 為當潔凈室為某一壓差值時，其圍護結構單位長度縫隙的滲漏風量，m3/h·m，詳見表1；L 為圍護結構的縫隙長度，m。

表1 圍護結構單位長度縫隙的滲漏風量Table 1 Air leakage of unit length gap of enclosure structure

續表1 圍護結構單位長度縫隙的滲漏風量

2.1.2 換氣次數法

換氣次數法，宜按下列數據選用：壓差5Pa 時，取1 次/h～2 次/h；壓差10Pa 時，取2 次/h～4 次/h。

2.2 《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251 計算方法

根據《建筑防煙排煙系統技術標準》GB 51251第3.4.7 條規定，門開啟時，規定風速值下的其他門漏風總量應按下式計算[4]：

式中：A 為每個疏散門的有效漏風面積，m2；疏散門的門縫寬度取0.002m~0.004m；△P 為計算漏風量的平均壓力差，Pa；n 為指數（一般取n=2）；1.25 為不嚴密處附加系數；N2為漏風疏散門的數量。

2.3 《工業通風》中計算方法

教材《工業通風》中第七章關于風壓的計算公式[5]：

式中：μ為流量系數，一般取值0.3~0.5；ΔP為計算漏風量的平均壓力差，Pa；F 為縫隙面積，m2；ρ為空氣密度，取1.2kg/m3。

2.4 不同計算方法討論

換氣次數法根據不同壓差，漏風量選用不同的換氣次數，風量范圍較為寬泛，帶來的誤差相對較大。以壓差5Pa 為例，對于同樣開設一個1.2m×2.1m單扇門、吊頂高度為3m 的房間來說，面積為15m2與30m2的兩個房間，按照換氣次數2 次/h 計算，漏風量分別為90m3/h、180m3/h，漏風量相差一倍，而實際上兩者漏風量應相同，可見換氣次數法誤差太大。

其余三種計算方法公式（1）~（3），以1.2m×2.1m 的單扇門為例，計算結果詳見表2。

表2 兩種公式計算結果對比Table 2 Comparison of calculation results of two formulas

從上述結果對比可以看出，公式（1）的計算結果與公式（2）在縫隙寬度取值0.0025m 時結果相近，最小誤差為0，最大誤差為8.6%；公式（3）的計算結果與公式（2）在同樣的縫隙寬度情況下，不同壓差情況下誤差趨于一致性，均為11.5%；經計算，當公式（3）中流量系數μ取值0.452 時，兩者誤差基本為0。

公式（1）中單位長度縫隙滲漏空氣量用公式計算是比較困難的，表1是通過不同形式的門、窗進行多次試驗的數據統計后得出的，門窗形式及密封與以往均有較大變化，公式（1）理論性不強；公式（2）中的變量僅有縫隙面積，公式（3）除了附加系數，變量也僅有縫隙面積，所以公式（2）和（3）計算方法更為嚴謹。本項目為平疫轉換醫院，均為非密閉門，計算方法采用公式（2），根據《防火門》GB12955-2008[6]規定：門扇與上框的配合活動間隙不應大于3mm，雙扇、多扇門的門扇之間縫隙不應大于3mm，門扇與下框或地面的活動間隙不應大于9mm，考慮安裝工藝及后期使用情況，參考公式（2）的取值范圍，本項目縫隙寬度取0.004m，對于潔凈度要求較高的且采用密閉門的場所，縫隙寬度可以適當取小。

3 “三區”送、排風量關系

本項目疫情使用的病區按照“三區兩通道”設計，“三區”為清潔區、半污染區、污染區，“兩通道”為醫務人員通道和病人通道。清潔區維持正壓，送風量大于排風量，污染區維持負壓，送風量小于排風量，對半污染走道而言，壓力值維持-5Pa，機械排風量是否一定大于機械送風量呢？由上述公式（2）可知，在相同的壓差梯度下，滲透風量僅與門的有效漏風面積有關，所以半污染區走道送風量與排風量存在以下三種關系：

（1）當清潔區通向半污染區走道門的有效漏風面積等于半污染區走道通向污染區門的有效漏風面積時，從清潔區滲透到半污染區走道的風量等于半污染區走道滲透到污染區的風量，此時半污染區走道的排風量等于自身換氣次數風量，即排風量等于送風量；

（2）當清潔區通向半污染區走道門的有效漏風面積大于半污染區走道通向污染區門的有效漏風面積時，從清潔區滲透到半污染區走道的風量就會大于半污染區走道滲透到污染區的風量，此時半污染區走道的排風量等于自身換氣次數風量加上滲透風量差額，即排風量大于送風量；

（3）當清潔區通向半污染區走道門的有效漏風面積小于半污染區走道通向污染區門的有效漏風面積時，從清潔區滲透到半污染區走道的風量就會小于半污染區走道滲透到污染區的風量，此時半污染區走道的排風量等于自身換氣次數風量減去滲透風量差額，即走道排風量小于送風量。

對于半污染區走道排風量很多設計人存在誤區，根據壓力值-5Pa 控制要求按照常識設計為排風量大于送風量。從上述分析可知，此區域送、排風量關系是不確定的，必須根據實際情況進行計算。圖1 為醫技樓影像科半污染區平面布置圖，以此為例來計算風量，計算結果如表3 所示。

圖1 醫技樓半污染區平面布置圖Fig.1 Layout plan of semi polluted area of Medical technology building

表3 醫技樓半污染區（潛在污染區）風量計算表Table 3 Calculation of air volume in semi polluted area of Medical technology building

單個房間的風量平衡計算公式為：新風量+滲進風量=排風量+滲出風量。圖1 中庫房排風量大于送風量，衛生間、清潔間只排不送，差額風量由通過門由走道滲入，由于半污染區（潛在污染區）走道維持壓力-5Pa，所以此三個房間壓力會比走道更低，無需對此類房間壓力進行設定。半污染區（潛在污染區）走道通過緩沖1、緩沖2、緩沖3 滲進風量，通過緩沖4、緩沖5、緩沖6、緩沖7 滲出風量，同時補充庫房、衛生間、清潔間的差額排風量，經過計算滲出風量1403m3/h 遠大于滲進風量639m3/h，此走道不但不設排風系統，還需要進行補風量，且補充量也大于走道的 6 次/h 的換氣次數風量，大額滲出風量將由下一級污染區風機排走。

當系統正常運行時，三區的壓力梯度維持最終是由污染區排風保證的。對于半污染走道送風大于排風量的情況，多余的送風量是由于半污染區與污染區之間的門縫面積大，補充半污染區的滲出風量，半污染區相對于污染區是正壓，但是對于清潔區來說依舊是負壓，即半污染區依然是-5Pa 的壓力。當開啟半污染走道與上一級緩沖區之間的門，此區域壓力梯度會瞬間失效，但是污染區與半污染區之間的滲透風量在正常運行，且清潔區的壓力始終高于緩沖間，所以氣流不會從半污染區經緩沖區到潔凈區。以0923 的門為例，正常情況下即壓差5Pa，緩沖間到半污染區的滲透風量為213m3/h，當整扇門開啟后，以整扇門為縫隙，反算出壓差為0.000764Pa，基本上可以忽略不計，即半污染區與緩沖間的壓力梯度失效，但清潔區的壓力是大于緩沖區的，所以氣流依舊不會到潔凈區。反而，若半污染區無論什么情況都按照排風量大于送風量設計，壓力梯度會失衡，清潔區的清潔度可以保證，但是若半污染區設計排風量過大，有可能造成與污染區沒有壓力梯度甚至壓力梯度相反，污染區的氣流有可能傳到半污染區，而且半污染區的負壓會遠大于設計壓力，壓力梯度失效。

4 典型區域壓差控制設計

4.1 感染樓

感染樓完全按照《傳染病醫院建筑設計規范》[2]設計，空調新風與排風分層、分區設置。門診分設為清潔區、半污染區、呼吸道污染區和非呼吸道污染區4 套送、排風系統。二層及以上分設為清潔區、半污染區、污染區3 套送、排風系統。清潔區新風量按照維持壓力值+5Pa 且不小于3 次/h 換氣次數設計；半污染區、污染區：非呼吸道新風量3 次/h，呼吸道新風量6 次/h，隔離病房新風量12 次/h。

新風機組每層設置，排風機集中設置在屋頂。新、排風機組采用數字化節能空氣處理機組和數字化節能排風機，室內新、排風采用分布式智能適應動力新風、排風模塊。新風模塊根據風量要求動態恒定送風量，排風模塊根據壓差要求動態調整排風量，新風、排風模塊輸出風量數字信號。新風機組根據智能適應動力模塊總風量數據變頻運行。“三區”滲透風量按照公式（2）計算，壓力梯度為：清潔區+5Pa→→緩沖間0Pa→→半污染區-5Pa→→緩沖間-15Pa→→污染區-20Pa，圖2 為感染樓污染區新、排風控制原理圖。

圖2 感染樓污染區新、排風控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of new and exhaust air control in polluted area of Infection building

4.2 住院樓

普通住院樓護理單元有平疫轉換要求，建筑平面按“三區”設置，由于清潔區和半污染區面積較小，平時共用新風機組，新風量均按照維持壓力值+5Pa 且不小于3 次/h 換氣次數設計；疫情時此新風機組切換為僅供清潔區使用，半污染區單獨設置新風機組，按6 次/h 換氣次數設計，此機組平時不使用；污染區（病房區域）設置一臺新風機組，平時按2 次/h 換氣次數，疫情時按6 次/h 換氣次數設計。新風機組分層、分區設置，均設置在清潔區，平時使用的新風機組、清潔區新風機組設置初中效過濾裝置，疫情時使用的半污染區、污染區新風機組設置初中效、亞高效過濾裝置。

排風分層、分區設置，排風機均集中在屋面布置，平時使用的排風機組無過濾裝置，疫情時使用的半污染區、污染區排風機組設置初中效、高效過濾裝置。“三區”滲透風量按照公式（2）計算，壓力梯度為：清潔區+5Pa→→緩沖間0Pa→→半污染區-5Pa→→緩沖間-10Pa→→污染區-15Pa→→病房-20Pa，圖3、圖4 為住院樓病房新風、排風平面布置圖，圖5 為污染區新、排風控制原理圖。

圖3 病房新風、送風平面布置圖Fig.3 Layout plan of fresh air and air supply in ward

圖4 病房排風平面布置圖Fig.4 Layout plan of exhaust air in ward

圖5 住院樓污染區新、排風控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of fresh and exhaust air control in polluted area of Inpatient building

4.3 醫技樓

醫技樓中設置有放療科、影像科、核醫學、ICU、介入中心、檢驗科、輸血科、病理科、手術中心等眾多科室，影像科、ICU 等疫情時均有使用要求，平疫轉換區域按照“三區”設置。清潔區新風按照維持壓力值+5Pa 且不小于3 次/h 換氣次數設計，半污染區和污染區平時按3 次/h 換氣次數設計，疫情時按6 次/h 換氣次數設計，所有區域均單獨設置新風機組。清潔區新風機組設置初中效過濾裝置，疫情時使用的新風機組設置初中效、亞高效過濾裝置。

排風系統同住院樓設置原則一致，分層、分區設置，排風機均集中在屋面布置，平時使用的排風機組無過濾裝置，疫情時使用的半污染區、污染區排風機組設置初中效、高效過濾裝置。“三區”滲透風量按照公式（2）計算，壓力梯度為：清潔區+5Pa→→緩沖間0Pa→→半污染區-5Pa→→緩沖間-10Pa→→污染區-15Pa，圖6 為醫技樓半污染區新、排風控制原理圖。

圖6 醫技樓半污染區新、排風控制原理圖Fig.6 Schematic diagram of new and exhaust air control in semi polluted area of medical technology building

5 影響壓差的主要因素

在實際工程項目中，很多區域壓差無法按照設計要求調試出來，分析主要由以下原因造成：

（1）壓差風量計算有誤

很多工程按照換氣次數法進行風量計算，有些論文也采用換氣次數法、或者縫隙法計算[7-9]，如前文所述，此兩種方式均不如公式（2）和（3）嚴謹，且應摒棄換氣次數計算方法。

（2）風機參數選型不對

末端風量計算完成以后，風機仍需考慮管路漏風量，附加5%~10%的系數，同時風機壓頭應通過計算確定，避免風壓出現偏差。

（3）圍護結構密封不嚴

控制壓差風量的大小與圍護結構的氣密性及維持的壓差值大小緊密相關，除了門縫以外，還有墻體、吊頂等。在實際工程中很多房間采用輕質隔墻，吊頂以上墻體均不隔到頂。吊頂上設置有燈具、設備、檢修孔等，存在大量的縫隙，若隔墻不到頂，則無法保證相鄰房間的壓力梯度。此外管線穿越有壓差要求的隔墻處，不管是否為防火墻均應密封嚴實，以保證圍護結構的嚴密性[7]。

（4）維護管理問題

所有控制壓差的風量均為根據縫隙滲透風量計算的結果，理論上所有門窗均處于關閉狀態，但是實際運行中發現有些病房、走道存在外窗開啟的情況，導致運行工況下無法達到設計壓差。再者新、排風機組長時間運行，過濾器會附著大量污染物，使得兩側壓差增加，有效送、排風量減小，一是增加空調能耗，二是壓差無法達到設計要求，所以應及時清洗、更換過濾器[10]。

6 小結

（1）根據“平疫結合統籌設計，避免平、疫兩套系統共存”[11]及避免大規模拆改、快速投入轉換的原則，所有平時和疫情時風管共用一套系統，通過閥門及設備轉換來滿足平疫轉換的需求。因疫情是非常規狀態，送排風主管風速可以適當提高，減少風管投資，建議主管風速可取10~11m/s。平疫轉換時大部分區域風量相差2 倍，住院病房風量相差3 倍，需要根據平疫具體風量計算壓頭及功率。

（2）設置合理的壓力梯度及有效的壓差控制措施，使空氣只能定向流動，是疫情時控制病毒傳播及保障醫護人員安全的有效措施之一。為了便于系統風量調試和滿足設計要求，有壓差要求房間的風量調節閥均采用定風量閥，對于平時和疫情由于換氣次數不同需要切換的閥門均采用電動控制閥，送風機、排風機均做好聯動控制措施。

（3）所有壓差控制區域均按照門窗縫隙大小選擇較為嚴謹的公式進行風量計算，且有壓力梯度的相鄰隔墻上應設置微壓計。當人員進行三區流動時，開啟緩沖間的門，壓力梯度會失效，閉門后待微壓計壓力值顯示正常時方可開啟下一級的緩沖門。

（4）對于壓差控制而言，要從“三區”作為一個整體的角度來考慮，壓力梯度層層遞進。相鄰壓力梯度房間門窗縫隙決定了滲透風量大小，中間過渡壓力區域可能存在送風量大于排風量的情況，但最終維持壓力梯度的滲透風量還是會由污染區排風機排走，確保定向氣流的實現。