負(fù)壓病房防護(hù)通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及影響因素分析

劉字峻 池燕燕 艾 帥 潘嘉信

（1.中建中原建筑設(shè)計(jì)院有限公司 鄭州 450004；2.河南東森市政工程有限公司 鄭州 450004）

0 引言

本文以鄭州市第一人民醫(yī)院應(yīng)急傳染病醫(yī)院和三門峽第二傳染病醫(yī)院為例，總結(jié)了負(fù)壓隔離病房防護(hù)通風(fēng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，希望為同類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供一定的參考意義。

1 負(fù)壓隔離病房防護(hù)通風(fēng)設(shè)計(jì)的意義

根據(jù)醫(yī)學(xué)臨床經(jīng)驗(yàn)和研究表明，Covid-19，SARS 等呼吸道傳染病主要傳播途徑為接觸傳播、飛沫傳播、氣溶膠傳播、母嬰傳播等[1]。負(fù)壓隔離病房的防護(hù)通風(fēng)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三種防止病毒傳播的功能：（1）有效的壓力梯度—嚴(yán)防帶菌氣體的泄露；（2）合理的換氣次數(shù)—稀釋房間帶菌氣體濃度；（3）合理的氣流組織—降低醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)。防護(hù)通風(fēng)系統(tǒng)對降低污染源擴(kuò)散范圍，稀釋病區(qū)污染物濃度，減少醫(yī)護(hù)工作人員感染風(fēng)險(xiǎn)有著重要的作用，是防止負(fù)壓隔離病區(qū)各類呼吸道傳染病毒傳播的重要手段。

2 建筑功能分區(qū)布置和人員流線

建筑一般按照“三區(qū)兩通道”布局，分別設(shè)置清潔區(qū)（包含醫(yī)辦、護(hù)辦、值班、會診、示教等功能），潛在污染區(qū)（護(hù)士站、處置室、治療室、醫(yī)護(hù)走道等）、污染區(qū)（負(fù)壓隔離病房、患者走道），且在清潔區(qū)與潛在污染區(qū)、污染區(qū)與潛在污染區(qū)設(shè)置緩沖間[2]。負(fù)壓隔離病房人流流線及“三區(qū)兩通道”如圖1、2 所示。

圖1 負(fù)壓隔離病房醫(yī)生、患者流線Fig.1 Doctors and patients streamline in negative pressure isolation ward

圖2 中有兩個(gè)區(qū)域值得注意：（1）為了方便醫(yī)護(hù)人員和患者進(jìn)入治療區(qū)，建筑一般把治療室、檢查室等治療功能設(shè)置于護(hù)士站與患者走道之間，并且把這部分區(qū)域劃分為潛在污染區(qū)。根據(jù)負(fù)壓隔離病房日常管理規(guī)定，一般不允許病人進(jìn)入醫(yī)護(hù)走道，但治療區(qū)卻是病人可以進(jìn)入的區(qū)域，因此筆者認(rèn)為相對醫(yī)護(hù)走道，治療室、處置室等房間的交叉感染風(fēng)險(xiǎn)比較大，這些區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)，建議相對于醫(yī)護(hù)走道保持一定的負(fù)壓梯度。（2）醫(yī)護(hù)人員經(jīng)醫(yī)護(hù)走道、病房、患者通道、脫衣后返回時(shí)有兩個(gè)流線，一個(gè)流線是經(jīng)清潔區(qū)的退出流線，另一個(gè)流線是進(jìn)入護(hù)士站的返回流線。

圖2 負(fù)壓隔離病房“三區(qū)兩通道”及醫(yī)生、患者進(jìn)出流線Fig.2 Three zones and two channels and doctors and patients streamline in negative pressure isolation ward

建筑的功能分區(qū)劃分和流線布置是判斷氣流流向和壓力梯度的基本依據(jù)，是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理的關(guān)鍵，因此暖通專業(yè)對建筑功能分區(qū)的設(shè)置和人流流線必須有足夠的了解，以確保氣流流向的合理性和壓力梯度的準(zhǔn)確度，從而能夠降低交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，有效保護(hù)醫(yī)護(hù)人員。

3 負(fù)壓隔離病房通風(fēng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及影響因素分析

負(fù)壓隔離病房各房間風(fēng)量計(jì)算分六個(gè)步驟：（1）確定壓力梯度；（2）確定換氣次數(shù)；（3）計(jì)算滲透風(fēng)量；（4）計(jì)算房間送、排風(fēng)量；（5）分析其他風(fēng)量計(jì)算影響因素；（6）確定風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

3.1 壓力梯度的確定

負(fù)壓隔離病房各區(qū)域的壓力梯度是防護(hù)通風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，負(fù)壓值過小不能有效阻止污染區(qū)空氣向清潔區(qū)擴(kuò)散；負(fù)壓值過大會引起風(fēng)量增加，導(dǎo)致設(shè)備容量及管道尺寸增大，系統(tǒng)投資和能耗增加。目前各個(gè)國家對負(fù)壓隔離病房負(fù)壓梯度執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)差異性較大，澳大利亞傳染病控制常務(wù)委員會給出的壓力梯度需滿足＞10Pa，其中病房負(fù)壓值為-45±5Pa，病房衛(wèi)生間為-30±5Pa，緩沖間的負(fù)壓值為-15±5Pa；美國ASHRAE Standard 170-2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求相對潔凈的空間與鄰室最小壓差為2.5Pa[3]；我國《醫(yī)院隔離技術(shù)規(guī)范》規(guī)定病室負(fù)壓值宜為-30Pa，緩沖間負(fù)壓值宜為-15Pa[4]；《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定負(fù)壓隔離病房與其相鄰房間、緩沖、走廊壓差應(yīng)不小于5Pa；《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》進(jìn)一步采用示意圖的方式明確了各功能區(qū)的壓力梯度[5]，各功能分區(qū)的壓力梯度取值如圖3 所示。

國內(nèi)近兩年設(shè)計(jì)的負(fù)壓隔離病房，壓力梯度一般按照《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》的壓力梯度取值。由圖2 和圖3 對比可知，《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》沒有明確治療區(qū)和護(hù)士站的壓力梯度，考慮治療區(qū)是醫(yī)患流線交叉的區(qū)域，筆者建議治療區(qū)按照相對于護(hù)士站-5Pa 的壓差設(shè)計(jì)，護(hù)士站與醫(yī)護(hù)走道壓差值取值可以統(tǒng)一，但建議中間加設(shè)緩沖間。

圖3 各功能分區(qū)壓力梯度示意Fig.3 Schematic diagram of pressure gradient in each functional zone

3.2 換氣次數(shù)的確定

任何房間都遵循風(fēng)量平衡的基本原則，即送風(fēng)量+∑滲入風(fēng)量=全面排風(fēng)量+局部排風(fēng)量+∑滲出風(fēng)量。為了有效稀釋房間帶菌氣體濃度，保證通風(fēng)效果，一般正壓房間的全面排風(fēng)量，負(fù)壓房間送風(fēng)量按照換氣次數(shù)計(jì)算。各區(qū)域換氣次數(shù)參照《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]和《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》[5]，詳見列表1。

表1 負(fù)壓隔離病房計(jì)算風(fēng)量Table 1 Calculated air volume of negative pressure isolation ward

3.3 滲透風(fēng)量計(jì)算

滲透風(fēng)量的理論計(jì)算公式來自《流體力學(xué)》中孔口淹沒出流的伯努利方程[7]，公式如下：

滲透風(fēng)量包含以下三種：（1）門窗縫隙、圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙造成的漏風(fēng)量，（2）開關(guān)門引起的漏風(fēng)量，（3）開關(guān)傳遞窗引起的漏風(fēng)量。前面表1 中給出的各個(gè)區(qū)域的壓差指的是房間的靜態(tài)壓差，即不考慮開關(guān)門和傳遞窗引起的漏風(fēng)，這些漏風(fēng)在壓力梯度要求嚴(yán)格的房間之間，需要通過設(shè)置緩沖間等動態(tài)隔離措施來保證。

滲透風(fēng)量有縫隙法、壓差法和換氣次數(shù)法三種計(jì)算方式，分別如下：

公式中各參數(shù)代表的含義及單位如表2 所示。

表2 滲透風(fēng)量參數(shù)含義及對應(yīng)數(shù)據(jù)Table 2 Meanings and corresponding data of infiltration air volume parameters

續(xù)表2 滲透風(fēng)量參數(shù)含義及對應(yīng)數(shù)據(jù)

以鄭州市第一人民醫(yī)院應(yīng)急傳染病醫(yī)院負(fù)壓隔離病房為例，建筑有南北兩側(cè)對稱布置的16 間病房，一側(cè)污染走道共有4 扇外窗，1 個(gè)室外疏散門，兩端緩沖對稱布置，房間均采用長寬高3m×6m×2.8m 的箱式板房拼裝而成，各區(qū)域門窗尺寸如圖4 所示。

圖4 負(fù)壓隔離病房示意圖Fig.4 Schematic diagram of negative pressure isolation ward

以一個(gè)尺寸為1.2m×2.1m 的雙扇非密閉門為例，采用上述四個(gè)公式分別計(jì)算出的典型門窗滲透風(fēng)量對比結(jié)果如表3 所示。

由表3 對比可知，采用不同的計(jì)算方法，結(jié)果差異性非常大，在實(shí)際項(xiàng)目中，筆者建議依據(jù)公式5 進(jìn)行滲透風(fēng)量計(jì)算，原因見本文后續(xù)分析。

以隔離病房為例，由公式（5）計(jì)算出來的滲透風(fēng)量詳見表4。

表4 隔離病房通風(fēng)量計(jì)算匯總Table 4 Summary of ventilation calculation in isolation ward

3.4 房間送、排風(fēng)量計(jì)算

房間換氣次數(shù)和滲透風(fēng)量確定后，即可按照圖2、圖3 中各區(qū)域壓力梯度要求，按照風(fēng)量平衡公式，進(jìn)一步計(jì)算房間送、排風(fēng)量。

房間風(fēng)量計(jì)算時(shí)，有以下三種類型房間：（1）相對周邊區(qū)域均為正壓的房間，滲入風(fēng)量為零，公式簡化為：送風(fēng)量=全面排風(fēng)量+局部排風(fēng)量+∑滲出風(fēng)量；（2）相對周邊區(qū)域均為負(fù)壓的房間，滲出風(fēng)量為零，公式簡化為：全面排風(fēng)量=送風(fēng)量-局部排風(fēng)量-∑滲入風(fēng)量；（3）介于上述兩種情況的房間，既有相對正壓房間的滲入風(fēng)量，又有相對負(fù)壓房間的滲出風(fēng)量，需要按公式分別計(jì)算。

仍以鄭州市第一人民醫(yī)院應(yīng)急傳染病醫(yī)院隔離病房為例，根據(jù)《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，隔離病房最小換氣次數(shù)需按12 次/h 計(jì)算，根據(jù)風(fēng)量平衡公式：送風(fēng)量+∑滲入風(fēng)量=全面排風(fēng)量+局部排風(fēng)量+∑滲出風(fēng)量

采用上述計(jì)算方法，經(jīng)過計(jì)算，各房間通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5 所示。

表5 各房間通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of ventilation calculation results of each room

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果對比分析，在負(fù)壓隔離病房各房間通風(fēng)量計(jì)算時(shí)，有以下幾個(gè)問題需要注意：

（1）計(jì)算公式的選取。《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的送排風(fēng)之間150m3/h 的差值是基于2.5Pa 的壓差且圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封好的情況下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，公式（4）也是上述情況；而公式（2）、（3）出自門窗嚴(yán)密性要求較高的潔凈廠房或者手術(shù)室。根據(jù)《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》及衛(wèi)健委文件要求，負(fù)壓隔離病房要盡可能考慮自然通風(fēng)，門窗嚴(yán)密性達(dá)不到（2）～（4）所適用場合，因此筆者建議依據(jù)公式（5）對負(fù)壓隔離病房進(jìn)行滲透風(fēng)量計(jì)算。

（2）正負(fù)壓房間風(fēng)量計(jì)算。對于規(guī)范有明確換氣次數(shù)要求的房間，為了稀釋房間帶菌氣體濃度，減少感染風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)房間為負(fù)壓時(shí)，以換氣次數(shù)作為送風(fēng)量計(jì)算依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)量平衡計(jì)算排風(fēng)量，如表4 所示。正壓房間則計(jì)算方式相反。

（3）滲透風(fēng)量對送、排風(fēng)量的影響。由表5計(jì)算可知，醫(yī)生走道滲出風(fēng)量遠(yuǎn)大滲入風(fēng)量的房間，雖為負(fù)壓房間，但僅需送風(fēng)即可滿足相對負(fù)壓要求。因此，對于與其他區(qū)域有大量門窗相連的公共空間，滲透風(fēng)量會起到主導(dǎo)作用。

3.5 影響風(fēng)量計(jì)算的其他因素分析

計(jì)算風(fēng)量確定后，在進(jìn)行風(fēng)機(jī)風(fēng)量選型前，還需要考慮其他不可見縫隙、管道連接方式、過濾器阻力變化等因素對風(fēng)機(jī)選型影響，從而最終確定送、排風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓。

3.5.1 其他不可見縫隙對滲透風(fēng)量的影響

除門窗縫隙外，房間還存在一些其他諸如墻體、吊頂、管道等縫隙。這些縫隙對于施工周期和施工質(zhì)量有保證的項(xiàng)目，可能不會對風(fēng)量計(jì)算有較大影響。但如果受建設(shè)周期影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式不夠嚴(yán)密，管道密封不到位，這類縫隙會導(dǎo)致房間壓力梯度達(dá)不到預(yù)期效果。以鄭州市第一人民醫(yī)院應(yīng)急傳染病醫(yī)院為例，建筑采用箱式板房結(jié)構(gòu)，房間吊頂為扣板吊頂，圖5 為負(fù)壓隔離病房與緩沖之間壓差表在病房圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙采用密封處理前后的對比，處理前后壓差增加了5Pa（圖中為正壓表，調(diào)試時(shí)設(shè)定30pa 為基準(zhǔn)值），可見圍護(hù)結(jié)構(gòu)密封性對滲透風(fēng)量的影響之大。

圖5 病房圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙處理前后壓差值變化Fig.5 Change of pressure difference before and after treatment of cracks in ward envelope

3.5.2 風(fēng)管連接方式漏風(fēng)率對通風(fēng)量的影響

可用作通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管材質(zhì)包含金屬風(fēng)管、非金屬風(fēng)管和復(fù)合金屬風(fēng)管；風(fēng)管板材連接方式根據(jù)風(fēng)管材質(zhì)的不同可采用咬口連接、焊接和膠接等多種形式，風(fēng)管連接形式有角鋼法蘭連接、共板法蘭連接、承插連接等形式。《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》對排放含有害化學(xué)氣溶膠和致病生物氣溶膠空氣的風(fēng)管的連接方式、風(fēng)管嚴(yán)密性要求、漏風(fēng)率均有明確要求。但《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》對負(fù)壓隔離病房潔凈度等級及風(fēng)管連接方式均未做明確要求，因此筆者參與設(shè)計(jì)的兩個(gè)醫(yī)院均采用熱鍍鋅鋼板風(fēng)管共板法蘭連接，受加工方式和時(shí)間周期影響，后期進(jìn)行嚴(yán)密性實(shí)驗(yàn)時(shí)，均不甚理想。因此筆者建議風(fēng)管連接有條件時(shí)盡量采用角鋼法蘭連接，設(shè)備選型計(jì)算時(shí)可在計(jì)算風(fēng)量的基礎(chǔ)上，參照《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的1.2 的系數(shù)考慮漏風(fēng)率。

3.5.3 過濾器阻力變化對通風(fēng)量影響

負(fù)壓隔離病區(qū)各房間過濾器配置如表6 所示。各級過濾器的初、終阻力詳見國家標(biāo)準(zhǔn)《空氣過濾器》和《高效空氣過濾器》[11,12]。過濾器的阻力隨迎面風(fēng)速和積塵量的增加而增大，過濾器阻力變化對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響示意如圖6 所示。計(jì)算過濾器阻力時(shí)，《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定按過濾器的終阻力計(jì)算[6]，《潔凈室及其受控環(huán)境設(shè)計(jì)》建議按照初阻力加一定數(shù)值或者2 倍初阻力計(jì)算[9]。為了保證負(fù)壓隔離病區(qū)各房間壓差值，筆者建議按照過濾器終阻力選取，并在送、排風(fēng)支管輔以定風(fēng)量閥。

表6 負(fù)壓隔離病房過濾器配置Table 6 Filter configuration of negative pressure isolation ward

圖6 過濾器阻力變化對風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響Fig.6 Influence of filter resistance change on fan air volume

3.5.4 氣流組織對通風(fēng)量影響

負(fù)壓隔離病房防護(hù)通風(fēng)有兩個(gè)主目的：（1）通過在各區(qū)域設(shè)置合理的壓力梯度，防止帶菌氣體的泄漏；（2）通過合理的送、排風(fēng)風(fēng)口位置和不同形式組合，在換氣次數(shù)確定的前提下，創(chuàng)建合理的氣流組織形式，有效稀釋房間帶菌氣體濃度，減少帶菌氣溶膠的無序流動和二次污染，達(dá)到事半功倍的效果。

本文在鄭州市第一人民醫(yī)院應(yīng)急傳染病醫(yī)院風(fēng)口布置形式（兩個(gè)百葉風(fēng)口頂送，一個(gè)排風(fēng)口側(cè)下排）的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整送、排風(fēng)口數(shù)量、角度及位置，經(jīng)過氣流組織模擬，最終得出較為理想的氣流組織形式。風(fēng)口布置形式及其氣流組織模擬結(jié)果如圖7 所示。這種氣流組織形式，有效的降低了送風(fēng)流線過長、易產(chǎn)生渦流的問題，且風(fēng)口角度的設(shè)置，有利于新鮮空氣送入醫(yī)護(hù)人員頭部，經(jīng)患者呼吸區(qū)排至排風(fēng)口，有效的提高了通風(fēng)效率。這種氣流組織形式在三門峽第二傳染病醫(yī)院得到采用并取得了一定的實(shí)際效果。

圖7 風(fēng)口布置形式及其氣流組織模擬Fig.7 Simulation of tuyere layout and air distribution

3.6 風(fēng)機(jī)風(fēng)量的確定

經(jīng)過以上分析，風(fēng)量的選擇需要綜合考慮壓力梯度、滲透風(fēng)量、管道連接方式、過濾器阻力等各種因素的影響，并結(jié)合醫(yī)院建設(shè)周期帶來的不確定因素（風(fēng)機(jī)實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)有出入等因素），綜合考慮后確定。值得說明的是，考慮后期運(yùn)行成本控制及節(jié)能要求，風(fēng)機(jī)建議選用變頻風(fēng)機(jī)，以實(shí)現(xiàn)病房的平疫轉(zhuǎn)換運(yùn)行。

4 結(jié)語

鄭州市第一人民醫(yī)院應(yīng)急傳染病醫(yī)院和三門峽第二傳染病醫(yī)院均為筆者參與設(shè)計(jì)建造的負(fù)壓隔離病房項(xiàng)目。經(jīng)過兩個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

（1）負(fù)壓隔離病房壓力梯度的確定與建筑功能流線有密不可分的聯(lián)系，暖通設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，除了依據(jù)規(guī)范規(guī)定外，尚應(yīng)對建筑房間功能及其交叉感染風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行足夠的分析避免部分規(guī)范無明確規(guī)定的區(qū)域壓力梯度時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)量偏小或者壓差不對，加大醫(yī)護(hù)人員感染風(fēng)險(xiǎn)。

（2）房間計(jì)算風(fēng)量受壓力梯度、滲透風(fēng)量、管道連接方式、過濾器阻力等各種因素的影響，在風(fēng)機(jī)風(fēng)量及機(jī)外余壓選擇時(shí)，要進(jìn)行綜合判定并保證適當(dāng)余量，以免因風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致后期調(diào)試無法達(dá)到預(yù)期效果。

希望通過兩個(gè)負(fù)壓隔離病房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的對比分析和總結(jié)，為以后的負(fù)壓隔離病房設(shè)計(jì)提供一定的參考意義。