一種車載負壓醫療方艙結構設計及驗證

周文強，譚 偉，施曉松

一種車載負壓醫療方艙結構設計及驗證

周文強，譚 偉，施曉松

（陜西德仕汽車部件（集團）有限責任公司，陜西 西安 710200）

為有效緩解因突發公共衛生事件而導致的醫療資源短缺問題，以達到快速解決輕癥患者收治問題的目的。文章介紹了一種車載負壓醫療方艙，利用專用車輛搭載，能夠滿足醫用方艙其機動性、快速維修性、應急性等方面一直存在的局限性。通過三維數模搭建、總體方案設計、工作原理、方艙結構以及各系統的功能設計，經計算校核風量、制冷、制熱量、光照強度等驗證。結果表明，各項性能符合設計要求，滿足客戶使用需求。

模塊化設計；車載負壓；醫療方艙；專用車；新風系統

公共衛生安全事件會給人民生活帶來嚴重困擾，其具有多點散發的特點，為了緩解醫療資源短缺，國家在多地建立多所方艙醫院，快速有效地解決了確診輕癥患者的收治問題，從而實現最大限度救治患者的目標。方艙醫院在全國公共衛生應急保障中發揮著重要作用，常規方艙醫院建設周期較長，又不適用于臨時性的散發病例隔離收治，而模塊化方艙系統與車輛結合，即可實現拆裝、轉移、多式聯運等作業方式，為車載負壓醫療方艙提供了技術可行性，因此，需對此命題進行進一步深入探究。

1 總體方案介紹

1.1 機動性設計思路及規范要求

車載負壓醫療方艙適配12.4 m骨架車，可實現便捷轉運，具有靈活機動、功能完善、性能可靠、自我保障性強等特點[1]，依據《救護車》（QC/T 457—2013）和《救護車》（WS/T 292—2008）標準要求選擇防護救護型布局結構，以確保滿足設備（包含救護設備）、相對壓強、過濾、效率等方面的規范要求[2]。

1.2 艙體內部結構

艙體內部需具備密封、持續負壓、防雷雨特性，艙體機構、附件需具備通用性和互換性，以便滿足陸運、鐵路轉運，方便快速裝卸。

空氣過濾采用新風系統，每個區域設置獨立進風口（單向氣流），采用“初效—中效—高效”三級過濾方案，上送下排，以確保其對艙內氣態污染物中的病毒等細菌氣體進行過濾凈化，從而達到患者治療所需的醫療條件標準。內部空氣靜壓差、新風量、溫濕度等應可調整，所有艙門選用氣密門，門鎖要有互鎖功能，保證每次只能打開一扇門，同時設置自救解鎖按鈕，緊急狀態下可解除門互鎖及鎖定逃生。門上設置限位裝置，并將其安裝在門上沿，此結構形式具備抗風能力，限位裝置在艙壁及艙門上的安裝位置具有足夠的剛度，內部設置埋鐵，其與艙壁及艙門內部的骨架連接可靠，同時艙門開啟角度不小于 110°。

2 方艙系統結構方案設計

2.1 組成及功能

車載負壓醫療方艙用于突發性公共衛生安全事件，能快速有效地收治確診輕癥患者，并根據每位患者的具體情況進行轉運、隔離、治療等，以改善醫療資源不足的現狀，轉運過程中可以有效地阻斷病毒傳播，同時保護醫務人員的健康安全。

車載負壓醫療方艙主要由方艙結構系統、新風空氣處理系統、消殺系統、智能控制系統、廢物收集設備、配套醫療設備六個部分組成，其中方艙結構系統用于提供負壓密閉廂體，為病患及醫護人員提供居住環境，同時為醫療設備提供安裝平臺和空間，滿足設備承載要求；新風空氣處理系統為廂體內部提供安全新鮮的空氣，并對排氣進行過濾；消殺系統用于對隔離服等進行消毒殺菌；智能控制系統用于對氧氣供給、隔離門的互鎖、艙內醫療器械及設備及的啟停及狀態進行檢測和控制；廢物收集設備用于收集醫療污染物；配套醫療設備用于對隔離病患提供日常監護和急救。

2.2 新風系統工作原理

新風系統工作原理如圖1所示。外界空氣經安裝于設備間的新風機組過濾器進行過濾，確保進氣中已不再含有病毒、細菌可傳染物質，冬季時過濾器空氣進入加熱器進行加熱；夏季時，過濾后空氣進入安裝于設備間的冷凝器進行冷卻，春秋兩季根據情況自行選擇調整，過濾后氣體進入新風機組，經風道被送至病房區和休息間，風量根據具體需要調整后進入室內。病房、休息間空氣經過濾后再排出外界。

圖1 新風系統工作原理示意圖

2.3 整車技術性能參數設計

整車嚴格遵守《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值》（GB 1589—2016）[3]、《機動車運行安全技術條件》（GB 7258—2017）標準[4]的相關要求，外形尺寸滿足國際標準集裝箱尺寸的相關規定。車載負壓醫療方艙必須滿足1～4名患者及配套醫護人員同時轉運、隔離、治療的需求，同時具備不少于8 h的氧源儲備（17 L/min的氧氣供應量），對粒徑為0.25 μm的微粒氣溶膠過濾率大于99.96%，同時對艙內氣態污染物（含排放物）中病毒細菌凈化率達到99.99%，各功能區的微風速應小于0.26 m/s，其中感染源上方的微風速應0.1～0.26 m/s。

2.4 整體及各部件裝配方式

方艙六塊箱板裝配方式，以及角件和角形件的連接方式均采用標準結構設計，艙門、安全門及采光窗采用通用化、模塊化設計，可實現多式聯運定點投放，運抵目的地后簡單進行維修安裝即可快速投入使用。病房區設置安裝病床固定接口，該接口易于實現病床與方艙底板快速對接固定且易于拆裝，同時該接口可對接兩把舒適性強的座椅，以方便將病床改裝成座椅，從而實現轉運輕癥患者的目的，提高后期更換病床或座椅的作業效率。

3 方艙內部結構及整箱布局設計

3.1 方艙內部各區域箱板結構

方艙內部各區域箱板結構采用冷藏保溫車現有成熟技術結構，內部預埋高強度結構型材作為整艙骨架，中間為聚氨酯保溫材料，內外部使用高強度復合材料作為壁板，方艙各個頂點加裝8個集裝箱角件用于實現吊裝、運輸鎖止、固定、承載等作業。

3.2 整體強度、氣密性和機體散熱性

方艙內部各區域隔斷加裝加強立柱，防止振動后因受外力沖擊引起的氣密性失效，病房區域左右兩側各設置兩個密封窗。設備間、排氣機組區域底板以及與外部連接部分無需安裝保溫層，且墻體需安裝通風散熱裝置。

3.3 分區及布局

設備間用于布置安裝不間斷電源（Uninterrup- tible Power Supply, UPS）、新風系統機組、過氧發生器、汽油發電機組等；儲物間用于安裝儲存輔助醫療設備；病房區用于患者隔離、治療、休息等；消殺區用于布置安裝消殺設備，對醫護人員出入病區進行消殺作業；更衣室用于醫護人員進出病區更換防護服、防護裝備；休息區用于醫護人員的休息、觀察病房患者實時動態；排氣以及氧氣機房、配電機房用于儲氧供氧、排氣機組和整艙配電設備的布局安裝。車載負壓醫療方艙設備布局如圖2所示。

1—冷凝機組；2—UPS不間斷電源；3—新風機組；4—汽油發電機；5—輔助醫療設備；6—陪護椅；7—病床；8—地漏；9—排氣機組；10—電氣柜；11—氧氣柜；12—干式座便器；13—吸氧面板及對講系統；14—消殺設備；15—吊頂及電氣線路；16—座椅；17—折疊桌；18—監控顯示屏。

4 分系統設計

4.1 電、氣、液模塊化設計

1）方艙的電路全部采用線槽式的明線結構，在遇到突發情況或后期需要臨時改造時，可快速拆裝并重新布置安裝，同時采用集中控制設計理念、人機工程設計，集合電壓控制、漏電保護等功能，界面友好、可視化程度高，便于操作。

2）方艙的送風、排氣、廢氣處理等管路采用特殊結構設計并進行區分標記，在特殊緊急情況下便于問題的快速排除，提高產品后期維修性和施工工藝性，同時各氣路采用自動控制并檢測異常報警，對于氧氣壓力過低、送風不暢、廢氣過濾精度異常變化會及時報警處理。艙體產品從標準化、模塊化方面易于作進一步技術優化。

3）方艙廢水、廢液收集于污水收集箱，經特殊設備處理后達到排放標準可自行進行排放，同時管道安裝污染物濃度傳感器，可隨時檢測排放是否達標，確保排放物安全、環保。

4.2 配電控制系統

4.2.1供電方式

在正常情況下，整艙工作時使用市電；因突發情況斷電時，則使用UPS不間斷電源；在野外特殊情況下，工作時使用汽油發電機。

4.2.2配電控制系統功能

設備接地的目的是保護輸入設備，防止雷電浪涌和直擊雷，在負壓方艙頂部合適位置設置發光二極管（Light Emitting Diode, LED）燈，燈的選型美觀大方，開關設置在門附近，方便操作，且所使用的接觸器、斷路器、繼電器、電源模塊、開關、按鈕等均采用高性能、高可靠性的元器件，可滿足-20～+50 ℃溫度內正常啟動與工作。消殺控制開關設置在休息間，開關具備定時功能，配電箱具備顯示當前供電電壓值、各支路供電電流值的功能；配電柜采用一體化機柜，配電與控制功能二合一的電控柜，內部具備直流配電、交流配電、控制、環境監測等功能，可向系統主要醫療設備、照明、新風風機、排氣裝置等設備提供電力，配電柜各工作區和主要設備供電都可以單獨控制，具有電源過壓、過載、缺零保護，具備防浪涌及防雷等接地措施，配電柜內設有電壓表、電流表、控制開關、指示燈等，可觀察電網電壓和系統設備供電狀態。配電表用于外接電源時電量計算，安裝在電控柜內。

4.3 新風系統進排氣

4.3.1風量計算

經計算，方艙內部容積約為53 m3，換氣頻率要求達到12次/h，新風機組風量經計算為636 m3/h，初選進風量為1 000 m3/h的新風機組。

4.3.2加熱器功率計算

空氣質量計算公式為

=×（1）

式中，為空氣質量；為空氣密度；為空氣體積。

按照上述公式計算可得空氣質量為60.63 kg，另外加熱管熱量計算公式為

=×(2-1) （2）

式中，為空氣比熱容，取值1.01 kJ/kg·℃；2為目標溫度，取值26 ℃；1為初始溫度，取值-20 ℃；為空氣質量。按照上述公式計算可得加熱管熱量為2 817 kJ，另外加熱器功率計算公式為

式中，為加熱器功率；為考慮加熱器熱效率的裕度，初選裕度為1.5；為加熱管加熱量。按照上述公式計算可得加熱器功率為1.18 kW，初選加熱器功率為1.2 kW。

4.3.3冷凝器制冷量計算

冷凝器制冷量計算公式為

×250 （4）

式中，為凝器制冷總量；為制冷面積；250為單位面積制冷量，W/m2。按照上述公式計算可得，冷凝器制冷量為5 750 W，經查詢1 470 W（2匹）空調制冷量為6 250 W，初選1 837.5 W（2.5匹）空調，其功率為1.837 kW。

4.4 光照度計算

光照系統的光照度公式為

式中，av為照度；為燈光通量，取80 Lm/W；為燈具數量；U為利用系數，取值0.4；F為維護系數，取值0.8；為光照面積。病房照度設計校核顯示，病房初定四盞LED燈，功率為30 W。病房照度按照上述公式計算可得照度為183 Lux，符合要求，其他區域經校核照度也滿足要求。

5 結束語

本次設計的車載負壓醫療方艙科學合理，能夠滿足產品在應用場景中的主要技術指標要求，所涉及的氣密技術、保溫技術、新風換氣技術、智能監控及控制技術均得到有效落實，可靠性、維修性、保障性、安全性和環境適應性設計措施有效，元器件和配套件符合有關規定并有穩定的供貨來源，風險可控，能夠指導樣艙試制。

[1] 王洪杰,于霞,王振宇,等.智能拓展醫療移動方艙[J].中國醫學裝備,2020(5):197-200.

[2] 張治紅,宋淼,郭穎.疫情防控緊急條件下負壓救護車的設計制造[J].專用汽車,2022(5):53-55.

[3] 國家標準化管理委員會.汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質量限值:GB 1589—2016[S].北京:中國標準出版社,2016.

[4] 國家標準化管理委員會.機動車運行安全技術條件: GB 7258—2017[S].北京:中國標準出版社,2017.

Structural Design and Verification of a Vehicle-mounted Negative Pressure Medical Shelter

ZHOU Wenqiang, TAN Wei, SHI Xiaosong

( Shaanxi Deshi Vehicle Components (Group) Company Limited, Xi'an 710200, China )

In order to effectively alleviate the shortage of medical resources caused by public health emergencies, the purpose of quickly solving the problem of admission of mild patients has been achieved. This paper introduces a vehicle-mounted negative pressure medical shelter, which can meet the limitations of medical shelter in terms of mobility, rapid maintenance and emergency. Through the three-dimensional mathematical model construction, overall scheme design, working principle, shelter structure and functional design of each system, the air volume, refrigeration, heating capacity and light intensity are verified by calculation, and the results show that the performance meets the design requirements and meets the customer's use requirements.

Modularization design;Vehicle-mounted negative pressure;Medical shelter;Special vehicle;Ventilation system

P634.3+3；U462.2+5

A

1671-7988(2023)10-96-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.020

周文強（1987—），工程師，研究方向為汽車零部件、專用車上裝、產品設計及產品開發，E-mail:35038 4056@qq.com。