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嚴(yán)寒地區(qū)關(guān)于傳染病醫(yī)院環(huán)境防控的思考 ——傳染病醫(yī)院負(fù)壓隔離病房改造項目暖通設(shè)計

作者:myjianzhu發(fā)布日期:2024-04-10 語言朗誦 評論收藏 0

中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司  侯鴻章 周慧鑫 張鵬 劉曉暉 楊磊

       【摘  要】介紹了我院在新冠疫情初期,承接了沈陽市第六人民醫(yī)院(傳染病醫(yī)院)4號樓負(fù)壓隔離病房改造項目暖通空調(diào)設(shè)計總體情況,從能耗計算、通風(fēng)量計算兩個方面對嚴(yán)寒地區(qū)傳染病醫(yī)院的環(huán)境防控進(jìn)行思考、分析。

       【關(guān)鍵詞】負(fù)壓隔離病房  環(huán)境防控  暖通設(shè)計  嚴(yán)寒地區(qū)  新風(fēng)能耗

Abstract:Presents the overview HVAC design of the reconstruction project of negative pressure isolation ward in 4th Building of Shenyang Sixth People's Hospital (infectious disease hospital) in the early stage of the 2019-nCoV situation, and analyzes the environmental prevention and controlling of infectious disease hospitals in severe cold area from two aspects of energy consumption calculation and ventilation calculation. 

Key words:Negative pressure isolation ward , environmental prevention and controlling, HVAC design, severe cold area, fresh air energy consumption

一 引言

       新冠疫情在國內(nèi)發(fā)展初期,我院承接了沈陽市第六人民醫(yī)院(傳染病醫(yī)院)4號樓負(fù)壓隔離病房改造項目。嚴(yán)寒地區(qū)獨特的氣候特征,使得在執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范中發(fā)現(xiàn)冬季能耗問題十分突出,因而基于對本項目在設(shè)計、建造、調(diào)試和運行等方面全過程實踐,有必要從通風(fēng)量計算和能源使用方面進(jìn)行思考與分析,為將來疫情防控建設(shè)提供適宜于嚴(yán)寒地區(qū)的經(jīng)驗,以滿足醫(yī)療隔離、救治、防護(hù)的目的。

二 工程項目

       1、項目概況及背景

       沈陽市第六人民醫(yī)院(傳染病醫(yī)院)4號樓為1989年建成的磚混建筑,總建筑面積為4900m2,共4層。設(shè)計任務(wù)是將原來普通病房樓改造為應(yīng)急負(fù)壓病房樓,初步確定按醫(yī)療流程分清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū),共設(shè)48間負(fù)壓隔離病房。

       本項目由于疫情防控需求,具有工期緊(實際設(shè)計施工圖周期總計僅12天),設(shè)計條件受既有建筑、市政條件、施工、采購等實際條件制約的特點,同時本項目要求設(shè)計與現(xiàn)場施工同步進(jìn)行,進(jìn)一步增加了設(shè)計難度。


圖1 負(fù)壓隔離病房改造功能分區(qū)平面圖

       2、執(zhí)行的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)

       針對醫(yī)療建筑國家、行業(yè)及地方出臺了眾多的設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),新冠疫情期間不同機(jī)構(gòu)、組織也陸續(xù)發(fā)布了醫(yī)療類建筑暖通相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、指南以適應(yīng)新冠疫情條件下負(fù)壓隔離病房技術(shù)要求。而目前不同規(guī)范對于負(fù)壓隔離病房的換氣次數(shù)、壓差等參數(shù)的規(guī)定及表述存在差異,使得在操作執(zhí)行層面需要因地制宜根據(jù)實際情況判別、執(zhí)行。本項目執(zhí)行規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的確定主要基于以下幾個方面考慮:

       (1)保證結(jié)構(gòu)安全,保證消防、舒適標(biāo)準(zhǔn)不降低;

       (2)滿足負(fù)壓隔離病房相關(guān)要求以及排放要求;

       (3)滿足舒適性(供熱、供冷)要求。

       因而在本項目設(shè)計施工周期(2020年1月28日~2月10日)主要參照執(zhí)行以下規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及指南作為本項目暖通設(shè)計依據(jù):

表1 醫(yī)療類建筑相關(guān)主要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

       3、設(shè)計要點

       本項目為改造項目,一方面暖通設(shè)計在滿足隔離病房規(guī)范要求的前提下盡可能利用原系統(tǒng),故保留原病房樓風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng),作為房間溫度調(diào)節(jié)控制的補(bǔ)充。增設(shè)機(jī)械送風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)的直流通風(fēng)系統(tǒng),控制空氣壓力從清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)依次降低。另一方面,本項目須滿足快速建造要求,以安全可靠、便于快速建造為前提,選用能源以電力為主,選用設(shè)備隨時根據(jù)招采情況調(diào)整、修改,整個設(shè)計過程貫穿于本項目啟動、施工、驗收到移交使用全過程。

       基于以上改造需求和現(xiàn)狀,暖通專業(yè)設(shè)計重點從以下幾個方面進(jìn)行改造:

       冷熱源系統(tǒng):本樓的空調(diào)冷熱負(fù)荷均由原有系統(tǒng)負(fù)擔(dān),增設(shè)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置獨立的冷熱源。立足節(jié)能,冷熱源釆用空氣源熱泵機(jī)組來負(fù)擔(dān)新增新風(fēng)負(fù)荷。機(jī)組單臺制冷量為136KW,單臺制冷用電量42KW,制冷工況COP值為3.24W/W,空調(diào)冷水溫度7/12℃;單臺制熱量為144KW,單臺制熱用電量47KW,制熱工況COP值為3.06W/W,空調(diào)熱水溫度50/45℃,共30臺機(jī)組設(shè)于室外地面(原理圖見圖2)。

       新風(fēng)系統(tǒng):設(shè)計初期均配備加熱、冷卻功能,新風(fēng)采用電預(yù)熱、電極加濕,后期由于現(xiàn)場電力條件緊張,取消直接電預(yù)熱,采用空氣源熱泵熱水供熱,以降低電力使用。新風(fēng)系統(tǒng)按清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū)分區(qū)設(shè)置獨立直流系統(tǒng),設(shè)變頻調(diào)速控制,各層按每個護(hù)理單元設(shè)置1~2套新風(fēng)系統(tǒng),取風(fēng)口設(shè)于北側(cè)本層。清潔區(qū)新風(fēng)經(jīng)粗、中效過濾器兩級處理,半污染區(qū)、污染區(qū)新風(fēng)經(jīng)粗、中、高效過濾器三級處理。

       排風(fēng)系統(tǒng):按清潔區(qū)、半污染區(qū)、污染區(qū),分區(qū)設(shè)置并引致屋面高空排放。半污染區(qū)、污染區(qū)的緩沖間、病房按病房設(shè)置獨立的排風(fēng)系統(tǒng),排風(fēng)經(jīng)高效過濾、殺毒,風(fēng)機(jī)設(shè)置在排風(fēng)末端的污物走廊內(nèi),一用一備,并配變頻調(diào)速裝置。醫(yī)護(hù)走廊增設(shè)排風(fēng),以方便控制分區(qū)壓力梯度(原理圖見圖3)。

       水系統(tǒng):考慮嚴(yán)寒地區(qū)特殊性,水系統(tǒng)安全性,采用25%乙二醇水溶液水系統(tǒng)。

       負(fù)壓隔離病房末端:送、排風(fēng)高效過濾風(fēng)口與房間充分結(jié)合,均設(shè)于末端與房間共同組成密封體,確保污染不擴(kuò)散。


圖2 空調(diào)水系統(tǒng)原理圖

圖3 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

三 傳染病醫(yī)院環(huán)境防控問題思考

       從目前傳染病房設(shè)計及改造設(shè)計經(jīng)驗來看,負(fù)壓隔離病房及傳染區(qū)、非傳染區(qū)通風(fēng)均需要較高的換氣次數(shù)來降低感染風(fēng)險,而較高的換氣次數(shù)會導(dǎo)致通風(fēng)系統(tǒng)的能耗增加;嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度低的氣候特征,使得冬季在通風(fēng)量基礎(chǔ)上須滿足防凍及舒適性要求,新風(fēng)必須經(jīng)過加熱才能滿足溫度需求,因而能耗高成為嚴(yán)寒地區(qū)傳染病醫(yī)院環(huán)控的突出問題,有必要對此進(jìn)行分析研究,制定針對嚴(yán)寒地區(qū)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),選擇合適技術(shù)措施兼顧疾病防控要求及運行節(jié)能要求。

       1、新風(fēng)加熱能耗問題

       現(xiàn)行規(guī)范針對傳染病醫(yī)院換氣次數(shù)均較大,《傳染病醫(yī)院建筑設(shè)計規(guī)范》GB50849-2014對換氣次數(shù)(新風(fēng)量)規(guī)定:非呼吸道傳染病區(qū)3次/h,呼吸道傳染病區(qū)6次/h,負(fù)壓隔離病房12次/h。《醫(yī)院負(fù)壓隔離病房環(huán)境控制要求》GB/T 35428-2017對換氣次數(shù)(新風(fēng)量)規(guī)定“負(fù)壓隔離病房污染區(qū)和潛在污染區(qū)的換氣次數(shù)宜10~15次/h,人均新風(fēng)量不應(yīng)少于40m3/h。負(fù)壓隔離病房清潔區(qū)的換氣次數(shù)宜為6次/h~10次/h。”較大的換氣次數(shù)在冬季須做加熱處理以滿足室內(nèi)環(huán)境需求,由此產(chǎn)生的運行費用高。

       據(jù)此本文計算新風(fēng)加熱能耗選取計算模型條件為:室內(nèi)設(shè)計溫度20℃,電價取0.53元/kwh,室內(nèi)凈高2.6m,室內(nèi)面積25m2。比較東北地區(qū)主要城市(沈陽、大連、長春、哈爾濱)在2次、3次、6次及12次換氣次數(shù)和對應(yīng)采暖期條件下,計算其單位面積新風(fēng)量、單位面積新風(fēng)加熱量、供暖季新風(fēng)加熱量和供暖季運行費用(見圖4-圖7)。


圖4 單位面積新風(fēng)量指標(biāo)                                 圖5 單位面積新風(fēng)量加熱量指標(biāo)

圖6 供暖季新風(fēng)加熱量指標(biāo)                                 圖7 供暖季運行費用指標(biāo)

       可以看出隨換氣次數(shù)的增加,單位面積新風(fēng)量指標(biāo)增大,由此帶來相應(yīng)的新風(fēng)能耗增加顯著,計算模型條件下以沈陽為例,12次/h換氣次數(shù)負(fù)壓隔離病房,供暖季運行費用指標(biāo)達(dá)711元/m2(電價取0.53元/kwh計算),冬季室外計算溫度越低地區(qū),能耗增加越大,由此可見有必要在傳染病醫(yī)院建設(shè)改造過程中選擇合適的能量供應(yīng)方式,制定相應(yīng)嚴(yán)寒地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,根本上保障嚴(yán)寒地區(qū)在不利條件下安全可靠運行,同時降低系統(tǒng)能耗,因此從系統(tǒng)設(shè)計角度建議從以下幾個方面解決:

       (1)采用高效供熱系統(tǒng),提高能源利用率;

       (2)做好新風(fēng)、排風(fēng)的熱回收應(yīng)用;

       (3)加強(qiáng)新風(fēng)防凍措施,最冷季的系統(tǒng)運行可靠性;

       (4)探索嚴(yán)寒地區(qū)適用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

       2、傳染病防控計算思考

       目前設(shè)計規(guī)范對于空氣傳播傳染病防控,可使用的控制方法有稀釋類、氣流組織控制類、過濾類、溫濕度控制類、消殺類等。若將防、控二者區(qū)分,從傳染病防護(hù)方面考慮,主要是通過通風(fēng)手段,采用較大換氣次數(shù)稀釋污染物濃度,同時考慮合理氣流組織方式提高通風(fēng)效率、降低感染風(fēng)險;從傳染病控制方面,在空氣處理過程中使用高效過濾、消殺的方式達(dá)到控制污染的目的。

       稀釋通風(fēng)目前Wells-Riley風(fēng)險預(yù)測模型是較為公認(rèn)的感染風(fēng)險預(yù)測方式,它是在1978年基于quanta的概念提出,利用概率的方法確定空氣傳染病的感染概率。Wells-Riley模型成功預(yù)測和驗證了美國紐約州羅切斯頓附近一所郊區(qū)小學(xué)的麻疹爆發(fā)情況,該方程及改進(jìn)方程也被廣泛預(yù)測各個空氣傳染疾病的爆發(fā)情況[1-2]

       Wells-Riley風(fēng)險預(yù)測模型見下式

       P=C/S=1-exp(-Iqpt/Q)

       式中,C——一次爆發(fā)中新產(chǎn)生的被感染人數(shù);

                S——總的易感人數(shù);

                I——感染人數(shù)

                Q——房間通風(fēng)量(m3/h);

                q——一個感染者的quanta產(chǎn)生率;

                p——呼吸通風(fēng)量(m3/h);

                t——暴露時間(h)。

       quanta定義為單位時間內(nèi),當(dāng)每個動物吸入1 quanta量的傳染源,會有63.2%的動物被感染,即平均感染概率服從Poisson分布,不同傳染疾病呼吸通風(fēng)量及quanta產(chǎn)生率見表2,本文假定病毒產(chǎn)生率為12600。

表2 肺結(jié)核、風(fēng)疹、流感及SARS的呼氣通風(fēng)量及quanta產(chǎn)生率[3]

       根據(jù)以上傳染疾病產(chǎn)生率(quanta值)不同,在呼吸通風(fēng)量為0.6m3/h條件下,利用風(fēng)險預(yù)測模型計算不同房間通風(fēng)量(人數(shù)4人,人數(shù)40人)及不同暴露時間(2.4h,12h)下的感染概率(見圖8-圖11)。


圖8 通風(fēng)量120m3/h(4人)暴露時間12h                    圖9 通風(fēng)量120m3/h(4人)暴露時間2.4h

圖10 通風(fēng)量1200m3/h(40人)暴露時間12h                   圖11 通風(fēng)量1200m3/h(40人)暴露時間2.4h

       可以看出,對于不同傳染疾病,產(chǎn)生率quanta值變化很大,是影響感染率的決定因素;暴露時間和房間通風(fēng)量是影響感染率的主要因素;個體呼吸通風(fēng)量亦對封閉空間內(nèi)感染率有影響,但變化不大。對于較高quanta值的傳染疾病,只要有傳染源存在,封閉空間內(nèi)感染率將很高,僅靠通風(fēng)難以解決交叉感染問題,應(yīng)采用戴口罩、防護(hù)服等方法避免感染;對于較低quanta值的傳染疾病,暴露時間、房間通風(fēng)量亦對封閉空間內(nèi)感染率有影響。

       因此筆者從傳染病防控角度建議應(yīng)根據(jù)不同疾病傳播特性,做相應(yīng)的模型修正,以此為依據(jù)選擇適宜的稀釋通風(fēng)量;在建筑內(nèi)部引入室內(nèi)凈化過濾器處有效消殺的理念,明確提出新風(fēng)換氣次數(shù)、過濾換氣次數(shù)在一定范圍內(nèi)的有效替代,以控制較大通風(fēng)量帶來能耗高的問題;建議結(jié)合目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,設(shè)計平時、疫情兩套系統(tǒng),便于快速轉(zhuǎn)換。

四 結(jié)語

       在沈陽第六人民醫(yī)院改造項目設(shè)計中由于經(jīng)驗不多、時間倉促、認(rèn)知有限,尤其是改造項目現(xiàn)場情況更復(fù)雜,更受限,有必要以此為經(jīng)驗在新建醫(yī)療建筑中加以應(yīng)用、完善,我院以此經(jīng)驗總結(jié)編制了《應(yīng)急疫情防控病房設(shè)計指南》。

       嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點決定了在高換氣次數(shù)條件下能耗高的問題突出,由此反映在醫(yī)療建筑,特別是傳染病醫(yī)院隔離病房在暖通系統(tǒng)設(shè)計中需要因地制宜解決實際問題,有必要在基礎(chǔ)理論和對傳染病認(rèn)知的基礎(chǔ)上探索適宜嚴(yán)寒地區(qū)氣候特征的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。因此建議一方面,采用高效供熱系統(tǒng),提高能源利用率,加強(qiáng)新風(fēng)防凍措施,保證最冷季的系統(tǒng)運行可靠性;另一方面,根據(jù)不同疾病傳播特性,做相應(yīng)的模型修正,通過加入室內(nèi)凈化消殺手段等效通風(fēng)量,滿足傳染病防控要求同時兼顧系統(tǒng)的節(jié)能運行。

參考文獻(xiàn):

[1] Fennelly K P, Martyny J W, Fulton K E, et al. Cough-generated aerosols of mycobacterium tuberculosis: a new method to study infectiousness [J]. Am J Respire Crit Care Med, 2004, 169(5):604-609.
[2] Riley E C, Murphy G, Riley R L. Airbase spread of measles in a suburban elementary school [J]. Am J Epidemio, 1978,107(5):421-432.
[3] Qian H, Ventilation for airbase infection in hospital environment [D]. Hong Kong: Department of Mechanical Engineering of University of Hong Kong, 2007.

       備注:本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2020年10月刊 總第37期(第22屆全國暖通空調(diào)制冷學(xué)術(shù)年會文集)。版權(quán)歸論文作者所有,任何形式轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者。

 
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