张银安等：雷神山医院通风空调设计

为有效控制疫情，应对现有医疗救治条件不足的问题，武汉市政府决定参照2003年“非典”疫情北京小汤山医院模式，建设火神山和雷神山两座医院；同时利用现有体育馆、厂房、酒店及公租房等改造成方舱医院作为新型冠状病毒肺炎患者的集中治疗临时医院。

由于疫情时期临时医院的设计和建造周期只有6~10天，且存在设备及产品供货不足、施工人员短缺等问题，因此，如何因地制宜做好新型冠状病毒肺炎临时医院的设计，有效控制污染源，防止病毒扩散引起交叉感染，改善室内环境，避免废气排放影响建筑物周围环境是暖通空调设计师需要认真思考的问题，也是历史赋予我们的使命。疫情就是命令，防控就是责任。在这非常时期，我们必须要有历史担当与高度的责任感，为打赢这场战“疫”，贡献自己的全部力量。

雷神山医院建设用地面积约22万㎡，总建筑面积约7.9万㎡，整体规划按照传染病医院标准设计。根据用地情况将东、西两区分别规划为隔离医疗区和医护生活区，并配备有相关运维用房，病床总床位数建设目标为1600床，可容纳医护人员约2300人。

图1 雷神山医院鸟瞰图

隔离医疗区总建筑面积为52200㎡，为新建一层临时建筑，设有卫生通过单元、病区护理单元、医技单元、接诊区。护理单元为集装箱拼接式建筑，规格统一，外形尺寸（长×宽×高）为3.0m×6.0m×2.6m，室内净高2.4m，工厂化生产后现场快捷组装。医技区为钢结构板房建筑，建筑高度4.5m。隔离医疗区北侧设有污水处理站、微波消毒间、垃圾暂存库、垃圾焚烧间、液氧站、正负压站房等配套设施。

图2 雷神山医院功能区域分布图

医院隔离医疗区共分为A，B，C 3个区。北区（A区）拥有15 个隔离病区、1个药库区以及位于东侧端头的医技区（含ICU、检验中心、CT、超声波、心电图等）。南区（B，C区）拥有15个隔离病区、1个药库区以及位于东侧端头ICU，西侧医护通过单元与北区相连接。病房区及医技区等病人到达的区域为污染区；医护人员经过更衣消毒淋浴后进入的独立工作区为清洁区；清洁区与污染区之间的区域是半污染区，包括病区外的办公、会诊、治疗、护士站等用房。依照三区两通道设计原则，患者流线设置于医院外围，严格与医护流线分开；医护流线置于医院内部, 保证医护人员不被感染。主要流线为：医护通过—洁净通道—洁净通过—隔离病区。每个单元区域设置污物间，通常置于两端，有单独对外通道。

图3 北区（A区）内部流线

图4 南区（BC区）内部流线

3.1 室内温湿度

为保证医务人员和病人身处良好的医疗环境，所有人员停留房间均设有空调系统。设计空调室外参数主要考虑疫情爆发期间的武汉冬季气象条件，主要房间的冬季设计温湿度详见表1。

表1 主要房间空调设计室内温、湿度参数

3.2 空调系统

空调系统划分及空调方式确定以平面区域划分及各区域功能为基础，为防止交叉感染，污染区、半污染区、清洁区均设置独立的空调系统。负压ICU、负压检验中心、负压手术室等房间采用直膨式全空气型净化空调机组，机组放置在专用的空调机房内，室外机与室内机用制冷剂管连接。其他区域采用热泵型分体空调，室外机放置在室外地面或屋面，室内机采用壁挂式。因货源不足，设置热泵型分体空调的区域的新风系统的热源采用电加热器。电加热器设置分挡（三挡）调节并采取无风断电保护措施。空调冷凝水均分区集中收集，并随各区污水、废水集中收集。

3.3 通风系统

空气中的悬浮颗粒物是病毒通过空气传播的主要载体，因此降低室内空气悬浮颗粒物浓度能有效降低病毒传播。新型冠状病毒直径约60~220nm，附着有冠状病毒的悬浮颗粒直径大于0.1μm，H13高效过滤器能有效过滤空气中0.1μm及以上悬浮颗粒，过滤效率高于99.9%。因此，送风系统均设置G2粗效、F7中效、H13高效三级过滤器，排风系统设置H13高效过滤器（医护洁净区除外），接至屋面5.4m高程高空排放，屋面新风取风口及排风口保持水平间距20m，竖直间距2.4m，避免送、排风气流短路。通过上述过滤措施可有效保证送入的空气洁净度及安全性，同时避免排风对周边环境的污染。

3.4 设备与材料选择

由于医院建设时间短，部分设备材料供应不满足建设工期要求，如何因地制宜根据现有的库存设备及材料来确定通风空调系统方案是设计应重点考虑的问题。设计方案尽量选用成熟可靠、库存量大、运输快捷、厂商捐赠的设备，缩短产品的采购、调货时间，以方便快速安装、简单调试，设备与材料的选择同时应满足国家有关规范及标准等要求。例如，直膨式净化空调机组供应商无法在短时间内根据设计参数进行有针对性的生产，在设计过程中设计团队与供应商紧密对接，将现有的库存产品参数与设计值进行对比，并第一时间锁定各地库存设备，并要求供货商第一时间对部分参数不达标的设备部件进行改造。

病房区主要用于收治重症确诊患者，病房区采用双通道的平面布局，外围设置开敞式的病人通道，中间设置半污染区的医护通道。病房入口及医护通道两侧均设置缓冲间。病房内设置卫生间，通道端头设置仪器室、污物间等功能房间。

平面具体布置详见图5。

图5 病房区平面图

4.1 房间压力控制

根据病房区功能及工作流程，中部医护走廊为半污染区域，经缓冲间后进入的病房为污染区。为确保各功能区之间的压力梯度满足工艺要求，隔离病房及半污染区医护走廊的机械送、排风系统应独立设置，并使空气压力从清洁区至污染区依次降低，污染区为负压。气流需沿半污染区医护走廊→病房缓冲间→病房→卫生间方向流动，且相邻房间压力梯度不小于5Pa。病房送风换气次数不小于12h^-1，排风量大于送风量150m³/h以上，保证负压；医护走廊及缓冲区送风换气次数为6h^-1。病患走廊为与室外空气相通的开敞走廊，压力值为0Pa。病房区与医护区之间的缓冲间应保证绝对正压区，有效阻隔病房区空气流入医护区。病房区送、排风系统示意图见图6。

图6 病房区送排风系统示意图

4.2 管道及设备布置

病房区污染区、半污染区分别设置独立的送、排风系统，每5，6间病房及其卫生间合用一套送、排风系统，每间病房送、排风支管的定风量阀及电动密闭阀设置在房间外的走道上部。既有效保证了压力梯度，又极大方便了系统调试，风机风量的合理控制避免了风机运行噪声和振动对病房人员的影响。负压隔离病房及其缓冲间的送、排风口布置应符合定向气流组织原则，缓冲间侧送风；病房顶部侧送风，下排风。经过粗、中、高效三级过滤处理后的清洁空气通过送风口送至病房医护人员停留区域，然后流过病人停留的区域进入排风口，保证气流流向的单向性，保护医护人员安全健康。排风口设置在病房内靠近床头的下部并设高效过滤器，利于污染空气就近尽快排出且对周边大气环境不造成污染。

图7 隔离病房送、排风口实景图

图8 缓冲间送风口实景图

通风系统风机采用低噪声高效离心风机箱，考虑到COVID-19肺炎病传染性强，所有通风系统均为双风机（一用一备），提高了系统运行的可靠性。风机及主风管设置在屋面，风机入口设置与风机联动的电动密闭风阀。病房及卫生间的送、排风管均由侧墙直接进入室内，病房内未设置任何横向风管，空间简洁。医护走廊及缓冲间的送风管由医护走廊顶部进入后分别开设侧送风口，确保走道合理净高，同时避免管道穿越污染区。所有送、排风支管上均设置定风量风阀，每间病房的送、排风支管上应设置电动密闭阀，并可单独关断。

图9 病房室外送、排风管实景图

图10 医护走廊室外送风管实景图

图11 病房室内送、排风管实景图

图12 医护走廊室内送风管实景图

病房与医护走廊的墙面上装有显示不同区域压力差值的压差表，便于医护和维护人员实时观察房间压力梯度并由此推断送、排风系统是否运行正常。

图13 病房与缓冲间压差显示

图14 缓冲间与医护走廊压差显示

4.3 气流组织模拟

护理单元为集装箱拼接式建筑，外形尺寸为3.0 m×6.0 m×2.6m（长×宽×高），室内净高2.4m。为保证室内空间简洁，设计时尽量避免在病房内设置任何横向风管，负压隔离病房采用了同侧上送下排的气流组织方式。为了研究病房内气流组织及含病毒污染物的流动情况，在设计过程后期，由中南建筑设计院工程数字技术中心联合达索析统（上海）信息技术有限公司合作进行了气流组织和污染物浓度模拟，基于瞬态XFlow软件对比分析了3种不同送、排风方案对室内气流及污染物的影响，并根据模拟结果给出了医护人员相对安全的活动区域。

4.3.1 模型介绍

图15   3种送排风方案示意图

1 送风口   2 病房排风口   3 床位   4 卫生间排风口

图16 方案A三维模型示意图

病房采用直流式通风系统，送排风支路均采用定风量阀控制风量恒定，房间上部单个送风口送风量为250m³/h，房间总送风量为500m³/h；设计总排风量为700m³/h，其中方案A和方案B采用1个排风口，尺寸为400mm×400mm，方案C采用2个排风口，每个排风口的排风量为350m³/h；卫生间设计排风量为100m³/h；病房设计相对压力为-15Pa，卫生间设计相对压力为-20Pa，排风口采用压力边界；假定病人头部含病毒空气释放源浓度为1，初始浓度场为0。

在XFlow软件中设定病房和卫生间为计算流体域，对送风口、排风口、病人头部位置设置局部网格加密，时间步长为0.002s，计算300s时间病房内流体速度场和污染物浓度场，XFlow在提交计算之后，自动生成网格。

4.3.2 结果分析

1）速度迹线对比

对比分析可知，方案A中，患者上方气流方向由观察区至出风口，而方案B、C中，气流多数经过床底至出风口，说明A方案将污染物带至出风口较多。

图17 300s时刻速度迹线对比

2）污染物浓度对比

医护人员站立高度（z=1.5m）的污染物浓度对比如图18所示，对比可知，送风、出风口同侧布置，靠近观察窗的患者上方到出风口污染物浓度相对较高，污染物随气流有效扩散至出风口位置，病房内其他位置浓度相对较低。方案B，C在该截面污染物浓度均偏高。方案A在靠近送风口下方的三角区域污染物浓度相对较高，并且有部分污染物随气流进入卫生间，病房内部其他位置浓度较低。方案B，C由于送风气流在房间内部形成的涡流对含病毒空气的扰动，使得病房内部污染物浓度均较高，而卫生间内部的污染物浓度均较低。因此建议医护人员的活动区域宜主要集中在靠近缓冲间、观察窗和传递窗一侧，避免靠近送风口处及卫生间。

图18 z=1.5 m处污染物浓度对比

4.3.3 模拟小结

本项目由于箱式房层高的限制，为尽量避免风管在房间内部安装，采取了（方案A）的气流组织方案，通过对3种方案的模拟对比分析总结如下：

1）在设计工况下，方案A上侧送风和下侧排风的气流组织可以在病床处形成回流区，及时有效地排除病房内污染气体。

2）建议医护人员的主要活动区域宜集中在靠近缓冲间、观察窗和传递窗一侧，避免靠近送风口处及卫生间。

医护区主要由中央洁净通道、医护单元、附属功能用房三部分组成。中央洁净通道连接各个医护区及洁净用房（会诊、休息及库房）；医护单元是医务工作者办公场所（内设护士站、医生办公室等），通过医护走道及缓冲间与隔离病房单元连接；附属功能用房为洁净库房及医护休息室等。每个医护区含4个医护单元，具体平面布置详见图19。

图19 医护区平面图

5.1 房间压力控制

为确保各功能区之间的压力梯度值满足工艺要求，且相邻房间压力梯度不小于5Pa。具体为：中央洁净通道10Pa，一更5Pa，二更/医护走道/医办/护士站为0Pa。医护区与隔离病房单元间的缓冲间应保证绝对正压，压力值为20Pa，避免隔离病房区污染空气流向医护区。医护区清洁区送、排风换气次数为4h^-1，半污染区送、排风换气次数为6h^-1。

图20 医护区工作流程图

图21 医护单元分区压力梯度示意图

5.2 管道及设备布置

图22 医护区房间送、排风口布置实景图

图23 医护区房间分体空调室内机布置实景图

图24 医护区走道管线布置实景图

通风设备采用低噪声离心风机箱，风机及主风管设置在屋面，风机入口设置与风机联动的电动密闭风阀。各房间送、排风支管穿越屋面进入相关服务区域内，送风主管道上设置粗、中、高效三级过滤器，所有送、排风支管上设置定风量风阀。医护区通风系统示意图见图25。

图25 医护区通风系统示意图

图26 负压ICU平面示意图

负压ICU设独立的机械送、排风系统，整体维持负压。气流需沿脱隔离服/治疗室/缓冲→病人缓冲/污物/污洗/清洗槽/纤支镜/脱防护服→病房区方向流动，且相邻房间压力梯度不小于5Pa。各房间换气次数及压差值见表2。

表2 负压ICU主要房间换气次数及负压值

图27 负压ICU通风系统示意图

6.1.2 负压检验中心

医技A区设负压检验中心，主要由负压检验室及缓冲间组成，具体平面布置见图28。2020年1月23日，国家卫生健康委办公厅发布了《新型冠状病毒实验室生物安全指南（第二版）》，指出新冠病毒病原体暂按照病原微生物危害程度分类中第二类病原微生物进行管理。新冠病毒具有气溶胶传播的可能，新冠病毒感染肺炎的病原体检测应至少在生物安全二级实验室中进行，最好在加强型二级生物实验室中进行。负压检验室空调通风设计主要参考GB50346-2011《生物安全实验室建筑技术规范》中对二级生物安全实验室的相关要求进行设计。

图28 负压检验中心平面示意图

负压检验室设独立的机械送、排风系统，整体维持负压。气流需沿缓冲间→负压检验区方向流动，且相邻房间压力梯度不小于10Pa。各房间换气次数及压差值见表3。

表3 负压检验中心主要房间换气次数及负压值

图29 负压检验中心通风系统示意图

6.1.3 负压手术室

图30 负压手术室平面示意图

表4 负压手术室主要房间换气次数及负压值

图31 负压手术室通风系统示意图

6.1.4 管道及设备布置

送风设备采用直膨式全空气型净化空调机组，排风设备采用低噪音离心风机箱，均设置在专用空调机房及风机房内。负压ICU、负压手术室气流组织为上送下排，排风口的底部设在房间地板上方不低于100mm的位置。清洁空气通过送风口送至医护人员停留区域，然后流过病人停留的区域进入排风口，保证气流流向的单向性。负压检验室气流组织为上送上排，保证检验室送排风的整体均匀性。

送风系统设置粗、中、高效三级过滤，排风经高效过滤器处理后高空排放。同时为确保排风管路内污染气体不外溢污染其他功能房间，整个排风管设计为负压，风机设置在排风管路的末端，排风机吸入口设置与风机联动的电动密闭阀。

图32 负压ICU建成实景图

图33 负压手术室建成实景图

图34 负压检验室建成实景图

图35 医技区排风风帽

图36 净化空调机组机房实景图

图37 负压检验室自检报告

6.2 检查区

检查区主要位于医技B区，包括DR室、B超室、心电图室、超声波室、阅片室、医生办公室、休息室等房间，具体平面布置见图38。

图38 检查区平面示意图

6.2.1 房间压力控制

检查区医生办公、休息区等清洁区换气次数：送风6h^-1、排风5h^-1；医护走道等半污染区换气次数：送风6h^-1、排风6h^-1；各检查室及配套用房污染区换气次数：送风6h^-1、排风8h^-1，通过送、排风系统换气次数的差异确保各功能区之间的压力梯度，保证气流从清洁区→半污染区→污染区方向流动。污染区、半污染区、洁净区间保证不小于5Pa的负压差。

6.2.2 管道及设备布置

图39 检查区通风系统示意图

图40 CT室建成实景图

图41 DR室建成实景图

7.1 模型建立及分析

为充分评估污染区废气排放是否对项目周围环境造成影响，设计中得到清华大学陆新征教授团队的大力支持。陆新征教授团队提出了一个临时医院排风环境影响的快速模拟方法。本方法以开源流体力学计算软件FDS为基础，实现了临时医院建筑的快速建模、基于云计算平台的分布式计算及有害空气流动的监测和可视化，为临时医院设计阶段的快速分析提供了专门工具。

图42 有害气体轨迹及浓度等值面图

图43 雷神山医院三维FDS模型

图44 不同排风口高度下有害气体相对浓度分布图（东北风）

图45有害气体在监测点的相对浓度对比

7.2 主要结论及对设计的指导

1）将排风口高程从4.5m提高到6.0m后，可显著降低新风口高程面（3m）污染空气相对浓度。

2）提高排风口高度后，新风口污染空气最大相对浓度可从2.6%（相当于稀释3.8万倍）降低至2.0% （相当于稀释5.0万倍）。

3）根据江亿等人的研究[2]，对于SARS病毒，稀释1万倍后不再具备传播性。则4.5m和6.0m排风口高程都可以满足要求新风口空气稀释1万倍的要求。

4）为确保负压隔离病房区域医护人员的健康安全及保护室外环境，本项目送风系统经粗效（G2）+中效（F7）+高效（H13）三级过滤，排风系统经高效（H13）过滤后接至屋面5.4m高程高空排放，详见图46。通过该模拟进一步论证了设计方案的合理性。

图46 排风风帽现场安装高度实景

8.1 安装应重点关注的问题

1）由于医院建造周期极短，多专业多工种交叉施工，因此施工时应注意不同工种间的相互配合。

2）通风空调安装技术人员应及时充分熟悉设计图纸，同时结合现场实际情况尽快制定详细周密的施工方案，包括管道加工制作安装方案、风管严密性检测方案、系统调试运行方案等。

3）由于护理单元为室内净高2.4m的集装箱拼接式建筑，工程安装过程中要特别注重走道及房间内的机电管线综合排布，避免管线布置影响室内净高。

4）确保风管、风阀、风机之间接管的严密性。要保证围护结构的气密性，特别注重风管、制冷剂管等管道穿越屋面及侧墙等围护结构的防水及密封处理，病房拼接处的缝隙也需处理保证不留死角。为维持合理的室内压力梯度创造先决条件。

5）每间病房送、排风支管上的定风量风阀、电动密闭阀均安装在病房外侧敞开走道上方，便于系统调试及后期维修管理。

6）每间病房下部排风口处的高效过滤器应留出足够的安装及更换空间，便于后期更换。

7）由于箱式板房构造原因无法承受设备及管道荷载，因此应在箱式板房四个立柱上设置槽钢作为风机、过滤单元、电加热器及风管等设备的承重构件。

8）为满足建设工期的要求，室外风管由PE管代替常规风管，施工快捷、气密性好。

8.2 调试要点

1）病房通风系统调试尤为重要，因为工期紧，故要求尽可能一次调试成功。

2）通风系统调试以相邻房间的压差满足设计及使用要求为目标，各房间均需进行风量平衡调试，调试时各房间内的门窗必须紧闭。

3）系统调试时，定风量风阀的风量刻度值按照设计文件中规定的风量进行设定。

4）为保证各区域间的合理压差，无特殊情况下，不得对已设定的定风量阀门进行二次调整。如遇特殊情况，需记录下各阀门的开启角度，后期按照同样的开启角度进行复原。

5）应重点关注病负压隔离病房、负压ICU、负压检验室、负压手术室等场所的压力梯度，保证各区域房间内压力梯度满足设计及使用要求。

8.3 调试结果

经过各系统的调试，各区域通风及空调系统运行正常，病房区、医护区、医技区的温（湿）度、换气次数、压力梯度等满足设计及使用要求。

图47 对直膨式净化空气处理机组进行调试

图48 负压ICU病房实景图

截至完稿时止，新冠肺炎疫情全国感染人数达7万多人，部分地区临时应急医院仍在不断建设之中。及时总结应急传染病医院的设计建设经验，为控制传染病的传播，提高传染病医院的可靠性，有效救治传染病人及高效保护医护人员有着重要意义。本文详细解读了雷神山医院通风空调设计理念，且认为应急医院不仅应满足常规医院的基本功能要求，而且还应针对应急医院建设工期短、设备材料货源短缺、建筑空间不足、医院为临时医疗建筑等特点，快速高效地组织设计。主要总结与思考如下：

1）“三区两通道”是传染病医院重要设计理念，在三区两通道区域控制合理的压力梯度，确保气流的定向流动是通风设计的关键。

2）应急临建医院工期短，空调系统形式选择应“因材制宜”，空调通风系统设备选择选必须考虑有现成的货源，确保医院建议工期及空调通风效果是首要因素。

3）同样因工期原因不建议在系统中设计复杂的自动控制系统，用简单实用的方式达到使用要求。此次设计采用定风量阀措施固定各区域送风量及排风量，简单有效地实现了各区域的压力梯度，满足了使用要求。

4）由于护理单元为集装箱拼接式建筑，在压力控制中应高度关注房间气密性，同时也应关注管道穿越围护结构处的防水密封处理。

5）因建筑层高较低，本设计隔离病房内未设置任何横向风管，空间简洁，医护走道内未设置任何风管，确保走道合理净高。

6）应结合病人的实际需求确定设计方案，而不是凭所谓的经验做设计。COVID-19肺炎病人许多需要大流量吸氧，需求氧气量远大于常规医院病人，因此氧气源及氧气管道必须进行计算并考虑一定的富余量。

7）COVID-19肺炎病传染性强，建议负压隔离病房通风设备考虑备用措施，其他生命支持设备应有一定的冗余。

8）本工程设计周期仅几天，存在少量专业配合及协调不足的问题，我们在后续现场服务及图纸复查中及时发现和完善，设计人员现场指导及协调是此类工程建设的重要环节。