基于2019 冠狀病毒（COVID-19）對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)醫(yī)院HVAC系統(tǒng)的研究

張淑秘 周冠丞

吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院

0 引言

2019 冠狀病毒引發(fā)的肺炎感染肆虐我國(guó)，致使病毒高發(fā)地武漢實(shí)施封城措施，全國(guó)多地也相繼實(shí)施了嚴(yán)格的人員管控工作。美國(guó)、西班牙、意大利等地疫情大面積爆發(fā)，可見此次病疫相較于非典和SARS更加嚴(yán)峻。大型綜合醫(yī)院是患者及其陪同人員高度聚集的場(chǎng)所，因此醫(yī)院內(nèi)空氣的潔凈程度將直接關(guān)乎患者的康復(fù)速度以及陪同人員的健康。未達(dá)標(biāo)的醫(yī)院HVAC 系統(tǒng)不能良好的處理含有室內(nèi)人員產(chǎn)塵、細(xì)菌及氣溶膠的空氣，將導(dǎo)致更多的醫(yī)患間傳染、患者間傳染及健康人員之間的傳染。良好的醫(yī)院室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)和除菌措施可有效降低病毒感染率和死亡率。

1 病毒的院內(nèi)傳播

病毒的院內(nèi)傳播主要分為間接感染（空氣感染）、直接噴濺，即：由口而入和由皮膚傳入的接觸感染。其中間接感染即空氣感染大部分以塵埃為病毒細(xì)菌載體，因人員的活動(dòng)、醫(yī)院內(nèi)空氣的流動(dòng)及塵埃的飛揚(yáng)，典型病例是天花病毒和猩紅熱。以飛沫為載體的直接噴濺感染主要為患者的噴嚏和咳嗽，以此方式傳染的典型疾病為SARS、結(jié)核病和流行性感冒。由口而入的接觸感染主要是由于食品及水源的污染，常見的疾病為消化道疾病。以接觸為途徑的皮膚傳入感染的主要病例為破傷風(fēng)、性病及砂眼。

此次COVID-19的傳播途徑為氣溶膠傳播，所謂氣溶膠即氣體中穩(wěn)定分散懸浮的液態(tài)或固體小顆粒。氣體中的小顆粒粒徑越小，在空氣中懸浮的時(shí)間就越久，可見空氣為主要載體。新型冠狀病毒傳播按途徑分類見圖1。

圖1 2019冠狀病毒傳播途徑

據(jù)中國(guó)疾控中心研究表明，新型冠狀病毒對(duì)紫外線和熱敏感（56 ℃存活時(shí)間低于30 min），乙醚、75%乙醇、含氯消毒劑、過氧乙酸和氯仿等脂溶劑均可有效將病毒滅活。溫度越高，病毒越難存活，在室溫25 ℃左右，病毒很快會(huì)喪失傳染性，在春、冬季節(jié)，病毒在體外存活的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。同濟(jì)大學(xué)的許鵬[1]研究了溫濕度對(duì)2019 冠狀病毒存活的影響，見圖2。滿孝新[2]就COVID-19 在常見環(huán)境中的存活時(shí)間也給出了相應(yīng)的參考值，見圖3。

研究結(jié)果表明，冠狀病毒在寒冷和干燥的空氣環(huán)境中存活時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)傳染率也更高。COVID-19 會(huì)在嚴(yán)寒地區(qū)生存更長(zhǎng)時(shí)間，因此我國(guó)的嚴(yán)寒地區(qū)防疫工作將面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，嚴(yán)寒地區(qū)的建筑窗墻比大多較我國(guó)其他地區(qū)小，且由于室外氣溫寒冷導(dǎo)致開窗換氣的次數(shù)少之又少，醫(yī)院建筑室內(nèi)新風(fēng)來源大多為機(jī)械通風(fēng)，適宜病毒生存的室內(nèi)外溫度以及不達(dá)標(biāo)的HVAC系統(tǒng)將致使病毒對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)醫(yī)院室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生更大的威脅。

圖2 溫濕度對(duì)2019冠狀病毒傳染率的影響

圖3 2019冠狀病毒在常見環(huán)境中的存活時(shí)間

2 應(yīng)對(duì)病毒感染醫(yī)院內(nèi)空調(diào)HVAC系統(tǒng)采取的措施

2.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)病毒對(duì)醫(yī)院內(nèi)傳播的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

病毒在醫(yī)院內(nèi)的交叉感染是醫(yī)學(xué)界以及暖通空調(diào)界的難題，相關(guān)學(xué)者運(yùn)用調(diào)查、模擬、實(shí)驗(yàn)和理論分析等方法研究病毒的院內(nèi)傳染途徑，并且對(duì)于生物、化學(xué)和通風(fēng)凈化等方法做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。

早在2003年，非典和SARS病疫給生物醫(yī)學(xué)界和空氣調(diào)節(jié)凈化領(lǐng)域敲了警鐘，使人們意識(shí)到了醫(yī)院是病源傳染的重災(zāi)區(qū)，從空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行方式的角度出發(fā)，江億[3]等提出對(duì)于設(shè)置集中制冷站，室內(nèi)空間有風(fēng)道連通的單位，很容易通過空調(diào)系統(tǒng)使各房間空氣進(jìn)行相互摻混，某房間存在的污染源或病源很可能通過空調(diào)系統(tǒng)傳播到其他房間從而導(dǎo)致交叉感染，尤其是對(duì)于無窗的內(nèi)區(qū)房間更容易出現(xiàn)此類問題。解決的主要方法是引入大量的室外空氣進(jìn)入室內(nèi)，通過換氣作用將含有病源體的室內(nèi)空氣排至室外，若采用內(nèi)部循環(huán)通風(fēng)則會(huì)產(chǎn)生適得其反的效果，因此正確運(yùn)行現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)至關(guān)重要。同時(shí)分析了全空氣系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)和各類窗機(jī)、柜機(jī)的運(yùn)行模式，總結(jié)得出：保證是全新風(fēng)方式或室內(nèi)自循環(huán)的風(fēng)機(jī)盤管方式，空調(diào)系統(tǒng)即可運(yùn)行的結(jié)論。另外，需要注意新風(fēng)的取風(fēng)位置應(yīng)避免與回風(fēng)發(fā)生短路現(xiàn)象。

近期江億院士在2019 冠狀病毒傳播機(jī)理探討會(huì)[4]上分享了通過實(shí)驗(yàn)和病毒傳播模型的研究得到相關(guān)結(jié)論：室外空氣是安全的，但室內(nèi)空氣稀釋倍數(shù)在10 000 倍以上才是絕對(duì)安全的。從側(cè)面反映了室內(nèi)達(dá)到這一數(shù)值，簡(jiǎn)單的開窗行為是很難實(shí)現(xiàn)的，需要借助機(jī)械通風(fēng)使室內(nèi)空氣達(dá)到安全的稀釋倍數(shù)。假設(shè)在醫(yī)院環(huán)境中停留3 小時(shí)，當(dāng)環(huán)境中有10%被感染者時(shí)，只有人均新風(fēng)量達(dá)到36 m3/h時(shí)，病毒的感染概率將小于2% 安全數(shù)值。因此，要達(dá)到安全的稀釋倍數(shù)及感染概率，還應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)醫(yī)院環(huán)境的通風(fēng)措施。

趙延奉[5]等從潔凈空調(diào)在醫(yī)院中的應(yīng)用及優(yōu)化角度，探討了潔凈空調(diào)冷水進(jìn)水溫度高于設(shè)計(jì)值、過濾器不能及時(shí)更換且積塵嚴(yán)重導(dǎo)致送風(fēng)阻力增大、污染嚴(yán)重等維護(hù)不當(dāng)問題，造成了后期醫(yī)院HVAC 系統(tǒng)處理的空氣達(dá)不到設(shè)計(jì)值。因此，HVAC系統(tǒng)后期的運(yùn)行維護(hù)也至關(guān)重要。

從醫(yī)院內(nèi)空氣通風(fēng)對(duì)氣溶膠的影響方向入手，澳大利亞的R.E.Stockwell[6]等系統(tǒng)地論述了不同病區(qū)生物氣溶膠的組成和與醫(yī)院不同通風(fēng)系統(tǒng)的影響，在醫(yī)院的核心區(qū)域使用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)可使生物氣溶膠的濃度降到最低，帶有接力風(fēng)機(jī)等通風(fēng)增強(qiáng)功能的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)是改善醫(yī)院空氣質(zhì)量控制感染的重要策略。

醫(yī)院的HVAC 系統(tǒng)對(duì)醫(yī)院空氣品質(zhì)的控制主要體現(xiàn)在運(yùn)行調(diào)節(jié)和過濾凈化方面，孟令坤[7]針對(duì)病房末端風(fēng)機(jī)盤管加裝凈化過濾器對(duì)病房空氣凈化的效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，研究結(jié)果表明，在HVAC系統(tǒng)末端加裝過濾凈化裝置可有效降低PM 2.5和浮游菌的濃度。從空調(diào)過濾器及病毒最易滋生的環(huán)境角度出發(fā)，汪訓(xùn)昌[8]等指出目前多數(shù)空調(diào)工程未經(jīng)過過濾器選擇計(jì)算即安裝粗、中效過濾器，設(shè)計(jì)時(shí)缺少對(duì)空氣過濾的規(guī)定計(jì)算，僅由機(jī)組自帶的空氣過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾。這樣的空氣過濾要求與過濾器設(shè)計(jì)既無法抵御外來病菌的入侵，也不能有效防止建筑物內(nèi)部病菌的交叉感染與擴(kuò)散。此外，噴淋式冷卻塔是肺炎類病菌最易滋生繁殖的溫床與傳播工具，缺少對(duì)冷卻水水質(zhì)的控制裝置，應(yīng)通過計(jì)算投入適量的防結(jié)垢緩蝕殺菌滅藻的化學(xué)試劑的化學(xué)方法或者利用靜電、高壓極化離化和磁化等物理方法控制冷卻水的水質(zhì)，防止病菌的滋生和傳播。盧昕怡[9]針對(duì)消毒對(duì)醫(yī)院空氣中細(xì)菌數(shù)量的影響做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，采用自然沉降法對(duì)門診區(qū)域進(jìn)行空氣細(xì)菌總數(shù)的監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，消毒手段可以有效阻斷細(xì)菌的傳播，說明消毒對(duì)于凈化醫(yī)院空氣效果是顯著的。從高效凈化醫(yī)院內(nèi)空氣質(zhì)量角度出發(fā)，楊成斌[10]等提出當(dāng)前通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)急需解決的問題是在呼吸道傳染病流行期間減少由于空氣污染造成的二次感染，在非呼吸道傳染病流行期間提升醫(yī)院內(nèi)空氣質(zhì)量及除味工作。指出當(dāng)前常使用的幾種改善處理方法，例如高效過濾器、靜電除塵、光催化低溫等離子凈化等，通過比較分析，其中高能離子凈化對(duì)醫(yī)院空氣凈化較為有利，可利用此方法將污染物消滅在萌芽之中。對(duì)于醫(yī)院常用的消毒凈化技術(shù)，楊繪敏[11]等做了比較系統(tǒng)的整理與綜述，就靜電吸附、離子凈化、光觸媒等消毒凈化技術(shù)闡述了工作原理，并對(duì)各自適用環(huán)境以及優(yōu)缺點(diǎn)等做了詳細(xì)的對(duì)比說明，見表1。

通過對(duì)各主流凈化技術(shù)詳細(xì)的分析定性，可在醫(yī)院不同區(qū)域針對(duì)性地使用凈化技術(shù)，使凈化效果更佳，同時(shí)也降低能源消耗及運(yùn)維成本。譚金煜[12]等人對(duì)比研究了過氧乙酸氣溶膠噴霧法與氣體熏蒸消毒法對(duì)醫(yī)院空氣消毒的效果，通過與對(duì)照組的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用兩種方法對(duì)醫(yī)院空氣消毒合格率都達(dá)到了100%。但是，由于氣體熏蒸消毒法費(fèi)時(shí)費(fèi)量且刺激性強(qiáng)，建議醫(yī)院多采用過氧乙酸氣溶膠噴霧法進(jìn)行消毒。針對(duì)室外空氣污染對(duì)呼吸系統(tǒng)發(fā)病率的關(guān)系，陳真飛[13]等人研究了病房?jī)?nèi)空氣質(zhì)量特征與醫(yī)院感染的關(guān)系并比較了其空氣凈化方式，得到了細(xì)菌數(shù)量與醫(yī)院感染發(fā)生率呈正相關(guān)的結(jié)論，指出細(xì)菌的數(shù)量對(duì)下呼吸道的感染率影響最大，根據(jù)需求選擇合理的凈化方式對(duì)降低感染率尤為重要。通過對(duì)文獻(xiàn)的研究分析，對(duì)于COVID-19 而言，可選擇靜電、離子以及光觸媒等凈化方法凈化空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)系統(tǒng)。

表1 各消毒凈化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.2 針對(duì)當(dāng)前疫情醫(yī)院內(nèi)HVAC 系統(tǒng)的新研究與探討

雖然自二十一世紀(jì)開始醫(yī)院空氣質(zhì)量問題開始愈受關(guān)注，但現(xiàn)階段對(duì)于類似COVID-19造成的這種特大疫情還是暴露出很多問題，醫(yī)院的HVAC系統(tǒng)仍無法高效的阻斷病毒在醫(yī)院內(nèi)交叉感染，截至2020 年4 月21 日全國(guó)共有476 家醫(yī)療機(jī)構(gòu)4 387例醫(yī)務(wù)人員感染冠狀病毒，就此情況，科研人員進(jìn)行了應(yīng)對(duì)COVID-19 類特大疫情醫(yī)院空氣調(diào)節(jié)新措施的研究。

自2020 年1 月30 日，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系劉荔副教授團(tuán)隊(duì)[14]在某醫(yī)院不同區(qū)域部署了32套云端環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，發(fā)現(xiàn)醫(yī)院現(xiàn)有公共就診空間存在環(huán)境承載力超負(fù)，重點(diǎn)區(qū)域新風(fēng)供給不足等問題，醫(yī)院門診區(qū)域人員密度高達(dá)每平方米3人，遠(yuǎn)超過規(guī)范的設(shè)計(jì)密度，導(dǎo)致按照規(guī)范設(shè)計(jì)的新風(fēng)量遠(yuǎn)不能滿足此時(shí)的新風(fēng)需求，即便是新風(fēng)系統(tǒng)全開，甚至所有可開啟外窗全開，室內(nèi)仍可能超過國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的推薦值。針對(duì)此情況，研究團(tuán)隊(duì)提出具體的改進(jìn)方案，該方案根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)對(duì)每日接診患者進(jìn)行分時(shí)限流，降低醫(yī)院內(nèi)人員的病毒暴露風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)環(huán)境評(píng)估隱性高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增加局部?jī)艋^濾器，優(yōu)化氣流組織形式，根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況針對(duì)部分隔離病房區(qū)域強(qiáng)化通風(fēng)和管控措施，增加醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人流智能監(jiān)測(cè)和環(huán)境污染預(yù)警等功能。綜合以上分析可見，在特大疫情爆發(fā)時(shí)，由于感染人數(shù)的激增使醫(yī)院對(duì)人員的限流工作變得更加困難，因此后續(xù)對(duì)新建醫(yī)院HVAC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)維研究還亟待進(jìn)一步深化。

與此同時(shí)，國(guó)務(wù)院應(yīng)對(duì)新型冠狀病毒肺炎疫情聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制綜合組[15]也發(fā)布了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管理指南，強(qiáng)調(diào)的諸多運(yùn)行措施都圍繞如何將室外新風(fēng)高效引入室內(nèi)及杜絕回風(fēng)使用等問題展開的說明。

清華大學(xué)生態(tài)規(guī)劃與綠色建筑教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)[16]研究了冬季工況下熱分層環(huán)境人際間飛沫傳染問題，經(jīng)過CFD模擬研究及百級(jí)潔凈室內(nèi)進(jìn)行的單分散氣溶膠顆粒物發(fā)生器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的熱分層能夠顯著影響近距離內(nèi)的飛沫傳染。如有效控制熱分層，例如將溫度梯度由 1.50 ℃/m 減少到 1.08 ℃/m，即可將相距1 m 內(nèi)的兩個(gè)人中的易感者吸入5μm 飛沫的數(shù)量可降低80%以上。為此提出了寒冷季節(jié)時(shí)應(yīng)優(yōu)先增加新風(fēng)量，并在冷壁下布置加熱器降低貼壁流動(dòng)，抑制人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的熱分層現(xiàn)象,避免形成垂直溫度分層，稀釋人員所在區(qū)域的飛沫和飛沫核濃度，可有效降低交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

3 成果討論

除了部分赤道地區(qū)氣溫可能達(dá)到病毒的滅活溫度50 ℃以外，考慮到近期全球疫情的持續(xù)惡化以及COVID-19 自身的特性，COVID-19 并不會(huì)隨著室外氣溫的升高而消失。預(yù)計(jì)全球疫情將會(huì)持續(xù)1-2 年，結(jié)合文獻(xiàn)綜述的內(nèi)容以及對(duì)《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)規(guī)范GB51039-2014》等規(guī)范[17-21]的研究，大型綜合醫(yī)院的HVAC 系統(tǒng)還應(yīng)加強(qiáng)平疫結(jié)合的思想及運(yùn)行模式。即在疫情突然爆發(fā)時(shí)，基本不需要改造現(xiàn)有醫(yī)院的布局與設(shè)施，能在較短時(shí)間轉(zhuǎn)換成可以正常接診的疫情應(yīng)急醫(yī)院，其要點(diǎn)是根據(jù)區(qū)域的劃分保證區(qū)域風(fēng)量平衡，滿足分區(qū)間壓差控制要求。風(fēng)道應(yīng)按“平疫”兩種狀態(tài)計(jì)算風(fēng)量最大者進(jìn)行設(shè)置，空氣處理設(shè)備應(yīng)按平/疫兩種狀態(tài)分別設(shè)置，通過密閉風(fēng)閥實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換且設(shè)備不應(yīng)安裝在疫情期間的污染區(qū)內(nèi)。病房宜采用可回風(fēng)運(yùn)行與直流運(yùn)行的全空氣系統(tǒng)，平時(shí)采用回風(fēng)運(yùn)行，疫情期間關(guān)閉回風(fēng),采用全直流空調(diào)運(yùn)行模式?？諝鈾C(jī)組宜采用獨(dú)立新風(fēng)變風(fēng)量系統(tǒng)，可以規(guī)避傳統(tǒng)變風(fēng)量系統(tǒng)濕度、新風(fēng)值被動(dòng)跟隨的問題。由于目前對(duì)于醫(yī)院平/疫結(jié)合的設(shè)計(jì)運(yùn)行還處在起步階段，后期還需通過實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行完善。

4 結(jié)論及展望

通過研究近年來國(guó)內(nèi)外應(yīng)對(duì)病毒院內(nèi)傳播的現(xiàn)狀以及COVID-19的院內(nèi)交叉感染情況可見，改變HVAC 系統(tǒng)的運(yùn)行方式和末端參數(shù)的方法是最直接且見效最快的方法。就COVID-19 生存時(shí)間較國(guó)內(nèi)其他地區(qū)相比都要長(zhǎng)的嚴(yán)寒地區(qū)而言，局部高污染區(qū)域設(shè)置為負(fù)壓區(qū)并加大HVAC 系統(tǒng)的新風(fēng)量和換氣次數(shù)采用全新風(fēng)方式運(yùn)行，可快速稀釋空氣中病毒的濃度，使其達(dá)到安全的稀釋倍數(shù)，與冷壁下方布置加熱器的方法聯(lián)用可以有效降低交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。但此次疫情的病源及傳播途徑仍處在發(fā)現(xiàn)探索階段，利用傳統(tǒng)的手段防止交叉感染顯然不夠高效全面，同時(shí)在嚴(yán)寒地區(qū)舍棄回風(fēng)的使用將造成大量的能源浪費(fèi)，對(duì)于現(xiàn)有送回風(fēng)管段加裝離子、靜電、光觸媒等對(duì)病毒和塵埃有不同側(cè)重的凈化過濾裝置，在滿足凈化要求的條件下提高醫(yī)院使用回風(fēng)的安全性，但存在后期加裝難度大、初投資大、后期運(yùn)維費(fèi)用高等缺點(diǎn)難以在嚴(yán)寒地區(qū)大規(guī)模使用，因此嚴(yán)寒地區(qū)如何經(jīng)濟(jì)、安全、高效地利用回風(fēng)且大規(guī)模推廣使用，還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，如何進(jìn)行醫(yī)院平疫結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，也將成為研究人員需要攻克的新目標(biāo)。