智慧醫(yī)院室內(nèi)空氣凈化研究

文｜浙江五洲工程項(xiàng)目管理有限公司 馬建民

1.引言

醫(yī)院建筑使用功能復(fù)雜且持續(xù)運(yùn)營時(shí)間長，人員密度高且流動(dòng)性大，導(dǎo)致醫(yī)院建筑存在較為嚴(yán)重的室內(nèi)空氣質(zhì)量問題，每天都影響著廣大患者和醫(yī)務(wù)工作者的身心健康。醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量參數(shù)主要包括可吸入顆粒物PM2.5、揮發(fā)性有機(jī)化合物、CO2、細(xì)菌等。而在新冠疫情期間，新冠病毒又在醫(yī)院里傳播擴(kuò)散，進(jìn)一步凸顯出室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要性。

本文對醫(yī)院室內(nèi)空氣凈化進(jìn)行了研究探討，并從建設(shè)智慧醫(yī)院角度出發(fā)，結(jié)合國家5G 技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，提出了基于建筑信息模型的空氣凈化技術(shù)方案：5G 融合通風(fēng)控制和多旋翼無人機(jī)空氣消毒，為提升醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了有效的技術(shù)措施。

2.室內(nèi)空氣凈化探討

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

醫(yī)院空調(diào)房間的通風(fēng)凈化尤為重要，普通病房區(qū)域的新風(fēng)量應(yīng)根據(jù)人數(shù)變化規(guī)律按實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，合理設(shè)計(jì)通風(fēng)路徑避免交叉感染，采用機(jī)械通風(fēng)的方式加強(qiáng)無法自然通風(fēng)的區(qū)域，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)效率。通風(fēng)系統(tǒng)可采用變頻調(diào)節(jié)風(fēng)速分別滿足治療和休息兩種功能。

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)保障了醫(yī)院室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境，但其高能耗也是有待解決的難題，隨著國家提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)，醫(yī)院空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需要進(jìn)一步優(yōu)化降低能耗。雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求新風(fēng)量能夠調(diào)控，但如何合理高效進(jìn)行調(diào)控難度比較大，對于人流變化較大的門診大廳和候診區(qū)，目前空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量一般根據(jù)CO2濃度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)，然而這樣的控制方式較為遲鈍，而且設(shè)置的CO2濃度監(jiān)測點(diǎn)不一定能準(zhǔn)確反應(yīng)整個(gè)區(qū)域的新風(fēng)需求，更有效的控制方式需要將實(shí)際人數(shù)與空調(diào)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，這樣可以根據(jù)實(shí)時(shí)人流變化更準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)新風(fēng)量。在病房區(qū)域，也需要將實(shí)時(shí)入院和出院的病人以及陪同和探視的人員數(shù)量與空調(diào)控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，基于實(shí)時(shí)人數(shù)的控制方式可以比CO2濃度監(jiān)測點(diǎn)控制方式更加高效確定新風(fēng)具體調(diào)控時(shí)間和新風(fēng)量的大小。

2.2 消毒措施

空調(diào)環(huán)境下的溫濕度以及密閉環(huán)境很適合細(xì)菌的生存與繁殖，醫(yī)院室內(nèi)使用空調(diào)后細(xì)菌數(shù)量明顯增多，人員增多及人員頻繁走動(dòng)會(huì)明顯增加細(xì)菌數(shù)量，細(xì)菌會(huì)附著在懸浮顆粒物上進(jìn)行擴(kuò)散。醫(yī)院室內(nèi)空氣消毒殺菌是預(yù)防和控制感染的關(guān)鍵措施。

由于醫(yī)院室內(nèi)空氣消毒工作量比較大，如何高效率進(jìn)行室內(nèi)空氣消毒，降低醫(yī)務(wù)人員的工作負(fù)擔(dān)，減少人工成本和時(shí)間成本，成為了醫(yī)院運(yùn)營過程中亟待解決的問題。另一方面由于新冠疫情的影響，醫(yī)院各區(qū)域更加需要高頻次全面消毒，進(jìn)一步增加了消毒工作量。雖然目前疫情已經(jīng)得到了全面控制，但仍然有局部地區(qū)出現(xiàn)疫情反復(fù)情況，并且有醫(yī)務(wù)人員被新冠病毒感染，因此醫(yī)院需要繼續(xù)加強(qiáng)防疫措施，嚴(yán)格落實(shí)疫情防控常態(tài)化管理。醫(yī)院傳統(tǒng)的人工消毒方式難以滿足迅速增加的常態(tài)化消毒需求，并且存在將消毒人員暴露在新冠病毒之下的風(fēng)險(xiǎn)，如何采用智能化技術(shù)解決這個(gè)難題變得日益重要。

3.5G 融合通風(fēng)控制

3.1 5G 通風(fēng)控制概述

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模推廣，大數(shù)據(jù)傳輸與分析決策已經(jīng)變得越來越快捷，從而萬物互聯(lián)成為可能?；?G 網(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)位置數(shù)據(jù)的時(shí)空變化和快速更新使得定位數(shù)據(jù)信息形成了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要資源。對室內(nèi)人員的準(zhǔn)確定位不僅可以為醫(yī)務(wù)人員和患者提供便利服務(wù)，同樣可以實(shí)現(xiàn)對各種設(shè)備高效管理。室內(nèi)通風(fēng)設(shè)備可以根據(jù)實(shí)時(shí)人員數(shù)量變化進(jìn)行控制，從而將節(jié)能減排落到實(shí)處（圖1）。

圖1 智慧醫(yī)院5G 室內(nèi)人流定位

3.2 醫(yī)院室內(nèi)5G 融合定位

室內(nèi)定位技術(shù)包括5G 蜂窩定位、藍(lán)牙定位、Wi-Fi 定位、UWB 定位等多種技術(shù)方案。為了能提供更精確的醫(yī)院室內(nèi)人流定位數(shù)據(jù)，5G 技術(shù)可以結(jié)合其它定位技術(shù)進(jìn)行效率提升，其中藍(lán)牙定位技術(shù)和Wi-Fi定位技術(shù)是比較合適的選擇，兩者均可以與5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)共同部署和維護(hù)，運(yùn)行成本較低，手機(jī)藍(lán)牙和Wi-Fi 路由器也已經(jīng)全面商業(yè)化。通過5G 室內(nèi)融合定位，可以獲得醫(yī)院各區(qū)域人員數(shù)量的實(shí)時(shí)變化信息，為通風(fēng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確調(diào)控提供了基礎(chǔ)（圖2）。

圖2 智慧醫(yī)院5G 室內(nèi)融合定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.3 BIM 空間匹配分析

通過5G 融合定位之后，每個(gè)區(qū)域空間的人數(shù)實(shí)時(shí)上傳到醫(yī)院私有云平臺(tái)，在云平臺(tái)儲(chǔ)存的醫(yī)院建筑信息模型中包含每個(gè)區(qū)域空間的三維幾何數(shù)據(jù)以及通風(fēng)設(shè)備的型號和性能參數(shù)等非幾何數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)管理模塊通過對人數(shù)、區(qū)域空間大小和所需新風(fēng)量等BIM 信息數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析，將優(yōu)化調(diào)控指令傳送到通風(fēng)設(shè)備的控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)通風(fēng)的優(yōu)化控制（圖3）。

圖3 智慧醫(yī)院5G 融合通風(fēng)控制邏輯流程

4.多旋翼無人機(jī)空氣消毒

4.1 無人機(jī)空氣消毒概述

醫(yī)院室內(nèi)空氣消毒目前基本都是人工操作完成，由于日常需求量較大，空氣消毒工作占用了大量人工成本和時(shí)間成本。如何利用智能化技術(shù)協(xié)助完成空氣凈化工作對于醫(yī)院運(yùn)營具有重要價(jià)值。目前無人機(jī)已經(jīng)被越來越廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，而隨著5G 網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模商業(yè)化，無人機(jī)的應(yīng)用效率得到了進(jìn)一步提升。在醫(yī)院普通病房和公共區(qū)域內(nèi)，無人機(jī)噴灑消毒液凈化空氣可以有效減少人力資源消耗，消毒過程簡單便捷容易操作，并可以24 小時(shí)在線工作，大幅減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作負(fù)擔(dān)。另外消毒人員也避免了直接暴露在各種病毒之下的風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。

圖4 智慧醫(yī)院無人機(jī)空氣消毒

4.2 多旋翼無人機(jī)消毒與監(jiān)測

無人機(jī)結(jié)構(gòu)類型有固定翼型、多旋翼型、傘翼型等，多旋翼無人機(jī)用于醫(yī)院室內(nèi)空氣消毒具有明顯優(yōu)勢。消毒液噴灑到空氣中后，每個(gè)旋翼快速旋轉(zhuǎn)加速了消毒液擴(kuò)散和霧化，消毒液隨著無人機(jī)飛行過程而迅速彌漫到整個(gè)室內(nèi)空間，大幅提升了消毒效率。此外，多旋翼無人機(jī)操控性較強(qiáng)，可以垂直起降并且可以懸停在空中，對于室內(nèi)不同高度不同位置的消毒任務(wù)都可以輕松完成。目前普通病房在室內(nèi)無人時(shí)進(jìn)行消毒通常采用過氧化氫或紫外線照射等方式，但新冠病毒具有強(qiáng)傳染性，無人機(jī)在室內(nèi)無人時(shí)進(jìn)行消毒降低了消毒人員被感染的風(fēng)險(xiǎn)。除了消毒凈化的功能外，無人機(jī)可以同時(shí)對室內(nèi)空氣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，包括PM2.5、CO2、溫度、濕度等，都可以通過無人機(jī)攜帶的傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，這樣的監(jiān)測方式比在室內(nèi)固定點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測儀器結(jié)果更加準(zhǔn)確(圖5)。

圖5 智慧醫(yī)院多旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)

4.3 BIM 飛行路線規(guī)劃

醫(yī)院室內(nèi)空間區(qū)域的幾何數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在建筑信息模型中，無人機(jī)在執(zhí)行消毒任務(wù)前，可通過醫(yī)院私有云平臺(tái)提取目標(biāo)區(qū)域的BIM幾何數(shù)據(jù)，并選擇最近的飛行路線。在連續(xù)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)時(shí)，可根據(jù)不同目標(biāo)區(qū)域位置對任務(wù)的先后順序進(jìn)行排序，以選擇最優(yōu)化的飛行路線，確保在最短的飛行時(shí)間內(nèi)完成工作任務(wù)。在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行消毒時(shí)，可根據(jù)區(qū)域空間大小和區(qū)域形狀的BIM 幾何數(shù)據(jù)，設(shè)置不同的飛行路線，確保噴灑出的消毒液可覆蓋整個(gè)區(qū)域（圖6）。

圖6 智慧醫(yī)院多旋翼無人機(jī)空氣消毒邏輯流程

5.總結(jié)

醫(yī)院建筑作為具有特殊功能的人員密集型公共建筑，其室內(nèi)空氣質(zhì)量問題一直困擾著廣大患者和醫(yī)務(wù)工作者。本文對醫(yī)院室內(nèi)空氣凈化進(jìn)行了研究探討，包括通風(fēng)系統(tǒng)和消毒措施兩個(gè)方面，提出了基于智慧醫(yī)院建設(shè)的室內(nèi)空氣凈化方案，包括5G 融合通風(fēng)控制和多旋翼無人機(jī)空氣消毒，方案將智能化技術(shù)與醫(yī)院建筑信息模型深度結(jié)合，為提升醫(yī)院室內(nèi)空氣質(zhì)量提供了高效的解決措施。