自2020年新冠肺炎疫情暴发以来,在极短时间内新建了多所方舱医院,主要收治轻症确诊患者。所建方舱医院绝大多数由既有高大空间建筑(如体育馆、展厅、厂房等)改造而成,但是作为战时野战医院的方舱医院,当用于新冠肺炎治疗场所时,为保证医护人员、工作人员、患者的健康,防止病毒向周围环境扩散,如何在极短时间内进行改造是值得探讨的问题。

　　 在笔者参与的多个方舱医院改造过程中,清洁区的改造简易可行,但是如何合理地进行污染区、半污染区的改造是个较为复杂的问题,以下进行具体分析探讨。

　　 疫情期间武汉被改造为方舱医院的既有建筑有体育馆、展厅、厂房等,它们都具有共同特征:1) 建筑周边空间较宽敞、交通便利、距离居民区较远、水电通讯等设施齐全。2) 建筑空间高大,一般室内高度大于15 m,厂房高度稍低,但是室内高度也大于5 m;门窗多、屋面大多数为网架结构,气密性较差。3) 在已确定改造为方舱医院的展厅、体育馆建筑设有集中空调系统;疫情前期改造为方舱医院的厂房较少设有集中空调系统,中后期根据病人的意见反馈,为提高病人的舒适度,确定设有集中空调系统的厂房作为改造方舱医院的基本要求。4) 消防设施基本齐全。

　　 体育馆、展厅空调末端方式为一次回风全空气空调系统,采用喷口中部侧送风、下部集中回风;部分体育馆的场馆、展厅设有机械排风和机械排烟系统;机械排风系统的排风量小于空调送风量。对于设有集中空调系统的厂房,空调末端方式为一次回风全空气空调系统,空调送风方式为顶送风,厂房较少设置机械排风、机械排烟系统。全空气空调系统的新风口均布置在空调机房附近的外墙上;设有机械排风(烟)系统的排风口均布置在排风(烟)机房附近的外墙或屋面上,当排风口设置在屋面上时,其排风口高度不高于屋面标高2 m。新风口与排风口之间的水平距离一般大于6 m,在不同建筑中其水平距离差别较大。

　　 根据职能部门、使用单位及相关规范的要求,方舱医院的改造应达到以下目标:1) 改造后的方舱医院能够保证医护人员、工作人员、患者的健康,防止污染区、半污染区的病毒向周围环境扩散;2) 由于用于改造的时间极短,通风空调改造需基于现状,所需改造的设备、材料应为现有;3) 方舱医院使用完毕能够迅速、简单地恢复原有功能。

　　 方舱医院污染区、半污染区的基本功能如图1所示,以下就每个区域进行通风空调改造分析。

　　 病区主要功能包括病床区、护士站、抢救治疗室、活动室、备餐间、被服库等,轻症患者按病情分隔成多个区域,隔断高度一般为2 m左右,病人人均使用面积约为7～12 m²。1 000人的方舱医院,每天医护人员分为4班,每班人数约为60人。

　　 许多呼吸道传染性疾病(包括新冠肺炎)多暴发于冬春季,此时室外温度较低,室内需要供热,靠近外窗区域会形成贴壁气流。室内外温差越大、窗户隔热性能越差,贴壁气流越强,当处于该区域的人互相交流时,贴壁气流破坏人体表面的热羽流 ^[1],易形成交叉感染,因此病床应远离该区域,同时也能避免冷辐射对病人的影响。结合方舱医院的实际使用情况,建议外墙处的通道宽度3 m以上、病床之间的间距1.5 m较为合适。当病床区床位布置较为密集时,可以设置医用空气消毒净化装置以降低各种疾病的感染风险。

　　 清洁区、半污染区、污染区需要保持有序的压力梯度,病区的压力最低,但是高大空间的气密性较差,如何保持合理的压差防止室内空气外溢值得探讨,以下以展厅、体育馆、厂房分别改造为1 000人的方舱医院为例进行分析。

　　 病区的排风量标准按每人不小于150 m³/h计算 ⁽¹⁾,排风量为150 000 m³/h。展厅、体育馆、厂房的建筑特征及不同送、排风量下门窗缝隙边发烟测试气流效果见表1。

　　 通过表1可以得出:无外窗和网架结构屋顶的展厅气密性最好,当送风量低于排风量的90%时,其改造成的方舱医院的室内能够形成稳定的负压,可以有效防止病毒向周围环境扩散,安全性好;但是通过实际调研显示其存在一定的缺点,由于无外窗,病人生活环境的体验感较差,压力大,不利于轻度患者恢复健康。体育馆由于外窗较多且为网架结构屋顶,室内密闭性最差,当送风量为排风量的60%左右时,室内才能形成稳定的负压,主要原因是体育馆空间太大,漏风量较大,排风系统布置不均匀。与展厅、体育馆相比,厂房的层高相对较低,尽管有较大面积的外窗,但是维持相同的室内负压时,其送风量与排风量的比值介于上述二者之间。

　　 通过以上分析可以得出,为避免病毒外溢,选择高度合适、有较少外窗的厂房或展厅较为合理。当建筑气密性较差时应减少送风量以维持室内负压,送风量建议按照排风量的60%～90%取值,气密性较差时取低值,反之取高值。

　　 改造末端空调系统有2种方案:1) 全新风运行模式;2) 新风、回风混合运行模式。二者改造的优缺点见表2。

　　 从表2可以看出,采用全新风运行模式更适合疫情时的空调改造方案。

　　 武汉方舱医院实际运行情况表明,病区内的温度对病人的情绪影响非常大,而新冠肺炎疫情暴发于冬春季,该时期属于供暖期,当采用全新风运行模式时,对室内温度的影响程度分析如下。

　　 调查本次武汉改造为方舱医院的展厅、体育馆和厂房,其集中空调热负荷与冷负荷的比值为0.4～0.6;同时统计笔者所在单位历年设计的湖北省多项此类工程,结果均显示集中空调热负荷与冷负荷的比值为0.40～0.65,因此以下以空调热、冷负荷比值为0.4～0.6进行计算分析。

　　 以武汉市改造为1 000人方舱医院的展厅为例,空调冷源的制冷量约为2 000 kW,空调热源的制热量约为1 200 kW,室内以空调冷负荷为基准选择末端空调器,空调器按6排管选型,空调器的总送风量至少为30万m³/h,当其在冬季全部转换为全新风运行时,根据式 (1)计算:

　　 $Q=\frac{c{\rm M}\text{Δ}t}{3600}(1)$

　　 式中 Q为热负荷,kW;c为空气比热容,取1.01 kJ/(kg·℃);M为空气质量流量,kg/h;Δt为空气温升,℃;3 600为换算系数,s/h。

　　 计算得Δt=11 ℃。

　　 计算表明在整个集中供热系统所有供热区域均运行的情况下,冷热水共用盘管的空调器(6排管)全新风运行时,送风温度在室外温度的基础上升高约11 ℃,即当室外温度为-2 ℃时,空调器送风温度仅为9 ℃。当集中供热系统中的部分供热区域不运行,仅改造的方舱医院区域运行,且空调热源容量满足方舱医院全新风运行时的热负荷时,供热能力取决于空调器自身供热能力和热水流量,热水流量按照夏季冷水流量取值,同理通过计算可得出:供/回水温度为60 ℃/45 ℃,6排管的空调器在全新风运行时,单位风量(1 m³/h)所提供的热量约为10～12 W,若按12 W取值,则送风温度在室外温度的基础上升高约33.6 ℃。若要继续升高送风温度则可以采取以下2种措施:1) 加大热水流量,但其受限于既有空调管径及热水循环水泵的扬程,流量增加的幅度很小;2) 提高供水温度达到65 ℃时,供热能力提升约12%,即送风温度可以升高至37.6 ℃。由此可见,正常情况下当回风状态的空调器改成全新风运行模式时,其送风温度在室外温度的基础上升高11.0～33.6 ℃。

　　 若病区的排风量按每人不小于100 m³/h计算,空调器的新风量按照排风量的80%取值,人均占地面积10 m²,当室外温度为-2 ℃时,供/回水温度采用60 ℃/45 ℃,空调器采用6排管,为满足室内温度达到16 ℃的要求,根据前文分析,空调器所送出的新风最高能够提供给室内的热量约为47 W/m²,其中渗透风抵消的热量约为13 W/m²,剩余的热量34 W/m²能够满足围护结构的热负荷,因此室内温度能达到16 ℃,可以保证病人的使用要求。

　　 方舱医院采用全新风模式运行时,冬季室内温度主要由以下因素决定:空调热源的容量、病区的排风量、空调器的性能参数、供热水温等。当室外温度为-2 ℃时,病区按患者每人不小于100 m³/h的排风量进行排风,空调热源的容量能够满足病人区全新风运行的空调热负荷,空调器采用6排管,供/回水温采用60 ℃/45 ℃,室内温度能够达到16 ℃。当人均排风量增加,方舱医院的空调热负荷加大,空调热源不能满足其需求时,则室内温度降低,达不到16 ℃。当空调器采用4排管时,其送风温度低于6排管空调器的送风温度,即单位风量所提供给室内的热量减小;为了维持16 ℃室温则需加大人均送风量和排风量,因此病区的热负荷更大,除非空调热源的容量及水系统供热能力能够满足风量加大所导致的热负荷增加量,否则室内温度会变得更低。

　　 夏热冬冷地区的其他区域可参考上述方式来保证冬季病区的室内温度;夏热冬暖和温和地区的病区室内温度较易达到使用要求。若严寒地区改造方舱医院,应选择具有全空气空调系统和独立供热系统(如地板辐射供暖)的建筑,当全空气空调系统改变为全新风系统运行时,应通过空调器变频方式减小新风量以满足人均排风量和送风温度的要求,室内温度主要通过独立的供热系统来保证。寒冷地区改造方舱医院,由于室内无独立的供热设施或虽有供热设施但可提供的供热量较小,当室外温度较低时室内无法达到16 ℃,需要采用其他辅助措施(如增设临时热源),以提高室内温度,从而保护病人健康及稳定情绪。

　　 病区的排风量取值值得探究,其大小需满足以下条件:1) 满足病人新风量需求;2) 建立有序的压力梯度;3) 保证室内合适的温度;4) 有利于迅速改造完成。

　　 由于方舱医院收治的是轻症确诊患者,病人所需的新风量应不小于40 m³/h ^[2]。高大空间建筑改为方舱医院,其气密性一般较差,室内难以达到-5 Pa的绝对压力,只能与室外保持相对的压差,防止病毒向室外扩散,降低周围区域感染风险。根据前文分析,对于夏热冬冷地区,当排风量按每人不小于100 m³/h取值时可以满足室内16 ℃的温度要求,加大排风量则较难保证室内温度;排风量增大意味着排风高效过滤器组也相应增加,改造难度增加,施工时间变长,投资也增大。

　　 呼吸道传染病的病房最小新风换气次数为6 h^{-1 [3]},若病房按人均10 m²、净高2.6 m计算,病房内每人的排风量为156 m³/h。人体平和状态下呼吸空气量约为6～9 L/min,即0.36～0.54 m³/h,由于方舱医院长时间存在病人,其病毒量很高,当病人存在160 min时,病毒产生率达到4 680 quanta/h,由图2 ^[4]得出,传染病病房采用10 h^-1以下的换气次数不能有效降低感染风险。当方舱医院人均排风量按每人不小于150 m³/h计算时,体育馆、展厅和厂房的室内换气次数约为0.5～3.0 h^-1;同时由于其空间高大,通风的有效性较差,有效通风换气次数更低,因此增大排风量并不能有效降低感染风险。

　　 为了满足病人正常新风量和室温要求、保持室内有序的压力梯度和改造的易行性,同时考虑一定的安全余量,建议排风量按每人不小于100 m³/h取值,对于夏热冬暖和温和地区可以适当提高排风量标准。

　　 综合以上分析,结合体育馆、展厅和厂房的气密性、空调通风设置情况及建筑特征,从通风的有效性及保证室内温度的角度来看,厂房和展厅更适合改造为方舱医院,体育馆稍差。

　　 医护人员出入口是防止交叉感染的重点关注区域,该区域均为体育馆、展厅及厂房的附属房间改造而成,根据三区二通道要求,典型医护人员出入口和通风示意图见图3、4。

　　 医护人员需经过一次更衣间(简称一更)、二次更衣间(简称二更)、缓冲间,才能达到病区,由于病区为负压,一更、二更采用送风方式以保证正压、防止病毒扩散至清洁区是合理的。根据式(2)计算门窗缝隙泄漏风量:

　　 $L=0.827A\text{Δ}p{}^{\frac{1}{2}}\times 1.25(2)$

　　 式中 L为泄漏风量,m³/s;A为有效漏风面积,m²;Δp为压差,Pa。

　　 一更送风,各相邻隔间采用DN300的通风短管,单扇门(2.0 m×0.9 m,门缝4 mm)、压力为10 Pa时(病区按绝对负压-5 Pa计算,有些较难达到),外门、内门缝和短管的泄漏风量分别为193、272、828 m³/h,则总送风量必须保证大于1 293 m³/h。当一更采用30 h^-1换气次数进行送风时,其体积必须大于43.1 m³(净高2.4 m,面积18.0 m²)才能保证与病区的10 Pa压差,因此设计中必须按一更换气次数30 h^-1和送风量1 293 m³/h取大值选择送风机。对于1 000人的方舱医院,每班医护人数约为60人,建议一更的面积为20 m²以上。

　　 为了便于改造时快速安装,同时考虑运行时送风过滤器的阻力越来越大,建议送风机选择陡降型性能曲线的定频风机;二更与缓冲间的短管上设置手动密闭风阀以便在风机故障时进行安全防护;缓冲间与病区采用带电动风阀的短管,其与送风机连锁;为防止门自然开启泄压,其开启方向也需随压力梯度确定。

　　 医护人员离开病区一般需经过缓冲间、脱隔离服间、脱防护服间、脱制服(淋浴)间、一更后返回清洁区。使用特点为:1) 缓冲间医护人员通过时间极短;2) 实测表明脱隔离服房间病菌浓度较高,医护人员需经过脱手套、护目镜、隔离服、面罩、鞋套,洗手等过程,时间较长,防护服及口罩有可能重新沾上病毒;3) 冬季脱制服(淋浴)间温湿度较高。改造要求为:保证有序的压力梯度,气流合理,工程施工简单易行。

　　 根据图4,排风方案可以建立如下压力梯度:脱制服间(-5 Pa)、脱防护服间(-10 Pa)、脱隔离服间(-15 Pa)、病区(-5 Pa),在脱隔离服间设置换气次数不小于30 h^-1的排风,其他相邻隔间采用DN300的短管是简单易行的方式。

　　 缓冲间的通风方式值得分析,其两侧的病区及脱隔离服间均为污染区,若采用送风方式可阻止病区病毒流向脱隔离服间,但是其送风量很小,系统复杂、施工难度大;若仅在脱隔离服间设置排风,则缓冲间通过门缝渗透的风量为193 m³/h,当其面积小于10 m²(净高2.4 m)时,室内换气次数达到8 h^-1,因此可以不设置排风,同时建议缓冲间的面积不宜过大。

　　 为保持脱隔离服间的负压,同理计算其排风量必须保证大于976 m³/h;采用换气次数30 h^-1计算时,其体积必须大于32.5 m³(净高2.4 m,面积13.5 m²)才能保证与病区的压差,因此设计中必须按脱隔离服间换气次数30 h^-1和送风量976 m³/h取大值选择排风机。1 000人的方舱医院,每班医护人数约为60人,建议脱隔离服间的面积为25 m²以上,采用换气次数30 h^-1能够保证有序的压力梯度。

　　 冬季脱制服(淋浴)间温湿度较高,排风机不一定能有效排出热气,可根据实际情况在此增设排风系统或加大脱隔离服间的排风量。脱制服(淋浴)间与脱防护服间采用带手动密闭阀的短管是为了在排风机由于意外事故停止运行时起隔绝作用,排风机也可设备用风机。为防止门自然开启泄压,其开启方向也需随压力梯度确定。

　　 病人入口包括寄存、消毒、安检、更衣区等,病人出口包括转院和康复出口,均设置消毒和打包区域。该区域需设置排风以满足2个要求:1) 防止病毒通过外门逸出室外;2) 由于消毒需排风消除室内空气异味,但是消毒剂的存在对杀灭病毒有益。

　　 对于病人入口区,其负压值可以与病区相同,当维持-5 Pa的压差时,按1个室外单扇门计算,则排风量为193 m³/h;若按换气次数12 h^-1计算时,其排风量一般远大于193 m³/h。因此入口区的负压会低于病区负压,可以作为安全屏障。

　　 对于病人出口区,由于转院病人可能需要病床,双扇外门开启时间较长,压差并不能完全保证。该区域为负压且负压值可以与病区相同,当维持-5 Pa的压差时,按1个室外双扇门计算,则排风量为320 m³/h;由于开门时间长,因此建议按换气次数12 h^-1计算且取大值。

　　 病区内还包含其他辅助用房,如:抢救治疗室、处置室、库房、开水间、污洗间、垃圾间、污物通道等,其中抢救治疗室、处置室等采用半隔断空间,因此不需要特别处理,若为封闭空间则需要增设通风系统,当进风有条件可以从室外直接取时,则需要增设电动风阀以保证风机出现故障时关闭新风口;当无条件时,则直接从病区取风;排风可以直接排至病区。

　　 开水间、污洗间、垃圾间、污物通道需要设置机械排风系统,排风量可以按照换气次数12 h^-1取值。

　　 由于患者使用的卫生间排水需要特别处理且卫生间数量多,本次武汉改造方舱医院的卫生间全部采用成品方式且设置在室外,从目前使用效果看并未对周围工作人员产生影响。本着简单易行且平疫结合方式,卫生间建议设置在疫情期间高频风向的下风侧。根据大气扩散模型 ^[5]中大气扩散浓度估算,室外风速为2 m/s时,100、200 m距离的浓度稀释约为450、1 500倍,因此建议最好周边150 m范围内不能有居民区,此时病菌浓度稀释约为1 000倍。

　　 以上所有排风机均需要设置粗、中、高效过滤器组;排风口的位置最好位于下风侧高处。新风口与排风口之间应保证20 m的水平距离,若不满足条件,可以在改造时保证竖直方向上高差6 m以上。

　　 新冠肺炎疫情暴发时,病人的数量呈指数级别增长,为了在最短时间内建设好方舱医院,应对今后可能发生类似的呼吸道传染性疾病,所有通风系统的有关物资需要进行灾备储备,主要包括风机、过滤器、医用空气消毒净化装置、空气过滤器的压差报警器等。建议所有病区的设备以病人数200、400为模数,对应配置送风机、亚高效过滤器组(H11,包括粗、中效过滤器)、排风机、高效过滤器组(H13,包括粗、中效过滤器);医护人员、病人出入口及其他区域的标准化、系列化风机也相应配置。

　　 由于患呼吸道传染性疾病的病人需要氧气,尽管方舱医院收治的是轻症确诊病人,但是其有转化为重症病人的可能性。为了应对突发情况使用氧气,同时减少今后改造的工作量,本着简单易行的目的,建议对于适宜改造为方舱医院的新建公共建筑,在特定地点预敷设室内外连通的氧气管道,同时室内外墙壁预留氧气快速接头。当疫情发生时可以快速对接使用,避免氧气瓶组进入方舱医院带来的隐患,也减少更换氧气瓶组所带来的感染风险。

　　 对于某些新建的公共建筑,政府应制定相应的法规,设计时应考虑平疫结合方式以便为今后改造方舱医院创造有利条件,特别是医护人员出入口所需的功能条件、预留风机所需要的配电回路等。

　　 1) 根据新冠肺炎的特点、既有公共建筑的特征和空调通风设置情况,从通风的有效性及保证室内温度的角度来看,厂房和展厅更适合改造为方舱医院,体育馆稍差。

　　 2) 既有高大空间建筑改造为新冠肺炎方舱医院时,病区采用全新风直流式的运行模式更为简单易行;建议排风量按每人不小于100 m³/h取值,夏热冬暖和温和地区可以适当提高排风量标准,能够满足病区使用需求,同时也方便改造。

　　 3) 提出医护人员、病人出入口及其他区域的合理通风方式,避免人员交叉感染及对周围环境的影响,也能满足快速改造的要求。

　　 4) 提供呼吸道传染性疾病突发时的应对措施建议,包括灾备物资储备、平灾转换要求及建筑预留条件等。