美国传染性隔离病房的通风空调系统设计

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视觉丨那颜
来源丨洁净技术与应用


1 文献综述


 早在1877年,美国出版了第一本关于疾病预防和控制的手册,其中建议传染病患者应该被安置在独立的、专门的空间内,也就是今天所说的传染病医院的雏形。但是,当时对于传染性疾病的控制只能停留在传染病患者和健康人群之间的隔离,并没有对不同传染病患者之间采取预防隔离措施,因此医院内的交叉污染问题并未得到实质性解决。直至1910年,美国医院开始采用一种多病床的小卧室隔离单元对污染进行控制,这种控制手段当时被称为屏障式护理(barriernursing)。1950年左右,除了一些专门的结核病医院,美国的大部分传染病医院均被关闭。1965年左右,结核病医院也陆续被关闭,主要是由于综合医院以及门诊成了结核病患者的首选。到了60年代末,传染病患者大多被安置在综合医院的病房里面。在这些综合医院里,也专门设置了单人以及多人隔离病房。


1970年,美国CDC专门出版了《综合医院传染性疾病预防隔离技术手册》,并于1975年进行了修订,此手册针对传染性疾病的种类及其传播的途径分别介绍了预防隔离措施和技术。


1975年左右,大约93%的美国医院采用了该手册上建议的隔离系统,但是这本手册对阻止传染性疾病蔓延的分类建议以及使用相应隔离系统的初投资和运行费用并没有进行有效的评估。根据一些疾病的传播方式以及流行病学的知识,1983年CDC出版了《医院疾病预防控制技术指南》。此指南在1994年又进行了修订,具体包括两部分,第一部分是关于传染性疾病预防和控制的历程,回顾了美国医院在传染性疾病预防和控制过程中的利弊以及一些有争议的地方;第二部分是相应的污染控制建议及措施。1991年左右,大约有27000例新的肺结核感染病例报告到CDC,美国肺病学会估计,如果不采取防治措施,在10年内,美国每年至少会出现50000例新的肺结核病人。


许多位于高危险地区的医院已经无法承受感染了肺结核病(处于潜伏期或活动期)的病患者数量。此外,还出现了新的免疫缺损病毒、艾滋病病毒(HIV)感染的肺结核菌以及耐药性病毒,包括多药耐药肺结核菌株(MDR2TB),相关的死亡率较高。根据上述事实,美国CDC于1994年出版了《疾病预防控制设施中预防结核分支杆菌传播的指南》(以下简称《CDC指南》)。这一指南特别推荐在卫生保健设施区域内进行通风以及压力控制来防止肺结核病菌在设施内大面积传播,而且明确指出确诊病人和疑似病人应分别被安置在独立的病房内,且其压力均应低于周围环境压力;同时还分析了去除污染物的各种原理以及通风空调系统的设计,其中传染性隔离病房被认为是防止传染的一个关键因素。1993年AIA(美国建筑师联合会)的《医院及医疗设施的建筑和设备指南》以及ASHRAE2003年版手册中也提出了有关医院隔离病房的一般设计要求和控制方法。


目前在美国很多被州或地方政府所采用的建筑法规(如:NBC,UBC,SBC等)大多也参照了前面CDC,AIA和ASHRAE指南中提出的医院疾病预防控制理念和建议以及各种隔离病房的建设要求。所以CDC,AIA和ASHRAE指南可以说是目前在医院疾病预防和控制以及传染性隔离病房建设方面可供参考的权威文献。


2 通风空调系统设计


2.1 通风空调系统形式


《CDC指南》中把全面通风系统分为两种方式:全新风系统和循环风系统。
全新风系统对有感染性微粒存在的区域是首选(例如肺结核的隔离病房或治疗室),因为它可以防止污染空气再循环到其他区域。据相关法规,来自肺结核隔离病房和治疗室、接触过已确诊或者疑似病人的空气均应被排至室外。


循环风系统建议在一些单独区域内使用,也可以在希望增加通风而又不影响新风供给或负压系统已存在的地方使用。空气在房间中循环可以通过几种方法实现:1)将房间内的空气排至风道,经过风道上安装的HEPA(highefficiencyparticulateair)滤网过滤,再送回室内(见图1);2)通过安装在墙上或天花板上的HEPA再循环单元过滤空气(见图2);3)通过移动式HEPA再循环系统过滤空气。






还有一些情况,如果空气从这些房间再循环到全面通风系统中是不可避免的(例如某些改造工程),而且如果先期通过HEPA去除了有毒有害污染物,就不排除使用循环空气的可能。


2.2 新风口和排风口布置


来自于隔离病房和治疗室的空气须经HEPA滤网过滤后排到建筑物外部,且必须远离新风入口处、人群和动物;新风入口处应尽可能远离燃烧炉的烟囱、建筑物排风口,并且要符合美国关于环境保护的一些相关要求。


由于风场的存在,排出的气体有时会在建筑物表面形成回流区,它会导致排出的气体重新进入建筑物内部(如图3所示),因此,排风口与新风口应保持足够距离。






2.3 室内气流组织方式


对于肺结核病房,良好的气流组织可以有效地去除病人污染物、更好地保护医护人员的安全。《CDC指南》指出,最佳的气流组织应排除死区,避免气流停滞和送、排风短路,同时指出气流组织方式会受到空气温差、送排风口位置、家具摆放位置、医护工作人员和病人活动情况以及室内空间结构的影响。为了提供最佳的气流组织,送、排风应能使洁净空气首先经过房间中医护人员的工作区域,然后经过传染源进入排风口。《CDC指南》进一步指出,实现这种气流组织的一种方式就是在房间里与病人相对的一侧送风,排风从病人侧排出(见图4)。但是此种方式由于风口的位置较低,送风极易受到污染,而且病房内医护人员走动时,将不同程度地对送风口产生遮挡,不可避免地会影响气流组织效果。


另一种方式在送风温度比室内空气温度低时最有效,即送风在天花板附近,而排风在地板附近(见图5)。这种气流组织方式的不足之处是:部分气流可能会形成短路,没有起到去除室内污染的作用,造成能源浪费;向病房供热时,气流组织效果将大打折扣;即便是常年供冷,要想维持房间洁净度以及确保污染物能够被迅速有效地排除,也必须保证适当的换气次数。此时,在较大送风量的前提条件下,送风温度必然很接近室温,能否形成有效的置换效果还有待探讨。










AIA虽未具体提及气流组织方式,但推荐在大多数工程中使用高处送风低处排风。ASHRAE也推荐高处送风,低处排风,并且指出向高污染区域送风的送风口应安装在天花板上,排风口应安装在地板附近,这就使得洁净空气通过呼吸区和工作区向下流动到地板区域排出。这种情况下,排风口的底部应在房间地板上方不低于8cm(3in)处。


到目前为止,美国(还有其他一些国家)在传染病病房建设方面,大多借鉴生物安全实验室的气流组织形式,即单侧送风[11]。将送风口集中布置在医护人员工作区上方,使病人处于下游,并在病床侧设置排风口(见图6),相对于《CDC指南》中建议的气流组织方式,此种形式在去除病人污染物、保护医护人员安全方面更加合理一些。






2.4 病区的气流方向


《CDC指南》指出,为把污染物的扩散范围尽可能缩小,防止病原体传播到病区的其他部分,通风空调系统应使空气从洁净区域流向污染区域。通过保持不同区域的压力梯度,正确的病区气流流向才会得到保证。


 AIA建议,送、排风的设计应该以保证空气从洁净区域流动到污染区域为原则,特别是在危重病区域。


ASHRAE对气流方向也作了一般性讨论,医院和其他卫生设施在设计和运行时有必要对气流进行控制以把污染物传播范围降至最小。由于开门、工作人员和病人活动、温差以及被垂直开口如医院里常见的直管、电梯井、楼梯井和机械竖井所加剧的烟囱效应,房间和地面之间不合要求的气流常常难于控制。当其中有一些因素超出实际控制范围时,通过关闭以及密封房间内的竖井口并且通过设计、平衡通风空调系统在某些房间或区域内产生正压或负压,来将这些因素的影响减至最小。而且指出,对功能区域(病房或者科室)之间的交界处应进行流向控制;病房以及走廊等区域,绝不能因流向控制不够使污染物从一个区域传播到另一个区域。


2.5 房间负压


《CDC指南》指出,用以实现并维持气流流入房间所需的最小压差非常小,约为0.25Pa。实际的房间压力大小取决于送、排风流量差以及房间的构造,包括气流路径和门缝大小。如果房间的密封性好,0.25Pa的负压易于实现,但是会给工程调试带来很大的困难,实际使用中也会出现因调试造成污染物外逸的情形。然而,如果房间密封性较差,可能会使所需送、排风流量差超出通风空调系统的能力,很多设施(特别是较为陈旧的设施)中可能有这样的情况。所以,房间密封性太好、太差都不好,适当的门缝才能保证有足够的渗透风速,因为压差反映的是缝隙阻力特性。


《CDC指南》中也指出,为了在通风空调房间中维持负压,首先要平衡房间中送、排风气流以实现排风量大于送风量10%或者约85m3/h(50CFM)。在大多数情况下,这个参数可以实现至少0.25Pa的负压。但是如果房间的最小压差没有或者不能通过流量差(在通风系统的限度内)实现时,应该采取措施提高围护结构的密闭性。


    AIA指出,当有人员不得不在不同场所和区域间活动时,有必要设置气闸室或缓冲室。


2.6 换气次数
ASHRAE,AIA和HRSA(卫生资源和服务管理,HealthResourcesandServicesAdministration)建议隔离病房和治疗室的最小换气次数为6h-1,同时指出大于6h-1的换气次数会使病房内细菌浓度更低,但与降低感染率之间的关系直到目前仍未见研究报道。《CDC指南》也指出,为了减少感染性微粒的浓度,在现有的卫生设施中,肺结核隔离病房和治疗室的换气次数应大于等于6h-1;条件许可时,换气次数也可通过调整、改进通风系统或者通过使用辅助设备(如通过固定的HEPA过滤系统或局部空气净化器装置再循环空气)提高到12h-1以上。新建工程的换气次数应大于等于12h-1。


在实际工程中,利用局部排风(源头控制法)技术不仅可以有效地降低病患污染物浓度,还可以减少新风的换气次数。源头控制法就是在污染源附近利用隔间、帷罩、隔离病床和排风柜等有效局部控制装置对细菌、病毒进行捕获,达到去除污染的目的。这些设备初投资不是很大,但会使整个病房的运行费用大大降低。据初步分析,可使病房内换气次数至少降低4～6h-1。更重要的是,它可以阻止和减少感染性微粒扩散到其他区域中,能很好地控制污染的传播。事实上,源头控制效果完全可以通过模拟病人咳嗽和打喷嚏所产生的带有感染性微粒的气溶胶浓度等参数来检验,也可以通过人体模型的烟雾可视化来进行模拟研究。


2.7 系统测试


用发烟法来测试气流方向(如图7所示),具体方法如下:设置一发烟管于门缝正前端约5cm。此时发烟管应与门缝平行,通过轻轻挤压球状体使其产生少量烟气(来自发烟管的烟气速度不应大于流经门缝的空气速度),这时,烟气将会随着气流流动方向流动。测试时如果房间内有设备或其他空气净化器,应使其处于运行状态。






 用压差传感器来监测负压,既可以提供间歇性的压力测量,也可提供连续性的压力监测。连续性的监测部件可以通过简单的声/光报警信号来提示空气压力偏低。此外,它也可以提供可读取的压力值,并可以随时记录以便自动调整设施的通风控制系统。另外,压力传感仪表应使声讯报警结合时间延迟以表明门是打开的(不需报警)。进、出房间的门打开时,负压值会降低。经时间延迟的信号应该考虑足够的时间供人员进入或离开房间而不会激活声讯报警。


《CDC指南》也指出,房间内不合理的气流组织方式可引起压力的差异,因此,压力测量仪表应探测流入房间气流路径上的房间压力值。如果仪表的压力探头不能直接穿过气流路径,也需确认检测点负压与穿过路径位置上的负压是否保持相同。如图8所示,在p1位置的压力和p2位置的压力可能会不同,p2位置测量的压力能正确地反映房间的压力,因为p2所处的位置正好是气流经过的地方。






 在房间测试、平衡完毕并且最终被病人使用后,日常的气流流向和房间负压的保持与监测是必不可少的。


3 美国隔离病房相关参数的比较


表1是美国隔离病房相关参数的一个简单比较。由于美国在传染性隔离病房建设方面所参考的空调通风标准有所不同,机电工程师在设计传染性隔离病房时,应结合实际情况对其进行综合分析。






4 结语


美国强调通过空气过滤、通风、气流组织控制以及压力控制等方法来最大限度地减少污染风险,这也是世界各国通用的污染控制方法。因此,一个良好的通风空调系统在有效控制污染方面是非常重要的。美国在传染病医院和隔离病房建设方面的技术和经验值得我国学习和借鉴,但是有些方面还有待进一步研究,比如美国不同标准对于是否采用循环风意见不一;还有,12h-1的换气次数是否合理,房间的最小负压值究竟多大才能有效防止污染物扩散等等都是我国工程师们需要研究和探讨的问题。我国传染病医院的建设规范正在制订之中,合理地借鉴国外经验将有利于我国传染病医院的改造和建设,也有利于我国相关标准规范的制定。