室内环境的安全性和独立新风系统
2014-10-08 10:49:04
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摘要:分析了国内外在抗击SARS疫情过程中与暖通空调专业密切相关的主要问题,提出了解决现有建筑和新建建筑的建筑环境安全性的若干措施,提供了用于这些建筑的集中空调系统的新的设计方法———低温送风独立新风系统
 
关键词:低温送风独立新风系统(DOCAS) 建筑环境安全性 防疫措施 设计方法
 
0 引言
 
2003年一场突如其来的疫情席卷全球,这场被世界卫生组织(WorldHealthOrganization,WHO)定名为严重急性呼吸综合征(SevereAcuteRespiratorySyndrome,以下简称SARS),在中国被称之为“非典型性肺炎”的疫情,其危害之大,传播之广,影响之深,可以称得上是人类历史上,自1918年历史上杀人最多的,被称为“西班牙女士”的那场流感瘟疫以来[1],全球最为严重的疫情,而中国在这场疫情中又是首当其冲,目前这场疫情仍在蔓延,因此当前首要工作是:控制疫情蔓延、加强预防措施、尽快研究有效的治疗方法、提高治疗效果。
 
在这场肆虐全球的SARS灾难中,很难有哪个行业,哪个人可以幸免,置身于事外,暖通空调专业可以说也被卷入到这场风暴的旋涡之中。中国建设部办公厅、卫生部办公厅2003年4月30日向各省、自治区建设厅、卫生厅,直辖市建委、卫生局及有关部门发出《关于做好建筑空调通风系统预防非典型肺炎工作的紧急通知》,要求在非典型肺炎收治、隔离、观察以及发现有非典型肺炎病人的场所, 一律严禁使用中央空调,以阻断非典型肺炎病毒的传播途径[2]。2003年5月5日卫生部公布的《传染性非典型肺炎医院感染控制指导原则(试行)》再次强调:医院在易于隔离的地方设立相对独立的发热门(急)诊、隔离留观室,指定收治传染性非典型肺炎的医院设立专门病区,室内与室外自然风通风对流,自然通风不良则必须安装足够的通风设施(如排气扇),禁用中央空调。使用单机空调的消毒按照《关于做好建筑空调通风系统预防非典型肺炎工作的紧急通知》有关规定执行。与此同时,多个省、市、自治区也发出了“非典期间”严禁使用中央空调的规定。这些措施显然是必要的,但是,随着夏季的来临,很多的建筑物,或是无外窗,或是外窗很小,或是室内负荷很大,或是对室温有一定要求,如果长时间禁止使用集中式空调系统,无疑将导致工作人员无法正常工作。虽然有关部门已经对在非典其间如何正确使用空调提出了若干规定或建议,可是并未解决集中空调使用的安全性问题,不少单位至今忧心忡忡,认为这是即将面临的大事。照目前我国SARS疫情发展的趋势,必须做好打持久战的准备,因此暖通空调专业人员如何解决面临的这一大难题,已是当务之急。
 
1问题及分析
 
在SARS疫情蔓延的过程中,医务工作者和科研人员发现的很多问题是值得暖通空调专业人士深思的。分析这些问题,对解决SARS流行期间集中空调的使用方法,现有空调系统的改造,尤其是对于今后空调系统的室内环境的安全性设计是大有启迪的。
 
1.1 感染渠道
WHO的报告指出[4]:大多数国家报告的SARS可能病例中只有很少一部分是输入性病例,经验表明,如果这些输入性病例能够被及时发现、隔离、严格控制传染的话,医护人员和家庭成员的感染将不会发生,继发感染的机会也就很小。事实证明,大多数SARS传染的病例都是通过近距离空气飞沫和密切接触传染的。然而,香港特别行政区和加拿大的病例却暴露了新的问题。在香港,淘大花园321例SARS病例的集体暴发提示疾病传播具有环境因素。根据香港特别行政区卫生署的调查报告[5],传播渠道是:a)淘大花园是一栋有凹型天井的建筑,上下水管,空调室外机,排风扇都是设置在天井内,或朝向天井,调查发现,4楼有污水道排气管爆裂,另外天井内垃圾成堆。当局曾进行油性液滴测试,结果清楚显示天井内有类似“烟囱效应”存在(笔者注:“烟囱效应”应是室外空气密度差、空调室外机排热、排气扇排风共同作用的结果),当时可以看见有液滴随“烟雾”上升,并有横向扩散(横向扩散的原因是,我国香港和南方其他地区,排气扇一般是安装在外窗的上部,由开启的外窗下部进风,结果导致天井的空气被吸入,又被排出)。在微风的情况下,液滴可以在几分钟内达到顶层。当局同时使用了SF6示踪气体进行检测,所测数据与肉眼所见现象吻合。这就说明了为什么E座“非典”感染居民集中在中高层单元。b)部分用户下水道的U型弯头失效。当局在E座一个单元内进行测试,发现卫生间的排气扇启动后,空气会从下水道,经过地面的地漏进入卫生间,结果把下水道中的带有病菌的液滴散发到卫生间内,而卫生间内的排气扇又可能将这些液滴排入天井,进入其他单元。c)香港中文大学的计算机模拟结果表明:当淘大花园地区出现东南偏东风时候,其E座与F座之间狭窄的通道有高速气流通过,结果在两楼的天井处出现“风阀效应”,封闭了天井,使得天井内空气横向流动极为缓慢,加剧了“烟囱效应”的影响[6]。
 
过去,对于高层建筑由于在天井部位密集布置空调室外机,大量的排热产生的“烟囱效应”所导致的上部空调机器因冷凝压力过高而停机的现象,已经普遍受到关注。现在,作为暖通空调界人所皆知的“烟囱效应”和“城市风环境”却成了SARS的重要传播途径,实在是令人感到意外,显然这是一个十分值得关注的通风空调新课题。
 
1.2 通风的作用
 
现代化的医院,目前的医疗条件都相当不错,尤其是重点护理病房(ICU),条件就更好,但是这次在SARS蔓延过程中,在空调病房,尤其是在ICU病房中感染的医务人员明显多于普通病房中工作的医务人员。追究其原因,普遍认为是通风设施不好造成的。在广州,几家通风好的医院,因为收病人迟,预备不足,只能用无空调的病房接收病人,病房甚至没有玻璃,但是由于通风好,反而没有医务人员感染。2月2日至12日某医院发现20多例医务人员感染,后来发现通风非常重要,就在病房门上装了3台排气扇,都是工业排气扇,风量大,进去的人能感到新鲜空气流动,此后再没有发现一例医务人员感染。病房保持室内空气流通,安装通风设备,实践证明效果非常好,凡是有通风的病房很少有交叉感染[7]。医务人员从自身的实践中悟出的道理,朴实而有效,但是如何通风,新风风量多大,疾病流行期间能否采用集中空调,不同种类的建筑为了建筑环境的安全,在通风方面应该如何处理,则需要暖通空调专业人员深入研究。
 
1.3 通风空气的流动方向
 
在防止SARS感染的措施中,通风已经被全球公认为最有效的措施,但是香港特别行政区医管局发现,医院医务人员感染SARS的另一个重要的原因是,病房内空气流动的方向导致了医务人员感染。在设置有空调和通风的病房内,医务人员常常处在下风侧,结果病人的飞沫不停地被吹向医务人员,导致医务人员感染[8]。
 
在舒适性空调中,气流组织历来考虑的重点是人体舒适感,在防止SARS感染以及改善室内空气品质的过程中,气流组织成了防止感染和提高室内空气品质的重要手段,显然也是一个值得深入研究的通风空调课题。
 
1.4 室内负压和正压
 
当室内的压力大于室外时室内呈正压,反之呈负压。这次各地在防治SARS过程中,发现很多病房和房间呈正压,这是由于采用独立新风风机盘管系统时,房间不断有新风送入,排风则仅靠无组织渗出,而造成的结果。对于SARS这种传染性极强的疾病,即使目前尚未确定是否会通过空气传染,但是淘大花园的经验说明,带有病毒的液滴完全有可能通过空气的流动而传播[8]。
 
因此,SARS病房室内应该呈负压,非SARS治疗房间应该呈正压,已经被医学界广为接受。但是通风空调设计必须解决的是:a)室内应该为多大的压力;b)如何维持室内设计压力。
 
1.5 空气净化、过滤与消毒
 
采用空气净化的简单手段阻隔病毒的传播,进而杀灭,不能不说是一种理想的手段,也是人们所期盼的。在反SARS战役中,除了药品、防护用品、红外线测温仪成了供不应求的热门产品外,另一种产品,即空气净化器在市场上可以说是销售火爆异常,网上、报纸上、电视中,将这些空气净化器的功能吹得天花乱坠,“对病毒的净化效果能达到92%以上”。与此同时,一些家用电器厂商也推出了“抗非典”的产品,连负离子发生器也成了防止SARS的杀手锏,但是实际效果,却令人怀疑。
 
无怪乎,在股市,基金们在被“非典”打击的股票中也看到了机会。一些航空类的上市公司成为首选:“如果它们再继续下跌,到一定程度我们会考虑持有。”有的基金经理甚至预计到SARS风波过后的市场:“环保概念应该又会趁机火上一把,比如中央空调啦,空气净化设备等等”[9]。
 
事实上,SRAS病毒的净化、过滤和消毒并非如此轻而易举,截至2003年5月8日国际上与此相关的研究结果表明:a)2003年4月16日,WHO宣布SARS的致病原因是一个在人类中从未见过的新型冠状病毒。识别这个病毒的高速度归功于10个国家13个实验室的密切合作[10]。b)冠状病毒颗粒的直径为0.06~0.2μm,平均直径0.1μm[11];c)2003年5月7日,WHO宣布了由WHO多中心SARS诊断合作网络成员国的最新研究成果:在4℃和80℃的温度下经过21天后,病毒浓度仅有极微量的减少。在常温下2天,可减少病毒量的90%。表明该病毒在这些条件下比人类已知的其他冠状病毒稳定。加热到56℃每15min可杀死10000单位的冠状病毒(快速减少)[10]。d)香港、日本、德国和北京的科学家5月4日公布了有关SARS病毒的几项最新研究结果,第一次得出了SARS病毒在病人体外生存的数据资料。其中一项实验发现,在室温条件下,SARS病毒可以在塑料物体上至少存活24h,从而表明人体可能会通过接触桌面、门的把手,或者其他物体感染上SARS病。另外一项实验发现,SARS病毒在人的粪便中最长可以存活4天。这个重要发现解释了为什么SARS病毒会感染整栋公寓、整座医院或者整个设施的原因[10]。e)深圳医护人员在抗击非典的战役中至今无人被感染,重要经验之一是在消毒用药上主要采用二氧化氯,在4月23日举行的第二届全国二氧化氯专家组会议上,中国化工学会无机酸碱盐专业委员会全国二氧化氯专家组,建议卫生部将二氧化氯作为预防与控制非典的首选消毒剂;卫生部日前发布的《医院消毒隔离工作指南》(试行)推荐的消毒剂中也有二氧化氯,且推荐用量与其他消毒剂比较具有明显优势[12];二氧化氯消毒杀菌剂是美国80年代开发的强力杀菌消毒剂。经美国食品药物管理局(FDA)和美国环境保护署(EPA)长期试验确认,也被世界卫生组织(WHO)确认为一种安全、高效、广谱强力杀菌剂。二氧化氯消毒剂具有无毒性、无刺激、稳定、高效灭菌的特点,能快速彻底杀灭许多细菌、病毒和藻类,且不产生抗药性,对伤寒、乙肝、艾滋病毒都有良好的灭活效果,最近被美国、日本评为最安全的防疫SARS最佳消毒剂。二氧化氯一般使用活化后的二氧化氯,浓度为0.05%喷雾,用量为20mL/m3,作用30min。f)根据独立新风系统(DOAS)的创始人,美国宾尼法尼亚州立大学Mumma教授的报道,美国有关建筑物安全性的最新的研究结果表明,预防病毒、孢子(炭疽热菌)类生物恐怖袭击的空气过滤器的过滤效率至少要达到99.999%(0.3μm)[13]。g)香港电视5月初报道,手术口罩较普通口罩更能防止SARS病毒感染,一家医院医务人员全部采用手术口罩,无一人感染,而采用普通口罩的医院,却有多名医务人员感染。这里指的手术口罩,应该为符合美国国家职业安全及健康协会标准42CFR84[14]的规定,隔滤的微粒,直径可小至0.3μm。在测试中,隔阻直径0.075μm的微粒,成功率达95%,一般称为N95口罩,这种口罩为夹层结构,中间夹层一般采用熔喷法生产的膨松的聚丙烯驻极体静电过滤材料,大大增强了对细菌的过滤能力,对0.3μm微粒的过滤效率可以达到99.97%,由于冠状病毒肺炎(非典型肺炎)病毒的直径约0.1μm,因此可以基本被隔离。h)美国食品及药物管理局网站2003年5月初报道[15],美国一家名为EmergencyFiltrationProducts,Inc.的公司已经成功地开发出可以完全过滤掉SARS病毒的滤料,这种被称之为2H技术的过滤系统是憎水过滤材料和亲水过滤材料的组合,大于0.025~0.027μm的细菌和病毒完全可以被过滤掉,过滤效率大于99.9%。这家公司并决定与台湾Weise实验室合作,在台湾生产这种过滤材料。
 
这些并不连贯的消息,实际上给暖通空调界传递了很多十分重要的消息,为下一步开发相关产品,改进设计方法均提供了十分宝贵的资料。
 
 
 
在防治SARS疫情过程中,对空调系统和空调设备的消毒问题,有几个问题需要特别注意:a)消毒时间问题。由于集中空调系统中风道内和风口处的空气是流动的,因此采用哪种消毒方法,应注意消毒时间。表1是中国疾病预防控制中心“关于公共场所、学校、托幼机构传染性非典型肺炎预防性消毒措施指导原则(试行)的通知”[16]规定的空气消毒的处理方法、用量和消毒时间。如果在风道中,或者风口处安装紫外线灯,或者用表1中的消毒方法对风道内空气进行消毒,由于时间过短,效果甚微。b)消毒剂种类的选择问题,目前我国主要使用各种氯制剂,而长期大量使用氯系消毒剂会带来药力下降、药效不稳等问题,尤为严重的是:氯制剂在水中分解成次氯酸,在杀菌的同时也易与其他有机物中的碳源发生卤代反应,生成三氯甲烷、四氯化碳等难以被自然环境降解的致癌物质,这些有毒物质可在水中长期存在,造成水环境的公害与污染。现今世界上许多国家都有明确的环保法规对氯系消毒剂的使用加以限制[12],建议在空调设备和管道消毒中使用二氧化氯消毒杀菌剂。c)目前有多份文件规定:空调设备和空调管道的消毒采用“过氧乙酸熏蒸(用量为1g/m3)或用0.5%过氧乙酸溶液喷洒后封闭60分钟”,必须指出,过氧乙酸虽然是一种普遍应用,杀菌能力较强的高效消毒剂,但是具有强氧化作用,对金属有腐蚀性,不可用于金属设备和器械消毒,据悉目前北京已发现风道和空调机组,由于采用过氧乙酸消毒而出现大面积腐蚀现象,这点需要特别注意。d)排风加热消毒器。如前所述,根据国内外最新的研究成果,SARS病毒在56℃时就会死亡,因此应该可以采用高温消毒的方法来杀灭SARS病毒,但是由于杀灭时间未能公开,且采用此法的确切效果还有待实验验证,因此目前SARS疫区的排风可以采取双重措施:排风首先通过驻极体静电空气过滤器(袋式,滤速小于0.1m/s,采用平板驻极体静电熔喷聚丙烯纤维,对0.3μm颗粒的过滤效率不低于99%),空气过滤器前安装有紫外线灯,杀灭阻留在过滤器上的病毒,由空气过滤器出来的空气进入空气加热器,加热到60℃~100℃,然后排入大气,空气加热器可以采用正温度系数热敏陶瓷(PTC)空气加热器,安全,可靠。
 
1.6 排风
 
正如前所述,通风在防治SARS疫情中占有举足轻重的作用。事实上,无论是SARS病房,还是普通建筑,通风,不但需要进风,送入所需要的清洁的室外空气,同时也需要排出部分室内空气。对于舒适性空调,过去一般采用的都是无组织排风,利用室内正压,通过门窗的缝隙进行排风。有关排风问题,中国疾病预防控制中心《关于公共场所、学校、托幼机构传染性非典型肺炎预防性消毒措施指导原则(试行)的通知》规定:应保证空调系统的供风安全,保证充足的新风输入。所有排风要直接排到室外。未使用空调时应关闭回风通道[14]。《广东省公共场所预防控制非典型肺炎工作指引》则规定:a)机械通风的所有排风要直接排到室外;b)中央空调的排风系统应使用专门的排风管道[16]。这些规定,应该是基于:SARS主要是以近距离空气飞沫和密切接触传播为主,但是如前所述,最新的研究成果表明,SARS传播存在明显的环境因素。
 
因此排风,包括机械排风和集中空调排风都存在如何杀灭空气中可能存在的SARS病毒的问题,这是当前一个较难解决的问题。由于排风时空气是流动的,而消毒处理需要一定的时间,因此如果不采取措施,对排出的空气,消毒的时间将无法保证,因此排风的病毒杀灭是目前一大难题。
 
一项最新的研究成果为解决这一问题提供了解决办法:WHO报道,来自中国香港、日本、德国和中国内地实验室的研究结果表明,“非典”病毒可以在室温情况下在一个塑料表面存活至少24h,在低温环境中可以存活更长时间。新数据表明,仅仅通过接触一张被污染的桌子或者门把手就可能发生传染。科学家们发现,该病毒在人类排泄物中可以存活6h,但是在人类腹泻排泄物中可存活4天。他们还发现,SARS病毒在36.9℃时就会死亡,但是在0℃时可以无限期存活[10]。在受污染的室内空气被排入室外之前,将排风的温度加热到37℃以上,这对暖通空调专业来说,实在是一件易如反掌的事情。
 
另一方面,对于SARS病房,或隔离区,由于排风量大,如果采用集中空调,空调能耗势必急剧上升,因此根据独立新风系统的概念,应该在新风和排风之间增设热回收装置,不过对于病房和隔离区,只能采用新风和回风完全隔离的显热交换器。
 
1.7 持久战
 
WHO和国内外科学家最近对全球发出警告:SARS可能会长时间与人类共存,其主要原因是:a)SARS的病原体是新型冠状病毒,可能是一种早已独立存在而未被人类认识的病毒,人们目前对它的认识还非常有限[10],b)SARS冠状病毒可能来源于动物,但是在外环境中的生存条件,是否存在宿主动物,以及在人之间循环后如何影响动物、病毒变异性等,我们至今尚不清楚[10]。c)研究发现,SARS病毒的变异性非常强,病毒变异并不是奇怪的事,病毒没有细胞,严格地说不是真正的生命,它们必须寄生在其他细胞———例如人体细胞中才能复制自己,一旦离开人体就会很快死亡。遗传物质(DNA或RNA)在复制过程中不可避免地会发生错误,这些错误如果遗传下去,就发生了突变。人体细胞有校正机制改正复制错误,减少突变。非典病毒是一种新型的冠状病毒,以RNA为遗传物质,其复制错误很少被校正,因此很容易发生突变,据估计大约要比人体细胞的突变率高上百万倍。专家们预测,从长远来看,毒性弱的突变型将会逐渐占优势。这个预测是根据进化论中的自然选择原理作出的。由于病毒必须靠宿主才能生存、繁殖,那些毒性强的病毒随着它们所寄生的宿主的死亡而死亡,那些毒性较弱的病毒反而得以存活。换句话说,毒性弱的病毒要比毒性强的病毒有更多的生存机会,在“适者生存”的自然选择作用下,最终将会占优势。SARS病毒最有可能的情况是毒性会变得越来越弱,直到基本消失,疫情也就过去了。病毒突变率越高,这个过程会越快[18]。d)人们生活的环境里经常会有各种病毒和细菌给人类造成威胁。艾滋病病毒、感冒病毒、肝炎病毒至今依然肆虐,今天又出现了SARS病毒,今后还会有其他的病毒或细菌危害人类。发生疫情是非常自然的,问题是如何预防和面对。加拿大DavidHeymann博士提出警告,SARS是全球范围内的突发事件,这不会是最后出现的传染病。加拿大Gerberding博士提出,在大量的医务工作者感染了SARS之后,空气、飞沫和接触传播的预防措施开始受到重视,类似于预防结核传播采取的方法。她认为,现在专家们意识到,必须完全依照这些预防措施才能阻止SARS传播[19]。e)还需要更多的实验来确定SARS病毒的特性。要发展出有效的疫苗还需要多年时间,正如同流感疫苗一样,新开发出来的疫苗,很可能会因为病毒的变异而很快失效,人类与病毒的斗争是一个长期的过程[10]。
 
综上所述,这场肆虐全球的SARS灾难,在人类共同的斗争下,终将过去,但是就像流感、艾滋病、乙型肝炎这些病毒一样,病毒将长时间与人类共存,因此预防成了人类面临的一项艰巨任务,通风空调专业在今后的预防SARS和其他疫情中将起到举足轻重的作用。当今世界,如果为了防止疫情的蔓延,而长期禁止使用集中空调将是一件无法想象的事情,如果要使用,又如何能防止疫情的扩散,这是摆在世界各国科技工作者面前的一项艰难课题。
 
2 措施和设计方法
 
对于暖通空调专业来说,当前面临的首要任务是:a)SRAS病人收治、隔离、观察以及发现有SARS病人的场所的通风空调系统的改造和设计方法;b)防止疫情的功能的现有建筑的集中空调系统的改造方法;c)具备防止疫情功能的新建建筑的集中空调系统的设计方法。
 
对于暖通空调专业来说,要实现上述3方面的任务,需要采取相应的措施。
 
2.1 措施
 
2.1.1 全新风系统
 
在防止SARS疫情扩散过程中,之所以在很多场所严禁使用集中空调系统,其重要原因就是由于集中空调系统需要回风,如果没有十分可靠的措施,病毒或细菌很可能随回风进入其他房间,出现交互感染,导致疾病蔓延。美国“9·11”事件后,连续出现多起恐怖主义分子投放炭疽病毒的事件,使得美国政府和科技界和工业界,密切关注到建筑环境的安全性问题,一系列的相关文件相继出台[2021],与此同时,在世纪之交由美国宾西法尼亚大学S.A.Mumma教授提出的一种新的空调系统———独立新风系统(dedicatedoutdoorairsystems,简称DOAS)[22]受到了特别的关注,由于DOAS是一种全新风系统,没有回风,因而被称之为“反恐空调”(terrorist resistantairconditioning),解决了当恐怖主义分子对建筑物进行生化武器袭击,如寄送装有炭疽菌孢子的信件,信件拆开时,炭疽菌孢子会随空调系统的回风扩散到建筑物的其他房间,整个建筑物的工作人员面临巨大的危险,不得不迅速疏散的问题。其实,Mumma教授最初提出这一空调新概念时,并没想到这一功能。显然,DOAS对于防止病毒、细菌和不良气味的扩散也具有其他空调系统无法比拟的优越性。笔者有幸与Mumma教授从2003年开始在DOAS方面进行国际合作,有关DOAS的详细研究成果,笔者将在其它文章中详加说明,在下面的设计方法中,笔者将简要介绍DOAS在防治传染病蔓延中的应用。标准的DOAS是由:a)新风机组;b)显热设备;c)诱导风口;d)热回收设备;e)管道系统组成,笔者发现,当新风机组采用低温送风空调机组时,很多情况下,室内显热设备可以取消,因为新风机组的冷量已经超过了空调总的冷负荷,这一发现大大扩展了DOAS的应用范围、功能和经济性,这点下面将详细说明。
 
因此第一项措施就是集中空调系统全新风运行,这种全新风运行模式有别于传统的全新风运行模式,无论是一次投资和运行费用都要低于传统的集中空调系统,因此令人刮目相看。
 
2.1.2 室内无冷凝水
 
当室内存在潜热负荷,空调系统就需要除湿,冷凝水是必然的产物,这是众所周知的浅显道理,问题不是有无冷凝水,而是冷凝水可能导致的危害。如果冷凝水出现在室内,即使能排除,冷凝水盘也是一个滋生霉菌的场所,更为严重的是有可能爆发军团症,军团症是一种细菌性肺炎,主要由滋生在空气加湿器、蓄水系统、空调系统等潮湿环境中的军团菌引起,主要症状是高烧、咳嗽和腹泻,患者的死亡率约10%。体弱或老年人最易受到军团菌的感染。军团症首次大爆发是1976年7月发生在美国宾西法尼亚,因为这次发病出现在一次退伍兵集会上,故称之为“军团症”,当时有221人染病,34人死亡,其中包括21名退伍兵和他们的家属,这种病症与肺炎的症状十分相似,潜伏期为2~3日[23]。最近几年,军团症不断袭击欧、美和澳大利亚,引起了极大的恐慌。1996年,西班牙马德里附近的阿尔卡拉德埃纳雷斯地区曾爆发过军团症,当时约有280人染病,11人死亡,2001年西班牙再度爆发[25];1999年澳大利亚墨尔本一座水族馆的空调冷却塔,在一个月内就导致100多人染病,19人死亡,2001年再度爆发[24]。因此最近几年,在欧美已将冷凝水和冷却塔的冷却水的处理提到一个相当的高度,给予了极大的关注。由于DOAS的独立新风机组承担了室内全部的潜热负荷,室内无冷凝水,因此大大减少了致病的可能性,室内空气品质也大大改善,这是DOAS另一项引人注目的特点。因此第二项措施就是室内无空调冷凝水。
 
2.1.3 换气次数和气流组织
 
采用DOAS以后,出现了几个新问题,一是每间房间的送风量减少;二是低温送风风口可能出现凝露;三是换气次数过小,无法保证室内一定的空气流速。实际上这些都是属于低温送风课题研究范畴的问题,目前已经得到完满的解决,即采用大诱导比的送风口,使送风量增加,送风温度等于或高于常规空调系统。目前有多种形式的诱导风口可供选择。笔者正在进行诱导风口的足尺试验,以便得到详细的可供设计选用的性能参数。目前需要解决的是SARS病人收治、隔离、观察以及发现有SARS病人的场所的换气次数应该是多少,香港医院建议的每间病房送风量为23m3/min,可供参考,但是合理的换气次数有待进一步深入研究。因此第四项措施就是室内采用大诱导比的诱导风口保证合理的换气次数,在室内形成有组织的气流流动,并保证一定的流速。
 
2.1.4 合理的新风量、可控制的室内压力
 
DOAS概念的提出,其初衷原是为了解决在美国的集中空调系统中,如何全面执行ASHRAE621999通风标准[26]的问题,DOAS一个突出的优点就是新风量小于常规集中式空调系统[20]。而后,由于出现了恐怖主义分子袭击和传染病防治问题,舒适性空调系统的室内压力需要控制,使得新风量的问题趋于复杂。采用DOAS的不同建筑物的新风量如何确定目前尚无定论,需要深入研究。对于普通建筑,笔者建议仍然根据设计规范执行,当采用效率为68%以上的显热回收装置时,新风可以是规范的150%;对于传染病房,为了使病房呈负压状态,香港医院建议的每间病房送风量为23m3/min,排风量为25m3/min的规定可以参考。因此第三项措施就是保证室内所需的新风量和正确的压力。
 
2.1.5 专用的冷冻空调设备
 
DOAS,尤其是能够在SARS病人收治、隔离、观察以及发现有SARS病人的场所或其他呼吸传染病房使用的DOAS,需要采用一系列专用的冷冻空调设备:a)可以提供低温冷水(初温低于2.5℃)的冰蓄冷设备;b)或带独立冷源的低温送风新风机组(送风温度低于7℃);c)低温送风新风机组(送风温度低于7℃);d)显冷设备(辐射冷板、风机盘管机组);e)诱导风口;f)驻极体静电空气过滤器;g)排风消毒加热器;h)显热热回收装置。
 
2.1.6 准确的风道系统设计计算
 
当集中式空调系统采用全新风空调时,一是房间的送风量大幅度减少,单位风量的冷量明显高于常规空调,二是室内压力需要控制,即排风量要按要求设计,因此新风和排风系统的风道必须准确计算,如果采用经验值估算的活,很可能一部分房间将会出现风量(冷量)不足的现象,同时也可能出现室内压力无法控制的局面。虽然这是一个老生常谈、人所共知的问题,但是在采用DOAS和控制室内压力,以防止疫情扩散的建筑中,这个问题尤为重要,可以说是系统成败的关键之一。
 
2.1.7 排风能量回收
 
DOAS系统的一个重要的组成部分就是排风的能量回收问题,采用低温送风独立新风系统,由于室内温度明显低于室外温度,因此采用能量回收装置,节能效果明显。文献[27]报道在武汉地区夏季采用效率为70%的显热交换机,每年夏季空调运行时间为798h,每单位质量新风可以从排风中回收5723kJ/kg冷量。排风的能量回收,在呼吸系统传染病房用集中空调系统中另一重要作用,就是在冷量相同时,可以加大单位面积的新风量,当使用热交换效率为68%的显热交换机,冷量相同时,在北京地区,新风量可以加大75%。
 
2.1.8 排风消毒
 
如果在SARS收治、隔离、观察以及发现有SARS病人的场所,或其他呼吸系统传染病房采用DOAS集中式空调系统,为了防止SARS和其他传染病的病毒或细菌传播到周围环境中去,排风必须消毒。消毒的方法可以是:a)高温消毒,根据最新的研究成果,SARS病毒在36.9℃时就会死亡,因此可以采用高温消毒的方法,在排风道出口安装空气加热器,将空气加热到37℃以上,以便杀灭SARS病毒,但是最佳的温度和加热时间需要进一步研究后确定;b)空气过滤器和紫外线灯组合,根据美国的研究成果[12],结合国内在抗击SARS过程中使用口罩的经验,对于SARS和其他呼吸系统传染疾病的病毒,采用过滤效率达到99.99%的驻极体静电空气过滤器可以基本上阻断病毒的通过,然后采用紫外线灯定期照射,杀灭驻留在空气过滤器上的病毒。
 
2.2 设计方法
 
笔者根据美国宾西法尼亚大学S.A.Mumma教授提出的一种空调系统新概念———独立新风系统DOAS(dedicatedoutdoorairsystems),进行了改进,提出了低温送风独立新风系统DOCAS(dedicatedoutdoorcoldairsystems)。
 
2.2.1 低温送风独立新风系统
 
所谓独立新风系统系指新风系统独立,它具备以下特点:a)新风机组采用独立的低温送风新风机组,机组出风温度低于6℃,新风机组除了承担新风负荷外,还承担室内全部潜热负荷,部分或全部显热负荷;b)室内剩余显热负荷由其他显冷设备承担,这些显冷设备,可以是辐射冷吊顶,风机盘管机组等,显冷设备均无回风系统;c)由于采用独立新风系统时,室内温度和湿度明显低于室外,因此新风和排风之间采用热回收装置,进一步节约能耗。
 
2.2.2 DOCAS的组成
 
2.2.2.1 DOCAS的标准组成
 
a)冰蓄冷系统。采用常规冷水机组,虽然也可以组成DOCAS系统,但是由于冷水机组的出水温度一般为5℃以上,因此要求冷水机组的出水温度过低时,不但机组效率下降,运行费用增高,且水温易波动,有结冰的危险。因此,为了获得6℃以下的出风温度,最佳的冷源为冰蓄冷系统,为了获得稳定的低温水(水温应低于2.5℃),宜采用动态制冰技术。动态冰蓄冷系统还可以与冬季蓄热系统有机结合,形成经济的冷热源,适合于新建建筑。
b)板式换热器。由于动态制冰的蓄冰槽均为开式系统,为了保护空调末端系统,采用板式换热器隔断机房侧和空调负荷侧。
c)低温送风新风机组。为了确保室内空调末端设备干工况运行,新风负荷、室内全部潜热、部分或全部显热均由新风机组承担,新风机组的出风温度不宜高于6℃,因此必须采用低温送风专用新风机组。
d)室内显冷设备。当新风机组无法全部承担室内显热负荷时,室内必须增设空调末端显冷设备,显冷设备可以是传统的风机盘管机组,最佳的选择则是辐射冷吊顶。
e)能量回收装置。由于采用DOCAS系统的建筑,夏季室内温度和湿度一般都低于常规空调系统,因此在新风和排风之间安装全热交换器,可以进一步节能。室外新风先经过去湿转轮,由其中的固体除湿剂进行除湿处理,然后经过第二个转轮(热回收转轮),与室内排风进行全热或显热交换,回收排风能量。经过除湿降温的新风进入新风机组。
f)自动控制系统。DOCAS系统必须配置自动控制系统,控制的对象有:新风机组出水温度、新风机组冷水水量、显冷设备冷水量、显冷设备进水温度、室内干球温度、室内露点温度等。
 
图1是标准DOCAS的组成示意,图中的辐射冷吊顶也可以是风机盘管机组。
 
 
 
2.2.2.2 带独立冷源的DOCAS的组成
 
对于现有建筑的集中空调系统改造,或是新建建筑无法提供冰蓄冷冷源时,可以采用DOCAS的另一种形式———带独立冷源的DOCAS。带独立冷热源的DOCAS由以下部分组成:
a)压缩冷凝机组。可以采用传统的压缩冷凝机组,冷凝方式可以是风冷、水冷或蒸发冷却。一般根据系统的大小以及现场条件,可以是小型的,一台压缩冷凝机组配一台新风机组,也可以采用多联式(VRV),一台压缩冷凝机组配多台新风机组。
b)低温送风新风机组。与标准DOCAS用低温送风新风机组不同,机组采用表面式蒸发器,同时新风机组自带能量回收装置。
c)室内显冷设备。当新风机组无法全部承担室内显热负荷时,如果是现有建筑,而建筑物已有其他冷源,如常规冷水机组,室内显冷设备可以利用原有的风机盘管机组或空调机组,干工况运行;如果是新建建筑,而无集中冷源,则室内显冷设备可以采用水源热泵。
d)自动控制系统。本系统已设计成专用设备,申请了中华人民共和国专利。图2是带独立冷源的DOCAS组成。
 
 
 
2.2.2.3 SARS病区专用DOAS的组成
 
SARS病区包括SARS病人收治、隔离、观察以及发现有SARS病人的场所(同样适用于其他传染性呼吸道疾病区)。其组成可以在上述两种系统的基础上增加以下设备:
a)空气病毒快速收集探测装置。由东南大学吴健雄实验室研制,可对空气中的“非典”病毒进行快速收集和检测,在探测仪的吸气管道里,附着了很多类似鼻腔黏膜一样的黏性材料,当“鼻腔”吸入空气后,空气中的病毒就被“鼻腔黏膜”吸附,随后这些病毒被洗脱到一个装有1mL溶液的容器中,并被送往专门检测机构进行检测,如果不算路上耗费的时间,一个多小时仪器就能探知空气中是否含有“非典”病毒。探测到非典病毒,将发出警报,提醒人们注意[28]。当探测到室内空气存在有SARS病毒时,空调排风系统的加热消毒系统启动。
b)驻极体静电空气过滤器。如前所述,在这次抗击SARS疫情的过程中,医务人员发现,在口罩夹层中采用了驻极体静电滤膜的手术口罩,具有特别优越的防御SARS病毒的功能,笔者认为,这可能是因为病毒是附着在其他载体如灰尘、细菌等上,而这些载体往往是带电的,因此当这些载体通过驻极体静电材料时,由于静电的作用,大大增强了口罩的阻断作用,虽然目前的N95型口罩,对0.3μm的过滤效率最高只有99.97%,而平均直径只有0.1μm的SARS病毒能基本阻断,可能是驻极体静电材料起到了关键的作用。
 
众所周知,空气过滤主要是通过筛分、截留、碰撞和扩散作用来实现,如果在空气过滤的过程中增加静电吸附,过滤效果无疑将大大增强,而空气阻力却不会增加。空气静电过滤可以分为:a)外加高压电场荷电法;b)纤维荷电法。其中滤料带静电的过滤方法由于具有一系列的优点,其应用呈上升趋势,而驻极体静电空气过滤器又是当前研究的重点。所谓驻极体是指具有长期储存电荷的电解质材料,驻极体可以分为静电型驻极体和极性驻极体,其中静电型驻极体是当前驻极体静电空气过滤器的主要材料。可以作为静电驻极体的材料很多,而用来做空气过滤器驻极体的最佳材料,目前国际上首推熔喷非织造布(无纺布),目前国内主要采用的熔喷非织造布是熔喷聚丙烯纤维[26]。表2是笔者研制的驻极体静电空气过滤器的主要性能。如果降低滤速,效率将大大增加,目前驻极体静电过滤材料可以达到高效空气过滤器的A,B,C,D类性能要求。熔喷聚丙烯纤维有两种生产工艺———平板法和卷筒法,前者生产的滤膜纤维更细,三维空间网络分布均匀,因此效率明显高于后者,后者最高只能达到99%(0.3μm)。同样是采用驻极体静电熔喷聚丙烯纤维作为滤膜的口罩,由于滤膜材料不同,效率不同,国产口罩的效率分别为80%,90%和99%,在制作空气过滤器时,这点特别要注意。
 
表3是国家标准[27]规定的各级通风空调用空气过滤器的性能指标。
 
 
 
由表2和表3可以看出驻极体静电过滤材料达到了很高的水平,其滤速、阻力和价格(15元/m2)相当于粗效空气过滤器,但是效率已经达到高中效空气过滤器的要求。
 
在抗击SARS疫情中,对于集中空调系统应采用什么样的空气过滤器,专家的意见不一,大部分专家建议采用高效过滤器,而高效过滤器采用到哪一级,也有不同的看法。实际上,在舒适性空调中,采用高效过滤器,无论是从安装方式、空气阻力、一次投资、运行费用来看,都有诸多弊病。因此,笔者建议在一般建筑的新风机组中采用驻极体静电空气过滤器,其中V型过滤器阻力50Pa,对1.0μm颗粒过滤效率达到94%,在医院建筑新风机组中采用ECF 2级驻极体静电空气过滤器袋式过滤器阻力50Pa,对0.5μm颗粒过滤效率达到90%。
 
c)排风加热消毒器。如前所述,根据国内外最新的研究成果,SARS病毒在36.9℃时就会死亡,因此应该可以采用高温消毒的方法来杀灭SARS病毒,但是由于杀灭时间未能公开,且采用此法的确切效果还有待实验验证,因此目前SARS疫区的排风可以采取双重措施:排风首先通过驻极体静电空气过滤器(袋式,滤速小于0.1m/s,采用平板驻极体静电熔喷聚丙烯纤维,对0.3μm颗粒的过滤效率不低于99%),空气过滤器前安装有紫外线灯,杀灭阻留在过滤器上的病毒,由空气过滤器出来的空气进入空气加热器,加热到60~100℃,然后排入大气,空气加热器可以采用正温度系数热敏陶瓷(PTC)空气加热器,安全,可靠。
 
2.2.2 设计步骤
 
以下以北京地区一个收治SARS病人的病房区为例,简要介绍DOCAS设计步骤。病房为10间,每间收治病人两位,病房区医务人员10人,每间病房空调面积16m2,病房空调总面积205m2,层高3m。室内设计干球温度25%,相对湿度40%。
a)确定室内显热负荷、潜热负荷。根据空调负荷计算结果,显热负荷:QX=87.8W/m2,潜热负荷:QX=27.7W/m2,全热负荷:QZ=115.2W/m2。
b)确定室内新风量和换气次数。病房换气次数按8h1考虑,由于采用独立新风系统,房间新风量为16×3×8=384m3/h,按保证室内5Pa负压,排风量为10h1,排风量为16×3×10=480m3/h,系统总送风量为384m3/h×10=3840m3/h,考虑走廊和安全系数系统总送风量为4000m3/h,总排风量480m3/h×10=4800m3/h,实际排风量5000m3/h。
c)选择DOC40独立冷源新风机组一台,在北京地区制冷量80kW,耗电量21kW,风量4000m3/h,单位面积供冷量:QL=390W/m2,由于机组冷量超过了实际空调负荷,因此室内无需另设显冷设备,独立冷源新风机组冷量可以采用三种方式进行能量调节。
d)选择诱导风口,每间病房选择一个SX400诱导风口,诱导比为2.5,房间实际送风量为1000m3/h,送风口设置于靠走廊一侧内墙上部,排风口置于外窗下部,通过排风管集中送至排风消毒器内。在室内形成侧上送,另一侧下排的空气分布,医务人员处于上风侧,减少感染的几率。
e)选择排风消毒器PXD5000A一台,杀灭排风中可能存在的病毒和细菌。
f)选择显热交换器XJ4000A一台,热交换率为68%,减少机组能耗。
 
3 有待研究的课题
 
由于SARS的致病原因是一种在人类中从未见过的新型病毒,因此不仅是医学界,各行各业均对此毫无心理的准备,也无任何的预防经验,虽然最近几十天以来,世界各国政府、科学工作者和各行各业都投入到这场抗击SARS疫情的战斗中,其财力、人力、物力的投入是前所未有。在短短的几十天时间内,取得了令人瞩目的进展,但是仍然有很多问题扑朔迷离,无从着手。通风空调也是如此,笔者虽然在前面阐述了自己的一些观点,提出了若干建议,但是这些观点和建议中还有一部分有待实验和实践去验证。综上所述,以下课题是需要进一步实验和研究的。
a)分体空调和多联空调机低温工况下的性能,以及能量调节研究;
b)SARS和其他呼吸道传染病病房换气次数研究;
c)驻极体静电空气过滤器对SARS病毒过滤效率的实验研究;
d)加热器杀灭SARS病毒的温度和加热时间实验研究;
e)SARS病房合理负压以及保持方法的研究。
 
4 结论
 
SARS疫情是人类史所罕见的一场灾难,未知的病毒,快速的变异,使得遏制和治疗陷入了前所未有的困境,一系列与暖通空调专业有关的现象:传播的非正常途径、通风的作用、通风气流的方向、空气净化、过滤消毒的方法、排风处理、以及SARS病毒将长期与人类共存的可能,给暖通空调专业极大的启迪。文章提出的7种不同的途径:空调采用全新风系统、室内空调设备干工况运行、合理的换气次数和新风量、正确的气流组织和室内压力、专用的空调设备、排风的能量回收和消毒,介绍的低温送风独立新风系统设计方法为SARS病人收治、隔离、观察以及发现有SARS病人的场所的通风空调系统的改造,以及新病区的通风空调系统设计;为现有一般建筑的集中空调系统改造,在疫情蔓延期间正常使用,建筑环境的安全性的提高;为新建建筑的集中空调系统设计,如何具备防止疫情的功能,如何具备安全的建筑环境提供了实用的设计方法。
 
艰难困苦,玉汝于成,人类终将打赢这场SARS之战,还地球一个安全、清洁和美丽的环境。
 
参考文献
1 方舟子.人类与瘟神的较量.环球时报.2003年4月25日
2 关于做好建筑空调通风系统预防非典型肺炎工作的紧急通知.建办电200313号.2003年4月30日
诺克司·森态新风

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