暖通空调工程的设计参数.doc

暖通空调工程的设计参数
涂光备
天津大学环境科学与工程研究院，天津，30007
tuguangbei@

摘要：暖通空调工程的设计参数是科研、实践经验以及政策法令的综合结果，是经暖通空调工作者与其他方方面面的专业人员合作、协调得来的。这些设计参数随着科技进步也在不断的修改，以期达到满足工艺需要和节省暖通空调工程投资与能耗的最佳情况，暖通空调工作者在这方面有不可推卸的责任。
作者以自己服务于暖通空调工程设计近五十年的点滴体会，选取医院手术室部分设计参数为实例，阐述了自己的认识。
关键词：设计参数；暖通空调；医院手术室；级别；过滤效率
前言
    暖通空调的设计技术参数，特别是与一般舒适要求不同而涉及工艺需要的工程，向来专业人士都习惯于向业主索取技术参数，以业主提供的为准。照说也无可非议，该是业主最了解工艺环境的要求，建筑设备专业顺理成章地按业主的使用功能要求做设计就是了。在这方面似乎我们既无责任，也无需究其所以然。
当然，对一些明显欠合理的要求，根据经验、基本概念和相关政策，或者我们也会就技术参数问题向业主咨询、商洽变更的可能性。例如过高的温度精度要求，偏低的相对湿度要求等等。
    而事实上并不是所有工程项目，业主都对工艺要求胸有成竹，特别是一些新的工艺，例如制药行业现在已相当普及的“非最终灭菌无菌冻干粉注射剂”工艺，在30多年前引入中国时，曾有某著名药厂的业主提出的暖通设计参数之一是，全年室温22℃，相对湿度不能高于30%。此参数并非在技术上难于实现，而问题在于此项参数对空气处理、对冷源都提出了较高的要求，当然初投资与费用相应也高。当时，我们请业主解释原由，介绍国内外同类工艺的情况，请调出国外工艺有关暖通的说明给我们。在了解各方面的相关情况后发现，业主提出的“相对湿度值”有一定水份。原因很简单，根据该厂以往夏季生产的经验，因湿度难于控制，传统的粉针剂产品结块、黄化等情况时有发生，以至被迫每年停产两个多月。拟新上的冻干工艺，设备由国外引进，投入很大；生产管理又缺少经验，对暖通空调系统设计建造完成后的实际运行效果也缺乏信心。考虑这样一系列因素，所以给暖通设计提出的相对湿度要求，较国外的生产经验及相应工艺要求规定冻干工序收粉、粉碎、分装车间RH≯45%的指标，要低许多。
    从表1所列数据可以清楚地看到，不同的室内设计参数值，对于冻干车间来说，其差异相对来说是十分敏感的。如按23℃、φ=40%设计，较业主所提的室内22℃，φ=30%的设计值，室内空气含湿量（g/kg）相差约40%，室内空气焓值提高了6.2kJ/kg，如按24℃、φ=40%设计，则较业主所提出的参数，室内空气含湿量相差约50%，室内空气焓值提高了8.4kJ/kg，不同的设计参数其能耗相去甚远。

表1 当室外大气压为1013.25mbar时,室内采取不同温、湿度标准的室内空气参数

温度(℃)
22
23
24
相对湿度(%)
30
35
40
45
50
30
35
40
45
50
30
35
40
45
50
焓值(kJ/kg)
34.7
36.7
38.8
41.0
43.0
36.4
38.7
40.9
43.2
45.3
38.3
40.6
43.1
45.5
47.8
含湿量(g/kg)
4.9
5.7
6.6
7.4
8.2
5.2
6.1
6.9
7.8
8.7
5.5
6.4
7.4
8.3
9.3

    经过与业主反复探讨指出盲目提高设计参数，不仅加大投资，降低暖通设备效率，还要增加运行费用，而暖通设计可以保证实际需要，无需在设计参数上打埋伏。最终业主认同了暖通设计人员的认识，这些年来生产实践，也证明了22-24℃，φ=40-50%的环境，可保证冻干产品的正常质量。
    又如，前些年电子计算机房、医院的核磁共振室等，都曾按美国联邦标准10万级洁净室来设计。最初以为是设备所需环境条件，后来才了解，大型计算机、核磁共振设备等本身都带有空气净化的保护装置，对工作环境并无额外净化规定。所见国外的同类房间，也确实只设一般空调，送风末端并未见高效过滤器。那么，暖通设计人员的“概念”由何而来原来主管部门和业主是从所引进的设备投资很高，希望延长其使用年限的角度考虑，认为环境洁净些总没错。因设净化等级，这些机房的建筑装饰与暖通空调系统的投资、运行费用大幅攀升，而实际对延长设备使用年限未必有功效。后来通过相关专业人士与暖通空调工作者共同研讨，弄清了事实，降低了要求。目前大型计算机房一般按美国联邦标准30～50万级设计，核磁共振室空调系统装置粗、中效两级过滤器即可，无级别要求。
类似的例子，在工程实际中还举不胜举。
    也就是说，对于暖通空调设计参数和要求，作为专业人员应予高度关注，不宜“惟命是从”应该弄清其所以然，才有利于恰如其分地满足工艺要求。
    还存在另外一种情况也就是业主确实对新工艺了解甚少，把握不住对暖通的要求，相反暖通设计人员到有些相关的经验可循，在商讨技术参数时，暖通专业占据了主动。在这种特殊情况下，暖通人员更要慎重，千万避免抱着老经验走，更要谨慎。下面举例就此问题谈谈体会。
    上世纪八十年代初，德国专家巡视了国内几家著名医院手术室，发现都无洁净通风系统，认为不宜施行骨科矫形手术。因此，罗瑞卿参谋长在保健医生等陪同下赴西德做股骨矫形手术。但未过麻醉关，动刀之前就死在手术台上。因而促使总后要在301医院建净化手术楼，指令总后营房部设计院承担设计任务。当时因为我做过一些洁净室的设计与研究，被聘作为天津大学的专业代表，参与了该项工作。
    从上世纪六十年代中期起，美、欧、日各国陆续把洁净技术引入医疗卫生设施、洁净手术室、层流病房等开始试用。当时大家对医院感染、手术切口感染的认识了解甚少。只是从原理上推断手术环境越干净、空气中菌浓越低，感染几率就应该越小。针对不同类型手术相应采取何种洁净措施更是缺少依据。当时国外虽然已有十多年在医院手术室应用洁净技术的经验，但比较科学、以足够医疗样本的统计对比数据为基础的权威资讯尚未见到。因此，当时暖通专业参照国外经验提出把洁净手术室按当时工业洁净室等级设计成为100级（空气中 ≥ 0.5μ的颗粒物 ≤ 100颗/立方英尺）、1000级、10,000级、100,000级四个级别。根据解放军总医院的建设经验，此后一些年中，先出台了军内的一个医院标准，随后是现行的国家标准GB50333-2002、“医院洁净手术部建筑技术规范”。这些标准基本是以暖通人士为主导编制的，这些标准对推进医院手术室建设起过一定的作用，但按现在的资讯来考量，在一些重要设计参数上，理论依据不充分，仍然残存有将工业洁净技术硬套到医疗建筑的痕迹。那么国外近些年来在这方面有哪些变化呢？
1. 国外根据医学实践，美、欧、日等多国在近十年中陆续将手术室的分级简化为洁净手术室和一般手术室，仅分为两级。国内不仅手术室设置了四个级别，附属房间、走道都要搞净化，还创造了一个在国际上闻所未闻的“洁净手术部”（clean operating department）的新词条。由于净化范围扩大化，影响了投资与运行。
多个级别的设置，无形中为“求大求全”者提供了依据。其后果是手术室与病床数之比已经较国外为高的情况更加突出，不少医院新建高洁净级别手术室利用率低，一般手术因低洁净级别不敷使用，只可安排在高洁净级别手术室中施行，造成了不必要的浪费。
2. 国外近些年来，大量医学实践与研究，对洁净空气环境与手术感染率的关系做出了新的论断。
根据美国医院感染控制实践咨询委员会（The Hospital Infection Control Practices Advisory Committee）1999年所颁发的防止手术部位感染指南（Guideline for Prevention of Surgical Site Infection），依据美国疾病控制与预防中心（CDC）所指导进行的“医院感染控制计划功效研究”（SENIC — the Study on the Efficacy of Nosocomial Infection Control Project）课题，在国家医院感染监督系统（NNIS — National Nosocomial Infection Surveillance）大量医疗资讯和统计数据基础上，全面分析了手术部位感染（SSI）的成因与风险并得出结论认为，手术部位感染的风险是个复杂、多变量的综合结果其中，患者自身的各种因素、术前消毒方式、抗生素的合理应用、医疗技术、医疗规章、用品消毒以及外科手术进行期间的通风等均是影响因素，该指南把影响手术感染率的因素与相应对策分为了三个类别，即：ⅠA、ⅠB及Ⅱ类。
ⅠA类 — 已被科学设计的试验、临床和流行病学研究所证实并强力推荐应用的条款；
ⅠB类 — 被一些试验、临床和流行病学研究所支持，并强力推荐应用的条款；
Ⅱ 类 — 由建议性的临床或流行病学研究，或基本理论原理所支持，推荐应用的条款。
与净化相关的，仅属于Ⅱ类的条款有：
1)        在手术室进行整形外科移植手术时，考虑送入超净的空气（Ultra-clean air）；
2)        限制进入手术室的医务人员的数量，只允许必要的人员进入。
由此可见，空调通风方式方法对手术感染率的影响都处于较低级别。而采用抗生素预防手术感染的5项准则中，4项属于ⅠA类，1项列为ⅠB类，处于影响显著的类别。
特别是针对手术室采用超净通风技术的问题，美国“防止手术部位感染指南”引用了Lidwell.OM等人依据8052例股关节与膝关节置换手术的手术部位感染率（SSI）的医学统计结果，结论如下：
单独采用超净空气（Ultra-clean air alone），SSI由3.4%下降到1.6%；
仅采用抗生素（only AMP）在普通手术室手术，SSI由3.4%下降到0.8
既采用抗生素，又采用超净空气，SSI则下降到0.7%。
    2004年底新版的日本医疗福祉设备协会标准HEAS-02-2004“医院空调设备的设计管理指南”和德国工程师协会2004年颁发的VDI 2167工程指南“医院的建筑设施工程”都无一例外的引用了Lidwell的上述报告，说明日本、欧洲和美国同样重视这份报告的结论。
    日本的HEAS-02-2004，在8.6.5“生物净化手术室的空调环境”这一款解说的最后，用“关于生物洁净手术室有效性的怀疑声音仍然存在”作为结束语，说明过分强调手术室空气环境对降低SSI的影响依据不充分。
    德国的VDI 2167，在“卫生等级”一节中指出：“到目前为止还没有得到可清楚证明空气中细菌的浓度和外科伤口感染之间关系的可靠临床研究。整形外科移植手术是一个特例（Lidwell的研究结果）…… 通风和空调系统对于防止感染起到的作用是有限的，其它的污染途径及其防御措施更为重要。”
    可见，世界科技先进国家近年来对洁净技术应用于手术室的效果评价，与中国现行标准GB 50333-2002所反映的观念出入较大。该标准的思维逻辑，显然是充分肯定洁净空调对SSI的效果。
3. 特别是2008年夏，公布了历经6年研究通过4次公开评议而形成的由美国国家标准学会（ANSI – American National Standards Institute）牵头等多个权威学会认可的最新“医疗设施通风标准”（Ventilation of Health Care Facilities），标准号为ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170 - 2008。
美国170 - 2008标准在定义中，将手术分为了Ａ、Ｂ、Ｃ三个级别。
A级手术：无需术前在某处、局部或区域使用镇定剂进行预麻醉的小型手术，不包括静脉、脊椎和硬脑膜等属于Ｂ级或Ｃ级的手术。
B级手术：需要口服、注射或静脉的镇定剂，或患者处于镇痛或游离药物之下的小型或大型手术。
C级手术：需要全身或区域封闭麻醉，或使用生命功能支持设备的大型手术。
上述手术分级是针对全部手术而言的，涵盖了各类手术。
从对通风与净化的要求来看，Ｂ级与Ｃ级手术室是一致的，具体要求如表１所列。
表2给出了对各类用房通风系统空气过滤的最低效率要求。

表2 最低过滤器效率
房间名称（按功能分）
第一级过滤器
（MERV）a
第二级过滤器
（MERV）a
B级和C级手术，住院和门诊患者的诊断与放射治疗，住院分娩与康复
7
14
住院患者护理、治疗和诊断及为其直接服务或消毒用品和消毒处理
7
14
保护环境室（PE）
7
17（HEPA）c
实验室、A级手术及相关的半限制空间
13b
无
行政；堆放库、污物存放、食物准备和洗衣
7
无
其他的门诊区
7
无
专业护理设施
6
无
注：a — 最低效率报告值（MERV — the minimum efficiency reporting value）根据的是ANSI/ASHRAE标准52.2-2007所述测试方法：一般通风空气净化设备按粒径滤除效率的测试方法（见信息附录B书刊目录）；
b — 可附加预过滤器，以减少效率高于MERV 7的过滤器的维护；
c — 如果这些房间采用MERV 17做第三级末端过滤器，第二级过滤器可用MERV 14。

表2中所提到的最低效率报告值MERV 14，相当于欧洲过滤器标准分类的F8相当于美国标准比色效率法90%-95%（ANSI/ASHRAE 52.1-1992），相当于中国一般通风用空气过滤器标准（GB/T 14259-93）的高中效过滤器，或大气计数效率法JG/T 22-1999的第Ⅳ挡（≥1μ数效率，70%-99%）的上半部。也就是说MERV 14的大气尘计数效率约处于≥1μ、85%-99%范围。也就是说美国医院B、C级手术室的最低空气净化要求，所能达到的洁净级别约相当于ISO 8级或原美国联邦标准10万级。
MERV 13相当于欧洲标准的F7，或相当于中国标准高中效挡的下半部，即MERV 13的大气尘计数效率约处于≥1μ、70%-85%范围。而美国新标准规定A级手术室的末级过滤器为MERV 13，那么手术室的洁净级别约为ISO 9级，相当于美国联邦标准的100万级。从表1的规定可以清楚看到，ANSI/ASHRAE/ASHE 170-2008较以往的任何美国标准，在手术室空气净化要求上大幅度降低，做出了相当重大的修订。
表2中空气净化级别最高、唯一要求末级过滤器采用MERV 17，即HEPA过滤器的是“保护环境室”（PE — Protective Environment Rooms），关于“保护环境室”在ANSI/ASHRAE/ASHE 170-2008中，给出了明确的定义与要求。
在第三节“定义”中，对保护环境室的解说是“按本标准所设计的、用以保护对人或空气中的病菌存在高风险的免疫缺损患者的病房”。
在此前近些年的美国相关标准或指南，都把手术室分为两类，一类是整形外科、骨髓移植、器官移植手术的生物洁净手术室，要求送风系统采用三级过滤，末级过滤器采用高效空气过滤器HEPA（与MERV 17相当）；另一类是普通手术室，要求送风系统采用两级过滤，末级过滤器为DOP效率90%的空气过滤器（约相当于MERV 15，或美国比色效率法95%，处于中国过滤器标准分类的Ⅳ级与Ⅴ级，即高中效与亚高效过滤效率之间）。
从表2所列数值可以清楚地看到，美国国家标准学会领衔颁发的“医疗设施通风标准”170-2008是近些年来，美国医疗卫生系统与暖通空调净化学术界深入研究、反复探讨所取得在手术室净化标准方面的重大进展。也就是说，美国与手术室通风要求相关的各个专业终于一致认同，以往有关手术室通风的净化措施要求过高，应以新标准予以从新规范。
作为暖通空调设计、研究人员，应将我们了解到的国内外方方面面的动向、新的研究成果、新的标准及时与业主进行沟通，协助业主作出正确的决策。如有机会参与相关行业涉及技术参数、设计条件的研究课题，我们也应积极投入，配合相关行业在制定规范、标准方面，贡献自己的一份力量。
参考文献：
1.       ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170-2008 ASHRAE/ASHE Standard “Ventilation of Health Care Facilities” Copyright 2008，ASHRAE，Atlanta
2.       涂光备、涂有，对当前医院手术室建设中一些我问题的思考，暖通空调，2007，37(1)
3.       AIA. Guidelines for design and construction of hospital and health care facilities. NEW York：American Institute of Architecture，2003
4.       ASHREA. ASHREA handbook 2003-HVAC applications. Atlanta：American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineer Inc，2003
5.       日本醫療福祉設備協會，HEAS-02-2004病院空調設備の設計•管理指標. 東京：日本醫療福祉設備協會，2004
6.       Tu Guangbei，Tu You. Current technical code for hospital operating department in China，Proceeding of the 8th International Symposium on Building and Urban Environmental Engineering，BUEE 2006，Tokyo，Japan，2006：172-177
7.       Tu Guangbei ，Tu You. National Standard and T&C Requirements of Operating Theatre in China Symposium of IHEEM（The Institute of Healthcare Engineering and Estate Management），Hong Kong Branch. Hong Kong，2008

The Design Parameters of HVAC Project
Tu Guangbei
The Institute of Environmental Science & Engineering of Tianjin University, Tianjin ,30007
Abstract：The Design parameters for HVAC project are comprehensive results of scientific studies,technical practices as code as relevant policy.These date are acquired by the cooperation both the HVAC designers and the scientists the engineers of other fields. The Design parameters of HVAC are continually revised along with the progress of science and technology in order to that the best condition is achieved both the technical requirements of user and the costs of HVAC technical personnel assume the main responsibility in this respect.
Ther author of this paper said a few words about personal years work on HVAC research and teaching experience in the light of 50 years.Auther choose the example of Rome design parameters in Hospital operating thenter,and expound himself′s position.
Key word: design parameter； HVAC；operating theater in hospital；classitication；filtration efficiency    
tuguangbei@