0 引言
医院病房楼中有大量病人、陪伴探视人员和医务人员,健康人与病人混杂。为了保证室内空气质量,病人及家属不得不在使用供暖空调设备时打开窗户通风,造成了能源的浪费。很多医院通过采取如陪护制度等运行管理措施限时、限量探视人员,使人流量减少,病房环境得以改善。JGJ49—1988《综合医院建筑设计规范》及GB50736—2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》规定,病房最低新风设计换气次数为2h-1。刘宇对重庆大坪医院病房人员的调研发现,病房内人员数量最大值与最小值相差2倍,且不同病房科室的人流量明显不同。人员数量变化较大,有必要了解人员的流动情况,在考虑新风节能运行的基础上确定新风需求量。
1 病房人流量模型及特征
1.1 人流量模型
住院病房中主要有病人、陪护人员、探视人员和医护人员,不同类型的人员在病房中的数量和停留时间不同。假设病房中均按照编制床位数设置床位,不存在加床情况;假设病人不在室时,陪护和探视人员也均不在室,采用因素分析法建立的病房人员数量模型为
Ni =Pi+Ai+Vi+Di+Wi (1)
Pi =nαiφi (2)
Ai =Piγi (3)
Vi =Pivi (4)
式(1)~(4)中 N 为病房内人数;P 为患者人数;A 为陪护人数;V 为探视人数;D 为医生人数;W为护士人数;n为编制床位数,即规划设计确定的病床数;α 为病床使用率;φ 为病人在室率;γ为陪护率;v为探视率;下标i表示一天中的任意时刻。
1.2 人流量特征
病房中人流量特征参数为人员数量和人员在室停留时间,这两个特征参数直接影响新风量。
1)人员数量特征
病房中不同类别人员的数量特征是不同的。病人数量依据床位数而确定,相对固定。陪护人员数量根据陪护制度而定,陪护分为有陪(亲情陪护、专职陪护)和无陪,陪护人员随病患的患病程度、病种、病人年龄(老年、中年、青年)不同而不同,本文调查发现,每位病人的陪护人数一般不超过2人,取决于陪护制度及执行情况。探视人数是随机的,受探视制度及执行情况的影响。医护人员有医生和护士,数量较为固定。
2013年8月13日笔者对某医院外科等病房人数进行了调研,结果见表1。由表1可以看出,不同科室的单人最多陪护人数和单人最多探视人员不同。骨脊柱外科病人一般不能活动,单人最多陪护人员较多;胸外科病人相对病情较重,单人探视人数最多。
2)停留时间特征
人员停留分为持续性停留和短暂性停留。病人和陪护人员属于持续性停留,而探视和医护人员属于短暂性停留。
病人和陪护人员全天在病房内,病情轻微人员偶尔出去走动。允许探视时段一般为14:00—19:00,探视停留时间是随机的,短者10~30min,长者1~2h。医护人员停留时间根据进入病房的目的不同而不同,医生进入病房的目的分为查房和为病人治疗。查房的类型分为行政查房、临床查房和教学查房。院领导行政查房每次抽查2~3个护理单元,每个护理单元停留30~60min,在每个空间的停留时间都很短,对室内空气质量影响很小;科室主任查房每周一次,查房对象为危重及复杂病症患者,在病房停留时间约为2~4min。教学查房根据教学目的及要求不同,参与人数和在病房停留时间均不同,一般停留时间较长,对室内空气质量存在一定的影响。临床查房是查房次数最多的一类,参与人数较多,在每个病人病床停留时间约为0.5~5min,依据科室的不同而不同;护士查房的时间一般为08:30—10:00及16:00—17:00,分为治疗和值班查房,治疗时间依据病情不同而不同,而值班查房时,每个病员停留时间约为0.5~2min。表2为文献调查的重庆大坪医院病室内人员停留时间。
由表2可知,不同科室医生在每个病员处停留
时间不同,外科最短,一般只是伤口查看、病情问询等;内科时间稍长,医生除了问询病人外,还需要采用听筒等仪器检测;儿科时间最长,因病患需要借助其他人员叙述病情。
2 新风需求量影响因素及新风响应判据
2.1 室内CO2
体积分数模型建筑室内污染物浓度平衡方程
VRdC =Gdt-k(C-Cx)Vxdt (5)
式中 VR为房间体积,m3;C 为室内污染物浓度;G为室内污染物散发强度,表征了单位时间内的污染物散发量,本研究中取人员污染物散发量,m3/h;t为时间,s;k 为混合因子;Cx为新风污染物浓度,一般取400×10-6;Vx为新风量,m3/h。
假定G 为定值,浓度方程的通解为:
2.2新风需求量影响因素
由污染物浓度方程可知,影响新风供应的因素为空间体积及污染物冲击强度。
1)空间体积
由浓度方程的通解可知,新风供应的空间越大,新风需求量越大。
2)污染物冲击强度
在病房中,人员是唯一散发CO2的污染源。
定义单位时间内CO2散发量为污染物冲击强度,该强度与病房内人员特征有关。污染物冲击强度越大,新风需求量越大。
2.3 新风供应能力参数及调控判据
新风供应能力参数为抗冲击能力强度与抗冲击时间。
在一定空间、一定新风量供应条件下,室内污染物突然增加,对室内存在污染物干扰冲击,但新风量供应仍能保证室内处于卫生要求范围内,将新风所能承担的最大污染物干扰冲击强度称为抗冲击能力强度。
在一定空间、一定新风量供应条件下,污染物突然增加,对室内存在污染物干扰冲击,从干扰时刻到室内污染物浓度超过卫生要求限值的这段时间称为新风抗冲击时间。
图1中3条曲线表征污染物浓度变化的不同趋势。曲线1表示一定新风量供应下的室内污染物浓度变化过程,t1时刻后,污染物骤增(如医生查房),当到达t3时刻后(如查房结束),室内污染物浓度正好达到最大限值Cmax,随后污染物回归到正常散发状态,室内污染物浓度逐渐下降到C1,即从C1到Cmax这段时间为Δt(t3-t1表示污染物干扰时间)。曲线2表示待污染物浓度上升到Cmax前,突发骤增的污染物冲击已经结束,即从C1到Cmax这段时间长于Δt,即(t4-t1)>Δt。
曲线3表示从C1到Cmax这段时间短于Δt,此时若不增加新风量,则出现室内污染物浓度超标,故此时应加大新风量,即(t2-t1)<Δt。
对于固定空间体积V,新风量为Vx,污染物冲击能力强度为G 时,该新风供应量下的抗冲击时间为t0,当C=Cmax时,代入CO2体积分数表达式可得到t0。当污染物冲击强度持续时间为t时,新风响应判据为:
1)t>t0时,需要加大新风量,以抑制室内污染物浓度的上升;
2)t≤t0时,新风量可不改变。
3 案例分析
某医院3人间病房,面积25m2,层高为3m。室内计算条件为:3人病房,陪护人员为3人,人员CO2散发量为0.0144m3/(人·h)。以时间步长为1min进行迭代计算,得到污染物浓度随时间的变化关系。
3.1 新风计算量与新风CO2
体积分数的关系不同新风CO2体积分数、不同换气次数下室内CO2体积分数见图2。
由图2可以看出:在不考虑冲击性污染的病房中(3个病人,3个陪护人员),在室内CO2体积分数不大于1000×10-6的前提下,新风CO2体积分数为300×10-6时,新风换气次数至少为2h-1;新风CO2体积分数为400×10-6时,新风换气次数至少为3h-1;新风CO2体积分数为500×10-6时,新风换气次数至少为3h-1;新风CO2体积分数为600×10-6时,新风换气次数至少为4h-1。
3.2 污染物散发量固定,无冲击性污染
假设室外新风CO2体积分数为400×10-6,对新风换气次数分别按1,2,3,4h-1进行计算,见图3。由图3发现,新风换气次数越大,CO2体积分数越小,达到稳定浓度时所需时间越短。
3.3 有冲击性污染物散发
病房内有冲击性污染物,即某时刻有4名查房医生进入房间,此时室内共计10人,停留时间为15min。从图4,5可以看出:新风换气次数为4h-1时,CO2体积分数为930×10-6,未超过最高限值,能抵挡住污染物的冲击;新风换气次数为2h-1时,CO2体积分数基本稳定在1450×10-6,不能抵御污染物冲击;新风换气次数为3h-1时,CO2体积分数基本稳定在1110×10-6,抗冲击时间为20min。但由于污染物冲击时间为15min,故新风换气次数为3h-1能抵御该冲击。
上述算例表明,新风按照2h-1换气次数计算不能满足要求,故应增大新风设计值,无冲击性污染物时新风量按照2h-1换气次数供应;当有冲击性负荷时,将新风量调至最大;冲击负荷结束后,再按照2h-1换气次数供应新风。
4 案例的拓展
上述案例只是反映医生查房典型情况下的污染物冲击。实际上病房的冲击性污染不仅是医生查房,还有家属探视。医生查房是固定的,而家属探视则是随机的,因此实际病房中的污染物冲击有多个类似医生查房出现的冲击情况(见图6)。
当医生查房结束后,探视人员随机进入病室,可能存在连续探视和混合探视(连续与间断探视)两种典型情况,见图7,8。
因此在病房中,亲属探视情况是图6所示情况的许多连续或间断的叠加过程,使得室内CO2体积分数长达1h甚至更长时间大于1000×10-6。
目前常规新风系统设计采用手动阀门或定风量阀门,变新风量系统设计采用末端分布式风机,不仅使得新风可以调节,而且提高了新风系统的可靠性,弥补由于施工不当造成的风量失衡问题。目前市场上直流无刷无级调速末端风机(最大风量300m3/h)从图8可以看出,随着供热距离的增大,各方案的供热总成本呈线性递增,且方案1的供热总成本始终远大于方案2和方案3,方案3的供热总成本始终最小。因此,在1~20km的供热距离范围内,方案3具有较好的经济性。
4 结论
4.1 改进系统总热效率和效率分别为66.364%和37.037%,比传统分布式电压缩热泵系统和集中吸收式热泵系统的热效率分别提高了4.57%和7.49%,?效率分别提高了11.62%和14.84%。
4.2 经济性分析表明,在相同的供热负荷和供热距离下,改进系统的管道及输送水泵成本、电压缩式热泵成本、换热器成本都比传统方案少,而吸收式热泵成本比传统集中吸收式热泵系统方案的大。在供热负荷为250MW、供热距离为15km情况下,传统分布式电压缩热泵系统、集中吸收式热泵系统和改进系统的供热总成本分别为19090.1,12006.34,8961.33万元/a。
4.3 供热距离1~20km范围内各方案的经济性分析结果表明,方案3始终有较好的经济性,而方案1的经济性最差。
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知识点:医院病房人流量特征及新风量需求
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