076船上医院环境控制特点与对策全文

船上医院环境控制特点与对策同济大学暖通空调研究所唐喜庆沈晋明摘要：航海发展和灾害救援对发展船上医院提出了需要，本文简要分析了船上医院狭小舱室空间内的气流分布和外扰情况下的温湿度、洁净度、压力梯度等环境控制的特点，针对这种特殊医疗环境空间，应采用多种学科合作尽快提出合适的对策。关键词：船上医院，环境控制，低层高，外扰1.引言21世纪是海洋的世纪，我国海域辽阔，随着航海事业的发展和灾害救援工作的需要，传统的陆上医院已经不能满足我国特殊地域（海洋、海岛等）的医疗救护需要，须进一步发展地域性专用医疗设施，以适应不同自然环境和地域的卫生救护工作。借鉴地面救护车(ambulance)和空中救护系统(airrescuesystem)的设计理念，结合海上救护的特点可发展船上医院，如大型综合补给船、救援船等均配备了功能完善的医疗室[1]，船上医院的建设国内基本以普通船只改装和模块化医疗单元拼装为主[2]，尚无新建船上医院的先例。目前陆上医院建设和医疗环境控制技术的发展已很成熟，但限于船舶的特殊性，一些技术并不能完全照搬，空气净化技术在船舶领域中的应用很少，随着远距自然灾害救援等发展需要，有必要对洁净空调技术在船上医院的应用进行研究，以探讨各科室医疗、舒适和卫生环境控制的技术措施。2.船上医院的特点2.1.低层高空间由于船体结构和各工种管线布置的限制，船上医院舱室的层高比陆上医院要低得多，送风的均匀性和舒适性很难同时实现；由于空间所限，病房内人员密度较大，相互之间距离较小，无法达到陆上医院标准的要求，安全性难以得到保证。研究表明[3]：房间的层高与室内污染物积聚带呈垂直带状分布，当层高低于2.55m时，室内各水平高度的二氧化碳浓度几乎都超过卫生标准，且污染物垂直分布主要积聚在1.2～1.4m的高度，与人体坐姿和站姿呼吸带的范围相当，对于医疗环境来说，大大增加了交叉感染的风险。维持船上医院安全舒适的微气候环境，不仅需要供给必要的新鲜空气、调节温湿度、维持各舱室间压差，而且更要求高质量的气流分布，满足医疗与感染控制要求是船上医院空调设计的首要问题。鉴于舱室的层高低，传统的船舶空调气流分布多采用布风器送风，按工作原理不同分直布式（图1）和诱导式（图2）两种[4]。直布式布风器直接将供风送入空调舱室之内，出口形状做成有利于出风均匀的喇叭口、格栅、孔板等，出口风速一般为2～4m/s，供风与室内空气混合较慢。诱导式布风器由供风管供入一次风从喷嘴高速喷出，诱导室内空气（二次风）与其混合，然后供入空调舱室之内，缺点是噪声较大，价格较贵。两种风口的出风均为贴壁射流，贴附效应使得送风射流卷吸周围空气，形成混合气流贴附于天花板或墙壁表面流动，在某些特殊医疗区域（如传染病区、隔离病房等）又很难形成定向气流，小空间内容易形成较多的涡旋，不利于院内的尘菌浓度控制。1图1顶式布风器与气流分布方式图2壁式诱导器及气流分布方式如采用陆上医院常用送风口将空气由紊流系数很大的风口送入室内，由于船的层高较低，没有充足的空间供送风气流均匀扩散，会直接吹到人员的头顶，吹风感较大，同时也不利于全室的气流均布。送风口型式、出风口和回风口的位置直接影响医疗舱室医疗与感染控制要求的气流流态。因此，根据舱室大小、结构及医疗科室的空气净化要求，进行合理选型和适当的气流设计，研究开发适合船上医院的专用送风口，除具备一般医院空调送风口的性能特点外，还必须能适应狭小舱室的医疗环境要求，具有较小的安装高度，较大的轴心速度衰减率，能使送风与室内空气很好地混合，阻力和噪声较小、结构牢固紧凑等特点，目前国内此类风口产品尚处于空白。2.2.流动性船舶大多时间处于运动中，外界环境多变，对船内环境会产生一定的影响。2.2.1.对舱室温度的影响船舶空调系统是按外界气候条件和海水温度设计的，但船舶的流动性很大，外界气温、海水温度、船舶航速及太阳辐射强度均在变化，加之海上气候多变，会遇到各种气象情况，造成船舶空调舱室负荷也会随之不断变化，使空调系统长时间处在部分负荷工况。例如，当船从北半球越过赤道至南半球航行过程中，外界气温可能在+50℃至-30℃范围内剧烈变化[5]。外界环境变化造成的各舱室间以及舱室内外温度的不均匀和急剧变化、舱室内垂直温差过大和水平辐射温度的不对称都会影响人体舒适性，使机体产生急性冷、热应激反应，如船上人员不能适应气候的突变，则可引起机体功能状态和工作能力的下降，以致体温调节功能紊乱，抵抗力降低，因此随时维持所需的医疗、舒适和卫生环境，否则不利于患者的治疗和康复。针对船上医院负荷多变的特点可采取变频空调系统，根据外界环境的变化随时调整舱室内的热湿环境，将人体不适感降到最低，同时也可达到节能的效果。2.2.2对舱室内压力梯度的影响在航行过程中船体外部会产生很大的风压，当以每小时15节（knot）的速度航行时，在海上无风的天气相当于船不动而有7.7m/s的风速，在船尾会形成一定范围的空气动力阴影区（图3），加上船转向航行和海上风向的不确定性使舱室内外的压力变化更加复杂，船上医院内洁净区→清洁区→污染区的有序压力梯度很容易被打破，甚至引起排风系统污染空气倒灌等情况，从而导致医院内污染物的随机扩散与传播，引起院内交叉感染。外界温度变化也会在船内外空间造成一定程度的热压，形成自然对流，影响医疗环境的有序压力分布。所以船上医院对系统新风口和排风口的设置与防倒灌措施特别重视，并采用气密性较好的门窗。图3船体外侧流场示意图图4船振动示意图2.3.振动性2受海洋条件、船体排水量大小、舰船行驶风向及减振状况等多种因素的影响常可引起摇摆垂荡，使物体移动，人体站立不稳等情况，干扰室内气流分布。船舶是漂浮在水上的复杂弹性结构，具有六个自由度，可分别沿空间三维坐标轴进行平移（纵荡、横荡、垂荡）和旋转（横摇、纵摇、首尾摇）(图4)，在其受干扰而振动时，又会受到周围水的影响，因此船体的振动非常复杂。船体的晃动，使人员的尘菌散发与陆上医院同样治疗过程相比大大增加。空气作为一种主要的疾病传播媒介，占传染性疾病的各种传播媒介之首，研究表明：世界上40余种主要传染病中，有1/3是经空气传播的，病源微生物空气船舶成为医院交叉感染的重要原因，医院空气中主要包括浮游菌（airbornemicrobe，AM）、可沉降菌（settlingmicrobe，SM）、不同粒子直径范围的尘埃粒子（particulatemass，PM）三种污染物，而病菌又大多依附于尘埃而存在，因此降低医院空气中的粒子浓度是控制院内感染的重要手段。粒子受气流分布的影响，受布朗运动、重力、惯性力、静电、温度梯度产生的热浮升力和气体浓度梯度产生的扩散浮动力等多种外力作用。粒径在0.1μm以下的亚微米尘粒，主要以布朗运动方式扩散，0.1μm以上的尘粒主要受重力和惯性力影响[6]，无论哪种情况，尘粒都受到空气媒介流动状态的影响，不断与周围空气混合并在三维空间内运动沉降，进而扩散到邻近科室及一切空气可到达的环境。若不考虑扩散作用对粒子运动的影响，则认为在整个室内微粒浓度均匀，粒子的运动符合下式[7]：RFdtVdmr−=.⑴式中:m为微粒质量，kg；rV为粒子与气流的相对运动速度，uvVr−=m/s；V是微粒的速度，u是气流的速度；F，R分别为外力和空气阻力。假如遇到船舶振动等外扰作用，微粒会受到无规律湍流涡旋的影响，F和R都会随之改变，从而改变微粒相对气流的跟随性，微粒的运动轨迹也会由船体正常运行时的定常直线运动变为加速运动和曲线运动，以不同的脉动速度从原有流线中扩散开来，甚至产生颗粒凝并，沉降于物体表面的粒子也会重新扬起。动态情况下船上医院内的尘粒散发特性与菌尘传播特性与陆上医院相比复杂得多，大大增加了医院环境控制的难度，尤其是手术室、无菌病房等需要高洁净度单向流的科室，为此开发新型送风天花，对单向流气流质量与速度提出比陆上医院更高要求。在振动外扰存在的情况下，如采用陆上医院的常用的移动门、旋转门等设备，容易发生无法关严或卡死等情况，为船上人员的活动和院内压力梯度控制带来困难；空调设备管路的振动，会影响系统的可靠性和寿命，水系统和过滤器泄漏的几率会大大增加，特别是无菌室的高效过滤器送风口和隔离病房部分房间的高效过滤器排风口，万一因反复振动出现泄漏，为院内感染留下隐患；另外振动将不可避免地增加室内噪声，使院内环境的安全和舒适性受到影响。针对这一问题，首先要增强船体本身的抗振减摇能力，其次要研究开发适合船上医院使用的空调机组以及系统防漏技术；研究振动环境下的菌尘粒子分布特性，开发特殊无泄漏高效过滤风口，采取合理的气流控制措施，提高系统的安全可靠性，并制定相应的院内管理与操作规程，以将振动带来的负面影响降到最低。3.船上医院环境的舒适度为改善水面舰艇舱室居住的舒适性，保障船上人员的健康，提高工作效率，总后卫生部3和海军后勤部先后颁发并批准了《水面舰艇舱室微小气候的医学要求》[8]，于1999年3月1日起实施，部分室内微气候指标如表1所示。但对于船上医院而言，还应达到医疗救护的环境要求，如手术室、重症监护病房（ICU）、烧伤病房、隔离病房等对温、湿度都有相应的要求[9-14]，目前除普通船舶环境标准和暖通设计规范外[15]，尚无专门针对船上医院建设和环境控制的标准，由于船上医院的特殊性，常规医院的一些标准无法直接照搬，因此为保证船上医院良好的医疗环境和救治效果，应该联合医学、环境、建筑和船舶等有关专业制定相应的设计标准，并进行环境舒适度及室内空气品质的评价。表1居住舱室和一般工作舱室的舒适维持级微小气候各参数容许范围和限值[8]环境参数夏季春（秋）季冬季气温Ta(℃)25～2921～2518～21相对湿度RH(%)40～7530～7030～60气流速度Va（m/s）≤0.5≤0.3≤0.15基本变量平均辐射温度Tra(℃)23～3019～2717～24轴向温差⊿Ta，∧(℃)≤3纵向辐射不对称度⊿Tra⊥(℃)≤3附加变量横向辐射不对称度⊿Tra∥(℃)≤5注：1.夏季服装隔热值为0.5clo（1clo＝0.1549℃m2/W）.2.春（秋）季服装隔热值为0.9clo.3.冬季服装隔热值为1.6clo.4.每天8h有效工作时间.5.一般工作舱室主要包括：驾驶室、医务室、无线电室、雷达声呐室等.6.轴向温差指舱室内人体头部位与足部位的气温差.7.纵向辐射不对称度指舱室中心位置来自与头——足向垂直的两平面辐射温差值.8.横向辐射不对称度指舱室中心位置来自与头——足向平行的诸相向平面中的最大辐射温差.9.平均辐射温度指舱室内同一个工作区来自上、下、左、右、前、后6个方向的辐射温度的平均值.由于海上环境的特殊性，高温高湿是常见的现象，空调通风系统工作后，舱室内的气流速度直接影响人体表面的对流散热，刺激皮肤，给人产生不舒适的吹风感。实验表明[16]，在舒适的舱室温度范围内，适宜的风速应为0.10m/s～0.5m/s，根据对潜艇舱室的研究，高温高湿条件下人的耐受时间可用式（2）计算：TtRHRH050025.099875.21552.07e1001108.7−−×××=ta⑵满足舒适要求的舱室最大允许气流速度经验公式可用式（3）表示：TeaaeTBV⎟⎠⎞⎜⎝⎛+−=135032.0044.0005.0max⑶其中：——耐受时间（min）；ttaT——舱室空气温度（℃）；RH——相对湿度（％）；maxaV——舱室最大允许气流速度（m/s）；TB——舱室空气湍流度（％）由式（3）可知：舱室内最大允许气流速度随空气温度的升高而呈幂指数上升，随空气的湍流度增加而呈指数下降。除热舒适外，船舶振动引起的噪声、船上电子设备引起的电磁辐射污染也会严重影响人体的舒适性和健康。噪声不仅会引起听觉器官的损伤，还对神经系统、心血管系统、消化系4统、前庭功能、视觉功能、代谢和免疫功能产生影响，直接影响到患者的治疗和康复。随着科技的发展，舰船自身电子设备不断增加，电磁辐射污染日趋严重，除对人构成威胁外，同时也会干扰医院内的医疗设备。船上医院内的噪声和电磁辐射防护应该引起足够的重视，目前国内外舰船环境医学领域已针对噪