移动式集装箱负压舱的设计

任章霞，郭金成，田现钢，丁艳蕊，陈 静*，杨 宁*

（1.广安市人民医院，四川广安 638000；2.重庆海润节能技术股份有限公司，重庆 401147；3.陆军特色医学中心，重庆 400037）

0 引言

新型冠状病毒感染作为一种呼吸道传染病对经济和社会发展构成严重威胁。我国疫情暴发初期采用快速拼装式集装箱负压病房建设模式，在保护医护人员的生命安全和遏制疫情蔓延中发挥了关键性作用[1]。利用集装箱进行拼接式组装进行轻症和疑似患者的集中观察治疗具有管理集中、分区明确、搭建快速、性价比高的优势[2-4]。野战场景下的现场急救和长途转运需要一种可多载具搭载的机动式救治平台，如野战帐篷医院、野战方舱医院、车载式移动医院等，但这些装备均需要固定的牵引载具，彼此不能互换[5]。本文设计一种具有单一密闭空间和基本救治功能的移动式集装箱负压舱，可作为多种运载工具互换的通用型治疗单元，可用于基层医院和特殊人群个例患者的应急救治和危重症患者的长途转运。其采用标准集装箱尺寸，便于不同运载工具的互换，可作为固定式负压病房的必要补充，比现有负压救护车具有更大的救治空间和更强的功能，比拼装式方舱医院具有更好的机动和快速反应能力。

1需求分析与设计思路

1.1 需求分析

疫情后新建或改建的固定式负压病房大量闲置，占据现有医疗空间，后期维护费用高昂，目前主要分布在城市大型综合性三级医院、传染病专科医院和公共卫生临床中心，多用于呼吸道传染病确诊或危重症患者的集中救治，而县级及以下医院缺乏固定式负压病房。呼吸道传染病的暴发时间和空间具有很大的不确定性，基层医院和特殊场所需要一种可移动的临时负压治疗单元，因此设计一种移动式集装箱负压舱显得十分必要。

1.2 设计思路

呼吸道传染病暴发的偶然性强，短期内感染人数剧增，导致对固定式负压病房的需求量增加。移动式集装箱负压舱基于负压隔离病原微生物原理和空气净化技术设计，利用全直流送排风系统形成各功能区负压差，保证舱内空气形成定向流，借助高效微粒空气过滤系统对患者呼出气进行排放前净化处理，并辅以相应的支持系统，从而形成容纳单个患者的救治转运一体化的机动医疗单元。

为便于多载具互换、快速搭建和仓储保存，设计上选取6 058 mm×2 438 mm×2 591 mm（长×宽×高）标准集装箱的外形尺寸，构建独立的隔离治疗单元，配备便携式生命监测与支持仪器、远程会诊、水电供应、暖通和网络等系统，有一定的野外机动能力，其结构和功能与固定式负压病房类似。本负压舱可用于呼吸道传染病暴发期间基层医院患者的就地隔离和治疗、发病高峰期对固定式负压病房的补充、没有固定式负压病房配置的特殊人群聚集地临时使用及危重患者的长途转运。

2 负压舱设计

2.1 舱体围护结构

舱体围护结构为2 mm 厚镀锌钢板+10 mm 厚高性能保温隔热聚氨酯发泡板+2 mm 厚镀锌钢板+10 mm 厚整体式内墙板，在舱内外温差为55 ℃的环境条件下，舱体总传热系数为1.59 W/（m2·℃），满足GJB 6109—2007《军用方舱通用规范》中Ⅱ级保温性能[传热系数≤2 W/（m2·℃）]的要求。内墙板表面采用抗菌型复合材料，具有高光洁度、高抗菌性、高平整度等优点，便于维持舱内的清洁卫生。

2.2 平面布局

负压舱三维空间示意图如图1 所示，舱内分为办公区、通道、病室（含洗手间）3 个功能区，如图2 所示，医护流线和患者流线独立。各功能区压力设计为：办公区（清洁，0 Pa）>通道（半污染，-5 Pa）>病室（污染，-10 Pa）>洗手间（污染，-15 Pa），气流流向如图3中箭头所示，可维持舱内空气形成清洁区到半污染区再到污染区的流向，避免办公区空气受到污染。

图1 移动式集装箱负压舱三维空间示意图

图2 移动式集装箱负压舱平面设计示意图

图3 移动式集装箱负压舱压力及气流流向设计图

2.3 通风空调系统设计

2.3.1 风量及负荷计算

通风空调系统采用全直流新风空调系统，新风承担舱内全部的冷热负荷。根据通风空调系统设计及舱内压力进行风量平衡计算，得到办公区新风量为179 m3/h，病室新风量为300 m3/h、排风量为434 m3/h，洗手间排风量为89 m3/h。

选取重庆市的室外设计参数进行冷热负荷计算，室外设计参数见表1，室内设计参数见表2，负荷计算结果见表3。

表1 室外设计参数

表2 室内设计参数

表3 负荷计算结果单位：W

2.3.2 系统设计

基于选择的全直流新风空调系统形式，办公区和病室各设置一台新风空调机组，外界新风经初、中、高效过滤器过滤后送入办公区和病室。全直流新风空调机组设置在舱顶部夹层内，洗手间上方设置一台直膨机组作为舱内办公区和病室新风空调系统的冷热源。病室和洗手间的负压排风采用智能排风模块。空调系统具体布置如图4 所示。

图4 移动式集装箱负压舱空调系统布置图

办公区采用侧送风形式，从办公桌一侧上方送风，不设排风口；通道不设送排风口，采用电动压差阀进行调压；病室采用贴壁射流导流送风、侧排风形式，送风设置在病床对侧墙壁上，采用长条形顶送风口，其下设置导流挡板，病床床头侧边设置高效排风口，送风射流贴壁下行后经过导流挡板流向病床区域，从病床旁边下侧高效排风口排出[6]；洗手间采用上排风口。

新风空调机组和排风模块动力选用直流无刷式免维护型风机，能够进行0～100%无级调速，自带RS485 通信接口、0～10 V 传感器输出接口、4～20 mA调速开关输出接口，可接收压差数字信号，并根据压差控制逻辑进行风量调节。病室及洗手间的高效排风口选用H14 高效过滤器，对空气中粒径≥0.3 μm气溶胶、尘埃的过滤效率大于99.99%，能够有效截留空气中的病毒和细菌，避免外排空气对外部环境造成污染。

在夏季制冷工况下，新风空调机组对新风降温处理时可同时进行新风减湿处理，以满足舱内除湿需求。除严寒和寒冷地区外，夏热冬冷等其他区域冬季基本无加湿需求，为避免新风空调机组功能段多、机组复杂和庞大影响使用效果，机组内不设置加湿功能段，在有加湿需求的地区使用时可在舱内增设独立加湿器。

2.3.3 设备选型及冷热量校核

按照舒适性空调最大温差不超过8 ℃的要求，夏季新风处理极限状态点为温度18 ℃、相对湿度90%，冬季新风处理极限温度为28 ℃。

根据风量计算结果，办公区初选风量为200 m3/h的新风空调机组，病室初选风量为300 m3/h 的新风空调机组，新风冷热量计算结果见表4。可知办公区和病室的新风均不能完全承担室内冷负荷，需重新选择新风空调机组。

表4 初选新风空调机组冷热量计算结果

办公区选择风量为300 m3/h 的新风空调机组，病室选择风量为450 m3/h 的新风空调机组，则新风冷热量与室内负荷校核见表5。办公区总冷负荷为3 426 W，总热负荷为2 301 W；病室总冷负荷为5 436 W，总热负荷为3 786 W。可知办公区和病室的新风均能完全承担室内冷热负荷，且办公区新风冷量足以承担通道的负荷。

表5 终选新风空调机组冷热量计算结果

基于以上办公区和病室新风空调机组风量的终选型，根据风量平衡，病室选择排风量为700 m3/h 的排风机，卫生间选择排风量为100 m3/h 的排风机。

2.3.4 负压控制策略

压力控制策略采用定送风量、变排风量的控制模式，确保入舱新风量充足。通过舱内压差传感器检测数据调节排风量，维持舱内压差在设定范围内，当检测到舱内压差高于或低于预设压差范围时，触发排风控制模块减小或增加排风量，以恢复到预设压差范围内。舱内负压控制策略如图5 所示。

图5 舱内负压控制策略

为保证舱内负压状态，新风空调机组和排风模块联锁启停[7-8]，系统启动时，将先启动排风模块，再启动新风空调机组；系统关闭时，将先关闭新风空调机组，再关闭排风模块。

2.3.5 温湿度控制策略

根据舱内温湿度传感器检测数据，分别对相应新风空调机组进行制冷剂流量调控，以维持室内热环境。以夏季为例，舱内温度控制策略如图6 所示。

图6 舱内温度控制策略

舱内湿度未作精确控制，夏季工况下，新风经新风空调机组进行降温处理的同时进行除湿处理；冬季工况下，室外干燥有加湿需求的地区如严寒和寒冷地区，舱内可设置加湿器，根据需求随时开启加湿器进行加湿处理。

2.4 通道与污物传递窗设计

医护人员出入病室的通道设在病室与办公区之间，通道的办公区侧和病室侧各设置一扇门，两门互锁，不能同时开启。同时在通道与办公区、通道与病室相邻的墙上设置电动压差阀，根据设定压差值自动调压，防止病室内污染空气倒流到办公区。

在病室与办公区之间设置污物传递窗，其空间结构类似通道设计，有单向开闭的气密门，采用微波高温消毒装置移出舱内医疗和生活废物，其中金属类废物通过浸泡消毒预处理，采用塑料袋密封后传递（暂停高温消毒模式），防止在传送过程中产生火花造成安全隐患[9]。传递窗结构示意图如图7 所示。

图7 舱内污物传递窗结构示意图

2.5 远程会诊与指导系统

基于4G 网络设计可头部佩戴的交互式远程会诊与指导系统，利用微型高清摄像头、音频采集器和配套蓝牙耳麦等，通过远程传输与会诊者进行实时语音和视频交流。与传统远程会诊系统不同，远程会诊者可利用佩戴者的移动，十分方便地获得患者、设备和环境的实时状况，同时可指导医护人员进行操作，其功能与现有微信或QQ 聊天功能类似[10-11]。

2.6 车载水电支持系统

借鉴房车水电支持系统原理，在洗手间顶部附近搭载可拆卸水箱（300 L）、电热水器、大功率车载逆变器和静音柴油发电机，预留市电和网络接口。

3 舱内空气质量检测

由第三方专业检测机构对舱内空间环境进行空气质量检测，结果见表6。本负压舱检测结果符合GB/T 38800—2020《应急医用模块化隔离单元通用技术要求》[12]，洁净度等级达百万级。在舱内卫生方面，空气细菌菌落总数符合WS/T 368—2012 的要求，物体表面微生物数量符合GB/T 35428—2017 的要求。

表6 移动式集装箱负压舱内部环境检测结果

4 结语

本文设计的移动式集装箱负压舱经过专业机构测试，舱内各项空气质量指标达到设计要求和国家相关标准，舱内形成清洁区到半污染区再到污染区的定向流，可最大限度降低医护人员交叉感染的风险。本负压舱功能定位于基层医院呼吸道传染患者的应急处置，内置便携式生命监测与支持设备，配套暖通、水电供给、远程会诊和网络等系统，可为初发个例患者提供隔离和治疗的临时空间；作为机动式医疗平台，可用于战争场景下野外急救，搭载不同载具进行危重伤员的长途后送；疫情暴发高峰期可作为固定式负压病房的应急补充。本负压舱最大的优势是标准化的外形尺寸可实现不同运载工具的互换，甚至与国际救援接轨，可作为呼吸道传染病和战争场景下的战略储备装备。本负压舱受疫情暴发期间严格管控政策的影响，难以开展相关临床数据观察，同时缺乏太阳能采集与储存功能，野外生成能力有待提升，未来应进行临床相关数据的收集与分析，并开展车载光伏储能研究，以提高其野外适应能力。