医院病房人流量特征及新风量需求
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。
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％，㶲效率分别提高了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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