Проектирование HVAC для готовности к пандемии и реагирования

Пандемия COVID-19 выявила критические уязвимости в инфраструктуре здравоохранения, особенно в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC). Больницы, предназначенные для рутинных операций, изо всех сил пытались содержать переносимые по воздуху патогены, что приводило к увеличению внутрибольничных инфекций среди пациентов и медицинских работников. Проектирование больничных систем HVAC для готовности к пандемии больше не является необязательным улучшением, а фундаментальным требованием для устойчивой доставки медицинских услуг. Эффективная конструкция HVAC может значительно снизить передачу заболеваний, передаваемых по воздуху, улучшить качество воздуха в помещении и обеспечить непрерывность работы во время кризисов в области здравоохранения.

Эта статья предоставляет комплексную основу для инженеров, руководителей учреждений и администраторов здравоохранения для проектирования, модернизации и поддержания устойчивых к пандемии систем HVAC. Мы охватываем фундаментальные принципы, передовые технологии, оперативные стратегии и реальные тематические исследования, которые иллюстрируют успешные реализации.

Почему HVAC имеет решающее значение в борьбе с пандемией

Воздушно-десантная передача респираторных вирусов происходит через выдыхаемые капли и аэрозоли, которые могут оставаться подвешенными в воздухе внутри помещений в течение длительных периодов времени.В больничных условиях концентрация инфекционных аэрозолей наиболее высока в изолированных помещениях, отделениях неотложной помощи, отделениях интенсивной терапии и зонах ожидания. Системы HVAC напрямую влияют на пять ключевых факторов:

FLT:0 Направление потока и перепады давления FLT:1 — контроль перехода воздуха из чистой зоны в загрязненную или наоборот.
Обменные курсы воздуха — количество раз, когда воздух в помещении заменяют на фильтрованный или наружный воздух.
Эффективность фильтрации — Удаление частиц размером до 0,3 микрона (бактерии и вирусы).
Регулирование погрешности — поддержание относительной влажности между 40-60%, что снижает выживаемость вирусов и улучшает оседание дыхательных капель.
Контроль температуры (FLT:0) — хотя и менее критичен, чем влажность, температура влияет на комфорт человека и иммунный ответ.

Без надлежащей конструкции HVAC могут потерпеть неудачу даже лучшие протоколы инфекционного контроля. Например, недостаточное отрицательное давление в изолированной комнате может позволить загрязненному воздуху уходить в коридоры, подвергая опасности персонал и других пациентов. И наоборот, хорошо продуманная система может снизить риск передачи в воздухе более чем на 90% в контролируемых средах.

Основные принципы проектирования для устойчивых к пандемии HVAC

В основу разработки новых больничных систем ВСК и модернизации существующих следует поместить следующие принципы: каждый из них направлен на устранение конкретной уязвимости, выявленной в ходе пандемии COVID-19.

1.Усиленная фильтрация

Высокоэффективные фильтры для получения частиц воздуха (HEPA) являются золотым стандартом для захвата переносимых по воздуху патогенов. Фильтры HEPA захватывают 99,97% частиц ≥0,3 мкм, включающих большинство бактерий, вирусов и грибковых спор. Для обеспечения готовности к пандемии Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) рекомендует использовать фильтры с минимальной эффективностью (MERV) 13 или выше, с HEPA (MERV 17-20) для зон высокого риска, таких как изоляционные комнаты, операционные и отделения неотложной помощи.

Соображения по осуществлению:

Размещайте фильтры в траекториях рециркуляции воздуха, а также в выхлопных системах для улавливания загрязняющих веществ перед повторным входом.
Используйте префильтры для продления срока службы HEPA-фильтра и снижения частоты обслуживания.
Убедитесь, что корпуса фильтра герметизированы, чтобы предотвратить объезд воздушного потока.
Монитор падения давления фильтра для планирования замены без прерывания критического потока воздуха.

2.Увеличение обменных курсов воздуха

Изменения воздуха в час (АЧ) напрямую влияют на время, необходимое для удаления переносимых по воздуху загрязняющих веществ. Для пандемического ответа ASHRAE рекомендует увеличить АЧ до 12 или выше в изолированных помещениях и 6-10 в общих зонах пациентов. Более высокий АЧ быстрее снижает концентрацию инфекционных частиц, снижая риск ингаляции.

Однако увеличение АЧ также увеличивает потребление энергии и может потребовать более крупных воздуховодов, вентиляторов и чиллеров. Инженеры могут использовать контролируемую спросом вентиляцию (DCV) с датчиками CO2 в реальном времени или с твердыми частицами для увеличения потока воздуха только тогда, когда заполняемость или уровни риска высоки, балансируя инфекционный контроль с энергоэффективностью.

Для существующих больниц, неспособных модернизировать целые воздухоочистители, портативные высокоэффективные воздухоочистители (с фильтрами HEPA) могут служить временными добавками для повышения эффективности ACH в определенных комнатах.

3. Дифференциалы давления

Поддержание надлежащего давления между больничными зонами имеет решающее значение для предотвращения перекрестного загрязнения. Стандартная конструкция включает:

Отрицательное давление изоляции помещений — воздух поступает в комнату из окружающих коридоров, предотвращая загрязненный воздух от побега. Эти помещения необходимы для переносимых по воздуху инфекционных заболеваний пациентов (например, COVID-19, туберкулез, корь).
Позитивные комнаты под давлением — Чистый воздух течет наружу для защиты пациентов с ослабленным иммунитетом или стерильных сред, таких как операционные и отделения трансплантации костного мозга.
Комнаты для изоляции от инфекции в воздухе (AIIR) — подмножество комнат с отрицательным давлением с выделенной фильтрацией выхлопных газов и HEPA. Во время пандемий потребность в AIIR может намного превышать типичную емкость, поэтому больницы должны планировать перенапряжение обычных комнат пациентов.

Практические стратегии контроля давления:

Установите мониторы дифференциального давления с сигнализацией, которая предупреждает персонал о нарушении отношений давления (например, дверь остается открытой).
Используйте комнаты между изоляционными комнатами и коридорами для изменения давления.
Разработать гибкие зоны подачи и выхлопа, чтобы стандартные комнаты могли быть преобразованы в отрицательное или положительное давление путем перенастройки амортизаторов воздуховодов и регулировки скорости вентилятора (часто называемые «кабриолетные комнаты»).
Обеспечить наличие вестибюлей или воздушных шлюзов на входах в зоны повышенного риска для поддержания целостности давления при открытии дверей.

4.Увольнение системы вентиляции

Во время пандемии отказ ВГК может быть катастрофическим.Увольнение должно быть рассчитано как на механические, так и на электрические компоненты:

Установите дубликаты вентиляторов, чиллеров и блоков обработки воздуха для критических областей (изоляционные комнаты, ICU, отделения неотложной помощи).
Обеспечить аварийную мощность от резервных генераторов с автоматическими переключателями передачи для всего оборудования HVAC, обслуживающего зоны инфекционного контроля.
Проектирование систем с избыточностью N+1 (один дополнительный компонент сверх того, что необходимо) для критического оборудования.
Включите возможности ручного переопределения, чтобы менеджеры объектов могли регулировать скорость воздушного потока, настройки давления и уровни фильтрации, не полагаясь на автоматизированные средства управления, которые могут выйти из строя.

5 Управление воздушным потоком

Патогены могут перемещаться по воздушным потокам за пределы непосредственного источника. Управление структурами воздушного потока снижает риск перекрестного загрязнения:

Конструкция подачи воздушных диффузоров и решеток возврата/выхлопа для создания однонаправленного потока из чистых в менее чистые зоны. В изолированных помещениях выхлоп должен находиться вблизи головы кровати для захвата генерируемых пациентом аэрозолей.
Избегайте турбулентного смешивания, которое может распространять загрязняющие вещества; используйте ламинарный поток воздуха в операционных и защитных средах.
Используйте низкоскоростное поступление воздуха в палатах пациентов, чтобы свести к минимуму повторное увлажнение напольной пыли (которая может содержать патогены).
Изолировать пути выхлопных газов от путей поступления, чтобы предотвратить короткое замыкание загрязненного воздуха обратно в систему подачи.

Инновационные технологии и стратегии

Пандемия ускорила внедрение передовых технологий HVAC, значительно усиливающих инфекционный контроль. Эти инновации сейчас становятся стандартной практикой в ведущих медицинских учреждениях.

УФ-С световая стерилизация

Ультрафиолетовое бактерицидное облучение (УФГИ) использует УФ-С свет (длина волны 254 нм) для инактивации микроорганизмов путем повреждения их ДНК или РНК. УФ-С может быть установлен тремя способами:

В воздуховоде УФ-С — Установлены внутри воздухообработки или воздуховоды для обработки движущегося воздуха. Эффективны для снижения микробной нагрузки на катушки и сливные кастрюли, которые могут быть источниками плесени и бактерий.
UV-C в верхней комнате — Установлен вблизи потолков в занятых помещениях (например, в залах ожидания, в бухтах отделения неотложной помощи). Воздух естественным образом поднимается из-за конвекции, проходя через поле UV-C перед перемещением. Это безопасно для пассажиров, пока предотвращается прямое воздействие.
Портативный УФ-С — Используется для терминальной очистки поверхностей и воздуха в незанятых помещениях. Не рекомендуется для непрерывного использования в занятых помещениях.

Исследования показывают, что правильно спроектированный УФГИ может снизить концентрации вирусов в воздухе на 90% или более в больницах.Объединение УФ-С с фильтрацией HEPA обеспечивает многобарьерный подход.

Мониторинг качества воздуха в реальном времени

Традиционные системы ВВАК работают по фиксированным графикам и заданным точкам. Мониторинг качества воздуха в режиме реального времени позволяет осуществлять адаптивный контроль на основе фактических условий:

Датчики CO2 указывают на заполняемость и адекватность вентиляции; повышенный CO2 коррелирует с более высоким риском передачи заболеваний в воздухе.
Датчики твердых частиц (PM2.5 и PM10) определяют уровни аэрозолей, включая потенциальные вирусные частицы.
Датчики летучих органических соединений (ЛОС) могут указывать на очистку химических остатков или метаболическую активность человека.
Датчики влажности поддерживают оптимальный уровень RH 40-60%, что снижает выживаемость вирусов и улучшает респираторную иммунную функцию.

Данные с этих датчиков могут быть интегрированы в системы управления зданиями (СУБ) для автоматической настройки воздушного потока, фильтрации и работы УФ-С. Больницы, которые инвестировали в такие интеллектуальные системы HVAC во время пандемии, смогли быстро реагировать на всплески за счет увеличения вентиляции в зонах высокого риска без ручного вмешательства.

Модульные и масштабируемые системы HVAC

Пандемические всплески предъявляют внезапные, непредсказуемые требования к больничным ВСК. Модульные системы позволяют быстро расширить емкость:

Упакованные блоки на крыше, которые могут быть быстро развернуты для создания временных изоляционных отделений.
Установочные воздухообработчики со встроенными фильтрами HEPA и UV-C, которые могут быть подключены к существующим воздуховодам.
Контейнеризованные модули отрицательного давления, которые преобразуют гаражи или вестибюли в зоны для лечения всплесков. Например, во время COVID-19 несколько больниц использовали сборные контейнеры с отрицательным давлением для расширения изоляционной емкости в течение 48 часов.
Масштабируемые массивы вентиляторов (несколько маленьких вентиляторов вместо одного большого вентилятора), которые позволяют постепенно увеличивать поток воздуха и обеспечивают избыточность, если один вентилятор выходит из строя.

Проблемы и соображения

Проектирование устойчивых к пандемии систем ВКК не лишено препятствий. Больницы должны сбалансировать инфекционный контроль с затратами, энергоэффективностью, пространством и эксплуатационной сложностью.

Инфраструктурные издержки

Модернизация фильтрации (например, MERV 13 до HEPA) часто требует больших вентиляционных двигателей и воздуховодов для преодоления повышенного падения давления. Модернизация существующих зданий может также включать структурные изменения для новых воздухообработчиков, воздуховодов и выхлопных труб. Первоначальные капитальные инвестиции могут быть значительными, но анализ стоимости жизненного цикла показывает, что предотвращенные расходы на инфекции, судебные разбирательства и потерянные доходы часто оправдывают расходы. Системы здравоохранения могут исследовать гранты от учреждений общественного здравоохранения, таких как Программа подготовки к больницам Министерства здравоохранения и социальных служб США, для финансирования модернизации.

Ограничения пространства

Многие старые больницы не были спроектированы с большими механическими комнатами или промежуточным пространством для обширных воздуховодов. Добавление фильтров HEPA, банков UV-C и избыточных вентиляторов может потребовать творческих решений, таких как установки на крыше, наружные мезонины или преобразование неиспользуемых подвалов. В плотных городских больницах ограничения пространства могут быть наиболее ограничивающим фактором.

Потребление энергии

Увеличение АЧ, использование высокоэффективных фильтров и использование ламп УФ-С увеличивают электрические и тепловые нагрузки. Больницы являются одними из самых энергоемких зданий, поэтому дополнительный спрос может напрягать как сеть, так и бюджет. Решения включают:

Вентиляторы рекуперации энергии (ERV), которые передают тепло и влагу от выхлопного воздуха к поступающему свежему воздуху, уменьшая нагрузки HVAC.
Переменные частотные приводы (VFD) на вентиляторах, которые соответствуют потоку воздуха в режиме реального времени, а не работают на постоянной высокой скорости.
Контролируемая спросом вентиляция, которая уменьшает ACH, когда комнаты не заняты.
Солнечные фотоэлектрические панели или системы когенерации, которые компенсируют увеличение потребления электроэнергии.

Техническое обслуживание и подготовка

Передовые системы ВВК требуют квалифицированных техников для ввода в эксплуатацию, текущего обслуживания и устранения неполадок. Многие больницы сталкиваются с нехваткой квалифицированного персонала ВВАК. Во время пандемии некоторые учреждения пострадали от перебоев из-за заблокированных фильтров или неисправных ламп УФ-С, которые остались незамеченными. Реализация надежной программы профилактического обслуживания с автоматическими оповещениями о замене фильтра, срок службы ламп УФ-С и напряжение ремня вентилятора имеет важное значение. Кроме того, руководители учебных заведений по сценариям пандемии (например, как быстро перенастроить комнату пациента на отрицательное давление) могут улучшить время реагирования.

Соблюдение нормативных требований и стандартов

Проектирование больничного HVAC должно соответствовать нескольким кодам и стандартам: ASHRAE Standard 170 (Ventilation of Health Care Facilities), AIA Guidelines for Design and Construction of Hospitals, NFPA 99 (Health Care Facilities Code) и местным строительным кодексам. Во время чрезвычайной ситуации в области общественного здравоохранения некоторые регулирующие органы выпустили временные отказы, чтобы обеспечить более быстрое развертывание решений для резких скачков (например, использование фильтров, не связанных с HEPA, во временных структурах).

Тематические исследования: успешная адаптация к пандемии HVAC

1. Медицинский центр Университета Небраски (UNMC)

UNMC была одной из первых больниц США, которая обрабатывала пациентов с Эболой, а затем COVID-19. Их биоконтейнерная установка имеет специальную систему HVAC с фильтрацией HEPA, отрицательным давлением и стерилизацией UV-C. Во время всплеска COVID-19 они преобразовали стандартные комнаты с отрицательным давлением в AIIRs, увеличив поток выхлопного воздуха и добавив портативные очистители HEPA. Ключевой урок: гибкий дизайн с заранее запланированными протоколами преобразования позволил быстро масштабировать изоляционную емкость без ущерба для безопасности. Узнайте больше о биоконтейнерном блоке UNMC .

2. Массачусетская больница общего профиля (MGH)

MGH модернизировала вентиляцию отделения неотложной помощи во время пандемии, установив высокопроизводительные потолочные вентиляторы (для улучшения смешивания) и разместив портативные очистители воздуха HEPA в каждом отсеке для лечения. Они также использовали мониторинг CO2 для выявления областей с недостаточной вентиляцией и соответствующим образом скорректировав поставки. Этот подход снизил уровень заражения среди сотрудников ED без серьезной конструкции. Прочитайте стратегию инфекционного контроля MGH .

3.Национальная университетская больница, Сингапур

В Сингапурской национальной университетской больнице была развернута модульная система контейнеров с отрицательным давлением, которую можно было собрать на стоянках в течение нескольких дней. В каждом контейнере был специальный вентилятор выхлопных газов HEPA-фильтрованный и лампа UV-C. Это обеспечивало критическую емкость для пациентов с COVID-19 при сохранении отделения от основной больничной системы HVAC. Решение было экономически эффективным и воспроизводимым. См. меры инфекционного контроля NUH .

Заключение

Пандемия COVID-19 стала ярким напоминанием о том, что стационарные системы HVAC являются первой линией защиты от инфекций, передаваемых воздушным путем. Проектирование для обеспечения готовности к пандемии означает выход за рамки минимальных требований к коду для включения улучшенной фильтрации, более высоких обменных курсов воздуха, гибких дифференциалов давления и надежного резервирования. Новые технологии, такие как стерилизация УФ-С, мониторинг качества воздуха в режиме реального времени и модульные системы, предлагают практические способы достижения этих целей без непомерных затрат.

Однако устойчивость требует большего, чем аппаратное обеспечение. Больницы должны разработать стандартные операционные процедуры для преобразования помещений, обучить персонал управлению HVAC и активно поддерживать системы. Инвестиции в устойчивый к пандемии HVAC - это инвестиции в безопасность пациентов и персонала, которые выплачивают дивиденды в течение обычных сезонов гриппа и будущих чрезвычайных ситуаций в области общественного здравоохранения. Поскольку мир готовится к следующей пандемии, больницы, которые отдают приоритет дизайну HVAC, будут лучше оснащены для защиты жизней и поддержания критических операций.