新鄉市中心醫院的樓控系統設計

同方泰德 于國棟 徐濤 高志宏

摘要 以新鄉中心醫院為工程背景，簡要介紹了對其樓宇自動化控制系統的設計和系統設備選型。重點關注了空調調試的特殊工藝和需要引起注意的問題。

關鍵詞 現場總線 專業模塊 溫濕度 壓差 送風量

By Yu Guodong Xu Tao Gao Zhihong

Abstract Take the XinXiang hospital as an engineer background, the paper briefly introduced the design and device selection of its building automatic control system, with pay more attention to the special technics and caused problems need to care on the course of air condition testing.

Keywords fieldbus ,special module ,temperature and humidity ,pressure difference ,discharge air volume

新鄉市中心醫院是豫西北最大的綜合性醫院，集醫療、教學、預防、科研、康復等職能為一體。為了更好的服務于病患人員，新鄉市醫院不斷完善醫院硬件設施的配備和醫療衛生環境的建設。外科手術樓建設過程中引進TECHCON智能控制系統，旨在對樓內空調、通風、給排水以及動力等系統進行集中管理和監控，以滿足醫患對于樓內溫度、濕度、通風等環境條件的嚴格要求，減少患者因空氣不潔(帶菌)而引起感染的幾率，縮短治療周期，提高治愈率。此舉將打造一個全新的智能化診療空間，全面提升醫院的服務水準，并且在提高醫院服務水平的基礎上盡量節約能源，達到服務和能源雙優的效果。

新鄉中心醫院樓控系統主要管理19層樓內ICU病房、住院部所有病房、醫院辦公室以及部分手術室的空氣調節。系統在設計時除了潔凈空調以外還存在大量的新風機組、送排風機、給排水系統和冷熱源以及醫用氣體系統等機電設備，這些設備既要有獨立工作的能力又要有與相關設備進行協調，同時還要將數據傳回給上位機以供分析參考。對于此項目樓宇控制系統的設計和調試環節，主要關注3個方面。

一、系統結構^[1]

針對醫院設備眾多且非常分散的特征，我方采用Techcon 04 控制系統，下圖為系統結構拓撲圖：

1、管理網 2、服務器 3、通訊適配器 4、工作站

5、主控模塊 6、站點連接總線 7、集線器 8、打印機

Techcon 04系統網絡結構分三層結構，最底層為模塊連接總線，中間層為站點連接總線，最上層為管理網。其中模塊連接總線用來連接主控模塊和I/O模塊，它的網絡拓撲為基于CAN物理層總線結構，通訊速率為57600bps。中間層站點連接總線同樣采用CAN物理層，通訊速率為38400bps。

站點連接總線在物理層上采用CANBUS標準，鏈路層參照BACnet的定義規則，可以連接64個主控制器，站點通訊速率為38400bps。這種通訊連接方式，特別適合樓宇控制系統，通常一個建筑的通訊網絡一個網段就可以解決。每個主控制器通過模塊連接總線最多可以管理15個I/O模塊，這些模塊可以通過連接線纜延伸1200米完成數據的交互不用采用任何附加設備（例如專用底座，專用電源模塊等）。在新鄉醫院采用了新型的CAN集線器解決大型系統的通訊問題，它打破了傳統的“一”字型拓撲結構的限制，可以形成星形、樹形等復雜的拓撲網絡結構。借助CAN集線器，站點連接總線可以實現4層范圍內的網段延伸，每個CAN網段的距離最長可達1.2公里，因此，CAN型站點連接總線可以實現5公里范圍內的數據通訊。

通過這種網絡拓撲結構，系統在不借助以太網的情況下就可以輕松完成幾十平方公里的覆蓋工作。在新鄉醫院直接采用CAN集線器直接將系統劃分為2個網段，一條總線直接管理地下室設備，另一條總線管理地上部分的機電設備。通過這種劃分使得系統布局變得非常清晰，同時還留有一條總線最為冗余，如果有需要可以隨時敷設通訊線纜來減少改造的投資。

二、模塊特點

在現在主流控制系統中都存在各種各樣的I/O模塊，但是綜合性I/O模塊種類卻不是很多，在新鄉中心醫院，采用了Techcon系列多種點位合理的新型模塊，具體情況如下表：

在點表中我們可以看到1個GCA模塊正好可以完整地管理一臺新風機組；1個MCA正好可以控制4臺水泵或送風機并且對相關的反饋進行監視；1個MCC模塊除了控制兩臺電機以外還可以管理相應的液位；1個VDA模塊可以控制4個雙DO蝶閥并且無論閥門采用DI反饋還是AI反饋均可以得到很好的監視。在項目中針對系統特點采用對應的專業I/O模塊，很大程度上節省了投資費用，并且主要設備采用1到2個模塊就可以完成對其設備的控制，并且在布置上有很好的可復制性和參考性。由于系統一個主控模塊可以攜帶15個I/O模塊，那么在配制的時候一般只管理10個I/O模塊，通過這種手段使得系統形成真正意義上的冗余，如果甲方提出新的要求或者在設計時遺忘的部分，可以非常輕松的彌補而不需要破壞原有系統格局。

三、特殊的控制工藝^[3][4][5]

新鄉中心醫院采用的是半集中式空調系統，這種方式對于像新鄉醫院這種大型醫院和手術室同時使用率高的場所非常適合。這種方式是將手術部和住院部空調系統劃分為幾個區，高級別空調系統由于風量大、使用頻率相對較低，采用了單獨設置空調機組；低級別系統則由幾個房間共用同一空氣處理系統，新風集中處理后送到各個系統的空調機組，為了使整個手術部始終處于受控狀態，工程中設有值班風機，在非工作狀態僅開值班風機維持手術部的壓力梯度。這種系統形式可以方便的調解各個房間的溫濕度，使得不同壓力級別的調解相互不產生影響，又能夠比較好的實現整個手術部的壓力控制。

新鄉中心醫院每層分布一至兩臺潔凈空調機組，潔凈空調機組與常規組合式空調機組區別很大涉及的監控設備主要涵蓋：回風溫度、回風濕度、初效過濾器堵塞報警、新風初效過濾器堵塞報警、中效過濾器堵塞報警、高效過濾器堵塞報警、冷盤管水溫調節、熱盤管水溫調節、蒸汽加濕器控制、新風門開度控制、回風門開度控制、送風機運行狀態、送風機手/自動控制狀態、送風機前后壓差、送風機啟/停控制、送風機故障狀態、送風機故變頻控制信號、手術室溫濕度、手術室微正壓、回風機運行狀態、回風機故障狀態、回風機前后壓差、回風機啟/停控制、回風機手/自動控制狀態、防凍開關等設備。

對于ICU和手術室以及病房的環境控制方案，作者在設計時進行了比較充分的考慮，采用的生物潔凈技術該變了過去直接殺滅室內的病源微生物的思路，注重消除或控制危及無菌空間的影響因素，形成一整套技術措施，主要體現在以下幾個方面：

在多數規范中只給出了溫濕度的范圍，溫度22℃~25℃和相對濕度30%~60%，作者在設計和調試的時候也是根據此值進行的調整，但是在試運行期間和運行的服務期間發現有很多的設定值需要調整，絕不可一概而論。

在和院方的交流中了解到合適的空調對于治療和調養有促進作用，甚至在一些場合是重要的治療方法，然而不同的患者對于空調的要求往往差異很大，例如甲亢患者無法忍受高溫和潮濕；慢性肺病患者由于分泌物堆積且黏度增大，需要吸入熱、濕空氣來有效的防治脫水；燒傷的病人需要有較高的環境要求，房間溫度一般調節至32℃和相對濕度95%；心腦血管患者在涼爽、干燥的房間可以得到很好的治療。

由于各種病房對于溫度要求區別較大，并且病人對環境的要求也不一樣。在對病房控制的時候，作者根據實際使用情況對空調進行了分區，在使用功能相近的區域采用閉環控制算法，滿足區域內基本需要的病人，對有特殊需要的病人，利用室內的加熱或局部加濕等手段滿足患者的需要。

工程中采用了3級空氣過濾，根據國家標準GB/T14295-93，空氣過濾器一共分為五個級別，在此項目中采用了初效、中效和高效過濾器，但是在實際使用過程中，工程中的高效過濾器的效果基本相當于國標中的高中效過濾器，下表為工程中采用的3效過濾器的性能：

由于細菌不能夠獨立存活，必須依附在較大的浮游顆粒上，通過過濾這些栽有微生物的粒子進行過濾后就可以達到除去細菌的目的。過濾器過濾空氣就是除去這些細菌最為經濟和有效的方法。

按照國際相關標準規定的送風量范圍大致為允許回風的手術室送風量為20~25次/h。這一標核準相當于國標GB50333-2002《醫院潔凈手術不建筑技術規范》中Ⅲ級潔凈手術室。在現在提出的一般手術室概念，從凈化原理講對于末端過濾器為高中效過濾器的手術室來說，加大送風量無益于改善室內狀況。作者考慮帶全新風設定最小換氣次數為6次/h，在此項目中，應當根據室內負荷來確定送風量，但是送風量一般要不得低于6次/h換氣，一般控制在6~8次/h。這個水平相當于國外創傷手術室的送風換氣要求。在對空調進行控制時采用焓值控制來確定所允許的最小送風量，具體計算方法舉例如下：室內狀態點N，干球溫度t_N=25.5℃，相對濕度φ=50%，i_N=51.9kJ/kg；室外狀態點W，干球溫度t_W=33℃，濕球溫度t_WS=27.9℃，i_W=89.7kJ/kg；新風比0.252，送回風在處理前混合至C點，t_C=27.1℃，i_C=59.5kJ/kg。由夏季熱濕比ε=12000，由N點沿熱濕比線交φ=95%相對濕度于S點露點送風，t_S=12.5℃，得N點與S點焓差Δi=i_N-i_S=51.9-33.4=18.5kJ/kg，而根據夏季冷負荷和總送風量得需要焓差Δi’=Q/G=18.5kJ/kg，所以預設定的換氣次數太少。通過反算出G=Q/Δi=896m³/h，換氣次數在6.7次/小時（新風比0.252）適合露點送風，這樣就可以取得最小的風量。

在新鄉醫院手術室控制中為了維持其無菌狀態考慮了正壓問題。通過安裝在手術室內的微正壓傳感器來影響房間正壓控制，甚至要維持手術室內潔凈級別不同的區域之間維持合理的氣流流向和有序的壓力分布，以避免室外對室內，低級別對高級別環境的影響。只有保證在任何情況下（特別是在非設計工況或在非正常運行的工況下），都能夠維持潔凈手術部內這種有序的梯度壓力分布不變，才能真正有效的減少手術區交叉感染的風險。美國CDC (Centers forDisease Control and Prevention)和HICPAC(theHealthcare Infection Control Practices AdvisoryCommittee)于2003年發布的標準建議將負壓隔離病房的負壓值設定為2.5 Pa(0.01 in H₂O)^[7],

到目前為止，關于負壓隔離病房的負壓值,我國相關設計規范中尚無明確規定，國標《傳染病醫院建筑設計規范》（討論稿）也沒有明確標出具體的負壓值。

在調試過程中，正壓具體作用體現在三個方面：首先在門窗關閉的情況下，防止潔凈室外的污染由縫隙滲入潔凈室內；其次在門開啟的瞬間保證有足夠的氣流向外流動，減少門開啟或人進入的瞬間帶來的干擾氣流，但不保證在門長時間開啟的狀態下的正壓；最后保證潔凈區域內合理、有序的氣流流向與流量。在新鄉醫院中，作者在試運行和運行中，將負壓隔離病房病室與緩沖間的最小靜壓差設定為8Pa，病室與衛生間的最小靜壓差設定為4Pa，緩沖間與醫務人員工作走廊及半污染區與清潔區之間的最小靜壓差設定為4Pa達到了比較好的效果，同時也得到了院方的認可。

由新鄉中心醫院引申到醫院類樓控系統首先顧及的還是通訊問題。在利用良好的總線拓撲完成系統搭建后，整個工程的重點就是醫院所面臨的特殊需求，室內環境對病人的康復有良好的輔助作用，同時能有效的回避交叉感染。在國家規范中，只規定了清潔區送風量大于排風量，清潔區為正壓，污染區排風量大于送風量，為負壓，并要求負壓房間排風量最小應比送風量大10%(風量差應不小于85 m3/h)。規范中并沒有規定各區域需保持正負壓的值，而且也沒有對建筑的圍護結構、門窗的密封程度做出具體要求。在具體的設計和調試方案確立時，沒有微壓差設定值依據，，只能在實踐調試和試運行中進行調整，對于實際的調試效果也很難得到檢驗，只能通過理論推算。同時在施工和運行過程中只靠送排風風量差而不對房間的氣密性做出具體要求時，很難保證壓力梯度的實現。

參考文獻

[1] Techcon System User Guide

[2] Techcon 409 IO module User Guide

[3] ASHRAE handbook, HVAC Application Chapter 7 healthcare facilities, 1999

[4] 陳尹，手術室凈化空調工程設計探討，空調暖通技術，2001（1）.1-4

[5] Brian Wisemen，P.E. room pressure for critical environment ASHRAE Journal February 2003 vol.109,34-39

[6] 邱濟夫. 抗菌過濾器評價方法的研究：[碩士學位論文]. 上海：同濟大學，2005

[7] CDC. Guidelines for preventing the transmission ofmycobacterium tuberculosis in health care facilities[R]. Morbidity and Mortality Weekly Report, 1994,43, No RR-1