新乡市中心医院的楼控系统设计———新乡市中心医院的楼控系统设

［摘要］：以新乡中心医院为工程背景，简要介绍了对其楼宇自动化控制系统的设计和系统设备选型。重点关注了空调调试的特殊工艺和需要引起注意的问题。［关键词］：现场总线  专业模块  温湿度  压差  送风量
  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
      新乡市中心医院是豫西北最大的综合性医院，集医疗、教学、预防、科研、康复等职能为一体。为了更好的服务于病患人员，新乡市医院不断完善医院硬件设施的配备和医疗卫生环境的建设。外科手术楼建设过程中引进TECHCON智能控制系统，旨在对楼内空调、通风、给排水以及动力等系统进行集中管理和监控，以满足医患对于楼内温度、湿度、通风等环境条件的严格要求，减少患者因空气不洁(带菌)而引起感染的几率，缩短治疗周期，提高治愈率。此举将打造一个全新的智能化诊疗空间，全面提升医院的服务水准，并且在提高医院服务水平的基础上尽量节约能源，达到服务和能源双优的效果。
    新乡中心医院楼控系统主要管理19层楼内ICU病房、住院部所有病房、医院办公室以及部分手术室的空气调节。系统在设计时除了洁净空调以外还存在大量的新风机组、送排风机、给排水系统和冷热源以及医用气体系统等机电设备，这些设备既要有独立工作的能力又要有与相关设备进行协调，同时还要将数据传回给上位机以供分析参考。对于此项目楼宇控制系统的设计和调试环节，主要关注3个方面。

  一、系统结构[1]
       针对医院设备众多且非常分散的特征，我方采用Techcon 04 控制系统，下图为系统结构拓扑图：
   
  
  1、管理网  2、服务器  3、通讯适配器  4、工作站
5、主控模块  6、站点连接总线  7、集线器  8、打印机
    Techcon 04系统网络结构分三层结构，最底层为模块连接总线，中间层为站点连接总线，最上层为管理网。其中模块连接总线用来连接主控模块和I/O模块，它的网络拓扑为基于CAN物理层总线结构，通讯速率为57600bps。中间层站点连接总线同样采用CAN物理层，通讯速率为38400bps。
    站点连接总线在物理层上采用CANBUS标准，链路层参照BACnet的定义规则，可以连接64个主控制器，站点通讯速率为38400bps。这种通讯连接方式，特别适合楼宇控制系统，通常一个建筑的通讯网络一个网段就可以解决。每个主控制器通过模块连接总线最多可以管理15个I/O模块，这些模块可以通过连接线缆延伸1200米完成数据的交互不用采用任何附加设备（例如专用底座，专用电源模块等）。在新乡医院采用了新型的CAN集线器解决大型系统的通讯问题，它打破了传统的“一”字型拓扑结构的限制，可以形成星形、树形等复杂的拓扑网络结构。借助CAN集线器，站点连接总线可以实现4层范围内的网段延伸，每个CAN网段的距离最长可达1.2公里，因此，CAN型站点连接总线可以实现5公里范围内的数据通讯。
       通过这种网络拓扑结构，系统在不借助以太网的情况下就可以轻松完成几十平方公里的覆盖工作。在新乡医院直接采用CAN集线器直接将系统划分为2个网段，一条总线直接管理地下室设备，另一条总线管理地上部分的机电设备。通过这种划分使得系统布局变得非常清晰，同时还留有一条总线最为冗余，如果有需要可以随时敷设通讯线缆来减少改造的投资。

  二、模块特点
       在现在主流控制系统中都存在各种各样的I/O模块，但是综合性I/O模块种类却不是很多，在新乡中心医院，采用了Techcon系列多种点位合理的新型模块，具体情况如下表：
      
模块名称 点位分布 功能描述
Techcon 409-AIA-B 10AI 专用模拟输入
Techcon 409-DIA 16DI 专用模拟输出
Techcon 409-DOA 10DO 专用数字输出
Techcon 409-GCA 6DI+4AI+3DO+3AO 适合新风空调机组
Techcon 409-GCB 5DI+6AI+2DO+3AO 适合新风空调机组
Techcon 409-GCD-C 4DI+3AI+2DO+3AO+3TI 适合新风空调机组
Techcon 409-MCA 12DI+4DO 适合控制电机
Techcon 409-MCC 14DI+2DO 适合控制给排水
Techcon 409-VDA 8DO+4AI+4DI 适合控制蝶阀
  
    在点表中我们可以看到1个GCA模块正好可以完整地管理一台新风机组；1个MCA正好可以控制4台水泵或送风机并且对相关的反馈进行监视；1个MCC模块除了控制两台电机以外还可以管理相应的液位；1个VDA模块可以控制4个双DO蝶阀并且无论阀门采用DI反馈还是AI反馈均可以得到很好的监视。在项目中针对系统特点采用对应的专业I/O模块，很大程度上节省了投资费用，并且主要设备采用1到2个模块就可以完成对其设备的控制，并且在布置上有很好的可复制性和参考性。由于系统一个主控模块可以携带15个I/O模块，那么在配制的时候一般只管理10个I/O模块，通过这种手段使得系统形成真正意义上的冗余，如果甲方提出新的要求或者在设计时遗忘的部分，可以非常轻松的弥补而不需要破坏原有系统格局。

  三、特殊的控制工艺[3][4][5]
    新乡中心医院采用的是半集中式空调系统，这种方式对于像新乡医院这种大型医院和手术室同时使用率高的场所非常适合。这种方式是将手术部和住院部空调系统划分为几个区，高级别空调系统由于风量大、使用频率相对较低，采用了单独设置空调机组；低级别系统则由几个房间共用同一空气处理系统，新风集中处理后送到各个系统的空调机组，为了使整个手术部始终处于受控状态，工程中设有值班风机，在非工作状态仅开值班风机维持手术部的压力梯度。这种系统形式可以方便的调解各个房间的温湿度，使得不同压力级别的调解相互不产生影响，又能够比较好的实现整个手术部的压力控制。
    新乡中心医院每层分布一至两台洁净空调机组，洁净空调机组与常规组合式空调机组区别很大涉及的监控设备主要涵盖：回风温度、回风湿度、初效过滤器堵塞报警、新风初效过滤器堵塞报警、中效过滤器堵塞报警、高效过滤器堵塞报警、冷盘管水温调节、热盘管水温调节、蒸汽加湿器控制、新风门开度控制、回风门开度控制、送风机运行状态、送风机手/自动控制状态、送风机前后压差、送风机启/停控制、送风机故障状态、送风机故变频控制信号、手术室温湿度、手术室微正压、回风机运行状态、回风机故障状态、回风机前后压差、回风机启/停控制、回风机手/自动控制状态、防冻开关等设备。
    对于ICU和手术室以及病房的环境控制方案，作者在设计时进行了比较充分的考虑，采用的生物洁净技术该变了过去直接杀灭室内的病源微生物的思路，注重消除或控制危及无菌空间的影响因素，形成一整套技术措施，主要体现在以下几个方面：
1、  正确的温湿度控制[3]
    在多数规范中只给出了温湿度的范围，温度22℃~25℃和相对湿度30%~60%，作者在设计和调试的时候也是根据此值进行的调整，但是在试运行期间和运行的服务期间发现有很多的设定值需要调整，绝不可一概而论。
    在和院方的交流中了解到合适的空调对于治疗和调养有促进作用，甚至在一些场合是重要的治疗方法，然而不同的患者对于空调的要求往往差异很大，例如甲亢患者无法忍受高温和潮湿；慢性肺病患者由于分泌物堆积且黏度增大，需要吸入热、湿空气来有效的防治脱水；烧伤的病人需要有较高的环境要求，房间温度一般调节至32℃和相对湿度95%；心脑血管患者在凉爽、干燥的房间可以得到很好的治疗。
       由于各种病房对于温度要求区别较大，并且病人对环境的要求也不一样。在对病房控制的时候，作者根据实际使用情况对空调进行了分区，在使用功能相近的区域采用闭环控制算法，满足区域内基本需要的病人，对有特殊需要的病人，利用室内的加热或局部加湿等手段满足患者的需要。
2、  空气过滤[6]
       工程中采用了3级空气过滤，根据国家标准GB/T14295-93，空气过滤器一共分为五个级别，在此项目中采用了初效、中效和高效过滤器，但是在实际使用过程中，工程中的高效过滤器的效果基本相当于国标中的高中效过滤器，下表为工程中采用的3效过滤器的性能：
过滤器分类 性能指标
有效粒径（μm） 额定风量下的效率E（%） 额定风量下的阻力（Pa）
粗效 ≥5.0 80〉E≥20 ≤50
中效 ≥1.0 70〉E≥20 ≤80
高中效 ≥15.0 99〉E≥20 ≤100
  
       由于细菌不能够独立存活，必须依附在较大的浮游颗粒上，通过过滤这些栽有微生物的粒子进行过滤后就可以达到除去细菌的目的。过滤器过滤空气就是除去这些细菌最为经济和有效的方法。
3、  送风量
    按照国际相关标准规定的送风量范围大致为允许回风的手术室送风量为20~25次/h。这一标核准相当于国标GB50333-2002《医院洁净手术不建筑技术规范》中Ⅲ级洁净手术室。在现在提出的一般手术室概念，从净化原理讲对于末端过滤器为高中效过滤器的手术室来说，加大送风量无益于改善室内状况。作者考虑带全新风设定最小换气次数为6次/h，在此项目中，应当根据室内负荷来确定送风量，但是送风量一般要不得低于6次/h换气，一般控制在6~8次/h。这个水平相当于国外创伤手术室的送风换气要求。在对空调进行控制时采用焓值控制来确定所允许的最小送风量，具体计算方法举例如下：室内状态点N，干球温度tN=25.5℃，相对湿度φ=50%，iN=51.9kJ/kg；室外状态点W，干球温度tW=33℃，湿球温度tWS=27.9℃，iW=89.7kJ/kg；新风比0.252，送回风在处理前混合至C点，tC=27.1℃，iC=59.5kJ/kg。由夏季热湿比ε=12000，由N点沿热湿比线交φ=95%相对湿度于S点露点送风，tS=12.5℃，得N点与S点焓差Δi=iN-iS=51.9-33.4=18.5kJ/kg，而根据夏季冷负荷和总送风量得需要焓差Δi’=Q/G=18.5kJ/kg，所以预设定的换气次数太少。通过反算出G=Q/Δi=896m3/h，换气次数在6.7次/小时（新风比0.252）适合露点送风，这样就可以取得最小的风量。
4、  正压
   在新乡医院手术室控制中为了维持其无菌状态考虑了正压问题。通过安装在手术室内的微正压传感器来影响房间正压控制，甚至要维持手术室内洁净级别不同的区域之间维持合理的气流流向和有序的压力分布，以避免室外对室内，低级别对高级别环境的影响。只有保证在任何情况下（特别是在非设计工况或在非正常运行的工况下），都能够维持洁净手术部内这种有序的梯度压力分布不变，才能真正有效的减少手术区交叉感染的风险。美国CDC (Centers forDisease Control and Prevention)和HICPAC(theHealthcare Infection Control Practices AdvisoryCommittee)于2003年发布的标准建议将负压隔离病房的负压值设定为2.5 Pa(0.01 in H2O)[7],
到目前为止，关于负压隔离病房的负压值,我国相关设计规范中尚无明确规定，国标《传染病医院建筑设计规范》（讨论稿）也没有明确标出具体的负压值。
   在调试过程中，正压具体作用体现在三个方面：首先在门窗关闭的情况下，防止洁净室外的污染由缝隙渗入洁净室内；其次在门开启的瞬间保证有足够的气流向外流动，减少门开启或人进入的瞬间带来的干扰气流，但不保证在门长时间开启的状态下的正压；最后保证洁净区域内合理、有序的气流流向与流量。在新乡医院中，作者在试运行和运行中，将负压隔离病房病室与缓冲间的最小静压差设定为8Pa，病室与卫生间的最小静压差设定为4Pa，缓冲间与医务人员工作走廊及半污染区与清洁区之间的最小静压差设定为4Pa达到了比较好的效果，同时也得到了院方的认可。
工程设计、调试体会
   由新乡中心医院引申到医院类楼控系统首先顾及的还是通讯问题。在利用良好的总线拓扑完成系统搭建后，整个工程的重点就是医院所面临的特殊需求，室内环境对病人的康复有良好的辅助作用，同时能有效的回避交叉感染。在国家规范中，只规定了清洁区送风量大于排风量，清洁区为正压，污染区排风量大于送风量，为负压，并要求负压房间排风量最小应比送风量大10%(风量差应不小于85 m3/h)。规范中并没有规定各区域需保持正负压的值，而且也没有对建筑的围护结构、门窗的密封程度做出具体要求。在具体的设计和调试方案确立时，没有微压差设定值依据，，只能在实践调试和试运行中进行调整，对于实际的调试效果也很难得到检验，只能通过理论推算。同时在施工和运行过程中只靠送排风风量差而不对房间的气密性做出具体要求时，很难保证压力梯度的实现。

参考文献
[1] Techcon System User Guide
[2] Techcon 409 IO module User Guide
[3] ASHRAE handbook, HVAC Application Chapter 7 healthcare facilities, 1999
[4] 陈尹，手术室净化空调工程设计探讨，空调暖通技术，2001（1）.1-4
[5] Brian Wisemen，P.E. room pressure for critical environment ASHRAE Journal February 2003 vol.109,34-39
[6] 邱济夫. 抗菌过滤器评价方法的研究：[硕士学位论文]. 上海：同济大学，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