Особенности проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха для объектов здравоохранения

А. П. Иньков, канд. техн. наук, ООО «ЭКОТЕРМ»

 

Системы вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха (ВОК) должны обеспечивать оптимальные условия микроклимата и воздушной среды помещений больницы, родильного дома или другого стационара. При проектировании, строительстве (реконструкции) и эксплуатации систем ВОК следует пользоваться основными положениями действующих специальных нормативных документов [1–6], а также ряда других документов, утвержденных Минздравом России. При этом системы ВОК для лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ) в соответствии с российскими нормами имеют ряд особенностей по сравнению с другими общественными зданиями и сооружениями. Ниже перечислены некоторые из них.

1. В зданиях ЛПУ не допускается применение вертикальных коллекторов как для приточных, так и для вытяжных систем.

2. Удаление воздуха из операционных, наркозных, реанимационных, родовых и рентген кабинетов осуществляется из двух зон (верхней и нижней).

3. Относительная влажность и температура операционных блоков поддерживается постоянно и круглосуточно.

4. В палатах больниц относительная влажность воздуха нормируется только для зимнего периода.

5. В зданиях ЛПУ в системах ВОК не допускается рециркуляция воздуха.

6. Температура теплоносителя для систем водяного отопления должна соответствовать назначению здания.

7. Уровень звукового давления от систем вентиляции в палатах и операционных больниц не должен превышать 35 дБА.

С учетом вышесказанного видно, что выполнить качественный проект системы ВОК под силу только специализированным проектным организациям, имеющим библиотеку нормативных документов и определенный опыт практической работы.

Ниже подробнее рассмотрим наиболее сложный вопрос с проектированием систем ВОК для операционных, послеоперационных палат, реанимационных залов, палат интенсивной терапии, родовых боксов, наркозных и других помещений, отнесенных по нормам [4] к категории по чистоте «ОЧ». В этих помещениях вентиляция и кондиционирование воздуха являются обязательными, и при этом кратность воздухообмена определяется по расчету из условий ассимиляции тепловыделений, но не менее десятикратного обмена

(см. табл. 1 по нормам [4, 6]).

Таблица 1 (подробнее) Расчетные температуры, кратности воздухообменов, категории по чистоте помещений в лечебных учреждениях [4]

Следует сразу отметить, что принятая в работе [4] классификация помещений по степени чистоты воздуха устарела и требует переработки в соответствии с действующими в настоящее время нормативными документами [8, 13].

Новый стандарт [13] принят и введен в России 18 мая 2000 года и гармонизирован с международным стандартом ISO 14644-1-99. В настоящей статье будут использоваться термины и определения этого стандарта, в котором классы чистоты ограничены пределами от класса 1 ISO (высший класс) до класса 9 ISO (низший класс).

Известно, что длительное нахождение больных в обычных хирургических и терапевтических стационарах опасно для них [10, 12]. Через некоторое время нахождения в больнице они становятся бациллоносителями так называемых госпитальных штаммов и переносчиками возбудителей различных инфекций. Это относится и к персоналу медицинских учреждений. Такие методы профилактики и лечения инфекций, как антибиотики, иммунные и гормональные препараты, влажная уборка помещений с антисептическими растворами, ультрафиолетовое облучение и прочее не дают должного эффекта.

Чистое помещение по сравнению с этими методами имеет принципиальное отличие. Оно направлено не на борьбу и уничтожение уже имеющихся микроорганизмов в помещении. Оно не допускает их туда, а микроорганизмы, исходящие от больных или медицинского персонала, немедленно удаляются из помещения потоком воздуха. Цель чистых операционных – снизить рост микробных загрязнений, в первую очередь в зоне операционного и инструментального столов.

По современной классификации операционные залы можно отнести к чистым помещениям (ЧП) класса 5 ISO и выше. Класс чистого помещения характеризуется классификационным числом, определяющим максимально допустимую счетную концентрацию аэрозольных частиц определенного размера в одном кубическом метре воздуха. Под частицей понимается твердый, жидкий или многофазный объект с размером от 0,05 до 100 мкм. При классификации ЧП рассматриваются неживые частицы с размером от 0,1 до 5 мкм. Чистое помещение может содержать одну или несколько чистых зон (чистая зона может быть открытой или отгороженной) и находиться как внутри, так и вне чистого помещения.

В соответствии со стандартом [13] чистое помещение – это помещение, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц и которое построено и используется так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц внутри помещения, и в котором, по мере необходимости, контролируются другие параметры, например, температура, влажность и давление.

В соответствии со стандартом [13] следует различать три временные фазы создания и существования чистого помещения:

1. Построенное (as-built): состояние, в котором система чистых помещений завершена, все обслуживающие системы подключены, но отсутствует производственное оборудование, материалы и персонал.

2. Оснащенное (at-rest): состояние, в котором система чистых помещений укомплектована оборудованием и отлажена в соответствии с соглашением между заказчиком и исполнителем, но персонал отсутствует.

3. Эксплуатационное (operational): состояние, в котором система чистых помещений функционирует установленным образом, с установленной численностью персонала, работающего в соответствии с документацией.

Это вышеприведенное разделение имеет принципиальное значение при проектировании, строительстве, аттестации и эксплуатации чистых помещений. Чистота воздуха по частицам в чистом помещении или чистой зоне должна быть определена по одному (или более) из трех состояний чистых помещений. При проектировании и строительстве медицинских учреждений нас более всего будет интересовать последнее, эксплуатационное состояние ЧП.

Окружающий нас воздух содержит большое количество как живых, так и неживых частиц, отличающихся по своей природе и размерам. В стандарте [13] при определении класса чистоты воздуха в чистом помещении учитывается концентрация неживых аэрозольных частиц размером от 0,1 до 5,0 мкм. При оценке же класса чистоты воздуха операционных залов важным критерием является количество в нем живых микроорганизмов, поэтому этот вопрос необходимо рассмотреть более детально.

В работе [10] проанализированы основные источники микрозагрязнений воздуха. Приведены зарубежные статистические данные, показывающие, что на 1 000 взвешенных аэрозольных частиц приходится примерно один микроорганизм. Говорится, что в виду множественности факторов, влияющих на микробную загрязненность, эти данные носят приближенный, вероятностный характер. Но тем не менее они дают представление о связи между числом неживых частиц и числом микроорганизмов в воздухе.

Таблица 2 (подробнее) Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам для чистых помещений и чистых зон [8, 13]

Для оценки требуемого класса чистоты воздуха в операционных залах в зависимости от объемной концентрации в нем микроорганизмов можно использовать данные сводной табл. 2 стандартов [8, 13].

Чистые помещения класса 5 в табл. 2 разделены на два подкласса:

- Подкласс А – с предельно допустимым количеством микроорганизмов не более 1 (достигается в однонаправленном потоке воздуха).

- Подкласс В – с предельно допустимым количеством микроорганизмов не более 5.

В чистых помещениях более высокого класса (классов от 4 до 1) микроорганизмов не должно быть вообще.

Для того чтобы перейти к рассмотрению практических вопросов, наиболее интересующих проектировщиков систем ОВК, еще раз рассмотрим некоторые требования, предъявляемые нормативными документами к системам вентиляции и кондиционирования ЧП. Попутно отметим, что помимо требований к системам ВК проектировщики должны также знать и выполнять весь перечень других обязательных требований к ЧП [8, 12]: требования к планировочным решениям, требования к конструкции и материалам ЧП, требования к оборудованию ЧП, требования к инженерным системам, требования к медицинскому персоналу и технологической одежде и т. д. В силу ограниченного объема настоящей статьи эти вопросы здесь не рассматриваются.

Ниже приведен перечень лишь только некоторых основных требований [8] к системам вентиляции и кондиционирования ЧП.

1. Система подачи воздуха в ЧП от 1 до 6 класса, как правило, должна обеспечивать организацию воздухообмена вертикальным однонаправленным потоком. Для класса 6 возможно использование неоднонаправленного воздушного потока. В стандарте [8] приводится определение: однонаправленный поток воздуха – поток воздуха с параллельными, как правило, струями (линиями тока), проходящими в одном направлении с одинаковой в поперечном сечении скоростью. Термины «ламинарный» и «турбулентный» поток для характеристики потоков воздуха в ЧП применять не рекомендуется.

2. Покрытия воздуховодов и их конструкции, находящиеся в чистых комнатах, а также покрытия фильтровальных камер и их конструкции должны допускать периодическую обработку дезинфицирующими растворами. Это требование обязательно для ЧП с контролируемым микробным загрязнением.

3. Системы вентиляции и кондиционирования воздуха должны иметь автоматическое регулирование температуры и влажности, блокировку, дистанционное управление, сигнализацию.

4. В ЧП с однонаправленным вертикальным потоком количество отверстий, отводящих воздушные потоки из ЧП, выбирается в соответствии с необходимостью обеспечить вертикальность воздушных потоков.

К перечню вышеприведенных требований для систем ВК операционных также следует добавить:

- Требование применения многоступенчатой фильтрации подведенного снаружи воздуха (не менее 3-х ступеней) и использование в качестве конечных фильтров высокой эффективности классом не менее H12 [7].

- Требование обеспечения необходимой скорости однонаправленного потока 0,2–0,45 м/с на выходе из потолочного сетчатого воздухораспределительного устройства.

- Требование наличия положительного перепада давления в операционной и окружающих помещениях в диапазоне 5–20 Па.

Новое строительство и реконструкция операционных залов больниц с выполнением всех требований, характерных для чистых помещений класса 5 и выше, является весьма дорогостоящим. Цена только ограждающих конструкций одной операционной с «ламинарным» потоком составляет от нескольких десятков тысяч долларов США и выше плюс стоимость системы центрального кондиционера. Если за рубежом разработаны и действуют стандарты на чистоту воздуха в различных помещениях больниц (в Германии и Голландии вместе взятых число действующих чистых операционных более 800), то в нашей стране вопрос о задании требований к оснащению операционной всеми системами часто решается на уровне главного врача больницы и его заместителей, которые порой просто незнакомы с нормативными требованиями к чистым помещениям, и их выбор определяется прежде всего финансовыми возможностями, особенно в бюджетных организациях.

Рассмотрев комплекс общих требований к системам вентиляции и кондиционирования ЧП, можно сделать вывод, что правильная организация потоков воздуха (однонаправленный, неоднонаправленный) является одним из важнейших условий обеспечения требуемой чистоты воздуха и безопасности больного. Воздушный поток должен уносить из чистой зоны все частицы, выделяемые людьми, оборудованием и материалами.

Рисунок 1. Схемы подачи чистого воздуха в операционную зону: а) – приток воздуха через наклонную решетку; б) – приток воздуха через радиальные потолочные диффузоры; в) – перфорированная листовая потолочная панель с вертикальным потоком воздуха; г) – однонаправленный вертикальный поток воздуха через сетчатый потолочный воздухораспределитель; д) – подача воздуха из кольцевого шланга

На рис. 1 представлены наиболее распространенные схемы подачи воздуха в операционную и выполнен их сравнительный анализ по показателю бактериального загрязнения [16]. Схема 1г обеспечивает однонаправленный вертикальный поток воздуха, остальные схемы – неоднонаправленный поток воздуха.

На качество однонаправленного потока воздуха большое влияние оказывает конструкция распределителя, через который воздух проходит непосредственно в чистое помещение. Этот распределитель располагается непосредственно между НЕРА фильтрами и ЧП. Он может выполняться в виде решетки либо в виде одинарной или двойной сетки из металла или синтетического материала. Важное значение имеет размер отверстия и расстояние между отверстиями, через которые проходит воздух. Чем больше это расстояние, тем хуже качество потока (рис. 2).

Рисунок 2. Поток воздуха при различных распределителях: Перфорированный лист (1:1) (слева) Сетчатый распределитель (CG) воздуха (50:1) (справа)

Если в помещениях с однонаправленным потоком воздуха воздухораспределитель занимает всю площадь потолка над операционной зоной, то в помещениях более низкого класса чистоты с неоднонаправленным потоком воздуха приточные диффузоры занимают лишь часть потолка, иногда совсем небольшую. Вытяжные решетки также могут располагаться различным образом (схемы 1а, 1б, 1в, 1д). В этом случае лишь только методы численного математического моделирования позволяют учесть все многообразие влияющих факторов на картину потоков воздуха и оценить, как влияет положение фильтров, оборудования, источников тепловыделений (ламп и т. д.) на потоки воздуха и класс чистоты в различных зонах операционной.

Различные виды исполнения потолочных диффузоров с фильтром для чистых помещений производства фирмы GEA представлены на рис. 3.

Рисунок 3. (увеличить) Различные виды исполнения потолочных диффузоров с фильтром для чистых помещений производства фирмы GEA

Такие диффузоры оснащены герметичными клапанами, позволяющими изолировать воздушный фильтр от остальной системы кондиционирования. Это позволяет осуществить замену воздушного фильтра без выключения кондиционера. Герметичность установки воздушного фильтра в ячейке диффузора можно контролировать при помощи датчика герметичности. Также встроены датчики для измерения перепада давления на фильтре.

Основные результаты сравнительного анализа различных способов подачи чистого воздуха в операционные согласно работе [16] представлены на рис. 4.

Рисунок 4. Показатели микробного загрязнения при различных способах подачи чистого воздуха в операционную

На рисунке приведены результаты измерений для различных потоков, а также две граничные кривые, которые не должны превышаться для операционных помещений типа А (особенно высокие требования согласно DIN 1946, часть 4, редакция 1998 г.) или типа В (высокие требования).

С помощью показателя микробного загрязнения при известном объемном расходе воздуха можно рассчитать микробную загрязненность (КОЕ/м³)*: К=n•Q•m_s/V,

где:

К – образующие колонии единицы на 1 м³ воздуха;

Q – исходная интенсивность источников микробов;

m_s – показатель микробного загрязнения;

V – объемный расход воздуха;

n – количество персонала в операционной.

В работе [16] делаются следующие выводы. Отдельные диффузоры или перфорированные потолки обеспечивают подачу чистого воздуха и его перемешивание с загрязненным воздухом (метод разбавления). Показатели микробного загрязнения в лучшем случае составляют около 0,5. При однонаправленном «ламинарном» потоке воздуха достигается показатель микробного загрязнения 0,1 и менее.

Как было сказано выше, при радиальных выходных диффузорах на потолке в помещении создается смешанный поток. Такой выход при объемном расходе 2 400 м³/ч отвечает стандартным требованиям класса В, и расход 2 400 м³/ч может быть принят как минимально допустимый расход чистого воздуха, подаваемый в операционную зону (такой расход принят в качестве эталонного объемного расхода в стандарте DIN 4799, разработанном для оценки и сравнения потолков различного типа).

На сегодняшний день сетчатые воздухораспределительные устройства потолочного типа для создания однонаправленного потока воздуха для операционных помещений производится рядом фирм, например, ROX LUFTTECHIK GmbH, АDMECO AG, GEA и др.

Рисунок 5. (увеличить) Конструктивная схема подвесного воздухораспределительного устройства для операционных помещений

На рис. 5 представлена типичная конструктивная схема такого воздухораспределительного устройства.

На практике наиболее распространенный размер таких устройств (потолков) от 1,8х2,4 м² до 3,2х3,2 м², причем за рубежом наиболее распространен последний размер. Например, для «ламинарного» потолка 1,8х2,4 м² необходимый расход воздуха составит 3100 м³/ч (при скорости выхода воздуха из устройства 0,2 м/с). Из практики проектирования нашим проектным отделом нескольких операционных в Московском центральном институте травматологии и ортопедии (ЦИТО) можно заключить, что такой расход соответствует 25-кратному обмену воздуха в помещении площадью 30–40 м² и всегда превышает расчетный расход, необходимый для ассимиляции теплоизбытков, характерных для типичного набора персонала и оборудования для данных помещений.

Наши данные хорошо согласуются с данными работы [12], где приводится величина тепловыделений 1,5–2,0 кВт, типичная для операционных залов, а также расчетная величина подачи чистого воздуха 2000–2500 м³/ч (17–20 кратностей в час). При этом температура приточного воздуха должна отличаться от температуры операционной зоны не более чем на 5 градусов.

Чем больше размер «ламинарного» потолка в указанном выше диапазоне, тем выше степень безопасности пациента, однако при этом существенно возрастают капитальные и эксплуатационные затраты. За рубежом широко применяется разумный компромисс – введение системы рециркуляции воздуха в операционном зале через высокоэффективные фильтры НЕРА, встроенные в «ламинарный» потолок. Это позволяет увеличить размер «ламинарного» потолка до 3,2х3,2 м² при сохранении невысоких капитальных и эксплуатационных затрат на центральный кондиционер.

Например, фирмой KLIMED (Германия) проектируются операционные, где при подаче наружного воздуха кондиционером 1200–2000 м³/ч расход циркуляционного потока в операционной составляет до 8000 м³/ч, при этом существенно снижаются затраты на энергоснабжение. Увеличение размеров «ламинарного» потолка до 3,2х3,2 м² позволяет включить в стерильную зону не только пациента, но и стол для инструмента и рабочий персонал, особенно если применить еще и специальные ограждающие пластиковые фартуки (рис. 6).

Рисунок 6. (увеличить) Схема подачи однонаправленного «ламинарного» потока воздуха с фартуками высотой от пола 2100 мм. Такое оборудование стандартно поставляется фирмой ADMECO AG и установлено более чем в 400 операционных

Еще одно преимущество системы использования циркуляции воздуха в операционной, предлагаемое фирмой KLIMED, (что позволено в соответствии с частью 4 стандарта DIN 1946) – это возможность в ночное время, когда оборудование операционной не используется, отключать кондиционер на поступление наружного воздуха полностью или частично, используя только оборудование (вентилятор) внутренней системы циркуляции чистого воздуха, затрачивая при этом примерно 400 Вт мощности.

Говоря об энергосбережении в системах ВОК для операционных помещений в больницах, следует отметить работу проф. О. Я. Кокорина [11]. В этой работе также предлагается использовать циркуляционный смесительно-очистительный приточный агрегат, но эта схема проанализирована только для варианта подачи неоднородного потока чистого воздуха в операционной по схеме, представленной на рис. 1а.

При энергетической привлекательности предлагаемой схемы у проектировщиков при ее реализации могут возникнуть проблемы с необходимостью размещения смесительно-очистительного агрегата производительностью 2 400 м³/ч в помещениях рядом с операционной, а также проблемы с разводкой воздуховодов приточной и вытяжной систем, т. к. используется моноблочный приточно-вытяжной агрегат.

* Термин КОЕ означает «колониеобразующие единицы» (по англ. CFU – Colony Forming Units) и является более точной характеристикой микробной загрязненности. Техника чистых помещений позволяет обеспечить уровень микробной загрязненности менее 10 КОЕ/м³. Имеются данные, что снижение микробной загрязненности воздуха в зоне операционного стола в 10 раз снижает риск инфекции на 2%.
Пример:
Q=30000 микробов на каждого человека в час (допущение). Для 8 человек в операционной при показателе µ_s=0,1 и объемном потоке 2400 м³/ч К=8х30000х0,1/2400=10 КОЕ/м³.

Литература

1. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

М.: Минстрой России, 1994.

2. Московские городские строительные нормы МГСН 4.12-97. Лечебно-профилактические учреждения. М., 1997.

3. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 1999.

4. СНиП 2.08.02-89. Общественные здания и сооружения. М.: Госстрой СССР, 1991.

5. Пособие по проектированию учреждений здравоохранения (к СНиП 2.08.02-89). М.: Минздрав СССР,

ГипроНИИздрав, 1989.

6. СанПиН 5179-90. Санитарные правила устройства, оборудования и эксплуатации больниц, родильных домов и других лечебных стационаров.

М.: Минздрав СССР, 1990.

7. ГОСТ Р51251-99. Фильтры очистки воздуха. Классификация. Маркировка.

М.: Госстандарт России, 1999.

8. ГОСТ Р 50766-95. Помещения чистые. Классификация. Методы аттестации. Основные требования. М.: Госстандарт России, 1995.

9. РД 64-125-91. Правила организации производства и контроля качества лекарственных средств (GMР). М.: Минмедпром СССР, 1991.

10. Чистые помещения/Под ред. А. Е. Федотова. М.: АСИНКОМ, 1998. 320 с.

11. Кокорин О. Я. Энергосберегающие технологии функционирования систем вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха (систем ВОК). М.: Проспект, 1999. 208 с.

12. Стефанчук В. И., Борисоглебская А. П. Концепция «чистого» помещения // Мир климата. 2001. № 9. С. 28–29.

13. ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000. Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Ч 1. Классификация чистоты воздуха. Госстандарт России, 2000. С. 19.

14. Журнал «АВОК». 2002. № 1. С. 22–23.

15. Журнал «Технология чистоты».

АСИНКОМ, 2001. № 1. С. 14–16.

16. Taschenbuch fur Heizung und Klimatechnik. Prof. Dr-Ing.

E.-R. Schrmek.

Тел. (095) 482-2658