传染病隔离原理.docx
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传染病隔离原理
《隔离病房隔离效果的研究》课题论文之一
关于隔离病房原理的探讨
1、一个不完全的认识
一种很普遍的看法是，隔离病房，也包括隔离洁净室、生物安全实验室，其隔离原理主要是负压梯度（负压差）的作用，负压，一直都被认为是隔离病房（或传染性隔离病房）防止空气传染的一个关键措施。
正压可以防止外界污染入侵，负压可以防止内部污染外泄，被看作唯一的手段，我们虽然也注意到了开关门和人进出的瞬时影响以及压差的抵消作用（），但还未作深入剖折。
美国采暖通风空气调节工程师学会（ASHRAE）手册也把正、负压看作可抵制其他因素的手段：
“由于开门、工作人员和病人活动、温差以及被垂直开口如医院里常见的直管、电梯井、楼梯道和机械竖井所加剧的烟囟效应，常使房间之间不合理的气流难于控制。
当其中一些因素超出实际控制范围时，------通过设计调整某些房间或区域内的正、负压，可把这些因素的影响减小到最低程度”（指、31）。
不完全的认识在于：
不了解污染的入侵或外泄，压力不是唯一的因素，而某些因素例如温差的作用是不可能被压差削弱或抵消的，因此，压差不是唯一的防止污染入侵或外泄的手段。
所以，隔离病房也包括隔离式洁净室、生物安全实验室的隔离原理不应仅仅是负压差的作用。
单纯追求大压差和门的严密性是没有必要的，甚至是一个误区。
2、压差的作用
通过房间送、排风量的差别建立起来的压差，只有在房间一切开口关闭的情况下才表现出来。
在开门的瞬间，压差即消失，静压转化为通过开口的气流流速的动能，而气流的大小并不取决于原来压差的大小。
在门关闭情况下，压差即是气流通过门缝等缝隙的阻力（）。
门缝流速和压差的关系是：
m/s
（1）
式中
——压差，pa；
——空气密度，常温下取1.2kg/m3;
——流速系数。
流体力学等书籍已证明，对于近似薄壁的缝隙、孔洞，
的上限为0.82（），而缝的情况差别较大，阻力不同，
可以很小，而对于门洞之类阻力很小的场合，
可达到0.98。
室内由于人的走动和通风引起的气流速度，一般不会超过0.5m/s，所以门缝气流速度达到0.5m/s，一般就可以阻止经过缝的外泄或渗入。
因此在门缝阻力最小情况下得出：
也就是只需0.22Pa的压差，在门关闭情况下，使缝隙具有0.5m/s的压出或吸入速度，足以防止渗入或外泄气流了。
我们在1998年指出，压差只要1Pa，门缝气流速度就达到1m/s了，因此，压差的大小，并非和控制缝隙渗透有重要的关系，一味追求大压差是没有必要的。
最近发现，关于这一点，美国CDC在1994年的指南（）中也得出过这样的结果，指出“用以实现并维持负压，使气流吸入房间所必需的最小压差非常小，为0.001英寸水柱”（按为0.25Pa），此时通过缝隙向内吸入的“最低风速为100ft/min”（按为0.51m/s）。
上述
=0.82是理想的缝隙情况，实际上缝隙的阻力要大得多。
表1是实测的门缝透风速度，当然，测定有一定困难，因此存在误差，但却不妨碍看到理论公式的可信程度。
表1实测门缝气流速度
序号
地点
门缝宽mm
内外压差Pa
缝隙平均风速m/s
=0.82的理论缝隙风速m/s
实际流速系数
’
测定者和时间
1
郴洲人民医院1#手术室
20
+22
3.22
4.97
0.53
李书云等，2004
2
郴洲人民医院6#手术室
20
+10
0.7
3.34
0.172
李书云等，2004
3
内蒙古生药厂无菌室1
8
+7
1.22
2.8
0.36
李书云等，2004
4
内蒙古生药厂细菌室
5
-7
0.78
2.8
0.23
李书云等，2004
5
内蒙古生药厂无菌室3
8
+1
0.26
1.06
0.25
李书云等，2004
平均流速系数
0.31
6
内蒙古生药厂化学分析室
5
0
0.18
0
（0.31）
李书云等，2004
表中前5例平均
=0.31，而将此值和第6例的速度代入
（1）式得出
则第6例实际
Pa
此值比压差计分辨率的一半即0.5Pa还小一半多，是测不出的，表1中压差读出“0”也就很自然了，即0pa不代表真实压差。
所以，从表1可见，实际上
可在0.2~0.5之间选用。
若按0.3计，则当
时，
Pa，也就是说，实际上由理论计算的和美国CDC给出的压力级差0.22~0.25Pa是不切实际的，不安全的，考虑到压差的波动和调控的可能，每级压差太小是不利的，也可能是行不通的，我们的实践表明，风量变化不足10m3/h（相当于总风量的0.2％左右）越，压差即变化1Pa,不得不拆去门上的密封条。
所以实际上的压力级差，以不低于5Pa为宜,理论最小压差可定为2Pa。
3、影响污染外（或内）泄的其他因素
在关门状态下，房间压差是影响平面内污染外（或内）泄的唯一因素的结论是成立的，并且2Pa的压差就足以防止这一情况的发生，不存在其他影响因素。
但是在开门状态下，开门的动作，人的行走和温差则成为影响平面内房间污染外（或内）泄的重要因素，这里不计烟囱效应在垂直方向上对房间的影响。
美国ASHRAE手册也指出，打开两个区域之间的门或者封闭的开口，会使两个区域之间原有的压差瞬时即降低到零,并由于两个区域间的温差而导致对流，“于是就发生了空气的自然交换”（）。
所以美国CDC指南肯定“至关重要的问题是隔离病房和其他区域的门窗应完全保持关闭状态（人进出除外）”。
CDC仅注意到这一点而未能进一步探讨温差乃是压差所不能阻挡的、引起污染外（或内）泄的重要因素，防止污染外（或内）泄的措施应围绕这一因素展开。
4、温差的影响
负压隔离病房的污染在关门状态下，已如前述是不可能外泄的，但门总是要经常开关的，就在这一开一关之间，污染就因温差的作用而内外交换了。
下面对温差、压差分6种情况汇集了不同测定者的测定结果，用图1~图15表示。
图1广州瑞泰动物药业有限公司某室门口气流
（△t=0,△P=+18Pa,2004年1月展素萍等测定）
注:
门半开时上部外流更强。
图2辽宁益康生物药业有限公司缓冲室门口气流
（△t=0,△P=-10Pa,2004年5月徐喆等测定）
图3广州瑞泰动物药业有限公司某室门口气流
（△t=0,△P=-11Pa,2004年1月展素萍等测定）
注:
地面处气流向内抖动，有时反向，可能是送风口速度过大
冲地引起。
图4辽宁益康生物药业有限公司无菌室门口气流
（△t=0,△P=-12Pa,2004年5月徐喆等测定）
图5广州瑞泰动物药业有限公司某室门口气流
（△t=0,△P=-50Pa,2004年1月展素萍等测定）
图6江西科达动物药业有限公司冷却暂存间门口气流
（△t=+0.1℃,△P=+40Pa,2004年6月展素萍等测定）
注:
由于门外紧靠外室回风口，受其影响明显，所以下部向外气
流速度远大于上部向外气流速度。
图7合肥安特威生物药厂女二更门口气流
（△t=+0.4℃,△P＞0Pa（未记）,2004年1月展素萍等测定）
注:
门下未见因温度引起的明显内向气流，似有似无。
图8郴洲人民医院6＃洁净手术室门口气流
（△t=+0.5℃,△P=+10Pa,2004年9月李书云等测定）
注:
可能温度记反了。
图9空调所多功能洁净实验室门口气流
（△t＞0℃,内室未记，△P=+10Pa,2004年12月关文凡等测定）
图10郑州当代药业有限公司正压室门口气流
（△t=+1.3℃,△P＞0Pa（未记）,2004年2月李书云等测定）
图11镇江威特药业有限公司一更门口气流
（△t=-0.1℃,△P=+25Pa,2004年5月牛维乐等测定）
图12郴洲人民医院1＃洁净手术室门口气流
（△t=-0.3℃,△P=+22Pa,2004年9月李书云等测定）
图13合肥安特威生物药厂配液室门口气流
（△t=-1.3℃,△P=+60Pa,2004年1月展素萍等测定）
图14上虞国邦兽药厂缓冲室门口气流
（△t=-2.9℃,△P=+15Pa,2004年6月牛维乐等测定）
图15郑州当代药业有限公司孵化室门口气流
（△t=+4.1℃,△P＜0Pa（未记）,2004年2月李书云等测定）
将以上各图结果归纳在表2中，
和
均以开门的内面为参考房间。
表2温差对门（全开）口气流交换的影响
组别
序号
℃
对流气流
Pa
压差气流
实际气流流动状况
注
Ⅰ
0
>0
1
0
无
+18
向外
全向外
Ⅱ
0
<0
2
3
4
5
0
0
0
0
无
-10
-11
-12
-50
向内
全向内
贴地面处气流有时抖动反向，疑为送风冲地面影响
Ⅲ
>0
>0
6
+0.1
+40
全向外
下部气流受门外回风口影响，吸向门外坻消了向内气流，故未见向内气流
7
+0.4
>0（未记）
门下向内气流似有似无，因+
略大于前例，而略强于前者
8
+0.5
上部向外，下部向内
+10
向外
上部向内，中部旋转，下部向外
可能温度记反了
9
>0（未记）
+10
地面向内，其余全向外
门半开
10
+1.3
>0（未记）
下部向内，其他全向外
由于
可能大于前例，交换应强，故向内气流略多于前者
Ⅳ
>0
<0
11
+4.1
上部向外，下部向内
<0（未记）
向内
上部向外，其余向内
由于
大，气流也无过渡区
续表2温差对门（全开）口气流交换的影响
组别
序号
℃
对流气流
Pa
压差气流
实际气流流动状况
注
Ⅴ
<0
>0
12
-0.1
+25
上部向内，其余向外
13
-0.3
+22
上部向内，中部向内减弱或打旋，外部向外
下部对流气流与压差气流风向，使气流得到加强
14
-1.3
上部向内，下部向外
+60
向外
上部向内，中部平或略外斜，下部向外
15
-2.9
+15
上部向内，其余向外
由于一
远大于13例，故无中部过渡区，且加强的下部速度更大
Ⅵ
<0
<0
16
上部向外，下部向内
向内
未有实例
从表2中可以看出有以下规律：
1内外无温差时，气流方向完全服从压差的方向，压差为十，即向外；为一，即向内。
2内外有温差时，气流方向主要服从于温差对流方向。
内外温差为十时，即使小到0.1℃,气流方向上部向外，下部向内，只是温差小，对流气流范围也小。
内外温差为-时，即使小到0.1℃，气流方向上部向内，下部向外，温差小，对流范围也小。
3压差小可出现气流过渡状态：
平直或内、外倾斜，或打转。
4受多种因素影响，门中部气流可为过渡状态。
5当决定于温差的气流方向与决定于压差的气流方向同向时，气流流动得到加强。
6如果送风口或回风口离门近或送风速度大而直冲地面，都比压差更能影响温差对流。
5、温差对流换气量平衡方程
在机械强制换气条件下。
换气量的平衡方程是：
（2）
L1+L2=L3
或L1=L2+L3
式中L1————送风量；
L2————从门缝或孔洞吸入或排出房间的漏风量；
L3————排风量或回风量。
在开门后实现温差对流换气条件下，室内热（冷）气流L4从门洞上（下）部流出（入），必定有相等的冷（热）气流L5从门洞下（上）部流入（出），以保持换气量和压力的平衡，即
L4=L5（3）
如果单就温差对流而言，应遵循自然通风法则，门洞上进、出气流的面积可看作相等，而在门的中部有一内外压差相等的界面——中和面，在图16的0点位置。
图16门洞的进出气流
在进、出风面上由于空气密度（
）形成的压差为：
Pa（4）
式中g——重力加速度，m/s2；
h——进出风面中心高度差，m；
——空气密度差，kg/m3。
洞口风速
m/s（5）
——应为进或出的气流的密度，由于进出风的温度不同，显然排出热气流的
小，
则大；进入冷气的
大，
则小。
由于是尺寸很大的门洞，按流体力学
最大可在0.9~0.98之间。
通过门洞进（Q1）出（Q2）风量。
m3/s。
（6）
F1为门洞上出风的面积，F2为下进风的面积，由于
的差别一般很小，可简化计算，设F1=F2，h=
，H为门洞高。
为流股收缩系数，对于门洞来说，几近于1，所以
（7）
称为流量系数，可取到0.9。
当设门高为2m时，h=1m。
空气密度数据见表3。
表3干燥空气的
（标准大气压）
t℃
0
10
20
30
40
1.293
1.247
1.205
1.165
1.128
于是根据公式（5）、（6）计算出不同温差下开门时的平均进出风速
和风量，列于表4。
计算时
均以20℃为准，在20~30℃之间，
℃，
。
门宽设为0.9m，h=1m，取
。
表4对流风速、风量
0.10.20.30.511.21.522.533.544.55
0.0760.1070.130.170.240.260.290.340.380.420.450.480.510.54
0.070.100.120.150.220.240.260.310.340.370.400.430.460.48
下面再计算压差漏风量。
以15m2房间为例，一扇密闭门或非密闭门，一个单层固定密闭窗，一个传递窗，墙壁拼缝长40m。
设密闭门缝隙6m×0.0005m，非密闭门缝隙6m×0.005m，密闭窗和传递窗缝隙8m×0.0005m，板壁缝隙40m×0.0001m，取
，在不同压差下漏风量见表5。
表5不同压差下漏风量
压差
缝隙风速
非密闭门漏风量
密闭门漏
风量
开非密闭门
门洞流速
Pa
m3/s
Qm3/s
Qm3/s
m/s
1
2
3
4
8
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0.52
0.74
0.90
1.05
1.48
1.64
2.01
2.33
2.60
2.85
3.08
3.29
3.49
3.68
0.019
0.026
0.033
0.037
0.053
0.058
0.072
0.083
0.092
0.101
0.110
0.117
0.124
0.131
0.006
0.007
0.009
0.010
0.014
0.015
0.019
0.022
0.024
0.026
0.028
0.030
0.032
0.035
0.021
0.029
0.037
0.041
0.059
0.064
0.081
0.092
0.102
0.112
0.122
0.13
0.128
0.146
现将上述按缝隙计算公式计算结果和按实验数据10Pa时的值（）加以比较见表6：
表6漏风量比较
比较
非密闭门
密闭门
时漏风量计算值m3/s
0.058
0.015
按实验数据给出的漏风量m3/s
0.05
0.02
可见在
时两种方法漏风量结果基本接近，因此可以由计算方法计算开门后由漏风量转换过来的门洞流速，已如表5所列。
从表5的风速可见，在非密闭门时，当门全开后，由于负压（
Pa）而流入的风速才和0.1℃温差造成的上、下对流风速相当。
由于对流气流有进有出同时存在，因此不论压差正负，通过空气的污染交换就存在。
前述各图的实测结果也证明这一点。
还要指出，即使无温差，也不能绝对保证正压时气流一定压出，负压时气流一定吸入，正如美国CDC手册指出的“房间内特殊的气流组织也可引起室内压力的差异，例如门中部是负压的底部则为正压”。
（）。
图1-15中有此例证。
美国CDC手册还指出，因压差太小，也可以用房间排风量来衡量，即当排风量不小于84m3/h认为负压可以满足要求。
根据表5的数据，此排风量下对于非密闭门只相当于室内有1Pa多一点的压差，若按前面已分析的不小于2Pa的压差，此排风量应达到94m3/h，故可建议用排风量衡量时应不小于100m3/h。
6、其他影响因素
除了压差、温差对隔离效果有重要影响外，其他影响因素有：
门的开关动作；
人的进出动作。
1门的开关动作
当室内为正压,门突然向内开时,门的正面门内一部分区间空气受到压缩,造成门划过的区间局部暂时的负压,在开门瞬间将室外空气吸入。
当室内为负压，门突然向外开时，门的正面门外一部分区间空气受到压缩，造成门划过的区间局部暂时的比室内负压更低的负压，在开门瞬间使室内空气外逸。
以上现象可称为开关门的卷吸作用。
美国的沃尔夫（Wolf）在1961年也注意到这一点（），见图17。
并指出正压室开门一次可吸入的空气量约0.17m3/s。
由于这种负压是由开门动力这一外力所造成的，所以没有空气量进出平衡问题。
图17开门卷吸作用
据作者实测，门扇开后引起的风速在0.15~0.3m/s之间。
这样大的风速，靠新风的正压作用或排风的负压作用产生的风速所抵挡不住的，因其平均风量将有0.4m3/s。
2人的进出动作
作者的实验结果（）表明，人顺着开门方向走进室内的瞬时，在入口处的风速在0.14~0.2m/s以内;人逆着开门方向走进室内的瞬时，在入口处引起的风速在0.08~0.15m/s以内。
实测发现，只有在人进（出）室内，门开启的瞬间，气流速度有最大值，这一瞬间约为2s（）。
按人体面积1.7m×0.4m计带入（出）最大风量为0.14m3/s。
美国沃尔夫也注意到这一现象，如图18所示。
图18人进出的带风作用
7、缓冲室的作用
由于压差已不能抵消对流、开门、人的进出所带来的污染，这里提出利用缓冲室的问题。
针对有洁净度级别的洁净室，1999年提出了不同于过去气闸室的缓冲室的概念（），这是一个特定的专用术语，这里不再说明。
针对隔离病房和生物安全实验室，国外也提出了利用缓冲室的问题。
暖通空调工程师学会（ASHRAE）手册就指出“隔离病房中前室的采用提供了更高程度的污染控制，所以始终都应考虑使用前室”，美国CDC手册进一步说明此前室的压力应介于病房和走廊的压力之间。
但是没有文献给出隔离病房所用缓冲室对污染控制的定量程度，因而不可能对它的作用给予充分的评估。
下面就缓冲室的一般设置（即不限于隔离病房）探讨其隔离效果。
图19是“三室两缓”的基本模式。
图19三室两缓
图中：
1~5——室编号
V——室容积
N1——1室污染浓度，个/m3
Q1——开门后因压差未能抵消的由1室进入2室（缓冲）的风量，m3。
①在开1室门瞬间，门口处遭受污染量为N1Q1个。
②由于缓冲室体积小（一般不超过5～6m3），换气次数大（一般几十次），由1室门的开、关到走向2室至2室的门及其开关，以及有时缓冲室的门有自锁作用，这段时间一般会在几秒至10秒之间。
设2室换气次数取60次，人在2室经过5s，则5s内将有
的空气排掉（2室排风），设
，由于房间小换气次数大，时间达5s，所排出的空气可认为已是相当混合的污染空气，为（
）V2，被进入的干净空气（2室的送风）补充稀释（忽略是连续进入的影响），则进入3室前的
个/m3
如图20示意。
图20污染进入2室后
③、2室门打开，由2室进入3室，3室入口处遭受污染量为
N1Q1α2Q2
———————个
V2
如图21所示
图21污染进入3室
由于3室作为隔离病房换气次数只有10～15次，忽略其排出量，设在全室混合。
则3室混合后进入4室前的浓度为
N1Q1α2Q2
N3=——————个/m³
V2·V3
如图22所示
图22污染进入3室后
如为实验室，室内总的换气量大得多，N3会更小
④、在3室开门瞬间，4室入口处遭遇的污染量为
N1Q1α2Q2Q3
————————
V2·V3
如图23所示
图23污染进入4室
⑤、同②分析，4室污染浓度为
N1Q1α2Q2Q3α4
N4=————————
V2·V3·V4
如图24所示
图24污染进入4室后
⑥、由4室进入5室，5室入口处遭受污染量为
N1Q1α2Q2Q3α4Q4
—————————
V2·V3·V4
5室浓度
N1Q1α2Q2Q3α4Q4
N5=—————————个/m³
V2·V3·V4·V5
如图25所示
图25污染进入5室后
⑦、原始的污染和因有缓冲室开门带来的污染之比称为总隔离系数，总隔离系数越大，防护能力越强。
表示有缓冲室时的防护能力比无缓冲室时增大的倍数，以β表示。
3室1缓冲时：
N1V2·V3
β3.1=———=———————
N3Q1Q2α2
5室2缓冲室
N1V2·V3·V4·V5
β5..2=———=———————————
N5Q1Q2Q3Q4α2α4
V2V4
⑧、如果缓冲室容积是隔离病房的1/X，即V3=———，V5=———，
XX
Q相同，α2与α4相等，室数为n，缓冲室数为m，V为病房容积，则有通式
Vn-1
βn.m=———————（8）
XmQn-1αm
Q的计算如下：
由表2，开门时
℃对流带出的风量，2s时，Q=0.44m3。
由6.①，开门卷吸带出的风量，2s时，Q=0.8m3。
由6.②，人走动带出的风量，2s时，Q=0.28m3。
总计
。
在缓冲室60次换气时，
隔离病房容积25m3,x=5。
则
在缓冲室120次换气时，
则
。
如果4室是正压缓冲，则非密闭门时，Q4=1.52+0.058m3,
则
⑨令原始污染和无缓冲室时开门带来的污染之比称为压差隔离系数，以
表示。
并令Q表示带入次间的污染，V为次间的体积。
则2间隔离房间时
3间隔离房间时
或以通式表示
（9）
如果条件同上，则有
⑩由以上计算得到以下结论：
a．2间房间之间（例如隔离病房和走廊之间）有了缓冲室（称为3室1缓），可以把因开门由病房进入走廊的污染的隔离能力提高59倍；而3间房间之间有2间缓冲室（称为5室2缓）（例如病房、缓冲、走廊、缓冲、清洁区或如生物安全实验室由主实验室污染区到清洁区之间），可以把因开门由病房或主实验室污染区带入清洁区的污染的隔离能力提高3480
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