机动卫生装备舱室空气净化的关键技术_韩浩

机动卫生装备舱室空气净化的关键技术

韩　浩,徐新喜

(军事医学科学院卫生装备研究所,国家生物防护装备工程技术研究中心,天津　300161)

[摘要]　机动卫生装备舱室内部产生的及外部进入舱室的污染物,受外部环境和内部布局等众多因素的影响,是影响舱室内部空气质量和作业人员安全的重要因素。空气净化是保证人员健康和人身安全以及卫勤作业任务的重要手段。本文着重介绍了机动卫生装备舱室污染物及其来源、相应的净化方法、舱室空气净化的关键技术,提出了机动卫生装备舱室空气净化技术的研究重点。

[关键词]　机动卫生装备;卫生设施;空气污染,室内;舱室环境;空气污染物,环境;空气净化[中图分类号]　R821

[文献标识码]　A

[文章编号]　1000-5501(2006)02-0195-04

[收稿日期]　2005-06-01

[作者简介]　韩　浩(1979-),男,河南省南阳市人,在读博士

生,研究方向为人机环境系统工程。*通讯联系人,E -mail :xuxx1@s ohu.co m ;Te l :022-********

K ey technology of air cleani n g for co mpart m ent ofm ob ile m edica l equi p m ent

HA N Hao ,XU X i n -X i

(Instit u t e of M edica l Equ i p m ent ,A cade my o f M ilitary M edica l Sc i ences ,N ati onal Bio -P ro t ec tion Eng inee ri ng Cente r ,

T ian jin 300161,China )

[Ab stract ]　T he conta m i nant in compart ment and t ha t i n troduced i nto co m pa rt m en t from ou tside a re the m ain f ac t o r i n fl u -encing the int e rnal a ir qua lit y and persona l security ,w hich is infl uenced by severa l othe r factors such as t he exte rna l envi -ron m en t and interna l lay ou.t T he m ain means t o ens u re t he healt h and safe t y of person i nsi de and acco m plis hment of medi -ca l service is a ir clean i ng .The contam inants and conta m i nati on source s i n t he com pa rt m en t o f mobile m edica l equ i p m ent ,re levant m ethods and key t echnology o f a ir cleaning a re d iscussed in detai.l The key points o f a ir c l eaning research are su m -m arized .

[K ey w ord s ]　m ob ile m edica l equ i p m ent ;hea lth facilities ;air po ll uti on ,i ndoo r ;com pa rt m en t env iron ment ;air po llutants ,environ menta l ;a ir clean i ng

机动卫生装备主要包括卫生技术车辆、医用方舱、卫生帐篷、医院船和空中医院等[1],是我军实施战场救治、完成卫勤保障任务的重要物质基础。随着军队卫生装备的发展,机动卫生装备在技术上和功能上日趋集约化,导致舱室内部空间的缩减和复杂化,及内部设备种类和数量的增加。20世纪60年代以来,由于国际安全局势和战争规模的变化,机动卫生装备在机动时经过核生化武器污染区域或在核生化武器污染区域展开工作的可能性日益增加。针对严重有毒有害物质侵入及舱室本身和内部设备所带来的污染问题而提出的空气净化设计也逐渐成为舱室内作业人员健康、人身安全以及完成卫勤作业任务的重要技术保证。

1　舱室空气污染物的来源及分类

机动卫生装备由于其设计功能和使用场合的不同,其所处外部环境和所含内部设备也不尽相同。随着气候、温湿度、材料、工艺、人员之间的个体差别,服装、动作的不同,不同的舱室或同一舱室内所存在的主要污染物的类型和数量都有着较大的差别。

1.1　按污染物是否常见可以将其分为常规污染物和特殊污

染物

常规污染物[2]主要包括:①舱室空气中本来就含有的尘粒和微生物;②作业人员或病员的发尘及产生的气体、微生物;③围护结构、设施的产尘,包括裸露管线的产尘;④设备及物料等在作业过程中产生的污染物;⑤舱室外部大气所含有的各种常见气体、微粒及微生物;⑥外部设备(如发电机等)运行产生的气体及微粒污染物。

特殊污染物主要包括:①核武器爆炸所形成的或核设施附近的放射性尘粒;②呈蒸气、液滴、气溶胶、粉末等施用状态的毒剂及其他类似的化学毒物;③带菌媒介物和呈气溶胶等施用状态的生物战剂及其他类似的有害生物体。1.2　根据污染物的形成原因和进入舱室的渠道的不同,可

将其分为内源性污染物和外源性污染物

内源性污染物主要产生于装备舱室内部,由材料、设备、

195

军事医学科学院院刊　2006年4月第30卷第2期Bu llAcad M ilM ed S ci ,Apr 2006; Vol 30　No 2　

人员的活动产生。

外源性污染物主要经由通风系统引入,如正常通风时经进风扇进入舱室、超压防护时经由失效或接近失效的过滤吸收器进入舱室、方舱运输时由于车速和风速之间的叠加造成的污染物质的渗入等。

1.3　按污染物的性状可以分为气体污染物和悬浮固体污染

物

气体污染物主要包括CO、CO

2、NO

、NH

、O

、挥发性有

机化合物VO Cs等。

悬浮固体污染物主要包括灰尘、可吸入尘、微生物细胞、植物花粉、生化毒剂烟雾等。

2　舱室空气净化

2.1　污染源的控制

对污染源进行控制、避免引入污染源是减少舱室内部污染物浓度最有效的手段。主要包括:

2.1.1　内部污染源的控制　控制能够给舱室内环境带来污染的材料、用具等进入舱室内部,避免使用含有较多挥发性有机物的胶合板、装饰板、涂料等[3]。

2.1.2　外部污染源的控制　对于易产生污染物的外部设备,比如:发电机(组)、核生化洗消装置、医疗器械消毒装置等,应尽量将其放置于机动卫生装备的下风向。

同样,机动卫生装备应尽量置于核生化武器污染地域的上风向,避免舱室引入已被污染的空气。

如果不能避开外部污染源,可以采用舱内超压来防止污染物进入舱室。美军核生化防护非扩展方舱舱室内部超压规定为299P a,我国国军标则规定静止状态的防护体内部超压不低于100P a[4,5]。

加强舱室的密封性能也是防止外部污染物进入舱室的重要手段。舱室的密封性越好,达到相同的超压值所需的通风量越少,滤毒通风装置的寿命也就越长,就可采用较小尺寸和重量的过滤装置和风机,消耗较少的电能,降低噪声和空调能耗。但过高的气密性则会增加方舱制造成本,通风量的减少则可能不能够满足工作舱室内部人员设备的通风要求以及保持舱室洁净度和排除室内污染物的要求。因此,应综合考虑方舱气密性和通风之间的关系。

对于在反应时间内(从接到核生化武器袭击报警,进而关闭正常通风口隙、开启滤毒通风装置至内部压力稳定这段时间)进入舱室的污染物,由于现有报警器灵敏度的限制,设计时应着眼于增加报警器与机动卫生装备之间的距离、减少舱室关闭正常通风口隙所需时间(尽量采用机械化电控式全自动控制方式)等方面。

2.1.3　新风过滤　对舱室引入的新风进行过滤处理是减少引入外源性污染物的重要途径。目前使用最为广泛的空气净化处理的方法是空气过滤法,大多采用直接安装空气过滤器的方法去除新风中的大部分悬浮固体颗粒污染物。辅助的方法还有静电除尘法、离心力和惯性力分离法,以及针对有害气体和化学污染物的吸附法、吸收法。

核生化防护舱室则必须使用滤毒通风装置,如FC型滤毒通风装置[6]和美军集防设备FDECU[7]。这些装置一般由粗滤器、电动密闭阀、空气过滤吸收器和风机等组成,能够自动切换常规通风和滤毒通风两种工作模式。

2.2　舱室内污染物的治理

对于已经进入到舱室和舱室内部产生的污染物,可通过加强通风换气,用经过过滤的新鲜空气来稀释室内空气污染物,使其浓度降低。可依据污染物发生源的大小及位置、污染物种类及其数量,决定采用全面通风还是局部通风,以及通风量的大小。

用于舱室内空气的净化方法,按作用原理可分为:吸收、吸附、催化氧化和遮盖法等。其中,吸附过滤法是目前应用最广、装备最多的成熟技术。通过对吸附材料进行改型,使其对特定污染物具有更强的选择吸附能力,满足不同舱室环境、不同目标污染物、不同使用需求对吸附材料的要求[8]。

除此之外,半导体光催化氧化法、低温等离子技术等在室内空气净化方面的研究工作均已取得一定的进展,部分产品已投入使用。

3　舱室空气净化的关键技术

3.1　污染物检测监测技术

对舱室内的污染物进行控制,首先必须确定污染物的发生源及其散发强度,因此必然涉及到污染物的检测监测技术。

目前,针对普通室内污染物(CO、CO

、NO

、NH

、O

、VOCs、细菌等)以及常见核生化污染物的检测监测手段和设备均已比较成熟,检测精度基本满足要求。

然而,对于生化毒剂而言,大多数毒剂探测器的探测下限值高于空气中的极限值(指人在该空气中停留30m in以后出现轻微症状的浓度),尚不能完全满足防护要求。在使用超高毒性(如毒素)毒剂的情况下,往往在达到对人危害浓度以前很难探测到毒剂[5]。

因此,一方面要加强探测器本身的研究,另一方面要加强远程报警技术的研究,通过对外部污染源的远程监测,实现对污染范围、方位、强度和扩散速度的实时监测,进而预测出污染源到达机动卫生装备所在地理位置的时刻,在适当时刻开启滤毒通风装置,提高防护的有效性和准确性。如美军的M21被动式远红外线远程遥感报警器和法军的红外激光雷达远程报警器,可检测5～10k m外的化学毒剂。目前的生物毒剂远程侦检技术也可在30～50k m外侦检到生物毒剂。美军和北约的许多军队装备的N BC毒剂计算机预测评估系统,还可对毒剂云团的运动方向和速度作出判断,并可预测云团到达某一地区的时间[9]。

3.2　过滤吸收器及其寿命监测

3.2.1　过滤吸收器　现行活性炭过滤装置的过滤效率随吸附毒剂增多而减少,达到饱和程度后将会失去滤毒能力,其使用寿命是额定的。必须定期(每几十分钟或几个小时)更换过滤器组件,增加了运行的成本和维护人员的负担。因此,有必要研究具有较长寿命的可过滤大多数毒剂的过滤吸收器或工作状态下可快速更换的过滤吸收器部件。

3.2.2　过滤吸收器的寿命监测及预测　机动卫生装备所处外部环境极其复杂多变、所遭受的毒剂浓度也随野外条件和时间的变化而变化。因此,活性炭过滤装置的过滤吸附能力与使用时间之间的关系变得非常复杂,过滤器的更换也就需

要有所依据,以避免过早更换滤器造成的过滤器的浪费或未及时更换过滤器造成的毒剂的侵入。

美国ChemM o tif 公司研制的作为防毒面具服役寿命指示器的彩色测试条可以提供可见颜色变化信号,提醒使用者过滤罐的状态。当过滤罐消耗时,会显示持续可读信号,或者信号可出现在过滤罐寿命期间特定的点上[10]。

捷克军事防御技术研究院对过滤器的动态吸附能力进行了确定,建立了计算野外毒剂污染环境下防护过滤器吸附能力的分解方法,使用特定动态吸附能力(SDSC )来表示某一种过滤器的动态吸附能力[10]。

对于集成化的滤毒通风装置内的过滤吸收器的寿命监测未见诸报道,尚待研究。3.3　舱室内部气流组织设计

3.3.1　气流组织设计的难点　机动卫生装备舱室内部空间狭小,容纳设备较多,形成的内部空间很不规则,通风结构的位置往往受限。同时,人员活动和外部环境的变化也很容易破坏舱室现有气流组织形式,进而影响污染物的排除效率。以上各个因素都使得舱室内部的气流组织形式的设计和实现产生异常的困难。

鉴于复杂紧凑的内部空间、多变的内部布局和人员位置以及各种标准对方舱结构尺寸的限制,要求舱室内部实现一般洁净室那样的单向流是不现实的。较为理想的通风形式是采用将空调顶置,舱室进风口采用扇形、半球形或半圆形风口,从舱体顶壁中央或两侧进风,侧壁回风,如图1、图2所示。这样的辐射型或半矢流型气流组织形式可以较好地保证空气的置换速度和污染物的排除效率

。

图1　某型移动外科单元

3.3.2　计算流体动力学技术　利用计算流体动力学(CFD )进行空气流场的数值模拟,可以很好的模拟出特殊尺寸、高温、有毒等真实条件下流场内各个位置上的基本物理量(如速度、压力、温度、浓度等)的分布,以及这些物理量随时间的变化情况[11],是一种很好的辅助分析手段。应用于空气洁净技术方面,已有相当多的研究成果,如徐新喜等[12]对机动卫生装备中检验方舱舱内空气温度场、速度场进行了数值仿真,研究舱内温度场的瞬态分布状态及变化规律,并通过试验研究,验证了计算方法的准确性;冯昕[13]使用CFD 方法

对某型传染病负压隔离病房和传染病负压救护车内部污染

图2　某电子方舱

物流场进行了数值仿真;陈清焰[14]对建筑物遭受生物战剂袭击后的毒剂浓度分布及变化规律进行了模拟;赵彬等[15]对穿堂风条件下,外区房间中性质和SARS 病毒类似的生物颗粒的运动情况及其对相邻的内区房间的影响进行了研究。

CFD 技术在洁净室、暖通空调、工业通风等领域的应用日益广泛。充分考虑污染物的间歇性挥发和连续性挥发、污染物颗粒的凝并和蒸发、生物颗粒的产生和衰亡、人员运动等因素后,CFD 在机动卫生装备舱室气流组织设计及空气净化设计方面将发挥更大的作用。3.4　通风系统的集成控制

目前,大部分机动卫生装备的环境控制系统已经实现了滤毒通风装置由正常通风到集体防护的手动或自动切换功能,但其集成控制问题依然很薄弱。当前所采取的正常通风与集防通风互相分离的方法,在通风形式切换时也会导致舱室内部气流组织形式的变化。至于外部环境(温度、湿度、风速、污染物浓度)、人员(数量、操作活动)、空间布局、设备(吸热、散热)、通风结构(进风口、排风口、回风口、空调装置)布置等对空间各物理场(速度场、压力场、温度场、湿度场、污染物浓度场)的影响则是更加复杂且富于变化。

完备的通风系统控制机构应该能够对所有这些变化进行监测并作出适当调整,以实现舱室内部气流组织的稳定性、可预测性及可控性,进而保证空气净化的效果和人员设备的安全,因此必然要求控制系统将各类传感器及控制机构进行整合,结合特定环境下的合理的净化方式,以专家系统等先进控制方式进行控制。3.5　空气净化效果的评估

机动卫生装备中舱室的空气净化不仅涉及室内人员的舒适度和作业效果,更涉及人员设备的安全问题。因此,在对某一舱室进行了空气净化设计之后,应对净化后的舱室空气质量进行全面的评估,以判断舱室环境是否满足要求、是否需要改进现有净化手段和净化方法。

对于常规条件下的空气质量评价,可以采用主观评价和客观评价相结合的综合评价方法。此类评价方法如美国供暖、制冷和空调工程师学会评价方法,可参考最新的ASHRAE 标准。

对于核生化防护条件下的空气质量评价,更多涉及人员的健康危险度评估。可采用国际上通用的危险度定量评价方法。其内容主要包括:危害鉴定、暴露评价、剂量反应关系评定和危险特征分析。具体内容和方法可参考文献[16]等。

4　舱室空气净化的研究重点

未来的战伤救护要求高效和安全,这是机动卫生装备防护必须要达到的技术指标,特定勤务功能对舱室内部环境的特殊要求也同样需要更加全面更加先进的空气净化技术。

结合国外发展动向,通过以上分析,可以总结出机动卫生装备舱室空气净化技术的研究重点:

(1)新型过滤吸收材料及再生过滤技术的研究;

(2)滤毒罐服役寿命指示器[10]及滤毒通风装置在线监测技术及装置的研究;

(3)无源式防护装置及吸附材料的研究;

(4)更加符合实际的能够对防护方舱工作状态进行模拟,考虑地域、气候、人员和设备影响的数值模型和方法;

(5)特定气候条件下的单一装备与系统装备之间污染物浓度场的相互影响;

(6)核化生防护舱室内部环境安全性的评估及智能控制。

机动卫生装备舱室环境的净化问题是材料、机械、电子、流体等多门学科的综合研究工作,只有将多种方法和设备综合考虑并加以应用,才能实现符合要求的周密的安全的舱室净化环境,满足复杂环境下各类勤务功能及安全性能的要求。

[参考文献]

[1]　傅　征.军队卫生装备学[M].北京:人民军医出版社,2004.

4-6.

[2]　陈霖新.洁净厂房的设计与施工[M].北京:化学工业出版

社,2003.88-100.

[3]　周中平,赵寿堂,朱　立,等.室内污染检测与控制[M].北

京:化学工业出版社,2002.280-281.

[4]　袁宝生.对核生化三防方舱舱内超压和通风量的分析[J].方

舱技术,1997,6(2):6-22.

[5]　袁宝生.核生化防护方舱设计要求分析[J].方舱与地面设

备,2002,1(2):1-13.

[6]　汪兴伦,韦　娟.FC型滤毒通风装置[J].方舱技术,2002,9

(1):24-26.

[7]　C he m ical and b i ological def en s e p r ogra m.Annual　report to con-

gress and perfor m an ce p l an.2001.U.S.A.

[8]　张建宏,李　灿,谭志江.室内空气质量控制技术及其在防化

领域的地位[A].见:第八届全国特种应用化学学术会论文

集[C].贵阳:中国化学会,2003.

[9]　军事医学科学院卫生装备研究所.核生化武器与“三防”卫生

装备[M].北京:解放军出版社,2003.33,179.

[10]　王曼琳.防护研究最新动向———呼吸道防护与集体防护(二)

[J].国外防化科技动态,2004,10:19-24.

[11]　王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与应用

[M].北京:清华大学出版社,2004.1-3.

[12]　徐新喜,刘亚军,谭树林,等.医用方舱舱室温度环境数值仿

真研究[J].暖通空调,2003,33(2):107-109.

[13]　冯　昕.关于SARS隔离病房及负压隔离救护车内气流组织

状况的数值模拟研究[D]:[硕士学位论文].天津:天津大学

环境科学与工程学院,2004.

[14]　Ch en QY.Desi gning healthy,saf e,and energy-efficien t bu il d-

i ng[A].In:The7th Internati onal Symposium on B uil ding and

U r b an E nvironm ental Engi neering2004Proceed i ngs[C].Tian-

ji n:T i anjin Univers it y,2004.102-107.

[15]　赵　彬,张　颖,李先庭.生物颗粒在相邻房间运动的数值研

究[J].暖通空调(暖通空调与SARS特集),2003,33:31-

33.

[16]　徐东群,张宏伟.室内空气污染物对健康影响的危险度评价

[J].中国环境卫生,2002,5(1):233-250.

(本文编辑　姜晓舜)

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