潔凈手術(shù)室空調(diào)二次回風(fēng)系統(tǒng)能耗分析

夏中亮 姜典秋 朱性博

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，鄭州 450007）

1 引言

2002年11月《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》的頒布實(shí)施，對(duì)潔凈手術(shù)部的建設(shè)起到了規(guī)范和推動(dòng)作用。規(guī)范對(duì)手術(shù)部的空氣凈化等級(jí)、溫濕度、凈化空調(diào)系統(tǒng)方式、氣流組織、施工驗(yàn)收等都作了詳細(xì)的規(guī)定，強(qiáng)調(diào)了潔凈手術(shù)室系統(tǒng)必須保證手術(shù)室內(nèi)部環(huán)境的塵、菌和有害氣體的濃度在一定的控制范圍之內(nèi)，并控制一定的溫度和相對(duì)濕度。與普通的舒適性空調(diào)不同，醫(yī)院潔凈手術(shù)室空調(diào)的特點(diǎn)是服務(wù)面積小、送風(fēng)量大、相對(duì)負(fù)荷小、送風(fēng)溫差小、耗能高。

空氣凈化系統(tǒng)是手術(shù)室空調(diào)主要能耗部分，其冷負(fù)荷主要由室外新風(fēng)負(fù)荷、室內(nèi)人員及醫(yī)療儀器設(shè)備熱濕負(fù)荷等構(gòu)成。本文著重從工程實(shí)踐的角度探討一次回風(fēng)、二次回風(fēng)空氣處理過(guò)程在醫(yī)院潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)中在潔凈手術(shù)部空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用。

2 工程簡(jiǎn)介

鄭州市某新建醫(yī)院病房樓總建筑面積61748 m2，共19層，在3層設(shè)有16間手術(shù)室，層高4.5 m，其中百級(jí)手術(shù)室3間，千級(jí)手術(shù)室6間，萬(wàn)級(jí)手術(shù)室6間，十萬(wàn)級(jí)手術(shù)室1間。本文擬對(duì)其中一間面積為40 m2的千級(jí)手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)分別采用一次回風(fēng)、二次回風(fēng)空氣處理過(guò)程的能耗進(jìn)行分析。

3 室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)

3.1 室外計(jì)算參數(shù)

表1 鄭州地區(qū)室外氣象參數(shù)

3.2 室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)

按《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)潔凈手術(shù)室溫度22-24℃，相對(duì)濕度φ：40-60%。本文所分析的標(biāo)準(zhǔn)潔凈手術(shù)室干球溫度24℃，相對(duì)濕度φ=55%，面積40 m2，凈高3 m，人數(shù)為10人。

4 潔凈手術(shù)室空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷Q1

目前，國(guó)內(nèi)大部分醫(yī)院潔凈手術(shù)室平面布置采用“污染回收廊道型”布局方式，手術(shù)室周邊設(shè)置污染環(huán)繞走廊與潔凈走廊，手術(shù)室處于建筑物內(nèi)區(qū)。圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷較小，通常不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷。

4.2 人體負(fù)荷Q2

根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]，24℃下成年男子中等勞動(dòng)強(qiáng)度下顯熱量88 W/人，潛熱量147 W/人，全熱量235 W/人，散濕量219 g/h。因此，人體總顯熱負(fù)荷是880 W，總潛熱負(fù)荷是1470 W，總散濕量是6.0833×10-4kg/s。

4.3 照明負(fù)荷Q3

根據(jù)《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》要求，標(biāo)準(zhǔn)潔凈手術(shù)室照度350 lx，根據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦的手術(shù)室照度要求推算出由室內(nèi)照明形成的空調(diào)冷負(fù)荷為20 W/m2，因此，由照明形成的冷負(fù)荷為40×20 = 800 W。

4.4 設(shè)備負(fù)荷Q4

根據(jù)手術(shù)類型不同，手術(shù)室內(nèi)的醫(yī)療設(shè)備與使用頻率也不盡相同。手術(shù)室設(shè)備的散熱量按80 W/ m2估算，為40×80 = 3200 W。

4.5 手術(shù)室內(nèi)散濕產(chǎn)生的潛熱量Q5

手術(shù)室散濕主要有醫(yī)護(hù)人員散濕及濕表面散濕，由這兩部分產(chǎn)生的潛熱量約為971W。因此，總負(fù)荷Q= Q1+Q2+ Q3+ Q4+ Q5= 880+1470+800+3200+971= 7321 W

5 潔凈手術(shù)室風(fēng)量的確定

5.1 送風(fēng)量的確定

潔凈手術(shù)室的送風(fēng)量不同于一般的舒適性空調(diào)場(chǎng)所的送風(fēng)量，經(jīng)過(guò)過(guò)濾、熱濕處理過(guò)的潔凈空氣送入手術(shù)室內(nèi)不但要消除室內(nèi)的熱、濕負(fù)荷，還要排除、稀釋室內(nèi)的污染物，以維持室內(nèi)的空氣潔凈度。不同潔凈等級(jí)的潔凈手術(shù)室送風(fēng)量也各不相同。按照《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50333-2002)規(guī)定，本文分析的手術(shù)室為Ⅱ級(jí)潔凈手術(shù)室，其換氣次數(shù)為30～36次/h。

5.2 新風(fēng)量的確定

新風(fēng)量不僅關(guān)系到手術(shù)室內(nèi)空氣品質(zhì)，也影響到空調(diào)機(jī)組的冷、熱負(fù)荷和過(guò)濾器的使用壽命。

新風(fēng)量的確定主要依據(jù)以下幾條，并選取其中最大值。

(1) 按照《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50333-2002)規(guī)定計(jì)算新風(fēng)量，Ⅰ～Ⅳ級(jí)潔凈手術(shù)室的新風(fēng)量均為6次/h。

(2) 補(bǔ)償手術(shù)室的排風(fēng)并能保持室內(nèi)正壓值的新風(fēng)量。

(3) 滿足人員衛(wèi)生所需的新風(fēng)量，Ⅰ～Ⅳ級(jí)潔凈手術(shù)室人員的新風(fēng)量均為60 m3/h?人。

當(dāng)上述計(jì)算的新風(fēng)量最大值低于表2要求時(shí)，取表2中的新風(fēng)量。

表2 手術(shù)室新風(fēng)量最小值(摘自GB 50333-2002 表7.1.6)

本文分析的手術(shù)室為Ⅱ級(jí)潔凈手術(shù)室，其新風(fēng)量取表2中的新風(fēng)量為800 m3/h。

6 手術(shù)室空調(diào)熱濕處理過(guò)程

6.1 一次回風(fēng)系統(tǒng)夏季空氣處理

潔凈手術(shù)室夏季一次回風(fēng)空氣處理過(guò)程主要有以下步驟：

(1) 根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷及散濕量計(jì)算夏季室內(nèi)熱濕比；

(2) 確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，由于是工藝性空調(diào)，送風(fēng)量需滿足規(guī)范要求，以達(dá)到室內(nèi)溫濕度的均勻分布，取送風(fēng)溫差ΔT=4℃；

(3) 確定機(jī)器露點(diǎn)L。自送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O向下作等含濕量線并與φ= 90% - 95%的曲線相交點(diǎn)為機(jī)器露點(diǎn)L；

(4) 確定夏季送風(fēng)量、新風(fēng)量和一次回風(fēng)量；

(5) 確定夏季新風(fēng)與回風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)Cx；

(6) 空調(diào)系統(tǒng)表冷器所需冷量與再熱器的加熱量；

一次回風(fēng)系統(tǒng)夏季空氣處理計(jì)算結(jié)果如下表3。

表3 一次回風(fēng)系統(tǒng)夏季空氣處理計(jì)算結(jié)果

在焓濕圖上，將上述各狀態(tài)點(diǎn)連起來(lái)得到一次回風(fēng)系統(tǒng)夏季處理過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 一次回風(fēng)系統(tǒng)夏季工況在焓濕圖上的表示

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，總風(fēng)量為4581 m3/h，手術(shù)室換氣次數(shù)為38.17，滿足規(guī)范要求。室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)相對(duì)濕度67.4%，未超過(guò)75%的要求。

6.2 二次回風(fēng)系統(tǒng)夏季空氣處理

潔凈手術(shù)室空調(diào)屬于恒溫恒濕的工藝性空調(diào)，手術(shù)室內(nèi)散濕量較小，采用一次回風(fēng)系統(tǒng)，從上述計(jì)算分析可以看出，存在“一冷一熱”、冷熱抵消的問(wèn)題，這會(huì)產(chǎn)生很大的能量浪費(fèi)。

因此，考慮采用在空氣表冷器后與回風(fēng)再混合一次的二次回風(fēng)式系統(tǒng)來(lái)代替和取消再熱器以達(dá)到節(jié)約熱量和冷量。

潔凈手術(shù)室夏季二次回風(fēng)空氣處理過(guò)程主要有以下步驟：

(1) 根據(jù)室內(nèi)冷負(fù)荷及散濕量計(jì)算夏季室內(nèi)熱濕比；

(2) 確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，為同一次回風(fēng)進(jìn)行比較，取送風(fēng)溫差ΔT=4℃；

(3) 確定機(jī)器露點(diǎn)L。二次回風(fēng)方式的機(jī)器露點(diǎn)確定與一次回風(fēng)方式的機(jī)器露點(diǎn)是不相同的。在焓濕圖上向下延長(zhǎng)熱濕比ε線，與φ=95%的相對(duì)濕度線交于L點(diǎn)，該點(diǎn)為機(jī)器露點(diǎn)L。此時(shí)，室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N、送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)Ox、機(jī)器露點(diǎn)L三點(diǎn)在一條直線上；

(4) 確定夏季送風(fēng)量、通過(guò)表冷器的風(fēng)量和二次回風(fēng)量；

(5) 確定夏季新風(fēng)量，一次回風(fēng)量和回風(fēng)混合狀態(tài)點(diǎn)Cx；

(6) 空調(diào)系統(tǒng)表冷器所需冷量。

二次回風(fēng)系統(tǒng)夏季空氣處理計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

在焓濕圖上，將二次回風(fēng)各狀態(tài)點(diǎn)連起來(lái)得到二次回風(fēng)系統(tǒng)夏季處理過(guò)程見(jiàn)圖2。

表4 二次回風(fēng)系統(tǒng)夏季空氣處理計(jì)算結(jié)果

圖2 二次回風(fēng)系統(tǒng)夏季工況在焓濕圖上的表示

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，總風(fēng)量為4579 m3/h，手術(shù)室換氣次數(shù)為38.16，滿足規(guī)范要求。室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)相對(duì)濕度67.3%，未超過(guò)75%的要求。

7 能耗分析

從上述計(jì)算可以看出，夏季二次回風(fēng)式比一次回風(fēng)節(jié)省的冷量為：24.43-16.58 = 7.85 kW。二次回風(fēng)式節(jié)省了再熱器的加熱量，同時(shí)，通過(guò)空氣表冷器處理的風(fēng)量減少，因此，比一次回風(fēng)式節(jié)省冷量。二次回風(fēng)式的機(jī)器露點(diǎn)溫度為13.4℃，而一次回風(fēng)式的機(jī)器露點(diǎn)溫度為14.6℃，這要求空氣表冷器的冷水溫度要低，這樣可能影響到天然冷源的使用。若用人工冷源，則制冷機(jī)的蒸發(fā)溫度降低，影響其制冷能力。冬季設(shè)計(jì)條件下，二次回風(fēng)式系統(tǒng)的總加熱量與一次回風(fēng)式相等。

7.1 不同室溫下能耗分析

從上述計(jì)算可以看出，二次回風(fēng)比一次回風(fēng)系統(tǒng)是節(jié)省能量的，但潔凈手術(shù)室內(nèi)環(huán)境是變化的，按照《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》室內(nèi)溫度范圍在22-25℃。因此，對(duì)不同室溫下的二次回風(fēng)與一次回風(fēng)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表5。

對(duì)一次回風(fēng)系統(tǒng)與二次回風(fēng)系統(tǒng)的夏季空氣處理過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，可以得到以下結(jié)論：

(1) 手術(shù)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的升高，兩種系統(tǒng)的機(jī)器露點(diǎn)溫度均升高，夏季所需制冷量均減少，一次回風(fēng)系統(tǒng)再熱量的比例隨之增加。二次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)器露點(diǎn)溫度在相同的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度情況下均低于一次回風(fēng)系統(tǒng)。手術(shù)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度提高，一次回風(fēng)系統(tǒng)再熱量占總耗能的比例也隨之增大；

表5 不同室溫下的能耗對(duì)比

(2) 一次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量與二次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量之差等于再熱量，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度降低時(shí)，一次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量與再熱量之差加大，采用二次回風(fēng)系統(tǒng)節(jié)省了再熱器的加熱量，同時(shí)，通過(guò)空氣表冷器的風(fēng)量減少，并且可以減小空氣表冷器的斷面尺寸。

7.2 冷負(fù)荷和散濕量變化情況下機(jī)器露點(diǎn)和能耗的變化比較

由于手術(shù)室在手術(shù)過(guò)程中，會(huì)有醫(yī)護(hù)人員和醫(yī)療儀器的進(jìn)出，手術(shù)室的負(fù)荷處于變化中。因此，比較了室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度24℃和濕度55%保持不變情況下，室內(nèi)冷負(fù)荷與散濕量變化情況下的耗能。

從表6可以看出：

(1) 室內(nèi)散濕量不變，冷負(fù)荷減少時(shí)，一、二次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)器露點(diǎn)溫度均下降，表冷器處理的空氣量減少，所需的制冷量也隨之下降。冷負(fù)荷增加時(shí)，機(jī)器露點(diǎn)溫度上升，二次回風(fēng)量增加。

(2) 室內(nèi)冷負(fù)荷不變，散濕量減少時(shí)，一、二次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)器露點(diǎn)溫度上升，二次回風(fēng)量增加。散濕量增加時(shí)，要求表冷器的除濕量增加，因此，機(jī)器露點(diǎn)溫度下降，二次回風(fēng)系統(tǒng)機(jī)器露點(diǎn)溫度變化幅度明顯大于一次回風(fēng)系統(tǒng)。

表6 冷負(fù)荷、散濕量變化下的機(jī)器露點(diǎn)和能耗的變化

7.3 二次回風(fēng)系統(tǒng)夏季不同室溫運(yùn)行費(fèi)用比較

從上述計(jì)算可以看出，夏季二次回風(fēng)系統(tǒng)比一次回風(fēng)系統(tǒng)是節(jié)省能量的。下面對(duì)不同室溫下二者的運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行比較。機(jī)組能效比按照2.7計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間按每個(gè)月運(yùn)行25天，每天運(yùn)行12 h，電費(fèi)為0.69元/kW計(jì)算，4月到9月份制冷機(jī)運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)省費(fèi)用為：

表7 不同室溫運(yùn)行費(fèi)用比較

從表7中數(shù)值可以看到提高手術(shù)室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度可以提高總的節(jié)省費(fèi)用，不僅減少了醫(yī)院的運(yùn)行費(fèi)用，而且還能減輕患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)?？紤]到該醫(yī)院共有16間手術(shù)室，若其中一部分采取二次回風(fēng)系統(tǒng)，所節(jié)約的費(fèi)用也很可觀。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)計(jì)算與分析比較了潔凈手術(shù)室夏季采用一次回風(fēng)，二次回風(fēng)在不同情況下的能耗，夏季二次回風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足潔凈手術(shù)室溫濕度與送風(fēng)量的前提下，可以不用再熱而又節(jié)能。因此，在送風(fēng)量較大，潔凈手術(shù)室數(shù)量較多的醫(yī)療工程中，二次回風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先采用。

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