冷輻射空調(diào)在醫(yī)療建筑中的應(yīng)用研究

李玉蘋

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253000）

0 引言

醫(yī)院建筑的特點(diǎn)是一方面需要嚴(yán)格的小氣候和室內(nèi)空氣質(zhì)量，另一方面是高功能復(fù)雜性。防止病人感染和提供良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)是醫(yī)院關(guān)注的兩個主要問題，良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量可能是治療的一部分，它影響感染的控制，另外，一個舒適的熱環(huán)境有助于穩(wěn)定病人的情緒和康復(fù)過程。此外，手術(shù)中的熱舒適或不適記憶對患者對手術(shù)護(hù)理的整體滿意度有影響。體外熱環(huán)境和體內(nèi)代謝產(chǎn)物的共同作用構(gòu)成了體內(nèi)的熱應(yīng)力，病人希望室內(nèi)環(huán)境比中性環(huán)境更溫暖。病人服用的藥物可能影響他們的新陳代謝，寒冷是一種不舒服的感覺，可以增加不安，加劇疼痛、顫抖、注意力不集中、肌肉和關(guān)節(jié)緊張，并降低病人的整體滿意度。使用主動加溫裝置可以比被動覆蓋物更有效地防止體溫過低。為了防止手術(shù)室的熱風(fēng)險，手術(shù)室的溫度不能低于21 ℃，23 ℃以上的溫度通常是手術(shù)人員無法忍受的，24～26 ℃通常是適合熱舒適的。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)空氣溫度應(yīng)在20～24 ℃，但使用較低或較高的溫度是可以接受的。室內(nèi)小氣候控制、室內(nèi)空氣的純凈度、高過濾和換氣的需要、消除空氣流通是空調(diào)系統(tǒng)在醫(yī)院建筑中必須確保的重要目標(biāo)，主要用于手術(shù)室、白室、免疫缺陷和傳染病人科室、重癥監(jiān)護(hù)室和門診部。

醫(yī)院建筑能源設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)主要有以下3 個：①一個高效率的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，參考減少熱損失和與變化的外部和內(nèi)部條件（主要是太陽輻射和內(nèi)生脈沖增益）有關(guān)的熱偏移的衰減；②空調(diào)系統(tǒng)在以下方面的效率:室內(nèi)小氣候穩(wěn)定性、室內(nèi)空氣質(zhì)量、送風(fēng)量和分布、過濾效率、適于確保健康狀況的處理單元；③適用于有效能量轉(zhuǎn)換（即二、三代發(fā)電系統(tǒng)）和能量傳輸（即循環(huán)水力網(wǎng)絡(luò)和空氣回路）的有源設(shè)備。

1 冷輻射空調(diào)發(fā)展現(xiàn)狀

在現(xiàn)代建筑中，空調(diào)的使用已經(jīng)非常普遍，但空調(diào)大量使用的能源消耗已經(jīng)影響節(jié)能環(huán)保，其主要問題之一是使用傳統(tǒng)的對流換熱調(diào)節(jié)溫度限制了制冷效率的提高。本設(shè)計(jì)直接利用制冷劑冷卻來降低室內(nèi)輻射的一種或多種基于壁面表面溫度的內(nèi)壁表面，形成冷輻射表面，依靠輻射熱輻射表面與人體家具和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的表面交換方式進(jìn)行冷卻，從而提高蒸汽壓縮制冷蒸發(fā)溫度。為了降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，采用冷輻射技術(shù)替代現(xiàn)有的空氣調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)，可以提高能效。

2 醫(yī)院冷輻射空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的醫(yī)院冷卻空調(diào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于舒適空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以風(fēng)扇對流冷卻形式取代傳統(tǒng)的室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)，直接通過對流換熱將傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)蒸發(fā)器轉(zhuǎn)化為輻射換熱形式，使用現(xiàn)代新型聚合物復(fù)合材料作為蒸發(fā)器的主體，對傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)工況蒸氣壓縮式制冷的整體設(shè)定進(jìn)行了冷卻設(shè)計(jì)，探索并設(shè)計(jì)符合輻射制冷系統(tǒng)技術(shù)要求的空氣調(diào)節(jié)功能，輻射制冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、智能控制器的開發(fā)設(shè)計(jì)及室內(nèi)露點(diǎn)控制，形成基于原型結(jié)構(gòu)的節(jié)能輻射制冷技術(shù)的舒適空氣調(diào)節(jié)。

2.1 太陽能冷輻射制冷技術(shù)

（1）輻射制冷蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)。制冷劑蒸發(fā)和輻射制冷及空氣調(diào)節(jié)是簡單地通過輻射、空氣調(diào)節(jié)、蒸發(fā)器最傳統(tǒng)的表面冷卻強(qiáng)制對流方式，它擁有屬性小容積，傳熱、冷卻蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)比輻射蒸發(fā)器的表面積大大增加，在實(shí)踐中，輻射冷卻板的使用既要考慮制冷劑壓力的影響，又要考慮更好的傳熱性能，為避免安全隱患，其強(qiáng)度、安全性是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（2）系統(tǒng)的冷凝控制問題。普通的空氣調(diào)節(jié)制冷劑必須通過斜槽管從室內(nèi)機(jī)排出凝結(jié)水，而輻射制冷不應(yīng)受制于空調(diào)室內(nèi)產(chǎn)生的凝結(jié)水，因此，必須保證輻射制冷蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度大于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度，控制露點(diǎn)溫度是輻射制冷產(chǎn)品實(shí)際使用中的一個技術(shù)難題。工程要求溫度散熱器表面不能低于內(nèi)部條件下的露點(diǎn)溫度，為了保證露點(diǎn)控制要求，必須配備自動防結(jié)露檢測和防護(hù)措施，控制電磁閥及相應(yīng)的電路控制系統(tǒng)，這對于工程實(shí)施中智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要。

（3）濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。室內(nèi)空調(diào)器的冷卻，特別是在高溫干燥環(huán)境下不能保證正常的空氣調(diào)節(jié)效應(yīng)，必須配備專門的除濕系統(tǒng)。除濕能力不符合要求，室內(nèi)夏露問題難以解決。系統(tǒng)必須有防結(jié)露保護(hù)裝置，配備可靠、高濕度的室內(nèi)一次性啟動干燥劑除濕設(shè)備。對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作控制來說，除濕是一個非常重要的環(huán)節(jié)，同時除濕技術(shù)對于除濕理想性的要求還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

（4）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行，運(yùn)行測試輻射制冷和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是獲得參數(shù)和調(diào)試的關(guān)鍵，包括：輻射制冷蒸發(fā)器進(jìn)口溫度、出口溫度、壓縮機(jī)、冷凝器進(jìn)口溫度、室內(nèi)空氣測試溫度、電子膨脹閥前壓力水箱出口壓力、輻射制冷檢測點(diǎn)壓力、測試水箱加熱控制參數(shù)和實(shí)際輸出電阻等。系統(tǒng)能否正常運(yùn)行并進(jìn)行相應(yīng)的性能測試，軟件系統(tǒng)和調(diào)試方法的準(zhǔn)備非常重要，作為實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不僅要考慮數(shù)據(jù)采集的合理性和準(zhǔn)確性，還要通過軟件程序來控制其優(yōu)良的性能。本方案利用組態(tài)軟件開發(fā)的空氣調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，結(jié)合多種組態(tài)模式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)的控制功能和研究。

實(shí)驗(yàn)性工作：①建立一個實(shí)驗(yàn)性的輻射制冷和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)；②制冷循環(huán)系統(tǒng)組成部分，制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括壓縮機(jī)、冷凝器、電子膨脹閥、輻射制冷蒸發(fā)器、制冷設(shè)備的初始狀態(tài)調(diào)整和完整的試驗(yàn)；③控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，包括傳感器放大電路、執(zhí)行器驅(qū)動接口部分，編寫制冷運(yùn)行程序及相應(yīng)的冷卻部件，包括數(shù)據(jù)采集、變頻驅(qū)動、節(jié)氣門控制模塊；④選擇控制算法、算法軟件、實(shí)驗(yàn)臺驗(yàn)證和調(diào)試、各種算法的比較和參數(shù)效應(yīng)，最終的篩選程序控制算法是適用的；⑤改善室內(nèi)露點(diǎn)控制方法。對于如何確定蒸發(fā)溫度輻射制冷，重復(fù)測試和分析，通過對系統(tǒng)性能的分析和調(diào)試找出切實(shí)可行的露點(diǎn)控制策略，并確定露點(diǎn)控制方案。

2.2 設(shè)計(jì)可行性分析

（1）綜合現(xiàn)有的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理、運(yùn)行和控制技術(shù)，可以看到大部分室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)處理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，如蒸汽壓縮式制冷、表面冷卻器換熱、空氣強(qiáng)制對流傳熱等，這些方法和技術(shù)為新技術(shù)的研究提供了支持。

（2）根據(jù)目前研究的結(jié)果，輻射換熱已知的基本節(jié)能特性，采用冷水熱輻射冷卻的集中式空調(diào)系統(tǒng)已在許多工程應(yīng)用中取得了顯著的效果，其節(jié)能性能數(shù)據(jù)已被證明，是一個非常好的人體舒適效果?？梢灶A(yù)見，輻射制冷系統(tǒng)傳熱的研究具有很好的發(fā)展前景。

2.3 使用效果分析

輻射換熱冷卻空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)改變了現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)的強(qiáng)制對流方式，為解決人體舒適和節(jié)能要求提供了新的思路。新的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：減少室內(nèi)空氣流量，避免強(qiáng)風(fēng)和噪聲，特別是在休息時間保持房間安靜；系統(tǒng)采用輻射供暖和制冷系統(tǒng)主要是為了提高舒適性，可采用低品位能源、熱能儲存措施；系統(tǒng)節(jié)省對流風(fēng)機(jī)投資，降低空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行成本；控制系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，空氣調(diào)節(jié)方案更合理；輻射供冷管網(wǎng)系統(tǒng)采用毛細(xì)管網(wǎng)輻射板，可接觸安裝在墻壁、地板或天花板上，占用空間小、安裝方便，對室內(nèi)裝修的影響最??；蒸發(fā)器管板采用導(dǎo)流式分散結(jié)構(gòu)，流體分布均勻，水力損失小，可輕輕地將冷量傳至維護(hù)結(jié)構(gòu)表面，溫控室溫模擬毛細(xì)管調(diào)節(jié)，方便控制；沒有傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)和噪聲，不會使機(jī)體產(chǎn)生過熱過冷，不會造成粉塵和傳播病菌；與傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，制冷蒸發(fā)溫度較高，制冷壓縮機(jī)的能量效率大幅提高；系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)，不僅能保證制冷機(jī)的主要性能，同時有檢漏系統(tǒng)提供易于查找和可靠的維修功能。

3 結(jié)語

輻射制冷系統(tǒng)與置換通風(fēng)空氣調(diào)節(jié)或其他系統(tǒng)組合，特別是采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)的半集中式空調(diào)系統(tǒng)，符合國家節(jié)能減排政策，具有廣闊的市場前景。基于節(jié)能和舒適性要求的輻射制冷及相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的研究價值。

項(xiàng)目名稱：基于節(jié)能和舒適性分析的輻射空調(diào)在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用研究（2019KJ07）。