基于全年能耗探討潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化方案

中國中元國際工程有限公司 劉 鑫 孫 苗 史晉明

0 引言

目前我國的醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)呈現(xiàn)快速、繁榮的發(fā)展趨勢，醫(yī)院建筑的新建、改擴(kuò)建工程迎來新一輪建設(shè)熱潮，而手術(shù)部是醫(yī)院建設(shè)的重中之重。據(jù)統(tǒng)計，手術(shù)部凈化空調(diào)能耗約占醫(yī)院空調(diào)能耗的30%[1]。在凈化空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，往往存在不同程度的冷熱抵消，造成巨大的能源浪費(fèi)，這些費(fèi)用最后都需要醫(yī)?；蚧颊叱袚?dān)，因此，降低手術(shù)部的能耗費(fèi)用事關(guān)民生。

國內(nèi)外的專家學(xué)者分別從設(shè)計和運(yùn)維等多個角度探討了降低手術(shù)部空調(diào)能耗的措施，但多以設(shè)計工況為分析前提。然而手術(shù)部空調(diào)能耗主要是由新風(fēng)負(fù)荷引起的，新風(fēng)負(fù)荷與室外空氣熱濕狀態(tài)參數(shù)密切相關(guān)。因此，有必要分析空調(diào)系統(tǒng)在全年不同室外氣象條件下的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而因地制宜、因時制宜地制定空調(diào)系統(tǒng)方案和運(yùn)行策略，盡可能避免冷熱抵消，充分利用室外自然冷源，減少能源的浪費(fèi)。

本文以手術(shù)部的凈化空調(diào)系統(tǒng)為研究對象，考慮到室外氣象參數(shù)對空調(diào)能耗的影響，將問題聚焦到重慶地區(qū)，基于全年能耗，對凈化空調(diào)系統(tǒng)的不同方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，并分析室內(nèi)設(shè)計溫濕度對能耗的影響。

1 重慶地區(qū)氣候特征

由于手術(shù)室一般位于建筑內(nèi)區(qū)，不存在外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而室內(nèi)的人員、設(shè)備、照明負(fù)荷相對穩(wěn)定，因此室外新風(fēng)成為影響手術(shù)部空調(diào)負(fù)荷波動的重要因素。室外空氣的溫濕度變化是影響新風(fēng)負(fù)荷的主要原因，也是制定空氣處理方案和冷熱源方案的主要依據(jù)，分析項(xiàng)目所在地室外空氣的熱濕變化規(guī)律是方案設(shè)計階段的重要內(nèi)容。為了研究項(xiàng)目所在地氣候特征，可在焓濕圖上將全年室外空氣狀態(tài)參數(shù)劃分為若干個熱濕區(qū)域[1-3]，通過分析每個分區(qū)的氣象特征，來研究空氣的熱濕參數(shù)對建筑熱環(huán)境和空調(diào)系統(tǒng)能效的影響。圖1為重慶地區(qū)全年室外空氣狀態(tài)參數(shù)的散點(diǎn)分布，其中全年逐時氣象參數(shù)來源于文獻(xiàn)[4]。

注：A～H、O為熱濕區(qū)域。圖1 重慶地區(qū)全年室外空氣狀態(tài)參數(shù)的散點(diǎn)分布

GB 50333—2002《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，潔凈手術(shù)室室內(nèi)設(shè)計溫度為22～25 ℃、相對濕度為40%～60%，而現(xiàn)行GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》[5]中修訂為溫度21～25 ℃、相對濕度30%～60%，綜合考慮實(shí)際工作中醫(yī)生對室內(nèi)溫濕度的要求，可以將溫度22～24 ℃、相對濕度30%～60%定為手術(shù)室的舒適區(qū)。在焓濕圖上，通過溫度22、24 ℃ 2條等溫線和相對濕度30%、60% 2條等相對濕度線，將全年室外空氣狀態(tài)參數(shù)劃分為9個熱濕分區(qū)，如圖1所示。由圖1可以看出濕度高是重慶地區(qū)室外空氣狀態(tài)的主要特征，高濕區(qū)域(C、D、E)累計時長為8 166 h(見表1)，占全年總時長的93.2%。較高的空氣濕度不利于凈化空調(diào)系統(tǒng)除濕，除濕后的再熱量是影響空調(diào)能耗的主要因素。

表1 重慶地區(qū)全年室外空氣狀態(tài)參數(shù)在各熱濕區(qū)域的累計時長

2 凈化空調(diào)系統(tǒng)方案

對于潔凈手術(shù)室，其空調(diào)系統(tǒng)方案主要是確定冷熱源和空氣處理過程。在規(guī)劃設(shè)計階段，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目所在地的氣候特征、手術(shù)部負(fù)荷特性，從系統(tǒng)可靠性、運(yùn)行成本等角度綜合考慮，制定合理的空調(diào)系統(tǒng)方案，尤其是運(yùn)行成本，它是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能性的直觀體現(xiàn)，也是業(yè)主關(guān)注的重點(diǎn)。

本文以重慶市某綜合醫(yī)院的Ⅰ級潔凈手術(shù)室為例，從經(jīng)濟(jì)性角度探討手術(shù)室凈化空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案。手術(shù)室潔凈等級為Ⅰ級，凈面積為50 m2，凈高為3 m，室內(nèi)人數(shù)取14人，新風(fēng)量指標(biāo)為20 m3/(h·m2)，則總新風(fēng)量為1 000 m3/h。為保證工作面平均風(fēng)速為0.20～0.25 m/s，送風(fēng)口出口風(fēng)速取0.34 m/s[6]，對于Ⅰ級手術(shù)室，送風(fēng)口面積為2.4 m×2.6 m，則總送風(fēng)量為8 400 m3/h。

由于手術(shù)室處于建筑內(nèi)區(qū)，無外窗外墻，可近似認(rèn)為無圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷，因此室內(nèi)熱濕負(fù)荷全年均為恒定值，熱濕比ε為定值?？照{(diào)冷熱負(fù)荷計算結(jié)果如表2所示。

2.1 冷熱源方案

根據(jù)潔凈手術(shù)室的使用要求，室內(nèi)溫濕度全年均需要維持在溫度22～24 ℃、相對濕度30%～60%范圍內(nèi)，因此凈化空調(diào)一般采用四管制系統(tǒng)，要求全年均能夠滿足同時供冷供熱，目前應(yīng)用較多的冷熱源配置方案如表3所示。對于加濕方式，常采用電熱式干蒸汽加濕。

表2 手術(shù)室熱濕負(fù)荷計算結(jié)果

表3 凈化空調(diào)冷熱源方案

2.2 空氣處理過程

對于手術(shù)室的空氣處理過程，理論上通過調(diào)整一次和二次回風(fēng)比例，可以避免再熱，但是在工程中很難通過自控精確調(diào)整一、二次回風(fēng)量，對自控系統(tǒng)整定和風(fēng)閥性能要求較高[7]。因此，在國內(nèi)不少地區(qū)，出于對自控及初投資的考慮，潔凈手術(shù)室往往采用一次回風(fēng)系統(tǒng)[8-9]。對于一次回風(fēng)系統(tǒng)，根據(jù)新風(fēng)處理方式的不同，通常有以下3種方案：1) 新風(fēng)無集中處理的一次回風(fēng)系統(tǒng)；2) 新風(fēng)集中處理的一次回風(fēng)系統(tǒng)；3) 溫濕度獨(dú)立控制系統(tǒng)。

本文以新風(fēng)無集中處理的一次回風(fēng)系統(tǒng)為例進(jìn)行詳細(xì)分析，夏季工況和冬季工況處理過程分別如圖2、3所示，此處的夏季工況處理過程泛指需要經(jīng)過除濕再熱的處理過程，而冬季工況處理過程泛指不需要經(jīng)過除濕再熱的處理過程。當(dāng)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為狀態(tài)點(diǎn)N對應(yīng)參數(shù)時，根據(jù)熱濕比線ε、室內(nèi)總冷負(fù)荷及總送風(fēng)量，可以確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i。室外新風(fēng)(狀態(tài)點(diǎn)W)與回風(fēng)(狀態(tài)點(diǎn)N)混合后為狀態(tài)點(diǎn)X，考慮風(fēng)機(jī)溫升1.4 ℃后為狀態(tài)點(diǎn)X′。其中狀態(tài)點(diǎn)N、i、機(jī)器露點(diǎn)L與室外空氣狀態(tài)參數(shù)無關(guān)，當(dāng)設(shè)計溫度為24 ℃、相對濕度為60%，且認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行時室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)恒定不變，則狀態(tài)點(diǎn)N、i、L的參數(shù)如表4所示。

圖2 夏季工況處理過程

圖3 冬季工況處理過程

表4 空氣狀態(tài)點(diǎn)參數(shù)

夏季工況，新風(fēng)與回風(fēng)混合后先經(jīng)表冷器處理到機(jī)器露點(diǎn)L，再加熱到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i。該過程存在冷熱抵消，能耗損失較大。冬季工況，新風(fēng)與回風(fēng)混合并考慮風(fēng)機(jī)溫升后到狀態(tài)點(diǎn)X′，經(jīng)表冷(或加熱)處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的等溫狀態(tài)點(diǎn)X1，再通過電熱加濕至狀態(tài)點(diǎn)i，該過程不存在冷熱抵消。

可以看出，夏季工況中存在嚴(yán)重的冷熱抵消，能耗遠(yuǎn)大于冬季工況的能耗，從節(jié)能角度考慮，應(yīng)盡可能減少夏季工況的運(yùn)行時間。在實(shí)際運(yùn)行中，凈化空調(diào)機(jī)組采用四管制，在其回水管上設(shè)置自動平衡電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)回風(fēng)的溫濕度調(diào)節(jié)閥門的開度，并采用濕度優(yōu)先模式，根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)再熱量。由于手術(shù)室的凈化空調(diào)全年運(yùn)行，冬季工況與夏季工況并不存在明確的季節(jié)工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)，這對空調(diào)全年能耗的計算造成一定的困難。

為了準(zhǔn)確計算非設(shè)計工況下凈化空調(diào)系統(tǒng)的制冷量、制熱量，尤其是在3、4、10、11月過渡季，對于空氣處理過程的判定尤為重要。從圖2、3可以看出，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計狀態(tài)點(diǎn)N確定后，狀態(tài)點(diǎn)i和L也隨即確定，凈化空調(diào)機(jī)組的熱濕處理是將混合狀態(tài)點(diǎn)X處理到狀態(tài)點(diǎn)i。當(dāng)新風(fēng)與回風(fēng)的混合點(diǎn)X的含濕量大于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i的含濕量時，需要先經(jīng)表冷除濕，然后再熱到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i，即按夏季工況處理；當(dāng)新風(fēng)與回風(fēng)的混合點(diǎn)X的含濕量小于等于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i的含濕量時，需要先經(jīng)表冷(或加熱)，然后等溫加濕到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i，即按冬季工況處理。

根據(jù)表4可知，當(dāng)室內(nèi)設(shè)計溫度為24 ℃、相對濕度為60%時，送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i的含濕量為11.5 g/kg，新風(fēng)與回風(fēng)的混合點(diǎn)X的含濕量計算為dX=dN-(dN-dW)LW/LZ(LW為新風(fēng)量，m3/h;LZ為總送風(fēng)量，m3/h；dW為室外空氣的含濕量，g/kg；dN為室內(nèi)空氣的含濕量，g/kg；dX為混合空氣的含濕量，g/kg)。

當(dāng)混合點(diǎn)X的含濕量dX>di時，應(yīng)按夏季工況處理，即圖4所示的室外空氣狀態(tài)點(diǎn)與回風(fēng)混合后含濕量大于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)i的含濕量11.5 g/kg，按夏季工況計算制冷量、制熱量；當(dāng)dX≤di時，按冬季工況處理，即圖5所示的室外空氣狀態(tài)點(diǎn)與回風(fēng)混合后含濕量小于等于11.5 g/kg，按冬季工況計算制冷量、制熱量。

圖4 按夏季工況處理的室外狀態(tài)點(diǎn)

圖5 按冬季工況處理的室外狀態(tài)點(diǎn)

在手術(shù)室全年能耗計算時，考慮醫(yī)院手術(shù)部運(yùn)行時間為08:00—17:00，午間休息1 h，全天運(yùn)行8 h，對全年工作時間內(nèi)各狀態(tài)點(diǎn)的處理過程進(jìn)行統(tǒng)計，需按夏季工況處理的室外狀態(tài)點(diǎn)累計總時長為1 771 h，按冬季工況處理的室外狀態(tài)點(diǎn)累計總時長為1 149 h，夏季工況和冬季工況逐月累計分布時長統(tǒng)計分別見圖6、7。

圖6 夏季工況逐月累計分布時長統(tǒng)計

圖7 冬季工況逐月累計分布時長統(tǒng)計

3 單位面積年度耗電量計算

為了綜合對比不同冷熱源方案的能耗情況，同時方便與其他類型建筑的能耗作對比，考慮將建筑使用中實(shí)際消耗的各種能源按能量的當(dāng)量值或等價值進(jìn)行換算。本文將冷量、熱量及加濕量統(tǒng)一折算為耗電量，并將單位面積年度耗電量作為經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)，其中折算系數(shù)由空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源形式及加濕方式確定。

凈化空調(diào)系統(tǒng)的耗電量由冷熱源、輸送系統(tǒng)及末端空調(diào)機(jī)組3個部分組成。以單位面積年度耗電量為目標(biāo)函數(shù)，其表達(dá)式為

(1)

式中Pz為系統(tǒng)單位面積年度耗電量，kW·h/(m2·a)；Py為系統(tǒng)冷熱源年總耗電量，kW·h/a；Pb為系統(tǒng)輸送水泵年總耗電量，kW·h/a；Pm為系統(tǒng)空調(diào)末端年總耗電量，kW·h/a；S為手術(shù)區(qū)建筑面積，m2。

凈化空調(diào)系統(tǒng)冷熱源年總耗電量包括冷源和熱源的耗電量，其常見形式主要有冷水機(jī)組、四管制空氣源熱泵機(jī)組、燃?xì)忮仩t、電加熱、電熱式加濕器等，冷熱源總耗電量應(yīng)為各部分耗電量之和，以表3所示的冷熱源方案1為例，冷熱源年總耗電量按式(2)計算：

(2)

式中qc為τ時刻的空調(diào)系統(tǒng)所需冷量，kW；qr為τ時刻的空調(diào)系統(tǒng)所需熱量，kW；w為τ時刻的空調(diào)系統(tǒng)所需加濕量，kg/h；R為天然氣熱值，取35 590 kJ/m3；η為鍋爐熱效率；λ為天然氣消耗量與電功率的折算系數(shù)；Qr為水的汽化潛熱，kJ/kg；c為水的比熱容，取4.2 kJ/(kg·C)；t0為加濕用自來水初始溫度，℃。

冷源的耗電量主要是指冷水機(jī)組的耗電量，根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[10]，夏熱冬冷地區(qū)的水冷螺桿式冷水機(jī)組COP取4.8，空氣源熱泵機(jī)組的制冷COP取3.0，制熱COP取2.0，則根據(jù)總冷熱量和COP值，可近似估算冷水機(jī)組的耗電量。

對于熱源，當(dāng)采用電加熱時，再熱量即為耗電量；當(dāng)采用四管制空氣源熱泵時，夏季再熱量為回收的冷凝熱，不需要額外耗電，僅需考慮熱水泵的耗電量；當(dāng)采用燃?xì)忮仩t加熱時，消耗的燃?xì)饬靠烧鬯銥楹碾娏?。對于重慶地區(qū)，根據(jù)重慶市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DBJ 50-052—2020《公共建筑節(jié)能(綠色建筑)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第8.1.7條及其條文解釋，在計算空調(diào)工程總耗電量時，燃料消耗可折算為電量，即每消耗1 m3天然氣折算耗電量為3.33 kW·h。如所需熱量為1 000 kW·h，取鍋爐效率93%，天然氣熱值35 590 kJ/m3，則消耗燃?xì)饬繛?06.5 m3，折算耗電量為354.65 kW·h。

系統(tǒng)輸送水泵的年總耗電量主要包括冷水泵耗電量與熱水泵耗電量，如式(3)所示。根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，設(shè)計工況下，循環(huán)水泵總功率與設(shè)計冷(熱)負(fù)荷的比值為耗電輸熱比，因此可以根據(jù)耗電輸熱比的限值和設(shè)計冷(熱)負(fù)荷近似計算循環(huán)水泵總功率，再對時間進(jìn)行積分，即可計算循環(huán)水泵的耗電量。

(3)

式中Ec為耗電輸冷比；Eh為耗電輸熱比。

空調(diào)末端的年總耗電量主要指空調(diào)機(jī)組的耗電量，風(fēng)機(jī)功率可由送風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)機(jī)效率計算得到，對時間進(jìn)行積分可計算年總耗電量，如式(4)所示。其中送風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)道的阻力包括進(jìn)風(fēng)口、各級過濾器、閥門、風(fēng)道及彎頭、三通等，本文實(shí)例中取風(fēng)機(jī)全壓1 315 Pa，風(fēng)機(jī)全效率比70%，則當(dāng)送風(fēng)量為8 400 m3/h時，風(fēng)機(jī)的計算功率值為5.26 kW。

(4)

式中Ls為空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)量，m3/h；p為空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)全壓，Pa；ηs為空調(diào)機(jī)組的風(fēng)機(jī)的全效率。

當(dāng)室內(nèi)設(shè)計溫度為24 ℃、相對濕度為60%時，將室外空氣全年逐時的狀態(tài)參數(shù)作為輸入條件，可計算出凈化空調(diào)系統(tǒng)逐時的冷負(fù)荷、熱負(fù)荷及加濕負(fù)荷，對上述逐時負(fù)荷進(jìn)行時間積分，即可計算出凈化空調(diào)系統(tǒng)全年的累計冷量、熱量及加濕量，表5為重慶市某綜合醫(yī)院的Ⅰ級潔凈手術(shù)室全年累計冷(熱)量計算結(jié)果。

表5 重慶某綜合醫(yī)院凈化空調(diào)系統(tǒng)全年累計冷量、熱量、加濕量

當(dāng)空氣處理過程采用新風(fēng)無集中處理的一次回風(fēng)系統(tǒng)方案時，采用表3所示的3種冷熱源方案，對應(yīng)的單位面積耗電量及年運(yùn)行費(fèi)用計算見表6，方案1采用傳統(tǒng)冷熱源(電制冷機(jī)組和鍋爐)，其單位面積耗電量為822 kW·h/(m2·a)，年運(yùn)行費(fèi)用為34 113元。相比于方案1，方案2運(yùn)行成本增加48.0%，方案3運(yùn)行成本降低11.6%。方案2增加的運(yùn)行成本主要是由于夏季工況的電加熱引起的，雖然采用電加熱系統(tǒng)配置簡單，控制方便，但是能耗較大，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。方案3中四管制空氣源熱泵的制冷性能系數(shù)低于水冷冷水機(jī)組，因此制冷機(jī)組的耗電量略高于方案1，但是由于四管制空氣源熱泵能夠回收冷凝熱，再熱負(fù)荷無需消耗額外電能，其綜合能耗略低于方案1，是一種比較節(jié)能的方案。

4 室內(nèi)設(shè)計溫濕度對空調(diào)能耗的影響

根據(jù)GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的手術(shù)室的室內(nèi)設(shè)計溫濕度(溫度21～25 ℃，相對濕度30%～60%)、為了便于分析室內(nèi)設(shè)計溫濕度對空調(diào)能耗的影響，此處空調(diào)冷熱源均按四管制空氣源熱泵作為凈化空調(diào)的冷熱源考慮。表7統(tǒng)計了不同室內(nèi)設(shè)計溫濕度下的單位面積耗電量。

表6 不同冷熱源方案的單位面積耗電量與運(yùn)行費(fèi)用

表7 不同室內(nèi)設(shè)計溫濕度下的單位面積耗電量 kW·h/(m2·a)

可以看出，提高室內(nèi)設(shè)計溫度和相對濕度，均能降低單位面積耗電量。當(dāng)室內(nèi)設(shè)計溫度為24 ℃，相對濕度由60%降至30%時，單位面積耗電量增加了117%，相對濕度每降低10%，單位面積耗電量平均增加39%；當(dāng)相對濕度為60%，室內(nèi)溫度由25 ℃降至21 ℃時，單位面積耗電量僅增加了8.0%，室內(nèi)溫度每降低1 ℃，單位面積耗電量平均增加2%?？梢钥闯鱿鄬穸葘挝幻娣e耗電量的影響遠(yuǎn)大于溫度。因此在重慶地區(qū)，在滿足規(guī)范和醫(yī)療衛(wèi)生要求的前提下，提高室內(nèi)設(shè)計相對濕度，可以降低凈化空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

5 結(jié)論

1) 高濕度是重慶地區(qū)室外空氣狀態(tài)的主要特征，高濕狀態(tài)在全年總時長中占比為93.2%。較高的空氣濕度不利于凈化空調(diào)系統(tǒng)除濕，此外除濕后的再熱量是影響空調(diào)能耗的主要因素。

2) 新風(fēng)與回風(fēng)混合點(diǎn)的含濕量可作為空氣處理工況的判定條件，當(dāng)混合點(diǎn)含濕量大于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)含濕量時，可按夏季工況計算冷熱負(fù)荷；當(dāng)混合點(diǎn)含濕量值不大于送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)含濕量時，可按冬季工況計算冷熱負(fù)荷。

3) 夏季工況處理過程存在冷熱抵消，能耗較大，采用四管制空氣源熱泵機(jī)組回收冷凝熱相比于傳統(tǒng)的冷熱源方案具有一定的節(jié)能效果，此外應(yīng)謹(jǐn)慎使用電加熱作為再熱熱源。

4) 室內(nèi)設(shè)計溫度和濕度的不同，改變了送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)在焓濕圖上的位置，進(jìn)而可以影響夏季工況和冬季工況的累計運(yùn)行時長，對于空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗影響較大，且相對濕度對能耗的影響遠(yuǎn)大于溫度。因此在重慶地區(qū)，在滿足規(guī)范和醫(yī)療衛(wèi)生要求的前提下，提高室內(nèi)設(shè)計相對濕度也是一項(xiàng)效果明顯的節(jié)能措施。