張海波

溫濕度獨立控制系統(tǒng)在潔凈手術(shù)室的應用分析

張海波

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

簡要介紹溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)組成，并闡述了目前醫(yī)院手術(shù)室常規(guī)凈化空調(diào)系統(tǒng)及存在的主要問題，提出新的凈化空調(diào)系統(tǒng)解決方案——溫濕度獨立控制系統(tǒng)，以達到節(jié)能、環(huán)保的目的。

溫濕度；空調(diào)系統(tǒng)；潔凈手術(shù)室；能耗

0 引言

空調(diào)系統(tǒng)的任務主要包括排除室內(nèi)余熱、余濕、CO2、異味等，現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)，普遍采用熱濕耦合的控制方法。夏季，采用冷凝除濕方式（采用7℃的冷凍水）實現(xiàn)對空氣的降溫與除濕處理，同時去除建筑的顯熱負荷與潛熱負荷。經(jīng)過冷凝除濕處理后，空氣的濕度（含濕量）雖然滿足要求，但溫度過低，在有些情況下還需要再熱才能滿足送風溫濕度的要求。但在實際空調(diào)系統(tǒng)中，通常不采用再熱方法，而是直接將冷凝除濕后的空氣送入空調(diào)房間，即房間的溫濕度僅是由冷凝除濕方式進行處理。送風參數(shù)的控制采用溫度控制為主，即通過調(diào)節(jié)送風量與送風參數(shù)，以滿足室內(nèi)的溫度要求，不能同時滿足濕度要求，舒適性較差。

消除顯熱和潛熱對能源品位的需求是不相同的，常規(guī)系統(tǒng)統(tǒng)一處理顯熱和潛熱，提高了能源品位需求，降低了冷源的溫度，降低了系統(tǒng)的效率。

排除室內(nèi)余熱與排除CO2、異味所需要的新風量與變化趨勢一致，即可以通過新風同時滿足排余濕、CO2與異味的要求，而排除室內(nèi)余熱的任務則通過其他的系統(tǒng)（獨立的溫度控制方式）實現(xiàn)。由于無需承擔除濕的任務，因而可用較高溫度的冷源即可實現(xiàn)排除余熱的控制任務。

總結(jié)以上分析，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題主要有以下幾個方面：

（1）溫濕度同時處理的高能耗問題

常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中空氣處理采用熱濕聯(lián)合處理的方式，即冷凍水一般為7℃/12℃，而處理顯熱是不需要7℃的低溫水，為了除濕不得不將冷凍水溫度降低，同時為了達到空調(diào)的送風溫度，還需要將處理后的空氣再熱，存在冷熱抵消，造成能源浪費。

圖1 熱濕聯(lián)合處理的損失圖

（2）難以適應室內(nèi)熱濕比的變化

圖2 滿足除濕的空氣處理焓濕圖

圖3 滿足降溫的空氣處理焓濕圖

（3）對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響

圖4 相對濕度對人體健康影響

1 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)中，采用溫度與濕度兩套獨立的空調(diào)控制系統(tǒng)，分別控制、調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度與濕度，從而避免了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理所帶來的損失。由于溫度、濕度采用獨立的控制系統(tǒng)，可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的要求，避免了室內(nèi)濕度過高（或過低）的現(xiàn)象，同時提高了能源效率。

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的基本組成為：處理顯熱的系統(tǒng)（溫度控制系統(tǒng)）與處理潛熱的系統(tǒng)（濕度控制系統(tǒng)），兩個系統(tǒng)獨立調(diào)節(jié)分別控制室內(nèi)的溫度與濕度，如下圖所示。處理顯熱的系統(tǒng)包括：高溫冷源、余熱消除末端裝置，采用冷凍泵（水作為輸送媒介）、冷卻泵、冷卻塔等。由于除濕的任務由處理潛熱的系統(tǒng)承擔，因而顯熱系統(tǒng)的冷水供水溫度不再是常規(guī)冷凝除濕空調(diào)系統(tǒng)中的7℃，而是提高到17～18℃，從而為天然冷源的使用提供了條件，即使采用機械制冷方式，制冷機的性能系數(shù)也有大幅度的提高。余熱消除末端裝置可以采用輻射板、干式風機盤管等多種形式，由于供水的溫度高于室內(nèi)空氣的露點溫度，因而不存在結(jié)露的危險。

圖5 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設備組成

處理潛熱的系統(tǒng)，同時承擔去除室內(nèi)CO2、異味，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的任務。此系統(tǒng)由新風處理機組、送風末端裝置組成，采用新風作為能量輸送的媒介。在處理潛熱的系統(tǒng)中，由于不需要處理溫度，因而濕度的處理可能有新的節(jié)能高效方法。由于僅是為了滿足新風和濕度的要求，溫濕度獨立控制系統(tǒng)的風量，遠小于變風量系統(tǒng)的風量。

2 目前醫(yī)院手術(shù)室常規(guī)凈化空調(diào)系統(tǒng)及存在的主要問題

目前，醫(yī)院潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)普遍采用溫濕度耦合處理的方式，即夏季對室內(nèi)溫度和相對濕度的調(diào)節(jié)與控制均依靠于同一組空氣處理設備——表冷器，當室內(nèi)熱濕負荷變化不同步時，該系統(tǒng)采用的是一種先過調(diào)再補償?shù)姆桨福磳⑻幚砗蟮目諝膺M行再熱。根據(jù)新風處理方式的不同，上述溫濕度耦合處理方式有新風獨立處理和新風集中處理兩種。而常規(guī)的這種空調(diào)系統(tǒng)存在的主要問題有以下幾個方面：

2.1 空調(diào)冷源及冷源保障的問題

當前醫(yī)院潔凈手術(shù)室通常與建筑中其它空調(diào)房間共用一個集中冷源，同時自備獨立冷源滿足過渡季節(jié)的使用，也有一些手術(shù)室采用完全獨立的冷源。對于集中冷源的方案，由于供水溫度很難保障，因此造成無法采用新風集中除濕的節(jié)能方案，或造成手術(shù)室相對濕度無法控制。潔凈手術(shù)室的相對濕度的控制難度遠大于溫度的控制，難點主要來自水溫的控制。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)控制相對濕度的基本原理時通過表冷器降溫除濕處理，以消除室內(nèi)濕負荷，就除濕的原理而言，處理后的空氣溫度越低，其空氣的含濕量也就越小，空氣越干燥，而此時需要更低的冷水溫度來保障。一般對于一次回風系統(tǒng)，夏季冷水供水溫度的最高允許溫度是10℃。

若采用集中處理新風的方案，一般需要將空氣冷卻處理到12℃以下，這就要求必須保證供水溫度在8℃以下才可以。因此對于新風全部承擔濕負荷的集中處理新風的系統(tǒng)，夏季冷凍水供水溫度最高允許溫度為8℃。而對于一個醫(yī)院建筑全天候保證冷凍水供水溫度保持在10℃，甚至8℃以下是很困難的，特別是室外相對濕度較高的地區(qū)，此外，由于醫(yī)院醫(yī)療設備的增加及就診人數(shù)的增加帶來空調(diào)系統(tǒng)負荷的增加，也會出現(xiàn)整個建筑冷源負擔逐年加重的趨勢，因此大部分的工程會出現(xiàn)夏季高溫季節(jié)冷凍水溫度居高不下的情況，此時手術(shù)室相對濕度偏高就是自然的事情了。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)能耗的問題

潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的特點是換氣次數(shù)多、系統(tǒng)風量大、運行時間長，能耗大。以一間采用常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的百級手術(shù)室為例，空調(diào)的運行費用在20萬左右，已經(jīng)對手術(shù)室運行成本構(gòu)成重大影響，因此也引起院方對空調(diào)節(jié)能越來越多的關(guān)注與要求。

潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)能耗高的問題，除了其自身風量大、系統(tǒng)阻力部件多等客觀因素外，系統(tǒng)設計不合理造成的浪費也是無法回避的，其中包括：

（1）空氣過度冷卻

如上所述，常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)由于濕度控制的需要，在夏季空氣必須冷卻至12～14℃，但就手術(shù)室的溫度控制而言，夏季實際需求的送風溫度在18～20℃，由此過度冷卻造成的能耗十分可觀。

（2）空氣的再熱能耗

空氣的再熱能耗與過度冷卻是相伴而生的，夏季，為了控制室內(nèi)濕度，通常需要先將空氣冷卻到12～14℃，然后再采用再熱的措施，將空氣升溫至18～20℃再送入室內(nèi)，對于潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)而言，由于再熱多采用電加熱，因此其能耗比之過度冷卻造成的浪費更甚。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)濕表面的污染問題

由于除濕的需要，傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)中的表冷器在供冷季節(jié)永遠都是濕工況，即使采用新風集中處理或新風預處理的空調(diào)系統(tǒng)，由于供水溫度仍然是7℃，低于回風的露點，因此在循環(huán)機組中的冷盤管也無法實現(xiàn)干工況。對于濕表面因駐留灰塵，滋生細菌造成的空氣污染問題，目前沒有徹底的解決方案，常用的方法時在機組內(nèi)設置紫外燈管，通過長時間的照射殺菌，但由于紫外光只對被照射表面有效，因此對盤管深層部位的殺菌效果有限。

2.4 加濕器故障問題

潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)中，冬季多采用電極加濕的方式，電極的頻繁損壞和更換，是原理性的無法解決的隱患，同時也存在水質(zhì)差異造成的一些問題。

2.5 盤管防凍問題

新風機組中冷水盤管的冬季防凍問題，是北方寒冷地區(qū)空調(diào)用戶經(jīng)常遇到的問題，潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)也不例外，這一問題，除了從設備管理各借助控制系統(tǒng)采取一定的報警保護措施以外，當前沒有更為有效的辦法。

3 凈化空調(diào)系統(tǒng)解決方案——溫濕度度獨立控制系統(tǒng)

潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)承擔著排除室內(nèi)余熱、余濕，保障室內(nèi)潔凈度并改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的任務。潔凈手術(shù)室的溫濕度獨立控制系統(tǒng)，即獨立的新風系統(tǒng)承擔排除室內(nèi)余濕并改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的任務，由另一套獨立的空氣處理系統(tǒng)承擔排除室內(nèi)的余熱和保障潔凈度的任務，如圖6所示。

圖6 溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設備組成

目前溫濕度獨立控制系統(tǒng)在潔凈手術(shù)室中的應用有三種典型的形式，新風集中過濾、分散除濕的溫濕度獨立控制系統(tǒng)，新風集中過濾、集中除濕的溫濕度獨立控制系統(tǒng)，獨立新風的溫濕度獨立控制系統(tǒng)，三種系統(tǒng)形式特點及優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）新風集中過濾、分散除濕的溫濕度獨立控制系統(tǒng)

①可以徹底消除再熱帶來的能耗問題；

②每間手術(shù)室都可實現(xiàn)溫濕度獨立調(diào)節(jié)與控制；

③可以解決共用新風系統(tǒng)的潛在浪費問題；

④新風的集中過濾處理，對手術(shù)室及高效過濾器的保護更合理。

此系統(tǒng)較適用于手術(shù)室數(shù)量較多，機房相對集中的大中型潔凈手術(shù)室。

（2）新風集中過濾、集中除濕的溫濕度獨立控制系統(tǒng)

①可以徹底消除再熱帶來的能耗問題；

②每間手術(shù)室都可以實現(xiàn)溫度自調(diào)，濕度隨動；

③手術(shù)室不同時使用時，共用新風系統(tǒng)存在能源浪費的問題；

④新風的集中過濾處理，對手術(shù)室及高效過濾器的保護更合理。

此系統(tǒng)較適用于手術(shù)室數(shù)量較多、機房相對集中、手術(shù)室同時使用率較高的大中型潔凈手術(shù)室。

（3）獨立新風的溫濕度獨立控制系統(tǒng)

①可以徹底消除再熱帶來的能耗問題；

②每間手術(shù)室都可以實現(xiàn)溫濕度獨立控制調(diào)節(jié)；

③可以解決共用新風系統(tǒng)的潛在浪費問題；

④新風系統(tǒng)只設初效過濾，對手術(shù)室和高效過濾器的保護較差。

此系統(tǒng)較適用于手術(shù)室數(shù)量不多的小型手術(shù)室，安裝較分散的潔凈空調(diào)系統(tǒng)。

4 能耗分析

以北京地區(qū)Ⅰ級潔凈手術(shù)室為例進行不同系統(tǒng)方案的能耗分析。對傳統(tǒng)的新風集中處理，循環(huán)機組的一次回風系統(tǒng)和新風集中處理，循環(huán)風機加干盤管溫濕度獨立控制系統(tǒng)進行對比分析。手術(shù)室的面積為50m2，層高為3m，手術(shù)室的送風量為12000m3/h；新風量為1200m3/h，正壓>8Pa，手術(shù)室內(nèi)的人員總數(shù)為12人，照明照度為500Lx。經(jīng)過詳細的負荷計算可得手術(shù)室內(nèi)總顯熱負荷顯為3200W，潛熱負荷潛為2044W，濕負荷為2.7kg/h，進而確定送風溫差為0.8℃。

圖7 一次回風（MAU+RAU）的空氣處理方案流程圖

圖8 一次回風（MAU+RAU）的空氣處理方案

夏季：

新風機組冷量：

新=1200×1.2×(83.2-48.3)=14.0kW

循環(huán)機組冷量：

循=12000×1.2×(49.9-37.4)=50.0kW

再熱量：

再熱=12000×1.2×(23.2-13.5)=38.8kW

夏季耗電計算：COP按3.2，電費按1元/kWh計算，制冷按120天計算，手術(shù)室每天按10小時運行計算。

制冷耗電：=(14.0+50.0)/3.2=20.0kW

再熱耗電：=38.8kW

全年夏季制冷耗費：

=58.8×120×10×1=70560元/年

圖9 節(jié)能型潔凈手術(shù)室（MAU+FAN+DC）空氣處理方案流程圖

圖10 節(jié)能型潔凈手術(shù)室（MAU+FAN+DC）方案的空氣處理方案焓濕圖

夏季：

冷=1200×1.2×(83.2-35.7)=19.0kW

循冷=1.01×10800×1.2×0.5=1.8kW

再熱=0

夏季耗電計算（條件同前）：

制冷耗電：=(19.0+1.8)/3.2=6.5kW

再熱耗電：=0kW

全年夏季制冷耗費：

=6.5×10×120×1=7800元/年

通過對比分析，采用溫濕度獨立控制系統(tǒng)較常規(guī)系統(tǒng)更加節(jié)能，根據(jù)以上計算耗電節(jié)約88.9%，節(jié)能顯著。

5 結(jié)束語

近年來隨著我國醫(yī)院建設現(xiàn)代化與醫(yī)療技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)諸多醫(yī)院在建和新建的手術(shù)室數(shù)量與日俱增，隨之而來的能耗問題頁日益嚴峻，手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的設計也處于探索之中，雖然一些新的空調(diào)系統(tǒng)在相關(guān)的工程中有所應用，但如何讓手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)設計更合理、節(jié)能、環(huán)保、高效，還需要行業(yè)內(nèi)的人士繼續(xù)進行研究和探討。

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Analysis of the Application of Temperature and Humidity Independent Control System in Clean Operating Room

Zhang Haibo

( Gree Electric appliances, Inc of Zhuhai, Zhuhai, 519070 )

This article is to introduce the THIC system and what composed in this kind of Air conditioner system. And also lined up the main problem insisting in nowadays air-conditioning system of surgery room in hospital. Put forward a newly system design which can settle this problem perfectly and reached out to our common target: Energy saving and Environment friendly.

Temperature and Humidity; Air-conditioning System; Clean Surgery room; Energy consume

1671-6612（2021）03-407-05

TU831

A

張海波（1986-），男，本科，暖通（中級）工程師，E-mail：hkdhaibo@163.com

2020-12-16