洁净手术部空气处理的节能设计

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随着《医院洁净手术部建设标准》和《医院洁净手术部建筑技术规范》（以下简称《标准》和《规范》）的相继颁布实施，国内的洁净手术部空调设计和施工人员在迅速转变设计理念的同时，也提出了多种洁净手术部的空调系统方案。《标准》和《规范》对洁净手术部空调的气流组织规定较为详细明确，其主流区理论也得到了实践的证明和业界的认可，存在的争论相对较少。相反，本应是较为成熟的空气处理和输送方案却存在较多争论，国内几家大的医院净化工程公司也都形成了自己鲜明的空气处理“风格”。但是，这些方案往往都着重强调空气净化品质参数的控制，而忽略了空气处理过程的节能设计。笔者仔细分析了洁净手术部空调的主要特点和现有的几种系统，认为在满足洁净手术部的工艺要求前提下，洁净手术部空气处理过程还有很大的节能设计空间。
    2. 洁净手术部空调的主要特点

    2.1 洁净手术部空调的设计参数和精度要求

    受传统的工业净化空调和工艺空调要求恒温恒湿的影响，往往过分强调洁净手术部空调设计参数的控制精度。但是洁净手术部空调是生物净化空调，与工业净化空调和传统的工艺空调都有很大的区别，其工艺的主要保护对象是手术病人，更具体地说是手术切口，因此对温湿度的精度要求一般并不太高，而《规范》对洁净手术部用房的温度和相对湿度的设计范围分别为22~25℃和35~60%.

    2.2 洁净手术部的空调负荷特点

    洁净手术部的热湿负荷比较稳定。从建筑的布置上来看，除清洁走廊外，洁净手术部的大部分区域一般都没有直接的外围护结构，其室内热湿负荷几乎不受室外气候条件的影响，人员和医疗用电设备是室内热湿负荷的主要影响因素。

    2.3 洁净手术部的送风量特点

    为了满足洁净度的要求，洁净手术部对不同级别的洁净区域的送风量有严格要求。送风量比普通的舒适性空调大很多，并且要求送风量固定不变，送风温差由送风量和室内热湿负荷决定，一般比普通的舒适性空调小很多。

    3 现有的洁净手术部空气处理方案

    目前较为常用的手术部空气处理方案按照循环机组的回风次数可分为一次回风和二次回风（或旁通）两类。如果再结合各空气处理段的不同组合排序，其种类可达到数十种之多。限于篇幅和方便上下文的方案作比较，本文以某医院I级手术室为例，主要介绍现在最常用的一次回风处理方式，其设计参数如表一中手术室1 所示，其流程图如图一所示，空气处理焓湿图如图三A）和图四A）所示。以夏季工况为例，先将新风集中处理到室内等焓点LW，与回风混合后处理至L点，然后加热至K点，经风机升温至O点送入室内。由于I级手术室送风量很大，送风温差很小，因此从L点到K点需要大量的再热量，产生严重的冷热抵消。

    针对I级手术室系统的严重冷热抵消，也有个别净化工程公司尝试在I级手术室中使用二次回风，但终因控制方式不合理或控制系统复杂而难以实现，结果没有得到广泛应用。也有人提出用新风承担室内湿负荷来避免再热带来的冷热抵消，又可以使循环机组实现干工况运行的解决方案。这种思路从理论上可以实现，但在实际工程中却很难行得通：由于手术部中往往是多个手术室循环机组共用一个新风机组，在这种情况下，无法通过调节新风处理参数来适用个别手术室湿负荷增加产生的波动。定新风量因为无法预知湿负荷增加量而无法实现；变新风量势必导致自控系统复杂。另外，由于要求的供水温度过低等原因很难实现循环机组的绝对干工况运行。

    4 固定二次回风的洁净手术部空气处理方案

    针对以上情况，本文提出在洁净手术部空气处理过程中采用固定二次回风量的二次回风系统，其流程图如图二所示，空气处理焓湿图如图三B）和图四B）所示。这样按照实际热湿处理所需要的回风量来确定一次回风量，并全年固定此风量不变，既避免了大量的冷热抵消，又利于控制。同时，由于经过冷、热盘管的空气迎面风速大大降低，有利于热湿处理。循环机组的新风和总的回风都固定不变，在二次回风支路上设定风量阀，既可以起到固定一次回风和二次回风量的作用，又利于一次回风和二次回风的阻力平衡。

    手术室投入使用时，循环风机启动，同时联锁开启排风机、排风管和总回风管上的电动密闭阀。手术室不使用时，循环风机停止运转，同时联锁关闭排风机、排风管和总回风管上的电动密闭阀。其空气处理过程如下：

    4.1 夏季工况（图三B，设计工况）

    假定将新风预处理至室内等焓线与φ=90%的交点Lw，然后与一次回风混合后（C点）处理至L点，混合处理后的空气与二次回风混合到K点，经风机升温至O点送入室内。设计工况下的空气处理过程避免了冷热抵消现象，循环机组的制冷量理论上等于室内全热负荷加风机热量。点LW的确定可以根据实际情况灵活确定，以避免或减少不必要的冷热抵消或加湿去湿抵消过程；夏季及夏季过渡季较低的LW可以减轻循环机组冷盘管去湿的负担。



    4.2 冬季工况（图四B，设计工况）

    假定室内设计参数不变，将新风预热预处理至W‘点，然后与一次回风混合后降温处理至D点，然后加湿（干蒸汽）处理至L点。从图中还可以看出，W’点越高，所需冷量越大，另外，W‘点越高，其相对湿度越低，过低的相对湿度容易使新风在输送过程中产生静电。因此，W’点不宜过高，但不应低于最低值班温度（5℃）。

    5. 固定二次回风系统的节能分析

    现以上海某医院洁净手术室空气处理为例，通过计算对一次回风系统和固定二次回风系统进行能耗分析比较，按照控制方式不同，每种系统又分为“露点”和“非露点”控制。其设计参数见表一，计算比较结果见表二和表三。

    5.1 夏季工况

    从表二可以看出，在夏季设计工况下，对I级手术室，采用二次回风系统可以节省168%（24.5kW）的制冷量，同时可以避免24.5kW的再热量； II级手术室可以节省88%（7.4kW）的制冷量，同时可以避免7.4kW的再热量；III级手术室可以节省22%（1.6kW）的制冷量，同时可以避免1.6kW的再热量；IV级手术室可以节省14%（0.7kW）的制冷量，同时可以避免0.7kW的再热量。由于手术室的负荷随级别的降低不如送风量降得快，因此，越是高级别的手术室产生冷热抵消现象越严重。I级和II级手术室利用定二次回风系统的节能效果非常明显，随着循环风量的迅速减小，更低级别的手术室利用二次回风的节能空间也变得越来越小。

    5.2 冬季工况

    从图四可以看出，如果采用“非露点”控制，对于一次回风系统和二次回风系统都不会出现冷热抵消，二者能耗一样。如果采用“露点”控制，对于二次回风，在冬季设计工况下与“非露点”控制能耗一样；对于一次回风，冬季也会出现冷热抵消现象——从C点冷却至D‘点，蒸汽加湿至L点，然后再热至K点。从表三可以看出，在冬季设计工况下，如果采用“露点”控制，相对于一次回风系统，二次回风系统可以节省与表二夏季工况下相同量的冷量和热量。

    6. 结论

    通过以上分析可以看出，固定二次风的二次回风系统用在洁净手术部空气处理过程中可以达到节能目的，级别越高，节能效果越明显，I级和II级手术室夏季工况冷量可节省168%（24.5kW）和88%（7.4kW），并可避免等量的再热量；冬季工况若采用“露点”控制，I级和II级手术室冬季工况冷量可节省404%（24.5kW）和487%（7.4kW），并可避免等量的再热量。其自动控制也并不比一次回风麻烦，同时相对于一次回风系统，二次回风系统中热湿处理的风量大大减少，降低送风机所需压头。另外，由于在加湿器后增加了二次回风段，可使加湿器与风机段保持一定距离，有利于避免过滤器和电机受潮，从I~IV级手术室i-d图可知引入二次回风混合后的送风相对湿度小于75%，符合《规范》7.3.1-7条的要求。