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洁净手术室净化空调系统温湿度独立控制方案探讨

2022年12月10日 20:13:08
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洁净手术室净化空调系统温湿度独立控制方案探讨插图

我国南北气候条件相差较大,手术室空调系统处理方案一直是设计人员关注的重点。虽然在过去十几年的洁净手术室建设中积累 了丰富经验,但在实际运行中仍然存在诸多问题,有待进一步研究, 以便提高我国洁净手术室整体建设水平。

本文就手术室空调系统处理方案进行讨论,根据笔者在手术室设计方面的经验,按照GB 50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》(以下简称《规范》)的要求,提出手术室空调系统温度湿度独立控制、新风湿度优先控制的方案,与同仁共同讨论。

手术室空调系统温度湿度独立控制、新风湿度优先控制方案特点特点是:各手术室新风空调系统集中处理,夏、冬季采用同一个送风状态点,新风机组控制手术室湿度,循环机组控制温度,且各手术室循环空调系统独立控制,使洁净手术部内各手术室温湿度达到设计标准。

洁净手术室空调系统方案现状
PRESENT SITUATION

根据调査,目前大多数洁净手术室空调系统的处理方案为:手术室新风空调系统集中处理,循环空调系统釆用一次回风或二次回风系统,温湿度实行冗余控制。由于医院手术室由不同级别的手术室组成,洁净度等级不同造成送风量相差很大,而且不同级别手术室的送风状态点不同,难以组成一个空调系统,或者说找不到集中新风空调系统的共同送风状态点。

为了满足不同级别手术室的使用要求,通常由新风空调系统集中处理新风,与手术室回风混合后送入循环空调箱内进行冷却、加热、加湿处理,循环空调系统采用一次回风加再热系统(见图1),这是一种所需风量与温湿度耦合的处理方案,也是最传统、最成熟,但最耗能的方案。其最大的缺陷是没有将温度和湿度分开独立控制, 当负荷变化时,或者不同级别的手术室温湿度变化时,各手术室温 湿度(尤其是相对湿度)很难达到《规范》中技术指标的要求,在实际应用中也证明了这一点,如出现手术室湿度超标、能耗大等问题。

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一次回风加再热系统方案的空调系统耗冷量

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典型冗余控制空调系统图

洁净手术室空调系统方案确定
WORK SUMMARY
1.洁净手术室空调方案
AIRCONDITIONER

为了有效控制洁净手术室环境,实现手术室空调系统节能的目的,《规范》第8.1.1条规定,“洁净空调系统应使洁净手术部整体处于受控状态,并应使各洁净手术室灵活运行“;第8.1.3条规定,“I、II级洁净手术室与负压手术室应每间釆用独立净化空调系统, III、IV级洁净手术室可2~3间合用一个系统”;第8.1.6条规定,有条件时,宜釆用新风湿度优先控制模式”。根据《规范》要求, 洁净手术室空调系统应该由集中新风空调系统(新风机组)和手术 室空调系统(循环机组)共同组成,并且《规范》还强调了新风湿度优先控制与各手术室灵活使用的要求。

基于各洁净手术室的使用特点以及对《规范》的理解,洁净手术室空调系统应釆用集中新风空调系统消除手术室内湿负荷,循环空调系统调节手术室内温度,2个系统分别对手术室内温度和湿度进行独立控制,使洁净手术部整体处于受控状态,各手术室灵活使用。

2.洁净手术室基本参数
PARAMETER
以上海一家三级甲等医院的洁净手术部为例,I级洁净手术室面积50㎡高3m,装备有麻醉机、呼吸机、电刀等医疗设备。洁净手术室设计要求为:室内温度t=24°C,相对湿度=50%,手术室 人员14人,手术室设在3层,上层为技术夹层。经计算,手术室内冷负荷为7.4 kW,湿负荷为2.3kg/h,根据《规范》技术指标要求, I级洁净手术室控制区送风量为10000m³/h,最小新风量为1000m³/h,手术室控制区尺寸为2.6 mx2.4 m,正压风量为500m³/h,排风量为500m³/h。

3.洁净手术室空调系统温度湿度独立控制方案
INDEPENDENT CONTROL  
根据以上阐述,洁净手术部净化空调系统釆用温度湿度独立控制(见下图),其特点是:洁净手术部内各手术室新风处理后状态点相同,并且是恒定的。各手术室循环空调系统自成独立系统,而且各手术室也可以灵活使用。

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温度湿度独立控制空调系统图

洁净手术部新风集中设置,有利于满足各手术室的正压要求,保证各手术室的压力梯度。循环空调系统保证手术室的洁净度,避免空气交叉感染。排风釆用独立系统,并且与手术室自动门联锁,当手术室门关闭时排风系统自动开启,使手术室始终处于正压受控状态,各手术室也可以灵活使用。

由于新风空调系统承担手术室内全部湿负荷,新风空调箱冷却盘管的冷却除湿能力加大,要求进表冷器的冷水温度降低。当表冷器冷水进水温度达不到要求时,可釆用直接蒸发冷却器进行二级冷却处理。

4.洁净手术室空调送风状态点确定
STATUS POINT

洁净手术部(室)基本没有外围护结构,属于建筑物内区,其室内热湿负荷几乎不受外界气候条件等因素的影响,因此手术室内人员数量、照明强度、状态点相同并且是恒定的,各手术室循环空调系统自成独立系统,而且各手术室也可以灵活使用。

荷几乎不受外界气候条件等因素的影响,因此手术室内 人员数量、照明强度、医疗设备发热量是影响手术室热湿负荷变化 的主要因素,这也反应了手术室负荷的特点,即湿负荷相对稳定, 而冷热负荷瞬间变化较大。根据《规范》技术指标要求计算得出I级洁净手术室送风量L=10000m³/h,热湿比e=1100kf/kg,手术室送风量是一个定量,因此送风状态点也就确定了。

通过计算,送风状态点比焓45.76KJ/kg。

5.洁净手术室的h-d图分析
WORK SUMMARY
洁净手术部新风集中处理,新风处理到公共状态点(其含湿量小于手术室内含湿量), 循环空调系统各级别手术室分别独立处理。
夏季,新风处理到L1点(公共状态点),新风处理状态点由do=dn—W/1.2L(其中 do 为送风含湿量,dn 为室内含湿量,W为湿负荷)确定。由于手术室的湿负荷主要是人员散湿,在手术过程中,室内人员是固定的,因此室内湿负荷基本恒定,所以L1 点基本是固定的。由于Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ级手术室湿负荷不同,因此含湿量差 Δd 也不同,确定的公共状态点能保证不同级别手术室的室内温湿度在《规范》许可范围内即可。
由于新风需从W点处理到 L1 点,一级表冷器往往难以实现,因此通常采用两级表冷器来处理,第一级表冷器将新风由W点冷却到 L点(一般为室内状态点的等焓线与相对湿度95%线的交点),第二级表冷器将新风由 L 点冷却到 L1 点。由于两个表冷器处理后的出风温度不同,所以其所需的冷水进水温度也不同(通常表冷器冷水进水温度比出风温度低 4 ℃左右)。在一个集中空调系统内要提供两种不同的冷水温度,水系统比较复杂也不太经济,通常第一级表冷器采用集中空调系统提供冷源(或采用独立冷源——多功能热泵),第二级表冷器采用直接蒸发盘管。
根据各手术室的控制调节需要,需将新风从 L1 点加热至 T 点,循环风由 N 点冷却到 K 点,与处理到 T 点的新风在手术室送风静压箱(送风天花)内混合到O点后送入手术室内。
此方案新风空调箱承担了降温除湿功能,循环空调箱在干工况状态下运行,可减少细菌滋生繁殖,对控制手术室内无菌环境十分有利,而且简化了空调系统控制。当手术室内显热变化时,控制循环空调箱进行加热或降温处理,而且循环空调箱控制温度反应速度
较快,控制精度也较高。夏季处理过程h-d图见下图。

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温湿度独立控制夏季处理过程h-d图

冬季,新风从W点加热到H点(在L1点的等温线上),再等温加湿到与公共状态点 L1,并根据各手术室的控制调节需要,将新风从 L1 点加热至 T 点,循环风加热到 M 点,与加热至 T 点的新风在手术室送风静压箱内混合到O点后送入手术室内。新风空调箱承担加热、加湿功能。当手术室进行制热或制冷功能转换时,新风的共同送风状态点始终维持不变,空调系统转换简单,使用灵活方便。
综上所述,新风空调箱对新风进行冷却、再热(夏季)或加热、加湿(冬季)处理到一个共同的送风状态点,循环空调箱对室内回风进行冷却(加热)处理;集中新风系统与室内循环系统互不干扰,控制系统稳定可靠。

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温湿度独立控制冬季处理过程 h-d图

洁净手术室空调系统温度湿度独立控制实现
INDEPENDENT CONTROL
 洁净手术室空调系统温度湿度独立控制实现通过以上分析可知,在洁净手术部实现温度湿度独立控制的关键是:手术室温湿度有一个允许偏差范围(符合《规范》要求),且各手术室均有一个合适的新风处理状态点(公共点),并且新风系统能带走系统内所有湿负荷。满足以上三个条件,温度湿度独立控制方案可在医院手术部空调系统中推广使用。
以上海一家三甲医院的洁净手术部为例,洁净手术部内有Ⅰ级手术室 2 间、Ⅱ级手术室 2 间、Ⅲ级手术室 12 间,各洁净手术室设计参数见表2,

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表 洁净手术室设计参数

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表 夏季各级手术室空调耗冷量。

由上表可以看出,手术部内不同级别手术室的温湿度均有一个允许偏差范围(t=21~ 25 ℃,φ=30%~0%),各手术室热湿比相差不大(ε 约在 11000~12000kJ/kg之间),且新风集中处理后的机器露点(10 ℃)能满足各级手术室的除湿要求。由此可见,手术部内各手术室均满足以上三个基本条件,可以采用温度湿度独立控制、新风湿度优先控制模式。

通过以上分析可知,在洁净手术部实现温度湿度独立控制的关键是:手术室温湿度有一个允许偏差范围(符合《规范》要求), 且各手术室均有一个合适的新风处理状态点(公共点),并且新风系统能带走系统内所有湿负荷。满足以上三个条件,温度湿度独立控制方案可在医院手术部空调系统中推广使用。

空调系统温湿度独立控制方案节能分析
ENERGY CONVERSATION

目前手术室空调系统广泛釆的一次回风加再热系统或二次回风系统,是一种不节能的空调系统。温度湿度独立控制、新风湿度先控制是一种节能模式。从h-d图上分析,从L1点加热到T点,可利用余热、废热进行加热,如可釆用多功能热泵机组的回收热,也可以釆用直接蒸发冷却器的冷凝热,实现真正意义上的节能。

以上海一家三甲医院洁净手术部的16间洁净手术室为例,将传统的一次回风加再热方案和温度湿度独立控制方案进行比较,结果如表所示。

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经计算,医院16间洁净手术室,釆用一次回风加再热方案,总冷量约为439kW,每年运行1500h,年耗能65.85万kW-h电;釆用温湿度独立控制方案,总冷量约为281kW,每年运行1500 h,年耗能42.15万kW-h电。两方案比较,后者比前者每年少用电 23.7万kW-h,节能率约为36%。

目前笔者所在单位设计的洁净手术部空调系统放弃了一次回风加再热方案,釆用温度湿度独立控制、新风湿度优先控制方案。冷热源釆用四管制多功能空气源热泵,取消空调箱内电加热,利用多功能空气源热泵余热作为再加热热源,节约了大量能源。通过几年 的实际运行,取得了较好的节能效果。

结论
CONCOLUTION

目前洁净手术室空调方案釆用新风集中处理、一次回风加再热模式,是一种十分耗能的方案,二次回风系统虽然可降低一部分能耗,但控制调节困难,常常需要采用辅助电加热器调节,实行运行节能效率并不显著。

温度湿度独立控制、新风湿度优先控制空调系统特别适宜发湿量比较稳定、温湿度控制精度要求不太高的手术室。

空调系统釆用温度湿度独立控制,新风空调系统带走手室内全部湿负荷,循环空调系统承担室内冷热负荷,实现了真正意义上的新风湿度优先控制模式,而非传统的自动控制层面上的湿度 信号先行控制模式。

釆用温度湿度独立控制手术室空调系统,处理新风热湿负 荷时,要求有低于手术室内露点温度的低温冷水,而处理手术室内 热负荷时,仅要求冷水温度低于手术室内干球温度。

当洁净手术部空调系统无独立冷热源,需外部供给站接入, 冷水出水温度超过7 °C时,该空调系统方案新风第二级处理可釆用 直接蒸发冷却器;循环风冷却器可釆用较高温度的冷水,有利提高 冷水机组(热泵)的能效比。

洁净手术部空调系统釆用温度湿度独立控制、新风湿度优先控制模式,控制系统简单,使用灵活方便,系统稳定可靠,与传统的一次回风空调方案相比更节能,对医院节能更具有积极意义。

参考文献:

[1]严建敏,王宵虹.医院I级洁净手术室空调系统优化方案[J].制 冷空调与电力机械,2004⑸

[2]沈晋明,聂一新.洁净手术室控制新技术:“湿度优先控制” [J]. 洁净与空调技术,2007(3)

[3]严建敏.洁净手术部节能设计——多功能热泵机组在洁净手术 室的应用[C]//全国净化学术年会2011年论文集,2011

[4]中国建筑科学研究院. GB 50333—2013医院洁净手术部建筑 技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014

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