溫濕度獨立控制系統在潔凈手術室的應用分析

張海波

溫濕度獨立控制系統在潔凈手術室的應用分析

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系統的原理及系統組成，并闡述了目前醫院手術室常規凈化空調系統及存在的主要問題，提出新的凈化空調系統解決方案——溫濕度獨立控制系統，以達到節能、環保的目的。

溫濕度；空調系統；潔凈手術室；能耗

0 引言

空調系統的任務主要包括排除室內余熱、余濕、CO2、異味等，現有的空調系統，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。但在實際空調系統中，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。送風參數的控制采用溫度控制為主，即通過調節送風量與送風參數，以滿足室內的溫度要求，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，常規系統統一處理顯熱和潛熱，提高了能源品位需求，降低了冷源的溫度，降低了系統的效率。

排除室內余熱與排除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，而排除室內余熱的任務則通過其他的系統（獨立的溫度控制方式）實現。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排除余熱的控制任務。

總結以上分析，常規空調系統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

常規空調系統中空氣處理采用熱濕聯合處理的方式，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 熱濕聯合處理的損失圖

（2）難以適應室內熱濕比的變化

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）對室內空氣品質的影響

圖4 相對濕度對人體健康影響

1 溫濕度獨立控制空調系統

溫濕度獨立控制空調系統中，采用溫度與濕度兩套獨立的空調控制系統，分別控制、調節室內的溫度與濕度，從而避免了常規空調系統中熱濕聯合處理所帶來的損失。由于溫度、濕度采用獨立的控制系統，可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求，克服了常規空調系統中難以同時滿足溫、濕度參數的要求，避免了室內濕度過高（或過低）的現象，同時提高了能源效率。

溫濕度獨立控制空調系統的基本組成為：處理顯熱的系統（溫度控制系統）與處理潛熱的系統（濕度控制系統），兩個系統獨立調節分別控制室內的溫度與濕度，如下圖所示。處理顯熱的系統包括：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承擔，因而顯熱系統的冷水供水溫度不再是常規冷凝除濕空調系統中的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空氣的露點溫度，因而不存在結露的危險。

圖5 溫濕度獨立控制空調系統設備組成

處理潛熱的系統，同時承擔去除室內CO2、異味，以保證室內空氣質量的任務。此系統由新風處理機組、送風末端裝置組成，采用新風作為能量輸送的媒介。在處理潛熱的系統中，由于不需要處理溫度，因而濕度的處理可能有新的節能高效方法。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的風量，遠小于變風量系統的風量。

2 目前醫院手術室常規凈化空調系統及存在的主要問題

目前，醫院潔凈手術室空調系統普遍采用溫濕度耦合處理的方式，即夏季對室內溫度和相對濕度的調節與控制均依靠于同一組空氣處理設備——表冷器，當室內熱濕負荷變化不同步時，該系統采用的是一種先過調再補償的方案，即將處理后的空氣進行再熱。根據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。而常規的這種空調系統存在的主要問題有以下幾個方面：

2.1 空調冷源及冷源保障的問題

當前醫院潔凈手術室通常與建筑中其它空調房間共用一個集中冷源，同時自備獨立冷源滿足過渡季節的使用，也有一些手術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能方案，或造成手術室相對濕度無法控制。潔凈手術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。常規空調系統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，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，夏季冷凍水供水溫度最高允許溫度為8℃。而對于一個醫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，此外，由于醫院醫療設備的增加及就診人數的增加帶來空調系統負荷的增加，也會出現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夏季高溫季節冷凍水溫度居高不下的情況，此時手術室相對濕度偏高就是自然的事情了。

2.2 空調系統能耗的問題

潔凈手術室空調系統的特點是換氣次數多、系統風量大、運行時間長，能耗大。以一間采用常規空調系統的百級手術室為例，空調的運行費用在20萬左右，已經對手術室運行成本構成重大影響，因此也引起院方對空調節能越來越多的關注與要求。

潔凈手術室空調系統能耗高的問題，除了其自身風量大、系統阻力部件多等客觀因素外，系統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，常規空調系統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，對于潔凈手術室空調系統而言，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 空調系統濕表面的污染問題

由于除濕的需要，傳統空調系統中的表冷器在供冷季節永遠都是濕工況，即使采用新風集中處理或新風預處理的空調系統，由于供水溫度仍然是7℃，低于回風的露點，因此在循環機組中的冷盤管也無法實現干工況。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

潔凈手術室空調系統中，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，是北方寒冷地區空調用戶經常遇到的問題，潔凈手術室空調系統也不例外，這一問題，除了從設備管理各借助控制系統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 凈化空調系統解決方案——溫濕度度獨立控制系統

潔凈手術室空調系統承擔著排除室內余熱、余濕，保障室內潔凈度并改善室內空氣品質的任務。潔凈手術室的溫濕度獨立控制系統，即獨立的新風系統承擔排除室內余濕并改善室內空氣品質的任務，由另一套獨立的空氣處理系統承擔排除室內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系統設備組成

目前溫濕度獨立控制系統在潔凈手術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，新風集中過濾、集中除濕的溫濕度獨立控制系統，獨立新風的溫濕度獨立控制系統，三種系統形式特點及優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）新風集中過濾、分散除濕的溫濕度獨立控制系統

①可以徹底消除再熱帶來的能耗問題；

②每間手術室都可實現溫濕度獨立調節與控制；

③可以解決共用新風系統的潛在浪費問題；

④新風的集中過濾處理，對手術室及高效過濾器的保護更合理。

此系統較適用于手術室數量較多，機房相對集中的大中型潔凈手術室。

（2）新風集中過濾、集中除濕的溫濕度獨立控制系統

①可以徹底消除再熱帶來的能耗問題；

②每間手術室都可以實現溫度自調，濕度隨動；

③手術室不同時使用時，共用新風系統存在能源浪費的問題；

④新風的集中過濾處理，對手術室及高效過濾器的保護更合理。

此系統較適用于手術室數量較多、機房相對集中、手術室同時使用率較高的大中型潔凈手術室。

（3）獨立新風的溫濕度獨立控制系統

①可以徹底消除再熱帶來的能耗問題；

②每間手術室都可以實現溫濕度獨立控制調節；

③可以解決共用新風系統的潛在浪費問題；

④新風系統只設初效過濾，對手術室和高效過濾器的保護較差。

此系統較適用于手術室數量不多的小型手術室，安裝較分散的潔凈空調系統。

4 能耗分析

以北京地區Ⅰ級潔凈手術室為例進行不同系統方案的能耗分析。對傳統的新風集中處理，循環機組的一次回風系統和新風集中處理，循環風機加干盤管溫濕度獨立控制系統進行對比分析。手術室的面積為50m2，層高為3m，手術室的送風量為12000m3/h；新風量為1200m3/h，正壓>8Pa，手術室內的人員總數為12人，照明照度為500Lx。經過詳細的負荷計算可得手術室內總顯熱負荷顯為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 節能型潔凈手術室（MAU+FAN+DC）空氣處理方案流程圖

圖10 節能型潔凈手術室（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較常規系統更加節能，根據以上計算耗電節約88.9%，節能顯著。

5 結束語

近年來隨著我國醫院建設現代化與醫療技術發展，國內諸多醫院在建和新建的手術室數量與日俱增，隨之而來的能耗問題頁日益嚴峻，手術室空調系統的設計也處于探索之中，雖然一些新的空調系統在相關的工程中有所應用，但如何讓手術室空調系統設計更合理、節能、環保、高效，還需要行業內的人士繼續進行研究和探討。

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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