洁净手术部温湿度独立调节空调系统

李平
西安市四腾工程有限公司
本站技术顾问

摘要

    文章分析了目前医院手术部常规净化空调系统及存在的主要问题，提出了新的空调系统解决方案---温湿度独立调节空调系统，以达到节能环保的目的。

关键词：

洁净手术部 空调系统 能耗 温湿度

[Abstract]

    This paper analyzed the hospital routine operation of air purification system and the main problems，Put forward a new air conditioning system solutions--- Adjust temperature and humidity independent air-conditioning system，In order to achieve energy conservation and environmental protection

[Key words]

Clean operation area Air conditioning system Energy consumption Humiture

阅读目录：

1.洁净手术部常规空调系统及其存在的主要问题
2.温湿度独立调节空调系统
3.结束语
4.参考文献
5.相关阅读

1. 洁净手术部常规空调系统及其存在的主要问题

1.1. 洁净手术部常规空调系统

    目前，洁净手术部空调系统仍普遍采用温湿度联合处理方案，即夏季对室内温度和相对湿度的调节与控制，都依赖于同一组空气处理设备---表冷器（冷水盘管）。当室内热湿负荷变化不同步时，该系统采用的是一种先过调再补偿的方案，即夏季再热的方案。根据对新风的预处理方式不同，上述温湿度联合处理方案又可分为两种情况，即集中新风的温湿度联合处理方案和自取新风的温湿度联合处理方案。

（1）集中新风的温湿度联合处理方案

    •多个手术室空调系统的新风，先经过专门的新风机组集中处理后，再分配到各手术室的空气循环处理系统中，如图1-1所示；

    •集中新风系统不承担夏季室内热湿负荷，只将新风其处理到与室内等焓或等含湿量；

    •集中新风系统冬季对新风进行预热，并承担室内显热负荷；

    •空气循环处理系统承担夏季全部室内热湿负荷，处理过程是先冷却除湿，然后用再热手段调整送风温度；

    •空气循环处理系统承担冬季全部室内热负荷（只有部分辅房空调系统才会有热负荷）和加湿功能；

    •冷源为7/12℃集中冷水，热源为热水、蒸汽或电辅热；加湿可采用电极或电热加湿器；

    •新风系统设初、中、亚高效（G4+F8+H10）三级过滤，循环系统中设中效、高效（F8+H13）两级过滤（H13设于手术室内）；

图1-1集中新风的温湿度联合处理方案

（2）自取新风的温湿度联合处理方案

    •各空调机组自取新风，见图1-2，新回风混合后再进行除湿处理；

    •夏季通过表冷器除湿、降温，通过再热措施控制送风温度，冬季对混风进行加热加湿；

    •空调冷源采用7/12℃集中冷水或直接蒸发系统（单元式）；

    •夏季再热热源采用热水（四管制）或电加热（两管制）；

    •冬季热源可采用热水、蒸汽或电加热，加湿采用电极或电热加湿器；

    •空调系统设初、中、亚高效（G4+F8+H13）三级过滤（H13设于手术室内）。

图1-2自取新风的温湿度联合处理方案

1.2. 常规空调系统存在的主要问题

（1）冷源及冷源保障问题

    当前，洁净手术部通常与大楼共用一个集中冷源，同时自备独立冷源作为过渡季（大楼集中冷源停机）冷源。也有一些手术部是设置独立于大楼冷源之外的专用冷源的。

    对于与大楼共用冷源的方案，由于大楼集中冷源的供水温度难以保障，因此造成的直接后果是无法采用新风集中除湿的节能方案，或者造成手术室相对湿度失控。从实践情况看，大楼的冷水供水温度在夏季高温时段降不到10℃以下的情况十分常见。

    众所周知，洁净手术部相对湿度的控制难度要远大于温度控制，难点主要来自于水温的困扰。空调系统控制的湿度的基本原理，就是通过表冷器的降温除湿处理，使经过表冷器后的空气比室内空气更干燥，从而消除手术室内人体散发出的湿负荷（每人散湿量按轻度劳动计约167g/hr/人）。就除湿的原理而言，处理后的空气温度越低，其空气含湿量（空气中含水蒸气的量）也就越小，空气越干燥。反过来说，若要把空气处理的越干燥，则需要的出风温度（空调上称为设计机器露点温度）越低，而低的出风温度是由更低的冷水温度来保障的。举例来说，若手术室夏季设计温湿度按DB24℃/RH55%分析，其对应的空气含湿量为10.2g/kg。又若每间手术室的工作人数以10人计，则当采用常规的一次回风处理方案时（空调系统湿负荷由总循环风量承担），百级（I级）手术室的送风含湿量差约为0.2g/kg，对应的设计机器露点为DB14.9/RH95%，万级（III级）手术室的送风含湿量差约为0.5g/kg，对应的设计机器露点为DB14.4/RH95%。可见，即使采用一次回风这样的保守方案，也必须要保证能将空气冷却处理到14.0℃（机器露点）左右，才可保证室内的相对湿度要求。要保证将空气冷却处理到14.0℃，则必须保证供水温度在10℃以下才可以。因此，对于洁净手术部一次回风空调系统，10℃是夏季冷冻水供水温度的最高允许温度。

    若采用新风集中处理方案（空调系统全部湿负荷由新风承担），则百级（I级）手术室需要的新风含湿量差约为1.4g/kg，对应的设计机器露点为DB12.9/RH95%，万级（III级）手术室需要的新风含湿量差约为1.74g/kg，对应的设计机器露点为DB12.4/RH95%。可见，该系统需要将空气冷却处理到12.4℃以下，这就要求必须保证供水温度在8℃以下才可以。因此，对于由新风系统承担全部湿负荷的集中新风空调系统，夏季冷冻水供水温度的最高允许温度是8℃。

    从工程实践来看，要求大楼冷源全天候保证冷冻水供水温度保持10℃甚至8℃以下，并不是一件容易的事，特别是南方或沿海夏季高温高湿季节。另外，由于大楼医疗设备增加或就诊人数的增加带来的空调系统负荷增加，也会使大楼冷源负担逐年加重的趋势。因此，大部分的工程会出现夏季高温季节冷冻水温度居高不下的情况，这时手术室相对湿度偏高就是自然的事情了。

（2） 空调系统能耗问题

    洁净手术部空调系统的特点是换气次数多，系统风量大，运行时间长，能耗大。以分别位于广州、北京、哈尔滨的一间采用常规空调系统的百级（I级）手术室为例，其年能耗统计见下表：

表1-1 百级（I级）洁净手术室的运行能耗及运行费

备注：

1）手术室使用率按全年80%计，夏冬季新风能耗按设计工况计算的统计系数分别取为0.7和0.5；
2）制冷系统综合COP按3.0，三地制冷除湿季分别按260天、200天、150天计；
3）夏季再热及新风冬季预热均按电加热、5℃温升计算，天数分别与除湿、加湿天数同；
4）冬季加湿按电极加湿计算，三地加湿季分别按90天、150天、200天计；
5）电费统一按1.00元/KWH计。

    由上表可见，一间百级手术室的空调运行成本可达20万元左右，已经对手术室运行成本构成重大影响，因此也引起院方对空调节能越来越多的关注与要求。

    洁净手术部空调系统的高能耗问题，除了其自身风量大、系统阻力部件多等客观因素外，系统设计不合理造成的浪费也是无法回避的，其中包括：

    （a）空气的过度冷却

    如上所述，对于常规空调系统，由于湿度控制的需要，在夏季空气必须冷却到12~14℃，但仅就手术室温度控制而言，夏季实际需要的送风温度可能只需要18~20℃，由此过度冷却造成的浪费十分可观。

    （b）空气的再热能耗

    空气的再热能耗与过度冷却是相伴而生的，夏季，为了控制室内湿度，通常需要先将空气冷却到12~14℃，然后再采用再加热措施，将空气升温到18~20℃再送入室内。对于洁净手术部空调系统而言，由于再热多采用电加热，因此其能耗比之过度冷却造成的浪费更甚。

（3）空调系统湿表面的污染问题

    由于除湿的需要，传统空调系统中的表冷器在供冷季永远都是湿工况，即使采用新风集中处理或新风预处理的空调系统，由于供水水温仍然是7℃，低于回风的露点，因此在循环机组中的冷盘管也无法真正实现干工况。

    对于湿表面因驻留灰尘、滋生细菌造成的空气污染问题，目前没有彻底的解决方案，常用的方法是在机组内设置紫外灯管，通过长时间照射杀菌，但由于紫外光只对被照射表面有效，因此对盘管深层部位的杀菌效果有限。

（4） 加湿器故障问题

    洁净手术部空调系统中，冬季加湿多采用电极式加湿器。电极的频繁损坏和更换，是原理性的无法解决的隐患，同时也存在水质差异造成的一些问题。

（5） 盘管防冻问题

    新风机组中冷水盘管的冬季防冻问题，是北方寒冷地区空调用户经常遇到的问题，洁净手术部空调系统也不例外。这一问题，除了从设备管理和借助控制系统采取一定的报警保护措施以外，当前还没有更为有效的办法。

2. 温湿度独立调节空调系统

2.1. 温湿度独立调节空调系统的基本原理

    洁净手术部空调系统承担着排除室内余热、余湿，保障室内洁净度并改善室内空气品质的任务。所谓温湿度独立调节的空调系统，就是采用两套各自独立的设备系统承担上述功能。即，由独立的新风处理系统承担排除室内余湿并改善室内空气品质的任务，由另一套独立的空气处理系统承担排除室内余热和保障洁净度的任务。如下图所示。

图1-3 温湿度独立调节空调系统的基本原理

2.2. 几种典型的温湿度独立调节空调系统

2.2.1. 新风集中过滤、分散除湿的温湿度独立空调系统

（1）系统特征

    •多个手术室空调系统的新风，先经过专门的新风机组集中过滤处理后，再分配到各手术室的空气循环处理系统中，如图1-4所示。其空气处理流程为：

夏季：

    新风机---初效过滤(G4)---中效过滤(F8)---亚高效过滤(H10)---新风冷却除湿---新回风混合---送风机---冷却降温---送风

冬季：

    新风机---初效过滤(G4)---中效过滤(F8)---亚高效过滤(H10)---新风预热---新回风混合---送风机---加热---加湿---送风

图1-4新风集中过滤、分散除湿的温湿度独立空调系统

    •集中新风系统（PAU）只设置热水加热盘管和三级过滤器，夏季不作任何热湿处理，冬季则对新风作预热及过滤处理；

    •空气循环处理系统承担夏季全部室内热湿负荷。循环空调机组（AHU）内设有两组表冷器（盘管），第一组盘管为除湿盘管，通过对新风进行深度除湿，承担全部新风负荷和全部室内湿负荷，负责室内相对湿度控制；第二组为调温盘管，通过对混风的后降温处理，承担全部室内显热负荷，负责室内温度控制。

    •冬季，手术室内冷负荷全部由新风带来的显冷量承担，走廊、辅房等空调系统的室内热负荷由集中热源（AHU中第二组盘管为两管制），加湿功能由AHU中设置的电极或电热式加湿器承担。

    •第一组盘管（除湿盘管）的冷源要求为7/12℃集中冷水；第二组盘管（调温盘管）的冷源要求为供水温度15℃以下的集中冷水，热源为供水温度40℃以上的集中热水或电辅热；

（2）特点与优势

•彻底消除再热带来的能耗问题

    该系统是一种无再热系统，可以大大节省夏季再热能耗和制冷能耗（被再热抵消部分）。与常规的有再热空调系统相比，采用该系统的每间百级手术室可以节省55%的冷量、100%的再热量和55%的运行电耗（设计工况下的数据）。

•每间手术室都可实现温湿度独立调节

    该系统下，每一个手术室（或辅房）空调系统，都是一个独立的温湿度独立调节系统，每间手术室内的温湿度都可以得到独立、灵活、精确的控制，相互之间无干扰。

•可以解决共用新风系统的潜在浪费问题

    当共用一个新风系统的多个手术室不同时使用时，该系统只是新风系统的风机投入运行，可以解决夏季新风热湿处理带来的无谓损失。

•新风的集中过滤处理，对手术室及高效的保护更为合理

    与自取新风的系统相比，设有三级过滤的集中新风系统对手术室基础基础洁净度的保持，对高效过滤器的保护，都是更为有效的。

（3）适用范围

    新风集中过滤、分散除湿的温湿度独立空调系统，适用于手术室数量较多，机房相对集中的大中型洁净手术部。

2.2.2. 新风集中过滤、集中除湿的温湿度独立空调系统

（1）系统特征

    •多个手术室空调系统的新风，先经过专门的新风机组集中过滤和热湿处理后，再分配到各手术室的空气循环处理系统中，如图1-5所示。其空气处理流程为：

夏季：

    新风机---初效过滤(G4)---中效过滤(F8)---亚高效过滤(H10)---冷却除湿---新回风混合---送风机---冷却降温---送风

冬季：

    新风机---初效过滤(G4)---中效过滤(F8)---亚高效过滤(H10)---新风预热---新回风混合---送风机---加热---加湿---送风

图1-5新风集中过滤、集中除湿的温湿度独立空调系统

    •集中新风系统（PAU）设置冷（热）水盘管和三级过滤器，夏季对新风进行过滤和深度除湿处理，由新风承担全部相关空调系统的室内湿负荷；冬季则对新风进行过滤及预热处理，并利用新风的自然低温承担空调系统的全部显热负荷。

    •空气循环处理系统设冷（热）水盘管、电加热装置及加湿器。夏季，对混风进行冷却处理，并承担全部室内显热负荷；冬季，则根据需要对空气进行加热、加湿处理，承担室内全部热负荷和加湿任务。

    •空气循环处理系统中设置电加热装置，是为冬季手术室快速升温及作为备用热源而设置。

    •新风处理系统的冷源要求为7/12℃集中冷水；空气循环处理系统的冷源要求为供水温度15℃以下的集中冷水，热源为供水温度40℃以上的集中热水或电辅热。

（2）系统特点

•彻底消除再热带来的能耗问题

    该系统是一种无再热系统，可以大大节省夏季再热能耗和制冷能耗（被再热抵消部分）。与常规的有再热空调系统相比，采用该系统的每间百级手术室可以节省55%的冷量、100%的再热量和55%的运行电耗（设计工况下的数据）。

•每间手术室可实现温度自调，湿度随动

    该系统下，每一个手术室（或辅房）空调系统，都只能进行独立的温度调节，各手术室的相对湿度是不可独立调节的，但都可以控制在规范允许的范围。

•手术室不同时使用时，共用新风系统存在浪费问题

    当共用一个新风系统的多个手术室不同时使用时，该系统仍然要投入全部冷量进行处理，因此夏季会造成一定的能源浪费和损失。

•新风的集中过滤处理，对手术室及高效的保护更为合理

    与自取新风的系统相比，设有三级过滤的集中新风系统对手术室基础基础洁净度的保持，对高效过滤器的保护，都是更为有效的。

（3）适用范围

    新风集中过滤、分散除湿的温湿度独立空调系统，适用于手术室数量较多、机房相对集中、手术室同时使用率较高的大中型洁净手术部。

2.2.3. 自取新风的温湿度独立空调系统

（1）系统特征

    •各手术室空调系统自取新风，夏季在混风之前先对新风进行深度除湿，新回风混合后再作冷却降温处理，如图1-6所示。

图1-6自取新风的温湿度独立空调系统

其空气处理流程为：

夏季：

新风---初效过滤(G4) ---新风冷却除湿---新回风混合---送风机---中效过滤(F8)---冷却降温---送风

冬季：

新风---初效过滤(G4) ---新回风混合---送风机---中效过滤(F8)---加热升温---加湿---送风

    •空调系统设有两组冷水盘管，第一组为除湿盘管，承担全部新风负荷和全部室内湿负荷，通过对新风除湿，实现室内相对湿度控制；第二组为调温盘管，承担全部室内显热负荷，通过对混风的调温处理，实现室内温度控制。

    •冬季，手术室内冷负荷全部由新风带来的显冷量承担，走廊、辅房等空调系统的室内热负荷由集中热源（第二组盘管为两管制），加湿功能由AHU中设置的电极或电热式加湿器承担。

    •第一组盘管（除湿盘管）的冷源要求为7/12℃集中冷水；第二组盘管（调温盘管）的冷源要求为供水温度15℃以下的集中冷水，热源为供水温度40℃以上的集中热水或电辅热；

（2） 特点与优势

•可以彻底消除再热带来的能耗问题

    该系统是一种无再热系统，可以大大节省夏季再热能耗和制冷能耗（被再热抵消部分）。与常规的有再热空调系统相比，采用该系统的每间百级手术室可以节省55%的冷量、100%的再热量和55%的运行电耗（设计工况下的数据）。

•每间手术室都可实现温湿度独立调节

    该系统下，每一个手术室（或辅房）空调系统，都是一个独立的温湿度独立调节系统，每间手术室内的温湿度都可以得到独立、灵活、精确的控制，相互之间无干扰。

•可以解决共用新风系统的潜在浪费问题

    每一个空调系统都可以独立运行。

 •新风系统只设初效过滤，对手术室及高效的保护稍差

    与集中新风系统相比，自取新风系统通常只设一级初效过滤（G4），因此对手术室基础基础洁净度的保持及对高效过滤器的保护，都不及集中新风系统。

（3）适用范围

    自取新风的温湿度独立空调系统，适用于手术室数量不多的小型手术部，安装位置相对分散的洁净空调系统。

2.3. 洁净手术部的冷源配置方案

    以上的几种温湿度独立空调系统，都有一个共同的特点，就是都由新风系统来承担空调系统的全部夏季湿负荷，这也是温湿度独立调节空调技术的核心。

    由于空调系统的全部夏季湿负荷都要由新风系统来承担，而手术部空调系统的新风比通常只有10~30%。因此，与由全部循环风量承担热湿负荷的常规空调系统相比，温湿度独立空调系统中，新风的设计露点就要低的多。这就要求温湿度独立空调系统的除湿冷源的水温（或蒸发温度）必须有严格的保障措施。为此，我们提出以下两种的冷源设置方案：

（1）“手术部独立冷源”方案

    •对于大中型手术部，有条件时应设置手术部独立冷源，即专门为手术部设置的集中冷源。

    •大楼冷源与手术部独立冷源共用机房。冷源可以采用风冷型或水冷型冷水机组，设计供回水温度7/12℃。冷冻水系统各自独立，但在供水总管上连通（平时关断），大楼冷源可作手术部应急备用。采用水冷型冷水机组时，大楼冷源与手术部独立冷源可以共用冷却水系统。

    •手术部独立冷源的装机容量应留有裕量，建议按手术部夏季设计总负荷的1.15~1.2倍选配冷水机组。

    •空调系统中的除湿盘管与调温盘管都采用同一个冷源。

    •该方案的优点是保障可靠，手术部可以不受大楼冷源水温波动和运行时间不同的影响。

（2）“大楼冷源+手术部独立冷源”方案

    •对于中小型洁净手术部，可采用大楼集中冷源为夏季基本冷源，同时设置手术部独立冷源，并以后者作为除湿冷源及过渡季备用冷源。

    •空调系统中的除湿盘管采用手术部独立冷源，调温盘管可以采用大楼冷源。

    •手术部独立冷源可以采用风冷型或水冷型冷水机组，设计供回水温度7/12℃。

    •本方案对大楼冷源的水温限值较宽松，只需保证冷冻水供水温度不超过15℃。

    •手术部独立冷源装机容量应留有裕量，建议按手术部夏季设计总负荷的80%选配冷水机组。

    •该方案的优点是保障可靠，手术部空调除湿由独立冷源承担，可以不受大楼冷源水温波动的影响，手术部独立冷源装机容量较小。

结束语

    近年来随着我国医院建设现代化与医疗技术发展，国内医院纷纷按照GB50333-2002规范以及国际标准建设新手术部，各个医院的能耗也随之不断加大，手术部空调系统的设置也处于探索之中，虽然部分思路已经在相关的工程中得到了应用，但如何使手术部的空调系统设计更为合理、节能，是值得我们从事空调行业的同仁们进行研究和探讨的，笔者在此也欢迎同行各位专家能够提出更加合理建议。

参考文献

1、许钟麟 空气洁净技术原理 北京：科学出版社 2003
2、沈晋明 医院建筑空调设计 ，《空调设计》，湖南科学技术出版社
3、中华人民共和国国家标准 (GB50333-2002) 医院洁净手术部建筑技术规范

相关阅读

[工程照片]颌面外科手术室
医院建筑空调设计
手术室洁净空调系统设计的新观点
[图解]非建筑层流手术室
军事卫生装备展示-国际医疗仪器设备展
关于医院洁净手术室应用标准与运行成本的思考