醫(yī)院凈化空調(diào)系統(tǒng)具有負(fù)荷大、負(fù)荷穩(wěn)定、通風(fēng)量由清潔度確定、溫濕度控制要求等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的凈化空調(diào)系統(tǒng)是一種回風(fēng)系統(tǒng)。為了控制溫度和濕度，送風(fēng)需要通過(guò)表面冷卻器再次加熱，造成一定的能量損失。為了降低醫(yī)院凈化空調(diào)系統(tǒng)的能耗，可以使用熱管換熱器預(yù)冷混合供氣，預(yù)熱表面冷卻器后的低溫供氣，以降低再熱能耗。本文以某Ⅰ級(jí)潔凈手術(shù)室(尺寸5.7 ｍ×7.以5m為例，對(duì)回風(fēng)電再熱系統(tǒng)和熱管換熱器輔助電加熱空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行了對(duì)比分析。

  熱管工作原理和技術(shù)特點(diǎn)

  熱管由蒸發(fā)段、絕緣段和冷凝段組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)熱管的一端受熱后，吸液芯中的液體吸收外界熱量迅速汽化，在微小壓差下流向熱管的另一端，向外界放出熱量后冷凝成為液體，液體借助于貼壁金屬網(wǎng)的毛細(xì)抽吸力返回到加熱段，并再次受熱汽化。熱量從熱管的一端傳遞到另一端。由于熱管采用工質(zhì)相變傳熱，內(nèi)部熱阻小，具有傳熱量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。

  潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)形式及能耗分析

  醫(yī)院潔凈手術(shù)室分為4級(jí)，不同級(jí)別的潔凈手術(shù)室設(shè)計(jì)參數(shù)不同，以某一級(jí)潔凈手術(shù)室為例，其基本參數(shù)如表1所示。

  (1)手術(shù)室負(fù)荷分析

  手術(shù)室空調(diào)負(fù)荷主要包括人員負(fù)荷、照明負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷、圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、手術(shù)室濕表面散濕形成的潛熱負(fù)荷和新風(fēng)負(fù)荷。

  不同層次的手術(shù)室數(shù)量不同，輕體力勞動(dòng)和極輕體力勞動(dòng)的數(shù)量比例為1:2，集群系數(shù)為0.92值，手術(shù)室溫24℃顯熱負(fù)荷為67.6W/人，散濕量118.5ｇ／（人·ｈ）。

  根據(jù)GB50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)規(guī)范》照明750lx，安裝功率相當(dāng)于25W/m2，照明散熱量約為20W/m2。

  手術(shù)室設(shè)備負(fù)荷一般按醫(yī)院提供的信息或系數(shù)法計(jì)算。由于手術(shù)室熱負(fù)荷的不穩(wěn)定性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 配置功 率與 計(jì) 算 取 值 如 表 ２ 所示。Ⅰ，Ⅱ一般來(lái)說(shuō)，手術(shù)室可以根據(jù)表2中的所有計(jì)算值乘以0.8的同時(shí)使用系數(shù)，Ⅲ，Ⅳ手術(shù)室的系數(shù)為0.6。

  由于手術(shù)室一般位于內(nèi)區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷小，可以忽略不計(jì)。

  手術(shù)室內(nèi)濕表面的大小因手術(shù)類(lèi)型而異。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，濕表面積為0.7m2，表面溫度40 ℃。經(jīng)計(jì)算，手術(shù)室濕表面濕度為1022.由此產(chǎn)生的潛熱負(fù)荷為3g/h688.6Ｗ。

  該Ⅰ手術(shù)室負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

  (2)手術(shù)室風(fēng)量

  根據(jù)手術(shù)室的送風(fēng)量GB《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》第4條.0.1條及第7.2.計(jì)算各級(jí)手術(shù)室通風(fēng)次數(shù)和送風(fēng)口面積的要求。對(duì)于Ⅰ根據(jù)規(guī)范要求，水平手術(shù)室的最小送風(fēng)口面積為6.24ｍ２，手術(shù)臺(tái)工作面高度截面平均風(fēng)速為0.20～0.25m/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，出風(fēng)口風(fēng)速應(yīng)為0.4m/s，總送風(fēng)量約9000m3/h。

  按照規(guī)范要求，Ⅰ最小新風(fēng)量為15~20m3/m2·取20m3/(m2)·h)，手術(shù)室新風(fēng)量LX 為855ｍ３／ｈ。

  (3)手術(shù)室空氣處理及能耗的選擇

  研究表明，空調(diào)環(huán)境中圍內(nèi)的溫度變化對(duì)微生物的生存能力和毒性影響不明顯，相對(duì)濕度是影響微生物繁殖的重要因素。因此，與傳統(tǒng)的舒適空調(diào)系統(tǒng)不同，潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)采用濕度優(yōu)先、溫濕度控制的控制策略。

  如果只控制室內(nèi)溫度，室內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)在室內(nèi)熱濕負(fù)荷變化時(shí)漂移，不利于微生物控制。由于手術(shù)室熱負(fù)荷波動(dòng)較大，濕負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，室內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)由風(fēng)量和濕負(fù)荷確定，室內(nèi)溫度應(yīng)通過(guò)再熱控制。目前，電再熱是工程中常用的。

  在傳統(tǒng)的一次回風(fēng)系統(tǒng)中，高濕度新風(fēng)與回風(fēng)的混合有利于回風(fēng)中微生物的繁殖。因此，根據(jù)GB5033-2013年《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》，潔凈手術(shù)室的新鮮空氣通常集中處理后送入手術(shù)室，新鮮空氣需要處理到低于室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)的狀態(tài)點(diǎn)，以消除室內(nèi)負(fù)荷。

  新風(fēng)的理想處理過(guò)程應(yīng)帶走室內(nèi)濕負(fù)荷，負(fù)責(zé)手術(shù)室的循環(huán)機(jī)組只處理室內(nèi)熱負(fù)荷。但該方案的新風(fēng)需要處理到熱濕比線與機(jī)器露點(diǎn)的交點(diǎn)，甚至更低的溫度。以上述Ⅰ以手術(shù)室為例，新風(fēng)需要處理到9℃以下是常用的7 ℃／12 ℃供回水溫度難以達(dá)到。因此通常將新風(fēng)集中處理到室內(nèi)露點(diǎn)狀態(tài)，手術(shù)室的室內(nèi)濕負(fù)荷由循環(huán)機(jī)組負(fù)責(zé)處理。

  循環(huán)機(jī)組的處理方法可分為二次回風(fēng)（見(jiàn)圖2）和一次回風(fēng)（見(jiàn)圖3）。一次回風(fēng)處理方法為：將新風(fēng)處理到室內(nèi)露點(diǎn)L1 循環(huán)機(jī)組點(diǎn)后，將回風(fēng)與C混合 點(diǎn)，然后處理到L2 點(diǎn)，再熱送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn) Ｏ。

  二次回風(fēng)更節(jié)能，新風(fēng)集中處理到L1 循環(huán)風(fēng)獨(dú)立處理到L2 與二次回風(fēng)混合 點(diǎn)，然后將新鮮空氣混合到送風(fēng)點(diǎn)O。在實(shí)際工程中，二次回風(fēng)閥調(diào)整送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn) Ｏ 很難完成，所以在工程中應(yīng)用較少。

  因此，本文以一次回風(fēng)為例，研究了潔凈手術(shù)室的能耗。Ⅰ對(duì)于一級(jí)手術(shù)室，為了達(dá)到送風(fēng)點(diǎn)，送風(fēng)需要在表冷卻器冷卻后再加熱，浪費(fèi)了更多的能源。但該系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于控制。計(jì)算表冷卻器制冷量QC 電加熱量QR 分別為27.27，25.54ｋＷ。

  熱管換熱器在潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

  為降低潔凈手術(shù)室一次回風(fēng)系統(tǒng)的能耗，在循環(huán)機(jī)組表冷器兩側(cè)安裝熱管換熱器，安裝原理圖見(jiàn)圖4。熱管換熱 器的 蒸發(fā) 段 置 于 表 冷 器 表冷器后面放置了冷凝段。新風(fēng)與回風(fēng)混合過(guò)濾后，首先通過(guò)熱管換熱器的蒸發(fā)段，其內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)吸收空氣熱量，預(yù)冷送風(fēng)。預(yù)冷送風(fēng)通過(guò)表面冷卻器冷卻除濕，通過(guò)熱管換熱器冷凝段，熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝放熱，送風(fēng)預(yù)熱。然后通過(guò)空調(diào)箱的電加熱段，進(jìn)一步加熱到送風(fēng)點(diǎn)，送入房間。

  熱管換熱器在整個(gè)處理過(guò)程中，利用表冷器兩側(cè)的溫差，對(duì)送風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷和預(yù)熱，可降低表冷器的制冷量和電加熱的再熱量。由于熱管換熱器為顯熱換熱，送風(fēng)含濕量不會(huì)改變，不會(huì)影響室內(nèi)相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)。但由于熱管換熱器為被動(dòng)換熱，預(yù)熱后的空氣不能滿足送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的要求，換熱器后輔助電加熱，調(diào)整送風(fēng)參數(shù)，滿足手術(shù)室的要求。

  (1)帶熱管換熱器空調(diào)箱處理過(guò)程分析

  如圖5所示，新風(fēng)(L1) 點(diǎn))和回風(fēng)(N 點(diǎn))與C混合 點(diǎn)，先經(jīng)熱管換熱器預(yù)冷至Ｃ１ 點(diǎn)，然后由表冷器處理到機(jī)器露點(diǎn)L2。熱管換熱器預(yù)熱 Ｌ３ 點(diǎn)熱到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，然后送入室內(nèi)。與 一 次 回 風(fēng) 相 熱管換熱器的節(jié)能主要是C-C1 L2-L3的預(yù)冷量和預(yù)熱量。需要注意的是，熱管換熱器會(huì)增加空調(diào)系統(tǒng)的阻力，從而增加風(fēng)機(jī)的能耗。因此，熱管換熱器的節(jié)能應(yīng)綜合考慮冷熱和風(fēng)機(jī)阻力的增加。

  在同一工況下，熱管換熱器的換熱特性受管排數(shù)、工質(zhì)類(lèi)型和管排材料的影響。在本例中選擇常用的 Ｒ４１０Ａ 以銅管鋁肋片、鍍鋅框架為材料，討論不同管排數(shù)下的換熱和阻力，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

  (2)節(jié)能潛力分析

  從表4可以看出，增加管道排數(shù)可以增加換熱量，從而減少電加熱再熱量和表冷卻器制冷量。但隨著管道排數(shù)的增加和阻力的相應(yīng)增加，風(fēng)扇的功率將進(jìn)一步增加?？紤]到表冷卻器、電加熱和風(fēng)扇能耗的增加，計(jì)算熱管換熱器的節(jié)能類(lèi)型（1）。

  (1)，(2)中 ΔＱ 為熱管換熱器節(jié)能，kW；ΔQR減少再熱量，kW；ΔＱＣ 表冷器制冷量減少，等于再熱量減少，kW；COPz 為空調(diào)系統(tǒng)綜合COP，取3.0；ΔＱＦ kW增加風(fēng)機(jī)能耗；Δｐ Pa；η取60%的風(fēng)機(jī)效率。

  不同管排數(shù)的節(jié)能量如表5所示。當(dāng)熱管換熱器的管排數(shù)增加時(shí)，熱管排數(shù)增加 管 的 換 熱 能 力 增加、預(yù)熱和預(yù)冷量，更有利于降低表面冷卻器的制冷量和電加熱器的再熱量。同時(shí)，管道排數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致阻力的增加，然后增加風(fēng)扇的壓力，相應(yīng)的風(fēng)扇能耗也會(huì)增加。一般來(lái)說(shuō)，管道排數(shù)的增加會(huì)增加總節(jié)能。

  從增加風(fēng)機(jī)能耗與降冷和再熱能耗的比例來(lái)看，當(dāng)管道排數(shù)越大時(shí)，比例就越大。表明，隨著管道排數(shù)的增加，風(fēng)機(jī)功耗的增加大于節(jié)能的增加，但熱管的節(jié)能效率降低。增加管道排數(shù)將帶來(lái)更高的初始投資，因此有必要確定熱管換熱器管道排數(shù)的最佳值。

  為比較不同管排數(shù)的經(jīng)濟(jì)性，將潔凈空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間定義為08:00-20:00，由 于 新 風(fēng) 將 集 中 處理到Ｌ１ 因此，室外氣象參數(shù)對(duì)其運(yùn)行影響較小，熱管年節(jié)能乘以時(shí)間。根據(jù)上海電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算靜態(tài)投資回收期(0.752元／（ｋＷ·計(jì)算節(jié)省的電費(fèi)為標(biāo)準(zhǔn)。從表6可以看出，隨著管排數(shù)的增加，節(jié)省的電費(fèi)也相應(yīng)增加，但由于初始投資的增加，靜態(tài)投資回收期會(huì)隨著管排數(shù)的增加而增加。

  結(jié)論

  1)在潔凈手術(shù)室一次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中，熱管換熱器節(jié)能大于阻力增加。

  2）當(dāng)熱管換熱器的管排數(shù)增加時(shí)，熱管的換熱能力增強(qiáng)，更有利于降低表面冷卻器的制冷量和電加熱器的再熱量。同時(shí)，管排數(shù)的增加會(huì)增加阻力，增加相應(yīng)的風(fēng)機(jī)能耗。一般來(lái)說(shuō)，管排數(shù)的增加會(huì)增加總節(jié)能。

  3）隨著管道排數(shù)的增加，風(fēng)機(jī)功耗的增加速度快于節(jié)能。風(fēng)機(jī)能耗與降冷再熱能耗的比例越大，熱管的節(jié)能效率就越低。

  4)管排數(shù)增加，相應(yīng)的初始投資也會(huì)增加，靜態(tài)投資回收期也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)。

  5）需要指出的是，對(duì)于需要快速冷卻的手術(shù)室，熱管換熱器可能成為快速冷卻的阻力。對(duì)于這類(lèi)手術(shù)室，是否使用熱管換熱裝置需要進(jìn)一步的理論分析和經(jīng)濟(jì)比較。