新風的空氣處理方式在手術室凈化系統中的運用

　摘 要：文章結合無錫某醫院凈化空調系統設計，通過與傳統的一次、二次回風處理方式作對比，得出新風解決室內濕負荷的空氣處理方式在夏季工況時更節能。 
　　關鍵詞：凈化空調系統；回風方式 

　　按《醫院潔凈手術部建筑技術規范》（以下簡稱《規范》）的要求，手術室共分為4種類型：特別潔凈手術室（I級手術室）、標準潔凈手術室（Ⅱ級手術室）、一般潔凈手術室（Ⅲ級手術室）、準潔凈手術室（Ⅳ級手術室）；手術室要求全年實現恒溫、恒濕，其溫度指標為22℃～25℃，濕度指標為：Ⅰ、Ⅱ級手術室RH40%～60%，Ⅲ、Ⅳ級手術室RH35%～60%，在這兩個指標中濕度指標的實現要比溫度指標的實現更加耗能。濕度指標的實現又分為夏季工況的除濕處理和冬季工況的加濕處理兩種情況，特別是夏季工況的除濕處理。因此在夏季工況采用何種方式實現凈化空氣濕度指標是節能設計的關鍵。 
　　2012年，在設計無錫某醫院凈化手術室項目中，甲方非常注重節能的要求，因此選擇“新風解決室內濕負荷”的方式，該處理方式相比傳統的一次、二次回風處理方式，在夏季工況能達到很好的節能效果。下面就以該項目為例，將該處理方式在夏季工況的處理過程與傳統的一次、二次回風處理方式作對比，詳細闡述其節能效果。 
　　該醫院共有20間凈化手術室，其中普通Ⅰ級手術室2間、眼科專用Ⅰ級手術室1間、Ⅲ級手術室13間（其中正負壓切換手術室1間）、Ⅳ級手術室3間、Ⅲ級DSA手術室2間，以及配套的潔凈走廊和潔凈附房、清潔走廊和清潔輔房。該項目幾乎涵蓋了所有類型的手術室，非常有代表性。其中Ⅰ級手術室、正負壓切換手術室全部采用一拖一系統，Ⅲ、Ⅳ級采用一拖二或一拖三系統，潔凈走廊和潔凈輔房由于范圍較大分割成3個系統，清潔走廊和清潔輔房分割成2個系統，一共是15套循環空氣處理系統。 
　　該項目全年冷熱源由甲方提供，采用二管制方式。 
　　一、采用一次、二次回風處理方式達到的節能效果 
　　（一）二次回風處理方式 
　　當室內空氣設定狀態為溫度23℃、相對濕度50%RH。其處理過程是室外新風（W點）經新風機組三級過濾及新風表冷器處理后達到與室內狀態點等焓的露點溫度――L點（溫度：17.3℃、相對濕度90%RH）；處理后的新風與室內一次回風混合至C點，再通過循環機組表冷器進行降溫除濕處理后達到L1點（溫度：12℃～13℃、相對濕度90%RH），后與室內二次回風混合至C1點，一次、二次回風的比例要使得C1點正好落在室內送風狀態點O點的等濕線上，再通過風機溫升處理達到C2點，通過機組再熱電加熱器加熱達到室內送風狀態點O點，再經室內熱、濕負荷處理后達到室內狀態點N點。i-d圖顯示見圖1。 
　　在此情況下，新風機組和循環處理機組全部采用水盤管來實現降溫除濕功能，而水系統供、回水溫度為供水7℃、回水12℃，因此其能處理的空氣溫度最低一般不超過12℃。而除了I級手術室以外，其他級別手術室、走廊輔房系統室內送風狀態點的露點溫度基本已經接近12℃，根本無法實現二次回風系統所需要的低溫。而在I級手術室情況下，由于新、回風比小，所以室內送風狀態點的露點溫度也在13℃以上，故通過水表冷器可以把部分一次回風和新風混合后的空氣處理到比送風狀態點的露點溫度更低的溫度，來達到所需的干燥度，中和剩余二次回風所含濕量，實現除濕指標。因而該二次回風處理方式在凈化手術室系統中僅I級手術室可以采用。 
　　（二）一次回風處理方式 
　　這種方式適用于除I級手術室以外的其他系統，假設室內空氣設定狀態為溫度23℃、相對濕度50%RH。其處理過程是室外新風（W點）經新風機組三級過濾及新風表冷器處理后達到與室內狀態點等焓的露點溫度――L點，（溫度17.3℃、相對濕度90%RH）；處理后的新風與室內一次回風混合至C點，然后通過風機溫升處理達到C1點，再通過循環機組表冷器進行溫度處理后達到L1點（溫度：12℃～13℃、相對濕度90%RH），后通過機組再熱電加熱器加熱達到室內送風狀態點O點，再經室內熱、濕負荷處理后達到室內狀態點N點。i-d圖顯示見圖2。 
　　（三）一次回風、二次回風處理方式的優缺點 
　　1.優點 
　　該處理方式目前在凈化空調系統的處理方案中被廣泛采用，主要有以下優點： 
　　（1）系統冷源只要冷凍水即可滿足要求。一般情況下，醫院冷凍機房或熱泵機組能提供的夏季冷凍水的進水溫度為7℃，回水溫度為12℃；用水表冷器處理空氣，一般處理的極限溫度為12℃，低于這個溫度，水表冷器就已經很難實現了，更不要說進水溫度高于7℃的情況了。而這種處理方式，其室內送風狀態點的露點溫度也均在12℃以上，新風處理溫度更是達到17.3℃，這樣通常情況下的冷凍水可以滿足使用要求。 
　　（2）系統用水表冷器來進行處理，其自動控制可以實現比例調節，控制精度比較高，控制平穩。 
　　（3）系統新風量可以按《規范》規定的最小新風量來取值，新風處理的工況點相同，新風集中供應系統可以任意組合，系統對新風機組的要求低，造價也低。 
　　（4）由于該處理方式每臺循環處理機組的表冷器均有一定的除濕能力，因此即使在新風機出現故障的情況下，系統也能勉強運行，從這個角度講，系統安全性較高。 
　　正因為有上述優點，因此這種處理方式在凈化手術室工程中被廣泛采用。 
　　2.缺點 
　　（1）在夏季工況運行模式下，系統能耗較大，運行成本高。 
　　（2）對冷凍水供水溫度要求高，水溫超過9℃，濕度指標很難達標。 
　　二、采用新風解決室內濕負荷的處理方式達到的節能效果 
　　（一）空氣處理過程 
　　假設室內空氣設定狀態為溫度23℃、相對濕度50%RH。其處理過程是：室外新風（W點）經新風機組三級過濾及新風水表冷器處理后達到――L點（一般溫度：13℃、相對濕度90%RH），然后再經過新風機組內配置的、帶壓縮機的直接蒸發氟表冷器處理到比室內送風狀態點更低的露點溫度――L1點（一般溫度：10℃～11℃、相對濕度90%RH），使得新風達到足夠的干燥度，然后經新風機組配置的再熱電加熱器加熱到L2點后送風，在循環機組內和室內回風混合達到C點，再通過風機溫升后達到C1點。一般情況下，此時的溫度已經高于室內送風狀態點的溫度，需要通過循環機組的表冷器將空氣降溫達到送風狀態點的溫度，部分循環系統如果濕度過低，還需要適當的加濕后達到室內送風狀態O點，再經室內熱、濕負荷處理后達到室內狀態點N點。i-d圖顯示見圖3。 　　（二）該處理方式的優缺點 
　　1.優點 
　　相比一次、二次回風處理方式來說在夏季工況運行條件下，節能顯著，其主要的節能原因如下： 
　　（1）由于該模式下，僅新風參與降溫除濕處理，因此除濕處理總風量大大減少，即使新風增10%～30%，也能達到減少能耗的目的。 
　　（2）回風的“高溫”被充分利用來加熱除濕后的空氣，這樣這部分能量非但不成為除濕的負擔，還變身成為可利用的能量，大大減少了再熱能源消耗。 
　　（3）在兩管制情況下，一次回風、二次回風處理方式的再熱能源是采用電加熱方式，這種方式的能耗比甚至不到1：1，即1KW的電量輸入，產生的熱量不足1KW，這樣其電量消耗就更大。而在新風解決室內濕負荷的處理方式下，新風深度除濕增加的能耗是通過表冷器和帶氟盤管的壓縮機實現的，該部分設備的能耗比最少要達到1：2.5（即1KW的電量輸入，產生的冷量可達到2.5KW）。因此再熱消耗的能源更大，而此種處理方式新風除濕后空氣的再熱只有用電加熱到一定溫度（保證不低溫送風和防止結露），其余熱量全部吸收回風的熱量，這樣能耗就大大降低了。 
　　在該處理模式下，每個循環系統的新風量有所增加，與一、二次回風處理方式相比，室內空氣品質有明顯的改善。 
　　系統冷源不再受甲方供水溫度的限制，而可以通過自身配置的壓縮機功率來調節。 
　　2.缺點 
　　（1）由于每個循環處理系統的新、回風比不同，而系統又采用的集中新風處理方式，一臺新風機組會拖好多個循環處理系統，而一個新風處理系統新風處理的狀態是固定的，因此新風處理的狀態點只能按同一個新風系統內對新風干燥度要求最高的系統來考慮，當這個系統滿足要求時，理論上其他系統就需要做一定的加濕處理。因此采用該方式設計，循環機組必須選擇新、回風比相近的系統構成新風集中處理系統，導致新風系統數量增加，即投資成本增加。在該項目中，共采用了6套新風處理系統，而一般凈化空調處理方式最多只要3～4臺新風機組即可。 
　　（2）為了使新風獲得足夠的干燥度，必須將新風處理到很低的溫度，但即使采用了帶氟盤管、壓縮機的新風機組，新風的處理溫度一般不能低于10℃，因此循環系統不能按《規范》規定的最小新風量來取值（因為這樣新風處理溫度要低于10℃才能保證室內23℃，50%RH狀態的實現），新風量必須比《規范》規定的最小新風量要大一定的系數（1.2～1.3），從而來提升新風的處理溫度，使其高于10℃。 
　　（3）目前市場上配套的壓縮機是開關量控制的，一旦啟動全部啟動，關閉是逐臺關閉。為了保護壓縮機，每臺壓縮機開關機之間必須有一個自保護時間間隔，因此就可能導致室內溫濕度參數的波動，壓縮機功率越大，波動越大。 
　　（4）在該處理模式下，主循環空氣處理機組所配表冷器只起到溫度處理功能，不再承擔濕度處理功能，一旦新風機組出現故障，室內濕度處理就處于癱瘓狀態。 
　　（5）由于新風機組增加了氟盤管和壓縮機系統，新風機組相比單純水盤管機組不但價格增加很多，而且自動控制更復雜，自控成本也更高。 
　　三、結束語 
　　綜上所述，通過對兩種處理方式的分析，可以很明顯地看出“新風解決室內濕負荷”的處理方式更節能。針對兩種處理方式分別進行相應的負荷計算，并將相關能耗轉化為電量消耗作了一個理論計算表，通過該計算表顯示，在夏季工況運行條件下，“新風解決室內濕負荷”的處理方式相比一次回風、二次回風處理方式節能31.5%。該項目采用新風解決室內濕負荷的方式處理，假設所有系統全部運行，相比一、二次回風處理方式每小時可以節省電量258度，如果按每天平均運行8小時、每個月工作25天、每年有8個月按夏季工況運行，則每年可節電41.28萬度電，這個數字是相當可觀的。目前該項目已經完工并投入使用，由于采取了必要措施解決上述缺點，經過一個夏季工況的運行檢驗，系統運行效果非常理想，完全符合預期設想。但是在應用該方式時必須考慮它存在的缺點，完善設計方案，否則效果將適得其反。或許也正是因為這個原因，目前該處理方式在凈化手術室工程中還沒有得到大面積的推廣，希望通過經驗的分享給予從業者一點啟發，為國家節能減排進一點綿薄之力。