現代醫院建筑已經(jīng)成為單位面積能耗最大的公共建筑之一。根據國外經(jīng)驗，醫院建筑能耗一般是辦公建筑能耗的 1.6 倍～ 2.0 倍，而手術(shù)室又是醫院中央空調能耗最為突出的部門(mén)。

 

許多學(xué)者、臨床醫學(xué)工程師做了很多關(guān)于降低手術(shù)室能耗的研究探討，例如，采用二次回風(fēng)系統、應用溫濕度獨立控制空調系統等，都在一定程度上減少了空調系統的能耗。二次回風(fēng)系統減少了再熱環(huán)節，從而消除了冷熱抵消問(wèn)題，達到節能效果；而溫濕度獨立控制空調系統，由于其末端的盤(pán)管為干工況運行，并且可以用 17℃左右的高溫冷水控制室內溫度，使得制冷機的 COP 提高 40％左右，從而使集中空調系統的能耗降低 30％以上。

 

采用合理的系統方案可使空調系統實(shí)現較好的節能效果。節能降耗措施完善是現代手術(shù)室又一特點(diǎn)。國內某些企業(yè)以建成的節能型手術(shù)室為基礎，建立能耗分析和數值模擬模型，進(jìn)行能耗模擬分析。

 

1

手術(shù)室內部負荷

 

根據 GB 50333—2013《醫院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規范》，Ⅰ級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室的主要技術(shù)指標如表 3-3-2 所示。

 

 

 

手術(shù)室的空調室內負荷包括室內設備負荷、照明負荷、人員負荷和圍護結構負荷。

 

1. 設備負荷

計算公式： Qc(τ)=QsCLQ

式中：

Qc(τ)——設備和用具顯熱形成的冷負荷，W；

Qs ——設備和用具的實(shí)際顯熱散熱量，W；

CLQ——設備和用具顯熱散熱冷負荷系數。

 

手術(shù)室醫用設備的散熱量，一般應由實(shí)驗測得，注明在產(chǎn)品樣本上。但通常很難從產(chǎn)品樣本獲得這類(lèi)數據，實(shí)際計算時(shí)，可以采用機器裝機容量的某個(gè)百分比計算。表 3-3-3 給出了常見(jiàn)設備的電功率和計算取值。

 

 

 

2. 照明負荷

計算公式：熒光燈　Qc(τ)=1000n1n2NCLQ 

Qc(τ) ——燈具散熱形成的冷負荷，W；

N ——照明燈具所需功率，kW；

n1 ——鎮流器消耗功率系數，本設計取 1；

n2 ——燈罩隔熱系數，本設計取 1；

CLQ ——照明散熱冷負荷系數

 

3. 人員負荷

人體顯熱散熱形成的冷負荷計算公式： Qc(τ)=qsnφCLQ

Qc(τ)——人體顯熱散熱形成的冷負荷，W；

qs ——不同室溫和勞動(dòng)性質(zhì)成年男子顯熱散熱量，W；

n ——室內全部人數；

φ ——群集系數；

CLQ——人體顯熱散熱冷負荷系數。

 

人體潛熱散熱形成的冷負荷計算公式： Qc=qlnφ

Qc ——人體潛熱形成的冷負荷，W；

ql ——不同室溫和勞動(dòng)性質(zhì)成年男子潛熱散熱量，W；

n ——室內全部人數；

φ ——群集系數。

 

手術(shù)室中人員男女比例按照1∶1考慮，I級和Ⅱ級手術(shù)室中人數分別按照 8 人和6人計算，其中，2人為極輕體力勞動(dòng)，其余按照輕體力勞動(dòng)考慮。

 

根據室內設計參數，室溫為23.5℃，相對濕度為55%，可以得到人員的散熱和散濕量?；颊咔锌?、血和體液的散濕量按照 2 個(gè)輕度勞動(dòng)人員的散濕量考慮。人員負荷計算表見(jiàn)表3-3-4。

 

 

2

一次回風(fēng)系統制冷負荷分析

 

手術(shù)室常用的集中空氣處理方案如圖 3-3-6 所示。

 

 

典型的一次回風(fēng)系統處理過(guò)程見(jiàn)圖 3-3-7，在焓濕圖上表示見(jiàn)圖 3-3-8：

 

 

從空氣處理過(guò)程可以看出，由于為了滿(mǎn)足凈化要求所需要的送風(fēng)量較大，使得手術(shù)室空調系統的送風(fēng)焓差很小，為了保證送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的需求，這種方式需要很大的二次再熱量，冷熱抵消嚴重，運行能耗較大。

 

下面以上海為例，進(jìn)行設計工況下的制冷負荷分析。

 

上海地區的夏季空調室外設計參數為：干球溫度 34℃，濕球溫度 28.2℃。室內設計參數為：23.5℃，相對濕度 55%。

 

按照 GB 50333—2002 的要求，I 級手術(shù)室集中布置的送風(fēng)口面積不小于 6.24m2，此處取為 9m2，送風(fēng)速度按照 0.37m/s 計算，則所需風(fēng)量為 12000m3/h。如Ⅱ級手術(shù)室面積按照 37m2 計，層高 3m，換氣次數取為 36 次 /h，則所需風(fēng)量約為 4000m3/h。

 

根據計算，設計工況下 I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室的送風(fēng)比焓差分別為 0.821kJ/kg 和 2.262kJ/kg，而室內設計工況下的比焓為 48.97kJ/kg，I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室機器露點(diǎn)的焓值分別僅為 34.91kJ/kg 和34.66kJ/kg，因此一次回風(fēng)系統需設置再熱。則一次回風(fēng)系統的制冷負荷由再熱負荷、新風(fēng)負荷、風(fēng)機溫升負荷及室內負荷組成，各部分負荷計算匯總見(jiàn)表 3-3-6。

 

 

其中，風(fēng)機溫升負荷根據蘇凈實(shí)體模型手術(shù)室空調系統各工況下的實(shí)測數據（見(jiàn)測試報告）選取，設計風(fēng)量下 I 級手術(shù)室、Ⅱ級手術(shù)室空調機組和新風(fēng)機組的風(fēng)機溫升分別取為 1.5℃、1.3℃和 1.2℃，折算的風(fēng)機溫升負荷見(jiàn)表 3-3-6。I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室的再熱負荷、新風(fēng)負荷、風(fēng)機溫升負荷及室內負荷等各部分所占比例如圖 3-3-9 所示。

 

 

從圖3-3-9 中可看出，再熱負荷占的比例很大，尤其是I級手術(shù)室的再熱負荷占到制冷負荷的59.4%，這顯然不符合節能需求。一般來(lái)說(shuō)，解決送風(fēng)溫差小的方法除了二次加熱以外，還可以采用二次回風(fēng)的空氣處理方式。

 

3

二次回風(fēng)系統制冷負荷分析

 

一次回風(fēng)系統用再熱器來(lái)解決送風(fēng)溫差受限制的問(wèn)題，這樣不符合節能原則。二次回風(fēng)系統則采用在表冷器后與回風(fēng)再混合一次的辦法來(lái)代替再熱器以節約熱量與冷量。典型的二次回風(fēng)系統處理過(guò)程見(jiàn)圖 3-3-10，在焓濕圖上表示見(jiàn)圖 3-3-11。

 

 

二次回風(fēng)系統的制冷負荷由新風(fēng)負荷、風(fēng)機溫升負荷及室內負荷組成，見(jiàn)表3-3-7，其各部分所占比例如圖3-3-12 所示。

 

 

通過(guò)對比以上圖表可看出：

 

（1）二次回風(fēng)系統的制冷負荷相比一次回風(fēng)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)手術(shù)室能耗平均減少了 50%，減少的量即為再熱負荷，因此二次回風(fēng)系統比一次回風(fēng)系統更節能。

 

（2）在二次回風(fēng)系統中，新風(fēng)負荷所占的比例較大，因此合理利用新風(fēng)在一定程度上也會(huì )達到節能效果。

 

（3）另外，空調機組風(fēng)機溫升負荷所占比例較大，I級手術(shù)室空調風(fēng)機溫升負荷占到總制冷負荷的 24.7%，而室內負荷僅占 14.1%，即，風(fēng)機溫升負荷遠大于室內負荷。因此如何解決風(fēng)機溫升負荷，對系統的節能也具有重要的意義。

 

4

優(yōu)化的系統方案

 

 

根據計算分析和實(shí)際測試數據，二次回風(fēng)系統雖然可以很好地避免冷熱抵消問(wèn)題，但是由于運行風(fēng)量和風(fēng)壓較大，空調凈化機組的風(fēng)機溫升遠遠高于常規系統。這使得制冷機組中承擔風(fēng)機溫升負荷的比例較大，I 級手術(shù)室的情況更加嚴重。

 

鑒于此，優(yōu)化系統提出將風(fēng)機電機外置，減少制冷負荷。由于風(fēng)機溫升負荷的減少，使得按照常規設計的新風(fēng)量足以承擔全部空調負荷?？照{新風(fēng)可以采用分散處理方式和集中處理方式兩種。

 

1. 分散處理方式

每間手術(shù)室凈化空調系統的新風(fēng)單獨從室外引入，經(jīng)過(guò)凈化進(jìn)風(fēng)機組內的粗效、中效處理后直接送到凈化空調機組的吸入端，凈化空調機組需要承擔手術(shù)室和新風(fēng)的全部負荷。這種新風(fēng)供給系統靈活簡(jiǎn)單，方便操作，可以充分利用室外冬季冷空氣作為免費冷源。

 

2. 集中處理方式

手術(shù)部?jì)艋照{系統的新風(fēng)系統分為幾組集中由室外引入，按照分組設置凈化新風(fēng)空調機組。引入的新風(fēng)，經(jīng)過(guò)凈化新風(fēng)機組內的粗效、中效、亞高效過(guò)濾處理、冷卻降溫除濕或加熱后直接送到凈化空調機組的吸入端。該系統雖然靈活性不如分散處理方式好，但是室內溫濕度相對穩定，而且特別適用于新風(fēng)濕負荷大的地區。

 

鑒于我國南方地區氣候濕熱，新風(fēng)濕負荷相對較大，因此，新風(fēng)處理選用如圖 3-3-13 所示的集中處理方式。

 

 

此時(shí)的空調系統簡(jiǎn)化為：新風(fēng)凈化機組承擔全部室內和新風(fēng)負荷，而循環(huán)機組僅承擔凈化作用。

 

空氣處理過(guò)程線(xiàn)如圖 3-3-14，系統示意圖如圖 3-3-15 所示，夏季的空氣處理過(guò)程線(xiàn)在焓濕圖上表示如圖 3-3-16 所示，具體空氣處理過(guò)程如下：

 

 

實(shí)際中，S 到 S' 這段溫升負荷很小，故計算時(shí)可忽略不計。

 

這種空氣處理方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

第一，室內沒(méi)有返回空調機組的回風(fēng)管道，系統較為簡(jiǎn)單；

第二，一套新風(fēng)處理機組可以供給多間手術(shù)室，新風(fēng)機組可以根據手術(shù)室使用數量及狀況，采取變頻控制減少能耗；

第三，手術(shù)室的循環(huán)加壓凈化機組便于獨立控制；

第四，空氣的熱濕處理集中在新風(fēng)機組，加壓機組無(wú)除濕降溫處理，可以減少滋生細菌的風(fēng)險。

 

5

運行策略

 

根據圖 3-3-12 的負荷分布比例可以看出，制冷負荷中新風(fēng)負荷所占比例最大，I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室新風(fēng)負荷分別占到總制冷負荷的 59.5% 和 68.9%，因此，為了全面提高節能效果，優(yōu)化新風(fēng)運行策略至關(guān)重要。

 

新風(fēng)全年運行總體上分為兩個(gè)工況區：冬、夏季的最小新風(fēng)量運行工況及過(guò)渡季運行工況。在過(guò)渡季，可以增大新風(fēng)量以充分利用室外空氣的自然調節能力來(lái)減少制冷負荷。

 

此處以焓值作為冬季、夏季和過(guò)渡季工況分區的劃分依據，圖 3-3-17 陰影中的菱形區域為室內狀態(tài)允許范圍。參考上海地區的全年氣象參數，具體劃分如下：

 

 

（1）當室外空氣焓值大于室內空氣允許焓值的上限時(shí)，采用最小新風(fēng)量運行，此時(shí)全部負荷依靠制冷機組承擔，該工況的運行時(shí)段為約為5月2日～10月19日。

 

（2）當室外空氣焓值低于室內空氣允許焓值的下限又高于需要對新風(fēng)進(jìn)行加熱的室外焓值時(shí)，該工況的運行時(shí)段約為 3月22日～ 5月1日、10月10日～ 12月1日。增大新風(fēng)量有利于節能，但是對于凈化系統，新風(fēng)量過(guò)大會(huì )加重過(guò)濾器負擔，縮短其使用壽命，鑒于此，本課題過(guò)渡季的最大新風(fēng)量并未按照全新風(fēng)考慮，過(guò)渡季新風(fēng)量取為 3000m3/h，此時(shí)由室外新風(fēng)和制冷機組共同承擔室內負荷和風(fēng)機溫升負荷。

 

（3）當室外空氣焓值降低到需要加熱的室外參數時(shí)，繼續采用最小新風(fēng)量運行，此時(shí)進(jìn)入加熱加濕工況，該工況的運行時(shí)段約為1月1日～ 3月21日、12月2日～12月31日。為了進(jìn)一步降低新風(fēng)能耗，考慮到在手術(shù)準備階段室內人員較少，因此，在早晨7：00 ～ 9：00可以按照保證正壓的 300m3/h 新風(fēng)量運行。（上述討論中，若無(wú)特別說(shuō)明，均采用GB50333—2002《醫院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規范》推薦值。）