現(xiàn)代醫(yī)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(jù)國外經(jīng)驗，醫(yī)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(yī)院中央空調(diào)能耗最為突出的部門。

 

許多學(xué)者、臨床醫(yī)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(tǒng)、應(yīng)用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)等，都在一定程度上減少了空調(diào)系統(tǒng)的能耗。二次回風(fēng)系統(tǒng)減少了再熱環(huán)節(jié)，從而消除了冷熱抵消問題，達到節(jié)能效果；而溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，由于其末端的盤管為干工況運行，并且可以用 17℃左右的高溫冷水控制室內(nèi)溫度，使得制冷機的 COP 提高 40％左右，從而使集中空調(diào)系統(tǒng)的能耗降低 30％以上。

 

采用合理的系統(tǒng)方案可使空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)較好的節(jié)能效果。節(jié)能降耗措施完善是現(xiàn)代手術(shù)室又一特點。國內(nèi)某些企業(yè)以建成的節(jié)能型手術(shù)室為基礎(chǔ)，建立能耗分析和數(shù)值模擬模型，進行能耗模擬分析。

 

1

手術(shù)室內(nèi)部負(fù)荷

 

根據(jù) GB 50333—2013《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》，Ⅰ級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室的主要技術(shù)指標(biāo)如表 3-3-2 所示。

 

 

 

手術(shù)室的空調(diào)室內(nèi)負(fù)荷包括室內(nèi)設(shè)備負(fù)荷、照明負(fù)荷、人員負(fù)荷和圍護結(jié)構(gòu)負(fù)荷。

 

1. 設(shè)備負(fù)荷

計算公式： Qc(τ)=QsCLQ

式中：

Qc(τ)——設(shè)備和用具顯熱形成的冷負(fù)荷，W；

Qs ——設(shè)備和用具的實際顯熱散熱量，W；

CLQ——設(shè)備和用具顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)。

 

手術(shù)室醫(yī)用設(shè)備的散熱量，一般應(yīng)由實驗測得，注明在產(chǎn)品樣本上。但通常很難從產(chǎn)品樣本獲得這類數(shù)據(jù)，實際計算時，可以采用機器裝機容量的某個百分比計算。表 3-3-3 給出了常見設(shè)備的電功率和計算取值。

 

 

 

2. 照明負(fù)荷

計算公式：熒光燈　Qc(τ)=1000n1n2NCLQ 

Qc(τ) ——燈具散熱形成的冷負(fù)荷，W；

N ——照明燈具所需功率，kW；

n1 ——鎮(zhèn)流器消耗功率系數(shù)，本設(shè)計取 1；

n2 ——燈罩隔熱系數(shù)，本設(shè)計取 1；

CLQ ——照明散熱冷負(fù)荷系數(shù)

 

3. 人員負(fù)荷

人體顯熱散熱形成的冷負(fù)荷計算公式： Qc(τ)=qsnφCLQ

Qc(τ)——人體顯熱散熱形成的冷負(fù)荷，W；

qs ——不同室溫和勞動性質(zhì)成年男子顯熱散熱量，W；

n ——室內(nèi)全部人數(shù)；

φ ——群集系數(shù)；

CLQ——人體顯熱散熱冷負(fù)荷系數(shù)。

 

人體潛熱散熱形成的冷負(fù)荷計算公式： Qc=qlnφ

Qc ——人體潛熱形成的冷負(fù)荷，W；

ql ——不同室溫和勞動性質(zhì)成年男子潛熱散熱量，W；

n ——室內(nèi)全部人數(shù)；

φ ——群集系數(shù)。

 

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(shù)分別按照 8 人和6人計算，其中，2人為極輕體力勞動，其余按照輕體力勞動考慮。

 

根據(jù)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，室溫為23.5℃，相對濕度為55%，可以得到人員的散熱和散濕量?；颊咔锌凇⒀腕w液的散濕量按照 2 個輕度勞動人員的散濕量考慮。人員負(fù)荷計算表見表3-3-4。

 

 

2

一次回風(fēng)系統(tǒng)制冷負(fù)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(tǒng)處理過程見圖 3-3-7，在焓濕圖上表示見圖 3-3-8：

 

 

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

 

下面以上海為例，進行設(shè)計工況下的制冷負(fù)荷分析。

 

上海地區(qū)的夏季空調(diào)室外設(shè)計參數(shù)為：干球溫度 34℃，濕球溫度 28.2℃。室內(nèi)設(shè)計參數(shù)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(shù)取為 36 次 /h，則所需風(fēng)量約為 4000m3/h。

 

根據(jù)計算，設(shè)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(nèi)設(shè)計工況下的比焓為 48.97kJ/kg，I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室機器露點的焓值分別僅為 34.91kJ/kg 和34.66kJ/kg，因此一次回風(fēng)系統(tǒng)需設(shè)置再熱。則一次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷由再熱負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、風(fēng)機溫升負(fù)荷及室內(nèi)負(fù)荷組成，各部分負(fù)荷計算匯總見表 3-3-6。

 

 

其中，風(fēng)機溫升負(fù)荷根據(jù)蘇凈實體模型手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)各工況下的實測數(shù)據(jù)（見測試報告）選取，設(shè)計風(fēng)量下 I 級手術(shù)室、Ⅱ級手術(shù)室空調(diào)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(fù)荷見表 3-3-6。I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室的再熱負(fù)荷、新風(fēng)負(fù)荷、風(fēng)機溫升負(fù)荷及室內(nèi)負(fù)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(fù)荷占的比例很大，尤其是I級手術(shù)室的再熱負(fù)荷占到制冷負(fù)荷的59.4%，這顯然不符合節(jié)能需求。一般來說，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(tǒng)制冷負(fù)荷分析

 

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

 

 

二次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷由新風(fēng)負(fù)荷、風(fēng)機溫升負(fù)荷及室內(nèi)負(fù)荷組成，見表3-3-7，其各部分所占比例如圖3-3-12 所示。

 

 

通過對比以上圖表可看出：

 

（1）二次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷相比一次回風(fēng)來說，兩個手術(shù)室能耗平均減少了 50%，減少的量即為再熱負(fù)荷，因此二次回風(fēng)系統(tǒng)比一次回風(fēng)系統(tǒng)更節(jié)能。

 

（2）在二次回風(fēng)系統(tǒng)中，新風(fēng)負(fù)荷所占的比例較大，因此合理利用新風(fēng)在一定程度上也會達到節(jié)能效果。

 

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

 

4

優(yōu)化的系統(tǒng)方案

 

 

根據(jù)計算分析和實際測試數(shù)據(jù)，二次回風(fēng)系統(tǒng)雖然可以很好地避免冷熱抵消問題，但是由于運行風(fēng)量和風(fēng)壓較大，空調(diào)凈化機組的風(fēng)機溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)系統(tǒng)。這使得制冷機組中承擔(dān)風(fēng)機溫升負(fù)荷的比例較大，I 級手術(shù)室的情況更加嚴(yán)重。

 

鑒于此，優(yōu)化系統(tǒng)提出將風(fēng)機電機外置，減少制冷負(fù)荷。由于風(fēng)機溫升負(fù)荷的減少，使得按照常規(guī)設(shè)計的新風(fēng)量足以承擔(dān)全部空調(diào)負(fù)荷?？照{(diào)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(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)單獨從室外引入，經(jīng)過凈化進風(fēng)機組內(nèi)的粗效、中效處理后直接送到凈化空調(diào)機組的吸入端，凈化空調(diào)機組需要承擔(dān)手術(shù)室和新風(fēng)的全部負(fù)荷。這種新風(fēng)供給系統(tǒng)靈活簡單，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)部凈化空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)系統(tǒng)分為幾組集中由室外引入，按照分組設(shè)置凈化新風(fēng)空調(diào)機組。引入的新風(fēng)，經(jīng)過凈化新風(fēng)機組內(nèi)的粗效、中效、亞高效過濾處理、冷卻降溫除濕或加熱后直接送到凈化空調(diào)機組的吸入端。該系統(tǒng)雖然靈活性不如分散處理方式好，但是室內(nèi)溫濕度相對穩(wěn)定，而且特別適用于新風(fēng)濕負(fù)荷大的地區(qū)。

 

鑒于我國南方地區(qū)氣候濕熱，新風(fēng)濕負(fù)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。

 

 

此時的空調(diào)系統(tǒng)簡化為：新風(fēng)凈化機組承擔(dān)全部室內(nèi)和新風(fēng)負(fù)荷，而循環(huán)機組僅承擔(dān)凈化作用。

 

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

 

 

實際中，S 到 S' 這段溫升負(fù)荷很小，故計算時可忽略不計。

 

這種空氣處理方案具有如下優(yōu)點：

第一，室內(nèi)沒有返回空調(diào)機組的回風(fēng)管道，系統(tǒng)較為簡單；

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(jù)手術(shù)室使用數(shù)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，加壓機組無除濕降溫處理，可以減少滋生細(xì)菌的風(fēng)險。

 

5

運行策略

 

根據(jù)圖 3-3-12 的負(fù)荷分布比例可以看出，制冷負(fù)荷中新風(fēng)負(fù)荷所占比例最大，I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室新風(fēng)負(fù)荷分別占到總制冷負(fù)荷的 59.5% 和 68.9%，因此，為了全面提高節(jié)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工況區(qū)：冬、夏季的最小新風(fēng)量運行工況及過渡季運行工況。在過渡季，可以增大新風(fēng)量以充分利用室外空氣的自然調(diào)節(jié)能力來減少制冷負(fù)荷。

 

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

 

 

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

 

（2）當(dāng)室外空氣焓值低于室內(nèi)空氣允許焓值的下限又高于需要對新風(fēng)進行加熱的室外焓值時，該工況的運行時段約為 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(jié)能，但是對于凈化系統(tǒng)，新風(fēng)量過大會加重過濾器負(fù)擔(dān)，縮短其使用壽命，鑒于此，本課題過渡季的最大新風(fēng)量并未按照全新風(fēng)考慮，過渡季新風(fēng)量取為 3000m3/h，此時由室外新風(fēng)和制冷機組共同承擔(dān)室內(nèi)負(fù)荷和風(fēng)機溫升負(fù)荷。

 

（3）當(dāng)室外空氣焓值降低到需要加熱的室外參數(shù)時，繼續(xù)采用最小新風(fēng)量運行，此時進入加熱加濕工況，該工況的運行時段約為1月1日～ 3月21日、12月2日～12月31日。為了進一步降低新風(fēng)能耗，考慮到在手術(shù)準(zhǔn)備階段室內(nèi)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，若無特別說明，均采用GB50333—2002《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》推薦值。）