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)量由潔凈度確定，溫濕度均有控制要求等特點。統(tǒng)凈化空調(diào)系統(tǒng)為一次回風(fēng)系統(tǒng)，為了控制溫濕度，送風(fēng)經(jīng)過表冷器后需再熱，造成了一定的能量損失。為了降低醫(yī)院凈化空調(diào)系統(tǒng)的能耗，可以采用熱管換熱器對混合后的送風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷，同時對經(jīng)過表冷器后的低溫送風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，以降低再熱能耗。本文以某Ⅰ級潔凈手術(shù)室（尺寸為 5.7 ｍ×7.5ｍ）為例，對比分析了一次回風(fēng)電再熱系統(tǒng)和采用熱管換熱器輔助電加熱空調(diào)系統(tǒng)的能耗。
熱管工作原理與技術(shù)特點
熱管由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段三部分組成，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，體借助于貼壁金屬網(wǎng)的毛細(xì)抽吸力返回到加熱，并再次受熱汽化。如此不斷循環(huán)，熱量從熱管的一端傳向另一端。由于熱管利用工質(zhì)相變傳熱，內(nèi)部熱阻較小，因此具有能以小溫差獲得較大傳熱量、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等特點。
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，不同等級的潔凈手術(shù)室設(shè)計參數(shù)有一定的差別，以某Ｉ級潔凈手術(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)室的空調(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)荷及新風(fēng)負(fù)荷。
不同級別的手術(shù)室人數(shù)不同，按輕體力勞動、輕體力勞動人數(shù)比為1：2、群集系數(shù)為0.92取值，該手術(shù)室室溫為24℃時，顯熱負(fù)荷為67.6Ｗ／，散濕量為118.5ｇ／（人·ｈ）。
該手術(shù)室采用熒光燈作為照明燈具，根據(jù) ＧＢ５００３４—２０１３《建筑照明設(shè)計規(guī)范》，照度為750lx，安裝功率相當(dāng)于25 Ｗ／ｍ２，由此形成的照明散熱量約為20Ｗ／ｍ２。
手術(shù)室設(shè)備負(fù)荷一般應(yīng)根據(jù)醫(yī)院提供的資料或通過系數(shù)法計算。由于手術(shù)室中熱負(fù)荷的不穩(wěn)定性，依據(jù)經(jīng)驗其配置功率與計算取值如表２所示。Ⅰ，Ⅱ級手術(shù)室一般可按表２中各項計算取值之和乘以0.8的同時使用系數(shù)，Ⅲ，Ⅳ級手術(shù)室同時使用系數(shù)取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)荷較小，可以忽略不計。
手術(shù)室內(nèi)濕表面的大小因手術(shù)類型而異，參照相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，濕表面面積取0.7ｍ２，表面溫度取0 ℃。經(jīng)計算，手術(shù)室濕表面散濕量為1022.3ｇ／ｈ，由此形成的潛熱負(fù)荷為688.6 Ｗ。
該Ⅰ級手術(shù)室負(fù)荷統(tǒng)計見表３。
（2）手術(shù)室風(fēng)量
手術(shù)室送風(fēng)量按照ＧＢ５０３３３—２０１３《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》第4.0.1條及第7.2.1對各級手術(shù)室換氣次數(shù)及送風(fēng)口面積的要求計算得到。對于Ⅰ級手術(shù)室，按照規(guī)范要求，其送風(fēng)口最小面積為6.24ｍ２，手術(shù)臺工作面高度截面平均風(fēng)速為0.20～0.25ｍ／ｓ，考慮到風(fēng)速的衰減，根據(jù)經(jīng)驗，出風(fēng)口風(fēng)速宜為0.4ｍ／ｓ，總送風(fēng)量約為9000ｍ３／ｈ。
根據(jù)規(guī)范要求，Ⅰ級手術(shù)室最小新風(fēng)量為15～20ｍ３／（ｍ２·ｈ），取20ｍ３／（ｍ２·ｈ），則手術(shù)室新風(fēng)量Ｌｘ為855ｍ３／ｈ。
（3）手術(shù)室空氣處理方式選擇及其能耗
研究表明，在空調(diào)環(huán)境范圍內(nèi)的溫度變化對微生物生存能力和毒性的影響不是很明顯，而相對濕度對微生物的滋生是一個重要的影響因素。因此，不同于常規(guī)舒適性空調(diào)系統(tǒng)，潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)采用濕度優(yōu)先、溫濕皆控的控制策略。若僅控制房間溫度，則在房間熱濕負(fù)荷變化之時，其室內(nèi)相對濕度會發(fā)生飄移，不利于微生物控制。由于手術(shù)室熱負(fù)荷通常有較大的波動，而濕負(fù)荷相對穩(wěn)定，因此，內(nèi)送風(fēng)狀態(tài)點應(yīng)由風(fēng)量和濕負(fù)荷確定，采用再熱方式控制室內(nèi)溫度。目前工程上常用電再熱方式。
常規(guī)一次回風(fēng)系統(tǒng)中，高濕度的新風(fēng)與回風(fēng)混合有利于回風(fēng)中的微生物滋生繁殖。因此，根據(jù)Ｂ５０３３３—２０１３《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》，凈手術(shù)室的新風(fēng)通常集中處理后送入各手術(shù)室，新風(fēng)需要處理到比室內(nèi)狀態(tài)點比焓更低的狀態(tài)點，以消除室內(nèi)負(fù)荷。
理想的處理過程新風(fēng)應(yīng)當(dāng)帶走室內(nèi)的濕負(fù)荷，責(zé)手術(shù)室的循環(huán)機(jī)組只處理室內(nèi)熱負(fù)荷。但該方案新風(fēng)需要處理到熱濕比線與機(jī)器露點交點處，甚至更低溫度處。以上述Ⅰ級手術(shù)室為例，新風(fēng)需要處理到9℃以下，采用常用的7 ℃／12１２ ℃供回水溫度很難達(dá)到。因此通常將新風(fēng)集中處理到室內(nèi)露點狀態(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)組處理方式可以分為二次回風(fēng)（見圖2）和一次回風(fēng)（見圖３）。一次回風(fēng)處理方式為：新風(fēng)處理到室內(nèi)露點Ｌ１ 點后在循環(huán)機(jī)組內(nèi)與回風(fēng)混合到Ｃ 點，再處理至Ｌ2 點，再熱至送風(fēng)狀態(tài)點 Ｏ。次回風(fēng)較為節(jié)能，新風(fēng)集中處理到Ｌ１ 點，循環(huán)風(fēng)獨立處理到Ｌ２ 點與二次回風(fēng)混合到Ｃ 點，然后與新風(fēng)混合至送風(fēng)狀態(tài)點Ｏ。在實際工程中，二次回風(fēng)閥門調(diào)節(jié)送風(fēng)狀態(tài)點 Ｏ 難于完成，因此工程中應(yīng)用較少。因此，本文以一次回風(fēng)為例，研究潔凈手術(shù)室的能耗。就上述Ⅰ級手術(shù)室來說，為了達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點，送風(fēng)經(jīng)過表冷器冷卻后需要再熱，能源浪費較多。但該系統(tǒng)簡單，便于控制。
對于一次回風(fēng)處理過程，經(jīng)計算表冷器制冷量Ｃ和電加熱量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
為了降低潔凈手術(shù)室一次回風(fēng)系統(tǒng)的能耗，在循環(huán)機(jī)組表冷器的兩側(cè)裝上熱管換熱器，其安裝原理圖見圖４。熱管換熱 器的 蒸發(fā) 段 置 于 表 冷 器 之前，冷凝段置于表冷器之后。新風(fēng)與回風(fēng)混合并經(jīng) 過濾后，先經(jīng)過熱管換熱器的蒸發(fā)段，其內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)吸收空氣的熱量，對送風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷。預(yù)冷后的送風(fēng)經(jīng)表冷器降溫除濕后經(jīng)過熱管換熱器的冷凝段，熱管內(nèi)工質(zhì)冷凝放熱，送風(fēng)被預(yù)熱。然后經(jīng)過空調(diào)箱的電加熱段，進(jìn)一步加熱到送風(fēng)狀態(tài)點，送入房間。
在整個處理過程中，熱管換熱器利用了表冷器兩側(cè)的溫差，對送風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷和預(yù)熱，可以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)的含濕量不會改變，不會影響室內(nèi)相對濕度的調(diào)節(jié)。但由于熱管換熱器為被動換熱，無法保證預(yù)熱后的空氣滿足送風(fēng)狀態(tài)點的要求，因此要在換熱器后輔助以電加熱，調(diào)節(jié)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)箱處理過程分析
帶熱管換熱器空調(diào)箱空氣處理過程如圖５所示，新風(fēng)（Ｌ１ 點）與回風(fēng)（Ｎ 點）混合至Ｃ 點，先經(jīng)熱 管換熱器預(yù)冷至Ｃ１ 點，再由表冷器處理至機(jī)器露點Ｌ２。經(jīng)過熱管換熱器預(yù)熱到 Ｌ３ 點后再熱至送風(fēng)狀態(tài)點Ｏ，然后送入室內(nèi)。與 一 次 回 風(fēng) 相 比，熱管換熱器節(jié)能量主要為Ｃ—Ｃ１ 的預(yù)冷量和Ｌ２—Ｌ３預(yù)熱量兩部分。需要注意的是，熱管換熱器會增加空調(diào)系統(tǒng)的阻力，從而帶來風(fēng)機(jī)能耗的增加。因此，熱管換熱器的節(jié)能量應(yīng)綜合考慮節(jié)省的冷熱量和風(fēng)機(jī)阻力增加造成的電量增加。
在同一工況下，熱管換熱器的換熱特性受管排數(shù)、工質(zhì)種類以及管排材料的影響。在本例中選擇常用的 Ｒ４１０Ａ 為工質(zhì)，銅管鋁肋片、鍍鋅框架為材料，討論不同管排數(shù)下的換熱及阻力情況，計算結(jié)果如表４所示。
（2）節(jié)能潛力分析
由表４可知，管排數(shù)增加可以增大換熱量，從而減少電加熱再熱量和表冷器制冷量。但是隨著管排數(shù)增加，阻力也相應(yīng)增大，風(fēng)機(jī)電量會進(jìn)一步 增加。綜合考慮表冷器、電加熱的節(jié)能量和風(fēng)機(jī)的能耗增加，熱管換熱器節(jié)能量用式（１）計算。
式（１），（２）中 ΔＱ 為熱管換熱器節(jié)能量，ｋＷ；ΔＱＲ再熱量減少量，ｋＷ；ΔＱＣ 為表冷器制冷量減少量，再熱量減少量相等，ｋＷ；ＣＯＰｚ 為空調(diào)系統(tǒng)綜合ＯＰ，取3.0；ΔＱＦ 為風(fēng)機(jī)能耗增量，ｋＷ；Δｐ 為熱管換熱器增加的阻力，Ｐａ；η為風(fēng)機(jī)效率，取60％。
經(jīng)計算，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，熱 管 的 換 熱 能 力 增強(qiáng)，預(yù)熱和預(yù)冷量增大，更有利于減少表冷器的制冷量和電加熱器的再熱量。與此同時，管排數(shù)的增加會造成阻力增加，進(jìn)而增大風(fēng)機(jī)的壓頭，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)能耗也會增加�？傮w來說，管排數(shù)的增加會帶來總節(jié)能量的增加。
從增加的風(fēng)機(jī)能耗與減少的制冷和再熱能耗的比值看來，當(dāng)管排數(shù)越大時，該比值越大。說明隨著管排數(shù)的增加，風(fēng)機(jī)電耗的增加大于節(jié)能量的增加，熱管的節(jié)能效率反而降低。且增大管排數(shù)會帶來更高的初投資，因此需要確定熱管換熱器管排數(shù)的最佳值。
為了比較不同管排數(shù)的經(jīng)濟(jì)性，定義潔凈空調(diào)運行時間為08：00—20：00，由于新風(fēng)將集中處理到Ｌ１ 點，因此室外氣象參數(shù)對其運行的影響較小，管的年省電量為節(jié)能量乘以時間。為了計算靜態(tài)投資回收期，根據(jù)上海電費標(biāo)準(zhǔn)，以非夏季平段電價（0.752元／（ｋＷ·ｈ））為標(biāo)準(zhǔn)，計算節(jié)省的電費。由表６可知，管排數(shù)增加，節(jié)省的電費相應(yīng)增加，但由于初投資也增加，因此靜態(tài)投資回收期會隨管排數(shù)的增加而變長。
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)能量大于阻力增加帶來的能耗增加。
２）當(dāng)熱管換熱器的管排數(shù)增加時，熱管的換熱能力增強(qiáng)，更有利于減少表冷器的制冷量和電加熱器的再熱量。同時，管排數(shù)的增加會造成阻力增加，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)能耗也會增加。總體來說，管排數(shù)的增加會帶來總節(jié)能量的增加。
３）隨著管排數(shù)的增加，風(fēng)機(jī)電耗的增加速度快于節(jié)能量的增加速度，風(fēng)機(jī)能耗與減少的制冷和再熱能耗的比值越大，熱管的節(jié)能效率反而降低。
４）管排數(shù)增加，相應(yīng)的初投資也會增加，靜態(tài)投資回收期相應(yīng)延長。
５）需要特別指出的是，對于需要急速降溫的手術(shù)室，熱管換熱器可能會成為急速降溫的阻力。對這類手術(shù)室，是否采用熱管換熱裝置，需要進(jìn)一步的理論分析與經(jīng)濟(jì)性比較。
