手術(shù)室節(jié)能降耗看什么?就看這些指標
華銳凈化工程 2019-09-07 12:47:35 閱讀
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。
許多學者、臨床醫(yī)學工程師做了很多關(guān)于降低手術(shù)室能耗的研究探討,例如,采用二次回風系統(tǒng)、應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。
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手術(shù)室內(nèi)部負荷
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)指標如表 3-3-2 所示。
手術(shù)室的空調(diào)室內(nèi)負荷包括室內(nèi)設(shè)備負荷、照明負荷、人員負荷和圍護結(jié)構(gòu)負荷。
1. 設(shè)備負荷
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荷系數(shù)。
手術(shù)室醫(yī)用設(shè)備的散熱量,一般應由實驗測得,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(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 ——照明散熱冷負荷系數(shù)
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——人體顯熱散熱冷負荷系數(shù)。
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。患者切口、血和體液的散濕量按照 2 個輕度勞動人員的散濕量考慮。人員負荷計算表見表3-3-4。
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一次回風系統(tǒng)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量較大,使得手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的送風焓差很小,為了保證送風狀態(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)室集中布置的送風口面積不小于 6.24m2,此處取為 9m2,送風速度按照 0.37m/s 計算,則所需風量為 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,因此一次回風系統(tǒng)需設(shè)置再熱。則一次回風系統(tǒng)的制冷負荷由再熱負荷、新風負荷、風機溫升負荷及室內(nèi)負荷組成,各部分負荷計算匯總見表 3-3-6。
其中,風機溫升負荷根據(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)計風量下 I 級手術(shù)室、Ⅱ級手術(shù)室空調(diào)機組和新風機組的風機溫升分別取為 1.5℃、1.3℃和 1.2℃,折算的風機溫升負荷見表 3-3-6。I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室的再熱負荷、新風負荷、風機溫升負荷及室內(nèi)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(jié)能需求。一般來說,解決送風溫差小的方法除了二次加熱以外,還可以采用二次回風的空氣處理方式。
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二次回風系統(tǒng)制冷負荷分析
一次回風系統(tǒng)用再熱器來解決送風溫差受限制的問題,這樣不符合節(jié)能原則。二次回風系統(tǒng)則采用在表冷器后與回風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。
二次回風系統(tǒng)的制冷負荷由新風負荷、風機溫升負荷及室內(nèi)負荷組成,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)二次回風系統(tǒng)的制冷負荷相比一次回風來說,兩個手術(shù)室能耗平均減少了 50%,減少的量即為再熱負荷,因此二次回風系統(tǒng)比一次回風系統(tǒng)更節(jié)能。
(2)在二次回風系統(tǒng)中,新風負荷所占的比例較大,因此合理利用新風在一定程度上也會達到節(jié)能效果。
(3)另外,空調(diào)機組風機溫升負荷所占比例較大,I級手術(shù)室空調(diào)風機溫升負荷占到總制冷負荷的 24.7%,而室內(nèi)負荷僅占 14.1%,即,風機溫升負荷遠大于室內(nèi)負荷。因此如何解決風機溫升負荷,對系統(tǒng)的節(jié)能也具有重要的意義。
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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,但是由于運行風量和風壓較大,空調(diào)凈化機組的風機溫升遠遠高于常規(guī)系統(tǒng)。這使得制冷機組中承擔風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(tǒng)提出將風機電機外置,減少制冷負荷。由于風機溫升負荷的減少,使得按照常規(guī)設(shè)計的新風量足以承擔全部空調(diào)負荷??照{(diào)新風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)的新風單獨從室外引入,經(jīng)過凈化進風機組內(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)機組需要承擔手術(shù)室和新風的全部負荷。這種新風供給系統(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)置凈化新風空調(diào)機組。引入的新風,經(jīng)過凈化新風機組內(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濕負荷大的地區(qū)。
鑒于我國南方地區(qū)氣候濕熱,新風濕負荷相對較大,因此,新風處理選用如圖 3-3-13 所示的集中處理方式。
此時的空調(diào)系統(tǒng)簡化為:新風凈化機組承擔全部室內(nèi)和新風負荷,而循環(huán)機組僅承擔凈化作用。
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)機組的回風管道,系統(tǒng)較為簡單;
第二,一套新風處理機組可以供給多間手術(shù)室,新風機組可以根據(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機組,加壓機組無除濕降溫處理,可以減少滋生細菌的風險。
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運行策略
根據(jù)圖 3-3-12 的負荷分布比例可以看出,制冷負荷中新風負荷所占比例最大,I 級手術(shù)室和Ⅱ級手術(shù)室新風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(jié)能效果,優(yōu)化新風運行策略至關(guān)重要。
新風全年運行總體上分為兩個工況區(qū):冬、夏季的最小新風量運行工況及過渡季運行工況。在過渡季,可以增大新風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,采用最小新風量運行,此時全部負荷依靠制冷機組承擔,該工況的運行時段為約為5月2日~10月19日。
(2)當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。增大新風量有利于節(jié)能,但是對于凈化系統(tǒng),新風量過大會加重過濾器負擔,縮短其使用壽命,鑒于此,本課題過渡季的最大新風量并未按照全新風考慮,過渡季新風量取為 3000m3/h,此時由室外新風和制冷機組共同承擔室內(nèi)負荷和風機溫升負荷。
(3)當室外空氣焓值降低到需要加熱的室外參數(shù)時,繼續(xù)采用最小新風量運行,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能耗,考慮到在手術(shù)準備階段室內(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。)