手术室常用空气处理方式及节能分析

手术室常用空气处理方式及节能分析贺学广E—mail:fannice520@163.com摘要：本文以一级洁净手术室为例，分析了舒适性空调同洁净空调送风量的确定方法、洁净空调的送风温差，以及送风状态点的确定方法，介绍了二次回风系统在洁净手术室空气处理过程中的应用。与一次回风空气处理过程相比较，在一级同二级洁净手术室空气处理过程中应用二次回风系统，节能效果显著。关键词：洁净手术室、送风量、送风温差、二次回风、节能通常在舒适性空调（全空气系统）送风量的确定时，是先计算室内余热、余湿，而后计算热湿比，再选定送风温差，进而确定送风状态点。在焓湿图可查得送风状态点和室内点的焓值，进而按消除室内余热或余湿计算送风量，再校核换气次是否达到要求，如未达到，则应接规定的换气次数为准。由于洁净空调送风量是接规范所要求的换气次数去计算送风量（再按消除室内余热去校核送风量，二者取较大值，通常按换气次数计算的送风量要大于按消除室内余热所计算的送风量。），其送风量较舒适性空调要大得多，且送风量为己知，故不能用确定送风温差的方法去确定送风状态点，我们可以用消除室内余热的方法去求得送风状态点与室内状态点的焓差，进而确定送风状态点的焓值，作等焓线与热湿比线的交点，即得到送风状态点。在洁净手术的设计过程中，其送风量一般按换气次数确定，对于一级手术室，其要求严格，为洁净单向流，一般不按换气次数确定，其送风量为：2.6×2.4×0.45×3600（风口规格为2.6×2.4，风速一般为0.2m/s~0.3m/s，考虑衰减，一般取0.4m/s~0.45m/s[1]，手术室送风口一般都用送风天花）。二级手术室：30～36次/h，[2]三级手术室：18～22次/h，四级手术室：12～15次/h。现以某医院洁净手术室（处于湖北荆州）夏季一次回风系统为例，设计参数如下表所示：洁净室设计参数表1 房间 净化等级 换气次数 室外参数 室内设计参数 干球温度 湿球温度 干球温度 相对湿度 m3/h oC oC oC % OR1 百级 / 35.7 28.5 24 50 OR2 千级 36 35.7 28.5 24 50 OR3 万级 22 35.7 28.5 24 50 OR4 十万级 15 35.7 28.5 24 50手术室一般处于建筑的内区,主要负荷为医疗设备、灯具同人体的散热,风量、负荷计算见下表:手术室风量、冷量计算表表2 房间 面积 层高 级别 送风量 余热量 余湿量 热湿比 新风量 新风负荷 总负荷 m2 m m3/h kw g/s m3/h kw kw OR1 42 3 1 10100 8.6 3.64 8600 1000 14.74 23.34 OR2 36 3 2 3888 6.4 2.77 8312 800 11.8 18.2 OR3 36 3 3 2376 5.8 2.5 8286 800 11.8 17.6 OR4 36 3 4 1620 5.2 2.33 8000 600 8.84 14.04由于手术室一般比较集中，故其空调布置也比较集中，为方便施工及控制，新风一般由新风机组集中处理，由由风管送至各个回风处理机组与回风相混合。空气处理过程：室外新风通过新风机组先处理至室内等焓状态点L，不承担室内负荷，回风则在处理前或处理后与新风混合，送至室内。处理过程如下图所示。图1一次回风空气处理过程焓湿图从焓湿图上可看出两种的再热量同冷量相差不多，但对于方案1，在一级以下的手术室中，由于送风温差较大，回风处理状态点C的温度低于12oC，在实际工程中很难达实现，故在此选择第二种方案：回风先与新风混合后，再经空调机组处理后，送至室内。各状态点确定：（以OR1为例）：Δh=Q/GΔh：室内状态点同送风状态点的焓差（in-io）Q：室内余热G：房间送风量室内状态点焓值in为：47.86kJ/kg，Q：8.6kw，G：10110m3/h，可求得Δh=2.55kJ/kg，即可求出送风状态点的焓值io=45.3kJ/kg，过io作等焓线与热湿比线的交点即可得送风状态点O，过O点作等湿线与95%等相对湿度线交于C点，由新回风比可确定M点。各状态点参数见下表面2：各状态点参数表3 状态点 干球温度 湿球温度 相对温度 含湿量 焓值 　 oC oC　 % g/kg kJ/kg W 35.7 28.5 58.8 21.83 92.08 N 24 17 50 9.28 47.86 L 17.6 17 95 11.9 47.86 M 23.4 17 53.5 9.55 47.86 O 22.3 16.2 53.6 8.96 45.27 C 13.2 12.7 95 8.96 35.93N点与C点的焓差即为机组消耗的冷量（数值上等再热量加上室内余热量）Q冷量=G（im-ic）=10100/3600×1.2×(47.86-35.93)=40.16kwW点与N点的焓差即为新风负荷Q新风=G新风（iw-in）=(1000/3600)×1.2×(92.08-47.86)=14.74kwO点与C点的焓差即为机组再热量Q再热=G（io-ic）=10100/3600×1.2×(45.27-35.93)=31.4kw同理可计算其他几间手术室的冷量同再热量。手术室一次回风冷量同再热量表4 房间 面积 级别 送风量 余热量 新风量 回风量 冷量 再热量 送风焓差 　 m2 　 m3/h kw m3/h m3/h kw kw kJ OR1 42 1 10100 8.6 1000 9100 40.16 31.4 2.55 OR2 36 2 3888 6.4 800 3088 17.1 10.65 4.92 OR3 36 3 2376 5.8 800 1576 11.2 5.2 7.32由表4可以看出手术室级别越低，送风焓差越大，相应的空气处理温度也越低，在上述三级手术室中，通过计算及查焓湿图可得其处理后空气温度接近于12oC，对于OR4手术室，通过计算可知其送风状态点焓值为38.23kJ/kg，过送风状态点O作等湿线与95%等相对湿度线的交于C点，从焓湿图上可查得C点温度低于12oC，在实际工程中达到如此低的温度，难以实现，且成本高，故从实际出发，应考虑放大送风量，我们假设其空气处理状态点C的温度为12oC，过C点作等湿线与热湿比线交于O点，从焓湿图上可查得O点C点状态参数O、C状态点参数表5 状态点 干球温度 湿球温度 相对温度 含湿量 焓值 　 oC oC　 % g/kg kJ/kg O 18.5 14.2 62.4 8.27 39.68 C 12 11.6 95 8.27 33送风量：G=Q/（in-io）=5.2/(47.86-39.68)=0.635kg/s=1907m3/h再热量：Q再热=G（io-ic）=1907/3600×1.2×(39.68-33)=4.25kw通过上述计算分析可知：手术室的送风量应根据具体情况，具体分析，从面选择合适、正确的计算方法。观察分析可知，在一次回风系统中存在冷热抵消的问题，浪费能源，对于一级手术室能源浪费尤为严重（再热量超过30kw，同时还有等量的冷量）。从节能的角度出发可考虑采用二次回风（为使系统控制简易，易与在实际工程中实现，本文所提及的二次回风皆为固定二次回风量的二次回风系统）：通常有两种二次回风模式，1，新风经新风机组处理至室内等焓状态点（不承担室内负荷）后，与一部分回风混合，再处理到露点，再与另一部分回风相混合，再经过再热至送风状态点后，送入洁净手术室。2，新风经新风机组处理至室内等焓状态点，一部分回风经循环机组处理后再与未经处理的回风相混合，再热后再与处理后的新风混合至送风状态点，送入洁净手术室。（与新风混合的回风状态点M与一次回风状态点相同）。空气处理过程焓湿图如下：图2洁净室二次回风空气处理方式由焓湿图可明显看出，方案1的再热量大于方案的，相应的冷量也大于方案2，故在此，选择方案2所示的空气处理方式各个状态点的确定（以OR1为例）若一次回风同二次回风的混合点为O点（不须再热），则过O，N点的直线与95%等相对湿度线无交点，即得不到一次回风处理状态点。过O点作等湿线与95%等相对湿度线交与C点，一次回风同二次回风的混合点M须在线段OC上，M点通过等湿再热方能处理至O点。由空气处理过程焓湿图可知：混合点M不唯一，要使再热量尽可能小，则二次回风处理的温度要尽可能低，由于冷水机组的供回水温度为7-12oC，过表冷器的送风温度一般在取12-16oC（处理的温度可低于12oC，但处理温度越低，成本越高，通过表冷器的出风温度可通过DDC自动控制器精确控制冷冻水流量以达到控制的目的），在此取12oC，即可确定一次回风处理状态点L＇，连接N和L＇点，交OC于M点。从焓湿图上可得：Q=G*(in-io)NM/ML＇=in-im/im-il＇=Gl/G2Q：室内余热G：总送风量Gl：一次回风量Gl与新风量Gw之和G2：二次回风量M、L＇点状态参数可在焓湿图上直接查得，即可求出Gl/G2，已知G同Gl/G2的比值，即可求出Gl、G2，一次回风量即为G1同Gw（新风量）的差值。M、L＇状态点参数表6 状态点 干球温度 湿球温度 相对温度 含湿量 焓值 　 oC oC　 % g/kg kJ/kg M 20.2 15.4 61 8.96 43.1 L＇ 12 11.6 95 8.27 33一次回风量与二次回风量计算：Gl/G2=（in-im）/（im-il’）Gl/(10100-Gl)=（47.86-43.1）/（43.1-33）Gl=3230m3/hG2=/(10100-Gl)=10100-3230=6870m3/hG1=Gl-Gw=3230-1000=2230m3/hG1/Gw=2230/1000=2.23根据一次回风同新风量的比值即可得到M＇点，M＇在等焓线NL上，焓值为：47.86kJ/kg。再热量：Q再热=G（io-im）=(10100/3600)×1.2×(45.27-43.1)=7.31kw冷量：Q冷量=Gl（im＇-il＇）=(3230/3600)×1.2×(47.86-33)=16.0kw从二次回风处理过程焓湿图中可以看出，二次回风系统中一次回风的空气处理状态点L＇的温度低于一次回风空气处理状态点C的温度。在先前的一次回风系统中，我们对OR3同OR4手术室进行分析计算中可知其混合后空气处理状态点接近或低于度12oC，同时若采用二次回风，对于OR3手术室来说其再热量同一次回风系统的再热量相差不多，而对于OR4手术室，由于其一次回风系统中混合空气处理温度为12oC，若采用二次回风系统，其一次回风处理温度低于12oC，，难以达到，且再热量同一次回风的再热量相差不多，综合考滤对于OR3同OR4手术室采用一次回风系统更为合算。同理可计算OR2手术室采用二次回风时的再热量同冷量。手术室二次回风的冷量同再热量表7 房间 面积 层高 级别 送风量 余热量 新风量 一次回风量 二次回风量 冷量 再热量 　 m2 m 　 m3/h kw m3/h m3/h m3/h kw kw OR1 42 3 1 10100 8.6 1000 2230 7780 16.0 7.31 OR2 36 3 2 3888 6.4 800 1864 1224 13.2 6.64手术室一次回风同二次回风能耗对比表8 房间 一次回风 二次回风 节省冷量 节省量 节省热量 节省量　 冷量 再热量 冷量 再热量 　 kw kw kw kw kw % kw % OR1 40.45 31.73 16.0 7.31 24.45 60.5 24.42 77 OR2 17.1 10.65 13.2 6.84 3.9 40.4 4.01 37.6结论：通过以上分析对比可以看出，二次回风系统在洁净手术部空气处理过程中可以达到节能目的，级别越高，节能效果越明显。但对于三级同四级手术室节能效果不大，在实际建设中，二次回风较一次回风难控制，从节能和投资的综合角度考虑，采为一次回风更为合算。本文开篇分析了舒适性空调同洁净空调送风量的确定方法，以及送风状态点的确定方法，在本文涉及的手术室相关计算中，送风温差为未知，是先求得送风焓差，进而在焓湿图上得到送风温差。结合本文的计算及参照其他相关资料[2]，对于手术室的送风温差及一次回风同二次回风的再热焓差见下表：手术室的送风温差及一次回风同二次回风的再热焓差表9 级别 送风温差[3] 一次回风再热焓差 二次回风再热焓差 一级 1.1~2.0oC 9.0~10.0kJ/kg 1.6~3.0kJ/kg 二级 3.0~4.0oC 7.5~8.5kJ/kg 3.5~7.0kJ/kg 三级 5.0~6.0oC 7.5~8.5kJ/kg / 四级 7.0~8.6oC 7.0~7.5kJ/kg /参考文献[1]陈雪芬洁净手术室空气处理方案分析专家讲稿汇编中国电子学会洁净技术分会编者2005.[2]GB50333—2002医院洁净手术部建筑技术规范.[3]周俊彦洁净手术室空空调系统设计探讨专家讲稿汇编中国电子学会洁净技术分会编者2005.5