手術(shù)室空氣處理方案的比較分析

李 濤 陳雪芬 葉 青

山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

手術(shù)室空氣處理方案的比較分析

李 濤 陳雪芬 葉 青

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潔凈手術(shù)室凈化空調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)手術(shù)室潔凈度、溫濕度和壓差控制的重要保證，本文通過(guò)對(duì)手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)不同空氣處理方式的比較分析，詳細(xì)闡述了不同空氣處理方式的特點(diǎn)和適用范圍。

潔凈手術(shù)室空調(diào)空氣處理

設(shè)有凈化空調(diào)系統(tǒng)的潔凈手術(shù)室是現(xiàn)代醫(yī)療建筑的重要組成部分，在許多新建醫(yī)療綜合體以及舊有的醫(yī)療建筑改造中都建有潔凈手術(shù)室。手術(shù)室凈化空調(diào)系統(tǒng)的主要任務(wù)是：能夠控制相應(yīng)等級(jí)用房的室內(nèi)溫度、濕度、塵埃、細(xì)菌、有害氣體濃度以及氣流分布，以保證室內(nèi)人員所需的新風(fēng)量，維持室內(nèi)外合理的壓力梯度，滿足潔凈手術(shù)部潔凈保障體系的要求，創(chuàng)造一個(gè)人工的理想的無(wú)菌手術(shù)環(huán)境。

1 手術(shù)室空氣處理的典型方式

目前潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)的典型空氣處理方式主要有以下幾種：

1）一次回風(fēng)系統(tǒng)。潔凈手術(shù)室空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)與室外新風(fēng)混合，經(jīng)空氣處理后送至室內(nèi)。

2）二次回風(fēng)系統(tǒng)。對(duì)于級(jí)別較高的潔凈手術(shù)室存在滿足潔凈度的空氣凈化要求，因此其送風(fēng)量遠(yuǎn)大于用于滿足空調(diào)舒適性要求所需的風(fēng)量，出于節(jié)能的考量，多適宜采用二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)與回風(fēng)一次混合后經(jīng)空氣處理，再次與旁通支路的回風(fēng)進(jìn)行混合，形成二次回風(fēng)系統(tǒng)。

3）新風(fēng)機(jī)組與室內(nèi)循環(huán)機(jī)組并用。新風(fēng)機(jī)組與室內(nèi)循環(huán)機(jī)組并用的空調(diào)系統(tǒng)由新風(fēng)承擔(dān)全部室內(nèi)冷熱負(fù)荷，新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機(jī)組處理后送入室內(nèi)循環(huán)機(jī)組，與手術(shù)室回風(fēng)混合，再經(jīng)過(guò)濾器處理后送入室內(nèi)。本方案適合于多間手術(shù)室共用一套新風(fēng)機(jī)組，新風(fēng)單向分配至各間手術(shù)室，不存在各間手術(shù)室的回風(fēng)在空調(diào)機(jī)組內(nèi)混合的顧慮。

4）新風(fēng)機(jī)組與風(fēng)機(jī)盤管室內(nèi)循環(huán)機(jī)組并用[1]。對(duì)手術(shù)室的溫、濕度的要求往往隨手術(shù)類別、疾病性質(zhì)而異，而這種方式最便于各手術(shù)室的溫、濕度控制與調(diào)節(jié)，如心臟外科宜于在16℃的低溫環(huán)境施行手術(shù)，此溫度對(duì)多數(shù)手術(shù)室則不適合，如手術(shù)室不另設(shè)風(fēng)機(jī)盤管循環(huán)機(jī)組就很難做到各室按需自行調(diào)節(jié)的要求。

2 空氣處理方式的比較

本文將結(jié)合實(shí)際算例，對(duì)幾種主要空氣處理方式進(jìn)行比較分析，對(duì)不同空氣處理方式的特點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行探討闡述。以天津某醫(yī)院擬建的Ⅰ級(jí)手術(shù)室為算例，計(jì)算條件為夏季工況，夏季設(shè)計(jì)室內(nèi)溫度24℃，相對(duì)濕度60%，總冷負(fù)荷3.3kW[1]。天津地區(qū)室外夏季設(shè)計(jì)參數(shù)：干球溫度33.4℃，濕球溫度26.9℃。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范[2]，Ⅰ級(jí)潔凈手術(shù)室最小新風(fēng)量取值為770m3/h。

2.1 方案一分析

方案一采用新風(fēng)機(jī)組與室內(nèi)循環(huán)機(jī)組并用，由新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)全部的熱濕負(fù)荷，其空氣處理過(guò)程為：

根據(jù)△i=Q/G，得送風(fēng)焓差△i=3.3×3600/(1.2× 9000)=1.1kJ/kg，則，i0=iN-△i=50.3-1.1=49.2kJ/kg。

在ε線上確定送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O的狀態(tài)參數(shù)：t= 23.1℃，d=10.1g/kg，φ=57%。

ε線φ=90%的相對(duì)濕度線相交得機(jī)器露點(diǎn)。但是風(fēng)機(jī)溫升會(huì)有一定影響，為求穩(wěn)妥，考慮0.5℃的風(fēng)機(jī)溫升，實(shí)際為L(zhǎng)’點(diǎn)（圖1）。各點(diǎn)參數(shù)如下：

①機(jī)器露點(diǎn)L：t=14.3℃，i=37.4kJ/kg，d=9.1g/kg，φ=90%。

②L’點(diǎn)：t=14.8℃，i=37.9kJ/kg，d=9.1g/kg，φ=87%。

該方案將新風(fēng)處理至室內(nèi)等d線以下，回風(fēng)未進(jìn)行熱濕處理，直接與處理后的新風(fēng)混合，經(jīng)高效或亞高效空氣過(guò)濾器后送入室內(nèi)。因此新風(fēng)承擔(dān)了全部室內(nèi)熱濕負(fù)荷，但新風(fēng)處理焓差達(dá)到47kJ/kg，對(duì)新風(fēng)機(jī)組的要求比較高，表冷器供回水溫為7～12℃時(shí)，需要設(shè)置6排盤管才能保證要求。本方案在滿足房間溫、濕度要求條件下，供給的新風(fēng)量大于計(jì)算所需新風(fēng)量，偏于更舒適和安全，從技術(shù)上可以接受。

圖1 方案一的空氣處理過(guò)程

2.2 方案二分析

方案二采用帶再熱的一次回風(fēng)方式，通常被認(rèn)為參數(shù)較易控制，對(duì)表冷器也無(wú)特殊要求，但因空氣處理過(guò)程存在冷熱抵消，運(yùn)行能耗較大。空氣處理過(guò)程如下：

系統(tǒng)劃分與方案一相同。以Ⅰ級(jí)手術(shù)室計(jì)算為例，計(jì)算過(guò)程如下：

新風(fēng)比m=770/9000=9%；

得iM=m·（iW-iN）+iN=0.09×(84.4-50.3)+50.3= 53.4kJ/kg，確定混合點(diǎn)M，其參數(shù)為t=25℃，d= 11.1g/kg，φ=57%。

由方案一計(jì)算已知送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O，沿等d線找到機(jī)器露點(diǎn)L，使得OL與φ=90%的相對(duì)濕度線相交。同樣考慮0.5℃的風(fēng)機(jī)溫升，實(shí)際為L(zhǎng)’點(diǎn)（圖2）。各點(diǎn)參數(shù)如下：

①機(jī)器露點(diǎn)L：t=15.8℃，i=41.6kJ/kg，d=10.1g/kg，φ=90%。

②L’點(diǎn)：t=16.3℃，i=42.1kJ/kg，d=10.1g/kg，φ=87%。

則，空調(diào)組制冷量9000×1.2×(53.4-41.6)/3600= 35.4kW，再熱量Q=9000×1.2×(49.2-42.1)/3600= 21.3kW。

圖2 方案二的空氣處理過(guò)程

由計(jì)算可知，方案二比方案一能量消耗要大許多。一次混合后的空氣被處理到機(jī)器露點(diǎn)，而為了滿足送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的需要，又對(duì)此機(jī)器露點(diǎn)的空氣進(jìn)行了再熱，存在一定的能量抵消。因此，潔凈手術(shù)室一般采用二次回風(fēng)系統(tǒng)。

2.3 方案三分析

方案三采用二次回風(fēng)的空氣處理方式，空氣處理過(guò)程為：

系統(tǒng)劃分與方案一相同。由方案一計(jì)算可知，新風(fēng)承擔(dān)全部負(fù)荷時(shí)，Ⅰ級(jí)手術(shù)室新風(fēng)量為810m3/h，僅超出最小新風(fēng)量40m3/h，一次回風(fēng)意義不大，因此本案以Ⅱ級(jí)手術(shù)室為算例，計(jì)算過(guò)程如下：

機(jī)器露點(diǎn)與方案一中的相同。

從而確定一次混合點(diǎn)M：t=30.7℃，d=16.9g/kg，φ=61%。

空調(diào)機(jī)組冷量Q=2×1.2×792×(74.2-38.5)/3600= 9.4kW。

圖3 方案三的空氣處理過(guò)程

2.4 方案四分析

對(duì)于一些高溫高濕地區(qū)，例如上海、廣州、武漢、香港等地，室外焓值較大，新風(fēng)機(jī)組需進(jìn)行大焓差處理，將新風(fēng)直接處理至露點(diǎn)比較困難。方案四采用除濕機(jī)對(duì)集中新風(fēng)去濕。新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機(jī)組、除濕機(jī)集中處理，承擔(dān)全部負(fù)荷，空氣處理過(guò)程如下所示：

為便于比較，本算例仍采用天津地區(qū)的室外氣象參數(shù)計(jì)算。計(jì)算過(guò)程如下：

Ⅰ級(jí)手術(shù)室的空調(diào)機(jī)組機(jī)器露點(diǎn)L：t=14.3℃，i=37.6kJ/kg，d=9.2g/kg，φ=90%。

考慮0.5℃風(fēng)機(jī)溫升，得實(shí)際點(diǎn)L’：t=14.8℃，i= 38.1kJ/kg，d=9.2g/kg，φ=87%。

圖4 方案四的空氣處理過(guò)程

為滿足除濕機(jī)性能要求，假定新風(fēng)在除濕機(jī)前處理至L1，使得dL1-dL≥單位除濕量。過(guò)L點(diǎn)做等濕線，過(guò)L1做等焓線，相交得M點(diǎn)。主要狀態(tài)參數(shù)如下：

①L1：t=20.2℃，i=54.3kJ/kg，d=13.4g/kg，φ=90%。

②M點(diǎn)：t=30.6℃，i=54.3kJ/kg，d=9.2g/kg，φ=33%。

則，空調(diào)機(jī)組處理風(fēng)量G=510+1584+3273= 5667m3/h；空調(diào)機(jī)組前表冷器負(fù)荷Qw1=1.2×5667× (84.4-54.3)/3600=56.9kW；后表冷器負(fù)荷Qw2=1.2× 5667×(54.3-37.6)/3600=31.5kW；除濕機(jī)再生風(fēng)量Gz= 1/3×5667=1889m3/h；除濕機(jī)再生加熱量QZ=c/3.6Lzρz(t3-tw)=1.01/3.6×1889×1.2×(120-33.4)=55074W≈55.1kW；總能耗Q=56.9+31.5+55.1=143.5kW。

從節(jié)能角度講，這種方式不可取。原因在于處理過(guò)程中存在較大的能量抵消，初投資大，且運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。除某些特殊場(chǎng)合外，一般不推薦使用。

2.5 各方案比較

表1為各方案比較。

表1 各方案比較

3 總結(jié)

手術(shù)室空氣處理方式的合理選擇，對(duì)于整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的選擇和控制有著非常重要的影響。

對(duì)于高溫高濕地區(qū)，例如上海、武漢、廣州、香港等地，室外濕球溫度均在27℃以上，室外焓值在85kJ/kg以上，室外狀態(tài)點(diǎn)與空調(diào)機(jī)組露點(diǎn)的焓差在45kJ/kg以上。將新風(fēng)直接處理至機(jī)器露點(diǎn)比較困難，不適宜采用方案一，可根據(jù)實(shí)際情況選用方案三或方案四。

對(duì)于干燥地區(qū)，例如呼和浩特、蘭州、烏魯木齊等地，室外焓值在70kJ/kg以下，室外狀態(tài)點(diǎn)與空調(diào)機(jī)組露點(diǎn)的焓差在30kJ/kg以下。這些地區(qū)可以優(yōu)先采用方案一。

而對(duì)于其他主要地區(qū)，例如北京、天津、西安、哈爾濱等地，室外焓值在70～85kJ/kg之間，室外狀態(tài)點(diǎn)與露點(diǎn)的焓差在30～45kJ/kg之間。可以根據(jù)實(shí)際情況選擇方案，約束條件比較少。

[1]涂光備.醫(yī)院建筑空調(diào)凈化與設(shè)備[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

[2]醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范(GB 50333-2002)[S].2002

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1003-0344（2014）02-076-3

2013-4-18

李濤（1977～），男，碩士，工程師；濟(jì)南市高新區(qū)舜華路2000號(hào)舜泰廣場(chǎng)11號(hào)樓山東同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司六層第六設(shè)計(jì)分院（250101）；0531-66775592；E-mail:litao-7711@163.com