我院凈化空調(diào)加濕系統(tǒng)改造分析

關(guān)鶴

北京積水潭醫(yī)院 設(shè)備科，北京 100035

引言

空氣潔凈技術(shù)起源于國外，由于戰(zhàn)爭中雷達(dá)及高精設(shè)備的電子元器件經(jīng)常損壞，人們開始研究提高電子元器件耐用性的方法，空氣潔凈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。從國際角度看，潔凈技術(shù)基本經(jīng)歷了數(shù)個(gè)階段的的發(fā)展，才達(dá)到了現(xiàn)在的技術(shù)水平，在國內(nèi)正在由軍工走向民用、從高精走向普及，潔凈技術(shù)正不斷的在制藥、醫(yī)療及食品行業(yè)扮演重要角色[1]。電子電器制造行業(yè)一直是空氣潔凈技術(shù)的主要發(fā)展動(dòng)力之一，隨著電子行業(yè)的發(fā)展，給受控環(huán)境提出的環(huán)境越來越高，例如大直徑硅片千兆技術(shù)的發(fā)展對(duì)潔凈生產(chǎn)環(huán)境提出了更新、更高的要求，控制對(duì)象已從塵粒發(fā)展到分子級(jí)污染[2]。在醫(yī)療行業(yè)中，凈化工程逐漸占據(jù)了越來越重要的地位，可控環(huán)境在醫(yī)院管理中能夠保障醫(yī)療過程的可靠性，同時(shí)更是保護(hù)醫(yī)患雙方安全的重要工具。由于選擇合適的設(shè)備是影響醫(yī)院整體管理的一個(gè)重要因素，為了提高醫(yī)院的建設(shè)，本文通過分析北京積水潭醫(yī)院回龍觀院區(qū)凈化工程空調(diào)加濕系統(tǒng)改造的案例，比對(duì)各種技術(shù)成熟的空調(diào)加濕器的性能特點(diǎn)，以及改造前后凈化空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，得到一些對(duì)于醫(yī)院建設(shè)、醫(yī)療凈化空調(diào)系統(tǒng)和醫(yī)院集中空調(diào)建造、管理、維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)和建議，希望為今后醫(yī)療凈化工程的建設(shè)和改造提供一些幫助。

1 問題分析和改造論證

1.1 提出問題

本文研究討論的是北京積水潭醫(yī)院回龍觀院區(qū)凈化空調(diào)系統(tǒng)加濕設(shè)備改造工程，凈化空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象是手術(shù)室、ICU等。在醫(yī)院里這些區(qū)域往往處理的都是一些技術(shù)高、難度大、危險(xiǎn)性高的工作，所以凈化空調(diào)系統(tǒng)就成為了醫(yī)院醫(yī)療和科研過程的首要保障力量之一。文獻(xiàn)證明，采用層流空氣凈化系統(tǒng)的手術(shù)室能夠明顯降低Ⅰ、Ⅱ類手術(shù)切口感染率[3]，可以說，配備層流凈化功能的手術(shù)室和監(jiān)護(hù)病房已經(jīng)成為現(xiàn)代化醫(yī)院的基本單元。凈化的目的，就是要降低病人的感染率，減少病人的抗生素使用量，阻斷病人之間、病人和醫(yī)務(wù)人員的交叉感染。除了日常醫(yī)療用品的消毒，對(duì)環(huán)境的控制也是非常重要的。據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查，手術(shù)室空氣含菌量與切口感染發(fā)生率呈正相關(guān)[4]。在凈化區(qū)域建設(shè)完成之后，對(duì)凈化區(qū)域的管理就成了影響感染的長期的重要因素[5]，除了凈化空調(diào)的三級(jí)過濾等消毒功能外，通過適當(dāng)?shù)目諝馓幚矸绞剑瑢崈羰覂?nèi)的相對(duì)濕度控制在最不利于微生物生長的范圍，也是有必要的[6]，這一點(diǎn)在GB50333-2013醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范中也有體現(xiàn)。同時(shí)，潔凈室的相對(duì)濕度的控制也是決定室內(nèi)人員舒適性和醫(yī)院整體運(yùn)行的能耗的重要影響因素之一[7-8]，所以對(duì)于凈化空調(diào)系統(tǒng)加濕部分的控制不容忽視。

基于以上原因，考慮到我院現(xiàn)有凈化空調(diào)系統(tǒng)加濕器已不堪重負(fù)，并且故障率非常高，使我院管理人員必須尋求一個(gè)更好的空調(diào)加濕方案，來優(yōu)化我院凈化空調(diào)系統(tǒng)的管理。

1.2 加濕方式的對(duì)比

在空調(diào)處理過程中所提及的空氣濕度通常指一定溫度下空調(diào)中的相對(duì)濕度，采用百分比的形式給出。相對(duì)濕度指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比，或濕空氣的絕對(duì)濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對(duì)濕度之比，也可表示為濕空氣中水蒸氣分壓力與相同溫度下水的飽和壓力之比。

在一定溫度條件下，空氣相對(duì)濕度越小，人體汗液蒸發(fā)越快，人的感覺越?jīng)隹臁１本┑貐^(qū)冬季和春季白天一般濕度為20%左右，夜晚一般在70%左右。由于冬春季節(jié)濕度太小，人們往往有不舒的感覺，有時(shí)還出現(xiàn)嘴唇干裂、鼻孔出血、喉頭燥癢等現(xiàn)象。可是，到了盛夏季節(jié)，空氣濕度達(dá)到80%以上時(shí)，由于汗液蒸發(fā)緩慢，人們又會(huì)感覺酷暑難耐，有時(shí)還會(huì)中暑或引發(fā)腎病、結(jié)核病、關(guān)節(jié)炎等疾病。對(duì)于帶有凈化空調(diào)系統(tǒng)的手術(shù)室環(huán)境而言，相對(duì)濕度應(yīng)控制在40%至60%之間[9]，否則會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌感染幾率增加、治療環(huán)境變差。可見，濕度的控制在手術(shù)室控制中是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于北京等北方地區(qū)，秋冬季節(jié)空氣極其干燥，加濕季節(jié)非常長，加濕更是空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行中的難題。

不同的加濕方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，以及其適用的行業(yè)領(lǐng)域[10]。選擇正確的加濕方式能夠保證生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行，反之加濕效果往往不好，同時(shí)還可能產(chǎn)生一系列問題[11]。通常可以分為等溫加濕、等焓加濕、加熱加濕、冷卻加濕等，分別具有以下特點(diǎn)：

（1） 等溫加濕：屬于等溫加濕的方法通常有干蒸汽加濕、電極式加濕、電熱式加濕、紅外線加濕等，處理過程中空氣溫度不變，濕度增加，沒有顯熱交換，加濕的同時(shí)增加了空氣的焓值。

（2）等焓加濕：采用等焓加濕方式的加濕設(shè)備有濕膜加濕器、板面蒸發(fā)式加濕器、高壓噴霧加濕器、超聲波加濕器、離心式加濕器、噴水室等。等焓加濕過程中，空氣通過與水接觸，進(jìn)行顯熱和潛熱交換，由于兩種熱交換速度相等，所以溫度下降，濕度增加，焓值不變。

（3）加熱加濕：如果噴水室噴淋溫度高于空氣干球溫度的熱水，則加濕過程變?yōu)榧訜峒訚襁^程，空氣的溫度和濕度同時(shí)增加。

（4）冷卻加濕：冷卻加濕的過程可以由噴水室噴淋溫度低于空氣溫度的冷水來獲得，水份部分蒸發(fā)，同時(shí)空氣與水進(jìn)行顯熱交換。

1.3 加濕改造工程論證

本文對(duì)北京積水潭醫(yī)院回龍觀院區(qū)凈化空調(diào)系統(tǒng)加濕改造工程進(jìn)行討論，院區(qū)所有凈化機(jī)組采用的均是電極式加濕器，但是在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）北京地區(qū)的水質(zhì)不適合使用電極加濕的方式。由于北京地區(qū)水質(zhì)硬度大，北京市昌平區(qū)自來水總硬度為450 mg/L（信息采集自2014年第四季度昌平自來水有限責(zé)任公司水質(zhì)公告）[12]，而電極式加濕器能夠承受的最大供水硬度為288 mg/L。運(yùn)行一段時(shí)間后，電極式加濕系統(tǒng)會(huì)使加濕器內(nèi)聚積大量水堿，堵塞加濕器排水管路而致使加濕器報(bào)警。而且隨著加濕器的使用，加濕桶內(nèi)的水分蒸發(fā)，桶內(nèi)聚集大量碳酸鈣及鎂鹽等沉淀物和鹽類，使得加濕桶內(nèi)的水質(zhì)硬度不斷升高，導(dǎo)電率也隨之不斷升高，造成加濕桶內(nèi)容易產(chǎn)生高壓電弧，輕則使加濕器保險(xiǎn)及電路損壞，致使加濕器故障率倍增，重則可燒毀加濕桶極其電路而引起火災(zāi)。

（2）電極加濕器耗材消耗量大。電極加濕器的耗材消耗量較大，這是由于加濕器本身工作原理及構(gòu)造、當(dāng)?shù)厮|(zhì)、醫(yī)院凈化空調(diào)運(yùn)行時(shí)間長等諸多問題綜合導(dǎo)致的。根據(jù)院區(qū)管理維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，電極加濕器由于水質(zhì)不好，造成加濕桶容易損壞，一個(gè)加濕季節(jié)內(nèi)，基本損壞30%的加濕桶；由于加濕器需要頻繁排出達(dá)到100℃的熱水，且控制電路復(fù)雜、電壓高、電流大，導(dǎo)致控制電路板和排水閥經(jīng)常損壞。

（3）電極加濕器維修工作量大，且難度大。隨著每年加濕季節(jié)的到來，加濕器投入使用后，24 h運(yùn)轉(zhuǎn)的凈化空調(diào)機(jī)組也在24 h不停的加濕，尤其是冬季，北京地區(qū)冬季室外設(shè)計(jì)參數(shù)中，冬季室外濕度為37%，實(shí)際情況比該數(shù)值低得多，加濕器負(fù)荷大，在管理過程中，即使增加了軟化水系統(tǒng)，電極式加濕器的故障率也非常高，以院區(qū)手術(shù)室空調(diào)為例，每天故障率最低保持在3～5臺(tái)/次。圖1選取了5臺(tái)手術(shù)室空調(diào)機(jī)組的濕度記錄作為參考。

圖1 2013年12月份濕度記錄

2 改造工程設(shè)計(jì)和施工

可以看出，有些空調(diào)機(jī)組加濕器運(yùn)行非常不穩(wěn)定，甚至持續(xù)一段時(shí)間每天出現(xiàn)故障，這就需要維修人員每天進(jìn)行清理并維修。這只是顯示了隨機(jī)抽選的5臺(tái)機(jī)組作為舉例說明，全院共有大小機(jī)組33臺(tái)需要加濕，工作量相當(dāng)大。

雖然通過改進(jìn)加濕器水源水質(zhì)能夠起到一定改善效果[13]，但根據(jù)本院實(shí)踐后觀察，依然不能杜絕加濕器故障發(fā)生的情況，而且整個(gè)院區(qū)凈化空調(diào)設(shè)備分布在不同樓層，較為分散，部分凈化空調(diào)機(jī)組位于層高1.8 m的設(shè)備層，設(shè)備層內(nèi)各種管道綜合交錯(cuò)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，個(gè)別局部可容人通過高度僅為40 cm，工作環(huán)境惡劣，在這樣的環(huán)境里要對(duì)高溫、高壓的加濕設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，對(duì)工作人員的安全造成了極大的威脅。同時(shí)，維修速度難以保障，對(duì)于手術(shù)室、ICU這類工藝性空調(diào)設(shè)備而言，設(shè)備故障就意味著增加了病人感染和環(huán)境污染的機(jī)會(huì)，嚴(yán)重威脅著醫(yī)護(hù)人員的健康。

綜上，在一個(gè)加濕季節(jié)內(nèi)，不僅經(jīng)常要維修電極加濕器，且維修加濕系統(tǒng)的耗材也相當(dāng)昂貴，但若采用蒸汽加濕器，根據(jù)積水潭醫(yī)院之前的改造經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備使用年限內(nèi)基本無任何維修耗材，運(yùn)行穩(wěn)定，加濕效果好，所以院區(qū)凈化空調(diào)設(shè)備加濕系統(tǒng)需要進(jìn)行改造，以達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)約成本之目的。

對(duì)于醫(yī)院凈化空調(diào)系統(tǒng)，選取幾種常用的加濕方式進(jìn)行比較，各種加濕方式具有以下優(yōu)缺點(diǎn)，見表1[14]。

綜合考慮以上優(yōu)缺點(diǎn)，出于以下原因，選擇將院區(qū)所有凈化空調(diào)加濕器改為干蒸汽式加濕器：干蒸汽式加濕器具有加濕迅速、均勻、穩(wěn)定控制精度高；不帶水滴、無菌、無噪聲等特點(diǎn)；醫(yī)院本身配備有蒸汽鍋爐，且可以24 h運(yùn)行；醫(yī)院凈化空調(diào)設(shè)備嚴(yán)格要求無菌，且不能有白粉等污染物。

2.1 工程介紹

本工程對(duì)加濕系統(tǒng)改造，使用干蒸汽直接噴射式加濕器取代現(xiàn)有加濕系統(tǒng)。經(jīng)過醫(yī)院采購部門統(tǒng)一公示招標(biāo)，專家一致討論后確定使用斯派莎克品牌干蒸汽加濕系統(tǒng)進(jìn)行改造。經(jīng)過院方與廠家協(xié)商和現(xiàn)場考察，確定改造基本方案如下：

保留原電極式加濕器作為備用；使用鍋爐房蒸汽鍋爐作為蒸汽來源；鍋爐房內(nèi)的分氣缸，由于原有分氣缸出口數(shù)量不足，必須在此次工程中進(jìn)行更換。主管道通過鍋爐房與主樓之間連接的管溝進(jìn)入主樓，再由樓內(nèi)分支管路通至各設(shè)備機(jī)房；按就近分區(qū)原則設(shè)減壓站，將高壓蒸汽減壓至加濕設(shè)備使用壓力；蒸汽加濕器設(shè)汽水分離裝置，保證進(jìn)入空調(diào)的為高干度蒸汽；所產(chǎn)生的冷凝水由冷凝水管道輸送回鍋爐房水箱，保證能源再循環(huán)利用。整個(gè)工程系統(tǒng)圖，見圖2。

圖2 加濕改造系統(tǒng)圖

如圖2所示，主樓內(nèi)部的工程施工范圍覆蓋從地下二層至屋面的各空調(diào)機(jī)房以及沿途布管區(qū)域，由地下二層進(jìn)入主樓，樓上部分為東西兩個(gè)區(qū)域，分別由主樓兩側(cè)的管道間向上布置，到達(dá)各層后分別向相應(yīng)區(qū)域布置橫向分支管路。

2.2 工程方案

（1）為避免原有加濕器因?yàn)樵O(shè)計(jì)不足原因?qū)е录訚裥Ч缓茫瑢?duì)所有空調(diào)機(jī)組加濕負(fù)荷進(jìn)行驗(yàn)算，以求改造后的加濕系統(tǒng)能夠滿足運(yùn)行要求。由于人員及其它因素散濕作用，冬季加濕負(fù)荷主要來源于室外新風(fēng)，室外新風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)d1選取0℃、30%作為計(jì)算參數(shù)，室外新風(fēng)與回風(fēng)混合后通常被加熱到22℃，為簡便計(jì)算，統(tǒng)一選擇室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)d2：22℃、50%濕度作為計(jì)算參數(shù)。確定了狀態(tài)點(diǎn)后，查詢焓濕圖得出含濕量d1=0.715 g/kg，d2=8.225 g/kg，則空調(diào)機(jī)組的加濕量可由下式確定：

表1 加濕器優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

式中，D表示加濕負(fù)荷，單位kg/h；Q表示機(jī)組新風(fēng)量，單位m3/h；ρ表示空氣密度，單位ρ=1.205 kg/m3。

（2）根據(jù)每臺(tái)空調(diào)機(jī)組加濕段截面尺寸選取蒸汽噴管的數(shù)量和型號(hào)；結(jié)合加濕的蒸汽量、蒸汽壓力，確定對(duì)應(yīng)控制閥的口徑及型號(hào)，每個(gè)末端設(shè)備按照型號(hào)兼容性選擇相應(yīng)的汽水分離設(shè)備。

（3）根據(jù)蒸汽壓力和流量，查《動(dòng)力管道設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選出高低壓管道的管徑。

（4）根據(jù)上游高壓蒸汽壓力、下游低壓蒸汽壓力及蒸汽的流量進(jìn)行減壓閥的選型。

（5）按照設(shè)備說明書及設(shè)計(jì)大樣圖對(duì)管路和管件進(jìn)行連接。

蒸汽系統(tǒng)安裝示意圖，見圖3。

圖3 蒸汽系統(tǒng)安裝示意圖

3 運(yùn)行狀況分析

通過運(yùn)行觀察一年有余，從如下兩個(gè)方面總結(jié)改造的效果。

3.1 改造前后運(yùn)行效果對(duì)比

電極加濕器的耗材消耗量較大，這是由于其加濕器本身原理及構(gòu)造導(dǎo)致的。根據(jù)管理維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，電極加濕器由于水質(zhì)不好，造成加濕桶容易損壞，一個(gè)加濕季節(jié)內(nèi)，基本損壞30%的加濕桶；由于加濕器需要頻繁排出達(dá)到100℃的熱水，且控制電路復(fù)雜、電壓高、電流大，導(dǎo)致控制電路板和排水閥經(jīng)常損壞。故在一個(gè)加濕季節(jié)內(nèi)，不僅經(jīng)常要維修電極加濕器，且維修加濕系統(tǒng)的耗材也相當(dāng)昂貴。

改造后的一個(gè)加濕月的濕度記錄，見圖4。由圖可見，機(jī)組濕度非常平穩(wěn)，由于蒸汽加濕器采用鍋爐房直供干蒸汽作為氣源，蒸汽供應(yīng)量充足，蒸汽潔凈，加濕器汽水分離好、運(yùn)行穩(wěn)定，加濕非常迅速，室內(nèi)濕度波動(dòng)不超過2%，使得凈化空調(diào)機(jī)組運(yùn)行效果非常好。

圖4 2016年12月濕度記錄

3.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

電極加濕器運(yùn)行費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蒸汽加濕器：以北京市一般工商業(yè)用電價(jià)格計(jì)算，按照10 kV供電等級(jí)、平均1.2822元/kW·h計(jì)算，電極式加濕器使用率為60%至70%，以每天運(yùn)轉(zhuǎn)約為15 h計(jì)算，所有加濕器耗電量為561.8 kW，每天耗電為8415 kW·h時(shí)，每天用于加濕的電能價(jià)值10789元。

若使用蒸汽鍋爐供給凈化空調(diào)加濕，以一臺(tái)熱效率為97%的蒸汽鍋爐為例，額定蒸發(fā)量為10000 kg/h的鍋爐，額定燃?xì)饬浚ㄌ烊粴猓?10 Nm3/h。生產(chǎn)729 kg/h的干蒸汽、每天使用15 h，共10935 kg蒸汽，約消耗燃?xì)?76 Nm3，北京市燃?xì)鈨r(jià)格（工商業(yè)）為3.23元/m3，故每天用于加濕的燃?xì)赓M(fèi)用為2506元。

我院回龍觀院區(qū)凈化空調(diào)加濕器情況，見表2，可以更加直觀的顯示出使用燃?xì)忮仩t供給干蒸汽加濕，和使用電極式加濕器的能耗差距。

表2 我院回龍觀院區(qū)凈化空調(diào)加濕器情況

雖然節(jié)能不是本次工程的初始目的，但是從節(jié)能環(huán)保的角度來看，研究潔凈室凈化空調(diào)的節(jié)能已經(jīng)成為一個(gè)趨勢[15]，本次改造前后的能耗計(jì)算也提示出凈化空調(diào)能耗研究能夠給用戶節(jié)省可觀的運(yùn)行成本。

4 結(jié)論

通常醫(yī)院都配備有消毒供氣的蒸汽鍋爐或其它蒸汽源，空調(diào)加濕量相對(duì)于蒸汽鍋爐的供氣量來說一般不大，對(duì)比所有空調(diào)加濕器的特性，結(jié)合醫(yī)院本身的特點(diǎn)，在不需要單獨(dú)配置蒸汽鍋爐的前提下，醫(yī)院的集中空調(diào)，特別是凈化空調(diào)系統(tǒng)的加濕器的選擇上，選取使用集中供氣的干蒸汽式加濕器是比較合適的。雖然增加了一部分初期投資和施工難度，但是在以下幾個(gè)方面，具有明顯優(yōu)勢：運(yùn)行穩(wěn)定，加濕迅速，控制簡單，維護(hù)難度小甚至基本免維護(hù)；干蒸汽加濕干凈、無菌，有利于控制醫(yī)療環(huán)境；在使用原有蒸汽鍋爐氣源的前提下，不僅不會(huì)影響消毒供氣，還充分了消毒蒸汽使用間歇時(shí)間，避免浪費(fèi)，相對(duì)其它加濕方式來說，節(jié)水節(jié)電，經(jīng)濟(jì)效益較好；尤其適合水質(zhì)不好，且加濕季節(jié)長的地區(qū)。