冷輻射空調在醫療建筑中的應用研究

李玉蘋

（山東華宇工學院，山東德州 253000）

0 引言

醫院建筑的特點是一方面需要嚴格的小氣候和室內空氣質量，另一方面是高功能復雜性。防止病人感染和提供良好的室內空氣品質是醫院關注的兩個主要問題，良好的室內空氣質量可能是治療的一部分，它影響感染的控制，另外，一個舒適的熱環境有助于穩定病人的情緒和康復過程。此外，手術中的熱舒適或不適記憶對患者對手術護理的整體滿意度有影響。體外熱環境和體內代謝產物的共同作用構成了體內的熱應力，病人希望室內環境比中性環境更溫暖。病人服用的藥物可能影響他們的新陳代謝，寒冷是一種不舒服的感覺，可以增加不安，加劇疼痛、顫抖、注意力不集中、肌肉和關節緊張，并降低病人的整體滿意度。使用主動加溫裝置可以比被動覆蓋物更有效地防止體溫過低。為了防止手術室的熱風險，手術室的溫度不能低于21 ℃，23 ℃以上的溫度通常是手術人員無法忍受的，24～26 ℃通常是適合熱舒適的。根據國際標準，室內空氣溫度應在20～24 ℃，但使用較低或較高的溫度是可以接受的。室內小氣候控制、室內空氣的純凈度、高過濾和換氣的需要、消除空氣流通是空調系統在醫院建筑中必須確保的重要目標，主要用于手術室、白室、免疫缺陷和傳染病人科室、重癥監護室和門診部。

醫院建筑能源設計的主要目標主要有以下3 個：①一個高效率的建筑圍護結構，參考減少熱損失和與變化的外部和內部條件（主要是太陽輻射和內生脈沖增益）有關的熱偏移的衰減；②空調系統在以下方面的效率:室內小氣候穩定性、室內空氣質量、送風量和分布、過濾效率、適于確保健康狀況的處理單元；③適用于有效能量轉換（即二、三代發電系統）和能量傳輸（即循環水力網絡和空氣回路）的有源設備。

1 冷輻射空調發展現狀

在現代建筑中，空調的使用已經非常普遍，但空調大量使用的能源消耗已經影響節能環保，其主要問題之一是使用傳統的對流換熱調節溫度限制了制冷效率的提高。本設計直接利用制冷劑冷卻來降低室內輻射的一種或多種基于壁面表面溫度的內壁表面，形成冷輻射表面，依靠輻射熱輻射表面與人體家具和建筑圍護結構的表面交換方式進行冷卻，從而提高蒸汽壓縮制冷蒸發溫度。為了降低空調系統的能耗，采用冷輻射技術替代現有的空氣調節制冷系統，可以提高能效。

2 醫院冷輻射空調系統設計

本文的醫院冷卻空調系統主要應用于舒適空氣調節系統，以風扇對流冷卻形式取代傳統的室內空氣調節，直接通過對流換熱將傳統的空氣調節蒸發器轉化為輻射換熱形式，使用現代新型聚合物復合材料作為蒸發器的主體，對傳統的空氣調節工況蒸氣壓縮式制冷的整體設定進行了冷卻設計，探索并設計符合輻射制冷系統技術要求的空氣調節功能，輻射制冷系統的數據采集、智能控制器的開發設計及室內露點控制，形成基于原型結構的節能輻射制冷技術的舒適空氣調節。

2.1 太陽能冷輻射制冷技術

（1）輻射制冷蒸發器的設計。制冷劑蒸發和輻射制冷及空氣調節是簡單地通過輻射、空氣調節、蒸發器最傳統的表面冷卻強制對流方式，它擁有屬性小容積，傳熱、冷卻蒸發器的設計比輻射蒸發器的表面積大大增加，在實踐中，輻射冷卻板的使用既要考慮制冷劑壓力的影響，又要考慮更好的傳熱性能，為避免安全隱患，其強度、安全性是本設計的關鍵。

（2）系統的冷凝控制問題。普通的空氣調節制冷劑必須通過斜槽管從室內機排出凝結水，而輻射制冷不應受制于空調室內產生的凝結水，因此，必須保證輻射制冷蒸發器的蒸發溫度大于室內空氣露點溫度，控制露點溫度是輻射制冷產品實際使用中的一個技術難題。工程要求溫度散熱器表面不能低于內部條件下的露點溫度，為了保證露點控制要求，必須配備自動防結露檢測和防護措施，控制電磁閥及相應的電路控制系統，這對于工程實施中智能控制系統的設計非常重要。

（3）濕度控制系統設計。室內空調器的冷卻，特別是在高溫干燥環境下不能保證正常的空氣調節效應，必須配備專門的除濕系統。除濕能力不符合要求，室內夏露問題難以解決。系統必須有防結露保護裝置，配備可靠、高濕度的室內一次性啟動干燥劑除濕設備。對于控制系統的設計和操作控制來說，除濕是一個非常重要的環節，同時除濕技術對于除濕理想性的要求還有待進一步的驗證。

（4）系統的設計開發。控制系統的參數優化設計和運行，運行測試輻射制冷和空氣調節系統，其控制系統的設計是獲得參數和調試的關鍵，包括：輻射制冷蒸發器進口溫度、出口溫度、壓縮機、冷凝器進口溫度、室內空氣測試溫度、電子膨脹閥前壓力水箱出口壓力、輻射制冷檢測點壓力、測試水箱加熱控制參數和實際輸出電阻等。系統能否正常運行并進行相應的性能測試，軟件系統和調試方法的準備非常重要，作為實驗控制系統，控制系統不僅要考慮數據采集的合理性和準確性，還要通過軟件程序來控制其優良的性能。本方案利用組態軟件開發的空氣調節實驗控制系統，結合多種組態模式，實現計算機集成系統的控制功能和研究。

實驗性工作：①建立一個實驗性的輻射制冷和空氣調節系統；②制冷循環系統組成部分，制冷系統設計包括壓縮機、冷凝器、電子膨脹閥、輻射制冷蒸發器、制冷設備的初始狀態調整和完整的試驗；③控制系統硬件設計結構，包括傳感器放大電路、執行器驅動接口部分，編寫制冷運行程序及相應的冷卻部件，包括數據采集、變頻驅動、節氣門控制模塊；④選擇控制算法、算法軟件、實驗臺驗證和調試、各種算法的比較和參數效應，最終的篩選程序控制算法是適用的；⑤改善室內露點控制方法。對于如何確定蒸發溫度輻射制冷，重復測試和分析，通過對系統性能的分析和調試找出切實可行的露點控制策略，并確定露點控制方案。

2.2 設計可行性分析

（1）綜合現有的空氣調節系統原理、運行和控制技術，可以看到大部分室內空氣調節處理技術已經比較成熟，如蒸汽壓縮式制冷、表面冷卻器換熱、空氣強制對流傳熱等，這些方法和技術為新技術的研究提供了支持。

（2）根據目前研究的結果，輻射換熱已知的基本節能特性，采用冷水熱輻射冷卻的集中式空調系統已在許多工程應用中取得了顯著的效果，其節能性能數據已被證明，是一個非常好的人體舒適效果。可以預見，輻射制冷系統傳熱的研究具有很好的發展前景。

2.3 使用效果分析

輻射換熱冷卻空氣調節系統技術改變了現有空調系統的強制對流方式，為解決人體舒適和節能要求提供了新的思路。新的空氣調節系統具有以下特點：減少室內空氣流量，避免強風和噪聲，特別是在休息時間保持房間安靜；系統采用輻射供暖和制冷系統主要是為了提高舒適性，可采用低品位能源、熱能儲存措施；系統節省對流風機投資，降低空氣調節系統的運行成本；控制系統技術先進，空氣調節方案更合理；輻射供冷管網系統采用毛細管網輻射板，可接觸安裝在墻壁、地板或天花板上，占用空間小、安裝方便，對室內裝修的影響最小；蒸發器管板采用導流式分散結構，流體分布均勻，水力損失小，可輕輕地將冷量傳至維護結構表面，溫控室溫模擬毛細管調節，方便控制；沒有傳統空調系統的風和噪聲，不會使機體產生過熱過冷，不會造成粉塵和傳播病菌；與傳統的空氣調節系統相比，制冷蒸發溫度較高，制冷壓縮機的能量效率大幅提高；系統采用先進的控制系統，不僅能保證制冷機的主要性能，同時有檢漏系統提供易于查找和可靠的維修功能。

3 結語

輻射制冷系統與置換通風空氣調節或其他系統組合，特別是采用蒸發冷卻技術的半集中式空調系統，符合國家節能減排政策，具有廣闊的市場前景。基于節能和舒適性要求的輻射制冷及相關產品的開發和應用具有重要的研究價值。

項目名稱：基于節能和舒適性分析的輻射空調在醫院建筑中的應用研究（2019KJ07）。