基于全年能耗探討潔凈手術室空調系統的優化方案

中國中元國際工程有限公司 劉 鑫 孫 苗 史晉明

0 引言

目前我國的醫療衛生事業呈現快速、繁榮的發展趨勢，醫院建筑的新建、改擴建工程迎來新一輪建設熱潮，而手術部是醫院建設的重中之重。據統計，手術部凈化空調能耗約占醫院空調能耗的30%[1]。在凈化空調系統設計中，往往存在不同程度的冷熱抵消，造成巨大的能源浪費，這些費用最后都需要醫保或患者承擔，因此，降低手術部的能耗費用事關民生。

國內外的專家學者分別從設計和運維等多個角度探討了降低手術部空調能耗的措施，但多以設計工況為分析前提。然而手術部空調能耗主要是由新風負荷引起的，新風負荷與室外空氣熱濕狀態參數密切相關。因此，有必要分析空調系統在全年不同室外氣象條件下的運行狀態，進而因地制宜、因時制宜地制定空調系統方案和運行策略，盡可能避免冷熱抵消，充分利用室外自然冷源，減少能源的浪費。

本文以手術部的凈化空調系統為研究對象，考慮到室外氣象參數對空調能耗的影響，將問題聚焦到重慶地區，基于全年能耗，對凈化空調系統的不同方案進行技術經濟比較，并分析室內設計溫濕度對能耗的影響。

1 重慶地區氣候特征

由于手術室一般位于建筑內區，不存在外圍護結構，而室內的人員、設備、照明負荷相對穩定，因此室外新風成為影響手術部空調負荷波動的重要因素。室外空氣的溫濕度變化是影響新風負荷的主要原因，也是制定空氣處理方案和冷熱源方案的主要依據，分析項目所在地室外空氣的熱濕變化規律是方案設計階段的重要內容。為了研究項目所在地氣候特征，可在焓濕圖上將全年室外空氣狀態參數劃分為若干個熱濕區域[1-3]，通過分析每個分區的氣象特征，來研究空氣的熱濕參數對建筑熱環境和空調系統能效的影響。圖1為重慶地區全年室外空氣狀態參數的散點分布，其中全年逐時氣象參數來源于文獻[4]。

注：A～H、O為熱濕區域。圖1 重慶地區全年室外空氣狀態參數的散點分布

GB 50333—2002《醫院潔凈手術部建筑技術規范》中規定，潔凈手術室室內設計溫度為22～25 ℃、相對濕度為40%～60%，而現行GB 50333—2013《醫院潔凈手術部建筑技術規范》[5]中修訂為溫度21～25 ℃、相對濕度30%～60%，綜合考慮實際工作中醫生對室內溫濕度的要求，可以將溫度22～24 ℃、相對濕度30%～60%定為手術室的舒適區。在焓濕圖上，通過溫度22、24 ℃ 2條等溫線和相對濕度30%、60% 2條等相對濕度線，將全年室外空氣狀態參數劃分為9個熱濕分區，如圖1所示。由圖1可以看出濕度高是重慶地區室外空氣狀態的主要特征，高濕區域(C、D、E)累計時長為8 166 h(見表1)，占全年總時長的93.2%。較高的空氣濕度不利于凈化空調系統除濕，除濕后的再熱量是影響空調能耗的主要因素。

表1 重慶地區全年室外空氣狀態參數在各熱濕區域的累計時長

2 凈化空調系統方案

對于潔凈手術室，其空調系統方案主要是確定冷熱源和空氣處理過程。在規劃設計階段，應根據項目所在地的氣候特征、手術部負荷特性，從系統可靠性、運行成本等角度綜合考慮，制定合理的空調系統方案，尤其是運行成本，它是空調系統節能性的直觀體現，也是業主關注的重點。

本文以重慶市某綜合醫院的Ⅰ級潔凈手術室為例，從經濟性角度探討手術室凈化空調系統的優化配置方案。手術室潔凈等級為Ⅰ級，凈面積為50 m2，凈高為3 m，室內人數取14人，新風量指標為20 m3/(h·m2)，則總新風量為1 000 m3/h。為保證工作面平均風速為0.20～0.25 m/s，送風口出口風速取0.34 m/s[6]，對于Ⅰ級手術室，送風口面積為2.4 m×2.6 m，則總送風量為8 400 m3/h。

由于手術室處于建筑內區，無外窗外墻，可近似認為無圍護結構的傳熱負荷，因此室內熱濕負荷全年均為恒定值，熱濕比ε為定值。空調冷熱負荷計算結果如表2所示。

2.1 冷熱源方案

根據潔凈手術室的使用要求，室內溫濕度全年均需要維持在溫度22～24 ℃、相對濕度30%～60%范圍內，因此凈化空調一般采用四管制系統，要求全年均能夠滿足同時供冷供熱，目前應用較多的冷熱源配置方案如表3所示。對于加濕方式，常采用電熱式干蒸汽加濕。

表2 手術室熱濕負荷計算結果

表3 凈化空調冷熱源方案

2.2 空氣處理過程

對于手術室的空氣處理過程，理論上通過調整一次和二次回風比例，可以避免再熱，但是在工程中很難通過自控精確調整一、二次回風量，對自控系統整定和風閥性能要求較高[7]。因此，在國內不少地區，出于對自控及初投資的考慮，潔凈手術室往往采用一次回風系統[8-9]。對于一次回風系統，根據新風處理方式的不同，通常有以下3種方案：1) 新風無集中處理的一次回風系統；2) 新風集中處理的一次回風系統；3) 溫濕度獨立控制系統。

本文以新風無集中處理的一次回風系統為例進行詳細分析，夏季工況和冬季工況處理過程分別如圖2、3所示，此處的夏季工況處理過程泛指需要經過除濕再熱的處理過程，而冬季工況處理過程泛指不需要經過除濕再熱的處理過程。當室內設計參數為狀態點N對應參數時，根據熱濕比線ε、室內總冷負荷及總送風量，可以確定送風狀態點i。室外新風(狀態點W)與回風(狀態點N)混合后為狀態點X，考慮風機溫升1.4 ℃后為狀態點X′。其中狀態點N、i、機器露點L與室外空氣狀態參數無關，當設計溫度為24 ℃、相對濕度為60%，且認為系統運行時室內狀態點恒定不變，則狀態點N、i、L的參數如表4所示。

圖2 夏季工況處理過程

圖3 冬季工況處理過程

表4 空氣狀態點參數

夏季工況，新風與回風混合后先經表冷器處理到機器露點L，再加熱到送風狀態點i。該過程存在冷熱抵消，能耗損失較大。冬季工況，新風與回風混合并考慮風機溫升后到狀態點X′，經表冷(或加熱)處理到送風狀態點的等溫狀態點X1，再通過電熱加濕至狀態點i，該過程不存在冷熱抵消。

可以看出，夏季工況中存在嚴重的冷熱抵消，能耗遠大于冬季工況的能耗，從節能角度考慮，應盡可能減少夏季工況的運行時間。在實際運行中，凈化空調機組采用四管制，在其回水管上設置自動平衡電動調節閥，根據回風的溫濕度調節閥門的開度，并采用濕度優先模式，根據室內溫度調節再熱量。由于手術室的凈化空調全年運行，冬季工況與夏季工況并不存在明確的季節工況轉換點，這對空調全年能耗的計算造成一定的困難。

為了準確計算非設計工況下凈化空調系統的制冷量、制熱量，尤其是在3、4、10、11月過渡季，對于空氣處理過程的判定尤為重要。從圖2、3可以看出，當室內設計狀態點N確定后，狀態點i和L也隨即確定，凈化空調機組的熱濕處理是將混合狀態點X處理到狀態點i。當新風與回風的混合點X的含濕量大于送風狀態點i的含濕量時，需要先經表冷除濕，然后再熱到送風狀態點i，即按夏季工況處理；當新風與回風的混合點X的含濕量小于等于送風狀態點i的含濕量時，需要先經表冷(或加熱)，然后等溫加濕到送風狀態點i，即按冬季工況處理。

根據表4可知，當室內設計溫度為24 ℃、相對濕度為60%時，送風狀態點i的含濕量為11.5 g/kg，新風與回風的混合點X的含濕量計算為dX=dN-(dN-dW)LW/LZ(LW為新風量，m3/h;LZ為總送風量，m3/h；dW為室外空氣的含濕量，g/kg；dN為室內空氣的含濕量，g/kg；dX為混合空氣的含濕量，g/kg)。

當混合點X的含濕量dX>di時，應按夏季工況處理，即圖4所示的室外空氣狀態點與回風混合后含濕量大于送風狀態點i的含濕量11.5 g/kg，按夏季工況計算制冷量、制熱量；當dX≤di時，按冬季工況處理，即圖5所示的室外空氣狀態點與回風混合后含濕量小于等于11.5 g/kg，按冬季工況計算制冷量、制熱量。

圖4 按夏季工況處理的室外狀態點

圖5 按冬季工況處理的室外狀態點

在手術室全年能耗計算時，考慮醫院手術部運行時間為08:00—17:00，午間休息1 h，全天運行8 h，對全年工作時間內各狀態點的處理過程進行統計，需按夏季工況處理的室外狀態點累計總時長為1 771 h，按冬季工況處理的室外狀態點累計總時長為1 149 h，夏季工況和冬季工況逐月累計分布時長統計分別見圖6、7。

圖6 夏季工況逐月累計分布時長統計

圖7 冬季工況逐月累計分布時長統計

3 單位面積年度耗電量計算

為了綜合對比不同冷熱源方案的能耗情況，同時方便與其他類型建筑的能耗作對比，考慮將建筑使用中實際消耗的各種能源按能量的當量值或等價值進行換算。本文將冷量、熱量及加濕量統一折算為耗電量，并將單位面積年度耗電量作為經濟性評價指標，其中折算系數由空調系統的冷熱源形式及加濕方式確定。

凈化空調系統的耗電量由冷熱源、輸送系統及末端空調機組3個部分組成。以單位面積年度耗電量為目標函數，其表達式為

(1)

式中Pz為系統單位面積年度耗電量，kW·h/(m2·a)；Py為系統冷熱源年總耗電量，kW·h/a；Pb為系統輸送水泵年總耗電量，kW·h/a；Pm為系統空調末端年總耗電量，kW·h/a；S為手術區建筑面積，m2。

凈化空調系統冷熱源年總耗電量包括冷源和熱源的耗電量，其常見形式主要有冷水機組、四管制空氣源熱泵機組、燃氣鍋爐、電加熱、電熱式加濕器等，冷熱源總耗電量應為各部分耗電量之和，以表3所示的冷熱源方案1為例，冷熱源年總耗電量按式(2)計算：

(2)

式中qc為τ時刻的空調系統所需冷量，kW；qr為τ時刻的空調系統所需熱量，kW；w為τ時刻的空調系統所需加濕量，kg/h；R為天然氣熱值，取35 590 kJ/m3；η為鍋爐熱效率；λ為天然氣消耗量與電功率的折算系數；Qr為水的汽化潛熱，kJ/kg；c為水的比熱容，取4.2 kJ/(kg·C)；t0為加濕用自來水初始溫度，℃。

冷源的耗電量主要是指冷水機組的耗電量，根據GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》[10]，夏熱冬冷地區的水冷螺桿式冷水機組COP取4.8，空氣源熱泵機組的制冷COP取3.0，制熱COP取2.0，則根據總冷熱量和COP值，可近似估算冷水機組的耗電量。

對于熱源，當采用電加熱時，再熱量即為耗電量；當采用四管制空氣源熱泵時，夏季再熱量為回收的冷凝熱，不需要額外耗電，僅需考慮熱水泵的耗電量；當采用燃氣鍋爐加熱時，消耗的燃氣量可折算為耗電量。對于重慶地區，根據重慶市工程建設標準DBJ 50-052—2020《公共建筑節能(綠色建筑)設計標準》第8.1.7條及其條文解釋，在計算空調工程總耗電量時，燃料消耗可折算為電量，即每消耗1 m3天然氣折算耗電量為3.33 kW·h。如所需熱量為1 000 kW·h，取鍋爐效率93%，天然氣熱值35 590 kJ/m3，則消耗燃氣量為106.5 m3，折算耗電量為354.65 kW·h。

系統輸送水泵的年總耗電量主要包括冷水泵耗電量與熱水泵耗電量，如式(3)所示。根據GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》，設計工況下，循環水泵總功率與設計冷(熱)負荷的比值為耗電輸熱比，因此可以根據耗電輸熱比的限值和設計冷(熱)負荷近似計算循環水泵總功率，再對時間進行積分，即可計算循環水泵的耗電量。

(3)

式中Ec為耗電輸冷比；Eh為耗電輸熱比。

空調末端的年總耗電量主要指空調機組的耗電量，風機功率可由送風量、風壓、風機效率計算得到，對時間進行積分可計算年總耗電量，如式(4)所示。其中送風系統風道的阻力包括進風口、各級過濾器、閥門、風道及彎頭、三通等，本文實例中取風機全壓1 315 Pa，風機全效率比70%，則當送風量為8 400 m3/h時，風機的計算功率值為5.26 kW。

(4)

式中Ls為空調機組的送風量，m3/h；p為空調機組的風機全壓，Pa；ηs為空調機組的風機的全效率。

當室內設計溫度為24 ℃、相對濕度為60%時，將室外空氣全年逐時的狀態參數作為輸入條件，可計算出凈化空調系統逐時的冷負荷、熱負荷及加濕負荷，對上述逐時負荷進行時間積分，即可計算出凈化空調系統全年的累計冷量、熱量及加濕量，表5為重慶市某綜合醫院的Ⅰ級潔凈手術室全年累計冷(熱)量計算結果。

表5 重慶某綜合醫院凈化空調系統全年累計冷量、熱量、加濕量

當空氣處理過程采用新風無集中處理的一次回風系統方案時，采用表3所示的3種冷熱源方案，對應的單位面積耗電量及年運行費用計算見表6，方案1采用傳統冷熱源(電制冷機組和鍋爐)，其單位面積耗電量為822 kW·h/(m2·a)，年運行費用為34 113元。相比于方案1，方案2運行成本增加48.0%，方案3運行成本降低11.6%。方案2增加的運行成本主要是由于夏季工況的電加熱引起的，雖然采用電加熱系統配置簡單，控制方便，但是能耗較大，應謹慎使用。方案3中四管制空氣源熱泵的制冷性能系數低于水冷冷水機組，因此制冷機組的耗電量略高于方案1，但是由于四管制空氣源熱泵能夠回收冷凝熱，再熱負荷無需消耗額外電能，其綜合能耗略低于方案1，是一種比較節能的方案。

4 室內設計溫濕度對空調能耗的影響

根據GB 50333—2013《醫院潔凈手術部建筑技術規范》規定的手術室的室內設計溫濕度(溫度21～25 ℃，相對濕度30%～60%)、為了便于分析室內設計溫濕度對空調能耗的影響，此處空調冷熱源均按四管制空氣源熱泵作為凈化空調的冷熱源考慮。表7統計了不同室內設計溫濕度下的單位面積耗電量。

表6 不同冷熱源方案的單位面積耗電量與運行費用

表7 不同室內設計溫濕度下的單位面積耗電量 kW·h/(m2·a)

可以看出，提高室內設計溫度和相對濕度，均能降低單位面積耗電量。當室內設計溫度為24 ℃，相對濕度由60%降至30%時，單位面積耗電量增加了117%，相對濕度每降低10%，單位面積耗電量平均增加39%；當相對濕度為60%，室內溫度由25 ℃降至21 ℃時，單位面積耗電量僅增加了8.0%，室內溫度每降低1 ℃，單位面積耗電量平均增加2%。可以看出相對濕度對單位面積耗電量的影響遠大于溫度。因此在重慶地區，在滿足規范和醫療衛生要求的前提下，提高室內設計相對濕度，可以降低凈化空調系統的能耗。

5 結論

1) 高濕度是重慶地區室外空氣狀態的主要特征，高濕狀態在全年總時長中占比為93.2%。較高的空氣濕度不利于凈化空調系統除濕，此外除濕后的再熱量是影響空調能耗的主要因素。

2) 新風與回風混合點的含濕量可作為空氣處理工況的判定條件，當混合點含濕量大于送風狀態點含濕量時，可按夏季工況計算冷熱負荷；當混合點含濕量值不大于送風狀態點含濕量時，可按冬季工況計算冷熱負荷。

3) 夏季工況處理過程存在冷熱抵消，能耗較大，采用四管制空氣源熱泵機組回收冷凝熱相比于傳統的冷熱源方案具有一定的節能效果，此外應謹慎使用電加熱作為再熱熱源。

4) 室內設計溫度和濕度的不同，改變了送風狀態點在焓濕圖上的位置，進而可以影響夏季工況和冬季工況的累計運行時長，對于空調系統的全年能耗影響較大，且相對濕度對能耗的影響遠大于溫度。因此在重慶地區，在滿足規范和醫療衛生要求的前提下，提高室內設計相對濕度也是一項效果明顯的節能措施。