手术室节能降耗看什么?就看这些指标

华锐净化工程 2019-09-07 12:47:35 阅读

现代医院建筑已经成为单位面积能耗最大的公共建筑之一。根据国外经验,医院建筑能耗一般是办公建筑能耗的 1.6 倍~ 2.0 倍,而手术室又是医院中央空调能耗最为突出的部门。

 

许多学者、临床医学工程师做了很多关于降低手术室能耗的研究探讨,例如,采用二次回风系统、应用温湿度独立控制空调系统等,都在一定程度上减少了空调系统的能耗。二次回风系统减少了再热环节,从而消除了冷热抵消问题,达到节能效果;而温湿度独立控制空调系统,由于其末端的盘管为干工况运行,并且可以用 17℃左右的高温冷水控制室内温度,使得制冷机的 COP 提高 40%左右,从而使集中空调系统的能耗降低 30%以上。

 

采用合理的系统方案可使空调系统实现较好的节能效果。节能降耗措施完善是现代手术室又一特点。国内某些企业以建成的节能型手术室为基础,建立能耗分析和数值模拟模型,进行能耗模拟分析。

 

1

手术室内部负荷

 

根据 GB 50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》,Ⅰ级手术室和Ⅱ级手术室的主要技术指标如表 3-3-2 所示。

 

 

 

手术室的空调室内负荷包括室内设备负荷、照明负荷、人员负荷和围护结构负荷。

 

1. 设备负荷

计算公式: Qc(τ)=QsCLQ

式中:

Qc(τ)——设备和用具显热形成的冷负荷,W;

Qs ——设备和用具的实际显热散热量,W;

CLQ——设备和用具显热散热冷负荷系数。

 

手术室医用设备的散热量,一般应由实验测得,注明在产品样本上。但通常很难从产品样本获得这类数据,实际计算时,可以采用机器装机容量的某个百分比计算。表 3-3-3 给出了常见设备的电功率和计算取值。

 

 

 

2. 照明负荷

计算公式:荧光灯 Qc(τ)=1000n1n2NCLQ 

Qc(τ) ——灯具散热形成的冷负荷,W;

N ——照明灯具所需功率,kW;

n1 ——镇流器消耗功率系数,本设计取 1;

n——灯罩隔热系数,本设计取 1;

CLQ ——照明散热冷负荷系数

 

3. 人员负荷

人体显热散热形成的冷负荷计算公式: Qc(τ)=qsnφCLQ

Qc(τ)——人体显热散热形成的冷负荷,W;

qs ——不同室温和劳动性质成年男子显热散热量,W;

n ——室内全部人数;

φ ——群集系数;

CLQ——人体显热散热冷负荷系数。

 

人体潜热散热形成的冷负荷计算公式: Qc=qlnφ

Qc ——人体潜热形成的冷负荷,W;

ql ——不同室温和劳动性质成年男子潜热散热量,W;

n ——室内全部人数;

φ ——群集系数。

 

手术室中人员男女比例按照1∶1考虑,I级和Ⅱ级手术室中人数分别按照 8 人和6人计算,其中,2人为极轻体力劳动,其余按照轻体力劳动考虑。

 

根据室内设计参数,室温为23.5℃,相对湿度为55%,可以得到人员的散热和散湿量。患者切口、血和体液的散湿量按照 2 个轻度劳动人员的散湿量考虑。人员负荷计算表见表3-3-4。

 

 

2

一次回风系统制冷负荷分析

 

手术室常用的集中空气处理方案如图 3-3-6 所示。

 

 

典型的一次回风系统处理过程见图 3-3-7,在焓湿图上表示见图 3-3-8:

 

 

从空气处理过程可以看出,由于为了满足净化要求所需要的送风量较大,使得手术室空调系统的送风焓差很小,为了保证送风状态点的需求,这种方式需要很大的二次再热量,冷热抵消严重,运行能耗较大。

 

下面以上海为例,进行设计工况下的制冷负荷分析。

 

上海地区的夏季空调室外设计参数为:干球温度 34℃,湿球温度 28.2℃。室内设计参数为:23.5℃,相对湿度 55%。

 

按照 GB 50333—2002 的要求,I 级手术室集中布置的送风口面积不小于 6.24m2,此处取为 9m2,送风速度按照 0.37m/s 计算,则所需风量为 12000m3/h。如Ⅱ级手术室面积按照 37m2 计,层高 3m,换气次数取为 36 次 /h,则所需风量约为 4000m3/h。

 

根据计算,设计工况下 I 级手术室和Ⅱ级手术室的送风比焓差分别为 0.821kJ/kg 和 2.262kJ/kg,而室内设计工况下的比焓为 48.97kJ/kg,I 级手术室和Ⅱ级手术室机器露点的焓值分别仅为 34.91kJ/kg 和34.66kJ/kg,因此一次回风系统需设置再热。则一次回风系统的制冷负荷由再热负荷、新风负荷、风机温升负荷及室内负荷组成,各部分负荷计算汇总见表 3-3-6。

 

 

其中,风机温升负荷根据苏净实体模型手术室空调系统各工况下的实测数据(见测试报告)选取,设计风量下 I 级手术室、Ⅱ级手术室空调机组和新风机组的风机温升分别取为 1.5℃、1.3℃和 1.2℃,折算的风机温升负荷见表 3-3-6。I 级手术室和Ⅱ级手术室的再热负荷、新风负荷、风机温升负荷及室内负荷等各部分所占比例如图 3-3-9 所示。

 

 

从图3-3-9 中可看出,再热负荷占的比例很大,尤其是I级手术室的再热负荷占到制冷负荷的59.4%,这显然不符合节能需求。一般来说,解决送风温差小的方法除了二次加热以外,还可以采用二次回风的空气处理方式。

 

3

二次回风系统制冷负荷分析

 

一次回风系统用再热器来解决送风温差受限制的问题,这样不符合节能原则。二次回风系统则采用在表冷器后与回风再混合一次的办法来代替再热器以节约热量与冷量。典型的二次回风系统处理过程见图 3-3-10,在焓湿图上表示见图 3-3-11。

 

 

二次回风系统的制冷负荷由新风负荷、风机温升负荷及室内负荷组成,见表3-3-7,其各部分所占比例如图3-3-12 所示。

 

 

通过对比以上图表可看出:

 

(1)二次回风系统的制冷负荷相比一次回风来说,两个手术室能耗平均减少了 50%,减少的量即为再热负荷,因此二次回风系统比一次回风系统更节能。

 

(2)在二次回风系统中,新风负荷所占的比例较大,因此合理利用新风在一定程度上也会达到节能效果。

 

(3)另外,空调机组风机温升负荷所占比例较大,I级手术室空调风机温升负荷占到总制冷负荷的 24.7%,而室内负荷仅占 14.1%,即,风机温升负荷远大于室内负荷。因此如何解决风机温升负荷,对系统的节能也具有重要的意义。

 

4

优化的系统方案

 

 

根据计算分析和实际测试数据,二次回风系统虽然可以很好地避免冷热抵消问题,但是由于运行风量和风压较大,空调净化机组的风机温升远远高于常规系统。这使得制冷机组中承担风机温升负荷的比例较大,I 级手术室的情况更加严重。

 

鉴于此,优化系统提出将风机电机外置,减少制冷负荷。由于风机温升负荷的减少,使得按照常规设计的新风量足以承担全部空调负荷。空调新风可以采用分散处理方式和集中处理方式两种。

 

1. 分散处理方式

每间手术室净化空调系统的新风单独从室外引入,经过净化进风机组内的粗效、中效处理后直接送到净化空调机组的吸入端,净化空调机组需要承担手术室和新风的全部负荷。这种新风供给系统灵活简单,方便操作,可以充分利用室外冬季冷空气作为免费冷源。

 

2. 集中处理方式

手术部净化空调系统的新风系统分为几组集中由室外引入,按照分组设置净化新风空调机组。引入的新风,经过净化新风机组内的粗效、中效、亚高效过滤处理、冷却降温除湿或加热后直接送到净化空调机组的吸入端。该系统虽然灵活性不如分散处理方式好,但是室内温湿度相对稳定,而且特别适用于新风湿负荷大的地区。

 

鉴于我国南方地区气候湿热,新风湿负荷相对较大,因此,新风处理选用如图 3-3-13 所示的集中处理方式。

 

 

此时的空调系统简化为:新风净化机组承担全部室内和新风负荷,而循环机组仅承担净化作用。

 

空气处理过程线如图 3-3-14,系统示意图如图 3-3-15 所示,夏季的空气处理过程线在焓湿图上表示如图 3-3-16 所示,具体空气处理过程如下:

 

 

实际中,S 到 S' 这段温升负荷很小,故计算时可忽略不计。

 

这种空气处理方案具有如下优点:

第一,室内没有返回空调机组的回风管道,系统较为简单;

第二,一套新风处理机组可以供给多间手术室,新风机组可以根据手术室使用数量及状况,采取变频控制减少能耗;

第三,手术室的循环加压净化机组便于独立控制;

第四,空气的热湿处理集中在新风机组,加压机组无除湿降温处理,可以减少滋生细菌的风险。

 

5

运行策略

 

根据图 3-3-12 的负荷分布比例可以看出,制冷负荷中新风负荷所占比例最大,I 级手术室和Ⅱ级手术室新风负荷分别占到总制冷负荷的 59.5% 和 68.9%,因此,为了全面提高节能效果,优化新风运行策略至关重要。

 

新风全年运行总体上分为两个工况区:冬、夏季的最小新风量运行工况及过渡季运行工况。在过渡季,可以增大新风量以充分利用室外空气的自然调节能力来减少制冷负荷。

 

此处以焓值作为冬季、夏季和过渡季工况分区的划分依据,图 3-3-17 阴影中的菱形区域为室内状态允许范围。参考上海地区的全年气象参数,具体划分如下:

 

 

(1)当室外空气焓值大于室内空气允许焓值的上限时,采用最小新风量运行,此时全部负荷依靠制冷机组承担,该工况的运行时段为约为5月2日~10月19日。

 

(2)当室外空气焓值低于室内空气允许焓值的下限又高于需要对新风进行加热的室外焓值时,该工况的运行时段约为 3月22日~ 5月1日、10月10日~ 12月1日。增大新风量有利于节能,但是对于净化系统,新风量过大会加重过滤器负担,缩短其使用寿命,鉴于此,本课题过渡季的最大新风量并未按照全新风考虑,过渡季新风量取为 3000m3/h,此时由室外新风和制冷机组共同承担室内负荷和风机温升负荷。

 

(3)当室外空气焓值降低到需要加热的室外参数时,继续采用最小新风量运行,此时进入加热加湿工况,该工况的运行时段约为1月1日~ 3月21日、12月2日~12月31日。为了进一步降低新风能耗,考虑到在手术准备阶段室内人员较少,因此,在早晨7:00 ~ 9:00可以按照保证正压的 300m3/h 新风量运行。(上述讨论中,若无特别说明,均采用GB50333—2002《医院洁净手术部建筑技术规范》推荐值。)

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