用于濕度優(yōu)先控制的新風(fēng)機組的探討

用于濕度優(yōu)先控制的新風(fēng)機組的探討

　　醫院環(huán)境控制有兩類(lèi)：一類(lèi)是量大面廣的一般科室如普通病房，只需季節性舒適空調；另一類(lèi)是數量相對較少的有無(wú)菌與濕度控制要求的如手術(shù)室等關(guān)鍵科室，需全年空調，特別是濕度控制是保障無(wú)菌環(huán)境的關(guān)鍵因素。我國大型綜合醫院常采用集中式空調系統，由醫院冷熱源集中供給各功能科室空調所需的冷凍水與熱水，這種是最典型的醫院空調系統配置。但在運行中往往會(huì )出現一些問(wèn)題：1、為了保證關(guān)鍵科室濕度控制要求，在空調供冷工況下必須始終供給7℃（甚至更低）冷凍水。過(guò)去為了保證關(guān)鍵科室溫濕度控制常常采用傳統的一次回風(fēng)再加熱，現在為了節能又不得不采用二次回風(fēng)。由于這些科室熱濕比較小，使得空調機組所需控制的機器露點(diǎn)更低。2、空調期間隨室外氣溫下降，為保證絕大多數一般科室空調要求與節能需要，常常提高集中供給冷凍水的水溫，客觀(guān)上造成關(guān)鍵科室濕度超標。3、大型醫院的關(guān)鍵科室常常處于空調內區，當全年空調水系統轉為供熱工況時(shí)，關(guān)鍵科室內部分房間仍需供冷。即使*關(guān)閉供熱水系統，房間溫度仍超高。為此不得不采用四管制空調水系統，不符合空調節能要求。4、大多數醫院由于種種原因在供冷季節實(shí)際運行中系統冷凍水無(wú)法保證7℃供水溫度，關(guān)鍵科室溫濕度難以保證。尤其是采用溴化鋰吸收式冷源的場(chǎng)所。為便于控制醫院一般科室與關(guān)鍵科室環(huán)境，提供系統能源利用效率，現在醫院空調設計者改變了原有全院集中供冷的模式，或者將其分為兩個(gè)系統供給，或者單獨為關(guān)鍵科室配置空調冷熱源。但對于既有醫院建筑，采用這樣的技術(shù)來(lái)改造供冷系統花費的人力太大。大多數醫院不得不犧牲環(huán)境控制以維持系統原狀。本文依據《醫院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規范》GB-2002的要求，探討在不改變醫院原有的供冷（熱）系統的前提下經(jīng)濟、有效的解決關(guān)鍵科室的溫濕度控制，以及醫院一般科室與關(guān)鍵科室對冷凍水供水溫度需求矛盾。1、新風(fēng)機組如上所述，醫院一般科室與關(guān)鍵科室對冷凍水供水溫度需求不同，是因為兩者濕度控制的要求不同。為了避免采用因少數關(guān)鍵科室濕度控制而拉低整個(gè)醫院冷凍水水溫的耗能措施，只有將關(guān)鍵科室的新風(fēng)進(jìn)行深度處理以消除新風(fēng)濕負荷，甚至可承擔室內濕負荷，降低原末端機組處濕要求，才有可能使末端機組使用較高水溫的冷凍水，這應是最簡(jiǎn)易、有效的方法?；蛘哒f(shuō)，這種改造思路是將整個(gè)醫院空調冷凍水溫由一般科室環(huán)境控制要求來(lái)確定，關(guān)鍵科室通過(guò)新風(fēng)深度處理解決室內溫濕度控制。過(guò)去利用新風(fēng)預處理概念，提高了原有系統的濕度處理能力，以改善室內空氣品質(zhì)取得了成效。當時(shí)采用全熱交換器、蒸發(fā)冷卻、溶液除濕以及冷卻去濕等技術(shù)措施提出了相應的專(zhuān)用新風(fēng)機組，并進(jìn)行了適用性的評價(jià)。

　　新風(fēng)預處理概念被《醫院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規范》所接受，并在其第7.1.1條規定手術(shù)部宜新風(fēng)集中處理。目前手術(shù)部空調系統模式是由集中新風(fēng)處理機組與手術(shù)室循環(huán)機組組成。但新風(fēng)預處理又不*等同于新風(fēng)集中處理。新風(fēng)預處理主要目標是節能改造；新風(fēng)集中處理的主要目標是消除新風(fēng)中污染物與高溫高濕的干擾，不僅保證手術(shù)室環(huán)境控制的要求，而且也易實(shí)現整個(gè)潔凈手術(shù)部處于受控狀態(tài)。本文探討的新風(fēng)處理機組，采用了直膨和水冷兩個(gè)冷源，將新風(fēng)預處理與新風(fēng)集中處理兩個(gè)概念結合在一起。

　　要使關(guān)鍵科室原有末端機組接受集中供冷系統的冷凍水，又要保證其醫療環(huán)境控制，必須將新風(fēng)預處理到更低的露點(diǎn)，消除新風(fēng)濕負荷，甚至承擔室內濕負荷。由于醫院關(guān)鍵科室較為分散，可安裝新風(fēng)預處理機組場(chǎng)所不大，相比之下，采用冷卻除濕較為合適。如果設想的機組先充分利用系統的冷凍水對新風(fēng)冷卻去濕，然后使用另外設置的直膨式系統蒸發(fā)器再次去濕冷卻達到所要求的的機器露點(diǎn)，最后利用自身冷凝器加熱控制到所需的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)，多于的冷凝水由機外風(fēng)機冷凝器機組排出。這樣，所設想的新風(fēng)機組內設置兩套盤(pán)管，第一套是水冷盤(pán)管，第二套是直接蒸發(fā)盤(pán)管。由于兩個(gè)盤(pán)管冷量來(lái)源于兩個(gè)不同的冷源，因此稱(chēng)為雙冷源專(zhuān)用新風(fēng)機組。雙冷源專(zhuān)用新風(fēng)預處理系統結合了傳統集中冷凍水系統和直膨式空調系統的特點(diǎn)，在醫院節能運行中能達到單一冷源空調系統都無(wú)法達到的效果。本文以醫院手術(shù)部的空調為例，從三個(gè)運行工況說(shuō)明雙冷源專(zhuān)用新風(fēng)處理機組在醫院原有集中供冷（熱）的前提下，解決關(guān)鍵科室環(huán)境控制問(wèn)題。2、適用性分析（1）夏季工況新風(fēng)集中處理已被潔凈手術(shù)部所采用，只不過(guò)循環(huán)機組空氣處理方式不同，這反映了如何確定新風(fēng)集中處理的終狀態(tài)點(diǎn)以及如何確定循環(huán)機組運行方式的不同觀(guān)點(diǎn)與不同的技術(shù)措施。目前系統空調處理過(guò)程大致有以下五種：1）一次回風(fēng)再加熱系統；2）二次回風(fēng)（旁通）系統；3）新風(fēng)加干盤(pán)管/無(wú)凝水系統；4）系統層面上濕度優(yōu)先控制系統；5）集中新風(fēng)加室內自循環(huán)系統。盡管《醫院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規范》一再強調濕度優(yōu)先控制，之前潔凈手術(shù)部大多套用的工業(yè)上傳統恒溫恒濕空調，即一次回風(fēng)再加熱。后來(lái)因節能需要又開(kāi)始采用二次回風(fēng)（旁通）系統，實(shí)施“濕度先行”自控系統。新風(fēng)集中處理主要是消除新風(fēng)負荷，以保持整個(gè)系統穩定。如果集中處理后新風(fēng)承擔了全部負荷，則循環(huán)機組無(wú)需熱濕處理，簡(jiǎn)化為自循環(huán)機組。由于潔凈手術(shù)室符合特點(diǎn)是：手術(shù)過(guò)程人員幾乎沒(méi)有變化，但手術(shù)電動(dòng)器械與設備使用時(shí)間與數量變化很大。因此濕負荷相對穩定，熱負荷變化較大。采用常規的“濕度先行”自控往往難于奏效。如果手術(shù)部集中送風(fēng)能首先消除室內濕負荷，再靠循環(huán)機組控制室內顯熱負荷，這樣就能從系統層面上實(shí)現了“濕度優(yōu)先控制”。如果循環(huán)機組內盤(pán)管供水溫度被始終控制在高于室內露點(diǎn)溫度，則可實(shí)現干盤(pán)管運行。但是對于手術(shù)室來(lái)說(shuō)由于室內處于無(wú)菌狀態(tài)，不必像空氣途徑傳染的隔離病房沒(méi)有必要刻意維持干盤(pán)管運行，則可大大簡(jiǎn)化空調水系統。這種系統的關(guān)鍵是達到新風(fēng)處理所需的機器露點(diǎn)或送風(fēng)狀態(tài)，由于雙冷源專(zhuān)用新風(fēng)處理機組利用二級冷卻去濕，不管系統冷凍水溫如何，均可十分方便的保證。與傳統二次回風(fēng)系統相比，“濕度優(yōu)先控制”系統能以更低的能耗維持室內空氣狀態(tài)N在容許范圍內。

　　新風(fēng)集中處理二次回風(fēng)（旁通）系統

　　干盤(pán)管處理系統

　　濕度優(yōu)先處理系統

　　有的工程公司從大多數醫院的系統冷凍水溫太高的實(shí)踐出發(fā)，直接將冷凍除濕機設置在新風(fēng)機組內，稱(chēng)為“抽濕”。見(jiàn)下圖：這種做法引起一些爭論。新風(fēng)先經(jīng)水冷盤(pán)管降溫去濕處理后進(jìn)入該除濕機的蒸發(fā)器再進(jìn)行除濕降溫處理，后經(jīng)該機的冷凝器進(jìn)行等濕升溫處理，原設想既可以把送風(fēng)濕度降低到盡可能低，又可升高送風(fēng)溫度，最后送入循環(huán)機組進(jìn)行等濕降溫處理，既取消了再加熱又實(shí)現了末端機組干盤(pán)管運行。本認為十分節能，但是實(shí)際運行存在控制問(wèn)題，就達到同一露點(diǎn)來(lái)說(shuō)，水冷盤(pán)管供冷量是由系統冷凍水溫決定的，第二級蒸發(fā)器制冷量也隨之變化，冷凝器發(fā)熱量又隨蒸發(fā)器制冷量而變化（大約1.3倍），因此經(jīng)過(guò)冷凝器后的送風(fēng)溫度往往高于設計溫度，不得不再設置二級水冷盤(pán)再冷卻。但有時(shí)送風(fēng)溫度也會(huì )比設計溫度低，則又需要設置電加熱器再加熱。從圖中可以看出，系統結構復雜，由于系統存在反復再加熱或再冷卻，能耗反而大，且相應時(shí)間慢，控制不方便。相比來(lái)說(shuō)，雙冷源的專(zhuān)用新風(fēng)機組，由于設置兩個(gè)冷凝器可以較為方便的解決上述控制問(wèn)題，首先控制新風(fēng)經(jīng)水冷盤(pán)管和蒸發(fā)器兩級降溫除濕達到所需的機器露點(diǎn)問(wèn)題，消除系統全部濕負荷，再控制冷凝器加熱量達到所需的送風(fēng)溫度，多余的熱量由機外冷凝器排出。降低了循環(huán)機組等濕冷卻的能耗，*可以使用較高水溫的冷凍水，完成關(guān)鍵科室的環(huán)境控制。這樣就可在不改變醫院原有的供冷系統十分方便、有效的解決關(guān)鍵科室的溫濕度控制。（2）冬季工況如上所述關(guān)鍵科室，如手術(shù)部常常會(huì )處于醫院建筑的內區，在冬季空調水系統轉為供熱工況時(shí)，外區供熱，內區仍需供冷。另外手術(shù)部在手術(shù)前由于沒(méi)有熱負荷需要進(jìn)行供熱，而當正常手術(shù)時(shí)又需要切換到供冷工況。為此在大型醫院不得不采用四管制系統，不但造價(jià)昂貴，系統管路復雜，而且運行能耗大?，F實(shí)中有些四管制空調由于無(wú)法解決冬天的冷源問(wèn)題，導致冬天無(wú)法供冷，四管制形同虛設。如果設置了雙冷源專(zhuān)用新風(fēng)機組，在冬季工況下盡管水盤(pán)管中運行的是熱水，直接蒸發(fā)盤(pán)管仍可處于制冷狀態(tài)，在手術(shù)開(kāi)始前，只需開(kāi)啟熱水盤(pán)管，關(guān)閉直膨系統，對室外的空氣進(jìn)行加熱加濕處理，室內的循環(huán)機組也對循環(huán)空氣進(jìn)行加熱。當手術(shù)進(jìn)行時(shí)，熱水管關(guān)閉，再開(kāi)啟直接蒸發(fā)盤(pán)管，對新風(fēng)進(jìn)行制冷。利用直膨式的蒸發(fā)器和冷凝器總能保證集中處理新風(fēng)穩定在某個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，這個(gè)狀態(tài)使得新風(fēng)能消除手術(shù)室內的設計熱負荷，室內負荷的變化則由循環(huán)機組再加熱解決。按照計算，對于手術(shù)室這個(gè)狀態(tài)大約為12℃機器露點(diǎn)，無(wú)需同時(shí)供冷水和熱水的四管制系統也能有效控制關(guān)鍵科室的溫濕度。（3）過(guò)渡季節工況大多數醫院一般科室是季節性空調，集中供冷系統在過(guò)渡季節是停止運行的，有的醫院不得不開(kāi)啟一臺冷水機組專(zhuān)門(mén)供關(guān)鍵科室，運行效率不高。有的醫院專(zhuān)為關(guān)鍵科室單獨設置小型冷熱源，供給新風(fēng)機組和循環(huán)機組。對于普通空調來(lái)說(shuō)，在過(guò)渡季節由于氣候轉涼負荷減少，可以實(shí)施變新風(fēng)量運行，利用新風(fēng)冷量來(lái)實(shí)現節能。但是對于醫院關(guān)鍵科室特別是手術(shù)室，由于需要嚴格的梯度壓差控制，無(wú)法改變新風(fēng)量。對于有濕度控制的關(guān)鍵科室，在加大新風(fēng)量的同時(shí)，也就意味著(zhù)將額外的濕負荷帶入室內，尤其是沿海地區，加大了濕度控制難度。在南方過(guò)渡季節，溫度不高、濕度偏大。特別是梅雨季節，采用二次回風(fēng)空調系統的關(guān)鍵科室難以有效控制濕度。同樣，如果在原系統增設了雙冷源專(zhuān)用新風(fēng)機組，只要運行直膨式系統，調節蒸發(fā)器的供冷量與冷凝器供熱量，就可以有效實(shí)現溫濕度的控制。3、節能性分析從上述分析中可知，采用雙冷源新風(fēng)處理機組，可在有效解決關(guān)鍵科室溫濕度控制的前提下，不需要改變原來(lái)系統的結構，實(shí)施節能改造最簡(jiǎn)易的方法。在系統的能耗分析中，采用雙冷源新風(fēng)機組也可以達到節能的目的。（1）采用雙冷源新風(fēng)機組，使得醫院集中供冷系統可以一般科室要求提高冷凍水溫，由于冷水機組的性能（COP）隨供水溫度升高而提高，一般來(lái)說(shuō)，供冷水溫度每提高1℃，節能8%～10%，節能效果相當可觀(guān)。（2）雙冷源新風(fēng)機組中充分利用了冷凝器的熱量，避免消耗過(guò)多的再加熱的能量。（3）雙冷源新風(fēng)機組中直膨式蒸發(fā)器直接與空氣進(jìn)行換熱，而不是傳統的二次換熱，換熱效率大大提高，避免了二次換熱引起的損失。（4）采用雙冷源新風(fēng)機組，可以實(shí)施濕度優(yōu)先控制，室內空氣循環(huán)機組只需對空氣進(jìn)行降溫、升溫處理，需要的能源少。同時(shí)，末端機組可以使用溫度較高的冷凍水。除此之外，使用雙冷源新風(fēng)機組避免了對原有系統的大規模改造以及避免了原有系統在低效率工況下的運行情況，在一定程度上節約了能源。