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(yī)院環(huán)境控制有兩類：一類是量大面廣的一般科室如普通病房，只需季節(jié)性舒適空調(diào)；另一類是數(shù)量相對較少的有無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(diào)，特別是濕度控制是保障無菌環(huán)境的關(guān)鍵因素。我國大型綜合醫(yī)院常采用集中式空調(diào)系統(tǒng)，由醫(yī)院冷熱源集中供給各功能科室空調(diào)所需的冷凍水與熱水，這種是最典型的醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)配置。但在運行中往往會出現(xiàn)一些問題：1、為了保證關(guān)鍵科室濕度控制要求，在空調(diào)供冷工況下必須始終供給7℃（甚至更低）冷凍水。過去為了保證關(guān)鍵科室溫濕度控制常常采用傳統(tǒng)的一次回風(fēng)再加熱，現(xiàn)在為了節(jié)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(diào)機組所需控制的機器露點更低。2、空調(diào)期間隨室外氣溫下降，為保證絕大多數(shù)一般科室空調(diào)要求與節(jié)能需要，常常提高集中供給冷凍水的水溫，客觀上造成關(guān)鍵科室濕度超標(biāo)。3、大型醫(yī)院的關(guān)鍵科室常常處于空調(diào)內(nèi)區(qū)，當(dāng)全年空調(diào)水系統(tǒng)轉(zhuǎn)為供熱工況時，關(guān)鍵科室內(nèi)部分房間仍需供冷。即使*關(guān)閉供熱水系統(tǒng)，房間溫度仍超高。為此不得不采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)，不符合空調(diào)節(jié)能要求。4、大多數(shù)醫(yī)院由于種種原因在供冷季節(jié)實際運行中系統(tǒng)冷凍水無法保證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所。為便于控制醫(yī)院一般科室與關(guān)鍵科室環(huán)境，提供系統(tǒng)能源利用效率，現(xiàn)在醫(yī)院空調(diào)設(shè)計者改變了原有全院集中供冷的模式，或者將其分為兩個系統(tǒng)供給，或者單獨為關(guān)鍵科室配置空調(diào)冷熱源。但對于既有醫(yī)院建筑，采用這樣的技術(shù)來改造供冷系統(tǒng)花費的人力太大。大多數(shù)醫(yī)院不得不犧牲環(huán)境控制以維持系統(tǒng)原狀。本文依據(jù)《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》GB-2002的要求，探討在不改變醫(yī)院原有的供冷（熱）系統(tǒng)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(yī)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(yī)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(shù)關(guān)鍵科室濕度控制而拉低整個醫(yī)院冷凍水水溫的耗能措施，只有將關(guān)鍵科室的新風(fēng)進行深度處理以消除新風(fēng)濕負(fù)荷，甚至可承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)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(yīng)是最簡易、有效的方法?；蛘哒f，這種改造思路是將整個醫(yī)院空調(diào)冷凍水溫由一般科室環(huán)境控制要求來確定，關(guān)鍵科室通過新風(fēng)深度處理解決室內(nèi)溫濕度控制。過去利用新風(fēng)預(yù)處理概念，提高了原有系統(tǒng)的濕度處理能力，以改善室內(nèi)空氣品質(zhì)取得了成效。當(dāng)時采用全熱交換器、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(yīng)的專用新風(fēng)機組，并進行了適用性的評價。

　　新風(fēng)預(yù)處理概念被《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》所接受，并在其第7.1.1條規(guī)定手術(shù)部宜新風(fēng)集中處理。目前手術(shù)部空調(diào)系統(tǒng)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(yù)處理又不*等同于新風(fēng)集中處理。新風(fēng)預(yù)處理主要目標(biāo)是節(jié)能改造；新風(fēng)集中處理的主要目標(biāo)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，而且也易實現(xiàn)整個潔凈手術(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冷源，將新風(fēng)預(yù)處理與新風(fēng)集中處理兩個概念結(jié)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(tǒng)的冷凍水，又要保證其醫(yī)療環(huán)境控制，必須將新風(fēng)預(yù)處理到更低的露點，消除新風(fēng)濕負(fù)荷，甚至承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷。由于醫(yī)院關(guān)鍵科室較為分散，可安裝新風(fēng)預(yù)處理機組場所不大，相比之下，采用冷卻除濕較為合適。如果設(shè)想的機組先充分利用系統(tǒng)的冷凍水對新風(fēng)冷卻去濕，然后使用另外設(shè)置的直膨式系統(tǒng)蒸發(fā)器再次去濕冷卻達到所要求的的機器露點，最后利用自身冷凝器加熱控制到所需的送風(fēng)狀態(tài)點，多于的冷凝水由機外風(fēng)機冷凝器機組排出。這樣，所設(shè)想的新風(fēng)機組內(nèi)設(shè)置兩套盤管，第一套是水冷盤管，第二套是直接蒸發(fā)盤管。由于兩個盤管冷量來源于兩個不同的冷源，因此稱為雙冷源專用新風(fēng)機組。雙冷源專用新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)集中冷凍水系統(tǒng)和直膨式空調(diào)系統(tǒng)的特點，在醫(yī)院節(jié)能運行中能達到單一冷源空調(diào)系統(tǒng)都無法達到的效果。本文以醫(yī)院手術(shù)部的空調(diào)為例，從三個運行工況說明雙冷源專用新風(fēng)處理機組在醫(yī)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)點以及如何確定循環(huán)機組運行方式的不同觀點與不同的技術(shù)措施。目前系統(tǒng)空調(diào)處理過程大致有以下五種：1）一次回風(fēng)再加熱系統(tǒng)；2）二次回風(fēng)（旁通）系統(tǒng)；3）新風(fēng)加干盤管/無凝水系統(tǒng)；4）系統(tǒng)層面上濕度優(yōu)先控制系統(tǒng)；5）集中新風(fēng)加室內(nèi)自循環(huán)系統(tǒng)。盡管《醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范》一再強調(diào)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(tǒng)恒溫恒濕空調(diào)，即一次回風(fēng)再加熱。后來因節(jié)能需要又開始采用二次回風(fēng)（旁通）系統(tǒng)，實施“濕度先行”自控系統(tǒng)。新風(fēng)集中處理主要是消除新風(fēng)負(fù)荷，以保持整個系統(tǒng)穩(wěn)定。如果集中處理后新風(fēng)承擔(dān)了全部負(fù)荷，則循環(huán)機組無需熱濕處理，簡化為自循環(huán)機組。由于潔凈手術(shù)室符合特點是：手術(shù)過程人員幾乎沒有變化，但手術(shù)電動器械與設(shè)備使用時間與數(shù)量變化很大。因此濕負(fù)荷相對穩(wěn)定，熱負(fù)荷變化較大。采用常規(guī)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(nèi)濕負(fù)荷，再靠循環(huán)機組控制室內(nèi)顯熱負(fù)荷，這樣就能從系統(tǒng)層面上實現(xiàn)了“濕度優(yōu)先控制”。如果循環(huán)機組內(nèi)盤管供水溫度被始終控制在高于室內(nèi)露點溫度，則可實現(xiàn)干盤管運行。但是對于手術(shù)室來說由于室內(nèi)處于無菌狀態(tài)，不必像空氣途徑傳染的隔離病房沒有必要刻意維持干盤管運行，則可大大簡化空調(diào)水系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的關(guān)鍵是達到新風(fēng)處理所需的機器露點或送風(fēng)狀態(tài)，由于雙冷源專用新風(fēng)處理機組利用二級冷卻去濕，不管系統(tǒng)冷凍水溫如何，均可十分方便的保證。與傳統(tǒng)二次回風(fēng)系統(tǒng)相比，“濕度優(yōu)先控制”系統(tǒng)能以更低的能耗維持室內(nèi)空氣狀態(tài)N在容許范圍內(nèi)。

　　新風(fēng)集中處理二次回風(fēng)（旁通）系統(tǒng)

　　干盤管處理系統(tǒng)

　　濕度優(yōu)先處理系統(tǒng)

　　有的工程公司從大多數(shù)醫(yī)院的系統(tǒng)冷凍水溫太高的實踐出發(fā)，直接將冷凍除濕機設(shè)置在新風(fēng)機組內(nèi)，稱為“抽濕”。見下圖：這種做法引起一些爭論。新風(fēng)先經(jīng)水冷盤管降溫去濕處理后進入該除濕機的蒸發(fā)器再進行除濕降溫處理，后經(jīng)該機的冷凝器進行等濕升溫處理，原設(shè)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)機組進行等濕降溫處理，既取消了再加熱又實現(xiàn)了末端機組干盤管運行。本認(rèn)為十分節(jié)能，但是實際運行存在控制問題，就達到同一露點來說，水冷盤管供冷量是由系統(tǒng)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)過冷凝器后的送風(fēng)溫度往往高于設(shè)計溫度，不得不再設(shè)置二級水冷盤再冷卻。但有時送風(fēng)溫度也會比設(shè)計溫度低，則又需要設(shè)置電加熱器再加熱。從圖中可以看出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于系統(tǒng)存在反復(fù)再加熱或再冷卻，能耗反而大，且相應(yīng)時間慢，控制不方便。相比來說，雙冷源的專用新風(fēng)機組，由于設(shè)置兩個冷凝器可以較為方便的解決上述控制問題，首先控制新風(fēng)經(jīng)水冷盤管和蒸發(fā)器兩級降溫除濕達到所需的機器露點問題，消除系統(tǒng)全部濕負(fù)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(yī)院原有的供冷系統(tǒng)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)部常常會處于醫(yī)院建筑的內(nèi)區(qū)，在冬季空調(diào)水系統(tǒng)轉(zhuǎn)為供熱工況時，外區(qū)供熱，內(nèi)區(qū)仍需供冷。另外手術(shù)部在手術(shù)前由于沒有熱負(fù)荷需要進行供熱，而當(dāng)正常手術(shù)時又需要切換到供冷工況。為此在大型醫(yī)院不得不采用四管制系統(tǒng)，不但造價昂貴，系統(tǒng)管路復(fù)雜，而且運行能耗大?，F(xiàn)實中有些四管制空調(diào)由于無法解決冬天的冷源問題，導(dǎo)致冬天無法供冷，四管制形同虛設(shè)。如果設(shè)置了雙冷源專用新風(fēng)機組，在冬季工況下盡管水盤管中運行的是熱水，直接蒸發(fā)盤管仍可處于制冷狀態(tài)，在手術(shù)開始前，只需開啟熱水盤管，關(guān)閉直膨系統(tǒng)，對室外的空氣進行加熱加濕處理，室內(nèi)的循環(huán)機組也對循環(huán)空氣進行加熱。當(dāng)手術(shù)進行時，熱水管關(guān)閉，再開啟直接蒸發(fā)盤管，對新風(fēng)進行制冷。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(wěn)定在某個狀態(tài)點，這個狀態(tài)使得新風(fēng)能消除手術(shù)室內(nèi)的設(shè)計熱負(fù)荷，室內(nèi)負(fù)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)室這個狀態(tài)大約為12℃機器露點，無需同時供冷水和熱水的四管制系統(tǒng)也能有效控制關(guān)鍵科室的溫濕度。（3）過渡季節(jié)工況大多數(shù)醫(yī)院一般科室是季節(jié)性空調(diào)，集中供冷系統(tǒng)在過渡季節(jié)是停止運行的，有的醫(yī)院不得不開啟一臺冷水機組專門供關(guān)鍵科室，運行效率不高。有的醫(yī)院專為關(guān)鍵科室單獨設(shè)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(diào)來說，在過渡季節(jié)由于氣候轉(zhuǎn)涼負(fù)荷減少，可以實施變新風(fēng)量運行，利用新風(fēng)冷量來實現(xiàn)節(jié)能。但是對于醫(yī)院關(guān)鍵科室特別是手術(shù)室，由于需要嚴(yán)格的梯度壓差控制，無法改變新風(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，也就意味著將額外的濕負(fù)荷帶入室內(nèi)，尤其是沿海地區(qū)，加大了濕度控制難度。在南方過渡季節(jié)，溫度不高、濕度偏大。特別是梅雨季節(jié)，采用二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵科室難以有效控制濕度。同樣，如果在原系統(tǒng)增設(shè)了雙冷源專用新風(fēng)機組，只要運行直膨式系統(tǒng)，調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的供冷量與冷凝器供熱量，就可以有效實現(xiàn)溫濕度的控制。3、節(jié)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，不需要改變原來系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實施節(jié)能改造最簡易的方法。在系統(tǒng)的能耗分析中，采用雙冷源新風(fēng)機組也可以達到節(jié)能的目的。（1）采用雙冷源新風(fēng)機組，使得醫(yī)院集中供冷系統(tǒng)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，一般來說，供冷水溫度每提高1℃，節(jié)能8%～10%，節(jié)能效果相當(dāng)可觀。（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)器直接與空氣進行換熱，而不是傳統(tǒng)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，可以實施濕度優(yōu)先控制，室內(nèi)空氣循環(huán)機組只需對空氣進行降溫、升溫處理，需要的能源少。同時，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(tǒng)的大規(guī)模改造以及避免了原有系統(tǒng)在低效率工況下的運行情況，在一定程度上節(jié)約了能源。