用于濕度優先控制的新風機組的探討

　　醫院環境控制有兩類：一類是量大面廣的一般科室如普通病房，只需季節性舒適空調；另一類是數量相對較少的有無菌與濕度控制要求的如手術室等關鍵科室，需全年空調，特別是濕度控制是保障無菌環境的關鍵因素。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。但在運行中往往會出現一些問題：1、為了保證關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。過去為了保證關鍵科室溫濕度控制常常采用傳統的一次回風再加熱，現在為了節能又不得不采用二次回風。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，客觀上造成關鍵科室濕度超標。3、大型醫院的關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，關鍵科室內部分房間仍需供冷。即使*關閉供熱水系統，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際運行中系統冷凍水無法保證7℃供水溫度，關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。為便于控制醫院一般科室與關鍵科室環境，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，或者將其分為兩個系統供給，或者單獨為關鍵科室配置空調冷熱源。但對于既有醫院建筑，采用這樣的技術來改造供冷系統花費的人力太大。大多數醫院不得不犧牲環境控制以維持系統原狀。本文依據《醫院潔凈手術部建筑技術規范》GB-2002的要求，探討在不改變醫院原有的供冷（熱）系統的前提下經濟、有效的解決關鍵科室的溫濕度控制，以及醫院一般科室與關鍵科室對冷凍水供水溫度需求矛盾。1、新風機組如上所述，醫院一般科室與關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鍵科室濕度控制而拉低整個醫院冷凍水水溫的耗能措施，只有將關鍵科室的新風進行深度處理以消除新風濕負荷，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，這應是最簡易、有效的方法。或者說，這種改造思路是將整個醫院空調冷凍水溫由一般科室環境控制要求來確定，關鍵科室通過新風深度處理解決室內溫濕度控制。過去利用新風預處理概念，提高了原有系統的濕度處理能力，以改善室內空氣品質取得了成效。當時采用全熱交換器、蒸發冷卻、溶液除濕以及冷卻去濕等技術措施提出了相應的專用新風機組，并進行了適用性的評價。

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

　　要使關鍵科室原有末端機組接受集中供冷系統的冷凍水，又要保證其醫療環境控制，必須將新風預處理到更低的露點，消除新風濕負荷，甚至承擔室內濕負荷。由于醫院關鍵科室較為分散，可安裝新風預處理機組場所不大，相比之下，采用冷卻除濕較為合適。如果設想的機組先充分利用系統的冷凍水對新風冷卻去濕，然后使用另外設置的直膨式系統蒸發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狀態點，多于的冷凝水由機外風機冷凝器機組排出。這樣，所設想的新風機組內設置兩套盤管，第一套是水冷盤管，第二套是直接蒸發盤管。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機組。雙冷源專用新風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，在醫院節能運行中能達到單一冷源空調系統都無法達到的效果。本文以醫院手術部的空調為例，從三個運行工況說明雙冷源專用新風處理機組在醫院原有集中供冷（熱）的前提下，解決關鍵科室環境控制問題。2、適用性分析（1）夏季工況新風集中處理已被潔凈手術部所采用，只不過循環機組空氣處理方式不同，這反映了如何確定新風集中處理的終狀態點以及如何確定循環機組運行方式的不同觀點與不同的技術措施。目前系統空調處理過程大致有以下五種：1）一次回風再加熱系統；2）二次回風（旁通）系統；3）新風加干盤管/無凝水系統；4）系統層面上濕度優先控制系統；5）集中新風加室內自循環系統。盡管《醫院潔凈手術部建筑技術規范》一再強調濕度優先控制，之前潔凈手術部大多套用的工業上傳統恒溫恒濕空調，即一次回風再加熱。后來因節能需要又開始采用二次回風（旁通）系統，實施“濕度先行”自控系統。新風集中處理主要是消除新風負荷，以保持整個系統穩定。如果集中處理后新風承擔了全部負荷，則循環機組無需熱濕處理，簡化為自循環機組。由于潔凈手術室符合特點是：手術過程人員幾乎沒有變化，但手術電動器械與設備使用時間與數量變化很大。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。如果手術部集中送風能首先消除室內濕負荷，再靠循環機組控制室內顯熱負荷，這樣就能從系統層面上實現了“濕度優先控制”。如果循環機組內盤管供水溫度被始終控制在高于室內露點溫度，則可實現干盤管運行。但是對于手術室來說由于室內處于無菌狀態，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，則可大大簡化空調水系統。這種系統的關鍵是達到新風處理所需的機器露點或送風狀態，由于雙冷源專用新風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。與傳統二次回風系統相比，“濕度優先控制”系統能以更低的能耗維持室內空氣狀態N在容許范圍內。

　　新風集中處理二次回風（旁通）系統

　　干盤管處理系統

　　濕度優先處理系統

　　有的工程公司從大多數醫院的系統冷凍水溫太高的實踐出發，直接將冷凍除濕機設置在新風機組內，稱為“抽濕”。見下圖：這種做法引起一些爭論。新風先經水冷盤管降溫去濕處理后進入該除濕機的蒸發器再進行除濕降溫處理，后經該機的冷凝器進行等濕升溫處理，原設想既可以把送風濕度降低到盡可能低，又可升高送風溫度，最后送入循環機組進行等濕降溫處理，既取消了再加熱又實現了末端機組干盤管運行。本認為十分節能，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冷凍水溫決定的，第二級蒸發器制冷量也隨之變化，冷凝器發熱量又隨蒸發器制冷量而變化（大約1.3倍），因此經過冷凝器后的送風溫度往往高于設計溫度，不得不再設置二級水冷盤再冷卻。但有時送風溫度也會比設計溫度低，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，且相應時間慢，控制不方便。相比來說，雙冷源的專用新風機組，由于設置兩個冷凝器可以較為方便的解決上述控制問題，首先控制新風經水冷盤管和蒸發器兩級降溫除濕達到所需的機器露點問題，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溫度，多余的熱量由機外冷凝器排出。降低了循環機組等濕冷卻的能耗，*可以使用較高水溫的冷凍水，完成關鍵科室的環境控制。這樣就可在不改變醫院原有的供冷系統十分方便、有效的解決關鍵科室的溫濕度控制。（2）冬季工況如上所述關鍵科室，如手術部常常會處于醫院建筑的內區，在冬季空調水系統轉為供熱工況時，外區供熱，內區仍需供冷。另外手術部在手術前由于沒有熱負荷需要進行供熱，而當正常手術時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，不但造價昂貴，系統管路復雜，而且運行能耗大。現實中有些四管制空調由于無法解決冬天的冷源問題，導致冬天無法供冷，四管制形同虛設。如果設置了雙冷源專用新風機組，在冬季工況下盡管水盤管中運行的是熱水，直接蒸發盤管仍可處于制冷狀態，在手術開始前，只需開啟熱水盤管，關閉直膨系統，對室外的空氣進行加熱加濕處理，室內的循環機組也對循環空氣進行加熱。當手術進行時，熱水管關閉，再開啟直接蒸發盤管，對新風進行制冷。利用直膨式的蒸發器和冷凝器總能保證集中處理新風穩定在某個狀態點，這個狀態使得新風能消除手術室內的設計熱負荷，室內負荷的變化則由循環機組再加熱解決。按照計算，對于手術室這個狀態大約為12℃機器露點，無需同時供冷水和熱水的四管制系統也能有效控制關鍵科室的溫濕度。（3）過渡季節工況大多數醫院一般科室是季節性空調，集中供冷系統在過渡季節是停止運行的，有的醫院不得不開啟一臺冷水機組專門供關鍵科室，運行效率不高。有的醫院專為關鍵科室單獨設置小型冷熱源，供給新風機組和循環機組。對于普通空調來說，在過渡季節由于氣候轉涼負荷減少，可以實施變新風量運行，利用新風冷量來實現節能。但是對于醫院關鍵科室特別是手術室，由于需要嚴格的梯度壓差控制，無法改變新風量。對于有濕度控制的關鍵科室，在加大新風量的同時，也就意味著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。在南方過渡季節，溫度不高、濕度偏大。特別是梅雨季節，采用二次回風空調系統的關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用新風機組，只要運行直膨式系統，調節蒸發器的供冷量與冷凝器供熱量，就可以有效實現溫濕度的控制。3、節能性分析從上述分析中可知，采用雙冷源新風處理機組，可在有效解決關鍵科室溫濕度控制的前提下，不需要改變原來系統的結構，實施節能改造最簡易的方法。在系統的能耗分析中，采用雙冷源新風機組也可以達到節能的目的。（1）采用雙冷源新風機組，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，一般來說，供冷水溫度每提高1℃，節能8%～10%，節能效果相當可觀。（2）雙冷源新風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）雙冷源新風機組中直膨式蒸發器直接與空氣進行換熱，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）采用雙冷源新風機組，可以實施濕度優先控制，室內空氣循環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。