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[洁净空调系统] 手术室洁净空调系统热湿处理过程探讨

手术室洁净空调系统热湿处理过程探讨

提要 就热湿处理过程而言,医院手术室净化空调系统具有送风量大、相对冷热负荷小及
送风温差小的特点,将二次回风引入空气热湿处理过程,解决了系统温湿度控制问题,避免了
处理过程中冷热量抵消的问题,节能效果显著。
关键词 手术室空调 热湿分析 节能
Air h a n dlin g p ro c ess es of the cl e a nin g a ir c o n diti o nin g s yst e m f or
h os p it a l o p e r a ti n g r o o ms
Abs t r a c t  The a i r c ondi t i oni ng p r o c e s s e s i n hos p i t a l op e r a t i ng r o oms i nvol ve l a r g e r s up p l y
a i r vol ume , r e l a t i ve l ow l o a d a nd sma l l t emp e r a t ur e di f f e r e nc e of s up p l y a i r . By mi xi ng t he
s e c ond a r y r e t ur n a i r wi t h f r e s h a i r t o a voi d t he he a t i ng a nd c o ol i ng e ne r g y of f s e t , t he e ne r gy
s a vi ng e f f e c t i s s i gni f i c a n t .
Ke ywo r ds  op e r a t i ng r o om a i r c ondi t i oni ng , p s yc hr ome t r i c a na l ys e s , e ne r gy s a vi ng
 与一般的舒适性空调相比,医院手术室空调系统在空
气的热湿处理过程中,具有送风量大,相对冷热负荷小及送
风温差小的特点。
由于送风温差偏小,系统的空气热湿处理过程与一般
的舒适性空调空气处理过程也有差异,本文试图对手术室
洁净空调的热湿处理过程进行分析,寻找一个既能满足手
术室洁净系统需要又节能的处理方法。
1  手术室洁净空调系统的特点
1. 1  送风量大
1. 1. 1  设计计算风量
按文献[1 ] ,[2 ]所列计算方法,对各类不同要求的洁净
手术室的风量进行计算,结果如下:
①垂直单向流满布手术室
手术室内净化送风口满布吊顶,手术室净高3 m ,送风
速度按下限风速0. 3 m/ s 计,其送风量折算换气次数为
360 h - 1 。
②局部垂直单向流
局部单向流送风保证局部100 级,其保护区域为手术
操作区每边外扩150 mm ,参照文献[3 ]推荐的数据,计算结
果见表1 。
③乱流手术室
空气采用三级过滤,各级过滤器对于粒径≥0. 5μm 尘
粒的过滤效率分别为:
粗效过滤器η1 = 0. 20 ;中效过滤器η2 = 0. 40 ;高效过
滤器η3 = 0. 999 99。

h - 1 ,所以目前通常取:
1 000 级换气次数不小于55 h - 1 ;10 000 级换气次数
不小于30 h - 1 。
由此可见,洁净室空调的送风量与一般舒适性空调的
送风量6 h - 1相比要大得多。

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Re:楼主

1. 2  相对负荷小
1. 2. 1  洁净手术室负荷计算
洁净手术室空调冷负荷由以下几部分组成:
①通过围护结构传入室内的热量
洁净手术室均衬有钢板小室,属内围护结构,通常有彩
钢板夹保温材料的夹心板,钢板与保温层相结合的复合板。
经验计算表明,若周围空间不空调,通过围护结构传入室内
的冷负荷一般为40~80 W/ m2 。
②人体散热量
手术室内人员按轻劳动强度计算,每人平均散热量为
70 W ,手术室内人均占有面积为2. 5~1. 8 m2/ 人,则人体
散热形成的冷负荷约为28~39 W/ m2 。
③室内照明散热量
按文献[5 ]推荐的手术室照度要求推算出由室内照明
形成的空调冷负荷为15 W/ m2 。
④室内设备的散热量
手术室内用电设备品种、数量较多,使用频率差异也较
大,从已建手术室统计整理得出手术室设备的散热量约为
70 W/ m2 。
⑤由室内散湿过程产生的潜热量
手术室内散湿主要有人员散湿及湿表面散湿,由这两
部分散湿产生的潜热量约为25~92 W/ m2 。
综上所述,洁净室总冷负荷为228~296 W/ m2 ,室内
湿负荷约为100~120 g/ (m2·h) 。
由热湿负荷确定h - d 图上室内空气状态线ε= 6 840
~10 656 kJ / kg。
1. 2. 2  相对负荷小
由上面计算可知,洁净空调系统的送风量为一般舒适性
空调送风量的4~60 倍,而洁净空调系统冷负荷约为一般舒
适性空调冷负荷的2~3 倍,若将单位送风量承担的冷负荷
定义为相对负荷,显然,洁净空调系统的相对负荷较小。
1. 3  送风温差小
由于洁净空调系统的相对负荷较小,所以系统的送风
温差较小,并且在h - d 图上显示ε线较直。对于局部垂
直单向流送风(即局部100 级) 的手术室洁净系统送风温差
只有2 ℃左右。1 000 级、10 000 级的洁净手术室的送风温
差略高一些,但也在6 ℃以下。在过渡季节部分负荷时由
于洁净空调系统的送风量不能减少,所以送风温差还要小
一些。
2  热湿过程分析
2. 1  传统的空气处理过程
需要同时控制温度湿度的空调系统常规热湿处理过程
如下:
新风W
回风N
>
 混合 
C
表冷器
冷却降温
L
至露点温度
 再热 
O
送风温度O
为了减湿,冷却降温过程的换热量必须大于室内冷负
荷的值,使空气处理到与含湿量相对应的露点温度,再热是
为了保持室内的温度恒定,状态分析见图1 。

如果将这个系统用于手术室的洁净空调系统,将会产
生下列情况:
①送风状态点远离机器露点
②一次回风处理过程产生湿度飘移
③增加再热段,引起能耗增加
例如浙江某医院一间局部100 级手术室(7. 76 m ×
5. 06 m ×3. 00 m) ,计算送风量为17 136 m3/ h ,手术室空调
系统如采用传统的热湿处理过程,需冷量55. 52 kW ,再热
量26. 33 kW。
2. 2  引入二次回风再热,减少能耗
笔者对手术室洁净空调系统的空气处理过程作进一步
的状态分析,认为对于一机对一室的净化手术室空调系统
完全可以用二次回风来代替再热过程,同样可以达到室内
温湿度的恒定控制,用反推法可得空气热湿处理过程(见图
2) 。

2. 2. 1  二次回风系统的热湿推算处理过程
①在h - d 图上从室内状态点(由医务人员设定) 依
据室内空调负荷通过ε线找到室内空气送风状态点。
②由空气送风状态点经等d 线到达由风机及风管温
升得到的机组送风状态点。
③连接室内状态点与机组送风状态点并交于φ =
95 %线,得到表冷器后的机器露点温度,并由此推算出二次
回风量。
④由二次回风量和恒定的新风量推算出一次回风量,
连接室内状态点和室外新风状态点并按一次回风量和新风
量的比例确定出一次回风及新风的混合状态点。由混合状
态点到机器露点就是表冷器内热湿交换状态过程线。
采用二次回风处理后,上例同一手术室只需冷量29. 46
kW ,不需要再热,避免了能量的抵消。


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Re:楼主

2. 2. 2  手术室洁净空调系统利用二次回风的可行性
目前用于高洁净度手术室的组合式空调机组一般为一
室一机设置,系统的送风状态是唯一的,因此运用二次回风
满足室内温度、湿度要求,理论上分析是可行的。
目前,自动控制技术已进入数字化时代,现场控制机完
全有能力依据传感器检测到的室内、外空气状态参数,计算
得到机器露点、一次和二次回风量等控制点的目标数据,并
经处理后进行控制,因此技术上也是可行的。
3  系统的自控保证体系
3. 1  自控系统的逻辑分析与流程
对于设有现场控制机的系统可用智能型自控系统,其
模型见图3 。
图3  变频调速自动控制系统模型
这里运用了
步进跟踪的方法,
因为空调负荷是
渐变的,不会产生
突变,所以将上一
个时间段的负荷
作为控制目标是
可行的,这样也可
避免自控系统出
现控制过程中的
振荡。
3. 2  负荷偏移后
控制反应分析
以2. 2 节空
气处理过程为基
准,当室内热湿负
荷偏移后机器露
点、回风量计算值的变化见表3 。
表3  热、湿负荷变化后引起机器露点和
一、二次回风量的变化量

3. 2. 1  湿负荷不变,冷负荷减少。由热湿分析可知机器露
点温度下降,二次回风量增加。这是由于冷负荷减少后表
冷器的总换热量减少, 使得经表冷器处理的空气量减
少。


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Re:楼主

另一方面湿负荷不变要求表冷器总的除湿量不变,处
理风量减少就必须加强空气的除湿深度,因此机器露点温
度下降。
3. 2. 2  湿负荷不变,冷负荷增加,机器露点温度上升,二次
回风量减少。
3. 2. 3  冷负荷不变,湿负荷增加。由于湿负荷增加就要求
表冷器的总除湿量增加,为此,必须加强空气的除湿深度,
因此机器露点温度下降。另一方面冷负荷不变,为保证表
冷器的总换热量不变,相应减少通过表冷器的风量,使得二
次回风量增加。
3. 2. 4  冷负荷不变,湿负荷减少,机器露点上升,二次回风
量减少。
3. 3  状态点偏移的控制
对于不设现场控制机的一般控制系统也可将温度、湿
度的偏移值作为外界的扰动量输入系统。只是将温度值的
偏移转换成冷负荷的增减,湿度值偏移转换成湿负荷的增
减,运用3. 2 节的分析结果来调节冷水阀和风阀,从而达到
控温控湿的目的。
3. 4  实际控制及效果
笔者在浙江某医院局部100 级净化手术室空调系统设
计自控系统,设置见图4 。

控制系统的功能为:
①输入设定值
手术室医务人员可自行输入手术室的温、湿度值,作为
空调系统运行的标定值。
②控制范围
系统可对室内温度、湿度进行控制,并保证室外新风量
和空调系统的送风量恒定。
③显示内容
自控系统可显示室内温度、湿度的设定值和实测值,并
显示各级过滤器的工作状态(正常运行和停机更新过滤
器) 。
该系统几年运行的实践表明这一设想是成功的。工程
测试是由浙江省卫生防疫站组织实施的。检测表明,室内净
化等级已大大超过局部100 级的标准。室内温、湿度控制自
如,能满足医疗要求。系统运行至今,未发现不正常情况。
参考文献
1  许钟麟,著. 空气洁净技术原理. 上海:同济大学出版社,1998.
2  许钟麟,编著. 洁净室设计. 北京:地震出版社,1994.
3  YFB 001 - 1995  军队医院手术部建筑技术规范.
4  GBJ 73 - 84  洁净厂房设计规范.
5  J GJ 49 - 88 综合医院建筑设计规范.


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