I 级手术室节能方案

本文以 I 级手术室为例，比较分析多个夏季降温除湿过程的不同，找出恰当的节能方案。

以北京某医院一间I级手术室为例：面积 50㎡，净高3.0m。

• 夏季室内设计参数：温度 24℃，相对湿度 50% ；

• 冬季室内设计参数：温度 24℃，相对湿度 50%；

• 室内工作人员：12 人（含病人）；

• 北京地区室外设计参数。

夏季空调计算干球温度 33.5℃，计算湿球温度 26.4℃ ; 

冬季空调计算干球温度 -9.9℃ , 计算相对湿度 45%。

 

一

 

送风量计算：

 

 

 

 

依据《医院洁净手术部建筑技术规范》I 级手术室的工作区平均风速为 0.2~0.25m/s，送风口面积不低于6.24㎡（2.4×2.6），考虑到风速的衰减，出风口平面风速宜取工作区平均风速1.5倍，即 0.3~0.38m/s。因此总送风量计算为：

L=0.38×6.24×3600=8536m³/h

由此计算 I 级手术室换气次数为57次 /h, 远大于其它级别手术室的换气次数要求，按《医院洁净手术部建筑技术规范》，II 级手术室为24次 /h, III 级为18次/h；也远大于《综合医院建筑设计规范》中换气次数不得低于 6次/h 的要求。

二

 

新风量确定：

 

 

 

 

依据《医院洁净手术部建筑技术规范》规定最小新风量计算：

LX=20×50=1000m³/h

与补偿室内的排风并能保持室内正压值的新风量比较取大值，一般情况下后者均低于前者。

三

 

I 级手术室热湿负荷计算：

 

 

 

 

01

 人员散热量、散湿量

Q1 ＝ n·φ·q W1 ＝ n·φ·w

式中 Q1—人体散热量（W）；

W1 —人体散湿量（g/h）；

n —手术室内的人员总数 ( 人 )；按《医院洁净手术部建筑技术规范》，I 级手术室 12 人，II 级手术室 10~12 人，III~IV 级手术室 6~10 人；

φ —群集系数，φ 取 0.92；

q —每名成年男子的散热量（W）；按国标图，平均显热70W，平均潜热 80W，平均全热 150W（男、女各 6 人的平均）；按措施，轻度劳动，全热取182W；

w —每名成年男子的散湿量（g/h）；按国标图，平均散湿量 120g/h；按措施，轻度劳动，取167g/h；

Q1= 12×0.92×182= 2009W 

W1= 12×0.92×167= 1844g/h

02

照明散热量

Q2 =n1·n2·n3·N 

式中 Q2—照明散热量（W）；

n1 —同时使用系数，取 1；

n2 —整流器消耗功率的系数，当整流器在吊顶内时取 1；

n3 —安装系数，暗装灯罩上无孔时取 0.8；

N —照明设备的安装功率（W）；

本例中照明灯具采用荧光灯，按照每平米25W 计算。

Q2=1×1×0.8×50×25=1000W

03

设备散热量

设备散热量（Q3），取 3000W，以下为国标图提供数据供参考：

 

04

手术过程产湿量和散湿形成的冷负荷

手术室内湿表面的大小因手术种类而异，通常可取 0.7㎡的湿表面，湿表面温度40℃，Φ=50%，W2=F·g

式中 W2 —敞开水面的蒸发散湿量（g/h）

F —蒸发面积（m）

g —敞开水表面单位蒸发量［1.460kg/（m2·h）］ 

W2=0.7×1.4600 ＝ 1.022kg/h=1022g/h

散湿形成的冷负荷为：

Q4=0.28r·W

式中 Q 4—散湿形成的冷负荷（W）

r —汽化潜热（2449kJ/kg）

Q4= 0.28×2449×1.022=701W

05

 热湿负荷汇总

由于该手术室处于空调内区，无外墙外窗，因此近似认为无围护结构的传热负荷 , 夏季和冬季的冷热负荷、湿负荷相同，热湿比ε相同。

总 负 荷：Q=Q1+ Q2 + Q3+ Q4

=2009+1000+3000+701=6710W

湿负荷：W=W1+W2=1884+1022=2906g/h

按手术室面积计算冷（热）指标为 134W/m²，冷（热）负荷中权重最大的是设备散热量（Q3），占比45%，其次是人员散热量Q1，占比30%。湿负荷中占比较高的也是人员散湿量，从负荷特点来说都没有减少空间。

四

 

I 级手术室热湿负荷计算

 

 

 

 

1. 方案一 : 独立新风一次回风系统

编外话：新风过滤机组没有设置冷热盘管

夏季空气处理过程如下：

编外话：W点为室外参数，N点为室内参数，W点新风仅经新风机组过滤后，与手术室的回风在C点混合，再经冷热处理到L点，最后加热到K点送入室内。

方案二 : 新风集中处理一次回风系统（与方案一的区别是，新风机组加入了冷热盘管）

方案三：新风集中处理二次回风系统

夏季处理过程如下：

三种方案的冷热负荷比较汇总表

三种方案比较，方案一和方案二的总冷量和再热量是相同的，区别在方案二的新风在新风机组内预处理了（括号的11kw）。按总冷量为 44.6KW 计算，冷指标达到 892W/㎡, 是室内负荷6.7KW 的6.7 倍，其中再热量占60%；如果将总冷量和再热量相加，是室内负荷的10.7 倍。

方案三与方案一和方案二比较，总冷量为 17.7KW，冷指标为 354W /㎡, 是室内负荷的 2.6倍，再热量为零，新风冷量占总冷量的 62%。

目前在手术室的净化空调系统设计中，方案一和方案二占大多数，因此净化空调尤其 I 级手术室的空调能耗是相当高的，要想减少净化空调系统能耗应从减少再热量入手。

方案三的再热量为零，没有冷热抵消，总冷量是方案一和方案二的 40%，实际项目应用却较少，一般认为方案三的二次回风系统控制复杂，室内温湿度稳定性较差，果真如此吗？

五

 

I 级手术室空气处理过程分析：

 

 

 

 

对比方案一和方案三的空气处理过程如下图：

图中 L 点是经过表冷器后空气出口的最低送风温度，当空调冷水的供水温度为 7℃时，为7+3.5=10.5℃（见《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》的 7.5.4 和 7.5.5 条），可以随着供水温度提高而提高，降低而降低。将 L 点与室内设计点连起来，当室内热湿比小于这条连线值时，空调系统需要将空气冷冻除湿到L点后再热，才能达到室内设计温度；当热湿比大于这条连线值时，可以分三种情况处理：

第一是处理到图中的 L2 点，L2 点是热湿比与机器露点线的交点，根据 L2 点计算出经过表冷器处理的风量 L0，当L0 小于送风量 L 且新风量 LX 小于 L0 时，先一次回风混合到 C2 点，由 C2 点冷冻除湿到 L2 点，再二次回风混合到 O 点，这个过程是方案三，不用再热。

第二是处理到图中的 L1 点，L1 点是送风点 O 的含湿量线与机器露点线的交点，当新风量 LX 小于 L 时，先一次回风混合到 C1 点，由 C1 点冷冻除湿到 L1 点，再热到 O 点，这是方案一。

第三是处理到图中的 L1 与 L2 之间的 L3 点，根据 L3点计算出经过表冷器处理的风量 L0，当 L0 小于送风量 L 且新风量 LX 小于 L0 时，先一次回风混合到 C3 点，由 C3 点冷冻除湿到 L3 点经再热后，再二次回风混合到 O 点，这个过程是介于方案三和方案一之间的，再热量比方案一减少。

空调系统降温除湿过程一般有两种控制方法：定露点控制和变露点控制。

定露点控制法（如上图）用冷水盘管的出风温度（O 点）控制冷水盘管上的调节阀来调节供冷量，再用室内温度控制再热盘管的上的调节阀来调节再热量达到室内温度。

这种控制法存在冷热抵消，当热湿负荷变化低于设计值时，可以保证温度不变且湿度控制在一定范围内（图中 d0 和dn 之间），上述方案一和方案二的空调系统控制方法都是采用这种方法。

变露点控制法（如上图）用室内温度控制冷（热）水盘管的上的调节阀来调节供冷（热）量，用湿球（露点）温度控制风量调节阀以调节风量，以达到恒温恒湿的目的。民用建筑的空调系统（包括家用空调）都用这个方法的前面部分，后面的几乎没有应用。

用“室内温度控制冷（热）水盘管的上的调节阀来调节供冷（热）量”这种控制法不存在冷热抵消，当热湿负荷变化低于设计值时，可以保证温度不变，但湿度变化范围不可控，一般向湿度增加方向变化，这对减少新风冷量是有利的。

方案三相比方案一和方案二增加了二次回风环节，系统复杂了一些。如果方案三采用变露点控制法，可以保证室内温度，但湿度变化范围不可控，不能满足手术室对湿度也要控制的要求。即使采用了定露点控制法，湿度变化范围也要比方案一和方案二扩大较多，并且随着负荷下降，室内温度也下降（由于没有再热），因次上述“二次回风系统控制复杂，室内温湿度稳定性较差”是存在的。

方案三的 L2 点温度较低，空调机组盘管把空气处理到此，由于焓差较大，比较困难，也是二次回风系统应用较少的原因之一。

建议采用上述的第三种处理方法改进方案三，采用定露点控制法，即将空气处理到图中的 L1 与 L2 之间，再热后二次回风的方法，这之间处理点的含湿量要根据手术室的相对湿度控制范围和冷热抵消量经过经济比较确定。虽然系统比方案一和方案二复杂一些，但即可以保证温湿度可控，提高空调机组盘管入口温度，还可以大幅减少再热量，从而减少总冷量，降低手术室的空调能耗。

六

 

新风湿度优先控制：

 

 

 

 

按《医院洁净手术部建筑技术规范》8.1.6 条要求，当有条件时宜采用新风湿度优先控制模式。

在夏季空调室外计算含湿量（露点温度）低于室内设计值时，应优先采用新风除湿，可以适当的增加新风量。

例如乌鲁木齐的夏季空调计算干球温度 33.5℃，计算湿球温度 18.2℃（如下图），新风与室内空气混和至C点后，等湿降温至送风状态点O，不存在冷热抵消，不需要二次回风。

总冷量较低，只包含室内冷量，新风冷量也较低（室内外焓差较小，甚至是负值）。因送风温度可以较高，冷源温度也可相应提高以减少冷机能耗。

若还是在北京如何采用新风湿度优先控制模式呢？

还是将图中 L 点与室内设计点连起来，当室内热湿比小于这条连线值时，根据 L 点计算出经过表冷器处理的风量L0，当 LX 小于 L0 时，显然只靠新风降温除湿不能完成除湿任务；但当 LX 大于等于 L0 时，则 L0=LX，即为全新风空调系统（LX 大于等于 L）或全新风二次回风系统（LX<L），将新风冷冻除湿到 L 点后再热，保证室内设计温度。

当热湿比大于 L 点与室内设计点这条连线值时，先要找到图中的 L2 点（室内热湿比线与机器露点线的交点），根据 L2 点计算出经过表冷器处理的风量 L0，当 LX 小于 L0 时，此刻新风处理点必然低于 L2 点，当还低于 L 点时，也是不能靠新风降温除湿完成全部除湿任务的，只有新风处理在 L和 L2 点之间时，湿度优先控制模式或温湿度独立控制系统才成立。

一直有一种错误观念，即采用温湿度独立控制系统就可以解决再热引起的冷热抵消问题，实际上正好相反。

进一步说，二次回风方案的缺点在类似北京这种室外新风条件下的湿度优先控制模式或温湿度独立控制系统上更明显，新风机组处理起来更困难。

七

 

小结：

 

 

 

 

本文比较分析了 I 级手术室的多个夏季降温除湿过程和控制方式，建议采用将空气处理到图中的 L1 与 L2 之间再热后二次回风的方法，虽然系统复杂一些，但可以保证温湿度可控，提高空调机组盘管入口温度，还可以大幅减少再热量，从而减少总冷量，以减少 I 级手术室的空调能耗。