温湿度独立控制与热管热回收技术在医院洁净空调系统中的应用

汤泽

摘要 针对医院洁净手术部对空调系统严格的卫生要求，将温湿度独立控制与热管热回收技术结合起来，在满足卫生要求的基础上实现节能效果。对温湿度独立控制技术与热管热回收技术的特点进行了阐述，指出所采用方案的节能性与合理性。

关键词 温湿度独立控制 热管 热回收 洁净手术部

0 引言

为了降低手术外源性感染的风险，洁净手术部对于室内细菌浓度有着严格要求[1]，为此，洁净手术部的空调系统有必要采取措施，在空调箱处理室内回风的冷却降温阶段，尽量避免冷凝水的产生，减少细菌滋生的条件。

与室外新风相比，手术室的回风存在致病细菌的可能性较大。采用温湿度独立控制技术，在手术室的循环空调箱之前设置专门的新风空调箱，由新风空调箱对室外新风进行充分冷却，承担100%的室内湿负荷，从而使手术室的循环空调箱在干工况下冷却室内回风，最大限度减少细菌滋生的可能性[2]。同时，因为除湿和降温分两步完成，有利于根据室内热湿比，精确控制送风状态。温湿度独立控制空调系统的基础理论及基本概念详见文献[3]。

与普通舒适性空调仅需把室外新风处理到室内设计状态点的等焓线不同，在新风空调箱内被深度冷却除湿的新风（以下简称为"处理后的新风"），其温度很低，如果不经过再热，直接送入手术室的循环空调箱，当室内回风与其混合后，仍有结露的可能。为此，应该采取措施，使处理后的新风在进入循环空调箱之前经历必要的再热升温过程。常见的升温方式有电加热、热水盘管加热、利用热回收技术来实现再热等。

本文将结合实际工程案例，介绍温湿度独立控制与热管热回收技术在医院洁净空调系统中的应用。

1 温湿度独立控制系统的空气处理过程分析

采用外加再热热源的温湿度独立控制系统的空气处理过程如图1所示，室外空气在新风空调箱内经过预冷和深度冷却（W→L），经过再热（L→L'），再在循环空调箱内，与经过等湿冷卻（N→N'）的室内回风混合（L'+ N'→O），再被送入手术室内（O→N）。为避免等湿冷却后的室内回风与再热后的新风混合时发生结露现象，再热后的新风状态点L'的干球温度应该高于室内状态点N所对应的露点温度。

图1 温湿度独立控制的空气处理过程（外加再热热源）

因为采用温湿度独立控制技术，回风降温和新风除湿变成两个独立的过程，所以各级洁净手术室的设计送风量和设计新风量可以根据GB50333-2013对于手术室的最小送风量和最小新风量的规定，并结合手术室的实际人员、设备配置情况以及手术过程中的散湿量来分别确定。即先确定送风量G和新风量GX，再经过计算确定处理后的新风状态点L和送风状态点O。

新风承担全部湿负荷，即，据此可以确定dL。因为dL=dL'，dN=dN'，且，从而可以确定送风状态点O。

2 热管热回收技术在新风处理过程中的应用

从前面的分析可知，新风经深度冷却之后，需要经历一个再热过程。常见的再热方式有电加热、热水盘管加热、利用热回收技术来实现再热等。其中，电加热和热水盘管加热都需要额外提供能源，从而造成浪费；而热回收技术则是利用免费热源，节能效果比较好。用于对处理后的新风进行再热的免费热源，可以是室内的排风，也可以是未经处理的室外新风；热回收的装置可以是转轮、交叉板，或者热管。

利用室内排风作为免费热源时，通常需要将排风机整合到空调机房内，而这需要现场条件（空调机房的面积和净高，空调送、排风管道途经区域的净高）的配合。如果利用未经处理的室外新风作为免费热源，则不必考虑排风机及排风管道的影响，适用的范围更广。

转轮装置的回收热效率高，可以进行全热回收，但其漏风率较高，漏风率约为0.5～10%；交叉板装置的回收热效率一般低于转轮装置，可以进行显热回收，也存在漏风的风险，漏风率一般在5%以内；热管装置的回收热效率一般略低于交叉板装置，可以进行显热回收，无漏风风险。因为新风的再热过程为等湿加热过程，故应该采用显热回收方案，而漏风则会把等湿加热过程变为加湿加热过程。另外，更为重要的是，手术室洁净空调必须防止新风和排风之间因为漏风而造成交叉污染。因此，热管热回收装置而当采用手术室排风作为热回收的免费热源时，应使用热管装置；而当采用未经处理的室外新风作为热回收的免费热源时，可以使用交叉板装置或者热管装置，而且热管装置的运行更为可靠。

热管的工作原理如图2所示，热管是一个密闭的传热装置，由外壳、吸液芯和循环工质等组成。吸液芯是一种多孔状材质，可以起到毛细泵的作用，使冷凝液能从热管的冷却段回流到加热段。循环工质是一种相变工质，比如R410A，在真空状态下被充入热管内。

图2 热管的工作原理图

工质的循环过程包括以下4个过程：在热管的加热段，液态工质从外界热源获得蒸发潜热而汽化；工质蒸气在管内加热段与冷却段之间的压力差作用下迁移至热管的冷却段；在冷却段，气态工质释放出的潜热被外界冷介质带走，再次凝结为液体；液态工质在吸液芯的毛细作用下重新返回到加热段，从而完成一次循环。

与常规的换热器相比，热管换热器以热管本体为传热单元，导热性高，强化了传热；热管基于相变原理工作，热响应快，传热量大，启动时间短；热管的热力循环在一个独立元件中完成，没有附加外部力；热管的等温性能好，管壁温度可调，可在较小的热气流温差驱动下进行外部热交换；热管换热器的体积小、重量轻，单位重量换热量大。空调节能对换热器高传热性能的要求，使得热管换热器从众多种类的换热器中脱颖而出，因而近年来热管换热器用于空调热回收系统中的研究得到了很大发展[4]。

上海市虹口区某二级甲等医院的洁净手术部共有7间手术室，包括2间I级手术室、1间I级眼科手术室、3间II级手术室和1间III级手术室，其空调系统形式如图3所示。7间手术室各有一台循环空调箱，且它们合用一台新风空调箱。

图3洁净手术部的空调系统原理图

如图3所示，热管热回收装置设置在新风空调箱的盘管功能段内，盘管段的长度为此增加不超过600mm。除了常规的8排管的表冷/加热器（本文主要针对夏季工况，以下简称为表冷器）以外，在表冷器前面增设2排预冷盘管，在表冷器后设置2排再热盘管，预冷盘管和再热盘管组合成一套热管热回收系统，他们分别对应着热管的加热段和冷却段，熱管内的R410A工质不断循环，把热量从未处理的新风"传递"给处理后的新风，在实现新风预冷过程的同时，实现了处理后新风的再热过程。既满足了新风深度除湿要求，又保证了洁净手术部的送风温度要求。空气处理过程如图4所示，与图1相比，新风的深度冷却过程线发生了变化，由W→L变成了W→W'→L。焓差hL'- hL= hW- hW'，既节省了新风空调箱的冷量GX（hW- hW'），又节省了再热量GX（hL'- hL），避免了冷、热抵消的损失，节能效果好。

为避免等湿冷却后的室内回风与再热后的新风混合时发生结露现象，再热后的新风状态点L'的干球温度应该高于室内状态点N所对应的露点温度，可以据此确定再热后的新风状态点L'，并依此计算热管回收的热量，作为热管装置选型的依据。

图4 温湿度独立控制的空气处理过程（利用新风作为再热热源）

3 结论

3.1 医院洁净手术部的空调系统，应在满足卫生要求的基础上实现节能效果。

3.2 温湿度独立控制技术可以避免循环空调箱在冷却室内回风时产生冷凝水，减少细菌滋生的可能性。同时，因为除湿和降温分两步完成，有利于根据室内热湿比，精确控制送风状态。

3.3 采用热管热回收技术，利用未处理的新风加热处理后的新风，可以同时完成新风的预冷过程和处理后的新风再热过程，避免了冷、热量抵消的损失，节能效果好。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会. GB50333-2013 医院洁净手术部建筑技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013

[2] 沈晋明，许钟麟. 空调系统的二次污染与细菌控制[J]. 暖通空调，2002，32（5）：30-33

[3] 刘晓华，江亿. 温湿度独立控制空调系统[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2006

[4] 陈振乾，施明恒. 热管热回收空调系统的研究[J]. 建筑热能通风空调，2000，19（4）：9-11

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