冷辐射空调在医疗建筑中的应用研究

2021-01-29李玉苹

设备管理与维修 2021年18期

李玉苹

（山东华宇工学院，山东德州 253000）

0 引言

医院建筑的特点是一方面需要严格的小气候和室内空气质量，另一方面是高功能复杂性。防止病人感染和提供良好的室内空气品质是医院关注的两个主要问题，良好的室内空气质量可能是治疗的一部分，它影响感染的控制，另外，一个舒适的热环境有助于稳定病人的情绪和康复过程。此外，手术中的热舒适或不适记忆对患者对手术护理的整体满意度有影响。体外热环境和体内代谢产物的共同作用构成了体内的热应力，病人希望室内环境比中性环境更温暖。病人服用的药物可能影响他们的新陈代谢，寒冷是一种不舒服的感觉，可以增加不安，加剧疼痛、颤抖、注意力不集中、肌肉和关节紧张，并降低病人的整体满意度。使用主动加温装置可以比被动覆盖物更有效地防止体温过低。为了防止手术室的热风险，手术室的温度不能低于21 ℃，23 ℃以上的温度通常是手术人员无法忍受的，24～26 ℃通常是适合热舒适的。根据国际标准，室内空气温度应在20～24 ℃，但使用较低或较高的温度是可以接受的。室内小气候控制、室内空气的纯净度、高过滤和换气的需要、消除空气流通是空调系统在医院建筑中必须确保的重要目标，主要用于手术室、白室、免疫缺陷和传染病人科室、重症监护室和门诊部。

医院建筑能源设计的主要目标主要有以下3 个：①一个高效率的建筑围护结构，参考减少热损失和与变化的外部和内部条件（主要是太阳辐射和内生脉冲增益）有关的热偏移的衰减；②空调系统在以下方面的效率:室内小气候稳定性、室内空气质量、送风量和分布、过滤效率、适于确保健康状况的处理单元；③适用于有效能量转换（即二、三代发电系统）和能量传输（即循环水力网络和空气回路）的有源设备。

1 冷辐射空调发展现状

在现代建筑中，空调的使用已经非常普遍，但空调大量使用的能源消耗已经影响节能环保，其主要问题之一是使用传统的对流换热调节温度限制了制冷效率的提高。本设计直接利用制冷剂冷却来降低室内辐射的一种或多种基于壁面表面温度的内壁表面，形成冷辐射表面，依靠辐射热辐射表面与人体家具和建筑围护结构的表面交换方式进行冷却，从而提高蒸汽压缩制冷蒸发温度。为了降低空调系统的能耗，采用冷辐射技术替代现有的空气调节制冷系统，可以提高能效。

2 医院冷辐射空调系统设计

本文的医院冷却空调系统主要应用于舒适空气调节系统，以风扇对流冷却形式取代传统的室内空气调节，直接通过对流换热将传统的空气调节蒸发器转化为辐射换热形式，使用现代新型聚合物复合材料作为蒸发器的主体，对传统的空气调节工况蒸气压缩式制冷的整体设定进行了冷却设计，探索并设计符合辐射制冷系统技术要求的空气调节功能，辐射制冷系统的数据采集、智能控制器的开发设计及室内露点控制，形成基于原型结构的节能辐射制冷技术的舒适空气调节。

2.1 太阳能冷辐射制冷技术

（1）辐射制冷蒸发器的设计。制冷剂蒸发和辐射制冷及空气调节是简单地通过辐射、空气调节、蒸发器最传统的表面冷却强制对流方式，它拥有属性小容积，传热、冷却蒸发器的设计比辐射蒸发器的表面积大大增加，在实践中，辐射冷却板的使用既要考虑制冷剂压力的影响，又要考虑更好的传热性能，为避免安全隐患，其强度、安全性是本设计的关键。

（2）系统的冷凝控制问题。普通的空气调节制冷剂必须通过斜槽管从室内机排出凝结水，而辐射制冷不应受制于空调室内产生的凝结水，因此，必须保证辐射制冷蒸发器的蒸发温度大于室内空气露点温度，控制露点温度是辐射制冷产品实际使用中的一个技术难题。工程要求温度散热器表面不能低于内部条件下的露点温度，为了保证露点控制要求，必须配备自动防结露检测和防护措施，控制电磁阀及相应的电路控制系统，这对于工程实施中智能控制系统的设计非常重要。

（3）湿度控制系统设计。室内空调器的冷却，特别是在高温干燥环境下不能保证正常的空气调节效应，必须配备专门的除湿系统。除湿能力不符合要求，室内夏露问题难以解决。系统必须有防结露保护装置，配备可靠、高湿度的室内一次性启动干燥剂除湿设备。对于控制系统的设计和操作控制来说，除湿是一个非常重要的环节，同时除湿技术对于除湿理想性的要求还有待进一步的验证。

（4）系统的设计开发。控制系统的参数优化设计和运行，运行测试辐射制冷和空气调节系统，其控制系统的设计是获得参数和调试的关键，包括：辐射制冷蒸发器进口温度、出口温度、压缩机、冷凝器进口温度、室内空气测试温度、电子膨胀阀前压力水箱出口压力、辐射制冷检测点压力、测试水箱加热控制参数和实际输出电阻等。系统能否正常运行并进行相应的性能测试，软件系统和调试方法的准备非常重要，作为实验控制系统，控制系统不仅要考虑数据采集的合理性和准确性，还要通过软件程序来控制其优良的性能。本方案利用组态软件开发的空气调节实验控制系统，结合多种组态模式，实现计算机集成系统的控制功能和研究。

实验性工作：①建立一个实验性的辐射制冷和空气调节系统；②制冷循环系统组成部分，制冷系统设计包括压缩机、冷凝器、电子膨胀阀、辐射制冷蒸发器、制冷设备的初始状态调整和完整的试验；③控制系统硬件设计结构，包括传感器放大电路、执行器驱动接口部分，编写制冷运行程序及相应的冷却部件，包括数据采集、变频驱动、节气门控制模块；④选择控制算法、算法软件、实验台验证和调试、各种算法的比较和参数效应，最终的筛选程序控制算法是适用的；⑤改善室内露点控制方法。对于如何确定蒸发温度辐射制冷，重复测试和分析，通过对系统性能的分析和调试找出切实可行的露点控制策略，并确定露点控制方案。

2.2 设计可行性分析

（1）综合现有的空气调节系统原理、运行和控制技术，可以看到大部分室内空气调节处理技术已经比较成熟，如蒸汽压缩式制冷、表面冷却器换热、空气强制对流传热等，这些方法和技术为新技术的研究提供了支持。

（2）根据目前研究的结果，辐射换热已知的基本节能特性，采用冷水热辐射冷却的集中式空调系统已在许多工程应用中取得了显著的效果，其节能性能数据已被证明，是一个非常好的人体舒适效果。可以预见，辐射制冷系统传热的研究具有很好的发展前景。

2.3 使用效果分析

辐射换热冷却空气调节系统技术改变了现有空调系统的强制对流方式，为解决人体舒适和节能要求提供了新的思路。新的空气调节系统具有以下特点：减少室内空气流量，避免强风和噪声，特别是在休息时间保持房间安静；系统采用辐射供暖和制冷系统主要是为了提高舒适性，可采用低品位能源、热能储存措施；系统节省对流风机投资，降低空气调节系统的运行成本；控制系统技术先进，空气调节方案更合理；辐射供冷管网系统采用毛细管网辐射板，可接触安装在墙壁、地板或天花板上，占用空间小、安装方便，对室内装修的影响最小；蒸发器管板采用导流式分散结构，流体分布均匀，水力损失小，可轻轻地将冷量传至维护结构表面，温控室温模拟毛细管调节，方便控制；没有传统空调系统的风和噪声，不会使机体产生过热过冷，不会造成粉尘和传播病菌；与传统的空气调节系统相比，制冷蒸发温度较高，制冷压缩机的能量效率大幅提高；系统采用先进的控制系统，不仅能保证制冷机的主要性能，同时有检漏系统提供易于查找和可靠的维修功能。