洁净手术室空调系统温湿度独立控制方案探讨

1、研究背景

近年来，绿色医院建筑已经成为国内外医院建设与发展的潮流。随着《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》正式颁布，对于整个医疗行业来说，绿色节能是当今乃至未来发展的重要方向。本文就手术室空调系统处理方案进行讨论，按照 GB 50333-2013《医院洁净手术部建筑技术规范》（以下简称《规范》）的要求，提出手术室空调系统温度湿度独立控制、新风湿度优先控制的方案。国内外已有大量针对温湿度独立控制和医院洁净手术室空调系统的研究：Li 等人 [1] 提出了一种新型冷电联供系统，通过将制冷装置设置为两级蒸发，可独立控制建筑物内的温度和湿度，此外还讨论了以16 种有机工质为动力的有机朗肯循环两级蒸汽压缩循环的能源、经济和环境特性。Liu 等人[2] 提出了一种温湿度独立控制系统。该系统通过回收冷水机的冷凝热量，同时制备热水和冷冻水。与传统系统相比，拟议系统可将冷水机组的耗电量降低 23.1%，节能效果可达 60%。Chen 等人 [3] 提出了一种新型的基于直接膨胀式（DX）的温湿度独立控制空调（DXTHIC）系统，可改善室内环境控制并提高能源效率。对 DX-THIC 原型实验系统进行了研究，结果表明该系统可以独立控制室内温度和湿度。Yang 等人 [4] 提出了一种滑动模式控制（SMC）策略来解决空调温度和湿度的独立控制问题，他们根据数学模型确定室内温度和湿度的动态。其次，通过基于达成律的新型模糊滑模控制策略实现了温湿度的独立控制。Zhang 等人 [5] 介绍了THIC 系统在中国的发展情况并对 THIC 系统的能源性能进行了研究。关键部件的性能和整个系统的能耗都表明，与传统系统相比，THIC 系统能显著提高能效。刘栓强等人 [6] 分析了温湿度独立控制空调系统的核心概念及特点。他们进行的能耗对比表明该系统应用于医院洁净区域比常规洁净空调系统节能 35% 以上，应用于舒适性区域比常规空调系统节能 25% 以上。研究发现，将送风格栅放置在更靠近墙壁垂直中心线的位置，可以获得更好的整体性能。

综合国内外各项研究，与传统洁净手术室采用的空调系统相比，温湿度独立控制的空调系统在控制室内温湿度、维持室内空气热舒适和空气品质以及降低能耗方面均有着较大优势，因此洁净手术室采用温湿度独立控制空调系统方案是较为适宜的。

2、传统洁净手术室空调系统方案

根据调査，目前大多数洁净手术室空调系统的处理方案为：手术室新风空调系统集中处理，循环空调系统釆用一次回风或二次回风系统，温湿度实行冗余控制。由于医院手术室由不同级别的手术室组成，洁净度等级不同造成送风量相差很大，而且不同级别手术室的送风状态点不同，难以组成一个空调系统，换句话说找不到集中新风空调系统的共同送风状态点。

为了满足不同级别手术室的使用要求，通常由新风空调系统集中处理新风，与手术室回风混合后送入循环空调箱内进行冷却、加热、加湿处理，循环空调系统采用一次回风加再热系统，这是一种所需风量与温湿度耦合的处理方案，也是最传统、最成熟，但最耗能的方案。其最大的缺陷是没有将温度和湿度分开独立控制，当负荷变化时，或者不同级别的手术室温湿度变化时，各手术室温湿度（尤其是相对湿度）很难达到《规范》中技术指标的要求，手术室在实际应用中也证明了这一点，如手术室出现湿度超标、能耗大的问题。

3、洁净手术室空调系统方案确定

为了有效控制洁净手术室环境，实现手术室空调系统节能的目的，《规范》第 8.1.1 条规定，“洁净空调系统应使洁净手术部整体处于受控状态，并应使各洁净手术室灵活运行”；第 8.1.3 条规定，“I、II 级洁净手术室与负压手术室应每间釆用独立净化空调系统，III、IV 级洁净手术室可 2^～3 间合用一个系统”；第 8.1.6 条规定，有条件时，宜釆用新风湿度优先控制模式”。根据《规范》要求，洁净手术室空调系统应该由集中新风空调系统（新风机组）和手术室空调系统（循环机组）共同组成，并且《规范》还强调了新风湿度优先控制与各手术室灵活使用的要求。

基于各洁净手术室的使用特点以及对《规范》的理解，洁净手术室空调系统应釆用集中新风空调系统消除手术室内湿负荷，循环空调系统调节手术室内温度，承担室内显热负荷。

两个系统分别对手术室内温度和湿度进行独立控制，使洁净手术部整体处于受控状态，各手术室灵活使用。在这种情况下，循环空调系统处于干工况状态，能够最大程度避免微生物的繁殖和扩散，有效保障了手术室的空气品质。

4、洁净手术室基本参数

以江西鹰潭某医院的洁净手术部为例，I 级洁净手术室面积为 50m² ，高3m，装备有麻醉机、呼吸机、电刀等医疗设备。洁净手术室设计要求为：室内温度 t=24^∘C ，相对湿度 =50% ，手术室人员 14 人。经计算，手术室内冷负荷为 7.4 kW，湿负荷为 2.3kg/h ，根据《规范》技术指标要求，I 级洁净手术室控制区送风量为 100000m³/h ，最小新风量为 1000m³/h，手术室控制区尺寸为 2.6m×2.4m ，正压风量为 500m³/h ，排风量为 500m³/h。

洁净手术部新风集中设置，有利于满足各手术室的正压要求，保证各手术室的压力梯度。循环空调系统保证手术室的洁净度，避免空气交叉感染。排风釆用独立系统，并且与手术室自动门联锁，当手术室门关闭时排风系统自动开启，使手术室始终处于正压受控状态，各手术室也可以灵活使用。

此方案新风空调箱承担了除湿功能，循环空调箱在干工况状态下运行，可减少细菌滋生繁殖，对控制手术室内无菌环境十分有利，而且简化了空调系统控制。当手术室内显热变化时，可通过控制循环空调箱进行加热或降温处理，循环空调箱控制温度反应速度较快，控制精度也较高。具体空气处理过程如图3 所示。

图3 温湿度独立控制空调夏季焓湿图

综上所述，新风空调箱对新风进行冷却、再热（夏季）或加热、加湿（冬季）处理到一个共同的送风状态点，循环空调箱对混风进行冷却（加热）处理；集中新风系统与室内循环系统互不干扰，控制系统稳定可靠。

5、洁净手术室温湿度独立控制空调系统节能分析

以鹰潭市某医院不同级别的洁净手术室为例，将传统的一次回风加再热方案和温度湿度独立控制方案进行比较，具体计算结果如表2 所示。

表2 两种方案比较

计算结果表明，与传统的一次回风加再热的空调系统相比，温湿度独立控制的空调系统方案总冷量和循环再热量均有很大程度的减少，温湿度独立控制方案在节能方面具有显著优势。

5、结论

本文简要分析了传统洁净手术室采用的一次回风加再热的空调系统和温湿度独立控制空调系统，并以鹰潭某医院为例分析了温湿度独立控制空调系统夏季和冬季的空气处理过程。结果表明温湿度独立控制方案在节能方面具有较大优势。

此外，新风湿度优先控制模式，控制系统简单，使用灵活方便，系统稳定可靠，与传统的一次回风空调方案相比更加节能，对医疗建筑绿色节能发展具有积极意义。

参考文献：

[1] Li T, Jia Y, Wang J, Meng N, Liu Q, Qin H: Energy, economic and environmental evaluation of a novel combined cooling and power system characterized by temperature and humidity independent control. Energy Conversion and Management 2020, 215.

[2] Liu S, Liu X, Jang H, Yeo M-S: Performance analysis of a temperature and humidity independent control system with high temperature chilled water cooling and condensing heat regenerating for office buildings. Energy Conversion and Management 2024, 308.

[3] Chen W, Fang G, Wang C, Weng W, Chan M-y, Deng S, Liu X, Yan H: An experimental study on a novel direct expansion based temperature and humidity independent control air conditioning system. Energy Procedia 2019, 158:2237- 2243.

[4] Yang L, Li Z, Wu Z, Xie M, Jiang B, Fu B: Independent Control of Temperature and Humidity in Air Conditioners by Using Fuzzy Sliding Mode Approach. Complexity 2020, 2020:1-12.

[5] Zhang T, Liu X, Jiang Y: Development of temperature and humidity independent control (THIC) air-conditioning systems in China—A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2014, 29:793-803.

[6] 刘栓强, 刘晓华, 江亿: 温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用. 暖通空调 2009, 39(04):68-73.

作者简介：唐振中，男，汉族，1981 年1 月生，大学硕士，高级工程师，研究方向：医院洁净空调，高大空间气流组织，数据中心节能