温湿度独立控制空调系统在医院洁净手术室中的应用

1、研究背景

随着我国医疗卫生事业的迅速发展、医院建设标准的提高、新的医疗技术对室内环境要求的不断提高，以及医院环境舒适性的不断提升，医院建筑已经成为单位面积能耗最大的公共建筑之一。医院洁净手术部是整个医院的耗能大户，温湿度独立控制（THIC）空调系统由新风承担所有湿负荷，循环机组或风机盘管在干工况下运行，能够消除空调设备内的潮湿表面、控制室内的相对湿度在合适的范围，最大限度地减少微生物的繁殖和扩散，同时该空调系统的 COP 较常规空调系统高 30% 以上，节能效果非常显著[1]，因此温湿度独立控制空调系统方案非常适用于医院洁净手术室。

针对温湿度独立控制的研究较为广泛：Zhang 等人 [2] 开发了一种分程控制策略来控制带有 THIC 装置的冷却盘管、加热器和加湿器，实现对室内温度和湿度的可靠控制。他们使用 TRNSYS 平台测试了 THIC 的能源性能，结果表明，与传统空调系统相比，THIC 装置可节省 30‰ 的电力。Jiang 等人 [3] 建立了一个由固体干燥剂热泵（SDHP）和变制冷剂流量（VRF）空调系统组成的 THIC 系统和一个广泛采用的联合热回收通风设备（HRV）和 VRF系统（JHVS）的实验装置。二者进行实验对比，结果表明，前者节能 17.2%，COP 提高了25.7%。Zhu 等人 [4] 提出一种气候自适应温湿度独立控制系统（CATHICS），该系统可调节热湿比（ε）以适应变化的室内热湿负荷。建立了蒸发温度滑动、可负担 ε、冷却和除湿效率模型，分析结果说明 CATHICS 可以承受不断变化的湿热负荷，其冷却和除湿效率分别约为3.2 和 1.2。Tian[5] 着眼于温湿度独立控制系统中的新风机组，提出了新风机组建设的新理念，他认为应根据排风污染程度采用不同的热回收方式。Guan 等人 对应用于工业厂房的基于液体干燥剂的全新风空调系统进行了测量，研究结果表明，与传统的蒸汽压缩空调系统相比，THIC 系统采用温度更高的冷冻水，且无需再加热过程，其性能系数可达 3.6，年节电率可达 23.3%。大量现有研究表明，温湿度独立控制空调系统能够高效控制室内温湿度，同时降低能耗，能够极大地满足医院洁净手术室对于室内健康环境和热舒适的要求。本文接下来将分析4 种不同的空调系统再热方案，并以赣州某医院为例分别进行能耗计算和分析比较。

2、节能方案分析

《医院洁净手术部建筑技术规范》GE50333-2013 中明确要求：当整个洁净手术部设集中新风冷热处理设施时，新风处理机组应在供冷季节将新风处理到不大于要求的室内空气状态点的焓值。当有条件时，宜采用新风湿度优先控制模式。

目前传统湿度优先控制的形式是采用一次回风空调系统，其优点是系统简单、初投资少，相对稳定的控制湿度。缺点很明显是存在“冷热抵消”的能量浪费现象，即在满足湿度控制要求的前提下，牺牲了一部分冷量及再热量。

若要消除这部分“冷冻除湿再热”能耗，目前常见解决方式如下：

一是 4 管制冷凝热回收进行再热方式，夏季主机在制备冷冻水的同时，对冷凝热进行利用，专门给降温除湿后的新风进行一个再热处理，这种方式的优点是利用了冷凝废热，节省了电再热的能耗，缺点是温度控制精度不够，还需要使用一部分电再热进行温度精准控制，增加空调系统初投资。

二是可采用温湿解耦型双冷源双级接力深度除湿处理新风的方式以承担室内全部湿负荷，并利用内置热泵的一部分冷凝废热进行温度精准控制，新风的处理终状态参数由室内湿负荷确定，并保持相对稳定，就能保证室内湿负荷优先被新风带走。而瞬时变化的显热负荷，由循环机组做动态温度控制，大大简化了冷冻水系统。在这湿度优先控制的模式中，循环机组尽管没能始终保持干式运行，但绝大多数时间还是处于无凝水运行工况，没有湿表面，减少微生物滋生，卫生条件好，并且在系统设计上没有增加难度。

3、节能方案验证

以赣州某医院为例，净化手术室采用温湿度独立控制空调系统，设置 2 台温湿解耦型双冷源恒温恒湿新风机组，双级冷源接力深度除湿处理新风的方式以承担洁净手术室内全部湿负荷，夏季冷源为 2 台离心式变频冷水机组 +1 台螺杆式变频冷水机组。分析该系统夏季运行时的节能效果。

表1 各级别手术室热湿负荷数据

本项目I 级洁净手术室11 间，I 级MRI1 间，每间面积约 50m² ；III 级洁净手术室13 间，每间面积约 ㎡，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% ，I 级洁净手术室人员 14 人，III 级洁净手术室 10 人。经计算，各级别手术室热湿负荷取表1 数据：

其他再热方案：

（1）四管制冷热一体风冷热泵机组。热泵首先还是 7℃出水，只是把主机冷凝热拿回去做再热，但是同时增加了再热输配泵，输配泵是要耗能的。而且要考虑室内参数变化后，不同净化级别的手术室对再热量的需求情况，会导致其他手术室的室内参数产生波动变化，影响室内参数的精度控制。

（2）燃气热水锅炉再热。夏季如果纯粹用锅炉产生热水再热，明显能耗很大，一个是燃气的费用，一个是输配水泵的电耗。这是最不经济的做法。

经计算，医院 27 间洁净手术室，釆用一次回风加再热方案，每年夏季综合耗电量约为746.5kW，每年夏季运行 1500h，夏季耗能约 112 万 kW/h 电；釆用四管制冷热一体风冷热泵空调系统控制方案，每年夏季综合耗电量约为356.22kW， 每年夏季运行1500 h， 夏季耗能约53.4 万 kW/h 电。采用燃气热水锅炉产生热水再热的空调系统方案，每年夏季综合耗电量约为 356.22kW，每年夏季运行 1500h，夏季耗能约 53.4 万 kW/h 电，夏季燃气耗量约 6.75 万m³/h ；釆用温湿度独立控制方案，每年夏季综合耗电量约为289.0kW， 每年夏季运行1500 h，夏季耗能约 43.4 万 kW/h 电。

四种空调系统再热方案比较，温湿度独立控制空调系统方案夏季运行节能明显。

5、结论

本设计采用的基于温湿解耦型双冷源恒温恒湿空调机组的温湿度独立控制空调系统 ，与传统空调系统相比较， 有很多优点。

1）节能效果显著，无需再热， 避免冷热抵消

2） 健康舒适， 有效控制室内交叉感染。

医院洁净手术室是一个能耗非常高的单位 ， 在设计时必须考虑对空调系统采取合理的节能措施 ， 并且要综合考虑初投资及后期运行费用的关系。经上述分析，温湿度独立控制空调系统能够在控制温湿度的同时最大限度地避免微生物繁殖扩散，且与传统空调系统相比具有显著节能优势，因此医院洁净手术室适宜采用温湿度独立控制空调系统。

参考文献：

[1] 刘拴强， 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.

[2]Zhang XJ， Xiao F， Li S： Performance study of a constant temperature and humidity air-conditioning system with temperature and humidity independent control device. Energy and Buildings 2012， 49：640-646.

[3]Jiang Y， Ge TS， Wang RZ， Huang Y： Experimental investigation on a novel temperature and humidity independent control air conditioning system Part I： Cooling condition. Applied Thermal Engineering 2014， 73（1）：784-793.

[4]Zhu Y， Yin Y： Performance of a novel climate-adaptive temperature and humidity independent control system based on zeotropic mixture R32/R236fa. Sustainable Cities and Society 2022， 76.

[5]Tian Y： A study on the effectiveness of fresh air units in temperature and humidity independent control system. Procedia Engineering 2017， 205：596-602.

[6]Guan B， Liu X， Zhang Q， Zhang T： Performance of a temperature and humidity independent control air-conditioning system based on liquid desiccant for industrial environments. Energy and Buildings 2020， 214.

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