現代醫院建筑已經成為單位面積能耗最大的公共建筑之一。根據國外經驗，醫院建筑能耗一般是辦公建筑能耗的 1.6 倍～ 2.0 倍，而手術室又是醫院中央空調能耗最為突出的部門。

 

許多學者、臨床醫學工程師做了很多關于降低手術室能耗的研究探討，例如，采用二次回風系統、應用溫濕度獨立控制空調系統等，都在一定程度上減少了空調系統的能耗。二次回風系統減少了再熱環節，從而消除了冷熱抵消問題，達到節能效果；而溫濕度獨立控制空調系統，由于其末端的盤管為干工況運行，并且可以用 17℃左右的高溫冷水控制室內溫度，使得制冷機的 COP 提高 40％左右，從而使集中空調系統的能耗降低 30％以上。

 

采用合理的系統方案可使空調系統實現較好的節能效果。節能降耗措施完善是現代手術室又一特點。國內某些企業以建成的節能型手術室為基礎，建立能耗分析和數值模擬模型，進行能耗模擬分析。

 

1

手術室內部負荷

 

根據 GB 50333—2013《醫院潔凈手術部建筑技術規范》，Ⅰ級手術室和Ⅱ級手術室的主要技術指標如表 3-3-2 所示。

 

 

 

手術室的空調室內負荷包括室內設備負荷、照明負荷、人員負荷和圍護結構負荷。

 

1. 設備負荷

計算公式： Qc(τ)=QsCLQ

式中：

Qc(τ)——設備和用具顯熱形成的冷負荷，W；

Qs ——設備和用具的實際顯熱散熱量，W；

CLQ——設備和用具顯熱散熱冷負荷系數。

 

手術室醫用設備的散熱量，一般應由實驗測得，注明在產品樣本上。但通常很難從產品樣本獲得這類數據，實際計算時，可以采用機器裝機容量的某個百分比計算。表 3-3-3 給出了常見設備的電功率和計算取值。

 

 

 

2. 照明負荷

計算公式：熒光燈　Qc(τ)=1000n1n2NCLQ 

Qc(τ) ——燈具散熱形成的冷負荷，W；

N ——照明燈具所需功率，kW；

n1 ——鎮流器消耗功率系數，本設計取 1；

n2 ——燈罩隔熱系數，本設計取 1；

CLQ ——照明散熱冷負荷系數

 

3. 人員負荷

人體顯熱散熱形成的冷負荷計算公式： Qc(τ)=qsnφCLQ

Qc(τ)——人體顯熱散熱形成的冷負荷，W；

qs ——不同室溫和勞動性質成年男子顯熱散熱量，W；

n ——室內全部人數；

φ ——群集系數；

CLQ——人體顯熱散熱冷負荷系數。

 

人體潛熱散熱形成的冷負荷計算公式： Qc=qlnφ

Qc ——人體潛熱形成的冷負荷，W；

ql ——不同室溫和勞動性質成年男子潛熱散熱量，W；

n ——室內全部人數；

φ ——群集系數。

 

手術室中人員男女比例按照1∶1考慮，I級和Ⅱ級手術室中人數分別按照 8 人和6人計算，其中，2人為極輕體力勞動，其余按照輕體力勞動考慮。

 

根據室內設計參數，室溫為23.5℃，相對濕度為55%，可以得到人員的散熱和散濕量。患者切口、血和體液的散濕量按照 2 個輕度勞動人員的散濕量考慮。人員負荷計算表見表3-3-4。

 

 

2

一次回風系統制冷負荷分析

 

手術室常用的集中空氣處理方案如圖 3-3-6 所示。

 

 

典型的一次回風系統處理過程見圖 3-3-7，在焓濕圖上表示見圖 3-3-8：

 

 

從空氣處理過程可以看出，由于為了滿足凈化要求所需要的送風量較大，使得手術室空調系統的送風焓差很小，為了保證送風狀態點的需求，這種方式需要很大的二次再熱量，冷熱抵消嚴重，運行能耗較大。

 

下面以上海為例，進行設計工況下的制冷負荷分析。

 

上海地區的夏季空調室外設計參數為：干球溫度 34℃，濕球溫度 28.2℃。室內設計參數為：23.5℃，相對濕度 55%。

 

按照 GB 50333—2002 的要求，I 級手術室集中布置的送風口面積不小于 6.24m2，此處取為 9m2，送風速度按照 0.37m/s 計算，則所需風量為 12000m3/h。如Ⅱ級手術室面積按照 37m2 計，層高 3m，換氣次數取為 36 次 /h，則所需風量約為 4000m3/h。

 

根據計算，設計工況下 I 級手術室和Ⅱ級手術室的送風比焓差分別為 0.821kJ/kg 和 2.262kJ/kg，而室內設計工況下的比焓為 48.97kJ/kg，I 級手術室和Ⅱ級手術室機器露點的焓值分別僅為 34.91kJ/kg 和34.66kJ/kg，因此一次回風系統需設置再熱。則一次回風系統的制冷負荷由再熱負荷、新風負荷、風機溫升負荷及室內負荷組成，各部分負荷計算匯總見表 3-3-6。

 

 

其中，風機溫升負荷根據蘇凈實體模型手術室空調系統各工況下的實測數據（見測試報告）選取，設計風量下 I 級手術室、Ⅱ級手術室空調機組和新風機組的風機溫升分別取為 1.5℃、1.3℃和 1.2℃，折算的風機溫升負荷見表 3-3-6。I 級手術室和Ⅱ級手術室的再熱負荷、新風負荷、風機溫升負荷及室內負荷等各部分所占比例如圖 3-3-9 所示。

 

 

從圖3-3-9 中可看出，再熱負荷占的比例很大，尤其是I級手術室的再熱負荷占到制冷負荷的59.4%，這顯然不符合節能需求。一般來說，解決送風溫差小的方法除了二次加熱以外，還可以采用二次回風的空氣處理方式。

 

3

二次回風系統制冷負荷分析

 

一次回風系統用再熱器來解決送風溫差受限制的問題，這樣不符合節能原則。二次回風系統則采用在表冷器后與回風再混合一次的辦法來代替再熱器以節約熱量與冷量。典型的二次回風系統處理過程見圖 3-3-10，在焓濕圖上表示見圖 3-3-11。

 

 

二次回風系統的制冷負荷由新風負荷、風機溫升負荷及室內負荷組成，見表3-3-7，其各部分所占比例如圖3-3-12 所示。

 

 

通過對比以上圖表可看出：

 

（1）二次回風系統的制冷負荷相比一次回風來說，兩個手術室能耗平均減少了 50%，減少的量即為再熱負荷，因此二次回風系統比一次回風系統更節能。

 

（2）在二次回風系統中，新風負荷所占的比例較大，因此合理利用新風在一定程度上也會達到節能效果。

 

（3）另外，空調機組風機溫升負荷所占比例較大，I級手術室空調風機溫升負荷占到總制冷負荷的 24.7%，而室內負荷僅占 14.1%，即，風機溫升負荷遠大于室內負荷。因此如何解決風機溫升負荷，對系統的節能也具有重要的意義。

 

4

優化的系統方案

 

 

根據計算分析和實際測試數據，二次回風系統雖然可以很好地避免冷熱抵消問題，但是由于運行風量和風壓較大，空調凈化機組的風機溫升遠遠高于常規系統。這使得制冷機組中承擔風機溫升負荷的比例較大，I 級手術室的情況更加嚴重。

 

鑒于此，優化系統提出將風機電機外置，減少制冷負荷。由于風機溫升負荷的減少，使得按照常規設計的新風量足以承擔全部空調負荷。空調新風可以采用分散處理方式和集中處理方式兩種。

 

1. 分散處理方式

每間手術室凈化空調系統的新風單獨從室外引入，經過凈化進風機組內的粗效、中效處理后直接送到凈化空調機組的吸入端，凈化空調機組需要承擔手術室和新風的全部負荷。這種新風供給系統靈活簡單，方便操作，可以充分利用室外冬季冷空氣作為免費冷源。

 

2. 集中處理方式

手術部凈化空調系統的新風系統分為幾組集中由室外引入，按照分組設置凈化新風空調機組。引入的新風，經過凈化新風機組內的粗效、中效、亞高效過濾處理、冷卻降溫除濕或加熱后直接送到凈化空調機組的吸入端。該系統雖然靈活性不如分散處理方式好，但是室內溫濕度相對穩定，而且特別適用于新風濕負荷大的地區。

 

鑒于我國南方地區氣候濕熱，新風濕負荷相對較大，因此，新風處理選用如圖 3-3-13 所示的集中處理方式。

 

 

此時的空調系統簡化為：新風凈化機組承擔全部室內和新風負荷，而循環機組僅承擔凈化作用。

 

空氣處理過程線如圖 3-3-14，系統示意圖如圖 3-3-15 所示，夏季的空氣處理過程線在焓濕圖上表示如圖 3-3-16 所示，具體空氣處理過程如下：

 

 

實際中，S 到 S' 這段溫升負荷很小，故計算時可忽略不計。

 

這種空氣處理方案具有如下優點：

第一，室內沒有返回空調機組的回風管道，系統較為簡單；

第二，一套新風處理機組可以供給多間手術室，新風機組可以根據手術室使用數量及狀況，采取變頻控制減少能耗；

第三，手術室的循環加壓凈化機組便于獨立控制；

第四，空氣的熱濕處理集中在新風機組，加壓機組無除濕降溫處理，可以減少滋生細菌的風險。

 

5

運行策略

 

根據圖 3-3-12 的負荷分布比例可以看出，制冷負荷中新風負荷所占比例最大，I 級手術室和Ⅱ級手術室新風負荷分別占到總制冷負荷的 59.5% 和 68.9%，因此，為了全面提高節能效果，優化新風運行策略至關重要。

 

新風全年運行總體上分為兩個工況區：冬、夏季的最小新風量運行工況及過渡季運行工況。在過渡季，可以增大新風量以充分利用室外空氣的自然調節能力來減少制冷負荷。

 

此處以焓值作為冬季、夏季和過渡季工況分區的劃分依據，圖 3-3-17 陰影中的菱形區域為室內狀態允許范圍。參考上海地區的全年氣象參數，具體劃分如下：

 

 

（1）當室外空氣焓值大于室內空氣允許焓值的上限時，采用最小新風量運行，此時全部負荷依靠制冷機組承擔，該工況的運行時段為約為5月2日～10月19日。

 

（2）當室外空氣焓值低于室內空氣允許焓值的下限又高于需要對新風進行加熱的室外焓值時，該工況的運行時段約為 3月22日～ 5月1日、10月10日～ 12月1日。增大新風量有利于節能，但是對于凈化系統，新風量過大會加重過濾器負擔，縮短其使用壽命，鑒于此，本課題過渡季的最大新風量并未按照全新風考慮，過渡季新風量取為 3000m3/h，此時由室外新風和制冷機組共同承擔室內負荷和風機溫升負荷。

 

（3）當室外空氣焓值降低到需要加熱的室外參數時，繼續采用最小新風量運行，此時進入加熱加濕工況，該工況的運行時段約為1月1日～ 3月21日、12月2日～12月31日。為了進一步降低新風能耗，考慮到在手術準備階段室內人員較少，因此，在早晨7：00 ～ 9：00可以按照保證正壓的 300m3/h 新風量運行。（上述討論中，若無特別說明，均采用GB50333—2002《醫院潔凈手術部建筑技術規范》推薦值。）