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温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用
作者: 发布于:2016-5-16 20:53:11 点击量:
分析了温湿度独立控制空调系统的核心概念及特点,介绍了该系统在医院洁净区域舒适性区域的应用方式。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。
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不仅如此,由于医院大部分区域的空调系统都是全天24h运行,而手术室、ICU、血液病房等洁净区域更是要求全年恒温恒湿、空气净化,其空调系统能耗更是巨大。因此,研究降低医院空调系统能耗的方法,对于当前的节能减排,特别是大型公共建筑的节能有着突出的意义。很多专家学者和设计人员对医院建筑空调系统节能作了深入研究。SARS之后,人们更加关注医院建筑的交叉感染控制,而要控制感染、去除细菌,除了设置精度足够高的过滤器之外,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内也被认为是非常有效的手段。高相对湿度不仅会增加人体的发菌量,而且还会引发微生物繁殖,相对湿度50%左右最不利于各种微生物生长。此前,Stanley倡导的独立新风系统(dedicatedoutdoorairsystem)被认为是解决这一问题的有效手段,沈晋明等人在独立新风系统的基础上提出了湿度优先控制系统的概念,指出让新风独立承担室内全部湿负荷,从而使循环空调机组或者风机盘管运行于干工况,最大限度地减少细菌等微生物的繁殖和扩散。近几年,越来越多的学者和工程技术人员开始研究、应用温湿度独立控制空调系统(temperature and humidity independent control air conditioning system,以下简称THIC空调系统),这种空调系统的基本原理是让新风独立承担室内所有的湿负荷,这样末端的风机盘管可以在干工况下运行,并且可以用17℃左右的高温冷水控制室内温度,实现温度、湿度的独立控制。THIC空调系统可以使处理显热负荷的冷水温度从传统的7℃提高到17℃左右,使制冷机的COP提高40%以上,从而使集中空调系统的能耗降低30%以上。
THIC 空调系统
1核心概念简介
关于THIC空调系统的基础理论及基本概念文献已有详细的介绍,此处限于篇幅不再赘述,仅对THIC空调系统的核心概念作简要阐述。THIC空调系统的原理示意图及其在l-d图上的空气处理过程分别如图1,2所示。由图1可知,THIC空调系统的核心部件是独立调湿新风机组和高温冷水机组及其配套的干式末端。其中高温冷水机组的COP一般都在7.5以上,笔者实测得知,用于深圳某项目的磁悬浮变频离心式高温冷水机组的COP高达8.5,IPLV值更是达到了9.55,比常规冷水机组提高50%以上。由图2可知,控制室内相对湿度就是控制新风(状态点W)经过除湿(溶液除湿)降温后的送风状态点S与室内状态点N之间的含湿量差Δω,而控制室内温度就是控制室内空气经等湿降温后的L点与N点之间的温差Δt。
由THIC空调系统的核心概念可知,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,而且末端盘管干工况运行有利于控制感染,解决了医院空调系统的两大突出难题,因此非常适合在医院建筑中应用。
2应用时需要注意的问题
1)应用该系统时,外围护结构的气密性不能太差。由于THIC空调系统是靠新风来除湿的,如果围护结构的气密性特别差,室外潮湿空气大量渗入带来的湿负荷可能无法由送入室内的干燥新风完全承担,导致室内相对湿度升高,这样末端盘管就会有结露的可能。实际项目中应充分考虑围护结构气密性对房间湿负荷的影响。
2)能否应用该系统与房间内人员密度无直接关系。由THIC空调系统的核心概念可知,对于普通场合,主要的湿负荷都是人员散湿形成的,与人数是成正比的,而新风量也是与人数成正的,所以只要送风含湿量合适,不论人员密度是大还是小,都可以应用该系统。需要注意的是,对于一些特殊功能房间,例如散湿量非常大的中餐厅、室内种植大量植物的房间以及室内布置有大量水景的房间,在按照卫生要求设计的新风量无法满足除湿要求时,可以通过加大新风量来解决,但需要确定是否满足经济性要求。
对于综合性医院建筑来说,手术室、ICU、血液病房等洁净区域的气密性都很好,门诊医技楼、科研办公楼、病房等舒适性空调区域的气密性也不存在问题,均可采用THIC空调系统。门诊大厅、快餐厅等区域由于气密性较差或者室内湿负荷特别大,能否采用需要通过计算确定,即使可以采用也应安装冷凝水系统,防止万一出现湿度失控时产生冷凝水。
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THIC 空调系统在医院洁净区域应用
1医院洁净空调的特点
1)换气次数大。为了能对洁净区域的空气进行充分的净化过滤,必须保证足够大的换气次数,一般Ⅰ类手术室的换气次数超过30h-1,而层流病房的换气次数更高达80h-1左右。增大换气次数对于控制洁净区域的感染是非常必要的,但是却带来一个问题,即送风量增大,所需送风温差减小,一般都需要将处理后的空气再热后送入室内,导致冷热抵消和能量浪费。
2)单位面积空调负荷大。一般的手术室,考虑新风负荷的单位面积冷负荷指标在250~350W/m2之间,这也是需要较大换气次数的原因之一。值得注意的是,手术室、ICU等洁净区域室内人员相对固定,但是仪器设备开启情况变化较大,导致室内湿负荷相对稳定,而显热负荷变化相对较大。
3)空调系统能耗高,大部分区域需要全年供冷。由于洁净区域的单位面积负荷大、循环风量大、大部分要求全天24h运行,再加上常规空调系统无法避免再热,导致单位面积空调能耗非常高。同时,手术部等洁净区域的密闭保温性能比较好,室内医疗仪器、灯光负荷较大,大部分区域需要全年供冷,因此必须单独配置独立冷源,当非空调季节中心冷源停机后,由单独配置的冷源(一般为中小型风冷机组)供冷。
2医院洁净空调常见的形式及特点
1)一次回风+再热系统。这种系统的构成比较简单,其系统功能段及处理过程分别如图3,4所示。在《医院洁净手术部建筑技术规范》(GB50333—2002)(以下简称《规范》)颁布以前应用较多,其最大的问题在于再热能耗巨大,且控制系统复杂,容易出现相对湿度失调的问题,因此目前应用较少。
2)二次回风系统。其系统功能段及处理过程分别如图5,6所示,这种系统的优点在于可以避免再热,减少能耗。但是,二次回风系统具有控制复杂,在部分负荷下难以保证调节要求等缺点,因此该系统的应用目前也比较少。
3)新风集中处理+循环机组。这种形式是基于湿度优先控制的原则提出的,可以显著减少再热量,在有些情况下可以实现循环机组干工况运行,也是目前《规范》推荐采用的方式。其再热方式比较常见的有电加热再热、蒸汽(或热水)再热、冷却水再热、热管再热以及冷凝热再热等。其中文献提到的利用冷凝废热再热的方式是比较节能、可靠的方式,具体来说就是在新风机组送风段内设置直接蒸发二级除湿模块,新风先经过冷却(冷水温度7℃/12℃)盘管除湿降温后,再经过直接蒸发换热器(蒸发器)进行进一步的除湿,然后利用除湿系统冷凝器的冷凝热再热,其功能段示意图如图7所示,该新风机组与循环机组配合应用于手术室时的空气处理过程如图8所示。虽然这种处理方式比前两种要节能一些,控制上也更加清楚、简单,但是仍然没有杜绝再热问题,新风处理的焓差仍然比较大,需要的冷量相应地也比较大,而且直接蒸发二级除湿的效率也比较低。同时,如果环境新风中存在病菌或微生物,由于两级除湿盘管均为潮湿表面,无法杜绝病菌和微生物的滋生。
3THIC空调系统在医院洁净区域的应用方式
基于溶液调湿技术的THIC空调系统可以解决目前医院洁净空调系统存在的诸多问题。溶液调湿技术是利用不同浓度的盐溶液吸收或者释放水蒸气,对空气进行除湿或者加湿(统称“调湿”)的技术,其显著的特点是除湿过程不需要低温的冷源,而是采用12℃以上的高温冷源对除湿过程进行冷却。因此,通过溶液除湿可以对空气进行降温除湿、等温除湿、升温除湿处理,送风相对湿度可在25%~80%之间变化,送风含湿量可低至2g/kg。此外,盐溶液的杀菌功能有利于消除新风中少量病菌对控制感染的影响。THIC空调系统在医院洁净区域的应用方式及其空气处理过程分别如图9,10所示。首先,该系统也是集中处理新风,然后根据需要将处理后的新风分配到各个循环机组中。夏季运行时,室外新风(状态点W)进入溶液调湿新风机组后,首先经14℃/19℃的高温冷水预冷预除湿到L点(露点温度19℃),然后再经过溶液除湿处理到N′1点, 经过中效、亚高效过滤器过滤后,进入循环机组与室内回风混合到N′2点,再由14℃/19℃的高温冷水等湿冷却到O点后送入洁净区域。冬季运行时,室外新风进入溶液调湿新风机组经过溶液调湿单元加湿后,送入循环机组与室内回风混合,再由14℃/19℃的高温冷水等湿冷却到O点后送入洁净区域。
4THIC 系统与常规系统的对比分析
1.THIC系统的优点对比图3~10可知,THIC空调系统应用在医院洁净区域可以彻底解决新风除湿后需再热的问题,从而减少了除湿过程的冷量消耗和再热过程的热量消耗,杜绝了冷热抵消。此外,图9所示的溶液调湿新风机组既可以在夏季对新风除湿降温,也可以在冬季对新风加湿加热,从而独立承担了控制洁净空调系统湿度的任务,循环机组只对温度进行调节。而图7所示的新风机组无加湿功能段,冬季运行时室外新风与室内回风混合后,在循环机组中加热、加湿,这也是目前很多设计师常采用的系统。但是,由于回风中携带病菌较多,而不论是电极式加湿器还是蒸汽加湿器,都存在滋生细菌的问题,因此在循环机组中加湿不利于洁净区的感染控制,这一点在《规范》中也明确提出。即使将加湿器从循环机组移到新风机组中,也存在一些问题,由于电加湿或干蒸汽加湿都是等温加湿,冬季新风温度比较低的时候无法加湿,必须先对新风加热升温,然后再加湿。但是北方地区冬季新风温度非常低,经常会将加热盘管冻裂,导致新风系统停机,影响手术室等重要科室的使用。这个问题在THIC空调系统中得到了很好的解决:溶液加湿过程是近似沿等相对湿度线进行的,新风不需要预热即可直接加湿,而且盐溶液在-20℃的低温下也不会冻结,因此利用溶液调湿对新风进行加湿不存在防冻的问题。
2.能耗对比分析根据文献给出的实际算例进行能耗对比,算例针对两间面积均为50m2的Ⅰ级手术室,每间余热量为8.5kW、余湿量为2.85kg/h,每间手术室新风量为1200m3/h,共2400m3/h,每间手术室对应1台循环机组,送风量为7250m3/h。对图8所示的常规空调系统与图10所示的THIC空调系统的能耗进行了对比分析,整理图8,10中各个状态点得到的参数如表1所示。
由于两个系统的送风机能耗是一样的,在比较的时候不予考虑,仅对制冷系统和水系统的能耗予以对比。在常规系统中,由冷水(7℃/12℃)承担的负荷包括W→L1和N2→O两部分的需量57.14kW,由直接蒸发盘管(蒸发器)处理(L1→L2)的负荷为3.92kW,则常规系统输出的总冷量为61.06kW。同时冷凝器的排热量(即从L2→N1的再热量)为7.36kW,显然第二级除湿单元压缩机的电耗为3.44kW。常规空调系统采用离心式冷水机组时,制冷机COP约为5.2,考虑冷水泵、冷却水泵、冷却塔等配套设备的电耗,整个冷水系统的综合COP约为3.74,则常规系统的总能耗为18.7kW,系统综合COP为3.26。对THIC空调系统来说,由高温冷水(14℃/19℃)承担的负荷包括从W→L和从N′2→O两部分的需冷量43.94kW,由溶液除湿单元处理的负荷为9.84kW,则THIC系统输出的总冷量为53.78kW。THIC空调系统采用的高温冷水机组的COP为8.5,考虑输配系统电耗后水系统综合COP为5.02,而溶液除湿单元的能耗包括压缩机、溶液循环泵和再生风机的能耗,根据文献的相关数据可以计算得到其综合COP为3.7。则THIC空调系统的总能耗为11.4kW,系统综合COP为4.71。根据上面的计算可知,对于这两间Ⅰ级手术室,采用常规空调系统的能耗为18.7kW,而THIC空调系统的能耗仅为11.4kW,比常规系统节能39%。
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THIC 空调系统在医院舒适性区域的应用
1应用方式及特点
除少量专科医院外,医院的门诊医技楼、普通病房、办公楼、科研楼等舒适性空调区域所占的面积很大,因此在医院舒适性区域应用THIC空调系统对于医院的节能减排、控制感染及提高室内空气质量和舒适度都有很好的效果,其应用方式一般为风机盘管加新风系统,只不过新风机组为溶液调湿新风机组,风机盘管为干式风机盘管。这种干式风机盘管是专门针对THIC空调系统设计的盘管,而不是普通风机盘管在干工况下运行,其空气处理过程如图2所示。舒适性区域和洁净区域应用THIC空调系统的系统原理如图11所示。由图11可知,干工况运行的循环空调机组与舒适性区域的干式风机盘管共同使用中央机房的高温冷水,承担显热负荷,而溶液调湿新风机组则承担全部潜热负荷。由于医院舒适性区域的设计参数一般为25℃,60%,对应的露点温度为16.7℃,而干式风机盘管的冷水温度可以比室内空气露点温度低2.5~6.5℃,因此室内的风机盘管为干工况运行。
2能耗对比分析
以某医院面积为3000m2的门诊区为例,对舒适性区域采用常规空调系统与THIC空调系统的能耗进行分析。经过负荷计算可知,该区域的空调总负荷为323kW,各分项能耗情况见表2。由表2可知,THIC空调系统的综合COP为4.95,而常规空调系统的综合COP为3.61,THIC系统比常规系统节能27.1%。关于医院整体采用THIC空调系统的更为全面的经济性分析,需针对整个系统从初投资与运行费用方面进行详细研究,笔者将另外撰文详述。
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结论
1THIC空调系统所具有的节能显热末端干工况运行等优点
对于医院建筑节能减排、控制感染、提高室内空气质量和舒适性有着积极的意义,它继承和发展了目前《规范》中提及的湿度优先控制技术,并且在医院洁净区域与舒适性区域中都能实现显热末端干工况运行和温度、相对湿度独立控制。
2THIC空调系统应用
在医院洁净区域,彻底解决了新风除湿后需再热的问题,从而减少了除湿过程的冷量消耗和再热过程的热量消耗,避免了冷热抵消,因此具有显著的节能效果,比常规洁净空调系统节能35%以上。同时还解决了新风机组冬季加湿和防冻的问题。



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