温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用方式研究

温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用方式研究温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用方式研究温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用方式研究温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用方式研究清华大学刘拴强☆，刘晓华，江亿摘要对温湿度独立控制空调系统的核心概念及特点进行了分析，认为该系统非常适合于对节能减排和控制感染有着强烈需求的医院建筑中。对该系统在医院洁净区域和舒适性区域的应用方式分别进行了介绍，并与常规空调系统的节能效果进行了对比分析。结论认为温湿度独立控制空调系统应用在医院洁净区域，彻底解决了新风除湿后再热的问题，杜绝了冷热抵消，比常规洁净空调系统节能约39%,并解决了新风机组冬季加湿和防冻的问题，该系统应用在舒适性区域，可比常规空调系统节约能耗27.7%。关键词温湿度独立控制洁净区域干工况能耗对比0000引言引言引言引言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的要求不断提高，以及医院环境舒适性的不断提升，导致医院已经成为单位面积能耗最大的公共建筑之一[1,2]。不仅如此，由于医院大部分区域空调系统都是24小时运行，而像手术室、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、特别是大型公建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做了深入研究探索[2-4]。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，除了设置足够精度的过滤以外，消除空调设备内的潮湿表面同时控制室内的湿度在合适的范围内被认为是非常有效的手段。高湿度不仅会增大人体发菌量而且还会引发微生物繁殖，相对湿度控制在50%左右是各种微生物生长的最不利环境[1-3,5-6]。此前，由StanleyA.Mumma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[4,7-9]，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，指出从系统上让新风独立承担室内全部湿负荷，使循环空调机组或者风机盘管运行于干工况，从而最大限度降低细菌等微生物的繁殖和扩散[4,7-9]。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（TemperatureandHumidityIndependentControlAir-ConditioningSystem，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为“干工况”运行，并且可以用17℃左右的高温冷冻水控制室内温度，实现温度、湿度的分别独立控制。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,使冷机的COP提高30％以上，从而使中央空调系统的能耗降低30%以上[10-12]。综上所述，不论是独立新风系统还是“湿度优先控制”系统，其处理思路与THIC空调系统有相同的地方，但是前两种系统主要关注对新风的处理，强调由新风承担室内湿负荷就可以实现干工况运行。实际上，由新风系统承担室内全部湿负荷只是风机盘管干工况运行的必要条件，其充分条件是冷冻水的温度高于可使房间空气在表冷器表面产生结露的温度（注意不是空气的露点温度）。而THIC空调系统的理论可以更加系统的阐述清楚医院建筑中独立新风及湿度优先控制的概念，实现节能减排与控制感染的双重效果，并且不仅适用于手术室等洁净空调区域，也适用于门诊、病房等舒适性空调区域。1111温湿度独立控制温湿度独立控制温湿度独立控制温湿度独立控制空调系统空调系统空调系统空调系统1.11.11.11.1核心概念简介关于THIC空调系统的基础理论及基本概念在文献[10]中有详细的介绍，此处限于篇幅不再赘述，仅对THIC空调系统的核心概念做简要阐述。THIC空调系统的原理示意图及其在i-d图上的空气处理过程如图1、图2所示。由图1可知，THIC空调系统的核心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，笔者在深圳某项目中测试过的磁悬浮变频离心式高温冷水机组的COP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，新风经过除湿降温（溶液除湿）后的送风点S与室内点N之间的含湿量差Δω就是独立新风系统的除湿驱动力，而室内空气经等湿降温后的L点与N点之间的温差ΔT就是温度控制的主要驱动力。由THIC空调系统的核心概念可知，该空调系统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。独立调湿新风机夏季：高温冷源冬季：低温热源置换通风口散流送风口干式风机盘管干式循环机组空调设备末端装置控制室内湿度…………控制室内温度室内环境控制新风水湿度控制系统温度控制系统图1THIC空调系统原理示意图WNφ=100%LSεΔωΔTOW独立除湿S混合N等湿降温LON图2THIC空调系统典型空气处理过程1.21.21.21.2应用时需要注意的问题THIC空调系统的应用有几点需要注意的地方：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，如果围护结构门窗的气密性特别差，室外潮湿新风大量渗入带来的湿负荷可能使送入室内的干燥新风无法承担，导致室内湿度上升，这样末端盘管就会有结露的可能。实际项目中应根据围护结构及室内湿负荷情况经过计算确定。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，对于普通应用场合，主要的湿负荷都是人员散湿，与人数是呈正比的，而新风量也是与人数呈正比，所以只要送风含湿量确定合适，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，例如饭菜散湿量非常大的中餐厅，或者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，由于除人员之外的湿负荷较大，能否采用THIC空调系统需要具体计算校核确定。3)能否应用该系统与空调系统形式无关。图1～2在说明THIC空调系统概念时均以风机盘管+新风系统为例进行说明，这样比较容易理解。但实际上，对于全空气系统、特别是洁净区域的全空气系统，采用THIC空调系统更加节能，控制方式也更为简单。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、科研办公、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，能否采用该项目需要通过计算确定，即使可以采用也应给安装冷凝水系统，以防万一出现湿度失控时产生冷凝水。2222THICTHICTHICTHIC空调系统在医院洁净区域的应用空调系统在医院洁净区域的应用空调系统在医院洁净区域的应用空调系统在医院洁净区域的应用2.12.12.12.1医院洁净空调的特点医院洁净空调系统有着显著的特点，包括：1)换气次数大。洁净区域由于要对空气进行充分的净化过滤，必须保证足够的换气次数，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可达80h-1左右。换气次数的增大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，即由于送风量大，所需送风温差较小，一般都需要将处理后的空气再热后送入室内，导致冷热抵消和能源浪费。2)单位面积空调负荷高。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，对手术室、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，这导致室内湿负荷相对稳定，而显热负荷变化相对明显[1]。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高、循环风量大、大部分要求全天24小时运行，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大。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，因此大部分需要全年供冷，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）提供制冷。2.22.22.22.2医院洁净空调常见的形式及特点目前医院洁净空调系统比较常见的几种形式及其特点包括有：1)一次回风+再热。这种系统的构成比较简单，在《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB50333—2002）[5]（以下简称《规范》）出台以前应用较多，其最大的问题在于再热能耗巨大，且控制系统复杂，容易出现湿度失调的问题，因此目前应用较少。2)二次回风系统。这种系统的优点在于可以取消再热，节约能耗。但大量的文献报道显示[1,4,13]，由于二次回风系统控制复杂，在部分负荷下难以保证调节要求，因此该系统的应用也比较少。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，可以显著降低再热量，在部分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。其再热方式有比较常见的电加热再热、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[4]提到的利用冷凝废热再热的方式是比较节能、比较可靠的方式，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，新风先经过冷水盘管（7℃/12℃）除湿降温后，再经过直接蒸发换热器进行进一步的除湿，然后利用除湿系统的冷凝热进行再热，其功能段示意图如图3所示，该新风机组与循环机组配合应用于手术室的空气处理过程如图4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，需要的冷量相应的也比较大，而且直接蒸发二级除湿的效率也比较低。同时，如果环境新风中携带有病菌或微生物，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。风机段均流中效亚高效冷热盘管蒸发、冷凝盘管压缩机初效图3新风机组功能段示意图WNφ=100%L2N1εON2L1W冷冻除湿混合NN2NL1二级除湿L2再热冷凝热N1等湿降温O图4新风集中处理系统在手术室的空气处理过程2.32.32.32.3THICTHICTHICTHIC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汽的特性，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[10,14]。因此，通过溶液除湿可以对空气进行降温除湿、等温除湿、升温除湿等空气处理，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，盐溶液的杀菌灭活特性，有利于消除新风中所携少量病菌对控制感染的影响[15-16]。基于溶液调湿技术的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如图5、图6所示。首先，该系统也是采用新风集中处理，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、亚高效过滤器后，进入循环机组与室内的回风混合到N’2点，然后再经过14℃/19℃的高温冷水等湿冷却到O点送入洁净区域。运行冬季工况时，室外新风进入溶液调湿新风机组后，经过溶液调湿单元加湿后，送入循环机组与室内回风混合，然后经过14℃/19℃的高温冷水等湿冷却到O点送入洁净区域。回风回风19191919℃洁净室洁净室新风初效风机段均流中效亚高效溶液再生亚高效表冷‘排风风机初效溶液除湿中效初效风机段均流冷热盘管中效初效风机段均流冷热盘管14141414℃亚高效图5医院洁净区域THIC空调系统夏季原理图WNφ=100%N'1εOLW预冷预除湿混合NNL溶液除湿等湿降温ON'2N'1N'2高温冷水图6THIC空调系统在手术室的空气处