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热管换热器在洁净手术室空调系统中的应用

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医院净化空调系统具有负荷大、负荷稳定,通风量由洁净度确定,温湿度均有控制要求等特点。统净化空调系统为一次回风系统,为了控制温湿度,送风经过表冷器后需再热,造成了一定的能量损失。为了降低医院净化空调系统的能耗,可以采用热管换热器对混合后的送风进行预冷,同时对经过表冷器后的低温送风进行预热,以降低再热能耗。本文以某Ⅰ级洁净手术室(尺寸为 5.7 m×7.5m)为例,对比分析了一次回风电再热系统和采用热管换热器辅助电加热空调系统的能耗。 


医院净化空调系统具有负荷大、负荷稳定,通风量由洁净度确定,温湿度均有控制要求等特点。统净化空调系统为一次回风系统,为了控制温湿度,送风经过表冷器后需再热,造成了一定的能量损失。为了降低医院净化空调系统的能耗,可以采用热管换热器对混合后的送风进行预冷,同时对经过表冷器后的低温送风进行预热,以降低再热能耗。本文以某Ⅰ级洁净手术室(尺寸为 5.7 m×7.5m)为例,对比分析了一次回风电再热系统和采用热管换热器辅助电加热空调系统的能耗。 


热管工作原理与技术特点 

热管由蒸发段、绝热段、冷凝段三部分组成,其结构如图1所示。当热管的一端受热后,吸液芯中的液体吸收外界热量迅速汽化,在微小压差下流向热管的另一端,向外界放出热量后冷凝成为液体,体借助于贴壁金属网的毛细抽吸力返回到加热,并再次受热汽化。如此不断循环,热量从热管的一端传向另一端。由于热管利用工质相变传热,内部热阻较小,因此具有能以小温差获得较大传热量、结构简单、稳定性好等特点。



洁净手术室空调系统形式及能耗分析

医院洁净手术室分为4级,不同等级的洁净手术室设计参数有一定的差别,以某I级洁净手术室为例,其基本参数如表1所示。


(1)手术室负荷分析
手术室的空调负荷主要包括人员负荷、照明负荷、设备负荷、围护结构负荷、手术室湿表面散湿形成的潜热负荷及新风负荷。

不同级别的手术室人数不同,按轻体力劳动、轻体力劳动人数比为1:2、群集系数为0.92取值,该手术室室温为24℃时,显热负荷为67.6W/,散湿量为118.5g/(人·h)。
该手术室采用荧光灯作为照明灯具,根据 GB50034—2013《建筑照明设计规范》,照度为750lx,安装功率相当于25 W/m2,由此形成的照明散热量约为20W/m2。

手术室设备负荷一般应根据医院提供的资料或通过系数法计算。由于手术室中热负荷的不稳定性,依据经验其配置功率与计算取值如表2所示。Ⅰ,Ⅱ级手术室一般可按表2中各项计算取值之和乘以0.8的同时使用系数,Ⅲ,Ⅳ级手术室同时使用系数取0.6。




由于手术室一般位于内区,围护结构负荷较小,可以忽略不计。

手术室内湿表面的大小因手术类型而异,参照相关文献数据,湿表面面积取0.7m2,表面温度取0 ℃。经计算,手术室湿表面散湿量为1022.3g/h,由此形成的潜热负荷为688.6 W。


该Ⅰ级手术室负荷统计见表3。



2)手术室风量
手术室送风量按照GB50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》第4.0.1条及第7.2.1对各级手术室换气次数及送风口面积的要求计算得到。 对于Ⅰ级手术室,按照规范要求,其送风口最小面积为6.24m2,手术台工作面高度截面平均风速为0.20~0.25m/s,考虑到风速的衰减,根据经验,出风口风速宜为0.4m/s,总送风量约为9000m3/h。

根据规范要求,Ⅰ级手术室最小新风量为15~20m3/(m2·h),取20m3/(m2·h),则手术室新风量Lx为855m3/h。


(3)手术室空气处理方式选择及其能耗
研究表明,在空调环境范围内的温度变化对微 生物生存能力和毒性的影响不是很明显,而相对湿 度对微生物的滋生是一个重要的影响因素。 因此, 不同于常规舒适性空调系统,洁净手术室空调系统 采用湿度优先、温湿皆控的控制策略。 若仅控制房间温度,则在房间热湿负荷变化之时,其室内相对湿度会发生飘移,不利于微生物控制。 由于手术室热负荷通常有较大的波动,而湿负荷相对稳定,因此,内送风状态点应由风量和湿负荷确定,采用再热方式控制室内温度。 目前工程上常用电再热方式。

常规一次回风系统中,高湿度的新风与回风混合有利于回风中的微生物滋生繁殖。 因此,根据B50333—2013《医院洁净手术部建筑技术规范》,净手术室的新风通常集中处理后送入各手术室,新风需要处理到比室内状态点比焓更低的状态点,以消除室内负荷。


理想的处理过程新风应当带走室内的湿负荷,责手术室的循环机组只处理室内热负荷。 但该方案新风需要处理到热湿比线与机器露点交点处,甚至更低温度处。 以上述Ⅰ级手术室为例,新风需要处理到9℃以下,采用常用的7 ℃/1212 ℃供回水温度很难达到。 因此通常将新风集中处理到室内露点状态,手术室的室内湿负荷由循环机组负责处理。


循环机组处理方式可以分为二次回风(见图2)和一次回风(见图3)。一次回风处理方式为:新风处理到室内露点L1 点后在循环机组内与回风混合到C 点,再处理至L2 点,再热至送风状态点 O。次回风较为节能,新风集中处理到L1 点,循环风独立处理到L2 点与二次回风混合到C 点,然后与新风混合至送风状态点O。在实际工程中,二次回风阀门调节送风状态点 O 难于完成,因此工程中应用较少。因此,本文以一次回风为例,研究洁净手术室的能耗。就上述Ⅰ级手术室来说,为了达到送风状态点,送风经过表冷器冷却后需要再热,能源浪费较多。但该系统简单,便于控制。


对于一次回风处理过程,经计算表冷器制冷量C和电加热量QR分别为27.27,25.54kW。



热管换热器在洁净手术室空调系统中的应用

为了降低洁净手术室一次回风系统的能耗,在循环机组表冷器的两侧装上热管换热器,其安装原理图见图4。 热管换热 器的 蒸发 段 置 于 表 冷 器 之前,冷凝段置于表冷器之后。 新风与回风混合并经 过滤后,先经过热管换热器的蒸发段,其内部工质蒸发吸收空气的热量,对送风进行预冷。 预冷后的送风经表冷器降温除湿后经过热管换热器的冷凝段,热管内工质冷凝放热,送风被预热。 然后经过空调箱的电加热段,进一步加热到送风状态点,送入房间。



在整个处理过程中,热管换热器利用了表冷器两侧的温差,对送风进行预冷和预热,可以降低表冷器的制冷量和电加热的再热量。 由于热管换热器为显热换热,送风的含湿量不会改变,不会影响室内相对湿度的调节。 但由于热管换热器为被动换热,无法保证预热后的空气满足送风状态点的要求,因此要在换热器后辅助以电加热,调节送风参数,满足手术室的要求。


(1) 带热管换热器空调箱处理过程分析

带热管换热器空调箱空气处理过程如图5所示,新风(L1 点)与回风(N 点)混合至C 点,先经热 管换热器预冷至C1 点,再由表冷器处理至机器露 点L2。 经过热管换热器预热到 L3 点后再热至送风状态点O,然后送入室内。 与 一 次 回 风 相 比,热管换热器节能量主要为C—C1 的预冷量和L2—L3预热量两部分。 需要注意的是,热管换热器会增加空调系统的阻力,从而带来风机能耗的增加。 因此,热管换热器的节能量应综合考虑节省的冷热量和风机阻力增加造成的电量增加。



在同一工况下,热管换热器的换热特性受管排数、工质种类以及管排材料的影响。在本例中选择常用的 R410A 为工质,铜管铝肋片、镀锌框架为材料,讨论不同管排数下的换热及阻力情况,计算结果如表4所示。



(2)节能潜力分析

由表4可知,管排数增加可以增大换热量,从而减少电加热再热量和表冷器制冷量。但是随着管排数增加,阻力也相应增大,风机电量会进一步 增加。综合考虑表冷器、电加热的节能量和风机的 能耗增加,热管换热器节能量用式(1)计算。


式(1),(2)中 ΔQ 为热管换热器节能量,kW; ΔQR再热量减少量,kW; ΔQC 为表冷器制冷量减少量,再热量减少量相等,kW; COPz 为空调系统综合OP,取3.0; ΔQF 为风机能耗增量,kW; Δp 为热管换热器增加的阻力,Pa; η为风机效率,取60%。



经计算,不同管排数的节能量如表5所示。 当热管换热器的管排数增加时,热 管 的 换 热 能 力 增强,预热和预冷量增大,更有利于减少表冷器的制冷量和电加热器的再热量。 与此同时,管排数的增加会造成阻力增加,进而增大风机的压头,相应的风机能耗也会增加。 总体来说,管排数的增加会带来总节能量的增加。


从增加的风机能耗与减少的制冷和再热能耗的比值看来,当管排数越大时,该比值越大。说明随着管排数的增加,风机电耗的增加大于节能量的增加,热管的节能效率反而降低。且增大管排数会带来更高的初投资,因此需要确定热管换热器管排数的最佳值。


为了比较不同管排数的经济性,定义洁净空调运行时间为08:00—20:00,由于新风将集中处理到L1 点,因此室外气象参数对其运行的影响较小,管的年省电量为节能量乘以时间。为了计算静态投资回收期,根据上海电费标准,以非夏季平段电价(0.752元/(kW·h))为标准,计算节省的电费。由表6可知,管排数增加,节省的电费相应增加,但由于初投资也增加,因此静态投资回收期会随管排数的增加而变长。



结论

1)在洁净手术室一次回风空调系统中,热管换热器节能量大于阻力增加带来的能耗增加。
2)当热管换热器的管排数增加时,热管的换热能力增强,更有利于减少表冷器的制冷量和电加热器的再热量。同时,管排数的增加会造成阻力增加,相应的风机能耗也会增加。总体来说,管排数的增加会带来总节能量的增加。
3)随着管排数的增加,风机电耗的增加速度快于节能量的增加速度,风机能耗与减少的制冷和再热能耗的比值越大,热管的节能效率反而降低。
4)管排数增加,相应的初投资也会增加,静态投资回收期相应延长。
5)需要特别指出的是,对于需要急速降温的手术室,热管换热器可能会成为急速降温的阻力。对这类手术室,是否采用热管换热装置,需要进一步的理论分析与经济性比较。

本文作者 张淇淇   陆琼文    马伟骏
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