空調負荷特性與系統(tǒng)節(jié)能措施及空調機組負荷的計算

一、空調負荷的特性
1.手術室在建筑中的位置
由GB 50333醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范，目前潔凈手術部較多采用雙通道布置方法，即有一個潔凈通道和一個清潔通道，往往手術室就布置在這二個通道之間，基本上不直接靠外圍護結構布置，同時由于手術室潔凈度的要求，直接靠外圍護結構布置的手術室在其內部也采用板材進行封閉且氣密性良好，因此外界空氣的狀態(tài)對手術室自身的溫、濕度影響有限。由此可知，潔凈手術部基本上是處在圍護結構保溫良好的封閉內區(qū)。
2.負荷特性
潔凈手術部內照明和人員發(fā)熱變化較小，基本為一定值，醫(yī)療設備的發(fā)熱量較大，且使用情況多變，故手術室的熱負荷變化較大。手術室人聚集在手術臺周圍，發(fā)濕量集中、變化較小。手術期間的負荷特點是熱負荷波動較大，濕負荷比較穩(wěn)定，從而引起室內熱濕比波動較大。
根據(jù)潔凈手術部環(huán)境控制的工藝要求，一般采用一次回風再熱的方式，空氣處理過程存在著較大的再熱負荷（再熱負荷是潔凈手術室工藝性空調系統(tǒng)與普通舒適性空調系統(tǒng)的主要差別之一）?，F(xiàn)代化的綜合醫(yī)院規(guī)模較大，手術室的數(shù)量較多，其巨大的再熱負荷在醫(yī)療建筑的空調負荷中占著很大的比重。
3.手術室空調的基本形式及熱濕處理
（1）基本形式
通常手術室末端凈化空調機組采用由表冷器進行熱濕（加濕另配加濕段）處理的形式，即手術室的回風和新風混合后經(jīng)表冷器處理后再送到手術室內的方式。由此可知，末端空調機組出口的溫、濕度參數(shù)直接決定了手術室內的溫、濕度。
（2）熱濕處理過程
a.手術室的冷熱處理過程基本上是一（二）次回風系統(tǒng)，即經(jīng)冷熱處理的新風和手術室的回風混合后通過表冷器處理到機器露點，再加熱到送風狀態(tài)點后送入室內。
b.由于手術室基本上在建筑內區(qū)，熱負荷常年存在，故要消除熱負荷需系統(tǒng)常年制冷，即對末端空調機組來說，冬季也需冷凍水供應。
c.冬季手術部在運行前室內熱負荷較小，需要進行供熱（保溫），在正常手術時隨著熱負荷的加大，空調系統(tǒng)又需要切換到供冷工況。由此可知手術部需常年供冷且始終處在制冷、制熱、再加熱這種特殊狀況。
4.空調水系統(tǒng)的分類
對于集中式空調水系統(tǒng)來說，有二管制系統(tǒng)有四管制系統(tǒng)，所謂二管制系統(tǒng)，就是連接冷、熱源到空調末端處理設備的一供一回二根水管，空調末端處理設備設一組盤管，夏季是冷盤管冬季是熱盤管。四管制系統(tǒng)，空調末端處理設備各設一組冷、熱處理盤管，分別連接冷源、熱源到空調末端處理設備的四根供回水管。故二管制系統(tǒng)只能單制冷或單制熱，四管制系統(tǒng)能實現(xiàn)單制冷或單制熱及同時制冷和制熱，不難看出由于冷、熱水管道是分開的，可以各行其道，對室內負荷變化的適應性強，調節(jié)靈活，可滿足不同的溫、濕度需求，易對有溫、濕度要求的、不同冷熱負荷的房間進行準確控制。
5.四管制系統(tǒng)的適應性
基于手術部始終處在制冷、制熱、再加熱這種特殊狀況，二管制系統(tǒng)是很難使空調系統(tǒng)的運行參數(shù)符合GB 50333醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范所規(guī)定的要求，雖然個別系統(tǒng)能使參數(shù)滿足GB 50333的要求，但隨著室外氣候的變化，其控制的精度和管理的難度將大大增加。由于四管制系統(tǒng)將制冷和制熱分成二個獨立的系統(tǒng)，即可單獨制冷又可單獨制熱也可同時制冷制熱，因此能方便地實現(xiàn)制冷、制熱、再加熱等二管制系統(tǒng)較難實現(xiàn)的功能，較容易滿足房間的溫濕度要求，且控制系統(tǒng)也較簡單可靠。
二、醫(yī)院冷熱源與潔凈區(qū)域冷熱源
1.規(guī)范要求
GB 50333 8.1.9 潔凈手術部凈化空調系統(tǒng)可采用獨立冷熱源或從醫(yī)院集中冷熱源供給站接入。除應滿足夏、冬設計工況冷熱負荷使用要求外，還應滿足非滿負荷使用要求。冷熱源設備不宜少于2臺。
GB 50333 8.1.9、8.1.10 手術部凈化空調系統(tǒng)及其冷熱源采用什么形式，應通過手術部布局以及全年運行工況分析，從能量的綜合利用角度考慮，優(yōu)化選擇。目前大多手術部體量較大，又常設外走廊，手術室處于空調區(qū)內，特別是在過渡季節(jié)，室外溫度降低，室內冷負荷減小，人員濕負荷不變的情況下，熱濕比下降，為了保證送風溫度和濕度，空氣需先進行冷卻降溫除濕，再進行等濕加熱。整個過程同時需要冷量和熱量，所以可以考慮采用四管制系統(tǒng)。傳統(tǒng)方式制冷和制熱需分別消耗能源，若制熱采用電加熱方式時能源利用率極低。而多功能熱泵機組能夠在蒸發(fā)器獲得冷水的同時，從熱回收器獲得冷凝熱加熱熱水，不平衡部分通過輔助換熱器排放，從而實現(xiàn)同時制冷和制熱，而只需輸入一份能源，便同時獲取冷量和熱量，大大降低了能耗。因此過渡季采用多功能熱泵，可以顯著減低能耗，減少排放。所以為了一份能源兩份利用，可以考慮多功能熱泵形式，總之應綜合考慮整個手術部的全部冷負荷和熱負荷（包括空調系統(tǒng)再加熱量，洗浴、刷手以及污物清洗的熱水用量）選擇合適的冷熱源，才能有效節(jié)能。潔凈手術部冷熱源應具有可靠性、經(jīng)濟性、適應性，方便維護和運行，所以宜考慮過渡季節(jié)使用要求和經(jīng)濟性是否采用獨立冷熱源方式。當用非獨立冷熱源方式時，應考慮過渡季節(jié)使用要求和醫(yī)療要求及經(jīng)濟性。由于手術部空調系統(tǒng)不能停，而且為使冷熱源具備較好調節(jié)能力，保障使用要求，在條件允許時可設2臺（可以是2臺設計滿負荷，也可以非滿負荷）。對供冷供暖運行時間較少的手術部，采用分散式冷熱源更經(jīng)濟。
2.冷源系統(tǒng)
（1）常規(guī)冷源（水冷）有以下幾種形式：
a.電動壓縮式機組，包括渦旋式、往復式、螺桿式及離心式機組。
b.溴化鋰吸收式機組，包括熱水型、蒸汽型及直燃型。
一般來說，活塞式、渦旋式制冷機的單機制冷量較小，且其能效比（性能系數(shù)）也較差，不適合作為空調系統(tǒng)的集中冷源。離心式、螺桿式制冷機的單機制冷量較大，且其能效比（性能系數(shù)）也較好，適合作為空調系統(tǒng)的集中冷源。螺桿式制冷機的低負荷調節(jié)性能較好，離心式制冷機的性能系數(shù)較高，但其低負荷調節(jié)性能略遜。溴化鋰吸收式制冷機，根據(jù)其驅動熱源的供應方式可分為蒸汽（熱水）型和直燃型兩類，一般來說，較適合利用發(fā)電廠或熱電聯(lián)產(chǎn)的余熱蒸汽（熱水）源，不宜采用商業(yè)市政供應的蒸汽（熱水）源，更不宜采用專配鍋爐為驅動熱源供應蒸汽（熱水）型冷水機組的形式。
（2）常規(guī)冷源系統(tǒng)設計原則
中小型醫(yī)療建筑，采用多臺螺桿式制冷機均分的配置方式，數(shù)量一般以2至4臺為好。大中型醫(yī)療建筑，盡量采用效率更高的離心式制冷機。由于醫(yī)療建筑通常會有較小負荷的空調運行情況，為保證系統(tǒng)的低負荷調節(jié)性能，一般在選用離心式制冷機的時候另外搭配1至2臺螺桿式制冷機，對于螺桿式制冷機，其制冷能力為離心式制冷機的50%左右。如果采用1臺螺桿式制冷機的額定制冷量偏大時，可采用2臺螺桿式制冷機，其單臺制冷能力為離心式制冷機的25%左右。
目前，還可以考慮變頻式離心冷水機組。該種制冷機，即能擴大機組的部分負荷運行范圍，又能達到良好的節(jié)能效果?？刹捎枚嗯_制冷量相同的離心式制冷機均分配置方式，其中一臺（或全部）為變頻式離心冷水機組。
（3）蓄冷空調系統(tǒng)
空調蓄冷技術，即是在電力負荷很低的夜間用電低谷期，采用制冷機制冷，利用蓄冷介質的顯熱或潛熱特性，用一定方式將冷量存儲起來。在電力負荷較高的白天，也就是用電高峰期，把存儲的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調或生產(chǎn)工藝的需要。應用蓄冷空調技術的意義：a.削峰填谷、平衡電力負荷；b.改善發(fā)電機組效率減少環(huán)境污染；c.減少裝機容量，節(jié)省空調用戶的電力花費；d.改善制冷機組運行效率；e.蓄冷空調系統(tǒng)特別適用于負荷比較集中、變化較大的場合；f.應用蓄冷空調技術，可擴大空調區(qū)域的使用面積；g.適合于應急設備所處的環(huán)境等。蓄冷系統(tǒng)大致可分為水蓄冷及冰蓄冷空調系統(tǒng)。
（4）常規(guī)冷源（風冷）形式
風冷熱泵機組，適用于夏熱冬冷地區(qū)峰值負荷不大，負荷變化率較大的中小型建筑，一般采用多臺主機，空調系統(tǒng)全年運行時，宜采用熱泵式機組，當同時需要供冷和供熱時，宜選擇四管制風冷熱泵機組。
3.常規(guī)熱源系統(tǒng)
（1）熱源的種類
醫(yī)院熱源有蒸汽和熱水兩類，來源有市政熱網(wǎng)、燃氣（油）鍋爐、電鍋爐。當有市政熱網(wǎng)供應的蒸汽或高溫熱水時，只需設置汽（水）－水熱交換器即可，采用多臺均分的配置方式，當一臺停止工作時，剩余換熱器的設計換熱量應滿足總熱量的65%~70%，數(shù)量一般以2至4臺為宜。沒有市政熱網(wǎng)供熱時，一般采用燃氣（油）鍋爐作為熱源。鍋爐分為蒸汽鍋爐和熱水鍋爐兩類。
（2）系統(tǒng)設計原則
根據(jù)公共建筑節(jié)能設計標準，除廚房、洗衣、高溫消毒、工藝性濕度控制等必須采用蒸汽的熱負荷外，其他場合不應使用蒸汽鍋爐。熱水鍋爐：建議采用自帶換熱器的熱水鍋爐，可不必再設水－水熱交換器，空調水系統(tǒng)直接接駁其換熱器的進出口即可使用。設計時，同樣采用多臺均分的的配置方式，數(shù)量一般以2～3臺為好?？照{熱源還有一種形式是采用電鍋爐?！豆步ㄖ?jié)能設計標準》GB 50189–2015對采用電鍋爐作為空調熱源有嚴格的條件限定。當空調系統(tǒng)的冷源采用空氣（地）源熱泵型冷（熱）水機組、直燃型溴化鋰吸收式冷（熱）水機組、直接蒸發(fā)式的分體空調或直接蒸發(fā)式變制冷劑流量空調系統(tǒng)時，由于設備本身即可制冷也可制熱，故無需再另外設置熱源。
三、常用綠色節(jié)能方式
1.凈化區(qū)域的幾種節(jié)能方式
（1）變新風系統(tǒng)
根據(jù)規(guī)范手術室新風采用新風集中處理，處理后的新風送到各手術室的循環(huán)系統(tǒng)，這種凈化空調系統(tǒng)的特點是，各手術室空調自成系統(tǒng)，可避免交叉感染，而且各手術室也可以靈活使用，新風集中控制有利于各手術室正壓要求。間手術室停用時，為保證手術室的潔凈度，要維持一定的正壓值，這樣必須有經(jīng)處理的新風送入手術室，而送入的新風量與白天正常使用的量往往不一樣，這樣對新風機來說就存在二個不同的送風量。為降低能耗往往采用風機變頻技術加以解決。
（2）新排風全熱交換
新風預處理在能耗中占很大的比例，排風通過熱交換器預處理新風達到節(jié)能的目的。為防止產(chǎn)生交叉感染，所以這個措施一般適用于低級別較低的潔凈手術室。（標準病房的新風也采用）(3)Ⅰ級手術室二次回風系統(tǒng)
潔凈手術室設計中，一次回風系統(tǒng)的再熱耗能問題是一直存在的，而在Ⅰ級手術室中，送風量很大，如果繼續(xù)采用一次回風系統(tǒng)，大風量的冷熱抵消造成的能源浪費是不能接受的，因此，Ⅰ級手術室采用二次回風系統(tǒng)，在空調箱表冷段后再與回風混合一次來代替再熱，這樣可以在滿足送風量得前提下，以達到節(jié)能的目的。
2.制冷主機的幾種節(jié)能方式
（1）潔凈手術部空調水系統(tǒng)及冷熱源的優(yōu)化選擇
一般情況下醫(yī)院都有蒸汽或熱水鍋爐，通過設置不同換熱量和不同出水溫度的板式換熱器來滿足不同使用功能的要求。潔凈手術部冷凍水系統(tǒng)，有下列兩種情況值得分析。其一冷凍水是從整個大系統(tǒng)中引出，這要求把和手術部使用情況一樣的各功能用房的負荷合并，如血液病房、DSA房間、NICU房間等，設置一臺僅滿足此負荷的冷凍機在夏季和過渡季使用，冬季可使用板式換熱器結合冷卻塔來提供免費供冷，運行較為經(jīng)濟；制熱則使用鍋爐結合板式換熱器的系統(tǒng)。系統(tǒng)全年供冷、供熱同時存在滿足手術室需要。其二采用四管制冷熱水機組，即采用獨立的空調冷熱源系統(tǒng)，此系統(tǒng)是根據(jù)設計計算的空調冷熱負荷選擇不同制冷（熱）量的機組，水系統(tǒng)完全獨立，與整個醫(yī)院的其他水系統(tǒng)分開（也可作為備用冷、熱源）。
（2）四管制機組的運行能耗
四管制多功能冷熱水機組的工作原理是冷熱量的回收和綜合利用，由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、可變功能換熱器等組成。采用二個獨立回路的四管制水系統(tǒng)，冷凍水側與蒸發(fā)器換熱，熱水側與冷凝器換熱，一年四季可實現(xiàn)五種運行模式（區(qū)別于熱泵熱回收機組）：
a.單制冷，可變功能換熱器作為冷凝器散熱；
b.單制熱，可變功能換熱器作為蒸發(fā)器吸熱；
c.制冷+制熱（設備微電腦調節(jié)自動平衡冷熱量），可變功能換熱器根據(jù)需求散熱或者吸熱；
d.空調制熱加熱回收器制熱水；
e.熱回收器單獨制熱水。
四管制冷熱水機組，五種模式無縫聯(lián)接，與末端冷熱需求即時吻合。機組冷凍水供水溫度范圍7～15℃，熱水供水溫度范圍26~60℃，安全運行環(huán)境溫度范圍-10～46℃。
從上述機組的工作原理中不難看出四管制機組的運行能耗和二管制機組差不多，依靠可變功能換熱器能實現(xiàn)同時供冷水、供熱水的功能，滿足手術室制冷、制熱、再加熱這種特殊需求。因此對手術部采用獨立冷、熱源的系統(tǒng)來說其使用風冷熱泵的運行方式時，其運行能耗會省。
（3）溶液除濕空調系統(tǒng)(溫、濕度獨立控制)
溶液調濕技術是采用具有調濕功能的鹽溶液為工作介質，利用溶液的吸濕與放濕特性對空氣含濕量進行控制。
新風處理：室外新風由外界提供的高溫冷水預冷除濕后，進入溶液調濕單元除濕。低濕狀態(tài)的新風與回風混合后由外界提供高溫冷水對混風進行降溫，達到送風狀態(tài)點。溶液調濕：除濕單元內，溶液吸收新風中的水分后，濃度變小，為恢復吸收能力，稀溶液被送入再生單元使用新風進行再生，再生后的濃溶液再送入除濕單元，如此進行循環(huán)。
由于溫度和濕度采用獨立控制，避免常規(guī)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理帶來的能耗損失；冷機制取高溫冷水，蒸發(fā)溫度提高，冷機COP可提高；溶液調濕系統(tǒng)處理濕負荷，高溫冷機承擔復核減少，冷凍水流量隨之減少，降低了水系統(tǒng)輸配能耗?？蓽蚀_控制溫濕度，避免出現(xiàn)室內濕度過高或過低現(xiàn)象。常規(guī)系統(tǒng)難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的缺點得以解決，也可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求。目前沒有資料證明經(jīng)溶液處理過的新風對人體有害，也沒有資料證明經(jīng)溶液處理過的新風對人體無害。
（4）冷水機組冷水機組冷凝熱回收
目前常用的冷凝熱回收是冷凝器內有兩組并聯(lián)的冷卻水盤管，其中一組盤管可以將熱量傳遞給冷卻水，再通過冷卻塔釋放到環(huán)境中；另一組盤管可以將熱量回收用于生活熱水供應。其熱水回收溫度一般為35~60℃，熱回收率控制在10~100%之間。需考慮使用側的不穩(wěn)定性，在冷卻塔盤管側考慮100%的冷卻能力，以保證機組正常運行。
（5）冷卻塔免費制冷
冷卻塔的免費制冷是指在冬季用冷卻塔來替代冷凍機進行制冷。系統(tǒng)僅運行冷卻塔和水泵，而冷凍機不開啟，從而節(jié)約運行費用。