热管换热器如何应用到洁净手术室空调系统中?华东院总工图文讲解

  医院净化空调系统具有负荷大、负荷稳定、通风量由清洁度确定、温湿度控制要求等特点。传统的净化空调系统是一种回风系统。为了控制温度和湿度，送风需要通过表面冷却器再次加热，造成一定的能量损失。为了降低医院净化空调系统的能耗，可以使用热管换热器预冷混合供气，预热表面冷却器后的低温供气，以降低再热能耗。本文以某Ⅰ级洁净手术室(尺寸5.7 ｍ×7.以5m为例，对回风电再热系统和热管换热器辅助电加热空调系统的能耗进行了对比分析。

  热管工作原理和技术特点

  热管由蒸发段、绝缘段和冷凝段组成，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，液体借助于贴壁金属网的毛细抽吸力返回到加热段，并再次受热汽化。热量从热管的一端传递到另一端。由于热管采用工质相变传热，内部热阻小，具有传热量大、结构简单、稳定性好的特点。

  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，不同级别的洁净手术室设计参数不同，以某一级洁净手术室为例，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和新风负荷。

  不同层次的手术室数量不同，轻体力劳动和极轻体力劳动的数量比例为1:2，集群系数为0.92值，手术室温24℃显热负荷为67.6W/人，散湿量118.5ｇ／（人·ｈ）。

  根据GB50034-2013《建筑照明设计规范》照明750lx，安装功率相当于25W/m2，照明散热量约为20W/m2。

  手术室设备负荷一般按医院提供的信息或系数法计算。由于手术室热负荷的不稳定性，根据经验 配置功 率与 计 算 取 值 如 表 ２ 所示。Ⅰ，Ⅱ一般来说，手术室可以根据表2中的所有计算值乘以0.8的同时使用系数，Ⅲ，Ⅳ手术室的系数为0.6。

  由于手术室一般位于内区，围护结构负荷小，可以忽略不计。

  手术室内湿表面的大小因手术类型而异。根据相关文献数据，湿表面积为0.7m2，表面温度40 ℃。经计算，手术室湿表面湿度为1022.由此产生的潜热负荷为3g/h688.6Ｗ。

  该Ⅰ手术室负荷统计见表3。

  (2)手术室风量

  根据手术室的送风量GB《医院洁净手术部建筑技术规范》第4条.0.1条及第7.2.计算各级手术室通风次数和送风口面积的要求。对于Ⅰ根据规范要求，水平手术室的最小送风口面积为6.24ｍ２，手术台工作面高度截面平均风速为0.20～0.25m/s，根据经验，出风口风速应为0.4m/s，总送风量约9000m3/h。

  按照规范要求，Ⅰ最小新风量为15~20m3/m2·取20m3/(m2)·h)，手术室新风量LX 为855ｍ３／ｈ。

  (3)手术室空气处理及能耗的选择

  研究表明，空调环境中围内的温度变化对微生物的生存能力和毒性影响不明显，相对湿度是影响微生物繁殖的重要因素。因此，与传统的舒适空调系统不同，洁净手术室空调系统采用湿度优先、温湿度控制的控制策略。

  如果只控制室内温度，室内相对湿度会在室内热湿负荷变化时漂移，不利于微生物控制。由于手术室热负荷波动较大，湿负荷相对稳定，室内送风状态点应由风量和湿负荷确定，室内温度应通过再热控制。目前，电再热是工程中常用的。

  在传统的一次回风系统中，高湿度新风与回风的混合有利于回风中微生物的繁殖。因此，根据GB5033-2013年《医院洁净手术部建筑技术规范》，洁净手术室的新鲜空气通常集中处理后送入手术室，新鲜空气需要处理到低于室内状态点的状态点，以消除室内负荷。

  新风的理想处理过程应带走室内湿负荷，负责手术室的循环机组只处理室内热负荷。但该方案的新风需要处理到热湿比线与机器露点的交点，甚至更低的温度。以上述Ⅰ以手术室为例，新风需要处理到9℃以下是常用的7 ℃／12 ℃供回水温度难以达到。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。

  循环机组的处理方法可分为二次回风（见图2）和一次回风（见图3）。一次回风处理方法为：将新风处理到室内露点L1 循环机组点后，将回风与C混合 点，然后处理到L2 点，再热送风状态点 Ｏ。

  二次回风更节能，新风集中处理到L1 循环风独立处理到L2 与二次回风混合 点，然后将新鲜空气混合到送风点O。在实际工程中，二次回风阀调整送风状态点 Ｏ 很难完成，所以在工程中应用较少。

  因此，本文以一次回风为例，研究了洁净手术室的能耗。Ⅰ对于一级手术室，为了达到送风点，送风需要在表冷却器冷却后再加热，浪费了更多的能源。但该系统简单，易于控制。计算表冷却器制冷量QC 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

  为降低洁净手术室一次回风系统的能耗，在循环机组表冷器两侧安装热管换热器，安装原理图见图4。热管换热 器的 蒸发 段 置 于 表 冷 器 表冷器后面放置了冷凝段。新风与回风混合过滤后，首先通过热管换热器的蒸发段，其内部工质蒸发吸收空气热量，预冷送风。预冷送风通过表面冷却器冷却除湿，通过热管换热器冷凝段，热管内工质冷凝放热，送风预热。然后通过空调箱的电加热段，进一步加热到送风点，送入房间。

  热管换热器在整个处理过程中，利用表冷器两侧的温差，对送风进行预冷和预热，可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，预热后的空气不能满足送风状态点的要求，换热器后辅助电加热，调整送风参数，满足手术室的要求。

  (1)带热管换热器空调箱处理过程分析

  如图5所示，新风(L1) 点)和回风(N 点)与C混合 点，先经热管换热器预冷至Ｃ１ 点，然后由表冷器处理到机器露点L2。热管换热器预热 Ｌ３ 点热到送风状态点O，然后送入室内。与 一 次 回 风 相 热管换热器的节能主要是C-C1 L2-L3的预冷量和预热量。需要注意的是，热管换热器会增加空调系统的阻力，从而增加风机的能耗。因此，热管换热器的节能应综合考虑冷热和风机阻力的增加。

  在同一工况下，热管换热器的换热特性受管排数、工质类型和管排材料的影响。在本例中选择常用的 Ｒ４１０Ａ 以铜管铝肋片、镀锌框架为材料，讨论不同管排数下的换热和阻力，计算结果如表4所示。

  (2)节能潜力分析

  从表4可以看出，增加管道排数可以增加换热量，从而减少电加热再热量和表冷却器制冷量。但随着管道排数的增加和阻力的相应增加，风扇的功率将进一步增加。考虑到表冷却器、电加热和风扇能耗的增加，计算热管换热器的节能类型（1）。

  (1)，(2)中 ΔＱ 为热管换热器节能，kW；ΔQR减少再热量，kW；ΔＱＣ 表冷器制冷量减少，等于再热量减少，kW；COPz 为空调系统综合COP，取3.0；ΔＱＦ kW增加风机能耗；Δｐ Pa；η取60%的风机效率。

  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，热管排数增加 管 的 换 热 能 力 增加、预热和预冷量，更有利于降低表面冷却器的制冷量和电加热器的再热量。同时，管道排数的增加会导致阻力的增加，然后增加风扇的压力，相应的风扇能耗也会增加。一般来说，管道排数的增加会增加总节能。

  从增加风机能耗与降冷和再热能耗的比例来看，当管道排数越大时，比例就越大。表明，随着管道排数的增加，风机功耗的增加大于节能的增加，但热管的节能效率降低。增加管道排数将带来更高的初始投资，因此有必要确定热管换热器管道排数的最佳值。

  为比较不同管排数的经济性，将洁净空调的运行时间定义为08:00-20:00，由 于 新 风 将 集 中 处理到Ｌ１ 因此，室外气象参数对其运行影响较小，热管年节能乘以时间。根据上海电费标准，计算静态投资回收期(0.752元／（ｋＷ·计算节省的电费为标准。从表6可以看出，随着管排数的增加，节省的电费也相应增加，但由于初始投资的增加，静态投资回收期会随着管排数的增加而增加。

  结论

  1)在洁净手术室一次回风空调系统中，热管换热器节能大于阻力增加。

  2）当热管换热器的管排数增加时，热管的换热能力增强，更有利于降低表面冷却器的制冷量和电加热器的再热量。同时，管排数的增加会增加阻力，增加相应的风机能耗。一般来说，管排数的增加会增加总节能。

  3）随着管道排数的增加，风机功耗的增加速度快于节能。风机能耗与降冷再热能耗的比例越大，热管的节能效率就越低。

  4)管排数增加，相应的初始投资也会增加，静态投资回收期也会相应延长。

  5）需要指出的是，对于需要快速冷却的手术室，热管换热器可能成为快速冷却的阻力。对于这类手术室，是否使用热管换热装置需要进一步的理论分析和经济比较。