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全热回收型一次回风空调系统在医院手术部的应用

时间:2017-07-03 14:31:21; 来源:山东雅士股份有限公司,山东 潍坊 261000 作者:​于林中

 :分析了目前常见的手术部空调系统存在的问题,提出一种可以解决高能耗、北方冬季防冻、手术室湿度超标等问题的空调系统方案。

关键词:全热回收;手术部;一次回风;新风预处理;防冻;湿度

0  引言

本文针对类似手术部空调系统,提出了一种可以同时解决北方区域防冻问题和空调高能耗问题的空调系统方案。

在手术部净化空调行业里,常用的空气处理方案有两种:一种是常规传统的一次回风系统,另外一种是近年来所提出的温湿度独立调节空调系统,即新风预除湿系统(以下简称“预除湿系统”),如图1所示。预除湿系统是近几年业内所倡导的节能性空调系统,理论上具有较大的节能潜力,目前得到了较为广泛的使用。一般情况下,规模较大的手术部都会优先采用该系统。一次回风系统有较好的分散控制性能,但因其有较高的能耗,其应用受到较大的限制,只有一些较小的空调系统才会考虑。但是,笔者认为,如果我们能有效地解决一次回风的再热能耗,一次回风系统的综合优势要远远大于预除湿系统,应优先采用。

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1  新风预除湿系统

1  预除湿系统的缺点

本文所述基于目前手术部空调系统的常规配置,比如冷冻除湿、夏季再热用电再热、新风用电预热等等。就目前的市场应用来看,预除湿系统主要存在以下几点硬伤:

1.1  房间(手术室)湿度普遍超标

温湿度独立调节空调系统的节能潜力在于,大大节省了冷冻除湿的制冷能耗与再热能耗。但是同时该系统存在一个问题,就是除湿风量。一次回风系统的除湿风量是送风量,温湿度独立调节空调系统的除湿风量是新风量。相较而言,后者因其承担室内余湿的风量较小,而需要更低的送风绝对含湿量,也就是说需要更低的机器露点。

用数据说话,假设系统送风量为10 000 m3/h,新风比为20%,房间温湿度要求为23 ℃、55%。房间湿负荷为4.5 kg/h,送风温差为2.5 ℃。如果采用一次回风系统,其机器露点为13.5 ℃,在工程上非常容易保证;如果采用湿温度独立调节空调系统,其机器露点为10.5 ℃。普通的7/12 ℃冷冻水,再加上水管1 ℃左右的温升,基本不可能实现。如果强制把冷水主机的供水温度调到5 ℃以下,会造成主机的频繁低压报警,增加主机故障率。如此,便是造成预除湿系统除湿能力偏小手术室湿度普遍超标的根本原因。纵观目前工程,此种现象非常普遍。

1.2  华北区域新风机冻盘管频率太高

众所周知,手术室均处于建筑内区,再加上室内设备与人员的相对稳定的散热散湿,其冷热负荷相对比较固定,近似于不论冬夏均是冷负荷,至少需要冷负荷的时间会长很多。那么在冬季时,需要空调系统能够保证低于室内温度送风(GB 503332013也明确提出来)。冬季制冷机无法启动,再加上整个手术部也并不是所有区域都需要制冷,外围辅助房间也是需要供热的,所以最有效的手段便是利用低温新风的冷量来消除室内的余热余湿,势必就要求控制新风机加热器的水流量。再加上两管制系统换热器较大的加热容量,就会使盘管内的水流速降至很低,甚至发生层流现象,会大大增加新风机组的盘管式换热器冻裂的风险,如2所示。四管制系统这种现象可能会稍好点,但同样存在风险。

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2  盘管冻裂

1.3  综合全年,达不到所期望的节能效果

如第2点所述,为同时满足低温送风和有效防止新风机换热器冻裂,业内通常的作法(也是最保险的办法)就是在新风入口处增加电加热作为预热,人为提高新风机换热器的进风温度(一般认为是5 ℃),以策安全。在实际的工程应用中,也正是这样做的。那么问题就来了,虽然在夏季制冷工况节省了制冷主机的耗电量,但是在冬季,为了防冻,要额外增加大量的预热用电量。如果要节能,就至少要求节省的制冷耗电量,要能远远大于防冻耗电量,笔者认为并不见得。

在我国黄河以北,手术室的制冷季与制热季分别都有4个月左右,时间相当,仍以前述空调系统为例,相较于一次回风系统,预除湿系统的设计制冷量从62 kW降至38 kW,主机冷量减小24 kW,相应的配电功率减小约9.6 kW(能效比2.5)。9.6 kW的用电量,若转为电预热,可以将2 000 m3/h的新风加热提升15 ℃。也就是说,在冬季室外空调计算温度为-10 ℃的地区,制冷季运行所节省的主机用电量,仅仅够给新风为防冻要求的预热用。这种情况供冷季越短,供热季越长,会越明显,即越往北越明显。陕西、河南、山东大部分区域能持平,再往北,制冷季所节省的用电量就远不足以弥补冬季的再热用电量了。

另外,通常都是一台新风机供给数台循环机组,所以预除湿系统的分散调控性能并不好,在循环机组部分开启的情况下,新风机必须要开启,虽然可以做变风量运行,但仍存在大量的新风能耗浪费的情况。特别是一些负荷不饱和的医院,浪费程度更大。

再者,多数情况下,由于新风机除湿能力的限制,循环机组并非是像期望的那样只是调温,不参与除湿,更多的情况是仍按一次回风的除湿再热模式运行的,实际上并不节省再热用电量。

所以,综上所述,预除湿系统的节能性,不但要考虑冬季新风预热耗电量的增加,还要考虑系统实际运行与设计工况的实质差异性。综合全年的各工况计算和实际运行经验,新风预除湿系统并不能达到所期望的高效节能效果。

1.4  难以应付过渡季冷热负荷的快速变化

在实际的运行管理中会发现,在过渡季,2月、310月、11月份,因内区外区冷热负荷的差异,在同一天内,会出现部分手术室(一般是百级手术室和千级手术室)早、晚需要供热,中午需要供冷的情况。目前不论是预除湿系统还是一次回风系统,都没有办法应对,一般只好用自来水了,操作起来十分麻烦,虽然时间很短,但也是十分苦恼。

当然,新风预除湿系统也有它的好处,前提是实际工程上的动力条件是否能满足设计参数,并应考虑这种系统在应用过程中所带来的各种隐患,客观的进行评估。这正是目前在选择系统时所欠缺的。

2  一次回风系统的特点

一次回风系统的特点主要包括:

1)承担室内余湿的风量是总的送风量,不需要太低的送风含湿量。即机器露点较高,室内湿度保证率较高,这一点非常重要。

2)相较于新风预除湿系统来说,对冷水机组的供水温不需要特别严格。一般来说,只要到达末端空调的供水温度不高于10 ,就不会导致房间湿度超标。

3)不太容易冻盘管,除非机组的新风比非常大。新风与回风混合后温度一般不会太低,冻盘管的风险会大大减小。

4)不需要或需要极少的电预热。新风与回风的混合,不但要考虑如上所述的防冻问题,还要考虑混合后是否会产生凝露,否则会导致加湿量不足,室内湿度偏小。从图3可以看出,通常当新风低于-15 时才会出现凝露现象。也就是说,一次回风系统预热量只要能将新风提升到-15 以上就可以了。

5)循环机组的新风可以独立设置,互不干扰。有两点好处:一是室内正压互不影响,容易调试;二是使用灵活,用哪个开哪个,具有节能性,特别是手术量不饱和的医院。

6)当然,一次回风的最大弊端是夏季的再热耗电量太大。

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3  混风凝露过程线

综上,一次回风基本上可以解决目前手术部遇到的实际问题,像湿度超标、预热耗电量大、冻盘管等,唯一的不足就是夏季的再热耗电量太大。换句话说,在手术部这样一个相对独立的系统中,如果能解决一次回风的夏季再热耗能的问题,其综合性能要远远超过预处理系统,特别是华北、东北的极寒区域地区。

3  结语

雅士空调针对上述手术部空调系统实际存在的问题,提出基于热泵热回收功能的节能型一次回风空调系统。

该系统在空气处理上属于典型的一次回风空气处理方式,仅仅是合理地对除湿工况的再热能耗进行了无功耗废热回收利用,让一次回风系统避短扬长,使整个空调系统更合理、灵活。其系统原理如4所示

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4  节能型一次回风空调系统

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从图4以看出,利用技术措施,把冷水机组的冷凝废热回收利用,经过管道输送给末端空调,以避免夏季除湿工况时的再热耗电。该系统除了有前述一次回风的所有优点外,还可以解决过渡季一天之内冷热负荷快速切换的问题。

雅士全热回收型风冷热泵机组(5),就是针对这种系统研制开发的新型产品。

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5  全热回收型风冷热泵机组

该产品具有如下功能特点:

1)可以在0 以上稳定运行制冷工况,特别适用于建筑内热较大,制冷季较长的工况;

2)全热回收冷凝热产生热水,回收热量不低于制冷量;

3)热水温度在3045 之间可以设定,且供水温度稳定;

4)热水流量可以在5%100%之间连续调节;

5)供回收管路不需要储能水箱,直接供水至末端空调机组,施工简单;

6)整机装机总电功率与常规功能的同规格机组相同,不增加电容量;

7)体积小,外形尺寸与常规同规格机组相同;

8 过渡季以制冷工况运行,可以有效解决一天之内制冷与制热工况的频繁切换问题。

综上所述,全热回收型一次回风系统,基本可以解决目前手术部空调存在的很多问题,应予以推广应用。

收稿日期:2017-03-02

作者简介:于林中1976—),男,河南济源人,工程师,研究方向:洁净空调产品设计。


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