作者
吴志国（南京天加环境科技有限公司，江苏，南京）
茅靳丰（中国人民解放军理工大学，江苏，南京）
摘要
介绍了洁净手术室空调系统传统设计方案及技术特点，阐述了传医院实际应用中的三大问题：运行维护难、温湿度控制不稳及能耗高。为解决实际应用中的问题，提出将制冷剂数码变容量直膨式空调系统和温湿度独立控制技术有机结合，实现系统简单易维护、性能可靠、运行节能的目的。医院洁净手术部的实际工程案例进行解析，结果显示：数码变容量空调系统的造价比传统冷水系统更低，实际运行能耗低40%，梅雨季节时手术部无湿度超标问题，且系统简单智能，无需设专人维护，降低了维护成本，这对数码变容量温湿分控空调系统在洁净手术部的推广应用具有直接的参考价值。
关键词
洁净手术室；净化空调；运行维护；数码变容量直膨；温湿分控
引言
近年来，我国医疗卫生事业高速发展，医院大量建设洁净手术部[1]。洁净手术部空调较一般舒适性空调系统复杂，专业性高，运行维护工作量大，医院的管理工作提出了更高的要求。医院为服务性行业，自身缺乏专业的机电人才，医院没有能力对净化空调系统的设计、安装以及运行维护实施高质量的监控及管理。由于人力资源成本越来越高，医院不设专人维护空调系统，医院后勤人员往往身兼多职，专业性不够。医院选择将空调系统运维外包，但在一些经济欠发达地区，很多地级市也找不到一家专业的净化空调维保企业。医院的净化空调系统处于维护不良甚至没有运行维护的状态，洁净手术部空调系统在实际使用时，不能达到设计性能要求，温湿度超标严重，且空调能耗非常高。医院特别是我国经济欠发达医院尤其严重[2]。
如何在保证使用要求的前提下，简化洁净手术部空调系统的设计，医院运行维护的工作量，降低净化空调能耗，医院业主及净化空调企业共同关心的话题。
1空调系统的分类及洁净手术部净化空调系统传统设计方案
1.1空调系统的分类
空调系统按负担室内空调负荷的介质来分类，可分为制冷剂直膨系统和冷冻水系统。
（1）制冷剂直膨系统。制冷剂直膨系统内外机之间采用铜管连接，系统形式简单，几乎免维护，在家用、普通舒适性商用空调中大量应用。其中，多联机系统20世纪90年代才引入我国，但近年来技术及市场得到了飞速发展，空调市场占有率从零飞升至年的47%，其中很重要的原因为多联机系统非常简单，安装及维护的工作量均非常小。
（2）冷冻水系统。由制冷主机制取冷水，再将冷水通过冷水输送系统送至室内机表冷器内，在表冷器内和室内空气进行换热，冷冻水系统通常在大型空调系统中应用，集中管理，能效高。
1.2医院洁净手术部净化空调系统传统设计方案
根据笔者所在单位统计，我国80%的洁净手术部空调系统冷源采用冷冻水，空气温湿度处理采用温湿度耦合控制的一次回风方案。具体如下：
（1）冷源设计。某些大、医院（通常洁净手术部数量大于20间）手术部空调夏季时和病房大楼中央空调共用冷源。春秋季时大楼冷水主机关闭，因手术部发热量大，春秋季也要制冷，冷源再切换为手术部专用的风冷式冷水机组。医院为洁净手术部单独设立冷水机组，以适应手术部净化空调常年制冷的需要。
（2）温湿度处理。现较通行的空气处理方式为温湿度耦合控制的一次回风方案，即空气的降温和除湿由同一台表冷器完成。以夏季工况为例，新风集中处理至室内等焓或等温点（即新风不承担室内的热、湿负荷），然后送入每个循环风净化空调内，混合后由表冷器进行降温、除湿。因手术部内人员密度大，除湿负荷需要的制冷量远大于降温负荷的制冷量，因此表冷器降温除湿后还需要升温以调节室内温度。
1.3洁净手术部净化空调系统传统设计方案存在的问题
（1）运行维护困难。空调冷源系统通常由冷却水系统（包含冷却塔、冷却水泵、冷却水管路、各类阀门等）和冷冻水系统（包含冷水主机、冷冻水泵、定压补水系统、各类控制阀门等）组成，系统部件非常多，维护保养工作至少包含如下几个方面：1）冷却塔清洗；2）冷却塔皮带调整、更换；3）水过滤器清洗；4）冷却塔风机电机润滑；5）水泵润滑、点检；6）冬季排水防冻；7）冷水机组换热器清洗；8）冷水机润滑油更换；9）水路阀门调整平衡水量。
实际运行时，医院由于后勤保障人力不足，运行维护人员专业技能知识不足以支撑对空调系统实行有效的运行管理，净化空调系统的冷源维护严重缺失。如再加上由于前期安装监控不够，施工质量较差等多种因素，冷源系统往往运行两三年后，性能逐年衰减，冷水温度由调试时的额定7℃上升至10℃甚至更高，无法满足净化空调系统的温湿度处理要求。
（2）温湿度超标。净化空调选型时设备厂家一般按照7℃供水选型，并留有一定安全余量，夏季工况正常7℃供水时，表冷盘管可以将空气降温除湿至14℃甚至更低，能够满足室内的温湿度控制要求。如供水温度因冷水机组性能下降及其他种种原因，到达净化空调时变成10℃，表冷盘管的换热温差变小，原有按7℃设计的表冷器换热面积不足以将空气处理至额定的14℃，除湿能力不足，从而造成室内湿度超标。在梅雨季节室外空气潮湿时，新风的除湿负荷也变大，室内湿度超标现象尤其严重。
（3）运行能耗高。温湿度处理由同一个表冷器耦合处理的控制方案优点是调节简单容易实现，设备造价低，但缺点也很明显，就是存在严重的冷热抵消，能耗很大。因此《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB—）[3]也建议如条件允许，应采用湿度优先的控制方案，在节能的同时，可实现循环风机组干工况运行，降低了机组滋生细菌的风险[4]。
（4）其他问题。冷水空调系统，往往需要向不同的设备厂家分别购买冷水机组、净化空调、冷却水系统（冷却塔等）、管路系统、控制系统等，工程商扮演了系统集成商的角色，在现场将不同厂家的设备集成安装。不同设备间存在协调工作及系统磨合问题，如工程商责任心或技术水平不足，最终安装的水平将极大地影响实际使用效果，并有可能出现设备厂家和工程商互相扯皮的现象。
2洁净手术部专用数码变容量直膨式空调系统
2.1系统设计简介
医院洁净手术部传统空调系统复杂难维护、温湿度控制不稳、运行能耗高等问题，推荐使用洁净手术部专用的制冷剂变容量直膨系统，该系统综合了制冷剂直膨空调系统简单易维护、温湿分控系统技术节能的优势，系统模型如图1所示。
图1洁净手术部专用数码变容量直膨式空调系统示意图
（1）温湿度处理。新风机组将室外新风深度除湿至含湿量8g/kg左右（额定工况下手术室室内含湿量9.4g/kg），即处理至比室内空气还要干燥很多的状态，新风完全承担了室内的除湿量；循环风机组因无需承担除湿负荷，仅承担室内的降温负荷即可[5]。
（2）冷源设计。冷源采用制冷剂直膨系统，外机和净化空调（内机）之间仅冷媒铜管连接，冷源系统集成化控制，厂家出厂时已经集成了控制系统，无需再另外配备各类传感器、调节阀门等执行机构。
新风机组因冷负荷大，内机和外机实行一对一连接；循环风净化空调因冷负荷较小，采用多联机的设计技术，一组外机负责多台内机。因新风工况全年d全日24h时刻在变化，新风机组又需要稳定除湿，因此冷源必须采用制冷剂流量可以连续调节的变容量直膨以适应全天候工况变化；同样，循环风机组一台外机负责多台内机，内机的运行数量可能发生变化，制冷剂同样需要连续可调。
因此，冷源室外机均采用制冷剂变容量（VRF-VariableRefrigerantFlow）系统。
（3）压缩机选择。多联机空调系统常用压缩机分为变频变容量和数码变容量两种。变频变容量压缩机运行时会产生高次谐波，对医院的各种医疗器械的使用会产生电磁干扰。数码变容量采用机械式变容量，没有电磁干扰问题，且压缩机更能适应工艺空调长期运行、工况变化大、较为恶劣的运行环境。因此压缩机选择数码变容量柔性密封涡旋式压缩机，冷媒选择环保型RA。
2.2数码变容量直膨式空调系统的优点
和传统冷水式一次回风空调系统相比较，数码变容量直膨式空调系统具有以下优点：
（1）简单可靠，易维护。制冷剂直膨系统，由于省去了冷冻水这一中间环节，大大简化了冷源系统，内外机之间只有冷媒铜管，没有其他任何的泵、调节阀门、检修阀门、过滤器等等，冷源系统几乎免维护。厂家出厂时已经集成了控制系统，可以和手术室的情报面板无缝对接，实现一键开关机，极大地降低了业主的运行维护工作量。空调系统中所有部件均由空调厂家提供，工程商仅负责按要求安装即可，避免扯皮。
（2）节能。系统采用温湿度独立分控技术，避免了传统系统温湿度耦合控制中先制冷后加热的冷热抵消问题，同时也降低了冷源总的装机容量，经测算系统运行节能比例高达40%以上[6]。
（3）除湿效果好，温湿度控制精度高。低温制冷剂在净化空调蒸发器内相变，和空气直接换热，无需冷冻水中间环节，制冷剂温度比普通冷冻水温度更低，除湿性能更好。不会因维护保养不当、水管保温不良、冷水机组性能衰减等原因造成机组除湿不良。同时机组采用制冷剂数码变容量压缩机，制冷剂流量从10%～%连续可调，内机采用电子膨胀阀控制，机组的控制精度很高，据实测可维持室内温度波动小于±0.5℃，相对湿度波动小于±3%[7]。实测新风处理后温度与目标值偏差如图2所示。
图2实测新风处理后温度与目标值偏差
（4）卫生。由于循环风净化空调不负责除湿，因此换热盘管上无冷凝水产生，不会滋生细菌，机组运行更加卫生[8]。
3应用案例解析
3.1项目概况
医院洁净手术部位于大楼四层，共设计洁净手术室9间及相关辅助用房，其中I级手术室两间（OR7及OR8）、III级手术室7间（OR1～OR6、OR9）、IV级洁净区内走廊及其辅房、IV级洁净区外走廊及其辅房。大楼设计整体采用多联机空调系统，因此甲方无法提供医疗洁净手术部所需集中冷热源。综合考虑，手术部空调设计采用国内知名品牌“天加”数码变容量直膨空调机组。
3.2系统划分
根据《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB—）中第8.1.3条要求，本次设计I级手术室OR7及OR8采用一台净化空调负责一间手术室的系统形式，III级手术室OR1、OR2合用一台净化空调，III级手术室OR3、OR4合用一台净化空调，III级手术室OR5、OR6、OR9合用一台净化空调。
所有循环风净化空调机组共用一台新风机组。
3.3负荷计算
因手术室均处于内区，热湿负荷来源较为单一，夏季冷负荷主要考虑手术室内人员散热、照明散热及设备散热，湿负荷考虑手术室内人员散湿。人员数量按照《医院洁净手术部建筑技术规范》（GB—）中第5.1.2条要求上限进行设定。
根据计算，各系统设备参数如表1所示。
表1系统设备参数
3.4投资分析
由于直膨空调系统系统简洁，整体系统所需部件相较于风冷式冷水系统部件（风冷热泵机组、水泵及其控制、各类阀门、水管、保温等）极少，大大降低了材料成本及施工成本，且缩短了施工周期。经计算，本项目采用数码变容量直膨系统比传统的风冷式冷热水系统造价降低15%左右。
3.5运行成本分析
因采用温湿度独立分控技术，没有夏季除湿时的冷热抵消，数码变容量洁净手术部专用空调系统的配电功率比传统风冷热泵系统大幅下降，本项目计算对比如下表：
表2风冷热泵系统和数码变容量系统配电对比
综上分析，数码变容量洁净手术部专用空调系统的用电功率比传统风冷热泵系统低37.5%。医院运营数据水平计算，手术部净化空调系统每天使用12h，空调系统综合负荷率按0.6，制冷季6个月，按照浙江地区商业用电0.元/kW·h计算，则数码变容量空调系统较风冷热泵系统每年可节约的运行成本概算为：（.5-81）*12*6*30*0.6*0.=元。从长远角度考虑，所节约的运行成本将是不可计量的。
3.6实际运行效果
该项目建成后经两年的实际监测，系统运行良好，在浙江梅雨季节时除湿效果表现优异，室内温湿度均控制在设计范围内，实际运行能耗值和设计计算基本相当。系统的日常维护，除内机净化空调机组需进行过滤器更换、箱体清洗消毒等工作外，冷源部分基本无维护工作。运行两年来表现稳定，深得用户好评。
4结论
（1）数码变容量直膨空调系统，应用在洁净手术室净化空调系统内，因系统简洁且无复杂的中间环节部件需要维护，极大地减少了用户的运行维护工作量；
（2）制冷剂直膨，可更好的除湿，结合温湿度独立控制技术，可以将洁净手术部空调系统温湿度稳定控制，且系统节能40%以上；
（3）循环风机组干工况运行，不会滋生细菌，更加卫生。
综上，数码变容量直膨空调系统，在中小型洁净手术部的应用具备极高的推广价值。
[参考文献]
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[6]麦粤帮，邢孔祖，刘雪峰，等.医院手术室的独立新风系统运行特性及能耗模拟研究[J].制冷与空调，，15（6）：39-47，54.
[7]曹琳，江辉民，孙平.变频恒温恒湿空调机温湿度控制精度实验研究[J].建筑科学，，25（12）：24-29，38.
[8]黄槐荣，王旭.温度湿度医院病房中的应用[J].暖通空调，（7）：40-42，58.
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