醫(yī)院凈化空調系統(tǒng)具有負荷大、負荷穩(wěn)定，通風量由潔凈度確定，溫濕度均有控制要求等特點。統(tǒng)凈化空調系統(tǒng)為一次回風系統(tǒng)，為了控制溫濕度，送風經過表冷器后需再熱，造成了一定的能量損失。為了降低醫(yī)院凈化空調系統(tǒng)的能耗，可以采用熱管換熱器對混合后的送風進行預冷，同時對經過表冷器后的低溫送風進行預熱，以降低再熱能耗。本文以某ⅰ級潔凈手術室（尺寸為 5.7 ｍ×7.5ｍ）為例，對比分析了一次回風電再熱系統(tǒng)和采用熱管換熱器輔助電加熱空調系統(tǒng)的能耗。
熱管工作原理與技術特點
熱管由蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段三部分組成，其結構如圖１所示。當熱管的一端受熱后，吸液芯中的液體吸收外界熱量迅速汽化，在微小壓差下流向熱管的另一端，向外界放出熱量后冷凝成為液體，體借助于貼壁金屬網的毛細抽吸力返回到加熱，并再次受熱汽化。如此不斷循環(huán)，熱量從熱管的一端傳向另一端。由于熱管利用工質相變傳熱，內部熱阻較小，因此具有能以小溫差獲得較大傳熱量、結構簡單、穩(wěn)定性好等特點。
潔凈手術室空調系統(tǒng)形式及能耗分析
醫(yī)院潔凈手術室分為４級，不同等級的潔凈手術室設計參數(shù)有一定的差別，以某ｉ級潔凈手術室為例，其基本參數(shù)如表１所示。
（1）手術室負荷分析
手術室的空調負荷主要包括人員負荷、照明負荷、設備負荷、圍護結構負荷、手術室濕表面散濕形成的潛熱負荷及新風負荷。
不同級別的手術室人數(shù)不同，按輕體力勞動、輕體力勞動人數(shù)比為1：2、群集系數(shù)為0.92取值，該手術室室溫為24℃時，顯熱負荷為67.6ｗ／，散濕量為118.5ｇ／（人·ｈ）。
該手術室采用熒光燈作為照明燈具，根據 ｇｂ５００３４—２０１３《建筑照明設計規(guī)范》，照度為750lx，安裝功率相當于25 ｗ／ｍ２，由此形成的照明散熱量約為20ｗ／ｍ２。
手術室設備負荷一般應根據醫(yī)院提供的資料或通過系數(shù)法計算。由于手術室中熱負荷的不穩(wěn)定性，依據經驗其配置功率與計算取值如表２所示。ⅰ，ⅱ級手術室一般可按表２中各項計算取值之和乘以0.8的同時使用系數(shù)，ⅲ，ⅳ級手術室同時使用系數(shù)取0.6。
由于手術室一般位于內區(qū)，圍護結構負荷較小，可以忽略不計。
手術室內濕表面的大小因手術類型而異，參照相關文獻數(shù)據，濕表面面積取0.7ｍ２，表面溫度取0 ℃。經計算，手術室濕表面散濕量為1022.3ｇ／ｈ，由此形成的潛熱負荷為688.6 ｗ。
該ⅰ級手術室負荷統(tǒng)計見表３。
（2）手術室風量
手術室送風量按照ｇｂ５０３３３—２０１３《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》第4.0.1條及第7.2.1對各級手術室換氣次數(shù)及送風口面積的要求計算得到。對于ⅰ級手術室，按照規(guī)范要求，其送風口最小面積為6.24ｍ２，手術臺工作面高度截面平均風速為0.20～0.25ｍ／ｓ，考慮到風速的衰減，根據經驗，出風口風速宜為0.4ｍ／ｓ，總送風量約為9000ｍ３／ｈ。
根據規(guī)范要求，ⅰ級手術室最小新風量為15～20ｍ３／（ｍ２·ｈ），取20ｍ３／（ｍ２·ｈ），則手術室新風量ｌｘ為855ｍ３／ｈ。
（3）手術室空氣處理方式選擇及其能耗
研究表明，在空調環(huán)境范圍內的溫度變化對微生物生存能力和毒性的影響不是很明顯，而相對濕度對微生物的滋生是一個重要的影響因素。因此，不同于常規(guī)舒適性空調系統(tǒng)，潔凈手術室空調系統(tǒng)采用濕度優(yōu)先、溫濕皆控的控制策略。若僅控制房間溫度，則在房間熱濕負荷變化之時，其室內相對濕度會發(fā)生飄移，不利于微生物控制。由于手術室熱負荷通常有較大的波動，而濕負荷相對穩(wěn)定，因此，內送風狀態(tài)點應由風量和濕負荷確定，采用再熱方式控制室內溫度。目前工程上常用電再熱方式。
常規(guī)一次回風系統(tǒng)中，高濕度的新風與回風混合有利于回風中的微生物滋生繁殖。因此，根據ｂ５０３３３—２０１３《醫(yī)院潔凈手術部建筑技術規(guī)范》，凈手術室的新風通常集中處理后送入各手術室，新風需要處理到比室內狀態(tài)點比焓更低的狀態(tài)點，以消除室內負荷。
理想的處理過程新風應當帶走室內的濕負荷，責手術室的循環(huán)機組只處理室內熱負荷。但該方案新風需要處理到熱濕比線與機器露點交點處，甚至更低溫度處。以上述ⅰ級手術室為例，新風需要處理到9℃以下，采用常用的7 ℃／12１２ ℃供回水溫度很難達到。因此通常將新風集中處理到室內露點狀態(tài)，手術室的室內濕負荷由循環(huán)機組負責處理。
循環(huán)機組處理方式可以分為二次回風（見圖2）和一次回風（見圖３）。一次回風處理方式為：新風處理到室內露點ｌ１ 點后在循環(huán)機組內與回風混合到ｃ 點，再處理至ｌ2 點，再熱至送風狀態(tài)點 ｏ。次回風較為節(jié)能，新風集中處理到ｌ１ 點，循環(huán)風獨立處理到ｌ２ 點與二次回風混合到ｃ 點，然后與新風混合至送風狀態(tài)點ｏ。在實際工程中，二次回風閥門調節(jié)送風狀態(tài)點 ｏ 難于完成，因此工程中應用較少。因此，本文以一次回風為例，研究潔凈手術室的能耗。就上述ⅰ級手術室來說，為了達到送風狀態(tài)點，送風經過表冷器冷卻后需要再熱，能源浪費較多。但該系統(tǒng)簡單，便于控制。
對于一次回風處理過程，經計算表冷器制冷量ｃ和電加熱量ｑｒ分別為27.27，25.54ｋｗ。
熱管換熱器在潔凈手術室空調系統(tǒng)中的應用
為了降低潔凈手術室一次回風系統(tǒng)的能耗，在循環(huán)機組表冷器的兩側裝上熱管換熱器，其安裝原理圖見圖４。熱管換熱 器的 蒸發(fā) 段 置 于 表 冷 器 之前，冷凝段置于表冷器之后。新風與回風混合并經 過濾后，先經過熱管換熱器的蒸發(fā)段，其內部工質蒸發(fā)吸收空氣的熱量，對送風進行預冷。預冷后的送風經表冷器降溫除濕后經過熱管換熱器的冷凝段，熱管內工質冷凝放熱，送風被預熱。然后經過空調箱的電加熱段，進一步加熱到送風狀態(tài)點，送入房間。
在整個處理過程中，熱管換熱器利用了表冷器兩側的溫差，對送風進行預冷和預熱，可以降低表冷器的制冷量和電加熱的再熱量。由于熱管換熱器為顯熱換熱，送風的含濕量不會改變，不會影響室內相對濕度的調節(jié)。但由于熱管換熱器為被動換熱，無法保證預熱后的空氣滿足送風狀態(tài)點的要求，因此要在換熱器后輔助以電加熱，調節(jié)送風參數(shù)，滿足手術室的要求。
（1） 帶熱管換熱器空調箱處理過程分析
帶熱管換熱器空調箱空氣處理過程如圖５所示，新風（ｌ１ 點）與回風（ｎ 點）混合至ｃ 點，先經熱 管換熱器預冷至ｃ１ 點，再由表冷器處理至機器露點ｌ２。經過熱管換熱器預熱到 ｌ３ 點后再熱至送風狀態(tài)點ｏ，然后送入室內。與 一 次 回 風 相 比，熱管換熱器節(jié)能量主要為ｃ—ｃ１ 的預冷量和ｌ２—ｌ３預熱量兩部分。需要注意的是，熱管換熱器會增加空調系統(tǒng)的阻力，從而帶來風機能耗的增加。因此，熱管換熱器的節(jié)能量應綜合考慮節(jié)省的冷熱量和風機阻力增加造成的電量增加。
在同一工況下，熱管換熱器的換熱特性受管排數(shù)、工質種類以及管排材料的影響。在本例中選擇常用的 ｒ４１０ａ 為工質，銅管鋁肋片、鍍鋅框架為材料，討論不同管排數(shù)下的換熱及阻力情況，計算結果如表４所示。
（2）節(jié)能潛力分析
由表４可知，管排數(shù)增加可以增大換熱量，從而減少電加熱再熱量和表冷器制冷量。但是隨著管排數(shù)增加，阻力也相應增大，風機電量會進一步 增加。綜合考慮表冷器、電加熱的節(jié)能量和風機的能耗增加，熱管換熱器節(jié)能量用式（１）計算。
式（１），（２）中 δｑ 為熱管換熱器節(jié)能量，ｋｗ；δｑｒ再熱量減少量，ｋｗ；δｑｃ 為表冷器制冷量減少量，再熱量減少量相等，ｋｗ；ｃｏｐｚ 為空調系統(tǒng)綜合ｏｐ，取3.0；δｑｆ 為風機能耗增量，ｋｗ；δｐ 為熱管換熱器增加的阻力，ｐａ；η為風機效率，取60％。
經計算，不同管排數(shù)的節(jié)能量如表５所示。當熱管換熱器的管排數(shù)增加時，熱 管 的 換 熱 能 力 增強，預熱和預冷量增大，更有利于減少表冷器的制冷量和電加熱器的再熱量。與此同時，管排數(shù)的增加會造成阻力增加，進而增大風機的壓頭，相應的風機能耗也會增加?？傮w來說，管排數(shù)的增加會帶來總節(jié)能量的增加。
從增加的風機能耗與減少的制冷和再熱能耗的比值看來，當管排數(shù)越大時，該比值越大。說明隨著管排數(shù)的增加，風機電耗的增加大于節(jié)能量的增加，熱管的節(jié)能效率反而降低。且增大管排數(shù)會帶來更高的初投資，因此需要確定熱管換熱器管排數(shù)的最佳值。
為了比較不同管排數(shù)的經濟性，定義潔凈空調運行時間為08：00—20：00，由于新風將集中處理到ｌ１ 點，因此室外氣象參數(shù)對其運行的影響較小，管的年省電量為節(jié)能量乘以時間。為了計算靜態(tài)投資回收期，根據上海電費標準，以非夏季平段電價（0.752元／（ｋｗ·ｈ））為標準，計算節(jié)省的電費。由表６可知，管排數(shù)增加，節(jié)省的電費相應增加，但由于初投資也增加，因此靜態(tài)投資回收期會隨管排數(shù)的增加而變長。
結論
１）在潔凈手術室一次回風空調系統(tǒng)中，熱管換熱器節(jié)能量大于阻力增加帶來的能耗增加。
２）當熱管換熱器的管排數(shù)增加時，熱管的換熱能力增強，更有利于減少表冷器的制冷量和電加熱器的再熱量。同時，管排數(shù)的增加會造成阻力增加，相應的風機能耗也會增加。總體來說，管排數(shù)的增加會帶來總節(jié)能量的增加。
３）隨著管排數(shù)的增加，風機電耗的增加速度快于節(jié)能量的增加速度，風機能耗與減少的制冷和再熱能耗的比值越大，熱管的節(jié)能效率反而降低。
４）管排數(shù)增加，相應的初投資也會增加，靜態(tài)投資回收期相應延長。
５）需要特別指出的是，對于需要急速降溫的手術室，熱管換熱器可能會成為急速降溫的阻力。對這類手術室，是否采用熱管換熱裝置，需要進一步的理論分析與經濟性比較。