新风深度除湿和智能化管理在手术室节能中的应用研究—以江阴中医院手术室节能改造为例

新风深度除湿和智能化管理在手术室节能中的应用研究—以江阴中医院手术室节能改造为例

蔡俊祥1，王中驰1

（1. 上海医苑节能科技有限公司，上海 200120）

摘 要：研究手术室空调各个工艺过程中的能耗组成，利用智能化数字化系统科学合理的调度和使用空调，保持各个设备健康高效运行，对节约能耗、提高系统安全性起着关键的作用。在目前医院的手术室空调中，以一次回风再热的空调形式最为常见，本文以一次回风再热的空调系统为例，从系统的组成结构与能耗分布、常见问题及问题分析、问题解决对策、技术和经济可行性四个方面来讨论手术室空调得新风深度除湿和数字化改造在手术室空调中的价值。

关键词：手术室空调、新风预处理、深度除湿、节能、智能化控制

引言

能源是人类社会生存与发展的物质基础，能源问题是关系经济建设全局的一个重大战略问题。随着社会的发展，能源问题已经成为影响国民经济发展的重要因素，我国已经将节约能源作为一项基本国策。医院作为一种公共建筑，由于其使用功能特殊，人流量大，设备设施复杂，使用时间长，能耗量非常巨大。手术室作为外科医生开展医疗救治的工作场所，是环境要求最高的区域，也是医院中单位面积能耗最高的地方。其中，空气净化和温湿度处理过程使得手术室空调比其他空调消耗了更多的能源，空调系统的能耗占了整个手术室绝大部分能耗。同时，缺乏妥善的使用管理和运营维护也是造成手术室空调系统高能耗、空气质量超标的另一个因素，常常困扰着医院得运营管理人员。

对于高湿度地区，由于水冷盘管的冷冻水温度和制冷盘管管排数的限制，普遍存在湿度超标的现象。如何在保障空气质量的同时，减少手术室空调的能源消耗成了本行业的重点研究课题[1]。通过数个项目的实践，采用新风冷冻预处理除湿，再利用空调系统的智能化管理技术，可以最大程度的减少除湿过程的冷热抵消，减少待机工况下的新风处理能耗。总体节能率约40%-50%，经济价值和社会价值非常显著。[2]

1 江阴中医院手术室节能改造项目概况

江阴市中医院有7间手术室，并于2021年进行了手术室空调系统的节能改造。在没有进行改造时，在室外温度30℃时，手术室空调的能耗平均在3100度电/天，手术室的湿度基本在65%-70%左右。经过本方案改造后，结合智能化控制，手术室的平均湿度都能够达到60%以内，同时，手术室的空调能耗下降至约1600度/天，在不考虑湿度相同的同等工况下，直接节能率达到了40%。同时在过度季的时候，可以不需要开启冷源，通过氟利昂直接制冷利用低温新风来维持手术间的温度，新风基于氟利昂冷冻深度除湿和手术室空调智能化集中控制组成的基于氟利昂-水耦合的温湿度独立控制手术室空调节能系统整体节能率超过60%。

2 手术室空调系统设备及能耗构成

2.1 手术室空调系统的设备组成

手术室空调系统一般包括冷热源系统、空气处理系统、控制系统3个主要部分。冷热源系统包括了风冷热泵机组，冷热水循环泵；空气处理系统包括新风机、循环处理机、排风机。控制系统主要包括各类传感器、执行器、中央处理器等。通过以上设备的有机组合、协同工作共同来保障手术区域的空气质量。

2.2 手术室空调系统的能耗组成

为了方便看出手术室的节能空间，本文不再展示系统中各个实际设备的能耗及占比情况，通过对实际设备的能耗分析，我们从各个工艺过程的角度来分析各个功能过程中能源消耗情况。整个手术室空调用电主要包括如下几个方面：

2.2.1 风机循环用电

为满足手术室的洁净度要求，手术室组合式空调箱的送风量需要满足手术间换气次数的要求，因此需要通过风机为空气循环提供动力，风机需要消耗电量来维持手术室的洁净度。

2.2.2 新风冷负荷用电

为排出、稀释手术过程中的医用气体、病人头部挥发的麻醉气体，手术室需要设置排风系统，不断的从手术室向外排放被污染的空气。同时，为免受室外污染空气的侵入，维持手术室的正压状态，需送入足够量室外新风来维持手术间相对其他区域的正压。将室外新风降温、除湿处理到室内空气状态点，新风的热湿处理需要消耗电量。

2.2.3 人员、维护结构冷负荷用能

手术室空调需要承担维护结构传热、人员散热、设备散热等冷负荷，在制冷维持环境温度过程中，压缩机和循环泵生产和输送冷量需要消耗的电量。

2.2.4 空气再热过程产生的冷负荷

为降低空气湿度，需要通过冷冻降温的方式将空气温度降到比室内温度更低的状态以除去空气中的水蒸气，再通过电加热等方式将低温空气加热至室内温度送进手术室。该过程中在加热的用电量、抵消加热量的制冷耗电量均消耗了大量电能。

2.3 能源消耗占比分析

依据江阴中医院手术室节能改造项目的节能检测过程中的实际数据，在夏季典型工况下，手术室空调冷热源的耗电量约占55%，手术室空调末端设备的耗电量约占45%。各个工艺过程在考虑设备的特性后，折算成工艺过程的耗电量分布如下，按末端设备耗电量（45%）排列从高到底依次：（1）电加热再热过程耗电量：约25%；（2)循环风机空气净化与温湿度处理耗电量：16%；（3)新风机加压耗电量：约3.5%；（4)排风机耗电量：0.5%。空调冷热源设备耗电量（55%）按空调负荷的组成划大致为：（1)新风冷负荷耗电量：约25%；（2)设备、维护结构、人员冷负荷制冷耗电量：10%；（3)空气再热冷负荷耗电量：5%；（4)压缩机、水泵、风机等设备动能转换冷负荷耗电量：3%；（5)水泵输送耗电量：12%。

3 手术室空调高能耗原因分析

手术室空调夏季普遍存在湿度偏高、能耗偏高、新风量不足等问题。最主要的原因都与夏季新风含湿量高有关，手术室空调夏季的湿负荷最主要的来源为室外新风含湿量，手术室内部的湿负荷极少，对室内湿度的影像极小。

夏季室外新风（34℃，60%RH）的绝对含湿量为21.47g/(kg干空气)，是手术室室内环境要求工况（22℃，50%RH）的含湿量8.22 g/(kg干空气)的2.6倍。新风带入的大量含湿量均需要通过手术室的空调以冷冻除湿的方式去除，当手术室的盘管换热面积不够，或者因为盘管表面的水膜或者积垢导致换热面积不够的时候，往往都会表现出除湿能力不足或者湿度失控的现象。

为了保证冷冻水盘管的除湿效果，需要将空调冷冻水的温度控制在5-7℃，极低的蒸发温度导致制冷机组的效率低下。同时，为了保证除湿效果，需要通过冷冻水盘管将手术室送风先降温至12℃左右，然后再通过电加热管，将空气加热至20℃，再送入手术室。冷冻除湿过程和再热升温过程消耗了大量的电量，除湿和再热过程消耗的电量占整个手术室空调消耗电量比例约为40%。该过程的冷量和热量相互抵消，存在节能优化的空间。

4 手术室空调节能解决方案

依据上述电耗分布分析数据，电加热再热耗电量、再热过程冷负荷的耗电量占全部能耗的30%，是工艺过程能耗，过程中的冷量和热量在循环中直接抵消，是可以通过合理的工艺直接节省的能耗；

新风冷负荷耗电量约占25%，仅跟新风量有关，在不影响在工作手术室的正压值和新风量的情况下，通过合理的新风调控，减少值班工况下的手术室的新风量可以大幅减少新风能耗。

剩余50%的能耗是工艺过程中的必须能耗，可以通过精细化的管理调度来避免浪费，在现有的工艺条件下，无法实现大幅度的减少。

因此，通过工艺优化，避免再热过程、合理减少新风是手术室空调节能的主要方向；通过智能化控制，数字化管理，对手术室的空调系统进行精细化运营，减少使用过程中的浪费是节约手术室空调能耗的另一个方向。

4.1 新风基于氟利昂冷冻深度除湿

新风基于氟利昂冷冻深度除湿节能是在原新风处理机柜的表冷器后端再加一段氟利昂表冷段，利用氟利昂直接膨胀蒸发产生的低温实现新风二次降温。[3-4]

夏季室外新风34℃，60%RH，绝对含湿量为21.47g/(kg干空气)，经过新风机的冷冻水盘管进行一次冷却至15℃，90%RH的工况点，此时新风的含湿量为9.56g/(kg干空气)，再经过氟利昂盘管实现二次降温，冷却至9℃，95%RH的工况,此时新风的含湿量为6.76g/(kg干空气)。此时的新风绝对含湿量远低于室内工况点（22℃，50%RH）的空气含湿量8.22g/(kg干空气)。因此低温的新风既能够承担室内的冷负荷，又能够承担室内的湿负荷。

各个手术室的层流循环机组的电加热器和冷水盘管只承担室内的部分显热冷负荷，负责工况的微调，不再承担除湿的任务。各个循环机在工作的过程中只制冷，不再出现同时电加热和盘管制冷同时运行的情形，避免冷热中和，可以减少约30%的过程能耗。

4.2 手术室空调系统智能化控制

手术室空调智能化集中控制是通过对手术室的工况进行优化，在手术室没有手术的值班状态时，关闭手术室循环机的新风阀门，提高手术室的送风温度，减少手术室的热损失，减少空调冷热源的负荷，实现运行管理的节能。

通过智能化的方式，每个手术间由原来的开机、关机两个工况优化成工作、值班、关机三个状态。通过精细化管理实现能源的有效利用。

5 结论与建议

5.1 新风的集中深度除湿，可以有效控制手术室的湿度。

通过对手术室空调系统的分析，发现夏季手术室的湿度偏高的主要原因是由于室外新风的含湿量偏高导致的。通过对手术室新风的预处理和深度除湿，在新风处理阶段，将新风的湿度降低到室内工况点要求的湿度以下再将新风通过层流机组与回风混合后送入手术室，可以有效控制手术室的湿度。

5.2 新风除湿可减少夏季负荷，实现手术室夏季空调节能

手术室的组合式空调机组为了实现湿度的控制，需要消耗大量的冷量将新风、回风的混合风降低到温度很低的工况实现冷冻除湿，再通过电加热或其他热源补热的方式将空气温度提升以满足室内温湿度要求，存在大量的冷热中和。通过高效的除湿方法，在新风的源头对新风进行除湿是实现手术室夏季空调节能的有效手段。

5.3 智能化控制能够有效的减少手术室空调的能源浪费

手术室空调在值班工况下，可以减少新风的送入量，关闭手术室的排风机，因为此时没有有毒有害的气体产生，手术间仅需要维持洁净度和温湿度。维持房间空气的洁净度和房间的温度是手术室夜间值班工况的主要需求。通过智能化控制的方式，能够有效减少手术室空调值班工况的能耗浪费，又不增加管理人员的工作量。

参考文献：

[1]郭涛.洁净手术室新风深度除湿与变新风量系统节能设计探讨[J].工程建设与设计,2013:123-126

[2]蔡俊祥. ICU病房空调系统[P].ZL 2021 2 0913457.7,2021.11.23

[3]胡吉士. 手术室洁净空调系统热湿处理过程探讨[J].暖通空调,2001,31(5):73-75

[4]  朱青青,沈晋明,陆文. 用于湿度优先控制的新型新风机组[J].制冷技术,2008(3):36-40

1