空调负荷特性与系统节能措施及空调机组负荷的计算

一、空调负荷的特性
1.手术室在建筑中的位置
由GB 50333医院洁净手术部建筑技术规范，目前洁净手术部较多采用双通道布置方法，即有一个洁净通道和一个清洁通道，往往手术室就布置在这二个通道之间，基本上不直接靠外围护结构布置，同时由于手术室洁净度的要求，直接靠外围护结构布置的手术室在其内部也采用板材进行封闭且气密性良好，因此外界空气的状态对手术室自身的温、湿度影响有限。由此可知，洁净手术部基本上是处在围护结构保温良好的封闭内区。
2.负荷特性
洁净手术部内照明和人员发热变化较小，基本为一定值，医疗设备的发热量较大，且使用情况多变，故手术室的热负荷变化较大。手术室人聚集在手术台周围，发湿量集中、变化较小。手术期间的负荷特点是热负荷波动较大，湿负荷比较稳定，从而引起室内热湿比波动较大。
根据洁净手术部环境控制的工艺要求，一般采用一次回风再热的方式，空气处理过程存在着较大的再热负荷（再热负荷是洁净手术室工艺性空调系统与普通舒适性空调系统的主要差别之一）。现代化的综合医院规模较大，手术室的数量较多，其巨大的再热负荷在医疗建筑的空调负荷中占着很大的比重。
3.手术室空调的基本形式及热湿处理
（1）基本形式
通常手术室末端净化空调机组采用由表冷器进行热湿（加湿另配加湿段）处理的形式，即手术室的回风和新风混合后经表冷器处理后再送到手术室内的方式。由此可知，末端空调机组出口的温、湿度参数直接决定了手术室内的温、湿度。
（2）热湿处理过程
a.手术室的冷热处理过程基本上是一（二）次回风系统，即经冷热处理的新风和手术室的回风混合后通过表冷器处理到机器露点，再加热到送风状态点后送入室内。
b.由于手术室基本上在建筑内区，热负荷常年存在，故要消除热负荷需系统常年制冷，即对末端空调机组来说，冬季也需冷冻水供应。
c.冬季手术部在运行前室内热负荷较小，需要进行供热（保温），在正常手术时随着热负荷的加大，空调系统又需要切换到供冷工况。由此可知手术部需常年供冷且始终处在制冷、制热、再加热这种特殊状况。
4.空调水系统的分类
对于集中式空调水系统来说，有二管制系统有四管制系统，所谓二管制系统，就是连接冷、热源到空调末端处理设备的一供一回二根水管，空调末端处理设备设一组盘管，夏季是冷盘管冬季是热盘管。四管制系统，空调末端处理设备各设一组冷、热处理盘管，分别连接冷源、热源到空调末端处理设备的四根供回水管。故二管制系统只能单制冷或单制热，四管制系统能实现单制冷或单制热及同时制冷和制热，不难看出由于冷、热水管道是分开的，可以各行其道，对室内负荷变化的适应性强，调节灵活，可满足不同的温、湿度需求，易对有温、湿度要求的、不同冷热负荷的房间进行准确控制。
5.四管制系统的适应性
基于手术部始终处在制冷、制热、再加热这种特殊状况，二管制系统是很难使空调系统的运行参数符合GB 50333医院洁净手术部建筑技术规范所规定的要求，虽然个别系统能使参数满足GB 50333的要求，但随着室外气候的变化，其控制的精度和管理的难度将大大增加。由于四管制系统将制冷和制热分成二个独立的系统，即可单独制冷又可单独制热也可同时制冷制热，因此能方便地实现制冷、制热、再加热等二管制系统较难实现的功能，较容易满足房间的温湿度要求，且控制系统也较简单可靠。
二、医院冷热源与洁净区域冷热源
1.规范要求
GB 50333 8.1.9 洁净手术部净化空调系统可采用独立冷热源或从医院集中冷热源供给站接入。除应满足夏、冬设计工况冷热负荷使用要求外，还应满足非满负荷使用要求。冷热源设备不宜少于2台。
GB 50333 8.1.9、8.1.10 手术部净化空调系统及其冷热源采用什么形式，应通过手术部布局以及全年运行工况分析，从能量的综合利用角度考虑，优化选择。目前大多手术部体量较大，又常设外走廊，手术室处于空调区内，特别是在过渡季节，室外温度降低，室内冷负荷减小，人员湿负荷不变的情况下，热湿比下降，为了保证送风温度和湿度，空气需先进行冷却降温除湿，再进行等湿加热。整个过程同时需要冷量和热量，所以可以考虑采用四管制系统。传统方式制冷和制热需分别消耗能源，若制热采用电加热方式时能源利用率极低。而多功能热泵机组能够在蒸发器获得冷水的同时，从热回收器获得冷凝热加热热水，不平衡部分通过辅助换热器排放，从而实现同时制冷和制热，而只需输入一份能源，便同时获取冷量和热量，大大降低了能耗。因此过渡季采用多功能热泵，可以显著减低能耗，减少排放。所以为了一份能源两份利用，可以考虑多功能热泵形式，总之应综合考虑整个手术部的全部冷负荷和热负荷（包括空调系统再加热量，洗浴、刷手以及污物清洗的热水用量）选择合适的冷热源，才能有效节能。洁净手术部冷热源应具有可靠性、经济性、适应性，方便维护和运行，所以宜考虑过渡季节使用要求和经济性是否采用独立冷热源方式。当用非独立冷热源方式时，应考虑过渡季节使用要求和医疗要求及经济性。由于手术部空调系统不能停，而且为使冷热源具备较好调节能力，保障使用要求，在条件允许时可设2台（可以是2台设计满负荷，也可以非满负荷）。对供冷供暖运行时间较少的手术部，采用分散式冷热源更经济。
2.冷源系统
（1）常规冷源（水冷）有以下几种形式：
a.电动压缩式机组，包括涡旋式、往复式、螺杆式及离心式机组。
b.溴化锂吸收式机组，包括热水型、蒸汽型及直燃型。
一般来说，活塞式、涡旋式制冷机的单机制冷量较小，且其能效比（性能系数）也较差，不适合作为空调系统的集中冷源。离心式、螺杆式制冷机的单机制冷量较大，且其能效比（性能系数）也较好，适合作为空调系统的集中冷源。螺杆式制冷机的低负荷调节性能较好，离心式制冷机的性能系数较高，但其低负荷调节性能略逊。溴化锂吸收式制冷机，根据其驱动热源的供应方式可分为蒸汽（热水）型和直燃型两类，一般来说，较适合利用发电厂或热电联产的余热蒸汽（热水）源，不宜采用商业市政供应的蒸汽（热水）源，更不宜采用专配锅炉为驱动热源供应蒸汽（热水）型冷水机组的形式。
（2）常规冷源系统设计原则
中小型医疗建筑，采用多台螺杆式制冷机均分的配置方式，数量一般以2至4台为好。大中型医疗建筑，尽量采用效率更高的离心式制冷机。由于医疗建筑通常会有较小负荷的空调运行情况，为保证系统的低负荷调节性能，一般在选用离心式制冷机的时候另外搭配1至2台螺杆式制冷机，对于螺杆式制冷机，其制冷能力为离心式制冷机的50%左右。如果采用1台螺杆式制冷机的额定制冷量偏大时，可采用2台螺杆式制冷机，其单台制冷能力为离心式制冷机的25%左右。
目前，还可以考虑变频式离心冷水机组。该种制冷机，即能扩大机组的部分负荷运行范围，又能达到良好的节能效果。可采用多台制冷量相同的离心式制冷机均分配置方式，其中一台（或全部）为变频式离心冷水机组。
（3）蓄冷空调系统
空调蓄冷技术，即是在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用制冷机制冷，利用蓄冷介质的显热或潜热特性，用一定方式将冷量存储起来。在电力负荷较高的白天，也就是用电高峰期，把存储的冷量释放出来，以满足建筑物空调或生产工艺的需要。应用蓄冷空调技术的意义：a.削峰填谷、平衡电力负荷；b.改善发电机组效率减少环境污染；c.减少装机容量，节省空调用户的电力花费；d.改善制冷机组运行效率；e.蓄冷空调系统特别适用于负荷比较集中、变化较大的场合；f.应用蓄冷空调技术，可扩大空调区域的使用面积；g.适合于应急设备所处的环境等。蓄冷系统大致可分为水蓄冷及冰蓄冷空调系统。
（4）常规冷源（风冷）形式
风冷热泵机组，适用于夏热冬冷地区峰值负荷不大，负荷变化率较大的中小型建筑，一般采用多台主机，空调系统全年运行时，宜采用热泵式机组，当同时需要供冷和供热时，宜选择四管制风冷热泵机组。
3.常规热源系统
（1）热源的种类
医院热源有蒸汽和热水两类，来源有市政热网、燃气（油）锅炉、电锅炉。当有市政热网供应的蒸汽或高温热水时，只需设置汽（水）－水热交换器即可，采用多台均分的配置方式，当一台停止工作时，剩余换热器的设计换热量应满足总热量的65%~70%，数量一般以2至4台为宜。没有市政热网供热时，一般采用燃气（油）锅炉作为热源。锅炉分为蒸汽锅炉和热水锅炉两类。
（2）系统设计原则
根据公共建筑节能设计标准，除厨房、洗衣、高温消毒、工艺性湿度控制等必须采用蒸汽的热负荷外，其他场合不应使用蒸汽锅炉。热水锅炉：建议采用自带换热器的热水锅炉，可不必再设水－水热交换器，空调水系统直接接驳其换热器的进出口即可使用。设计时，同样采用多台均分的的配置方式，数量一般以2～3台为好。空调热源还有一种形式是采用电锅炉。《公共建筑节能设计标准》GB 50189–2015对采用电锅炉作为空调热源有严格的条件限定。当空调系统的冷源采用空气（地）源热泵型冷（热）水机组、直燃型溴化锂吸收式冷（热）水机组、直接蒸发式的分体空调或直接蒸发式变制冷剂流量空调系统时，由于设备本身即可制冷也可制热，故无需再另外设置热源。
三、常用绿色节能方式
1.净化区域的几种节能方式
（1）变新风系统
根据规范手术室新风采用新风集中处理，处理后的新风送到各手术室的循环系统，这种净化空调系统的特点是，各手术室空调自成系统，可避免交叉感染，而且各手术室也可以灵活使用，新风集中控制有利于各手术室正压要求。间手术室停用时，为保证手术室的洁净度，要维持一定的正压值，这样必须有经处理的新风送入手术室，而送入的新风量与白天正常使用的量往往不一样，这样对新风机来说就存在二个不同的送风量。为降低能耗往往采用风机变频技术加以解决。
（2）新排风全热交换
新风预处理在能耗中占很大的比例，排风通过热交换器预处理新风达到节能的目的。为防止产生交叉感染，所以这个措施一般适用于低级别较低的洁净手术室。（标准病房的新风也采用）(3)Ⅰ级手术室二次回风系统
洁净手术室设计中，一次回风系统的再热耗能问题是一直存在的，而在Ⅰ级手术室中，送风量很大，如果继续采用一次回风系统，大风量的冷热抵消造成的能源浪费是不能接受的，因此，Ⅰ级手术室采用二次回风系统，在空调箱表冷段后再与回风混合一次来代替再热，这样可以在满足送风量得前提下，以达到节能的目的。
2.制冷主机的几种节能方式
（1）洁净手术部空调水系统及冷热源的优化选择
一般情况下医院都有蒸汽或热水锅炉，通过设置不同换热量和不同出水温度的板式换热器来满足不同使用功能的要求。洁净手术部冷冻水系统，有下列两种情况值得分析。其一冷冻水是从整个大系统中引出，这要求把和手术部使用情况一样的各功能用房的负荷合并，如血液病房、DSA房间、NICU房间等，设置一台仅满足此负荷的冷冻机在夏季和过渡季使用，冬季可使用板式换热器结合冷却塔来提供免费供冷，运行较为经济；制热则使用锅炉结合板式换热器的系统。系统全年供冷、供热同时存在满足手术室需要。其二采用四管制冷热水机组，即采用独立的空调冷热源系统，此系统是根据设计计算的空调冷热负荷选择不同制冷（热）量的机组，水系统完全独立，与整个医院的其他水系统分开（也可作为备用冷、热源）。
（2）四管制机组的运行能耗
四管制多功能冷热水机组的工作原理是冷热量的回收和综合利用，由压缩机、冷凝器、蒸发器、可变功能换热器等组成。采用二个独立回路的四管制水系统，冷冻水侧与蒸发器换热，热水侧与冷凝器换热，一年四季可实现五种运行模式（区别于热泵热回收机组）：
a.单制冷，可变功能换热器作为冷凝器散热；
b.单制热，可变功能换热器作为蒸发器吸热；
c.制冷+制热（设备微电脑调节自动平衡冷热量），可变功能换热器根据需求散热或者吸热；
d.空调制热加热回收器制热水；
e.热回收器单独制热水。
四管制冷热水机组，五种模式无缝联接，与末端冷热需求即时吻合。机组冷冻水供水温度范围7～15℃，热水供水温度范围26~60℃，安全运行环境温度范围-10～46℃。
从上述机组的工作原理中不难看出四管制机组的运行能耗和二管制机组差不多，依靠可变功能换热器能实现同时供冷水、供热水的功能，满足手术室制冷、制热、再加热这种特殊需求。因此对手术部采用独立冷、热源的系统来说其使用风冷热泵的运行方式时，其运行能耗会省。
（3）溶液除湿空调系统(温、湿度独立控制)
溶液调湿技术是采用具有调湿功能的盐溶液为工作介质，利用溶液的吸湿与放湿特性对空气含湿量进行控制。
新风处理：室外新风由外界提供的高温冷水预冷除湿后，进入溶液调湿单元除湿。低湿状态的新风与回风混合后由外界提供高温冷水对混风进行降温，达到送风状态点。溶液调湿：除湿单元内，溶液吸收新风中的水分后，浓度变小，为恢复吸收能力，稀溶液被送入再生单元使用新风进行再生，再生后的浓溶液再送入除湿单元，如此进行循环。
由于温度和湿度采用独立控制，避免常规系统中热湿联合处理带来的能耗损失；冷机制取高温冷水，蒸发温度提高，冷机COP可提高；溶液调湿系统处理湿负荷，高温冷机承担复核减少，冷冻水流量随之减少，降低了水系统输配能耗。可准确控制温湿度，避免出现室内湿度过高或过低现象。常规系统难以同时满足温、湿度参数的缺点得以解决，也可以满足不同房间热湿比不断变化的要求。目前没有资料证明经溶液处理过的新风对人体有害，也没有资料证明经溶液处理过的新风对人体无害。
（4）冷水机组冷水机组冷凝热回收
目前常用的冷凝热回收是冷凝器内有两组并联的冷却水盘管，其中一组盘管可以将热量传递给冷却水，再通过冷却塔释放到环境中；另一组盘管可以将热量回收用于生活热水供应。其热水回收温度一般为35~60℃，热回收率控制在10~100%之间。需考虑使用侧的不稳定性，在冷却塔盘管侧考虑100%的冷却能力，以保证机组正常运行。
（5）冷却塔免费制冷
冷却塔的免费制冷是指在冬季用冷却塔来替代冷冻机进行制冷。系统仅运行冷却塔和水泵，而冷冻机不开启，从而节约运行费用。