刘燕敏-手术室节能

手术室空调节能技术

运用与实践同济大学刘燕敏教授liuyanmin@2012.07手术室环境控制特点手术室空调整体节能策略与实践国外医院手术室建设标准手术环境控制特点1)

我国医院建设快速发展，大量新建、改建的专科或综合性医院都配置了高标准的手术室；2)洁净手术部室全年无菌与温湿度控制，是医院典型的高能耗部门（约占医院空调总能耗的30%）；3)更合理、更可靠、更有效的手术室空调系统的整体节能策略。手术部建筑特点：洁净手术室基本处于内区洁净手术室通常双走廊平面布局。手术部空调手术部夏季空调：一次回风全空气形式用低温的冷冻水通过换热盘管将空气进行冷却去湿，再用再加热的方式保证送风温度。全年需要制冷+制热手术环境控制特点手术部空调能耗特点：洁净手术室室内负荷比重大设备、照明和人员热负荷常年占绝大部分比重手术部冬季空调：在手术室工作前室内热负荷很小，需进行供热工况；在正常手术后，随着设备、照明和人员热负荷的增大，空调系统又需制冷工况。净化空调机组管网系统空调冷热源运行控制系统手术室空调整体节能策略传统方案：冷热源：

风冷热泵机组+电加热 or冷水机组+锅炉水系统：

四管制or二管制风系统：洁净空调箱+再加热 (电加

热,热水盘管)洁净手术部空调系统冷水机组电加热或热水盘管锅炉风冷热泵机组传统手术室冷热源分开设置洁净手术部空调系统--冷热源锅炉消耗气/油/电冷水机组消耗电/气排出废热排出废热烟气同时使用冷冻机与锅炉/电加热，造成冷热抵消，系统效率低，是对能源的粗放式利用,同时排出大量废热.冷源,热源分开独立，系统复杂；冷热源常规方案效率较低，传统风冷制冷制热能效在3.0左右。手术室空调冷热水来自于医院的冷热源系统：把与手术室使用情况相近的各功能用房（如ICU,急诊等）合并为1个系统。制冷工况：设置一台仅满足这些负荷的冷冻机在夏季使用；过渡季、冬季工况；使用板式换热器结合冷却塔免费供冷(冷回收)；制热工况：使用锅炉结合板式换热器的系统。这样全年供冷、供热同时存在，能满足手术室的需要。洁净手术部空调--冷热源手术室空调冷热水独立于医院的冷热源系统：把与手术室使用情况相近的各功能用房（如ICU,急诊等）合并为1个系统。采用四管制冷热水机组和独立的空调冷热源系统。根据手术室系统的空调冷热负荷选择制冷（热）量的机组，水系统完全独立，与整个医院的水系统分开。节能运行模式1----热回收或冷回收：节能运行模式2----同时热回收和冷回收：1.部分热回收Text广义热回收仅回收热冷热都回收2.全部热回收四管制多功能热泵机（冷热源一体机）1.同时利用制冷循环的冷端和热端，高效节能；2.空调系统大为简化，占地面积小，可以有效减少甚至取消锅炉；3.全年任何季节都能单制冷，单供热或同时制冷、供热。同时供冷,供暖,生活热水,恒温恒湿…

4.机组自适应智能、动态平衡冷、热需求。空气源热泵热回收机组：除了夏季制冷、冬季供热外，在夏季制冷的同时能部分或全部进行热回收提供热水。热泵机组的热回收与冷回收全年可实现5种工况运行：空调单制冷夏季只供冷冻水，相当于普通水(风)冷冷水机组空调单制热冬季只供热水，相当于普通水(空气)源热泵机组空调制冷+热回收器制热水（无需外置设备自动平衡冷热量，）空调制热+热回收器制热水热回收器单独制热水同时制冷制热风扇-翅片换热器——在蒸发器功能和冷凝器功能之间进行切换，进行冷热量调节冷冻水

热水

液气分离器储液罐冷凝器压缩机蒸发器冷凝器手术室四管制多功能热泵机组要求1.合理规划医院耗能，平衡各种功能科室（部）的供冷量和供热量，而不是简单抑制需求；要求2.将医院蒸汽用量减到最少，直接供热水。同时满足洁净空调箱“冷冻去湿+再加热”要求，达到洁净手术室恒温恒湿的要求，实现节能。

制冷+制热冷热量自动平衡，全年同时供冷水和热水，效率可达普通机组2倍。手术室四管制多功能热泵机组夏季或江南地区的梅雨季:湿度大，再热量大，多功能热泵机组能在制冷的同时回收冷凝热，免费提供热水和用于洁净空调箱的再加热，对于四管制水系统，解决了在梅雨季和夏季运行锅炉的冷热抵消等费能问题。冬季:手术室刚开始启用时室内无余热，此时为了达到室内温度，循环空调箱需供热；待手术进行后，手术室内设备、照明和人员有余热产生，循环空调箱应制冷才能维持规定的室内温度；采用了多功能热泵机组即使在冬季，机组也能制冷，此时的冷量是在机组供热的同时进行冷回收，免费提供空调冷量，真正实现一机多用的节能运行。多功能热泵机组特点案例1南通大学附属医院影像中心2.8万m2综合病房楼6.1万m2YourText高精度医疗设备，需要恒温恒湿的环境，空调系统配备恒温恒湿空调箱设备发热量大，全年产生冷负荷，即全年同时需要冷热源多功能热泵机组洁净手术室:风量大、温湿度要求高，全年同时需供冷供热病房区:舒适性空调，卫生热水需求多功能热泵机组热回收机组系统主要设备多功能热泵机组四管制空调箱蓄热水箱部分热回收机组南通大学附属医院急症中心和影像中心多功能热泵机组为恒温恒湿空调箱提供冷水和热水，富裕冷水提供给大楼空调部分热回收机组给大楼其它区域提供空调冷水，并热回收为急症中心提供卫生热水夏季冬季多功能热泵机组为恒温恒湿空调箱提供冷水和热水，富裕热水提供给大楼空调部分热回收机组给大楼其它区域提供空调热水，并热回收为急症中心提供卫生热水春秋多功能热泵机组为恒温恒湿空调箱提供冷水和热水部分热回收机组停止运行，热水由医院原有集中热水系统提供运行模式南通大学附属医院冷热源设备配置恒温恒湿控制区域：多功能热泵机1台其他区域：部分热回收2台病房区域：部分热回收2台手术区域：多功能热泵机1台冷热源分开：若采用普通风冷热泵加风冷单冷机组（冬季供冷）加燃气热水锅炉作为冷热源。费用

初投资 264万元（冷热源）年运行费用 170万元大楼

影像中心急症中心初投资280万元（冷热源）年运行费用 140万元综合大楼（电费1元/度）年运行费用 355万元

冷热源一体机比冷热源分开的系统年运行费用节省：45万元/年两种冷热源方案比较2007年9月投资3.2亿元建造新病房大楼。新大楼共12层(地下2层)；

功能：病房、洁净手术室、部分医技科室，地下停车；15间洁净手术室、ICU病房及中心供应室共约2000平方米，采用四管多功能热泵机2台； --夏季：为保证室内温湿度，给四管制空调箱新风机组提供冷水和热水，以制冷为主，部分热水用于再热，多余热水供应给其他洗浴用，通过翅片冷凝器来平衡机组冷、热需求； --冬季：开始以热水为主，在手术室设备开启1个小时左右，给四管制空调箱同时供冷水，维持室内温湿度需求，多余热水供给普通病房用； --过渡季节：供冷量介于冬、夏之间，常规开启1台多功能热泵机；案例2、上海浦东新区人民医院

洁净手术室、ICU病房、中心供应室上海浦东新区人民医院

洁净手术室、ICU病房、中心供应室

方案1方案2多功能热泵机全年制冷冷水机组+燃气锅炉CSRAN2202-Q-XCSRH2001C-YM.PREX930数量(台)222单制冷量(kW)709.8707.6--单制热量(kW)943.5--930初总投资(元)16100007000006200001320000运行费用(元)67601045456210114101465972收益分析0.37年两种冷热源方案比较多功能热泵机组比常规方案运行费用省近79万元/年,不到半年可收回初期投资(29万)一般四管制四管制多功能热泵区别冷热源

分设热源、冷源热冷源一体水管布置末端：4根空调水管

另布生活用水管末端：2根空调用水管外加2根生活用水管水温确定供冷供热水温同时供热水水温相同分别供冷供热确定水温运行模式夏季（四通阀转换）

1)主路单独供冷

2)主路供冷+副路供热冬季（四通阀转换）1)主路单独供热

2)主路供热+副路供冷夏季（调节平衡）

1)主路单独供冷

2)主路供冷+副路供热水

3)副路单独供应热水冬季（调节平衡）

1)主路单独供热

2)主副回路同时供热+供热水

3)副路单独供应热水手术室管网比较目前洁净手术部通常采用的系统：

新风集中处理+室内空气处理机组根据室内空调机组方式,大致有4种处理过程：二次回风（旁通）系统一次回风系统新风加干盘管/无凝水系统空调风加自循环系统如何满足手术环境的感染控制

实现有效的、简易的、节能的系统？手术室空调系统—空调处理方案某三甲手术室应用实例I级洁净手术室面积56m2,高度3m,（装备有麻醉机,呼吸机,电刀等医疗设备）手术室人员12人，手术室设在三层，上层为技术夹层。洁净手术室要求：温度T=24±1℃，相对湿度φ=55±5%，空调负荷：总冷负荷Q=17.8kW（室内冷负荷7.2kW,新风负荷10.6kW）总湿负荷d=2.3Kg/h根据《医院洁净手术部建筑技术规范》（50333-2002），I级洁净手术室最小新风量为1000m3/h，手术室控制区2.6×2.4m2, 送风量12000m3/h。

正压风量500m3/h，

排风量500m3/h。

某三甲手术室应用实例各手术室空调自成系统,避免交叉感染,使用灵活新风集中控制；排风独立，并且与手术室自动门连锁；手术室始终处于正压受控状态。一次回风+再热不能同时供冷供热冷热能耗互相“抵消”为确保医院手术室安全、可靠运行，空调箱内增加电加热，以满足手术室在不同季节、不同工况下运行，造成一定的能源浪费。某三甲手术室应用实例传统方案多功能热泵机组采用2个独立回路的四管制水系统来同时提供冷水和热水，并通过水系统上阀门的切换即可将冷热量分配到所需空调箱，同一台机组即可实现传统方式中两套设备才能达到的功能，实现冷热量的综合利用。这样彻底解决了手术室冷热量互相“抵消”的废能问题。多功能热泵+一次回风解决方案某三甲手术室应用实例对I级洁净手术室节能分析一间I级洁净手术室理论节能可达约26.8kW以一家三甲医院洁净手术部（20间洁净手术室）为例，洁净手术室再加热能量约200kW，一年可节约36万

kW用电量；洁净手术部冷热源采用多功能热泵机组，比传统的热泵机组节能约30%。结论某三甲手术室应用实例通过几年的实际运行，收到很好的节能效果。除了考虑降低空调设备总造价，还应关注能耗、运行费用等问题，不能因多功能热泵机组造价略高而放弃采用。优化的手术室空调系统使每间手术室的空调和正压两大系统分离，又能将整个功能区域联系在一起，灵活简便节能有效。新风独立处理，消除新风污染物与热湿干扰取消一次回风，采用二次回风（或旁通）取消再加热，设置室内循环机组，再冷却(加热)独立排风手术室空调系统—空调处理方案手术室新风空调机双冷源+双冷凝器专用新风机组手术室空调系统—新风机组新风预冷+新风再冷=低露点消除新风湿负荷承担室内湿负荷部分冷凝热代替电再热多余冷凝热由外机冷凝器排出(集中冷冻水)(直膨式冷剂)对于过渡季节设置独立冷热源的场合:---同样提高集中冷冻供水水温，为关键科室保证其医疗环境控制，将新风预处理到所需的露点，也要求设置设计时就采用双冷源专用新风机组，只不过是两个不同冷源的水盘管。夏季工况时，新风机组先充分利用系统的冷冻水对新风冷却去湿，然后再使用独立设置的冷热源的冷冻水系统蒸发器再次冷却去湿达到所要求的机器露点。手术室空调系统—新风机组手术室新风空调机双冷源专用新风机组夏季设计状态--新风吸入：部分新风用来冷却压縮机，被排风排出；

另外部分新风与一次回风混合,经蒸发器冷却,由送风段冷凝器再热到送风状态点,送入室内.--室内回风：部分回风与新风混合，

另外部分回风作排风，冷却排风段冷凝器，充分利用排风冷量。如果空调露点送风，可根据要求将冷凝热全部由排风段冷凝器排出，

送风段冷凝器不作用。1回风口2控制器3回风过滤器4排风阀5排风机6排风冷凝器7排风口8送风口9再热冷凝器10送风机11加湿器12蒸发器13回风阀14新风阀15旁通阀16压缩机17新风过滤器18新风口手术室组合空调机手术室空调机组的节能优化排风冷凝器送风冷凝器冬季设计状态--新风吸入：部分新风冷却压縮机后温度升高排出到排风段冷凝器（此时转化成蒸发器吸热），吸收排风中压縮机的热量；

另外部分新风与一次回风混合，此时蒸发器转化成冷凝器，加热送风至送风状态点，送入室内。

（送风段冷凝器转化成蒸发器，可以不起作用，全部由排风段蒸发器吸收热量。也可以起部分作用，调节送风状态点。）--室内回风：部分回风与新风混合，

另外部分回风作排风,加热排风段蒸发器,利用排风热量。过渡季节

靠阀门调节新风比

调节两个冷凝器的排热比

实现最佳运行工况手术室空调机组的节能优化控制思路的优化：与手术室内热、湿负荷特点有关；传统思路：自控系统的湿度传感器控制机器露点,温度传感器控制再加热，湿度信号优先执行（控制不稳定、费能）优化控制思路：优先消除稳定的湿负荷，再控制波动的热负荷（控制稳定、节能）双参数控制转换成单参数控制；从系统上而不是信号处理上保障了优先控制；控制措施重点从循环机组转为新风机组；空调机组与冷热源节能控制；将洁净手术部实现受控状态与湿度优先控制结合起来,形成有效的节能的系统控制。手术室空调系统控制空调系统不合理控制：费钱费能（频繁调节故障多）

费事无能（被控参数不稳定）手术室空调系统控制压力控制优化室内正压与围护结构严密和差值风量有关：传统思路：用压差传感器控制变风量阀(控制不稳定,费能)优化思路：压差值控制转换成差值风量控制(控制稳定,节能）变风量控制转换成定风量控制模拟信号转换成数字信号湿度优先控制洁净手术室负荷特点：手术过程人员几乎无变化，湿负荷相对稳定；手术电动器械与设备使用时间与数量变化很大，热负荷变化较大；系统控制思路：新风带走全部湿负荷，风量与送风状态不变，实现湿度优先控制；室内热负荷变化由循环机组承担,确保室内状态。简易、有效实现受控状态手术部始终处于受控状态，即维持整个手术部有序的梯度压力分布，不受某洁净手术室停开而影响，不破坏各房之间的定向气流。手术室空调系统控制有效的环境控制原则合适的气流控制合理的设计参数医院标准的适用性国外医院手术室建设标准国外医院手术部建设标准国家标准《医院洁净手术部建筑技术规范》已经顺利实施10年，目前正在进行修编,年底将正式颁布。经修订编制组多年的努力，已完成了国外医院标准最新版本的收集、翻译与校对工作，其中包括美国、德国、法国、俄罗斯、日本、瑞典等国家的9部医院标准，现已完成编辑与出版《国外医院建设标准译文选编》。适合工程设计、施工、管理与咨询、投资建设、招投标、项目管理人员及其医院业务主管部门的人员使用，也对高校、科研单位、设计院、工程公司、生产厂商、施工与维保单位等有积极参考价值。

《国外医院建设标准译文选编》

----设定合理的设计参数合理设定医疗场所要求的无菌水平，温湿度，压力控制值，换气次数等参数就是降低负荷（尤其是生物负荷），有利于降低整个系统能耗。——将关键区域的含尘（悬浮菌）浓度维持在限定的范围内（除菌与消毒：三级过滤）——维持室内各项所需的参数（空调控制：尤其湿度控制）——合适流型与有效气流组织抑制、稀释与排除室内尘菌（气流控制：大风量）——受控区域，维持各房间的之间的正压气流流量和流向。（压差控制：补风量大）最有效的气流分布形式应是送风气流从天棚垂直下送，经两侧墙上均布的回风口排出。可用较小的风量达到较好的效果。

采用低紊乱度的置换流技术来替代层流，降低断面风速与送风量,动态下维持置换流。采用局部垂直置换流送风，提高送风装置隔离效果和抗干扰性能。《国外医院建设标准译文选编》

------采用合适的气流控制提高入室新风品质与气流分布，提高新风稀释效应，非提高新风量；冗余适度控制，非过度控制；局部送风技术，非全室净化；局部排风技术，非全室排风；湿度优先控制，非恒温恒湿控制；系统优先，非过分依赖自控；利用预测技术优化设计，非滞后调节。《国外医院建设标准译文选