用于湿度优先控制的新风机组的探讨

医院环境控制有两类：一类是量大面广的一般科室如普通病房，只需季节性舒适空调；另一类是数量相对较少的有无菌与湿度控制要求的如手术室等关键科室，需全年空调，特别是湿度控制是保障无菌环境的关键因素。我国大型综合医院常采用集中式空调系统，由医院冷热源集中供给各功能科室空调所需的冷冻水与热水，这种是最典型的医院空调系统配置。但在运行中往往会出现一些问题：
1、为了保证关键科室湿度控制要求，在空调供冷工况下必须始终供给7℃（甚至更低）冷冻水。过去为了保证关键科室温湿度控制常常采用传统的一次回风再加热，现在为了节能又不得不采用二次回风。由于这些科室热湿比较小，使得空调机组所需控制的机器露点更低。
2、空调期间随室外气温下降，为保证绝大多数一般科室空调要求与节能需要，常常提高集中供给冷冻水的水温，客观上造成关键科室湿度超标。
3、大型医院的关键科室常常处于空调内区，当全年空调水系统转为供热工况时，关键科室内部分房间仍需供冷。即使*关闭供热水系统，房间温度仍超高。为此不得不采用四管制空调水系统，不符合空调节能要求。
4、大多数医院由于种种原因在供冷季节实际运行中系统冷冻水无法保证7℃供水温度，关键科室温湿度难以保证。尤其是采用溴化锂吸收式冷源的场所。
为便于控制医院一般科室与关键科室环境，提供系统能源利用效率，现在医院空调设计者改变了原有全院集中供冷的模式，或者将其分为两个系统供给，或者单独为关键科室配置空调冷热源。但对于既有医院建筑，采用这样的技术来改造供冷系统花费的人力太大。大多数医院不得不牺牲环境控制以维持系统原状。
本文依据《医院洁净手术部建筑技术规范》GB 50333-2002的要求，探讨在不改变医院原有的供冷（热）系统的前提下经济、有效的解决关键科室的温湿度控制，以及医院一般科室与关键科室对冷冻水供水温度需求矛盾。
1、新风机组
如上所述，医院一般科室与关键科室对冷冻水供水温度需求不同，是因为两者湿度控制的要求不同。为了避免采用因少数关键科室湿度控制而拉低整个医院冷冻水水温的耗能措施，只有将关键科室的新风进行深度处理以消除新风湿负荷，甚至可承担室内湿负荷，降低原末端机组处湿要求，才有可能使末端机组使用较高水温的冷冻水，这应是最简易、有效的方法。或者说，这种改造思路是将整个医院空调冷冻水温由一般科室环境控制要求来确定，关键科室通过新风深度处理解决室内温湿度控制。过去利用新风预处理概念， 提高了原有系统的湿度处理能力，以改善室内空气品质取得了成效。当时采用全热交换器、蒸发冷却、溶液除湿以及冷却去湿等技术措施提出了相应的专用新风机组，并进行了适用性的评价。

新风预处理概念被《医院洁净手术部建筑技术规范》所接受，并在其第7.1.1条规定手术部宜新风集中处理。目前手术部空调系统模式是由集中新风处理机组与手术室循环机组组成。但新风预处理又不*等同于新风集中处理。新风预处理主要目标是节能改造；新风集中处理的主要目标是消除新风中污染物与高温高湿的干扰，不仅保证手术室环境控制的要求，而且也易实现整个洁净手术部处于受控状态。本文探讨的新风处理机组，采用了直膨和水冷两个冷源，将新风预处理与新风集中处理两个概念结合在一起。

要使关键科室原有末端机组接受集中供冷系统的冷冻水，又要保证其医疗环境控制，必须将新风预处理到更低的露点，消除新风湿负荷，甚至承担室内湿负荷。由于医院关键科室较为分散，可安装新风预处理机组场所不大，相比之下，采用冷却除湿较为合适。如果设想的机组先充分利用系统的冷冻水对新风冷却去湿，然后使用另外设置的直膨式系统蒸发器再次去湿冷却达到所要求的的机器露点，最后利用自身冷凝器加热控制到所需的送风状态点，多于的冷凝水由机外风机冷凝器机组排出。这样，所设想的新风机组内设置两套盘管，第一套是水冷盘管，第二套是直接蒸发盘管。由于两个盘管冷量来源于两个不同的冷源，因此称为双冷源专用新风机组。
双冷源专用新风预处理系统结合了传统集中冷冻水系统和直膨式空调系统的特点，在医院节能运行中能达到单一冷源空调系统都无法达到的效果。本文以医院手术部的空调为例，从三个运行工况说明双冷源专用新风处理机组在医院原有集中供冷（热）的前提下，解决关键科室环境控制问题。
2、适用性分析
（1）夏季工况
新风集中处理已被洁净手术部所采用，只不过循环机组空气处理方式不同，这反映了如何确定新风集中处理的终状态点以及如何确定循环机组运行方式的不同观点与不同的技术措施。目前系统空调处理过程大致有以下五种：
1）一次回风再加热系统；
2）二次回风（旁通）系统；
3）新风加干盘管/无凝水系统；
4）系统层面上湿度优先控制系统；
5）集中新风加室内自循环系统。
尽管《医院洁净手术部建筑技术规范》一再强调湿度优先控制，之前洁净手术部大多套用的工业上传统恒温恒湿空调，即一次回风再加热。后来因节能需要又开始采用二次回风（旁通）系统，实施“湿度先行"自控系统。新风集中处理主要是消除新风负荷，以保持整个系统稳定。如果集中处理后新风承担了全部负荷，则循环机组无需热湿处理，简化为自循环机组。由于洁净手术室符合特点是：手术过程人员几乎没有变化，但手术电动器械与设备使用时间与数量变化很大。因此湿负荷相对稳定，热负荷变化较大。采用常规的“湿度先行"自控往往难于奏效。如果手术部集中送风能首先消除室内湿负荷，再靠循环机组控制室内显热负荷，这样就能从系统层面上实现了“湿度优先控制"。如果循环机组内盘管供水温度被始终控制在高于室内露点温度，则可实现干盘管运行。但是对于手术室来说由于室内处于无菌状态，不必像空气途径传染的隔离病房没有必要刻意维持干盘管运行，则可大大简化空调水系统。这种系统的关键是达到新风处理所需的机器露点或送风状态，由于双冷源专用新风处理机组利用二级冷却去湿，不管系统冷冻水温如何，均可十分方便的保证。与传统二次回风系统相比，“湿度优先控制"系统能以更低的能耗维持室内空气状态N在容许范围内。

新风集中处理二次回风（旁通）系统

干盘管处理系统  

湿度优先处理系统

有的工程公司从大多数医院的系统冷冻水温太高的实践出发，直接将冷冻除湿机设置在新风机组内，称为“抽湿"。见下图：

这种做法引起一些争论。新风先经水冷盘管降温去湿处理后进入该除湿机的蒸发器再进行除湿降温处理，后经该机的冷凝器进行等湿升温处理，原设想既可以把送风湿度降低到尽可能低，又可升高送风温度，最后送入循环机组进行等湿降温处理，既取消了再加热又实现了末端机组干盘管运行。本认为十分节能，但是实际运行存在控制问题，就达到同一露点来说，水冷盘管供冷量是由系统冷冻水温决定的，第二级蒸发器制冷量也随之变化，冷凝器发热量又随蒸发器制冷量而变化（大约1.3倍），因此经过冷凝器后的送风温度往往高于设计温度，不得不再设置二级水冷盘再冷却。但有时送风温度也会比设计温度低，则又需要设置电加热器再加热。从图中可以看出，系统结构复杂，由于系统存在反复再加热或再冷却，能耗反而大，且相应时间慢，控制不方便。相比来说，双冷源的专用新风机组，由于设置两个冷凝器可以较为方便的解决上述控制问题，首先控制新风经水冷盘管和蒸发器两级降温除湿达到所需的机器露点问题，消除系统全部湿负荷，再控制冷凝器加热量达到所需的送风温度，多余的热量由机外冷凝器排出。降低了循环机组等湿冷却的能耗，*可以使用较高水温的冷冻水，完成关键科室的环境控制。这样就可在不改变医院原有的供冷系统十分方便、有效的解决关键科室的温湿度控制。
（2）冬季工况
如上所述关键科室，如手术部常常会处于医院建筑的内区，在冬季空调水系统转为供热工况时，外区供热，内区仍需供冷。另外手术部在手术前由于没有热负荷需要进行供热，而当正常手术时又需要切换到供冷工况。为此在大型医院不得不采用四管制系统，不但造价昂贵，系统管路复杂，而且运行能耗大。现实中有些四管制空调由于无法解决冬天的冷源问题，导致冬天无法供冷，四管制形同虚设。如果设置了双冷源专用新风机组，在冬季工况下尽管水盘管中运行的是热水，直接蒸发盘管仍可处于制冷状态，在手术开始前，只需开启热水盘管，关闭直膨系统，对室外的空气进行加热加湿处理，室内的循环机组也对循环空气进行加热。当手术进行时，热水管关闭，再开启直接蒸发盘管，对新风进行制冷。利用直膨式的蒸发器和冷凝器总能保证集中处理新风稳定在某个状态点，这个状态使得新风能消除手术室内的设计热负荷，室内负荷的变化则由循环机组再加热解决。按照计算，对于手术室这个状态大约为12℃机器露点，无需同时供冷水和热水的四管制系统也能有效控制关键科室的温湿度。
（3）过渡季节工况
大多数医院一般科室是季节性空调，集中供冷系统在过渡季节是停止运行的，有的医院不得不开启一台冷水机组专门供关键科室，运行效率不高。有的医院专为关键科室单独设置小型冷热源，供给新风机组和循环机组。对于普通空调来说，在过渡季节由于气候转凉负荷减少，可以实施变新风量运行，利用新风冷量来实现节能。但是对于医院关键科室特别是手术室，由于需要严格的梯度压差控制，无法改变新风量。对于有湿度控制的关键科室，在加大新风量的同时，也就意味着将额外的湿负荷带入室内，尤其是沿海地区，加大了湿度控制难度。在南方过渡季节，温度不高、湿度偏大。特别是梅雨季节，采用二次回风空调系统的关键科室难以有效控制湿度。同样，如果在原系统增设了双冷源专用新风机组，只要运行直膨式系统，调节蒸发器的供冷量与冷凝器供热量，就可以有效实现温湿度的控制。
3、节能性分析
从上述分析中可知，采用双冷源新风处理机组，可在有效解决关键科室温湿度控制的前提下，不需要改变原来系统的结构，实施节能改造最简易的方法。在系统的能耗分析中，采用双冷源新风机组也可以达到节能的目的。
（1）采用双冷源新风机组，使得医院集中供冷系统可以一般科室要求提高冷冻水温，由于冷水机组的性能（COP）随供水温度升高而提高，一般来说，供冷水温度每提高1℃，节能8%～10%，节能效果相当可观。
（2）双冷源新风机组中充分利用了冷凝器的热量，避免消耗过多的再加热的能量。
（3）双冷源新风机组中直膨式蒸发器直接与空气进行换热，而不是传统的二次换热，换热效率大大提高，避免了二次换热引起的损失。
（4）采用双冷源新风机组，可以实施湿度优先控制，室内空气循环机组只需对空气进行降温、升温处理，需要的能源少。同时，末端机组可以使用温度较高的冷冻水。
除此之外，使用双冷源新风机组避免了对原有系统的大规模改造以及避免了原有系统在低效率工况下的运行情况，在一定程度上节约了能源。