1、湿度控制的重要性
不合适的空调在夏季制冷工况下常常会湿度超标。我国东南地区,空调室内的高湿度往往发生在非设计工况,这是由于非设计工况时室内的显热负荷降低,而潜热负荷变化不大,导致室内的热湿比减少,如果空调系统仅根据室内显热负荷来降低制冷量,就会降低系统的除湿能力。研究表明,在夏季系统满负荷运行时,室内相对湿度很少会超过70%,而在过渡季节,当系统部分负荷运行时,在某些月份室内相对湿度超过70%的时间高达80%,靠单纯的温度优先控制无法保证将室内相对湿度保持在60%的上限值以下。
有无菌要求的空间,其控制室内的相对湿度的意义在于能将细菌和病毒在空气中存活的时间控制在一个较短的范围内。而在空调环境范围内的温度变化对微生物生存能力和毒性的影响不是很明显。相对湿度对大多数微生物而言是一个重要的影响因素。将相对湿度控制在30%~60%之间就能够将大多数细菌和病毒的活力期控制在最小的时间范围内。对室内来说,相对湿度控制在50%左右是各种微生物生长的最不利环境。
2、手术部的空调系统模式
《规范》针对洁净手术室环境控制的特点提出了具体的空调系统模式。通常认为传统空调系统模式存在如下问题:
传统的空调对显热负荷和潜热负荷处理是耦合的,冷冻水不得不为了满足湿度处理要求而降低水温或加大水量。又因常常采用一次回风系统,温湿度变化范围很大的新风与室内瞬时变化的负荷易造成室内状态控制不稳定,尤其是新风比很大的场合。另外,当回风中微生物遇到高温高湿的新风也易繁殖滋生,运行实践也证明对微生物控制不利。
传统净化空调保障卫生的新风量与保证正压控制的补风量是耦合的。有时为了满足正压风量而加大了新风量,或者为了满足新风量保证正压差风量而加大了排风量。由于系统送风通路上与回风通路上空气过滤器级数不同,积尘速度不一,引起送、回风量的变化,造成区域内有序压力梯度失调。
传统净化空调系统对净化所需风量与热湿处理风量是耦合的。洁净度级别越高的系统两者风量相差越大,为了满足净化所需风量不得不减少了送风温差,或者说不同洁净度级别房间送风状态点不同。医院空调系统多以功能区域划分,因此区域内不同洁净度级别的房间难以组合在一个系统。另外,庞大的空调箱与硕大的风管也难以适用医用场所。
为了解决以上这些常见的耦合问题,更有效的控制手术环境,《规范》特别规定:手术部新风宜集中处理,Ⅰ级、Ⅱ级洁净手术室采用独立设置的净化空调机组;Ⅲ级、Ⅳ级洁净手术室允许2~3间合用一个系统。手术部中的洁净手术室与辅助用房分开设置。
依据《规范》以上思路,手术部空调系统模式由集中新风处理机组与手术室循环机组组成。由于新风集中处理,取消了一次回风,加强二次(或旁通)回风。但是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有不同观点与不同的技术措施。
《规范》强调手术室合适的温湿度控制,提出湿度优先控制理念。高湿度诱发生物性污染,将相对湿度控制在50%左右就是将微生物控制在最不利环境,或者说实现无菌环境的关键之一就是湿度控制。这样就可将手术室微生物控制简化为湿度控制的概念。提出了“余湿是污染物"的理念,受到“新风任务就是消除污染"的传统思路启发,手术室室内状态可以由通风与空调两个系统实现。这样的新风处理不再是将新风处理到不会干扰室内的状态,即室内焓值点。而要求新风处理到更低的焓值,消除室内余湿。由于新风集中处理后应输入到整个手术部的各个手术室循环机组,因此要求新风处理终状态对整个手术部各个手术室是一个公共点,并且是稳定的。这种将新风处理到公共点的做法在实际工程中已有应用,比如对舒适性空调,由于各室内状态是类同的,所以独立新风常处理到室内状态的焓值点,由循环机组承担室内热湿负荷,这是最典型的系统处理模式;又如对于工业车间,因其室内发湿量占发热量的比例很小,或者说热湿比线基本上是垂直的,新风常集中处理到室内状态的露点,室内循环机组只处理显热负荷,特别对洁净厂房这是典型的控制模式。可见以上是新风zui常用的两个处理终状态点:室内状态的焓值点和室内状态的露点。
需要注意的是,对于手术室来说,由于室内人员较多,热湿比较小,没有必要推广干盘管或无凝水空调。空气途径传染的隔离病房是一个特例,因为隔离病房前后有污染走廊与清洁走廊,没有外窗,没有瞬变负荷,或者说各室热湿负荷稳定,这就保证了集中处理新风存在一个公共终状态点。另外室内状态控制精度也不高。由于室内有空气途径传染的病菌,为*消除盘管表面和凝水盘等处的滋菌隐患,必须强调循环机组无凝水。为此开发了温差小、显热换热量大的专用无凝水机组,并由大焓差的专用新风机组承担所有湿负荷。此外,为了保证循环机组干工况运行,必须随时控制盘管表面温度高于室内露点温度。
3、手术室湿度优先控制
《规范》一再强调手术室环境不是恒温恒湿的控制,而是“湿度优先控制"。但是往往被误读,在实施过程中常常将“湿度优先控制"误解为单纯的自控概念。不同类型的手术室,手术过程中医护人员的数量几乎没有变化,但手术电动器械或设备使用时间与数量变化很大。这反映了手术室负荷的一个明显特点:即湿负荷相对稳定,而热负荷瞬时变化较大。可见对于这种负荷特性,采用常规的“湿度先行"自控往往难于奏效。如果手术部集中处理后的新风能从系统层面上首先消除室内湿负荷,然后再靠循环机组控制室内显热负荷,这就是《规范》推荐的“湿度优先控制"思路。
对手术室空调系统来说新风是最大的无常热湿负荷,尤其是阴雨与高湿天气的新风对系统的湿度影响不容忽视。按照“湿度优先处理"的思路,集中处理新风不仅要先消除自身的高湿量,而且还要承担系统的湿负荷,由于新风中几乎不含致病菌,因此整个除湿过程应该在新风集中处理过程中解决。或者说集中处理的新风应该承担整个系统的余湿量。从这个思路出发,新风的量与处理终状态参数应由室内湿负荷确定,并保持相对稳定,就能保证室内湿负荷优先被新风带走,就能稳定室内温湿度控制。可见,“湿度优先控制"是一个系统层面上的概念,而非单纯的自控的概念。它是指系统优先集中进行湿度处理,控制送风的含湿量以达到控制室内相对湿度的目的。湿度优先控制的出发点有两个:一是防止室内相对湿度过高,有效控制室内微生物污染;二是降低循环机组系统二次污染的风险,保证室内送风的量与质。由于手术室是一个无菌空间,这样的湿度优先控制对手术室应该是适度控制而不是严格控制。这种“湿度优先控制"的系统模式实际上强化了新风机组,不仅夏季承担降温去湿作用,而且冬季承担升温增湿效用。同时弱化了循环机组作用,仅仅成为温度控制的空调机组。这不但对无菌环境控制十分有利,而且也简化了控制。在整个过程中,将被调节房间内的湿度控制和温度控制解耦。使得集中处理的新风分别送入每个房间,并实现双位控制,手术时送入保障卫生的新风量;无人时保证正压所需的补风量,使得两者解耦。由于循环机组风量可由各手术室洁净度级别确定,与整个手术部的系统无关,将各室净化所需风量与新风热湿处理风量解耦,将整个手术部处于受控状态。
“湿度优先控制"不同于目前手术部套用的工业上传统恒温恒湿空调的湿度先行控制,它是弱化新风机组而强化循环机组。或者说将控制重点放在循环机组,循环机组配备了冷却除湿和加热加湿的功能组件,靠循环机组的自控实现湿度先行的功能。这种传统的湿度先行控制只是在自控层面上的湿度信号先行控制而非系统层面上的湿度优先控制。依据运行中室内的温、湿度传感器的信号,先行处理湿度信号,调节系统机器露点,再处理温度信号调节再热量,以达到室内状态的控制。这是zui传统、zui可靠、zui成熟,但也最耗能的控制。“湿度优先控制"理念也不同于隔离病房的无凝水空调。隔离病房的空调强调循环机组保持无凝水状态,这对室内致病菌控制十分重要。为保持无凝水状态,空调控制的重点仍在循环机组,特别是水系统的复杂控制。手术室内瞬变的显热负荷较多,有时变化幅度较大,如果仍要保持无凝水状态,必须采用进水水温较高的冷冻水,对室内瞬变负荷的反应速度不快。而且手术室是无菌空间,没有必要刻意保持循环机组无凝水状态,因此在湿度优先控制的系统模式中,循环机组仍应直接采用7℃冷冻水,在室内仍作温度控制,大大简化了水系统。“湿度优先控制"并非由集中处理新风承担室内全部热湿负荷,从理论上讲,似乎集中处理新风全部承担各室的热湿负荷zui合理,系统控制zui简单,各循环机组无需再作热湿处理,只需要根据室内洁净度要求(或换气次数要求)确定其循环风量,这时新风处理的终状态应为室内热湿比与95%相对湿度线的交点。见下图。
一些国外公司使用的手术室自循环吊顶机组,就是利用这个原理。但是实际上手术部内各手术室的热湿比是不同的,如果差异很大,那如何确定这集中处理新风的公共终状态点?即使各室的热湿比相差不大,运行中各室的热湿比均在变化,为保持室内状态,自控系统必须使新风处理终状态点也随之变化,那么如何不断的调节新风处理到新的公共状态点?如调节不当会导致各室内状态难以控制。可见以上各手术室的温湿度控制*由一个集中处理全新风系统承担,在实际工程中是难以实现的,尤其是我国的东南高温高湿地区。一般恒温恒湿机组新风比只能在10%以内才能完成室内温湿度控制。国外公司手术室自循环吊顶机组到实施时也不得不利用一次回风来处理室内热湿负荷,实际上变成二次回风系统,而自循环吊顶机组只是完成二次回风。
4、手术室湿度优先控制实现
如上所述,“湿度优先控制"的出发点和目的都是控制室内微生物污染,同时保证室内舒适性和降低系统能耗。“湿度优先控制"理念只适用于特定的场合。实现“湿度优先控制"这个理念必须有三点必要条件:一是对系统内各室均合适的新风集中处理终状态点;二是允许偏差较大的室内湿度控制范围;三是较大的最小新风量,能带走室内湿负荷。为此必须对洁净手术部作如下分析。对于Ⅰ级、Ⅱ级手术室,相对湿度的控制范围为40%~60%,新风量分别为1000m3/h与800m3/h,而Ⅲ级、Ⅳ级手术室,相对湿度的控制范围可扩展到35%~60%,新风量分别为800m3/h与600m3/h,因此第二、第三个条件可以满足。而无论是由室外空气状态变化还是由内部热源变化引起的室内热负荷变化,只要手术室内的湿负荷稳定,并由系统控制住新风处理的机器露点温度,就能保证室内空气的含湿量。对于有无菌要求的室内,湿度控制范围在夏季工况可推荐为上限值控制,一旦控制住上限,下限也是很容易控制的,因为对于采用冷却去湿的空调系统,在空调夏季工况时一般难于使室内湿度低于40%。对于控制系统来说,不需要在被调节空间内再单独的设置湿度传感器对系统进行除湿量调节,这样控制过程变得相对简单可靠。
那么要实现“湿度优先控制"这个理念,关键在于手术部是否存在一个集中处理新风的公共终状态点呢?对于一个手术部,由于各个手术室内的是负荷以及所需的新风量是不同的,因此对送风含湿量的要求也是不同的。在确定系统的除湿能力时,必须计算每个房间所需的送风含湿量,并选择zui低送风含湿量作为系统新风处理后的状态。
洁净手术室的湿负荷主要由医护人员散湿构成,散湿量按照24℃下轻度劳动时的散湿量为106g/h计算,群集系统取0.91。洁净手术室内的医护人员数和新风量根据手术级别而定,新风送风的机器露点温度也有所不同。见下表。
由此可见,手术部不同级别洁净手术室要求的集中处理新风送风露点温度很接近,或者说对于手术部新风处理有一个公共终状态点。当室内干球温度不变,室内相对湿度从50%上升到55%时,新风露点温度上升1.6℃左右,使得常规新风机组更容易对新风进行处理,不需要更低温的冷冻水。这是因为手术室新风量大大高于一般舒适性空调,单位新风除湿量不会非常大的缘故。同样,如果手术人员散湿量按照167g/h计算,也存在一个公共状态点。因此湿度优先控制的技术可以替代传统的恒温恒湿冗余控制。
为了节能,目前Ⅰ级、Ⅱ级洁净手术室常常采用新风集中处理(L1)、循环机组独立处理(L2)二次回风(C)替代传统的一次回风再加热系统。见下图。但实际工程中靠二次回风阀调节送风状态点O难以完成,常常采用固定二次回风比,靠再加热来调节。其控制思路:当设计工况再加热量为零,当室内显热负荷变小时,靠加大再加热量去补偿变小的负荷,循环机组处理室内显热负荷至M,混合至送风状态点O。见下图。其控制思路:当设计工况再冷却量为最大,当室内显热负荷变小时,靠减少再加冷却量去补偿变小负荷,以维持送风状态稳定。两者相比,可见“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系统
湿度优先处理系统