热管换热器如何应用到洁净手术室空调系统中?华东院总工图文讲解

2021-10-14 访问量:59

热管换热器如何应用到洁净手术室空调系统中?华东院总工图文讲解

医院净化空调系统具有负荷大、负荷稳定、通风量由洁净度决定、温湿度控制要求等特点。传统的净化空调系统是一次回风系统。为了控制温度和湿度,送风经过表面冷却器后需要重新加热,这会造成一定的能量损失。为降低医院净化空调系统的能耗,可采用热管换热器对混合送风进行预冷,同时对通过地表后的低温送风进行预热。冷却器以减少再加热能耗。本文采用一级洁净手术室(尺寸5.7 m×7. 5 m) 以一次回风再热系统和热管换热器辅助电加热空调系统为例进行对比分析。能源消耗。

热管的工作原理及技术特点

热管由蒸发段、绝热段和冷凝段三部分组成,其结构如图1所示。当热管一端受热时,灯芯内的液体迅速吸收外界热量汽化,在轻微的压差作用下流向热管的另一端,向外释放热量,凝结成液体。液体被附着的金属网的毛细管吸入。力返回加热段,被加热再次汽化。在这个连续循环中,热量从热管的一端传递到另一端。由于热管是利用工作流体的相变来传递热量,内部热阻小,

洁净手术室空调系统形式及能耗分析

医院洁净手术室分为四个等级,不同等级的洁净手术室设计参数有一定的差异。以一级洁净手术室为例,基本参数如表1所示。

(1)手术室负荷分析

手术室空调负荷主要包括人员负荷、照明负荷、设备负荷、围护结构负荷、手术室潮湿表面形成的潜热负荷和新风负荷。

不同层次的手术室有不同的人数。轻体力劳动与极轻体力劳动的比例为1:2、聚类系数为0.92。手术室室温24℃时,感温负荷67.6W/人,散湿量为118.5g/(人·h)。

手术室使用荧光灯作为照明灯具。根据GB50034-2013《建筑照明设计规范》,照度为750lx,安装功率相当于25W/m2。由此产生的照明散热量约为20W/m2。

手术室的设备负荷一般应根据医院提供的信息或采用系数法计算。由于手术室热负荷不稳定,根据经验,其配置功率及计算值如表2所示。 一般而言,Ⅰ级和Ⅱ级手术室可乘以同时系数使用0.8,按表2计算值之和,Ⅲ、Ⅳ级手术室同时使用系数取0.6。

由于手术室一般位于内部区域,围护结构上的载荷较小,可以忽略不计。

手术室湿面的大小因手术类型而异。参考相关文献资料。湿地面积0.7 m2,地表温度40℃。经计算,手术室潮湿表面的水分为1022.3g/h,由此产生的潜热负荷为688.6W。

表3显示了该一级手术室的负荷统计。

(2)手术室风量

手术室送风量符合GB50333-2013《医院洁净手术室建设技术规范》第一条、第一条和7.2.第一条的规定。计算换气次数和对送风口面积的要求。一级手术室,按规范要求,出风口最小面积6.24㎡,手术台工作面高度断面平均风速0.20~0.25 m/s,考虑到风速的衰减,根据经验,出风口风速应0.4m/s,总风量供应量约为9000m3/h。

按照规定要求,一级手术室的最小新风量为15-20m3/(m2·h)。若取20m3/(m2·h),则手术室新风量Lx为855m3/h。

(3)手术室空气处理方式选择及能耗

研究表明,空调环境内的温度变化对微生物的生存能力和毒性的影响不是很明显,而相对湿度是影响微生物生长的重要因素。因此,与传统的舒适空调系统不同,洁净手术室空调系统采用了湿度优先、温湿度控制的控制策略。

如果只控制室温,当房间的热湿负荷变化时,房间内的相对湿度会发生漂移,不利于微生物的控制。由于手术室热负荷通常波动较大,而湿负荷相对稳定,室内送风状态点应根据风量和湿负荷确定,采用再热方式控制室内温度。目前工程上普遍采用电加热方式。

在常规的一次回风系统中,高湿新风与回风混合,有利于回风中微生物的生长繁殖。因此,根据GB5033-2013《医院洁净手术室建设技术规范》,洁净手术室的新风通常集中处理后送至各手术室,新风需处理到比焓低的室内状态点,以消除室内负荷。

在理想的处理过程中,新风应带走室内的湿负荷,手术室的循环机组只处理室内的热负荷。但是,新风需要处理到热湿比线与机器露点相交的点,甚至更低的温度。以上述Ⅰ级手术室为例,新风需在9℃以下处理,很难达到常用的7℃/12℃供回水温度。因此,新风通常被处理到室内露点状态,手术室的室内湿负荷由循环机组处理。

室缺手术是大手术吗_手术室净化系统_层流手术室的净化原理

循环机组处理方式可分为二次回风(见图2)和一次回风(见图3))。一次回风处理方式为:新风处理至室内露点L1然后在循环单元中与回风混合到C点,然后处理到L2点,然后在送风状态下加热到O点。

二次回风更节能。新风集中至L1点,循环风独立处理至L2点,与二次回风混合至C点,再与新风混合至送风状态O点。在实际工程中,二次回风阀的供气状态O点调整难度较大,工程中很少使用。

因此,本文以回风为例来研究洁净手术室的能耗。对于上述一级手术室,为了达到送风状态点,送风需要经过表面冷却器冷却后重新加热手术室净化系统,这是很大的能源浪费。但系统简单,易于控制。对于回风处理工艺,计算表冷却器的制冷量QC和电加热量QR分别为27.27和25.54kW。

热管换热器在洁净手术室空调系统中的应用

为降低洁净手术室一次回风系统的能耗,在循环机组表面冷却器两侧安装热管换热器。安装原理图如图4所示,热管换热器的蒸发段置于表面冷却器之前,冷凝段置于表面冷却器之后。新风与回风混合过滤后,首先通过热管换热器的蒸发段,内部工质蒸发并吸收空气的热量,对送风进行预冷。预冷的送风经表面冷却器冷却除湿后,通过热管换热器的冷凝段。热管内的工质冷凝放热,供气被预热。然后通过空调箱的电加热段,进一步加热到送风点送入室内。

在整个过程中,热管换热器利用表面冷却器两侧的温差对送风进行预冷和预热,可以降低表面冷却器的冷却能力和电加热的再热。由于热管换热器进行显热交换,送风的含水量不会发生变化,不会影响室内相对湿度的调节。但由于热管换热器是被动换热,不能保证预热后的空气满足送风状态点的要求。因此,经过换热器后,需要辅助电加热调整送风参数,以满足手术室的要求。

(1)带热管换热器的空调箱加工工艺分析

带热管换热器的空调箱的空气处理过程如图5所示,新风(L1点)和回风(N点)混合到C点,通过热量预冷到C1点管式换热器,然后由表面冷却器处理至机器露点 L2。热管换热器预热到L3点后,加热到送风状态O点,然后送入房间。与一次回风相比,热管换热器的节能主要体现在C-C1的预冷能力和L2-L3的预热能力。需要注意的是,热管换热器会增加空调系统的阻力,从而增加风机的能耗。所以,

在相同工况下,热管换热器的传热特性受管列数、工质种类、管列材料等因素的影响。本例选用常用的R410A作为工作液,铜管铝翅片,镀锌框架为材料。讨论了不同管列下的传热和阻力条件。计算结果如表4所示。

(2)节能潜力分析

从表4可以看出,管列数的增加可以增加传热手术室净化,从而减少电加热再热和表面冷却器的冷却能力。但是随着管排数的增加,阻力也随之增加,风扇的功率会进一步增加。考虑到表冷器、电加热的节能和风机能耗的增加,热管换热器的节能按公式(1))计算。

公式(1), (2) 其中ΔQ为热管换热器的节能量,单位为kW;ΔQR为再热减少量,单位为kW;ΔQC为热管换热器的制冷量减少量,单位为kW)表冷器,再热减少量 Equal,kW;COPz为空调系统综合COP,取3.0;ΔQF为风机能耗增加量,kW;Δp为热阻增加量管式换热器,Pa;η为风机效率,取60%。

经计算,不同管列的节能量见表5。当热管换热器管列数增加时,热管换热能力增加,预热和预冷能力增加,即更有利于降低表面冷却器的冷却能力和电加热器的再加热。同时,管排数的增加会增加阻力手术室净化系统,从而增加风机的压头,相应的风机能耗也会增加。一般来说,管列数的增加会增加总的节能效果。

从风机能耗增加到冷却再热能耗减少的比例来看,管列数越大,比例越大。表明随着管列数的增加,风机功耗的增加大于节能的增加,热管的节能效率反而降低。另外,增加管列数会带来较高的初始投资,因此需要确定热管换热器中管列数的最佳值。

为了比较不同管排的经济效益,将洁净空调运行时间定义为08:00-20:00。由于新风会集中到L1点,室外气象参数对其运行影响不大,热管年节电量乘以节能时间。为计算静态投资回收期,按照上海市电价标准,以非夏季平地电价(0.752元/(kW·h))为标准计算用电量保存。从表6可以看出,随着管排数的增加,节省的电费也相应增加,但由于初期投资也增加,

综上所述

1)在洁净手术室的一次回风空调系统中,热管换热器的节能大于阻力增加引起的能耗增加。

2) 当热管换热器的排数增加时手术室净化,热管的换热能力增加,更有利于降低表面冷却器的冷却能力和电加热器的再热。同时,管排数的增加会增加阻力,相应的风机能耗也会增加。一般来说,管列数的增加会增加总的节能效果。

3)随着管排数的增加,风扇的耗电量增加的快于节能。风扇的能耗与减少的冷却和再加热能耗的比值越大,热管的节能效率越低。

4) 随着管排数量的增加,相应的初期投资也会增加,静态投资回收期也会相应延长。

5) 需要指出的是,对于需要快速降温的手术室,热管换热器可能会成为快速降温的阻力。对于这种类型的手术室,是否使用热管换热装置需要进一步的理论分析和经济比较。

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