浅谈多功能热泵机组在处理洁净手术室净化系统中的应用

医院洁净手术部冷热源具有特殊性和独立性，但在目前常规设计中，采用普通的风冷热泵机组，不能同时满足洁净手术室供冷供热的要求。为了满足洁净手术室恒温恒湿要求，必须消耗大量的能源，造成明显的不节能现象产生。文章介绍了一种多功能热泵机组及其在洁净手术室应用的工程实例，提高了洁净手术部的能源利用率，是一种值得推荐采用的新型节能技术。

一、前言

改革开放三十多年来，我国医院建设迅速发展，各地新建、改建了大量各等级的专科、综合性医院，建立了较现代化的洁净手术部。由于洁净手术部的特殊性，其成为医院典型的高能耗部门。笔者以医院I级洁净手术室为例进行能耗分析，结合自己的设计经验，介绍一种新型冷热源设备――多功能热泵机组在洁净手术室的应用情况，并结合工程实例进行节能分析和计算，使洁净手术部冷热源设计更合理、更科学、更节能。

二、洁净手术部冷热源现状

医院洁净手术部的耗能特点与医院一般科室有所不同。由于洁净手术室通常采用双走廊平面布局，外围的清洁走廊使得手术室不含外围护结构，洁净手术室基本处于内区，设备、照明和人员常年产生大量热负荷，即使在冬季也需要制冷，但又不是十分典型的内区需要长期供冷。为保证手术室温湿度控制，降低系统冷冻水水温要求,夏季往往采用一次回风再加热，而冬季在手术室工作前，室内热负荷很小，需要进行供热，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。

由于洁净手术室一年四季处于制冷、制热、再加热这种特殊状况，在以往的洁净手术部设计方案中,冷热源基本采用：风冷热泵机组；冷水机组+热水锅炉方案，水系统采用四管制或二管制，风系统采用洁净空调箱，再加热采用电加热或热水盘管。由于普通风冷热泵机组不能同时满足洁净手术室供冷供热的要求，洁净空调箱往往采用冷却去湿后再电加热方案，来达到洁净手术室恒温恒湿要求。这种方案造成冷热量互相抵消， 明显存在不节能现象，使洁净手术部成为高能耗部门。

三、多功能热泵机组原理

多功能热泵机组的工作原理是能量的回收和有效利用，它由压缩机、冷凝器、蒸发器、可变换热器等组成。采用两个独立回路的四管制水系统，一年四季可实现五种工况运行（区别于热泵热回收机组）：空调单制冷；空调单制热；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。

在洁净手术部冷热源四管制设计中，其回路中蒸发器生产冷水，作为系统的冷源，冷凝器生产热水，作为系统的热源，风扇-翅片换热器功能是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，系统的工作原理如图1所示。这样多功能热泵机组可代替锅炉+冷水机组模式，实现一机多功能使用，同时满足洁净空调箱冷冻去湿、再加热的要求，达到洁净手术室恒温恒湿的要求，实现节能的目的。

四、应用实例

（一）I级洁净手术室空调方案确定

1.洁净手术室基本参数

上海某家三级甲等医院的I级洁净手术室面积为56m2,高度3m,装备有麻醉机、呼吸机、电刀等医疗设备。洁净手术室要求,室内温度T=24±1℃，相对湿度φ=55%±5%，手术室人员12人，手术室设在三层，上层为技术夹层。我们采用《易思暖通空调设计系统》软件(EASY HVAC.V1.6)进行空调负荷计算，计算结果为：总冷负荷Q=20471kcal/h，总湿负荷d=2.3kg/h，室内冷负荷8269kcal/h，新风负荷12202kcal/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,手术室控制区送风量12000m3/h。正压风量500m3/h，排风量500m3/h。

2.典型洁净手术室空调方案

洁净手术部净化空调系统采用新风集中处理、各手术室单独循环系统送风方案（见图2）。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。排风采用独立系统，并且与手术室自动门连锁，当手术室门关闭时排风系统自动开启。使手术室始终处于正压受控状态,这是一个应用于洁净手术部较理想的净化空调系统。

3.空调送风状态点确定

手术室室内热、湿负荷通常是恒定的，根据设计参数热湿比为ε/W=3595kcal/kg，

净化空调送风量是一个定量，因此送风状态点也就确定了。通过计算送风状态点为Io=In-Q/1.2L=11.5kcal/kg，送风状态点确定后,我们分析一下I级洁净手术室空调系统在I-D图上的处理过程。

4.典型洁净手术室的I-D图分析

室内循环空调系统采用一次循环风系统,根据新风处理状态,在I-D图上处理方法（图3）。

新风处理到室内焓值，新风不承担室内负荷，新风空调箱仅承担新风负荷，室内循环空调箱承担全部室内冷负荷，循环空调箱在湿工况下工作，此种方式在工程设计中经常被采用。

从I-D图上分析，回风N点与处理后的新风L点混合，经循环空调箱冷却处理到L1点，再经电加热到送风状态点O点。很明显上述处理过程大量冷热能耗互相“抵消”，并且新风空调箱和循环空调箱都在湿工况下工作，空调箱排水和手术室防水问题不能得到很好的解决。

在净化空调系统中大风量，小温差是一大特点。采用一次循环风系统设计，大风量处理到“机器露点”，再通过再加热把风量处理到送风状态点。这样大部分冷热量互相“抵消”。经计算，互相“抵消”的能量Q=1.2×12000×(11.4-9.8)=23040kcal/h(26.8kW)，这样造成大量的能源浪费。

5.洁净手术部冷热源确定

为了保持手术室内的温湿度，洁净手术部空调常常采用一次回风系统，四管制水系统。而医院考虑手术室过渡季节使用的要求，冷热源往往采用与中央空调系统分开的独立冷热源，基本方案是：①普通热泵机组；②冷水机组+热水锅炉。由于普通热泵机组不能同时提供冷热水，需采用电再加热，造成冷、热抵消不节能，而采用冷水机组+热水锅炉，系统复杂投资高，不能有效利用能源。二者均没有解决空调系统再加热的弊病，很明显方案不尽合理。而多功能热泵机组可以同时提供冷水和热水，上述问题就迎刃而解了，实现真正意义上的四管制，达到节能的目的。

（二）多功能热泵机组在洁净手术部的应用

1.多功能热泵机组的优点

多功能热泵机组有别于空气源热泵热回收机组，空气源热泵夏季制冷、冬季供热；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；多功能热泵机组在全年任何季节都能单制冷、单供热及同时制冷、供热。本人认为：该机组特别适用于江南地区洁净手术部的净化空调系统，江南地区梅雨季湿度大，再热量大，多功能热泵机组能在制冷的同时回收冷凝热，免费提供热水用于洁净空调箱再加热，对于四管制水系统，解决了在梅雨季、夏季的锅炉运行问题；冬季手术室内无余热，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，该机组真正能做到一机多用。

2.采用多功能热泵机组，解决手术室冷热量“抵消”不节能现象

洁净手术部冷热源采用热泵机组方案，一旦系统配置好了，就不能变动。为确保医院手术室安全、可靠运行，常常在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，必然会造成一定的能源浪费。而多功能热泵机组采用二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”的问题，是一个很好的节能方案。

3.洁净手术室节能计算和分析

通过对I级洁净手术室能耗分析，一间I级洁净手术室理论节能可达约26.8kW。我们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36万千瓦用电量。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%。目前我院设计的洁净手术部空调冷热源，均采用多功能热泵机组，取消空调箱内电再加热器。通过几年的实际运行，收到很好的节能效果。因此我们在建设洁净手术部时，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，不能因为多功能热泵机组造价略高而放弃采用。

综上所述，热泵机组设备系统运行调节能力较差，如没有为节能运行多作考虑，也会导致运行费用的提高。而多功能热泵机组相当于一个全自动冷热量平衡系统，优化了用户冷热量的分配，通过全自动的微处理控制系统，实现机组对用户的供冷、供热量最佳匹配。因此采用新型冷热源，对医院节能具有积极意义。

五、结束语

1.在医院空调系统中，冷热源一体机特别适用于医院特殊空调场合，如洁净手术部、ICU、中心供应等，它能全年同时提供冷水和热水，实现医院空调冷却去湿再加热功能，解决冷热量互相抵消而造成大量不合理能耗，是一种典型的空调节能方案。只要合理匹配多功能热泵机组冷水与热水的供应量，可极大地提高医院的能源利用率，在医院节能设计中具有重要的意义，是一种优先选择的新型冷热源。

2.洁净手术部空调能耗是医院主要能耗之一，据有关资料统计，约占医院空调总能耗的30%。所以在医院节能设计中，必须根据医院所在地区的能源供应具体情况，结合医院手术室使用特点，通过技术经济论证，合理确定空调冷热源，并利用新技术提高医院空调系统的能源利用效率。多功能热泵机组在医院洁净手术部的应用，对提高医院的能源利用率具有十分积极的作用。

3.冷热源一体机利用了制冷过程的冷凝热，它与热回收机组不同，热回收机组只能在制冷工况下进行热回收，多功能热泵机组在制冷或制热工况下均能热回收。而且可以同时供给冷冻水和热水，并可根据用户的意图实现多种运行工况，同样适合医院许多场所。

4.多功能热泵机组具有全年同时制冷制热功能，可实现不同供热与供冷工况,而且综合能效比高，COP可达7.0～9.0，节能效果显著。适合于室内温湿度要求高的场合，如医院、银行、高级办公楼等场所，这些地方全年内区需要制冷，而外区根据季节变换需制冷或制热。