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凈化手術室之溶液調濕技術   
作者:    發布于:2019-08-09 19:41:37    文字:【】【】【
  
  傳統手術室空調系統通常采用冷凝除濕的方式,由于熱濕負荷同時處理,為了滿足濕度處理要求而不得不降低冷凍水溫度;由于手術室采用一次回風系統,溫濕度變化范圍很大的新風與室內瞬時變化的負荷容易造成室內狀態控制不穩定;另外,當回風中微生物遇到高溫高濕的新風也易繁殖滋生,對微生物控制不利。針對以上問題,相關專家提出了濕度優先控制系統的概念,指出讓新風獨立承擔室內全部濕負荷,從而使循環空調機組運行于干工況,最大限度減少微生物繁殖和擴散。
  
  近年來,很多學者和工程技術人員開始研究溫濕度獨立調節空調系統,并提出將其應用于潔凈手術室中,通過采用新風獨立承擔室內所有濕負荷,循環機組通入高溫冷水承擔室內顯熱負荷,實現溫度、濕度獨立調節。在溫濕度獨立調節空調系統中,新風獨立除濕是系統運行的關鍵,溶液調濕技術作為一項新興的高效濕度處理手段正逐步被應用。本文針對溶液調濕技術的特點,探討其應用于手術室時的運行模式以及相應的送風狀態點,供設計參考。
  
  一、溶液調濕的原理及特點
  
  1、溶液調濕的原理
  
  溶液調濕技術是一種高效的濕度處理方式。溶液調濕技術是利用不同濃度的鹽溶液吸收或者釋放水蒸氣的方式對空氣進行除濕或者加濕處理。鹽溶液與空氣的水蒸氣分壓力差是二者進行水分傳遞的驅動勢。當溶液的表面蒸汽壓低于空氣的水蒸氣分壓力時,溶液吸收空氣中的水分,空氣被除濕;反之,溶液中的水分進入空氣中,溶液被濃縮,空氣被加濕。
  
  2、溶液調濕的特點
  
  溶液與空氣的水蒸氣分壓力差是水分傳遞的動力,而溶液表面的蒸汽壓是溶液溫度與濃度的函數,隨著溶液溫度的降低、溶液濃度升高而降低,因此,溶液溫度和溶液濃度是影響溶液調濕能力的主要因素。溶液溫度受限于外界冷源,而溶液濃度則受限于結晶線和結冰線。當溶液在濃度增大的情況下會發生結晶現象,當溶液濃度減小時且溶液溫度在零度以下則會發生結冰現象。以氯化鈣溶液(CaCl2)為例,從圖1可以看出,當溶液濃度在30%左右時溶液調濕所能處理的溫度范圍最大,因此對于采用氯化鈣作為介質的溶液調濕機組,考慮到冬季防凍要求,一般溶液濃度都選取在30%左右。由于溶液的等濃度線與濕空氣的等相對濕度線基本重合 ,因此溶液調濕處理后空氣的額定送風相對濕度在60%~65%左右(如圖2所示)。實際運行時根據送風需求不同,溶液濃度會有一定的波動,但考慮結晶、結冰以及新風機組儲液容量的限制,送風相對濕度不宜變化過大,通常在55%~75%之間。
  
  二、夏季運行模式分析
  
  1、系統形式
  
  對于潔凈手術室,室內一般需維持一定正壓,排風無法用于熱回收或溶液再生,溶液調濕采用新風再生的形式,系統形式如圖3所示。新風集中處理,然后根據需要將處理后的新風分配到各個循環機組中。夏季,室外新風進入溶液調濕新風機組,首先經高溫冷水預冷預除濕,然后再經過溶液除濕處理到低濕狀態,經過中效、亞高效過濾器過濾后,進入循環機組與室內回風混合后再由高溫冷水等濕冷卻,最后經過高效過濾送入潔凈區域。
  
  根據《GB50333-2013醫院潔凈手術部建筑技術規范》,I~IV級手術室最小新風量分別為1000m3/h、800m3/h、800m3/h、600m3/h,根據表2中手術室設計人數和濕負荷計算,I~IV級手術室人均新風量為100m3/h·P,新風送風含濕量為8.4g/kg。根據相關廠家資料,溶液調濕機組處理能力為含濕量不低于7.0g/kg,因此完全可以滿足手術室夏季除濕要求。根據溶液調濕的特性,相應送風溫度在18℃~20℃左右,新風可承擔部分室內顯熱負荷。另外,按規范要求的新風量和循環風量計算得到,在室內設計參數為24℃、50%時,除濕后的新風與室內回風混合后,空氣的露點溫度低于13℃,因此,為滿足循環機組干工況要求,可以將冷水溫度定在13℃或以上。
  
  2、除濕送風點確定
  
  由于新風集中處理后送入到各個手術室的循環機組,因此要求新風處理終狀態對整個手術室是一個公共點。第2.1節中給出了設計工況下I~IV級手術室送風狀態點是統一的,也就是說,在設計工況下按同一個的新風參數送風即可滿足整個手術部的濕度控制要求。參考相關文獻,手術室內人數一般為4~10P,在此,取變工況下各個手術室出現最少人數4人時,仍按最低送風含濕量8.4g/kg送風,室內參數變化如表2所示。從表2計算結果可知,不同級別手術室共用一臺新風機組,仍可控制室內相對濕度在45%~50%之間,滿足手術室環境控制要求。
  
  三、冬季運行模式分析
  
  1、系統形式
  
  由于手術室圍護結構較為密閉,且處于內區,圍護結構基本上無散熱,而室內設備和燈光造成的顯熱負荷較大,因此冬季仍需要供冷,新風則需要加濕。常規空調系統采用新風和回風混合后加熱再等溫加濕的方式,這種方式可以實現冬季新風供冷,節省能耗。在溫濕度獨立調節空調系統中,冬季采用溶液調濕方式對新風進行濕度處理,在溶液濃度基本不變的情況下,溶液被加熱后其表面的水蒸氣分壓力增大從而實現對空氣的加濕,因此溶液加熱與加濕是同時進行的,且由于冬夏室內濕負荷是一樣的,因此冬季新風加熱加濕后的送風含濕量與夏季相同,仍為8.4g/kg,但此時溶液調濕對應的送風溫度在18℃~20℃,不足以帶走室內全部顯熱負荷。
  
  根據手術室負荷情況(見表2),考慮1度風機溫升,計算得到新風供冷所需送風參數如表3所示。從計算結果可以看出,冬季通過采用溶液調濕技術來實現新風供冷且新風完全控制室內濕度,則要求的新風溫度較低而含濕量較高,已經超出了溶液調濕的處理范圍。因此,新風供冷和濕度控制兩者只能選其一。如果僅考慮新風供冷,則新風加濕量欠缺,不能滿足室內濕度控制要求,還需循環機組設置加濕器予以補充;如僅考慮新風控制濕度,則新風加熱加濕后循環機組需要對空氣進行降溫,存在冷熱抵消的現象,且冬季還需要設置冷源。綜合考慮上述兩種方式的利弊,由于溶液加濕方式能耗低于電加濕,因此可采用新風供冷,溶液調濕作為濕度初步調節,循環機組作精確調節的運行方式,系統形式如圖3。
  
  2、加濕送風點確定
  
  采用新風集中處理的方式,新風機組所負責的各個手術室的新風送風參數應是一致的。對于冬季工況而言,考慮新風供冷需求,應按送風溫度最低的手術室來確定新風送風參數。根據表3計算結果,I級手術室所需新風溫度最低,因此新風經溶液調濕處理后的送風狀態點約為6℃、60%、3.4g/kg。
  
  根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范 GB 50736-2012》,北京、上海、廣州冬季室外設計參數如表4所示。可以看出,全國大部分地區冬季都可以利用新風供冷,北京等寒冷地區冬季氣候干燥,可利用溶液加濕減小循環機組的加濕負荷,上海及廣州夏熱冬冷或夏季冬暖地區,冬季利用溶液加濕意義不大,冬季可按傳統空調系統形式運行,即冬季不開啟溶液調濕單元,僅對新風進行凈化過濾,由循環機組進行溫度和濕度控制。
  
  四、實際運行測試分析
  
  1、夏季運行情況
  
  取某項目III級手術室進行測試,測試結果如圖4~6所示,新風經過溶液除濕后送風參數平均值為17.1℃、64.6%、7.9g/kg,室內參數在22.7℃~23.1℃、48.1%~50.0%左右,室內參數完全滿足潔凈手術部溫度22~25℃,相對濕度40~60%的要求。
  
  2、冬季運行情況
  
  取某項目III級手術室進行測試,當新風機組按額定工況運行在送風溫度18℃左右時,各手術室的回風溫度普遍偏高,最高時達到了30℃,最低時也達到了26℃,而濕度在30%左右。由于溫度偏高,無法滿足手術室使用要求。對于冬季沒有供冷的兩管制循環機組,手術室的溫度是無法進行控制的。針對這種情況,通過降低溶液調濕新風機組中溶液的濃度,將送風參數調整到14℃、75%左右,通過這種方式,可以將手術室內溫度降低到24℃以下,相對濕度維持在40%左右。由此可見,調整溶液濃度的方式有一定的局限性,無法完全滿足手術室冬季使用要求,應通過3.2節所述方法確定溶液調濕機組的運行方式。
  
  五、結論
  
  1、采用溶液調濕作為手術室濕度控制的手段,由于受溶液結晶、結冰以及新風機組儲液容量的限制,溶液調濕送風相對濕度在一定范圍內變化,通常在55%~75%之間,該范圍能滿足手術室夏季新風除濕要求,但無法滿足冬季新風供冷加濕的要求。
  
  2、夏手術室采用新風集中處理、獨立除濕的方式,新風送風含濕量取各手術室所需送風含濕量的最小值,可控制室內相對濕度在45%~50%之間,滿足手術室環境控制要求。
  
  3、冬寒冷地區可采用新風供冷的方式,溶液調濕作為濕度初步調節,循環機組作精確調節,溶液調濕新風機組按I級手術室來確定送風參數;夏熱冬冷或夏季冬暖地區,冬季可按傳統空調系統形式運行,即冬季不開啟溶液調濕單元,僅對新風進行凈化過濾,由循環機組進行溫度和濕度控制。

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