寒冷季节净化手术室供冷系统
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摘要：洁净手术室一般位于医院大楼的内区，存在冬季过热的现象。文章简要叙述了手术室净化系统中温度控制的原理，分析了在寒冷季节，“净化手术室供冷系统”可以从室外“免费取冷”，很好地解决净化手术室冬季过热的问题。一方面解决了手术室温度问题；另一方面节省了大量的运行经费，降低了运行损耗。
关键词：净化手术室；温度过热；免费取冷；空冷器
中图分类号：TU246 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0164-02
1 净化手术室过热
手术室一般位于建筑的内区，当整栋建筑都有空调系统时，手术部的维护结构基本处于恒温状态，不受外部环境温度变化的影响。维护结构的热传导可以保证手术室在不开空调系统时，也能维持与周围房间相同的温度（例如冬季供暖18℃～22℃）。目前国内流行的净化手术室平面布局为双通道型，手术室为清洁走廊和洁净走廊（设计温度22℃～24℃），手术室内人员、灯具、设备散热需要依靠手术室自身的净化空调系统来调节。
下面以百级手术室（送风10000m3/h、新风1000m3/h）为例讨论手术室的过热情况。手术室得热量为围护结构传热Qw、室内设备人员散热Q、得冷量为Qs，则手术室内热量变化ΔQ为：
ΔQ=Qw+Q+Qs
热量变化就是空气处理机组要消除的负荷，下面逐项分析：
1.1 维护结构传热Qw
维护结构通过周围房间的热传导维持手术室的室内温度，使手术部温度趋于平衡。
1.2 手术室设备人员散热Q
手术部的热负荷由医疗设备、灯具、人员的散热组成，根据手术室级别类型的不同，百级手术室热负荷一般估算为6kW，其中灯具散热1.68kW，设备散热1.5kW，人员散热2.82kW。
Q=Q1+Q2+Q3
式中：
Q—总散热量
Q1—手术室灯具散热量
Q2—手术室设备散热量
Q3—手术室人员散热量
1.3 得冷量Qs
供暖季，一般空调系统无制冷能力，得冷量等于新风所提供冷量。以东北某地区为例：冬季新风干球温度为-29℃、相对湿度为74%，回风温度为24℃、相对温度为50%，将新风预热至5℃后，新回风混合后为干球22.1℃、相对湿度50.6%，计算得新风焓差为18.6kJ/（kg·干空气），得冷量=-6.2kW。
则手术室热量变化为：
ΔQ=Q-Qs=-0.2kW
即供暖季百级手术室有0.2kW的热负荷，需要执行空调供热模式。但在净化手术室的实际应用中存在以下五个因素，使得手术室出现过热的情形：
（1）为防止机组盘管冻裂，新风往往预热到大于5℃才送入空气处理机组；（2）由于系统老化，过滤器更换不及时等原因造成新风量达不到设计的标准；（3）《GB50333医院洁净手术部建筑技术规范》征求意见稿中有减少新风量的趋势，降低了通过加大新风量以控制手术室过热的可能性；（4）空气循环机组风机的散热变相增加了手术室的热负荷；（5）冬季一般采用的蒸汽加湿会造成手术室显热的增加。
综合上述几个方面，类比夏季制冷工况，在手术室过热时，我们设定与夏季相同的送风温度（一般为21℃），根据送风量的不同，百级手术室具有10kW左右的制冷能力，千级、万级手术室分别有5kW、3kW的制冷能力，完全可以实现消除冬季手术室室内过热的目的。
但在寒冷季制冷机组制冷能力受到很大限制，许多冷水机组在气温5℃以下就停止工作，所以需要寻找节能环保的替代冷源。
2 冷却塔供冷方案
当室外空气温度低于一定数值时，可以直接利用空气中的“免费冷源”直接或间接向空调系统供冷。对于普通空调系统，可以采用将室外新风直接引入的方式利用“免费冷源”；而净化空调系统对空气的质量有较高要求，需要在不增加新风量的情况下消除室内冷负荷，即间接“免费取冷”。间接取冷一般通过冷却塔，根据各地气候条件的差异，采用不同的冷却塔供冷形式。
2.1 开式冷却塔供冷
开式冷却塔（简称开塔）直接冷却喷淋水，得到15℃的高温冷水，可以作为空调机组在过渡季和冬季等不除湿工况下的冷源。考虑冷幅为4℃，在室外湿球11℃以下（此时干球温度在16℃左右）的环境下均可以使用此种方式取冷。
此系统效率较高，但是也存在以下问题：（1）开塔不能在0℃以下使用；（2）开塔冷却的工质直接接触大气，水质较差。
如果将开塔冷却的喷淋水经过板换得到清洁的冷媒水，则属于开塔间接供冷。考虑板换带来的换热温差，为得到15℃高温冷水，系统可以在室外湿球温度10℃以下，0℃以上的环境使用。
2.2 闭式冷却塔供冷
系统等同于将开塔间接供冷系统的板换放置到开塔内组成闭塔，从而保证冷媒水的清洁的形式，系统运行温度区间等同于开塔间接供冷系统。
在环境温度低于0℃时，可以停掉管外喷淋水，只利用空气冷却管内工质，即采用空冷的形式，但会降低闭塔的换热效率，并且也存在冻坏闭塔换热盘管的风险。
系统适用于我国长江中下游冬季不易结冰的区域，以南京为例，每年有1～3月、12月的平均湿球温度低于10℃，可采用此系统。
2.3 空冷器供冷
系统包括设置于户外的空冷器、机房内的换热器以及管路系统，空冷器中的乙二醇水溶液等抗冻工质经空气冷却后输送到机房内，再通过换热器冷却蓄水箱中的冷媒水，此冷媒水作为净化空调机组冷源使用。
由于空冷器的冷却极限是环境的干球温度，为得到15℃高温冷水，环境干球温度需低于10℃（湿球温度约为6℃）。在我国北方地区，此系统有半年左右的可利用时间。以哈尔滨为例，每年有1～4月、10～12月的平均干球温度低于10℃。
3 净化手术室供冷系统
以哈尔滨某医院的气候条件为例，我们选取空冷器冬季供冷方案。系统如图1，主要包括空冷器、换热水箱、水泵等设备，还需要特殊定制的空气处理机组与之配合。在传统空气处理机组中再加入一冷却段，此段不能与夏季表冷段共用，考虑到冬季加湿比较困难，此段需位于加湿段后，出风口前。
图1 空冷器冬季供冷系统图
3.1 系统实施过程
3.1.1 系统包括两个循环，分别是乙二醇水溶液循环和冷媒水循环，其中除空气冷却器（2）放置于室外，其他设备均放置于室内，做好保温。
3.1.2 乙二醇水溶液首选通过变频泵（3）输送至空气冷却器（2），在其中通过换热，得到室外环境中的冷量，然后流回换热水箱（5）的换热管内，进入下一个
循环。
3.1.3 经过换热水箱（5）冷却的冷媒水送入空气循环机组（7）的换热盘内，冷却室内空气后流回换热水箱（5）中进行下一个循环。
3.2 系统控制过程
3.2.1 为便于空气循环机组（7）制冷量的控制和节省乙二醇变频泵（3）的泵功，需要控制出水温度恒定，通过测温点T1的反馈值调节乙二醇变频泵的转速。
3.2.2 通过测温点T2得到的温度反馈至调节风机（1）的起停，当T2高于设定值时，启动风机（1），加速乙二醇水溶液的冷却；当T2低于设定值时，关闭风机（1），这样既可以保护管壳式换热器不被冻裂，也节省了风机电耗。
3.2.3 为在不同数量的空气循环机组（7）的情况下节省冷媒水变频泵功，设定冷媒水循环系统的压力采集点，根据空气循环机组（7）数量的不同带来的系统循环压力的变化，调整冷媒水变频泵的频率。
为防止加湿后的空气有凝水析出，所以冬季冷盘管内水温要不低于15℃，按常规5℃温差设定冷盘管进水15℃，回水20℃；按照乙二醇水溶液与冷媒水5℃换热温差计算，乙二醇水溶液进换热水箱温度为10℃，回空冷器温度为15℃。此系统可在环境温度低于10℃的环境中使用，温度越低，空冷器换热效果越好。
4 结语
位于建筑内区的净化手术室与外界“隔绝”，存在冬季过热的问题。
寒冷季节，大楼一般不提供冷源，冷水机组呈低温保护状态不能正常启动。“净化手术室供冷系统”可以从室外“免费取冷”，很好地解决净化手术室冬季过热的
问题。
以环境温度为10℃为切换温度，低于此温度，可以使用此系统“免费取冷”，当环境高于此温度时，手术室进入过渡季工况，可以直接开启冷水机组制冷。
参考文献
[1] 许钟麟.洁净室及其受控环境设计[M].北京：化学
工业出版社，2008：344-347.
[2] 李永安，常静，徐广利.闭式冷却塔供冷系统气象条
件分析[J].暖通空调，2005，35（6）：107-108.
作者简介：白亮，供职于上海德明医用设备工程有限公司，硕士。