溶液调湿技术在洁净手术室的应用探讨
北京华创瑞风空调科技有限公司
摘要本文提出将溶液调湿技术作为温湿度独立调节系统中新风湿度调节的手段，应用于洁净手术室中，并针对溶液调湿的特点，分析了夏季和冬季工况的运行模式以及相应的送风状态点，供设计参考。
关键词洁净手术室溶液调湿温湿度独立调节系统形式送风点
0引言
传统手术室空调系统通常采用冷凝除湿的方式，由于热湿负荷同时处理，为了满足湿度处理要求而不得不降低冷冻水温度；由于手术室采用一次回风系统，温湿度变化范围很大的新风与室内瞬时变化的负荷容易造成室内状态控制不稳定；另外，当回风中微生物遇到高温高湿的新风也易繁殖滋生，对微生物控制不利。针对以上问题，沈晋明等人提出了湿度优先控制系统的概念[1]，指出让新风独立承担室内全部湿负荷，从而使循环空调机组运行于干工况，最大限度减少微生物繁殖和扩散。
近年来，很多学者和工程技术人员开始研究温湿度独立调节空调系统[2]~[4]，并提出将其应用于洁净手术室中，通过采用新风独立承担室内所有湿负荷，循环机组通入高温冷水承担室内显热负荷，实现温度、湿度独立调节。在温湿度独立调节空调系统中，新风独立除湿是系统运行的关键，溶液调湿技术作为一项新兴的高效湿度处理手段正逐步被应用。本文针对溶液调湿技术的特点，探讨其应用于手术室时的运行模式以及相应的送风状态点，供设计参考。
1溶液调湿的原理及特点
1.1溶液调湿的原理
溶液调湿技术是一种高效的湿度处理方式。溶液调湿技术[5]是利用不同浓度的盐溶液吸收或者释放水蒸气的方式对空气进行除湿或者加湿处理。盐溶液与空气的水蒸气分压力差是二者进行水分传递的驱动势。当溶液的表面蒸汽压低于空气的水蒸气分压力时，溶液吸收空气中的水分，空气被除湿；反之，溶液中的水分进入空气中，溶液被浓缩，空气被加湿。
1.2溶液调湿的特点
溶液与空气的水蒸气分压力差是水分传递的动力，而溶液表面的蒸汽压是溶液温度与浓度的函数，随着溶液温度的降低、溶液浓度升高而降低，因此，溶液温度和溶液浓度是影响溶液调湿能力的主要因素。溶液温度受限于外界冷源，而溶液浓度则受限于结晶线和结冰线。当溶液在浓度增大的情况下会发生结晶现象，当溶液浓度减小时且溶液温度在零度以下则会发生结冰现象。以氯化钙溶液（CaCl2）为例[6]，从图1可以看出，当溶液浓度在30%左右时溶液调湿所能处理的温度范围最大，因此对于采用氯化钙作为介质的溶液调湿机组，考虑到冬季防冻要求，一般溶液浓度都选取在30%左右。由于溶液的等浓度线与湿空气的等相对湿度线基本重合[7]，因此溶液调湿处理后空气的额定送风相对湿度在60%~65%左右8]（如图2所示）。实际运行时根据送风需求不同，溶液浓度会有一定的波动，但考虑结晶、结冰以及新风机组储液容量的限制，送风相对湿度不宜变化过大，通常在55%~75%之间。
图1CaCl2水溶液结晶曲线
图2溶液浓度与空气相对湿度的关系
2夏季运行模式分析
2.1系统形式
对于洁净手术室，室内一般需维持一定正压，排风无法用于热回收或溶液再生，溶液调湿采用新风再生的形式，系统形式如图3所示。新风集中处理，然后根据需要将处理后的新风分配到各个循环机组中。夏季，室外新风进入溶液调湿新风机组，首先经高温冷水预冷预除湿，然后再经过溶液除湿处理到低湿状态，经过中效、亚高效过滤器过滤后，进入循环机组与室内回风混合后再由高温冷水等湿冷却，最后经过高效过滤送入洁净区域。
图3溶液调湿技术在洁净空调系统中的应用
根据《GB-医院洁净手术部建筑设计规范》，I~IV级手术室最小新风量分别为m3/h、m3/h、m3/h、m3/h，根据表2中手术室设计人数和湿负荷计算，I~IV级手术室人均新风量为m3/h·P，新风送风含湿量为8.4g/kg。根据相关厂家资料，溶液调湿机组处理能力为含湿量不低于7.0g/kg，因此完全可以满足手术室夏季除湿要求。根据溶液调湿的特性，相应送风温度在18℃~20℃左右，新风可承担部分室内显热负荷。另外，按规范要求的新风量和循环风量计算得到，在室内设计参数为24℃、50%时，除湿后的新风与室内回风混合后，空气的露点温度低于13℃，因此，为满足循环机组干工况要求，可以将冷水温度定在13℃或以上。
2.2除湿送风点确定
由于新风集中处理后送入到各个手术室的循环机组，因此要求新风处理终状态对整个手术室是一个公共点。第2.1节中给出了设计工况下I~IV级手术室送风状态点是统一的，也就是说，在设计工况下按同一个的新风参数送风即可满足整个手术部的湿度控制要求。参考相关文献，手术室内人数一般为4~10P，在此，取变工况下各个手术室出现最少人数4人时，仍按最低送风含湿量8.4g/kg送风，室内参数变化如表2所示。从表2计算结果可知，不同级别手术室共用一台新风机组，仍可控制室内相对湿度在45%~50%之间，满足手术室环境控制要求。
表1变工况下手术室室内参数计算
2冬季运行模式分析
2.1系统形式
由于手术室围护结构较为密闭，且处于内区，围护结构基本上无散热，而室内设备和灯光造成的显热负荷较大，因此冬季仍需要供冷，新风则需要加湿。常规空调系统采用新风和回风混合后加热再等温加湿的方式，这种方式可以实现冬季新风供冷，节省能耗。在温湿度独立调节空调系统中，冬季采用溶液调湿方式对新风进行湿度处理，在溶液浓度基本不变的情况下，溶液被加热后其表面的水蒸气分压力增大从而实现对空气的加湿，因此溶液加热与加湿是同时进行的，且由于冬夏室内湿负荷是一样的，因此冬季新风加热加湿后的送风含湿量与夏季相同，仍为8.4g/kg，但此时溶液调湿对应的送风温度在18℃~20℃，不足以带走室内全部显热负荷。
根据手术室负荷情况（见表2），考虑1度风机温升，计算得到新风供冷所需送风参数如表3所示。从计算结果可以看出，冬季通过采用溶液调湿技术来实现新风供冷且新风完全控制室内湿度，则要求的新风温度较低而含湿量较高，已经超出了溶液调湿的处理范围。因此，新风供冷和湿度控制两者只能选其一。如果仅考虑新风供冷，则新风加湿量欠缺，不能满足室内湿度控制要求，还需循环机组设置加湿器予以补充；如仅考虑新风控制湿度，则新风加热加湿后循环机组需要对空气进行降温，存在冷热抵消的现象，且冬季还需要设置冷源。综合考虑上述两种方式的利弊，由于溶液加湿方式能耗低于电加湿，因此可采用新风供冷，溶液调湿作为湿度初步调节，循环机组作精确调节的运行方式，系统形式如图3。
3.2加湿送风点确定
采用新风集中处理的方式，新风机组所负责的各个手术室的新风送风参数应是一致的。对于冬季工况而言，考虑新风供冷需求，应按送风温度最低的手术室来确定新风送风参数。根据表3计算结果，I级手术室所需新风温度最低，因此新风经溶液调湿处理后的送风状态点约为6℃、60%、3.4g/kg。
根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB-》，北京、上海、广州冬季室外设计参数如表4所示。可以看出，全国大部分地区冬季都可以利用新风供冷，北京等寒冷地区冬季气候干燥，可利用溶液加湿减小循环机组的加湿负荷，上海及广州夏热冬冷或夏季冬暖地区，冬季利用溶液加湿意义不大，冬季可按传统空调系统形式运行，即冬季不开启溶液调湿单元，仅对新风进行净化过滤，由循环机组进行温度和湿度控制。
2实际运行测试分析
4.1夏季运行情况
选取某项目III级手术室进行测试，测试结果如图4~6所示，新风经过溶液除湿后送风参数平均值为17.1℃、64.6%、7.9g/kg，室内参数在22.7℃~23.1℃、48.1%~50.0%左右，室内参数完全满足洁净手术部温度22~25℃，相对湿度40~60%的要求。
图4手术室空调温度实测数据
图5手术室空调含湿量实测数据
图6手术室空调相对湿度实测数据
4.2冬季运行情况
选取某项目III级手术室进行测试，当新风机组按额定工况运行在送风温度18℃左右时，各手术室的回风温度普遍偏高，最高时达到了30℃，最低时也达到了26℃，而湿度在30%左右。由于温度偏高，无法满足手术室使用要求。对于冬季没有供冷的两管制循环机组，手术室的温度是无法进行控制的。针对这种情况，通过降低溶液调湿新风机组中溶液的浓度，将送风参数调整到14℃、75%左右，通过这种方式，可以将手术室内温度降低到24℃以下，相对湿度维持在40%左右。由此可见，调整溶液浓度的方式有一定的局限性，无法完全满足手术室冬季使用要求，应通过3.2节所述方法确定溶液调湿机组的运行方式。
5结论
5.1采用溶液调湿作为手术室湿度控制的手段，由于受溶液结晶、结冰以及新风机组储液容量的限制，溶液调湿送风相对湿度在一定范围内变化，通常在55%~75%之间，该范围能满足手术室夏季新风除湿要求，但无法满足冬季新风供冷加湿的要求。
5.2夏季手术室采用新风集中处理、独立除湿的方式，新风送风含湿量取各手术室所需送风含湿量的最小值，可控制室内相对湿度在45%~50%之间，满足手术室环境控制要求。
5.3冬季寒冷地区可采用新风供冷的方式，溶液调湿作为湿度初步调节，循环机组作精确调节，溶液调湿新风机组按I级手术室来确定送风参数；夏热冬冷或夏季冬暖地区，冬季可按传统空调系统形式运行，即冬季不开启溶液调湿单元，仅对新风进行净化过滤，由循环机组进行温度和湿度控制。
参考文献
[1]沈晋明，聂一新.洁净手术室控制新技术：“湿度优先控制”[J].洁净与空调技术，（3）：17~20.
[2]刘晓华,江亿.温湿度独立控制空调系统[M].北京:中国建筑工业出版社，
[3]刘拴强，刘晓华等.温湿度独医院建筑中的应用[J].暖通空调，，39(4)：68~73.
[4]从琳，张婷，李海翔.温湿度独立调节空调系统在洁净手术部的应用.全国暖通空调制冷年学术年会论文集.
[5]陈晓阳，从琳，张婷.溶液调湿空气处理技术的研究进展[J].暖通空调，,41(1)：21~27.
[6]ManuelR.Conde.Propertiesofaqueoussolutionsoflithiumandcalciumchlorides
ormulationsforuseinairconditioningequipmentdesign.InternationalJournalofThermalSciences43()–.
[7]李震，江亿，刘晓华，曲凯扬.从建筑物内除湿过程的能耗分析.暖通空调，,35(1):90~96.
[8]易晓勤，刘晓华，江亿.常用除湿溶液的性质分析.全国暖通空调制冷年学术年会论文集.
