我院凈化空調加濕系統改造分析

關鶴

北京積水潭醫院 設備科，北京 100035

引言

空氣潔凈技術起源于國外，由于戰爭中雷達及高精設備的電子元器件經常損壞，人們開始研究提高電子元器件耐用性的方法，空氣潔凈技術應運而生。從國際角度看，潔凈技術基本經歷了數個階段的的發展，才達到了現在的技術水平，在國內正在由軍工走向民用、從高精走向普及，潔凈技術正不斷的在制藥、醫療及食品行業扮演重要角色[1]。電子電器制造行業一直是空氣潔凈技術的主要發展動力之一，隨著電子行業的發展，給受控環境提出的環境越來越高，例如大直徑硅片千兆技術的發展對潔凈生產環境提出了更新、更高的要求，控制對象已從塵粒發展到分子級污染[2]。在醫療行業中，凈化工程逐漸占據了越來越重要的地位，可控環境在醫院管理中能夠保障醫療過程的可靠性，同時更是保護醫患雙方安全的重要工具。由于選擇合適的設備是影響醫院整體管理的一個重要因素，為了提高醫院的建設，本文通過分析北京積水潭醫院回龍觀院區凈化工程空調加濕系統改造的案例，比對各種技術成熟的空調加濕器的性能特點，以及改造前后凈化空調系統的運行狀況，得到一些對于醫院建設、醫療凈化空調系統和醫院集中空調建造、管理、維護方面的經驗和建議，希望為今后醫療凈化工程的建設和改造提供一些幫助。

1 問題分析和改造論證

1.1 提出問題

本文研究討論的是北京積水潭醫院回龍觀院區凈化空調系統加濕設備改造工程，凈化空調系統服務的對象是手術室、ICU等。在醫院里這些區域往往處理的都是一些技術高、難度大、危險性高的工作，所以凈化空調系統就成為了醫院醫療和科研過程的首要保障力量之一。文獻證明，采用層流空氣凈化系統的手術室能夠明顯降低Ⅰ、Ⅱ類手術切口感染率[3]，可以說，配備層流凈化功能的手術室和監護病房已經成為現代化醫院的基本單元。凈化的目的，就是要降低病人的感染率，減少病人的抗生素使用量，阻斷病人之間、病人和醫務人員的交叉感染。除了日常醫療用品的消毒，對環境的控制也是非常重要的。據世界衛生組織調查，手術室空氣含菌量與切口感染發生率呈正相關[4]。在凈化區域建設完成之后，對凈化區域的管理就成了影響感染的長期的重要因素[5]，除了凈化空調的三級過濾等消毒功能外，通過適當的空氣處理方式，將潔凈室內的相對濕度控制在最不利于微生物生長的范圍，也是有必要的[6]，這一點在GB50333-2013醫院潔凈手術部建筑技術規范中也有體現。同時，潔凈室的相對濕度的控制也是決定室內人員舒適性和醫院整體運行的能耗的重要影響因素之一[7-8]，所以對于凈化空調系統加濕部分的控制不容忽視。

基于以上原因，考慮到我院現有凈化空調系統加濕器已不堪重負，并且故障率非常高，使我院管理人員必須尋求一個更好的空調加濕方案，來優化我院凈化空調系統的管理。

1.2 加濕方式的對比

在空調處理過程中所提及的空氣濕度通常指一定溫度下空調中的相對濕度，采用百分比的形式給出。相對濕度指空氣中水汽壓與相同溫度下飽和水汽壓的百分比，或濕空氣的絕對濕度與相同溫度下可能達到的最大絕對濕度之比，也可表示為濕空氣中水蒸氣分壓力與相同溫度下水的飽和壓力之比。

在一定溫度條件下，空氣相對濕度越小，人體汗液蒸發越快，人的感覺越涼快。北京地區冬季和春季白天一般濕度為20%左右，夜晚一般在70%左右。由于冬春季節濕度太小，人們往往有不舒的感覺，有時還出現嘴唇干裂、鼻孔出血、喉頭燥癢等現象?？墒?，到了盛夏季節，空氣濕度達到80%以上時，由于汗液蒸發緩慢，人們又會感覺酷暑難耐，有時還會中暑或引發腎病、結核病、關節炎等疾病。對于帶有凈化空調系統的手術室環境而言，相對濕度應控制在40%至60%之間[9]，否則會導致細菌感染幾率增加、治療環境變差?？梢?，濕度的控制在手術室控制中是非常關鍵的一個環節，對于北京等北方地區，秋冬季節空氣極其干燥，加濕季節非常長，加濕更是空調系統運行中的難題。

不同的加濕方式各有其優缺點，以及其適用的行業領域[10]。選擇正確的加濕方式能夠保證生產過程的順利進行，反之加濕效果往往不好，同時還可能產生一系列問題[11]。通?？梢苑譃榈葴丶訚?、等焓加濕、加熱加濕、冷卻加濕等，分別具有以下特點：

（1） 等溫加濕：屬于等溫加濕的方法通常有干蒸汽加濕、電極式加濕、電熱式加濕、紅外線加濕等，處理過程中空氣溫度不變，濕度增加，沒有顯熱交換，加濕的同時增加了空氣的焓值。

（2）等焓加濕：采用等焓加濕方式的加濕設備有濕膜加濕器、板面蒸發式加濕器、高壓噴霧加濕器、超聲波加濕器、離心式加濕器、噴水室等。等焓加濕過程中，空氣通過與水接觸，進行顯熱和潛熱交換，由于兩種熱交換速度相等，所以溫度下降，濕度增加，焓值不變。

（3）加熱加濕：如果噴水室噴淋溫度高于空氣干球溫度的熱水，則加濕過程變為加熱加濕過程，空氣的溫度和濕度同時增加。

（4）冷卻加濕：冷卻加濕的過程可以由噴水室噴淋溫度低于空氣溫度的冷水來獲得，水份部分蒸發，同時空氣與水進行顯熱交換。

1.3 加濕改造工程論證

本文對北京積水潭醫院回龍觀院區凈化空調系統加濕改造工程進行討論，院區所有凈化機組采用的均是電極式加濕器，但是在運行過程中發現如下問題：

（1）北京地區的水質不適合使用電極加濕的方式。由于北京地區水質硬度大，北京市昌平區自來水總硬度為450 mg/L（信息采集自2014年第四季度昌平自來水有限責任公司水質公告）[12]，而電極式加濕器能夠承受的最大供水硬度為288 mg/L。運行一段時間后，電極式加濕系統會使加濕器內聚積大量水堿，堵塞加濕器排水管路而致使加濕器報警。而且隨著加濕器的使用，加濕桶內的水分蒸發，桶內聚集大量碳酸鈣及鎂鹽等沉淀物和鹽類，使得加濕桶內的水質硬度不斷升高，導電率也隨之不斷升高，造成加濕桶內容易產生高壓電弧，輕則使加濕器保險及電路損壞，致使加濕器故障率倍增，重則可燒毀加濕桶極其電路而引起火災。

（2）電極加濕器耗材消耗量大。電極加濕器的耗材消耗量較大，這是由于加濕器本身工作原理及構造、當地水質、醫院凈化空調運行時間長等諸多問題綜合導致的。根據院區管理維護的經驗，電極加濕器由于水質不好，造成加濕桶容易損壞，一個加濕季節內，基本損壞30%的加濕桶；由于加濕器需要頻繁排出達到100℃的熱水，且控制電路復雜、電壓高、電流大，導致控制電路板和排水閥經常損壞。

（3）電極加濕器維修工作量大，且難度大。隨著每年加濕季節的到來，加濕器投入使用后，24 h運轉的凈化空調機組也在24 h不停的加濕，尤其是冬季，北京地區冬季室外設計參數中，冬季室外濕度為37%，實際情況比該數值低得多，加濕器負荷大，在管理過程中，即使增加了軟化水系統，電極式加濕器的故障率也非常高，以院區手術室空調為例，每天故障率最低保持在3～5臺/次。圖1選取了5臺手術室空調機組的濕度記錄作為參考。

圖1 2013年12月份濕度記錄

2 改造工程設計和施工

可以看出，有些空調機組加濕器運行非常不穩定，甚至持續一段時間每天出現故障，這就需要維修人員每天進行清理并維修。這只是顯示了隨機抽選的5臺機組作為舉例說明，全院共有大小機組33臺需要加濕，工作量相當大。

雖然通過改進加濕器水源水質能夠起到一定改善效果[13]，但根據本院實踐后觀察，依然不能杜絕加濕器故障發生的情況，而且整個院區凈化空調設備分布在不同樓層，較為分散，部分凈化空調機組位于層高1.8 m的設備層，設備層內各種管道綜合交錯、結構復雜，個別局部可容人通過高度僅為40 cm，工作環境惡劣，在這樣的環境里要對高溫、高壓的加濕設備進行維護，對工作人員的安全造成了極大的威脅。同時，維修速度難以保障，對于手術室、ICU這類工藝性空調設備而言，設備故障就意味著增加了病人感染和環境污染的機會，嚴重威脅著醫護人員的健康。

綜上，在一個加濕季節內，不僅經常要維修電極加濕器，且維修加濕系統的耗材也相當昂貴，但若采用蒸汽加濕器，根據積水潭醫院之前的改造經驗，在設備使用年限內基本無任何維修耗材，運行穩定，加濕效果好，所以院區凈化空調設備加濕系統需要進行改造，以達到運行穩定、節約成本之目的。

對于醫院凈化空調系統，選取幾種常用的加濕方式進行比較，各種加濕方式具有以下優缺點，見表1[14]。

綜合考慮以上優缺點，出于以下原因，選擇將院區所有凈化空調加濕器改為干蒸汽式加濕器：干蒸汽式加濕器具有加濕迅速、均勻、穩定控制精度高；不帶水滴、無菌、無噪聲等特點；醫院本身配備有蒸汽鍋爐，且可以24 h運行；醫院凈化空調設備嚴格要求無菌，且不能有白粉等污染物。

2.1 工程介紹

本工程對加濕系統改造，使用干蒸汽直接噴射式加濕器取代現有加濕系統。經過醫院采購部門統一公示招標，專家一致討論后確定使用斯派莎克品牌干蒸汽加濕系統進行改造。經過院方與廠家協商和現場考察，確定改造基本方案如下：

保留原電極式加濕器作為備用；使用鍋爐房蒸汽鍋爐作為蒸汽來源；鍋爐房內的分氣缸，由于原有分氣缸出口數量不足，必須在此次工程中進行更換。主管道通過鍋爐房與主樓之間連接的管溝進入主樓，再由樓內分支管路通至各設備機房；按就近分區原則設減壓站，將高壓蒸汽減壓至加濕設備使用壓力；蒸汽加濕器設汽水分離裝置，保證進入空調的為高干度蒸汽；所產生的冷凝水由冷凝水管道輸送回鍋爐房水箱，保證能源再循環利用。整個工程系統圖，見圖2。

圖2 加濕改造系統圖

如圖2所示，主樓內部的工程施工范圍覆蓋從地下二層至屋面的各空調機房以及沿途布管區域，由地下二層進入主樓，樓上部分為東西兩個區域，分別由主樓兩側的管道間向上布置，到達各層后分別向相應區域布置橫向分支管路。

2.2 工程方案

（1）為避免原有加濕器因為設計不足原因導致加濕效果不好，對所有空調機組加濕負荷進行驗算，以求改造后的加濕系統能夠滿足運行要求。由于人員及其它因素散濕作用，冬季加濕負荷主要來源于室外新風，室外新風狀態點d1選取0℃、30%作為計算參數，室外新風與回風混合后通常被加熱到22℃，為簡便計算，統一選擇室內狀態點d2：22℃、50%濕度作為計算參數。確定了狀態點后，查詢焓濕圖得出含濕量d1=0.715 g/kg，d2=8.225 g/kg，則空調機組的加濕量可由下式確定：

表1 加濕器優點及缺點

式中，D表示加濕負荷，單位kg/h；Q表示機組新風量，單位m3/h；ρ表示空氣密度，單位ρ=1.205 kg/m3。

（2）根據每臺空調機組加濕段截面尺寸選取蒸汽噴管的數量和型號；結合加濕的蒸汽量、蒸汽壓力，確定對應控制閥的口徑及型號，每個末端設備按照型號兼容性選擇相應的汽水分離設備。

（3）根據蒸汽壓力和流量，查《動力管道設計手冊》，選出高低壓管道的管徑。

（4）根據上游高壓蒸汽壓力、下游低壓蒸汽壓力及蒸汽的流量進行減壓閥的選型。

（5）按照設備說明書及設計大樣圖對管路和管件進行連接。

蒸汽系統安裝示意圖，見圖3。

圖3 蒸汽系統安裝示意圖

3 運行狀況分析

通過運行觀察一年有余，從如下兩個方面總結改造的效果。

3.1 改造前后運行效果對比

電極加濕器的耗材消耗量較大，這是由于其加濕器本身原理及構造導致的。根據管理維護的經驗，電極加濕器由于水質不好，造成加濕桶容易損壞，一個加濕季節內，基本損壞30%的加濕桶；由于加濕器需要頻繁排出達到100℃的熱水，且控制電路復雜、電壓高、電流大，導致控制電路板和排水閥經常損壞。故在一個加濕季節內，不僅經常要維修電極加濕器，且維修加濕系統的耗材也相當昂貴。

改造后的一個加濕月的濕度記錄，見圖4。由圖可見，機組濕度非常平穩，由于蒸汽加濕器采用鍋爐房直供干蒸汽作為氣源，蒸汽供應量充足，蒸汽潔凈，加濕器汽水分離好、運行穩定，加濕非常迅速，室內濕度波動不超過2%，使得凈化空調機組運行效果非常好。

圖4 2016年12月濕度記錄

3.2 經濟效益對比

電極加濕器運行費用遠遠大于蒸汽加濕器：以北京市一般工商業用電價格計算，按照10 kV供電等級、平均1.2822元/kW·h計算，電極式加濕器使用率為60%至70%，以每天運轉約為15 h計算，所有加濕器耗電量為561.8 kW，每天耗電為8415 kW·h時，每天用于加濕的電能價值10789元。

若使用蒸汽鍋爐供給凈化空調加濕，以一臺熱效率為97%的蒸汽鍋爐為例，額定蒸發量為10000 kg/h的鍋爐，額定燃氣量（天然氣）為710 Nm3/h。生產729 kg/h的干蒸汽、每天使用15 h，共10935 kg蒸汽，約消耗燃氣776 Nm3，北京市燃氣價格（工商業）為3.23元/m3，故每天用于加濕的燃氣費用為2506元。

我院回龍觀院區凈化空調加濕器情況，見表2，可以更加直觀的顯示出使用燃氣鍋爐供給干蒸汽加濕，和使用電極式加濕器的能耗差距。

表2 我院回龍觀院區凈化空調加濕器情況

雖然節能不是本次工程的初始目的，但是從節能環保的角度來看，研究潔凈室凈化空調的節能已經成為一個趨勢[15]，本次改造前后的能耗計算也提示出凈化空調能耗研究能夠給用戶節省可觀的運行成本。

4 結論

通常醫院都配備有消毒供氣的蒸汽鍋爐或其它蒸汽源，空調加濕量相對于蒸汽鍋爐的供氣量來說一般不大，對比所有空調加濕器的特性，結合醫院本身的特點，在不需要單獨配置蒸汽鍋爐的前提下，醫院的集中空調，特別是凈化空調系統的加濕器的選擇上，選取使用集中供氣的干蒸汽式加濕器是比較合適的。雖然增加了一部分初期投資和施工難度，但是在以下幾個方面，具有明顯優勢：運行穩定，加濕迅速，控制簡單，維護難度小甚至基本免維護；干蒸汽加濕干凈、無菌，有利于控制醫療環境；在使用原有蒸汽鍋爐氣源的前提下，不僅不會影響消毒供氣，還充分了消毒蒸汽使用間歇時間，避免浪費，相對其它加濕方式來說，節水節電，經濟效益較好；尤其適合水質不好，且加濕季節長的地區。