HFJ-13净化空调机组的研制

1 医院手术室对空调的要求

　　实践证明，对评价进行手术时，浮游在手术室空气中的带菌粒子落入伤口是手术后伤口发生感染的主要原因之一，因此对手术室内空气的洁净程度必须提出较高要求。一些工业发达国家早已制定了本国医院手术室的空气净化标准，对手术室内空气中的细菌含量做了限制。例如美国是将手术室分为三级，见表1。

　　 　　　　　　　　　　　　　表1

　　此外，手术室内空气的温、湿度也有特殊要求，因为冬季医生不宜多空衣服，而病人手术部位要暴露出来，手术室内温度应比一般房间温度高些，而夏季室温过高又会引起医生和病人出汗，不利于手术部位的卫生和手术的顺利进行，气温过高甚至会引起病人和医生中暑，所以夏季手术室内温度又应比舒适性空调房间温度低些。空气的相对温度过大过小都会给病人和医生带来不舒适感，相对湿度大还容易给某些细菌提供迅速繁殖的条件并带来其它危害。因此，根据国外资料统计，手术室内应保持的空气温度：冬季为24～26℃，夏季23～26℃；全年的相对湿度为55%～60%。
　　
2 研制净化空调机组的必要性
　　
　　在一些工业发达国家，现代化医院的手术室都已实现了空调和净化。许多医院都有一两间手术室采用平行流的净化空调系统，用于做高级手术，而其余手术室采用乱流净化空调系统或净化空调机组。
　　国内医院的手术室除个别装有净化空调系统外，多数只有一般空调系统（包括风机盘管及普通空调机组），有的则没有空调系统，因此手术室空气中细菌浓度高达每立方米数千个，远远超过手术室对空气净化的要求。
　　技术经济分析表明，对于手术室多的大型医院还是以建造集中式净化空调系统有利；但是对于大量的中、小型医院，它们的手术室不多，也不可能进行高级手术，有II级或III级手术室已可满足要求，所以在这些地方采用净化空调机组更有利。净化空调机组方案有工期短、占地少、投资省等优点，更适于在已有医院手术室中加装净化空调时采用。然而在我国能满足手术室要求的净化空调机组尚属空白，迫切需要研制，为此，清华大学与天津市净化设备厂有关人员于1987年就开始了这项工作。但是由于种种原因，所研制的HFJ-13净化空调机组直到1991年才通过鉴定和投入小批量生产。除手术室外，HFJ-13净化空调机组也可以用于其它有恒温恒湿和净化要求的地方。
　　
3 HFJ-13净化空调机组设计参数的确定

　　统计资料表明，典型的医院手术室尺寸为6m×6m，使用面积为36m²，净高3m。一般手术期间室内可能由8名医务人员组成的手术组和一名病人。其它产热产湿量不大。HFJ-13净化空调机组即以此为使用对象进行设计。
　　根据前面介绍的手术室内空气参数要求，确定HFJ-13净化空调机组可保证的室内干球温度为25±1℃，相对湿度为50%±10%。根据上述室内条件及我国最不利地区的冬、夏季室外设计条件，计算后确定机组制冷量为13Kw，加热量为9kW，加湿能为7kg/h，即可满足要求。
　　为使手术室内空气中细菌浓度减少，需要一定的换气次数。国外研究资料表明，随着手术室内换气次数的增加，空气中细菌浓度相应减少。但换气次数的增加将导致机组风量增加，能耗增加及尺寸增大。美国传染病中心研究的结论是换气次数19～20h^-1时，一个有9人的手术室里，细菌浓度为35～106个/m³，要将此值降至18个/m³，则换气次数需增加五倍以上。目前对乱流手术室的经济换气次数美国推荐20～25h^-1，日本推荐18～20h^-1。考虑到合适的冷量风量比例，将HFJ-13机组风量定为2500m³/h，这时典型手术室内换气次数将为23h^-1，是比较合理的。
　　关于新风百分比的问题，美国早期曾规定在医院手术室里禁止使用再循环空气，故手术室的空调机组应为全新风机组。但后来，又经过专门研究，认为100%地用新风不是最好，相反使用再循环空气可以使手术室中浮游细菌数更少。 国内测定资料也说明手术室内空气中落菌数比室外大气中落菌数低很多，所以允许净化空调机组使用部分新风。经分析对HFJ-13机组，如果使用15%的新风，则可使典型手术室内每人新风量达到42m³/h，已不算少，故HFJ-13机组的新风比定为0.15。
　　
4 HFJ-13机组结构特点及主要性能
　　HFJ-13净化空调机组为风冷式，压缩机和冷凝器置于室外，室内部分只有蒸发器、风机、加热器、加湿器和三级过滤器。
　　由于净化机组空气阻力较大，而国内目前沿无高压头低噪声小风机产品，故选用两个相同型号的风机串联，以满足机组风量、风压要求。机组总体布置如图1所示。制冷系统如图2所示。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图1　机组总体布置图
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　图2制冷系统图
　　　　　　　　1-干燥过滤器；2-压缩机；3-分液器；4-膨胀阀；5-视液镜；
　　　　　　　　　6-低压压力表；7-低压三通阀；8-高压压力表；9-高低压控制器；
　　　　　　　　10-蒸发器； 11-高压控制器，12-高压三通阀；13-截止阀；14-冷凝器
　　蒸发器和冷凝器都采用了波纹肋片管。与当前广为流行的条缝肋片或冲缝片相比。这种肋片管风侧阻力不大，又在一定程度上提高了传热性能，是一种较好的结果型式。空气加热器用的是带翅片的电热管，这种结构型式担忧热管热流密度大，因而减小了加热器的尺寸，便于安装。
　　空气加湿器为电极式，外壳由塑料制成，防腐性能好。为了减少水垢积累，加湿器设有反冲水系统。
　　粗效过滤器用TL-C-07无纺布制成，初阻力29.4Pa，容尘量300g/m²，对直径≥0.5μm的尘粒过滤效率为27.6%.
　　中效过滤器用FTL-1无纺布制成，初阻力68.8Pa，容尘量450g/m²，对直径≥0.5μm的尘粒过滤效率为30%。
　　末级过滤器采用YGG型亚高效过滤器，该亚高效过滤器对直径≥0.5μm的尘粒过滤效率为99%左右，初阻力为69.7Pa。
　　此外，HFJ-13净化空调机组还装有15W此外线灭菌灯，停机时可做空气灭菌消毒用。
　　为了保证空气净化的严格要求，HFJ-13机组采用了双层金属夹玻璃棉的方法保温，机柜内部还采用了不易脱落的热固性聚氨酯粉末喷涂方法达到了防腐目的。过滤器间及机柜的密封采用了机械密封。
　　HFJ-13净化空调机组主要性能见表2。
　　　　　　　　　　　　　　表2

　　机组的自动控制有以下特点：
　　机组带有两个温控器。当室内温度低于给定温度下限时，温控器1使电加热器投入一定档数，保证室内温度不低于给定值；当室内温度高于给定温度上限时，温控器2使制冷系统投入使用，保证室内温度不高于给定值；当室内相对湿度低于给定值时，相对湿度控制器将使电极加湿器投入工作，保证室内相对湿度不低于给定值；当室内相对湿度高于给定值时，制冷系统将自动启动除湿，保证室内相对湿度不高于给定值。
　　除此之外，从节能角度出发，机组的冷凝器设两台轴流风机，用制冷剂压力控制，当压力不足1.5MPa时只启动一台轴流风机，当压力高于1.5MPa时才启动两台轴流风机。

5 性能测试结果及分析
　　对HFJ-13净化空调机组样机进行了较全面测试，取得了令人满意的结果。下面就机组制冷量、净效果及噪声等主要性能指标的测试结果进行了一些分析。
　　在冷凝器进风温度为35℃的条件下，改变蒸发器进口的空气参数，得到了机组热工性能曲线，见图3。将冷凝器进风干球温度35℃，蒸发器进风干球温度25℃、湿球温度18℃定为名义制冷工况。机组的名义制冷量为13kW。在名义制冷工况下实测得到制冷量为12.54kW，二者相差3.5%，符合国家标准允许的偏差要求。由于蒸发器及冷凝器的面积均有一定裕量，实测制冷量理应比预计的大些，然而测试时做了很多努力，制冷量还是增不上去，最后分析原因在于压缩机。如果压缩机出力更大，估计机组制冷量可接近14kW。
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　图3机组热工性能曲线（t_a=35℃）
　　
　　在人工发尘和没有人工发尘情况下都测试了机组的净化效果。在机组进出口若干点取样得到空气中≥0.5μm尘粒浓度平均值，然后计算净化效率。共测定三次，三次测定结果平均值见表3。根据前面介绍的三级过滤器效率计算出的机组总过滤效率的为97.5%。该值与表3中第1次（人工发尘时）测试结果相差不大，由此可见机组各级过滤器的过滤效率完全可以达到以厂家给定值。
　　　　　　　　　　 　　　　表3 测定次序

　　对使用HFJ-13净化空调机组的典型手术室进行的测算表明，手术室内空气中≥0.5μm的尘粒浓度为889000个/m³（25400个/ft³），用尘菌关系转化式^[1]可算出此时手术室空气中细菌浓度为74个/m³（2.1个/ft³），完全可达到II级手术室对空气环境的净化要求。由前面计算也可看出，如果将此种装有亚高效过滤器的净化空调机组用于洁净室，则洁净室的洁净等级比100000级高，但达不到10000级的水平。如果仅洁净室内局部地方要求更高的净化级别，则可以用超净化工作台与之配合，这同样可以达到减少初投资和运行费的目的。
　　根据产品样本，所选用的通风机噪声为63dB(A)，通过计算两台风机噪声叠加值为65.5dB(A)，实测结果机组总噪声为63.6dB(A)，考虑到保温层、过滤器等也有一定消声作用，测定结果是可信的。
　　由于机组噪声值仍偏高，故建议将机组装在使用房间的邻室，用一段风道连接，此时室内噪声值将比较满意，首批样机用户就是这样使用的。将来如能获得更低噪声的风机，也可以将机组直接放在室内。最理想的方案当然是不用两台风机串联，而用一台高压头、低噪声的小型风机，深信随着国内风机产品水平的提高这个问题可以解决。
　　
6 参考文献 　
　
　　许钟麟著，空气洁净技术原理，北京：中国建筑工业出版社，1983。