Контроль температуры и влажности в операционных

Контроль температуры и влажности в помещениях операционных больниц необходим для соблюдения:

– комфортных условий для работы персонала, использующего специализированную одежду из плотного материала;

– микробиологической чистоты воздуха, так как интенсивность выделения микроорганизмов напрямую зависит от температуры среды;

– предотвращения негативных физиологических симптомов, таких как высыхание слизистой оболочки у людей.

Диапазоны температуры и относительной влажности в помещении операционных, значения требуемого минимального воздухообмена, установленные местными нормами и правилами, принятыми в медицинской отрасли, приведены в табл. 1.

Часто при проектировании систем кондиционирования воздуха в помещениях операционных в качестве технологического задания принимают во внимание мнения хирургов, проводящих операции, которые отдают предпочтение более низким температурным параметрам, нежели предписаны нормативами. Причинами этого часто являются субъективные ощущения, такие как личный комфорт (при многочасовом стоянии на ногах в воздухонепроницаемой одежде) и убеждение в более успешном проведении операции при низких температурах, с точки зрения воспалительных осложнений, возникающих при инфицировании во время операционного процесса. Например, Дон Гаррисон, главный руководитель больницы Franklin Memorial Hospital в г. Фармингтоне (США) говорит: «У нас всегда были проблемы с удовлетворением запросов хирургов, которые требовали температуру в районе 17–18 °C, в то время как анестезиологи и прочий медицинский персонал хотели более высокую температуру».

Особенности проектирования систем кондиционирования воздуха

Жесткие требования к поддержанию температуры и влажности воздуха в помещениях операционных, обеспечение высокой кратности воздухообмена вносят существенные осложнения в процесс проектирования климатических систем. Воздухообмен, рассчитанный традиционным упрощенным способом, каким обычно пользуются инженеры, принимая 54 л/с (194,5 м³/ч) на 1 кВт теплоизбытков, для поддержания необходимого уровня температуры, не способен обеспечить всю совокупность требований, предъявляемых к воздушной среде «чистых» помещений.

Американский институт архитекторов (AIA) разработал инструкцию по проектированию операционных, где приводится кратность воздухообмена для помещений операционных в размере 15 обменов в час, причем 20 % от общего притока приходится на долю наружного воздуха. Как пример рассмотрим помещение операционной площадью 42 м² и высотой 3 м. Тогда требуемый воздухообмен составит 1 890 м³/ч. Примем, что помещение оснащено типовым осветительным и технологическим оборудованием, численность персонала стандартная. При этом избытки явной теплоты составят 2,4 кВт, скрытой – 0,47 кВт, что определяет нагрузку на систему охлаждения, обеспечивающую необходимые параметры воздуха помещения операционной. Эти значения используем для определения параметров приточного воздуха.

Таким образом, доля явной теплоты составит 0,84, т. е. 84 % холодильной нагрузки определяется явными теплопоступлениями. В качестве исходных данных примем расчетные параметры воздуха в рабочей зоне помещения: температуру – 17 °C и относительную влажность – 60 %, чему соответствует влагосодержание в размере 7,2 г/кг при температуре точки росы 9 °C. На психометрической диаграмме (рис. 1) линия, соответствующая доле явной теплоты, выделяемой в помещении (0,84), идет от точки, соответствующей параметрам состояния воздуха в рабочей зоне помещения, (RA) до точки ее пересечения с кривой насыщения. Точка, соответствующая параметрам приточного воздуха, необходимого для ассимиляции теплоты, выделившейся в помещении (SA), должна лежать на линии явной теплоты.

Рассмотрим способ обеспечения требуемой влажности в обслуживаемой зоне операционной при условии учета только явной тепловой нагрузки помещения. По расчету приточный воздух (в количестве 531 л/с, или 1 890 м³/ч) с температурой 13 °C, ассимилируя явные тепловыделения, может поддерживать температуру воздуха в обслуживаемой зоне помещения на уровне 17 °C.

При высокой требуемой кратности воздухообмена в помещениях операционных по сравнению, например, с кратностью, нормируемой для помещений офисов, перепад между температурой приточного и внутреннего воздуха должен быть значительно меньше стандартной величины, принимаемой при проектировании большинства других учреждений. В противном случае будет нарушаться характер движения («ламинарность») потока воздуха, поступающего через воздухораспределительное устройство. Таким образом, в примере температура приточного воздуха принята на 4 °C меньше температуры воздуха в рабочей зоне операционной (а не на 11 °C, как обычно). С другой стороны, при охлаждении приточного воздуха до 13 °C его относительная влажность понижается до 70 %, что превышает рекомендованный верхний предел (60 %) (рис. 1). Поэтому при проектировании систем кондиционирования воздуха в помещениях операционных следует учитывать необходимость обеспечения требуемой температуры и влажности одновременно. Но достижение требуемого уровня влажности с помощью воздухоохладителя часто сопровождается понижением температуры приточного воздуха до значений, ниже требуемых, что влечет за собой необходимость его дополнительного нагрева перед подачей в помещение.

Влагосодержание приточного воздуха, необходимого для ассимиляции скрытых теплопоступлений в помещении (0,47 кВт) составляет 6,9 г/кг при температуре точки росы 8 °C. Подача в операционную большого количества такого холодного воздуха приведет к переохлаждению помещения, поскольку для компенсации выделяющихся в нем теплоизбытков температура приточного воздуха должна быть не ниже 13 °С. Для увеличения температуры воздуха, выходящего из воздухоохладителя, до требуемой температуры притока можно установить после него воздухонагреватель второго подогрева (рис. 2).

Рисунок 1. Процессы обработки воздуха в кондиционере с поддержанием температуры воздуха в рабочей зоне операционной

Рисунок 2. Процессы обработки воздуха в кондиционере с поддержанием температуры и влажности воздуха в рабочей зоне операционной

Конструктивные решения систем кондиционирования воздуха

Рассмотрим способы обеспечения требуемых значений температуры и влажности в операционном зале.

Вариант 1. Обработка воздуха с применением воздухоохладителя и воздухонагревателя

На рис. 4 представлена схема системы кондиционирования воздуха с его осушением и последующим нагревом. В воздухонагревателе второго подогрева происходит нагрев воздуха, выходящего из воздухоохладителя, до температуры притока, что позволяет поддерживать требуемую температуру воздуха в рабочей зоне операционной. В таком случае для помещений операционной, взятой в качестве примера, холодильная мощность установки составляет 10,6 кВт, тепловая – 2,5 кВт. Для экономии энергии, расходуемой на второй подогрев, целесообразно применение системы кондиционирования воздуха с рекуперацией теплоты. С другой стороны, раздел 6.5.2.3 Стандарта ANSI/ASHRAE/IESNA 90.1–2004 «Энергетические стандарты для зданий, за исключением малоэтажных жилых зданий» допускает, при необходимости контроля температуры и влажности в помещениях операционных (6), использование дополнительной энергии для вторичного подогрева воздуха.

Рисунок 3. Чиллер с водяным охлаждением конденсатора

Этот вариант требует установки новой водоохлаждающей машины (чиллера) большей мощности для производства холодной воды с температурой 4 °С, что позволит понизить температуру воздуха при его обработке в воздухоохладителе до 9 °С. Это может быть воздухоохлаждающая холодильная машина с воздушным или водяным охлаждением конденсатора. В больницах лишь для небольшого ряда помещений требуется осушка приточного воздуха путем его охлаждения до температуры ниже точки росы его начального состояния (от 2 до 10 °С). Это помещения операционных, некоторых видов лабораторий, комнат приготовления препаратов. Для помещений палат, лечебных кабинетов, залов ожидания, офисов, столовых и вспомогательно-технических помещений требуются другие параметры приточного воздуха.

Рисунок 4. Схема системы кондиционирования воздуха охлаждением и вторым подогревом (один воздухонагреватель)

Мощность существующей водоохлаждающей холодильной установки не достаточна для выработки холодной воды с температурой, необходимой для требуемой осушки воздуха, подаваемого в помещения операционных. В нашем примере температура холодоносителя составляет 7 °С, что вряд ли позволит охладить воздух в воздухоохладителе до 9 °С. Следует установить новую водоохлаждающую холодильную машину (чиллер) с водяным охлаждением конденсатора большей мощности, способную охлаждать воду до более низких температур (рис. 3). Эта установка требует создания водяного контура для охлаждения конденсатора со всем необходимым оборудованием, но имеет меньшую стоимость по сравнению с чиллерами с воздушным охлаждением конденсатора, требующими, к тому же, свободного места для установки снаружи здания. Теплота конденсации, выделяемая при водяном охлаждении конденсатора, бесполезно теряется в окружающую среду.

Вариант 2. Обработка воздуха с применением двухступенчатого охлаждения и второго подогрева

Вариант 2 отличается от вышерассмотренного случая компоновкой кондиционера, где предусматривается установка двух воздухоохладителей (первой и второй ступени) вместо одного (рис. 5). Первая ступень охлаждения охлаждает и осушает воздух до 13 °С при потребляемой холодильной мощности 6,3 кВт, а вторая – до 9 °С при мощности 4,2 кВт. Потребляемая мощность воздухонагревателя второго подогрева составляет 2,5 кВт.

В этом случае также требуется установка воздухоподогревателя второго подогрева и нового чиллера большей мощности для производства воды с достаточно низкой температурой для осушения воздуха, подаваемого в помещения операционной. Основное преимущество этого варианта в том, что первая ступень охлаждения может работать от существующей водоохлаждающей холодильной машины (при наличии свободной мощности), вторая ступень – от вновь установленного чиллера, имеющего меньшую мощность по сравнению с вариантом с одним воздухоохладителем.

Рисунок 5. Схема системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым охлаждением и вторым подогревом (два воздухоохладителя)

Вариант 3. Осушка воздуха при помощи роторного осушителя

В этом случае по сравнению с предыдущими вариантами в кондиционер добавлен роторный осушитель (рис. 6), который поглощает влагу из воздуха после его прохождения через воздухоохладитель. Это позволяет готовить более сухой воздух (при более низкой температуре точки росы) без понижения температуры холодной воды, используемой в воздухоохладителе. Способность осушителя поглощать водяные пары растет с увеличением относительной влажности воздуха и существенно падает при ее снижении. Относительная влажность воздуха на выходе из воздухоохладителя обычно превышает 90 %, при этом роторный осушитель может поглощать значительные объемы водяных паров из воздуха.

Рисунок 6. Схема системы кондиционирования воздуха с роторным осушителем

Поглощение осуществляется не за счет потока горячего регенерирующего воздуха, а за счет способности осушителя регенерировать при низких температурах без вспомогательного тепла. Роторный осушитель вращается со скоростью 1 об./мин медленно поглощая водяной пар. Увеличение температуры осушаемого воздуха происходит за счет выделяющейся теплоты при адсорбции.

Рисунок 7. Изменение температуры воздуха, осушаемого в роторных осушителях разного типа

На рис. 8 представлены процессы обработки воздуха в кондиционере с применением роторного осушителя на примере той же операционной. Воздух выходит из воздухоохладителя (точка СА) с высокой относительной влажностью. После этого роторный осушитель поглощает водяные пары, осушая приточный воздух (точка SA) при охлаждении его до температуры точки росы, равной 6 °C. Явная теплота, выделяемая в режиме поглощения, повышает температуру приточного воздуха до 13 °C. Смешанный воздух (точка МА), поступающий со стороны ротора, имеет более низкую относительную влажность (около 50 %). При такой относительной влажности водяные пары выходят из осушителя и поступают в смешанный воздух (точка MA’), после чего конденсируются в воздухоохладителе. В результате имеем параметры приточного воздуха в помещении (точка RA): температура 17 °C и относительная влажность 55 %. Таким образом, использование роторного осушителя изменяет осушительную производительность воздухоохладителя. В данном примере требуемая холодильная мощность составляет 7,4 кВт, второй подогрев при расчетных нагрузках не требуется.

Рисунок 8. Построение процесса осушения воздуха в роторном осушителе

Для получения требуемых параметров приточного воздуха (точка SA) с применением установки с воздухоохладителем и воздухонагревателем второго подогрева воздух следует охлаждать до 9 °C, с повторным его нагревом до 13 °C, во избежание переохлаждения помещения (рис. 2). В то же время, с помощью роторного осушителя можно добиться охлаждения воздуха до той же температуры точки росы, но с меньшей холодильной мощностью, без второго подогрева и, в тоже время, обеспечивая более высокую температуру воздуха на выходе из воздухоохладителя – 11 °C против 9 °C.

При наличии у существующей центральной водоохлаждающей машины свободной мощности и правильном подборе воздухоохладителя, возможно получение воздуха на выходе из него (точка СА) с температурой 11 °C, используя существующую воду (7 °C), избегая при этом установки нового холодильного оборудования.

Рисунок 9. Схема системы обработки воздуха с применением роторного осушителя

Заключение

При проектировании системы ОВК для помещений операционных следует учитывать необходимость поддержания в рабочей зоне требуемых параметров как температуры, так и относительной влажности воздуха. Конструктивные решения такой системы кондиционирования воздуха могут потребовать замены существующего холодильного оборудования на новое более мощное или их комбинацию. В табл. 2 приводится сравнительная оценка трех способов обработки воздуха, рассмотренных в данной статье.

Применение роторного осушителя позволяет получать воздух с более низким влагосодержанием без понижения температуры холодоносителя в воздухоохладителе. При этом требуется меньшая общая холодильная мощность без повторного нагрева воздуха при расчетной нагрузке.