我院净化空调加湿系统改造分析

关鹤

北京积水潭医院 设备科，北京 100035

引言

空气洁净技术起源于国外，由于战争中雷达及高精设备的电子元器件经常损坏，人们开始研究提高电子元器件耐用性的方法，空气洁净技术应运而生。从国际角度看，洁净技术基本经历了数个阶段的的发展，才达到了现在的技术水平，在国内正在由军工走向民用、从高精走向普及，洁净技术正不断的在制药、医疗及食品行业扮演重要角色[1]。电子电器制造行业一直是空气洁净技术的主要发展动力之一，随着电子行业的发展，给受控环境提出的环境越来越高，例如大直径硅片千兆技术的发展对洁净生产环境提出了更新、更高的要求，控制对象已从尘粒发展到分子级污染[2]。在医疗行业中，净化工程逐渐占据了越来越重要的地位，可控环境在医院管理中能够保障医疗过程的可靠性，同时更是保护医患双方安全的重要工具。由于选择合适的设备是影响医院整体管理的一个重要因素，为了提高医院的建设，本文通过分析北京积水潭医院回龙观院区净化工程空调加湿系统改造的案例，比对各种技术成熟的空调加湿器的性能特点，以及改造前后净化空调系统的运行状况，得到一些对于医院建设、医疗净化空调系统和医院集中空调建造、管理、维护方面的经验和建议，希望为今后医疗净化工程的建设和改造提供一些帮助。

1 问题分析和改造论证

1.1 提出问题

本文研究讨论的是北京积水潭医院回龙观院区净化空调系统加湿设备改造工程，净化空调系统服务的对象是手术室、ICU等。在医院里这些区域往往处理的都是一些技术高、难度大、危险性高的工作，所以净化空调系统就成为了医院医疗和科研过程的首要保障力量之一。文献证明，采用层流空气净化系统的手术室能够明显降低Ⅰ、Ⅱ类手术切口感染率[3]，可以说，配备层流净化功能的手术室和监护病房已经成为现代化医院的基本单元。净化的目的，就是要降低病人的感染率，减少病人的抗生素使用量，阻断病人之间、病人和医务人员的交叉感染。除了日常医疗用品的消毒，对环境的控制也是非常重要的。据世界卫生组织调查，手术室空气含菌量与切口感染发生率呈正相关[4]。在净化区域建设完成之后，对净化区域的管理就成了影响感染的长期的重要因素[5]，除了净化空调的三级过滤等消毒功能外，通过适当的空气处理方式，将洁净室内的相对湿度控制在最不利于微生物生长的范围，也是有必要的[6]，这一点在GB50333-2013医院洁净手术部建筑技术规范中也有体现。同时，洁净室的相对湿度的控制也是决定室内人员舒适性和医院整体运行的能耗的重要影响因素之一[7-8]，所以对于净化空调系统加湿部分的控制不容忽视。

基于以上原因，考虑到我院现有净化空调系统加湿器已不堪重负，并且故障率非常高，使我院管理人员必须寻求一个更好的空调加湿方案，来优化我院净化空调系统的管理。

1.2 加湿方式的对比

在空调处理过程中所提及的空气湿度通常指一定温度下空调中的相对湿度，采用百分比的形式给出。相对湿度指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比，或湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比，也可表示为湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比。

在一定温度条件下，空气相对湿度越小，人体汗液蒸发越快，人的感觉越凉快。北京地区冬季和春季白天一般湿度为20%左右，夜晚一般在70%左右。由于冬春季节湿度太小，人们往往有不舒的感觉，有时还出现嘴唇干裂、鼻孔出血、喉头燥痒等现象。可是，到了盛夏季节，空气湿度达到80%以上时，由于汗液蒸发缓慢，人们又会感觉酷暑难耐，有时还会中暑或引发肾病、结核病、关节炎等疾病。对于带有净化空调系统的手术室环境而言，相对湿度应控制在40%至60%之间[9]，否则会导致细菌感染几率增加、治疗环境变差。可见，湿度的控制在手术室控制中是非常关键的一个环节，对于北京等北方地区，秋冬季节空气极其干燥，加湿季节非常长，加湿更是空调系统运行中的难题。

不同的加湿方式各有其优缺点，以及其适用的行业领域[10]。选择正确的加湿方式能够保证生产过程的顺利进行，反之加湿效果往往不好，同时还可能产生一系列问题[11]。通常可以分为等温加湿、等焓加湿、加热加湿、冷却加湿等，分别具有以下特点：

（1） 等温加湿：属于等温加湿的方法通常有干蒸汽加湿、电极式加湿、电热式加湿、红外线加湿等，处理过程中空气温度不变，湿度增加，没有显热交换，加湿的同时增加了空气的焓值。

（2）等焓加湿：采用等焓加湿方式的加湿设备有湿膜加湿器、板面蒸发式加湿器、高压喷雾加湿器、超声波加湿器、离心式加湿器、喷水室等。等焓加湿过程中，空气通过与水接触，进行显热和潜热交换，由于两种热交换速度相等，所以温度下降，湿度增加，焓值不变。

（3）加热加湿：如果喷水室喷淋温度高于空气干球温度的热水，则加湿过程变为加热加湿过程，空气的温度和湿度同时增加。

（4）冷却加湿：冷却加湿的过程可以由喷水室喷淋温度低于空气温度的冷水来获得，水份部分蒸发，同时空气与水进行显热交换。

1.3 加湿改造工程论证

本文对北京积水潭医院回龙观院区净化空调系统加湿改造工程进行讨论，院区所有净化机组采用的均是电极式加湿器，但是在运行过程中发现如下问题：

（1）北京地区的水质不适合使用电极加湿的方式。由于北京地区水质硬度大，北京市昌平区自来水总硬度为450 mg/L（信息采集自2014年第四季度昌平自来水有限责任公司水质公告）[12]，而电极式加湿器能够承受的最大供水硬度为288 mg/L。运行一段时间后，电极式加湿系统会使加湿器内聚积大量水碱，堵塞加湿器排水管路而致使加湿器报警。而且随着加湿器的使用，加湿桶内的水分蒸发，桶内聚集大量碳酸钙及镁盐等沉淀物和盐类，使得加湿桶内的水质硬度不断升高，导电率也随之不断升高，造成加湿桶内容易产生高压电弧，轻则使加湿器保险及电路损坏，致使加湿器故障率倍增，重则可烧毁加湿桶极其电路而引起火灾。

（2）电极加湿器耗材消耗量大。电极加湿器的耗材消耗量较大，这是由于加湿器本身工作原理及构造、当地水质、医院净化空调运行时间长等诸多问题综合导致的。根据院区管理维护的经验，电极加湿器由于水质不好，造成加湿桶容易损坏，一个加湿季节内，基本损坏30%的加湿桶；由于加湿器需要频繁排出达到100℃的热水，且控制电路复杂、电压高、电流大，导致控制电路板和排水阀经常损坏。

（3）电极加湿器维修工作量大，且难度大。随着每年加湿季节的到来，加湿器投入使用后，24 h运转的净化空调机组也在24 h不停的加湿，尤其是冬季，北京地区冬季室外设计参数中，冬季室外湿度为37%，实际情况比该数值低得多，加湿器负荷大，在管理过程中，即使增加了软化水系统，电极式加湿器的故障率也非常高，以院区手术室空调为例，每天故障率最低保持在3～5台/次。图1选取了5台手术室空调机组的湿度记录作为参考。

图1 2013年12月份湿度记录

2 改造工程设计和施工

可以看出，有些空调机组加湿器运行非常不稳定，甚至持续一段时间每天出现故障，这就需要维修人员每天进行清理并维修。这只是显示了随机抽选的5台机组作为举例说明，全院共有大小机组33台需要加湿，工作量相当大。

虽然通过改进加湿器水源水质能够起到一定改善效果[13]，但根据本院实践后观察，依然不能杜绝加湿器故障发生的情况，而且整个院区净化空调设备分布在不同楼层，较为分散，部分净化空调机组位于层高1.8 m的设备层，设备层内各种管道综合交错、结构复杂，个别局部可容人通过高度仅为40 cm，工作环境恶劣，在这样的环境里要对高温、高压的加湿设备进行维护，对工作人员的安全造成了极大的威胁。同时，维修速度难以保障，对于手术室、ICU这类工艺性空调设备而言，设备故障就意味着增加了病人感染和环境污染的机会，严重威胁着医护人员的健康。

综上，在一个加湿季节内，不仅经常要维修电极加湿器，且维修加湿系统的耗材也相当昂贵，但若采用蒸汽加湿器，根据积水潭医院之前的改造经验，在设备使用年限内基本无任何维修耗材，运行稳定，加湿效果好，所以院区净化空调设备加湿系统需要进行改造，以达到运行稳定、节约成本之目的。

对于医院净化空调系统，选取几种常用的加湿方式进行比较，各种加湿方式具有以下优缺点，见表1[14]。

综合考虑以上优缺点，出于以下原因，选择将院区所有净化空调加湿器改为干蒸汽式加湿器：干蒸汽式加湿器具有加湿迅速、均匀、稳定控制精度高；不带水滴、无菌、无噪声等特点；医院本身配备有蒸汽锅炉，且可以24 h运行；医院净化空调设备严格要求无菌，且不能有白粉等污染物。

2.1 工程介绍

本工程对加湿系统改造，使用干蒸汽直接喷射式加湿器取代现有加湿系统。经过医院采购部门统一公示招标，专家一致讨论后确定使用斯派莎克品牌干蒸汽加湿系统进行改造。经过院方与厂家协商和现场考察，确定改造基本方案如下：

保留原电极式加湿器作为备用；使用锅炉房蒸汽锅炉作为蒸汽来源；锅炉房内的分气缸，由于原有分气缸出口数量不足，必须在此次工程中进行更换。主管道通过锅炉房与主楼之间连接的管沟进入主楼，再由楼内分支管路通至各设备机房；按就近分区原则设减压站，将高压蒸汽减压至加湿设备使用压力；蒸汽加湿器设汽水分离装置，保证进入空调的为高干度蒸汽；所产生的冷凝水由冷凝水管道输送回锅炉房水箱，保证能源再循环利用。整个工程系统图，见图2。

图2 加湿改造系统图

如图2所示，主楼内部的工程施工范围覆盖从地下二层至屋面的各空调机房以及沿途布管区域，由地下二层进入主楼，楼上部分为东西两个区域，分别由主楼两侧的管道间向上布置，到达各层后分别向相应区域布置横向分支管路。

2.2 工程方案

（1）为避免原有加湿器因为设计不足原因导致加湿效果不好，对所有空调机组加湿负荷进行验算，以求改造后的加湿系统能够满足运行要求。由于人员及其它因素散湿作用，冬季加湿负荷主要来源于室外新风，室外新风状态点d1选取0℃、30%作为计算参数，室外新风与回风混合后通常被加热到22℃，为简便计算，统一选择室内状态点d2：22℃、50%湿度作为计算参数。确定了状态点后，查询焓湿图得出含湿量d1=0.715 g/kg，d2=8.225 g/kg，则空调机组的加湿量可由下式确定：

表1 加湿器优点及缺点

式中，D表示加湿负荷，单位kg/h；Q表示机组新风量，单位m3/h；ρ表示空气密度，单位ρ=1.205 kg/m³。

（2）根据每台空调机组加湿段截面尺寸选取蒸汽喷管的数量和型号；结合加湿的蒸汽量、蒸汽压力，确定对应控制阀的口径及型号，每个末端设备按照型号兼容性选择相应的汽水分离设备。

（3）根据蒸汽压力和流量，查《动力管道设计手册》，选出高低压管道的管径。

（4）根据上游高压蒸汽压力、下游低压蒸汽压力及蒸汽的流量进行减压阀的选型。

（5）按照设备说明书及设计大样图对管路和管件进行连接。

蒸汽系统安装示意图，见图3。

图3 蒸汽系统安装示意图

3 运行状况分析

通过运行观察一年有余，从如下两个方面总结改造的效果。

3.1 改造前后运行效果对比

电极加湿器的耗材消耗量较大，这是由于其加湿器本身原理及构造导致的。根据管理维护的经验，电极加湿器由于水质不好，造成加湿桶容易损坏，一个加湿季节内，基本损坏30%的加湿桶；由于加湿器需要频繁排出达到100℃的热水，且控制电路复杂、电压高、电流大，导致控制电路板和排水阀经常损坏。故在一个加湿季节内，不仅经常要维修电极加湿器，且维修加湿系统的耗材也相当昂贵。

改造后的一个加湿月的湿度记录，见图4。由图可见，机组湿度非常平稳，由于蒸汽加湿器采用锅炉房直供干蒸汽作为气源，蒸汽供应量充足，蒸汽洁净，加湿器汽水分离好、运行稳定，加湿非常迅速，室内湿度波动不超过2%，使得净化空调机组运行效果非常好。

图4 2016年12月湿度记录

3.2 经济效益对比

电极加湿器运行费用远远大于蒸汽加湿器：以北京市一般工商业用电价格计算，按照10 kV供电等级、平均1.2822元/kW·h计算，电极式加湿器使用率为60%至70%，以每天运转约为15 h计算，所有加湿器耗电量为561.8 kW，每天耗电为8415 kW·h时，每天用于加湿的电能价值10789元。

若使用蒸汽锅炉供给净化空调加湿，以一台热效率为97%的蒸汽锅炉为例，额定蒸发量为10000 kg/h的锅炉，额定燃气量（天然气）为710 Nm³/h。生产729 kg/h的干蒸汽、每天使用15 h，共10935 kg蒸汽，约消耗燃气776 Nm³，北京市燃气价格（工商业）为3.23元/m³，故每天用于加湿的燃气费用为2506元。

我院回龙观院区净化空调加湿器情况，见表2，可以更加直观的显示出使用燃气锅炉供给干蒸汽加湿，和使用电极式加湿器的能耗差距。

表2 我院回龙观院区净化空调加湿器情况

虽然节能不是本次工程的初始目的，但是从节能环保的角度来看，研究洁净室净化空调的节能已经成为一个趋势[15]，本次改造前后的能耗计算也提示出净化空调能耗研究能够给用户节省可观的运行成本。

4 结论

通常医院都配备有消毒供气的蒸汽锅炉或其它蒸汽源，空调加湿量相对于蒸汽锅炉的供气量来说一般不大，对比所有空调加湿器的特性，结合医院本身的特点，在不需要单独配置蒸汽锅炉的前提下，医院的集中空调，特别是净化空调系统的加湿器的选择上，选取使用集中供气的干蒸汽式加湿器是比较合适的。虽然增加了一部分初期投资和施工难度，但是在以下几个方面，具有明显优势：运行稳定，加湿迅速，控制简单，维护难度小甚至基本免维护；干蒸汽加湿干净、无菌，有利于控制医疗环境；在使用原有蒸汽锅炉气源的前提下，不仅不会影响消毒供气，还充分了消毒蒸汽使用间歇时间，避免浪费，相对其它加湿方式来说，节水节电，经济效益较好；尤其适合水质不好，且加湿季节长的地区。