Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Энергоэффективный подход при проектировании системы вентиляции и кондиционирования операционного зала в США

Energy efficient approach in design of ventilation and air-conditioning system for a surgery room in USA

Philip Bartholomew, Leading Mechanical Engineer, Miller-Remick (Cherry Hill, N.J.)

Keywords: medical facilities, ventilation system, energy use reduction, payback period, modernization recommendations

Maintaining the microclimate, air quality and air exchange rate parameters required by ASHRAE standard (ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170-2008, Ventilation of Health Care Facilities ) in a surgery room requires significant energy spending on transportation and heat and moisture treatment of air.  Let's look at one of the possible solutions for reduction of energy use by a surgery room ventilation and air-conditioning system - a dual duct system, where premises are serviced by two units operating in parallel with different temperature modes. Air parameters at the entrance to each room are determined by the local demand and maintained by mixing of air from two units in the required proportions by a mixing VAV valve.

Описание:

Поддержание в операционной требуемых стандартом ASHRAE (ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170-2008, Ventilation of Health Care Facilities) параметров микроклимата, качества воздуха и кратности воздухообмена требует значительных затрат энергии на транспортировку и тепловлажностную обработку воздуха. Рассмотрим одно из возможных решений по снижению энергопотребления системы вентиляции и кондиционирования операционного зала – систему dualduct, при которой помещения обслуживаются двумя установками, работающими параллельно с разными температурными режимами. Параметры воздуха на входе в каждое помещения определяются локальной потребностью и поддерживаются за счет смешения воздуха от двух установок в нужной пропорции на смешивающем VAV-клапане.

Энергоэффективный подход при проектировании системы вентиляции и кондиционирования операционного зала в США

Поддержание в операционной требуемых стандартом ASHRAE1 параметров микроклимата, качества воздуха и кратности воздухообмена требует значительных затрат энергии на транспортировку и тепловлажностную обработку воздуха. Рассмотрим одно из возможных решений по снижению энергопотребления системы вентиляции и кондиционирования операционного зала – систему dual duct, при которой помещения обслуживаются двумя установками, работающими параллельно с разными температурными режимами. Параметры воздуха на входе в каждое помещения определяются локальной потребностью и поддерживаются за счет смешения воздуха от двух установок в нужной пропорции на смешивающем VAV-клапане2.

Энергоэффективный подход при проектировании системы вентиляции и кондиционирования операционного зала в США

Стандартное решение при проектировании системы вентиляции и кондиционирования медицинских учреждений в США (рис. 1) – это система механической приточно-вытяжной вентиляции с переменным расходом: центральный кондиционер с глубокой обработкой и очисткой воздуха и опцией рециркуляции; VAV-клапан перед каждым помещением, имеющий встроенный теплообменник для догрева приточного воздуха. При проведении операций в помещении поддерживается кратность 20 ч–1. В режиме, когда операционная не используется, расход воздуха снижается до 10 ч–1, система вентиляции поддерживает подпор воздуха и температурный режим в помещении.

Стандартная система
Рис. 1.

Стандартная система

Исторически все признавали, что догрев воздуха на локальном VAV-клапане – это энергозатратное решение, но, учитывая необходимость поддержания влажности в теплое время года и необходимость ассимиляции значительных теплопоступлений от осветительных приборов, медицинского оборудования и персонала в совокупности с требованиями по кратности воздухообмена, именно такое решение стало самым популярным. Температура воздуха на выходе из центрального кондиционера составляет 12,8 °C и в зависимости от фактического уровня теплопоступлений в помещении, требуемой температуры помещения и расхода воздуха догревается на локальном VAV-клапане на входе в помещение до требуемого значения.

Одним из примеров системы dual duct (далее – двухканальная система) может служить установка, показанная на рис. 2. Это принципиальная схема крышного центрального кондиционера, собранного как единая установка.

Двухканальная система
Рис. 2.

Двухканальная система

Двухканальная система при необходимости может быть реализована другими, альтернативными способами с отдельными установками «холодной» и «теплой» сторон, отдельной установкой подготовки приточного воздуха либо с одним общим вентилятором и отдельными камерами тепловлажностной обработки и очистки воздуха. Решение о типе системы и ее конфигурации нужно принимать индивидуально для каждого проекта.

Использование двух отдельных вентиляторов между охладителем и HEPA-фильтром в установке позволяет использовать тепловую энергию вращающегося вентилятора для догрева охлажденного воздуха, насыщенного влагой. Такое размещение вентилятора необходимо для снижения риска роста бактерий на HEPA-фильтрах.

Расход воздуха установки «холодной» стороны, охлаждающей воздух до 12,8 °C (рис. 2), определяется нагрузкой на ассимиляцию полных теплопоступлений в помещении. Прочий расход воздуха, требуемый для поддержания требуемой кратности и режима течения воздуха в помещении, подается через вторую установку, с температурой воздуха на выходе 22,2 °C.

Стандартная система с VAV-клапанами с догревом

VAV-клапаны, как правило, работают в двухпозиционном режиме, поддерживая номинальный и минимальный расход на помещение. Центральный кондиционер обрабатывает воздух до 12,8 °C. После охладителя температура воздуха составляет 10,8 °C, далее на вентиляторе он догревается на 2 °C. Система работает круглосуточно в круглогодичном режиме, поддерживая в обслуживаемых помещениях кратность воздухообмена 20 ч–1. В периоды, когда помещения не используются для проведения операций, температура воздуха на выходе из центрального кондиционера может составлять 15 °C, а кратность воздухообмена в помещениях снижается до 10 ч– 1.

Догрев воздуха на VAV-клапане на входе в каждое из помещений регулируется по датчику температуры локальным комнатным термостатом.

При этом расчеты показывают, что исключительно на нужды ассимиляции теплопоступлений и поддержание влажности в среднем для типовой операционной достаточно кратности воздухообмена 12 ч–1 при температуре приточного воздуха 18 °C. В режиме пиковых нагрузок кратность, необходимая для поддержания параметров микроклимата, может быть выше. Очевидно, что значительное количество энергии на охлаждение и последующий догрев расходуется нерационально.

Двухканальная система со смешивающими VAV-клапанами

Помещения обслуживаются двумя установками, работающими параллельно с разными температурными режимами – «холодной» и «теплой». Параметры воздуха на входе в каждое помещения определяются локальной потребностью и поддерживаются за счет смешения воздуха от двух установок в нужной пропорции на смешивающем VAV-клапане (рис. 2).

Система работает с кратностью 20 ч–1 но, как правило, суммарное энергопотребление вентиляторов меньше, чем у стандартной системы, поскольку обе установки большую часть времени работают с расходом меньше номинального и аэродинамическое сопротивление отдельно взятого канала ниже, чем у стандартной системы. Теплопоступления от секций вентилятора двухканальной системы не превосходят аналогичный показатель стандартной системы.

Сравнение энергопотребления систем

Данные по энергопотреблению стандартной и двухканальной систем получены в ходе работ по реновации системы вентиляции и кондиционирования в медицинском центре, расположенном в западной части штата Северная Каролина.

Операционный блок состоит из семи операционных залов с коридором, стерильными зонами и комнатами для хранения оборудования и медикаментов. Общая площадь операционных 455 м2, общая площадь прочих помещений 390 м2.

Центральный кондиционер стандартной системы работал с расходом 44 170 м3/ч.

Сравнение проводилось при следующих условиях:

1. Операционная комната представляла собой отдельный модуль, без внешних теплопоступлений и теплопотерь от ограждающих конструкций здания, инфильтрации и солнечной радиации.

2. Время работы (за вычетом экстренных ситуаций) операционных комнат с 6:00 до 17:00, с понедельника по пятницу. В это время температура воздуха на выходе из стандартной установки и «холодной» установки в двухканальной системе составляла 12,8 °C.

3. График операций составлялся таким образом, чтобы проводить все плановые операции до 15:00 и 65 % этого времени уходило непосредственно на проведений операций. Во время операций кратность воздухообмена составляла 20 ч–1. В перерывах кратность снижалась до 10 ч–1.

4. С 15:00 до 17:00 проводилась уборка помещений. Кратность воздухообмена 10 ч–1.

5. С 17:00 до 6:00 с понедельника по пятницу и на выходных уставка температуры центральных кондиционеров менялась с 12,8 на 18 °C и системы работали на рециркуляцию, без наружного воздуха, поддерживая кратность воздухообмена 10 ч–1.

6. В операционных не было установлено роботизированного медицинского оборудования для проведения операций.

Сравнение годового энергопотребления систем
Рис. 3.

Сравнение годового энергопотребления систем

На рис. 3 показано сравнение энергопотребления стандартной и двухканальной систем за неделю при условиях наружного воздуха 24–29 °C днем и 18 °C в ночное время. Измерения проводились именно в жаркую неделю, чтобы наглядно показать разницу в энергопотреблении на охлаждение и догрев приточного воздуха. При температурах наружного воздуха ниже указанных значений режим экономайзера позволяет снизить нагрузку на секцию охлаждения. Недельный период включал в себя и выходные дни, для лучшей оценки потенциала снижения энергопотребления в периоды, когда помещения не используются. Экономайзер применительно к данной системе – дополнительный прямой канал с заборной решеткой и клапаном с плавным регулированием на входе в смесительную камеру «холодной» установки, позволяющий использовать по возможности тепловую энергию необработанного наружного воздуха, подмешивая его в обход установки подготовки наружного воздуха.

Измерения учитывали исключительно потребление энергии центральными кондиционерами, без оценки возможного изменения COP чиллера и КПД котельной после реновации.

Выводы, сделанные на основе измерений

1. Нагрузку на систему холодоснабжения двуканальной системы удалось снизить на величину, близкую к нагрузке на догрев воздуха в VAV-клапанах, частично за счет применения роторного регенератора в подготовительной установке наружного воздуха двухканальной системы. Дополнительный плюс регенератора – в снижении нагрузки на увлажнитель в зимнем режиме за счет переноса влаги из удаляемого воздуха в приточный.

2. Энергопотребление вентиляторов в рассматриваемых системах оказалось равным. Аэродинамическое сопротивление одной ветки двухканальной системы ниже, чем у стандартной  системы. Теплопоступления от вентиляторных секций тоже были на одинаковом уровне.

Данные моделирования годового энергопотребления на основе экстраполяции недельных результатов (рис. 3) сведены в табл. 1. При расчете принималась стоимость энергоресурсов 0,09 долл. США за 1 кВт электричества и 0,3 долл. США за 1 м3 природного газа.

Сравнение годового энергопотребления систем

Расчетные годовые эксплуатационные затраты составили 21 000 долл. США для двухканальной системы и 34 500 долл. США для стандартной системы.

Стоимость оборудования и срок окупаемости

При сравнении стоимости оборудования исходили из следующих вводных:

• «холодная» сторона двухканальной системы реализована отдельной установкой, стоимость «холодной» установки двухканальной системы принимали равной стоимости стандартной установки. Фактически «холодная» установка стоит дешевле за счет уменьшенного типоразмера и отказа от секции нагревателя, но в данном сравнении эта разница не учитывалась;

• «теплая» сторона двухканальной системы реализована отдельной установкой;

• для предварительной обработки наружного воздуха применена отдельная установка с роторным регенератором и секцией охлаждения с расходом 6 849 м3/ч;

• холодоснабжение приточных установок реализовано с помощью чиллеров, имеющих резервный аварийный источник питания;

• для теплоснабжения нагревателей VAV-клапанов используется теплообменник «пар – вода» и отдельный насос.

Смешивающие VAV-клапаны двухканальной системы некоторых помещений имеют встроенный водяной нагреватель для экстренных ситуаций. В целях доступности для обслуживания VAV-клапаны устанавливаются максимально близко к центральному кондиционеру. Трассировка от смешивающих клапанов идентична трассировке от VAV-клапанов с догревом. Используются одинаковые воздухораспределители и вытяжные решетки.

Сравнение стоимости систем в разрезе изменения капитальных затрат при переходе со стандартной системы на двуканальную приводится в табл. 2.

Сравнение годового энергопотребления систем

Срок окупаемости двухканальной установки составляет 4 года. При высоком уровне автоматизации двухканальной установки, работе в переменном режиме (предельное снижение расхода в нерабочие часы) и использовании экономайзера этот срок может значительно снизиться. В новых проектах, не требующих адаптации под существующие ограничения в конструкции здания, капитальная стоимость двухканальной системы и срок окупаемости могут оказаться ниже.

Управление смешивающим VAV-клапаном

Схема управления смешивающего VAV-клапана показана на рис. 4.

Cмешивающий VAV клапан
Рис. 4.

Cмешивающий VAV клапан

Для поддержания высокой точности измерений расхода воздуха на входящих патрубках «холодной» и «теплой» сторон VAV-клапана следует использовать тепловые датчики расхода, а не стандартные для коммерческих зданий. Это позволит получить измерения с погрешностью около 3 %. Для VAV-клапанов вспомогательных помещений могут использоваться стандартные измерительные устройства.

Поскольку приточный воздух раздается непосредственно в зону проведения операции, помимо комнатного датчика температуры используется канальный датчик температуры в воздухораспределительном устройстве, а уставка по температуре помещения корректируется исходя из его показаний. Расход воздуха, подмешиваемый от «холодной» стороны, определяется по уставке температуры в помещении с учетом показаний канального датчика, от «теплой» стороны подмешивается количество воздуха, необходимое для поддержания требуемой кратности воздухообмена.

Смешивающие VAV-клапаны двухканальной системы некоторых помещений имеют встроенный водяной нагреватель для экстренных ситуаций (например, кардиохирургическая операционная).

Расход наружного воздуха

Для того чтобы обеспечить требуемый расход наружного воздуха в помещениях, проектом предусмотрено, что процент содержания наружного воздуха в общем расходе на выходе из «холодной» и «теплой» сторон равен. Поскольку в «теплой» стороне отсутствует охладитель, а неосушенный наружный воздух нельзя подавать напрямую в помещения, проектом предусмотрена отдельная установка для подготовки наружного воздуха с опцией осушения на роторном регенераторе и секции охлаждения.

Нагрев воздуха в «теплой» установке

Поскольку система использует рециркуляцию удаляемого воздуха, нагреватель в приточной установке «теплой» стороны практически не используется в обычном режиме эксплуатации. Температура воздуха после установки должна находиться в интервале 22–27 °C.

Но при работе системы в режиме приточной противодымной вентиляции рециркуляция не используется, и весь удаляемый из помещений воздух выбрасывается на улицу.

Размер нагревателя определяется нагрузкой при работе в режиме подготовки воздуха для приточной противодымной вентиляции. При подборе регулирующей арматуры необходимо учесть значительные различия в расходе теплоносителя на теплообменник при разных режимах работы.

Модернизация стандартной системы

Даже если существующая стандартная система не выработала свой ресурс и не требует замены, стоит задуматься о замене ее на двухканальную. При модернизации стандартной системы в двухканальную необходимо понимать, что расходы и экономия не ограничиваются исключительно созданием второго, «теплого» канала и напрямую связанными с этим изменениями при эксплуатации здания. Для оценки капитальных затрат и срока окупаемости необходимо тщательно оценить все необходимые изменения и выполнить технико-экономический анализ предлагаемых решений.

Если установленная на объекте в США система была спроектирована под старые требования, учитывающие запрет рециркуляции, ее нужно менять как можно скорее.

Самый простой способ – это использовать существующий центральный кондиционер в качестве «холодного», добавить второй, «теплый» канал и заменить VAV-клапаны с догревом на смешивающие. Но такой подход не всегда может быть реализован из-за ограниченного пространства вентиляционных камер и технических помещений. Прокладка второй ветки воздуховодов также требует доступного запотолочного пространства.

В некоторых случаях полная модернизация системы вентиляции и кондиционирования или даже полная модернизация здания и инженерных систем может оказаться экономически оправданной и выгодной.

Снижение нагрузки на системы теплоснабжения и холодоснабжения при использовании двухканальной системы позволит иметь резерв или использовать избыточную мощность чиллера и котельной при расширении здания.

Помимо создания «теплого» канала рекомендуется внедрять следующие решения:

• установить датчики присутствия в операционных комнатах, чтобы автоматически снижать кратность воздухообмена в периоды, когда помещение не используется;

• по возможности следует снижать расход приточного воздуха в неиспользуемых операционных до минимума, необходимого для поддержания избыточного давления в помещении. При этом вытяжка из таких помещений полностью перекрывается и компенсируется за счет увеличения вытяжки из примыкающих помещений;

• в неиспользуемых помещениях теплоснабжение аварийных водяных секций догрева в VAV-клапанах следует полностью перекрывать, чтобы избежать излишних затрат на охлаждение. В периоды, когда помещение не используется, температура в нем может быть снижена, а включение системы за 30 минут до начала операции позволит вывести температуру в помещении на требуемый уровень;

• пропорция подмеса наружного воздуха центральным кондиционером неиспользуемого здания должна быть максимально снижена;

• в неиспользуемом здании уставка «холодного» центрального кондиционера может быть увеличена с 12,8 до 18 °C.

Рекомендации Р НП «АВОК» 7.8–2019 «Проектирование инженерных систем лечебно-профилактических учреждений»

Рекомендации НП «АВОК» 7.8-2019 «Проектирование инженерных систем лечебно-профилактических учреждений» распространяются на проектирование инженерных систем (систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и водоснабжения), расположенных во вновь возводимых, реконструируемых зданиях лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ), и содержат требования к организации воздухообмена в помещениях ЛПУ, к способам управления и эксплуатации инженерных систем.

В рекомендациях Р НП «АВОК» 7.8-2019 «Проектирование инженерных систем лечебно-профилактических учреждений» рассмотрены особенности проектирования инженерных систем в зданиях лечебно-профилактических учреждений. Медико-технологическая организация лечебных процессов совместно с компактностью планировочных решений влечет за собой близкое взаиморасположение в объеме одного здания помещений различных классов чистоты и нормируемых уровней бактериальной обсемененности воздуха, что и определяет задачи проектирования рассматриваемых в рекомендациях систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, водоснабжения.

Рекомендации дополнены Приложением «Практические рекомендации. Инновационные технологии и оборудование инженерных систем лечебно-профилактических учреждений», содержащим материал от компаний, имеющих подтвержденный положительный опыт применения технических решений

Рекомендации Р НП «АВОК» 7.8-2019 «Проектирование инженерных систем лечебно-профилактических учреждений» предназначены для применения в области проектирования, строительства и эксплуатации зданий ЛПУ.

ПОДРОБНЕЕ

Данные изменения позволяют снижать энергопотребление в периоды, когда часть помещений или все здание не используются. Статистика показывает, что операционные помещения не используются две трети времени в год, что дает колоссальный потенциал для энергосбережения.

Подводя итоги, можно констатировать, что двухканальная система с переменным расходом на базе смешивающих VAV-клапанов потребляет значительно меньше энергии, чем стандартная система с VAV-клапанами с догревом.

Разница в величине капитальных затрат сравниваемых систем достаточно быстро окупается в выбранном для сравнения примере медицинского здания.

Статья публикуется с разрешения редакции ASHRAE Journal. Перевод выполнен Владимиром Устиновым. Оригинал статьи «Energy-Efficient Approach For Operating Rooms» опубликован в ASHRAE Journal, апрель 2015 г. ASHRAE не несет ответственность за точность перевода. Для того чтобы приобрести издание на английском языке, обратитесь в ASHRAE: 1791 Tullie Circle, NE, Atlanta, GA 30329–2305 USA, www.ashrae.org.

1 ANSI/ASHRAE/ASHE Standard 170–2008, Ventilation of Health Care Facilities.

2 VAV-клапаны (Variable Air Volume) – клапаны для создания переменного расхода воздуха.

купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №8'2019

PDF pdf версия


Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Сертификационный центр АВОК
Реклама на нашем сайте
KSB
Онлайн-словарь АВОК!