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

Филип Бартоломью, ведущий инженер-механик, Miller-Remick Cherry Hill, N. J.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.