Rozwiązania energooszczędne klimatyzacji dla sal

Rozwi zania energooszcz dne klimatyzacji dla
sal operacyjnych
1.
Wprowadzenie
Systemy klimatyzacyjne sal operacyjnych szpitali nale do najbardziej energochłonnych. Wpływa na to
szereg czynników, w szczególno ci trójstopniowa filtracja powietrza, konieczno ci głej pracy instalacji,
relatywnie du e ilo ci powietrza wentylacyjnego, brak mo liwo ci odzysku wilgoci z powietrza wywiewanego i
du e zu ycie energii na nawil anie powietrza. Realne mo liwo ci ograniczenia zu ycia energii dla klimatyzacji
sal operacyjnych sprowadzaj si aktualnie do dwóch kierunków działania. Pierwszy kierunek zwi zany jest
zastosowaniem cz ciowej recyrkulacji powietrza. Drugi kierunek zwi zany jest ze sterowaniem
energooptymalnym obróbk termodynamiczn powietrza w szczególno ci z rozszerzeniem dopuszczalnych
przedziałów tolerancji regulowanych parametrów - głównie wilgotno ci wzgl dnej powietrza.
2.
Struktury układów klimatyzacyjnych
W strukturze ka dego układu klimatyzacyjnego mo na wyszczególni nast puj ce elementy: central
klimatyzacyjn , instalacj kanałow oraz system rozdziału powietrza w pomieszczeniu. Struktury central
klimatyzacyjnych dla sal operacyjnych, stanowi pewien standard obejmuj cy: dwa stopnie filtracji (trzeci w
elemencie nawiewnym), nawil anie parowe, moduły inspekcyjne, specjalne wykonanie higieniczne, a ró ni si
praktycznie systemem odzysku ciepła (wymiennik krzy owy, system po redni glikolowy, rurka ciepła).
Rozwi zania konstrukcyjne obejmuj przy tym zarówno klasyczne centrale modułowe jak i szafy
klimatyzacyjne. Podstawowe struktury układów klimatyzacyjnych dla bloków operacyjnych z odzyskiem ciepła
po rednim glikolowym (stosowanym najcz ciej) przedstawiono na rys. 1
a)
b)
Rys 1. Schemat układu klimatyzacyjnego bez recyrkulacji dla sali operacyjnej:
a) z nawiewnikiem sko nym, b) ze stropem nawiewnym
System z nawiewnikiem sko nym stosuje si dla sal zabiegowo-operacyjnych, dla pozostałych sal
operacyjnych klasycznym rozwi zaniem jest system ze stropem nawiewnym. Powietrze nawiewane do sali
operacyjnej po przej ciu przez trzy stopnie filtracji jest praktycznie sterylne, zatem o czysto ci
mikrobiologicznej w strefie chronionej decyduje głównie powierzchnia obj ta przepływem wyporowym, który
ogranicza niebezpiecze stwo mieszania powietrza. Eliminuje to mo liwo przedostania si mikroorganizmów
do pola operacyjnego. Współcze nie dla sal wysokoaseptycznych strefa chroniona stanowi około 25%
powierzchni sali operacyjnej (~9 m2) i obejmuje stół operacyjny, stół z instrumentami oraz zespół operacyjny.
Implikuje to bardzo du e ilo ci powietrza wentylacyjnego. Rozwi zaniem ograniczaj cym koszty obróbki
termodynamicznej i przetłaczania powietrza s tutaj układy klimatyzacyjne z cz ciow recyrkulacj powietrza rys. 2, 3, 4.
Rys 2. Schemat układu klimatyzacyjnego dla sali operacyjnej ze stropem nawiewnym recyrkulacyjnym
Rys 3. Układ klimatyzacyjny z modułami ciennymi recyrkulacyjnymi
firmy Weiss Klimatechnik [2]
Rys 4. Układ klimatyzacyjny z recyrkulacyjnymi szafami klimatyzacyjnymi
firmy Weiss Klimatechnik [2]
3.
Model symulacyjny, zu ycie energii
W celu wykazania mo liwych do uzyskania oszcz dno ci energetycznych w wyniku wprowadzenia
cz ciowej recyrkulacji powietrza lub rozszerzenia dopuszczalnych przedziałów regulacji parametrów
wyznaczono roczne zu ycie energii dla analizowanych układów. Roczne zu ycie energii na obróbk i
przetłaczanie powietrza wyznaczono w oparciu o model symulacyjny działania układu w ci gu całego roku.
Punktem wyj cia analizy było tutaj wyznaczenie algorytmów optymalnej obróbki powietrza uwzgl dniaj cej
mo liwo ci układu sterowania i automatycznej regulacji dla analizowanych struktur układów klimatyzacyjnych.
Jako parametry klimatu zewn trznego przyj to dane tzw. roku porównawczego [1] stanowi cego zbór 8760 par
parametrów (co godzin w ci gu roku): temperatury i wilgotno ci wzgl dnej powietrza, otrzymanych w oparciu
o wieloletnie dane klimatyczne dla okre lonej strefy klimatycznej. W analizie porównawczej nakładów
energetycznych przeprowadzono obliczenia rocznego zu ycia energii dla dwóch układów klimatyzacyjnych sali
operacyjnej:
wariant 1 - wielkopowierzchniowy strop nawiewny bez recyrkulacji (rys. 1b), strumie powietrza
nawiewanego 7200 m3/h, strumie powietrza wywiewanego 6720 m3/h
wariant 2 - wielkopowierzchniowy strop nawiewny z recyrkulacj (rys. 2), strumie powietrza
nawiewanego 7200 m3/h -w tym 2400 m3/h powietrza zewn trznego, strumie powietrza
wywiewanego 6720 m3/h
Szczegółowy algorytm oblicze zawarty jest w pracach [5, 6]. Wyniki oblicze , w tym jednostkowe roczne
zu ycie energii (w przeliczeniu na m3/h powietrza nawiewanego przez strop nawiewny pola operacyjnego)
przedstawiono na rys. 5, natomiast struktur rocznego zu ycia energii pierwotnej - na rys. 6. Wyniki oblicze
pozwalaj na wyci gniecie nast puj cych wniosków:
• zastosowanie układu klimatyzacyjnego z recyrkulacj (wariant 2) pozwala na ograniczenie zu ycia
energii w stosunku do układu bez recyrkulacji (wariant 1), przy czym zmniejszenie zu ycia energii jest
tutaj nast puj ce: nagrzewnice - 5-krotne, chłodnica - 2,7-krotne, nawil acz parowy - 3,2-krotne,
wentylatory - 2,5-krotne, ł cznie dla energii pierwotnej - 3,3-krotne.
• w strukturze zu ycia energii pierwotnej na obróbk termodynamiczn i przetłaczanie powietrza
dominuje nawil anie parowe (~57%), nast pnie nagrzewnice (~13÷20%) przetłaczanie (~14÷19%) i
chłodzenie (~8%), przy czym struktura ta pozostaje praktycznie taka sama dla obydwu analizowanych
wariantów układów klimatyzacyjnych,
• dominuj cy udział nawil ania w strukturze zu ycia energii na obróbk powietrza wynika z braku
mo liwo ci odzysku ciepła utajonego z powietrza wywiewanego dla układów klimatyzacyjnych sal
operacyjnych, jedyna mo liwo ograniczenia tych nakładów energetycznych polega na wyborze
układu z mniejsz ilo ci powietrza zewn trznego (wariant 2), zmian no nika energii np. wytwornica
gazowa zamiast elektrycznej lub rozszerzeniu dopuszczalnego przedziału wilgotno ci wzgl dnej
powietrza w sali operacyjnej
EP
100
nagrzewnice (N)
chłodnica (CH)
nawil acz parowy (NP)
80
wentylatory (W)
energia pierwotna (EP)
60
/h
40
20
EP
NP
N
CH
W
N
CH
NP
W
0
Wariant 1
(bez recyrkulacji)
Wariant 2
(z recyrkulacj )
Rys 5. Jednostkowe roczne zu ycie energii dla układu klimatyzacyjnego sali operacyjnej
ze stropem nawiewnym 2,9x2,9 m (7200 m3/h, wN = 0,24 m/s)
VN=7200 m3/h, VW=6720 m3/h, Vr=0
VN =7200 m 3/h, VW =6720 m 3/h, Vr=4800 m 3/h
14,4%
13,5%
19,0%
20,7%
9,5%
7,9%
57,0%
58,0%
(bez recyrkulacji)
(z recyrkulacj )
Rys 6. Struktura rocznego zu ycia energii pierwotnej dla układu klimatyzacyjnego
sali operacyjnej
Według polskich wytycznych [3] wilgotno wzgl dna powietrza w salach operacyjnych powinna
wynosi 55% ±5%, natomiast normy zagraniczne dopuszczaj zdecydowanie szersze przedziały: 30÷60 %
(Niemcy), 40÷60 % (Wielka Brytania). Badania symulacyjne [6] wykazały, i rozszerzenie dopuszczalnego
przedziału wilgotno ci wzgl dnej w sali operacyjnej z 55% - regulacja „na punkt” do 40÷60 % dla obróbki
energooptymalnej pozwala zaoszcz dzi około 45% energii pierwotnej na obróbk termodynamiczn powietrza.
4.
Podsumowanie
Rozwi zania energooszcz dne współczesnych systemów klimatyzacyjnych sal operacyjnych sprowadzaj
si do zastosowania cz ciowej recyrkulacji powietrza oraz algorytmów sterowania energooptymalnego. W
efekcie uzyskuje si minimalizacj nakładów energetycznych na obróbk i przetłaczanie powietrza, a tym
samym minimalizacj kosztów eksploatacyjnych. Zastosowanie cz ciowej recyrkulacji powietrza kontrowersyjne w wietle polskich przepisów formalnych [7, 8] - dla sal wysokoaseptycznych praktycznie nie
ma alternatywy. Unormowania zagraniczne (Niemcy, Szwajcaria, USA) dopuszczaj stosowanie cz ciowej
recyrkulacji powietrza. Oczywi cie musz by spełnionej dodatkowe warunki, m.in. zastosowanie szczelnych
odsysaczy gazów anestetycznych oraz odpowiedni rozdział powietrza. Weryfikacji musz ulec równie polskie
przepisy dotycz ce wymaganej wilgotno ci wzgl dnej powietrza w salach operacyjnych, gdy utrzymanie
wysokiej wilgotno ci wzgl dnej równej 55% generuje bardzo du e koszty eksploatacyjne.
dr in . Mieczysław POROWSKI
Politechnika Pozna ska
Instytut In ynierii rodowiska
5.
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Literatura
Basi ska M., Wpływ czynników zewn trznych i wewn trznych na zu ycie energii na potrzeby
ogrzewania budynków, Rozprawa doktorska, Politechnika Pozna ska 2000,
Katalog firmy WEISS Klimatechnik GmbH, Geräte-und Anlagebau (Niemcy),
Kruczkowski P., Wytyczne projektowania szpitali ogólnych. Instalacje sanitarne.
Z.5 Wentylacja i klimatyzacja, Biuro Projektów Słu by Zdrowia, Warszawa 1984,
Porowski M., Szczechowiak E., Klimatyzacja pomieszcze czystych, Termedia Pozna 1999,
Porowski M., Kryterium energetyczne wyboru układu klimatyzacyjnego dla sal operacyjnych
wysokoaseptycznych. Chłodnictwo & Klimatyzacja. 1-2, 2004,
Porowski M., Wpływ strategii sterowania na zu ycie energii w układach klimatyzacyjnych sal
operacyjnych szpitali. XI International Conference Air Conditioning, Protection & District Heating
2005, Politechnika Wrocławska, Szklarska Por ba 06.2005,
Rozporz dzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych
jakim powinny odpowiada budynki i ich usytuowanie.
Dz. U. Nr 75, poz. 690,
Rozporz dzenie Ministra Zdrowia z dnia 22.06.2005 w sprawie wymaga jakim powinny odpowiada
pod wzgl dem fachowym i sanitarnym pomieszczenia i urz dzenia zakładu opieki zdrowotnej Dz. U.
Nr 116 poz. 985.