同济大学：刘燕敏 沈晋明等-医用空调机组的创新

医用空调机组的创新

同济大学 刘燕敏 沈晋明

上海科仕控制系统有限公司胡崔健

克莱门特捷联制冷设备（上海）有限公司 陈睿 茅俊伟


 

 0.  引言  

我国《医院洁净手术部建筑技术规范》GB50333自2002年颁布以来整整20年头，鉴于当时我国国情，推荐了洁净手术部湿度优先控制的净化空调系统，并开发了医用空调机组，便于洁净手术部各手术室独立控制与自行调节，又避免了传统的恒温恒湿控制中冷却再加热处理过程的冷热抵消耗能弊病，尤其是手术部内有序梯度压差控制可以十分简便、有效地实现，^[1]打破了当时国外公司对自控传感器、执行器到系统的垄断，有力地推动了我国洁净手术室的建设。

首次提出了医用空调机组是能阻止病菌定植、滋生与传播的空调，避免二次污染，^{[2] [3]}而不是消毒杀菌的空调。从机组零部件、机组结构到功能段的排序，有效避免机组内积尘积水，维持干与净的完好状态。对医疗环境控制与医患安全提供了有力的保障。

20多年来，洁净手术室的控制理念、布局、装备、设施业已成熟。我们必须清醒地看到这套成熟的净化空调系统被不断固化，工程图纸不断被套用到洁净手术室类似工程上。造成工程模式千篇一律，系统复杂，施工量大，调试耗时，阻碍了手术室进一步发展与革新。近年来，技术发展与设备进步，如多功能四管制热泵普遍使用，净化空调机组生产水平提高，各类传感器及文丘里阀等执行器国产化且价格大大下降，特别是5G与AI在本领域的成功应用等等。这为我们创新提供了基础，也只有创新才是发展的动力！

本文提出“实现空调系统产品化、工程质量工厂化、施工安装最简化、运维管控一体化是空调机组，特别是医用空调机组”的一条创新之路（发明专利授权ZL 2019 1 1009554.7）。

1.  空调系统产品化  

    《医院洁净手术部建筑技术规范》推荐的净化空调系统，涉及到新风集中处理机组与各个手术室循环机组以及两者组合的半集中式净化空调系统，两套空气处理过程间的协调与调适较为困难，耗时长。系统复杂、管线多，需安装空间大，维修困难。整个系统的性能与控制的工程质量很大程度取决于设计、工程公司管理水平及其施工人员的素质，这是造成目前洁净手术部良莠不齐的主要原因之一。

    目前洁净手术室常处于空调内区，热湿比小，手术过程中频繁启停不同的手术装备，室内热负荷变化较大，手术过程热湿比变化快，需要实时准确控制机器露点。如为节能而采用二次回风系统，由于机器露点太低无法实现，而使得手术室湿度超标。

针对现有洁净手术部净化空调系统的不足，提出空调系统产品化（发明专利授权ZL 2019 1 1009554.7）。要使空调机组替代整个空调系统，确定突破口在以下几个方面：

将复杂的半集中式空调系统，简化单元式空调机组；

    将现有空气处理过程改为传统的一次回风再加热，提高机器露点，并能及时精确补偿大容量的再加热；变新风量运行，提高室内空气质量、降低能耗；在任何运行工况下，维持被调空间压差恒定。

    对于空调机组变新风量来说双风机机组模式是最合适的。不同于舒适性变风量空调机组，必须同时考虑室外的焓值变化和颗粒物浓度的变化，实现最佳运行，这是个难题。而且在变新风量过程中难以同时准确控制排风量与循环风量，常常造成室内压力失控。要实时精确控制这三者的风量，传统的风阀结构与调节方法无法胜任。需要开发手术室全年变新风量运行的控制逻辑的智能控制器，以及能适应空调机组用的特殊的与压力无关的调节阀^[4]。

  2.   工程质量工厂化  

空调系统产品化，是将工程与工程质量交给工厂的前提。可变新风量净化空调机组的设计与制造质量就成为手术环境控制成功的关键。实现规模化量产是一个发展趋势，不仅降低了生产成本，又能极大地提高了产品的质量。

实现规模化生产的基础是产品的规格化、模块化、标准化、系列化^[5]，由于同一级别的洁净手术室送风、回风、新风与排风量基本一致，常常处于空调内区，其新风负荷，室内热湿负荷相差不大，这为机组的规格化、模块化、标准化、系列化创造了条件。

机组质量直接反映了工程质量。现在工厂生产的全过程控制已经十分完善，完全可以有效地控制机组质量。工程质量的另一体现是设备系统良好运行，由于将洁净手术室全年运行的控制逻辑下载到PLC的控制器里，由机组自带。或者说，设备系统的运行控制与可变新风量空调机组产品融合在一起。这为实现“工程质量工厂化”奠定了坚实的基础。

 3.  安装施工最简化  

    由于空调系统产品化，使得工程质量由规模化量产的全过程控制来保证。空调系统产品化，又可大大简化了施工安装，完全改变了传统工程质量与施工进度取决于工程公司管控水平、施工经理与施工人员的素质。

    空调系统产品化了，只需将集中式全空气空调机组运至手术室附近配置，接上相应管线即可运行，无需在手术室上方设置一层技术夹层，不需要在手术室上方设置多台机组，也不需要将复杂的风、水、电管线引入技术夹层，使安装施工最简化。降低了造价与安装施工费用、减少施工时间、避免水损、又改善了手术室的噪声水平。

   空调机组自带了洁净手术室全年运行的PLC智能控制器，由于5G无线连接，在施工现场可以将与洁净手术室内相关的所有传感器与监控屏在需要的点位任意设置，各类传感器通过5G无线实时、高效接入，节省了布线以及施工的周期，随入随用，也无需再进行系统调试，即可正常运行。

    由于变新风量空调机组在任何运行工况下压差控制恒定，可以十分方便地在区域内实现有序的梯度压差。

在当今人力成本日益高涨，施工监控与验收日益完善，安装施工最简化，大大缩短施工进度，就是最大效益！且极大提高了工程质量，取得了双赢！

  4.  运维管控一体化  

    医疗环境控制工程的主要设备是空调机组，过去空调设备厂商只是卖空调，所获利润是最低的。如今5G+AI 将单纯一台空调机组延伸了其服务功能，将空调机组扩展为从被调空间到机房的一个无线智能运维与管控平台。

由于5G+AI在洁净手术室成功应用^[6]，可以充分发挥大容量、多功能的5G网关。如可以用5G网关替代（或融合）空调机组智能PLC，提高了运维水平；并利用5G网关流媒体探头发挥AI功能拓展了空调机组无线管控能力。

4.1对系统智能运维及对机房无人管控

    利用AI技术实现空调机组及其管路的监控，实现机房的无人管控。如当在机房进行监测，识别有异响、烟雾、明火、冒火花等，立即触发警示。或对机械设备、油管、水管、气管等易漏区域设置检测功能，当识别发生泄露时告警。对机组过滤器与管路关键点积尘监控（发明专利申请：2019105312746），及时预警。总之，管控系统将事后处理模式转向对风险的预先识别、分析和管控。

4.2对受控环境实现有效的管控

    可以充分发挥5G网关的强大的AI功能，提高运维与管控水平。管控受控环境的室温，湿度，空气质量，压差值，室内照明的状态。利用流媒体探头，突破传统视频监控，用AI技术无缝无死角管控各种信息与人员操作与行为。从“看得到”、“看得清”到“看得懂”“做得了”。并将来自各方面的信息在同一时间轴、在同一台设备上展示出来、存储下来，归集、分析、处理、预测、预警等，能自动发现或判别手术人员在手术全过程的不良操作，及手术人员在手术室内的错误行为。也能够真实地展现追溯的任何时刻实时场景，用行为数据反哺行为管理，形成一个闭环的行为优化管控体系。

   4.3实现平疫结合，转换运行模式

变新风量空调机组可以实现“以平为主，适用疫时”，这点对节能降耗的意义重大，完全改变目前“以疫为主，适用平时”建设理念。该机组只需按一控制键就可转换相应的运行模式。

①节能模式：平时开启的节能模式是根据室内外实时状况进行变新风量的日常运行，达到最佳节能与最优室内空气质量，而维持受控空间压差不变。解决在医疗科室人员胸闷气短的症状。只有合适气候才有可能实现全新风运行。

②抗疫模式：疫情时期开启的模式，根据病菌特性与疫情防控要求，按确定所需新风比运行，直至进行全新风直流式运行。并按疫情防控要求转换成不同的负压差值，稳定运行。

由于全新风全排风就是该机组“平时”运行的一种状态，压差设定又是这一机组的独特优势，由“平时”运行转换成“疫时”运行，机组自身与风管的设置与尺寸无需改变。

5.  结语  

可变新风量恒压差净化空调机组（发明专利授权ZL 2019 1 1009554.7）是一种创新。本文以洁净手术室为例，阐述实现“空调系统产品化、工程质量工厂化、施工安装最简化、运维管控一体化”方法与手段，并将空调机组扩展为一个无线智能运维与管控平台。

除了在洁净手术室应用外，可变新风量净化空调机组也适用于人员较为密集的医疗科室，如医院中重症监护病房ICU，门急诊大厅，输液大厅等场所，以及其他行业对室内有温湿度、压差要求的受控空间。

  参考文献  

1.沈晋明，医院洁净手术部的净化空调系统设计理念与方法[J].暖通空调,2001,31(5):7-12.

2.沈晋明，许钟麟，空调系统的二次污染与细菌控制[J].暖通空调，2002,32(5):30-33

3.沈晋明,许琼琳，医用空调机组研发思路与应用[J].中国医院建筑与装备,2006(5):24-28.

4. 刘燕敏,何焰,陈尹等，复合手术室的环境控制探讨[J].中国医院建筑与装备,2020(2):94-98.

5.沈晋明,李洪欣，集中式全空气空调系统该如何发展[J].暖通空调,2007,37(5):61-64

6.净化网公众号，基于5G技术的无线数字化手术室，2021.05.16