Рис. 1. Построение на i–d-диаграмме влажного воздуха режима двухступенчатого охлаждения приточного наружного воздуха
По нормам [1] в помещения больничных палат круглый год должна поступать санитарная норма приточного наружного воздуха в удельном количестве 80 м3/(ч⋅чел) при удельной норме заполнения больничной палаты 5 м2/чел. Примем, что больничная палата имеет размеры 5 м по ширине и 6 м по глубине. Площадь пола палаты Fпол = 5 × 6 = 30 м2. В палате установлены койки для размещения больных в количестве Л = 30/5 = 6 человек. В палату должен быть обеспечен приток наружного воздуха в количестве lпн = 6 × 80 = 480 м3/ч.
Больница располагается в Москве, расчетная температура наружного воздуха в холодный период года равна tнх = –28 °C при продолжительности отопительного периода 214 суток, средняя температура наружного воздуха за отопительный период tн.ср.от = –3,1 °C [2]. В помещении больничной палаты круглый год необходимо поддерживать параметры воздуха на уровне теплового комфорта для человека, которые нормируются по температуре и влажности воздуха в зоне обитания людей tв [°C], температура воздуха в холодный период года должна быть tвх = 20–22 °C, а летом tв = 23–25 °C.
Относительная влажность воздуха в зоне обитания людей может колебаться от ϕвх = 30 % зимой и до ϕвх = 60 % летом [3]. По газовым загрязнениям определяющим фактором влияния на здоровье человека является содержание углекислого газа в воздухе в зоне обитания людей, которое должно превышать концентрацию углекислого газа в наружном воздухе не более: Св.газ = Сн.газ + 1250 мг/м3. В наружном воздухе крупных городов Сн.газ = 1000 мг/м2 [1].
Для поддержания в обитаемой зоне больничных палат требуемых нормируемых параметров воздуха в зоне нахождения людей по температуре, относительной влажности, чистоте и загазованности необходимо применять механическую приточно-вытяжную вентиляцию [3]. В состоянии покоя от одного взрослого мужчины при tвх = 20 °C выделяется: явного тепла 90 Вт/(ч⋅чел); водяных паров 40 г/(ч⋅чел).
Для рассматриваемой палаты площадью 30 м2 количество выделений от больных составит: qтл.выд = 6 × 90 = 540 Вт/ч; wв.пар = 6 × 40 = 240 г/ч. Выделяющееся от людей явное тепло поступает в помещение при температуре тела человека, которая при нормальном тепловом комфорте равна tчел = 36,6 °C. Эта температура выше температуры окружающего человека воздуха, и поэтому явное тепло конвективным потоком поднимается под потолок палаты.
Аналогично, выделяющиеся от человека водяные пары имеют температуру не ниже 36,6 °C, и они легче водяных паров, которые содержатся в окружающем человека воздухе, и поэтому поднимаются под потолок. При выдыхании от человека в окружающий воздух поступает углекислый газ, который также поднимается конвективными потоками под потолок палаты. К сожалению, в большинстве проектов систем вентиляции больничных палат приточный воздух от центральных приточных агрегатов подается в верхнюю зону помещения.
Это приводит к тому, что, опускаясь в зону обитания, приточный воздух смешивается с конвективными потоками вредностей и возвращает часть этих вредностей в зону обитания людей. Такая схема организации воздухообмена получила название «смесительной вентиляции» [1]. Значительно более качественные и комфортные условия по воздушному микроклимату в зоне обитания людей в помещении обеспечиваются при применении схемы т.н. «вытесняющей вентиляции» [1].
Приготовленный в центральном приточном агрегате воздух подается через специальные напольные воздухораспределители непосредственно в зону обитания людей в помещении. По условиям теплового комфорта температура приточного наружного воздуха tпн должна быть не ниже следующих величин: зимой при tвх = 20 °C приток tпнх = 20 – 3 = 17 °C; летом при tв = 25 °C приток tв = 25 – 5 = 20 °C.
Скорость поступления приточного воздуха в помещение от напольных воздухораспределителей должна быть не выше vпн = 0,3 м/с. Для рассматриваемой палаты напольные приточные воздухораспределители должны иметь площадь приточного сечения следующей величины:
Наружная стена имеет площадь 5 × 3 = 15 м2. В ней расположено окно площадью 2,5 × 2 = 5 м2. По современным нормам теплозащиты зданий [4] стены в климате Москвы должны иметь термическое сопротивление Rст = 3,5 м2⋅с/Вт, окна — Rок = 0,6 м2⋅с/Вт. Вычислим расчетные трансмиссионные теплопотери. Потери через стену:
При явных теплопритоках от шести человек больных в рассматриваемом помещении в 540 Вт⋅ч расчетные трансмиссионные теплопотери в 537 Вт⋅ч полностью компенсируются. На систему отопления остается компенсация тепла на догрев приточного наружного воздуха с tпнх = 17 °C до tвх = 20 °C:
В настоящее время во многих больницах в нашей стране можно наблюдать, что построенные по проекту системы приточной вентиляции не используются службой эксплуатации от желания экономить тепло на нагрев приточного воздуха. В палатах создается духота, запахи, загазованность. Поэтому больные открывают фрамуги, и в палату поступает холодный наружный воздух. На нагрев холодного воздуха в количестве санитарной нормы система должна расходовать тепла:
Удельная расчетная нагрузка на систему отопления палаты при отсутствии приточной системы вентиляции и поступлении санитарной нормы наружного воздуха через открытую фрамугу в окне составляет:
Значительное сокращение расчетного расхода тепла на отопление и вентиляцию больничных палат может быть достигнуто путем применения энергосберегающей технологии работы систем ВОК, подробно описанной в [5]. Наиболее простая и экономичная энергосберегающая система ВОК осуществляется путем установки в приточных и вытяжных агрегатах после воздушных фильтров отечественных теплообменников модели КСК из биметаллических накатных оребренных трубок, что обеспечивает их высокую теплотехническую эффективность и малые аэродинамические сопротивления.
Теплообменники в приточных и вытяжных агрегата соединяются между собой трубопроводами, на которых установлен насос и герметичный расширительный бак. Собранная система утилизации промывается водой, осушается и заполняется антифризом с температурой замерзания на 5 °C ниже расчетной температуры холодного наружного воздуха. В климате Москвы концентрация антифриза должна быть выбрана для условий температуры замерзания не выше:
tаф = tнх + (–5) = –28 – 5 = 33 °C.
Теплотехническая эффективность данной системы энергосбережения с насосной циркуляцией антифриза оценивается показателем, имеющем вид:
где tнх2 — температура приточного наружного воздуха после теплообменников в приточном агрегате, °C; ty1 — температура удаляемого под потолком палат воздуха [°C], при схеме смесительной вентиляции (приток и вытяжка под потолком) ty1 = tвх = 20 °C, при схеме вытесняющей вентиляции принимаем значения ty1 = 23 °C и Θt.yy = 0,4. Преобразуем показатель по формуле (1) к виду вычисления величины температуры tнх2:
tнх2 = tнх1 + Θt.yy(ty1 – tнх1) = = –28 + 0,4 × (23 + 28) = –7,6 °C.
Требуемое тепло для нагрева саннормы lпн = 480 м3/ч в приточном агрегате, в котором реализована энергосберегающая система с насосной циркуляцией антифриза:
Расчетный расход тепла благодаря применению энергосберегающей системы вентиляции сокращен на:
В работе [5] приведен расчет снижения годового расхода тепла в приточновытяжной системе в климате Москвы с применением энергосберегающей системы с насосной циркуляцией антифриза. Получен удельный показатель снижения расхода тепла за отопительный период в 20 кВт/(год⋅м3) и формула для вычисления количества сэкономленного за год тепла:
Примем, что в больнице имеется 400 коек в палатах для лечения больных. Эти палаты обслуживаются приточной системой вентиляции, производительность которой: Lпн = 400 × 80 = 32 000 м3/ч. Системы приточно-вытяжной вентиляции в больничных палатах работают 24 ч в сутки, т.е. tвок = 24. По формуле (2) получаем:
По тарифам 2011 г. стоимость 1 кВт тепла от системы теплоснабжения от ТЭ составляет 1,4 руб/кВт. Стоимость сэкономленного за год тепла:
Ст.уу = 640 000 × 1,4 = 896 000 руб.
Стоимость системы утилизации с насосной циркуляцией для приточно-вытяжных систем производительностью 32 тыс. м3/ч оцениваем в 600 тыс. руб. Итак, применение в приточно-вытяжных системах в больницах установки утилизации окупает менее чем за один год. Лето недавнего 2010 года было очень жарким и сухим. В полуденные часы температура наружного воздуха возрастала до tн1 = 34 °C при температуре по мокрому термометру не выше tнм1 = 18 °C. При жарком и сухом климате эффективно и экономично применение наиболее простого и экономичного метода адиабатного охлаждения приточного наружного воздуха, эффективность которого оценивается показателем:
где tн2 — величина температуры адиабатно увлажненного приточного наружного воздуха. Оригинальный аппарат адиабатного охлаждения воздуха разработан в научно-производственной фирме «Химхолодсервис». По сечению аппарата устанавливается требуемое число полотен из гигроскопичного материала. Число полотен зависит от требуемой величины показателя Еа.
Для Еа = 0,8 требуется по ходу воздуха последовательно установить восемь полотен, которые увлажняются через прорези в верхней натяжной трубе для ленты из двух полотен. Для достижения Еа = 0,8 устанавливается четыре ленты и четыре натяжных трубы. Глубина аппарата по ходу воздуха — не более 0,3 м. В трубы поступает водопроводная вода питьевого качества, которая увлажняет материал полотен. Вся влага, воспринятая материалом полотен, испаряется в проходящий через них воздух.
Поэтому нет рециркуляции воды, как это характерно для традиционных аппаратов адиабатного увлажнения с насосной циркуляцией воды, орошающей насадку из гофрированных пластмассовых листов. Поэтому новый безнасосный аппарат адиабатного увлажнения не загрязняет воздух бактериями, которые могут развиваться в теплой воде поддонов традиционных аппаратов адиабатного увлажнения. Авторами разработана схема двухступенчатого испарительного охлаждения приточного наружного воздуха, которая достаточно просто может быть встроена в существующие в больницах приточно-вытяжные агрегаты.
В качестве первой ступени используется установка утилизации с насосной циркуляцией антифриза, подробно рассмотренная выше в режиме работы в холодный период года. После воздушного фильтра в вытяжных агрегатах добавляется аппарат адиабатного увлажнения вытяжного воздуха с показателем Еа = 0,8. В приточном агрегате после калорифера устанавливается аппарат адиабатного увлажнения Еа = 0,6.
На рис. 1 представлено построение в i–d-диаграмме влажного воздуха режима двухступенчатого испарительного охлаждения приточного наружного воздуха, который в полуденные часы имеет температуру по сухому термометру tнт = 34 °C и по мокрому термометру tнм1 = 18 °C, а вытяжной воздух имеет температуру по сухому термометру tу1 = 28 °C и по мокрому термометру tум1 = 19 °C. Преобразуем выражение (3) к виду нахождения температуры воздуха после адиабатного увлажнения:
tн2 = tн1 – Еа(tн1 – tнм1). (4)
Используем выражение (4) для вычисления температуры вытяжного воздуха после адиабатного увлажнения в аппарате с Еа = 0,8: tу2 = tу1 + Еа(ty1 – tум1) = = 28 – 0,8_(28 – 19) = 20,8 °C. Проходя через теплообменные установки утилизации вытяжной воздух с tу2 = 20,8 °C через стенки оребренных трубок будет охлаждать проходящий по трубкам антифриз до температуры tаф = 23 °C, с которой насос будет подавать охлажденный антифриз в трубки теплообменника в приточном агрегате. Теплотехническая эффективность теплообменника определяется:
где tн2 — температура наружного воздуха после теплообменника, °C. Преобразуем выражение (5) к виду вычисления температуры tнх2 при Θt = 0,7: tн2 = tн1 + Θt(tн1 – tаф.х1) = 34 – 0,7 × (34 – 23) = 26,3 °C. На i–d-диаграмме (рис. 1) находим значение tнм2 = 15,6 °C. В приточном агрегате установлен аппарат адиабатного увлажнения с Еа = 0,6. Вычисляем температуру приточного наружного воздуха после адиабатного увлажнения: tн3 = tн2 + Еа(tн2 – tнм2) = = 26,3 – 0,6 × (26,3 – 15,6) = 19,9 °C.
В приточном вентиляторе и воздуховодах воздух с tн3 = 19,9 °C нагреется на 1 °C и с температурой tпн = 20,9 °C через напольный воздухораспределитель поступит в зону коек с больными, вытесняя под потолок образующиеся избыточное тепло, водяные пары и газы, где температура вытесненного воздуха возрастет до tу1 = 28 °C и tум1 = 19 °C (см. построение на рис. 1).
Проведенные расчеты и построение на i–d-диаграмме на рис. 1 показали, что используя установку утилизации и аппараты адиабатного увлажнения можно обеспечить поддержание в больничных палатах комфортной температуры tв = 25 °C. В настоящее время в больничных палатах, как правило, нет средств охлаждения воздуха. Это приводит к тому, что в жаркое лето при повышении tн = 34 °C и сохранении такой жары более двух месяцев в помещениях вырастет температура до tв ≈ 30–34 °C.
Это создает крайне тяжелые условия для людей, находящихся в этих помещениях. Особенно это неблагоприятно отражается на физическом состоянии людей, имеющих различные заболевания сердечно-сосудистой системы. Дополнение традиционных систем вентиляции аппаратами адиабатного увлажнения и системами утилизации с насосной циркуляцией антифриза окупится менее чем за год благодаря снижению до 50 % расхода тепла в холодный период года и улучшению комфортных условий нахождения больных в палатах в жаркие летние дни.
Авторы готовы оказать помощь в разработке проектов и приобретении оборудования для создания энергосберегающих систем вентиляции и охлаждения в помещениях больничных палат.
