Microclimate in medical institutions

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 F_пол = 5 х 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 l_дн = 6 х 80 = 480 м³/ч.

Больница располагается в Москве, расчетная температура наружного воздуха в холодный период года равна t_нх = -28 °C при продолжительности отопительного периода 214 суток, средняя температура наружного воздуха за отопительный период t_н.ср.от = -3,1 °С [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 t_в [°C], температура воздуха в холодный период года должна быть t_вх = 20-22 °C, а летом t_в = 23-25 °C. Относительная влажность воздуха в зоне обитания людей может колебаться от φ_вх = 30 % зимой и до φ_вх = 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:

С_в.газ = С_н.газ + 1250 мг/м³.

В наружном воздухе крупных городов С_н.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 t_вх = 20 °С выделяется: явного тепла 90 Вт/(ч-чел); водяных паров 40 г/(ч-чел). Для рассматриваемой палаты площадью 30 м² количество выделений от больных составит:

q_тл.выд = 6 х 90 = 540 Вт/ч;

w_в.пар = 6 х 40 = 240 г/ч.

Выделяющееся от людей явное тепло поступает в помещение при температуре тела человека, которая при нормальном тепловом комфорте равна t_чел = 36,6 °C. Эта температура выше температуры окружающего человека воздуха, и поэтому явное тепло конвективным потоком поднимается под потолок палаты.

В большинстве проектов систем вентиляции больничных палат приточный воздух от центральных приточных агрегатов подается в верхнюю зону помещения. Такая схема организации воздухообмена названа «смесительной вентиляцией»

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 гпн должна быть не ниже следующих величин: зимой при t_вх = 20 °С приток t_пнх = 20 - 3 = 17 °C; летом при t_в = 25 °C приток t_в = 25 - 5 = 20 °C. Скорость поступления приточного воздуха в помещение от напольных воздухораспределителей должна быть не выше v_пн = 0,3 м/с.

Для рассматриваемой палаты напольные приточные воздухораспределители должны иметь площадь приточного сечения следующей величины:

Наружная стена имеет площадь 5 х 3 = 15 м². В ней расположено окно площадью 2,5 х 2 = 5 м². По современным нормам теплозащиты зданий [4] стены в климате Москвы должны иметь термическое сопротивление R_ст = 3,5 м²*с/Вт, окна — R_ок = 0,6 м²*с/Вт. Вычислим расчетные трансмиссионные теплопотери.

Потери через стену:

потери через окно:

Общие теплопотери

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 t_пнх = 17 °C до t_вх = 20 °C:

Значительно более качественные условия по создаваемому воздушному микроклимату в зоне обитания людей в помещении обеспечиваются при применении схемы «вытесняющей вентиляции»

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 °С ниже расчетной температуры холодного наружного воздуха. В климате Москвы концентрация антифриза должна быть выбрана для условий температуры замерзания не выше:

Теплотехническая эффективность данной системы энергосбережения с насосной циркуляцией антифриза оценивается показателем, имеющем вид:

где t_нx2 — температура приточного наружного воздуха после теплообменников в приточном агрегате, °C; t_y1 — температура удаляемого под потолком палат воздуха [°C], при схеме смесительной вентиляции (приток и вытяжка под потолком) t_y1 = t_вх = 20 °C, при схеме вытесняющей вентиляции принимаем значения t_y1 = 23 °C и Θ_t.yy = 0,4.

В НПФ «Химхолодсервис» разработан оригинальный аппарат адиабатного охлаждения воздуха. По сечению аппарата устанавливается требуемое число полотен из гигроскопичного материала

Преобразуем показатель по формуле (1) к виду вычисления величины температуры t_нх2:

Требуемое тепло для нагрева саннормы l_пн = 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: l_пн = 400 х 80 = 32 000 м³/ч.

Системы приточно-вытяжной вентиляции в больничных палатах работают 24 ч в сутки, т.е. t_вок = 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:

Q_т.уу = 640 000 х 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 t_н1 = 34 °C при температуре по мокрому термометру не выше t_нм1= 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 t_н2 — величина температуры адиа- батно 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 Е_а. Для Е_а = 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 Е_а = 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 Е_а = 0,8. В приточном агрегате после калорифера устанавливается аппарат адиабатного увлажнения Е_а = 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 t_нт = 34 °C и по мокрому термометру t_нм1 = 18 °C, а вытяжной воздух имеет температуру по сухому термометру t_у1 = 28 °C и по мокрому термометру t_ум1 = 19 °C. Преобразуем выражение (3) к виду нахождения температуры воздуха после адиабатного увлажнения:

Используем выражение (4) для вычисления температуры вытяжного воздуха после адиабатного увлажнения в аппарате с Е_а = 0,8:

Проходя через теплообменные установки утилизации вытяжной воздух с t_у2 = 20,8 °C через стенки оребренных трубок будет охлаждать проходящий по трубкам антифриз до температуры t_аф = 23 °C, с которой насос будет подавать охлажденный антифриз в трубки теплообменника в приточном агрегате. Теплотехническая эффективность теплообменника определяется:

где t_н2 — температура наружного воздуха после теплообменника, °C. Преобразуем выражение (5) к виду вычисления температуры t_нх2 при Θ_t = 0,7:

На i-d-диаграмме (рис. 1) находим значение t_нм2 = 15,6 °C. В приточном агрегате установлен аппарат адиабатного увлажнения с Е_а = 0,6. Вычисляем температуру приточного наружного воздуха после адиабатного увлажнения:

В приточном вентиляторе и воздуховодах воздух с t_н3 = 19,9 °С нагреется на 1 °С и с температурой t_пн = 20,9 °С 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 t_у1 = 28 °С и t_ум1 = 19 °С (см. построение на рис. 1).

Проведенные расчеты и построение на i-d-диаграмме на рис. 1 показали, что адиабатного увлажнения можно обеспечить поддержание в больничных палатах комфортной температуры t_в = 25 °С. В настоящее время в больничных палатах, как правило, нет средств охлаждения воздуха. Это приводит к тому, что в жаркое лето при повышении t_н = 34 °С и сохранении такой жары более двух месяцев в помещениях вырастет температура до t_в ≈ 30-34 °С. 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.