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    醫院放療機房空調通風設計,講的很透徹!

    前言

     

    放射性治療在醫院扮演著重要角色,為常見的放療設備是電子加速器,電子加速器分為兩種,一類是直線加速器;另一類是感應加速器,直線加速器的散熱量約為7kW,其散熱部位主要在機架區,設計時應使空調送風先到達該區域;感應加速器散熱量約41kW。調制柜、配電室散熱量約為3kW,加速器控制室發熱量為1.0kW。

     

    本文針對醫院放療設備的快速發展,對暖通空調的設計提出了更高要求。結合某醫院放療機房的空調通風設計實例,詳細介紹了醫院放療機房空調通風設計的注意事項與方法,包括合理確定空調負荷、空調通風方案、排風換氣量及防輻射措施等。

     

    01空調通風系統設計

     

    空調系統設計

     

    首先必須正確計算直線加速器機房的冷/熱負荷,其包括:通過圍護結構傳入的熱量、透過外窗和天窗進入的太陽輻射熱量、人體散熱量、照明和設備等內部熱源的散熱量、新風與補風帶入的熱量。

     

    這要求設計人員準確了解到相關設備的散熱量以及直線加速器機房對通風換氣量的要求,一般情況下,新風換氣量較大,新風與補風的負荷占總負荷的比重大,確定安全、合理的通風換氣量顯得尤為重要,與一般公共建筑空調負荷相比,另一個負荷特點是設備發熱量,因為設備發熱量大,計算確定負荷時,務必調查清楚實際設備的發熱量,在沒有具體數據的情況下,可參考上面提供的參數。

     

    由于設備的重要性,這些場所空調方式可采取全空氣系統或冷劑直接蒸發冷卻空調形式。載冷劑管和冷凝水管或風管進出機房可按照“迷宮”形式迂回布置,同時管路穿越機房處應采用一定長度鉛板外包防護,以防放療設備工作時射線通過管路泄露。放療機房應采用獨立的冷凝水管路系統,防止直線加速器工作期間污染物和射線通過冷凝水管串流到其他房間,放療機房冷凝水的排放應通過相應部門的檢驗和批準。

     

    由于放療機房新風(補風)采用冷劑直接蒸發冷卻設備處理,現有設備難于將新風處理到所需狀態點,另外該房屋一側外墻(靠近土墻)滲水嚴重,增加了室內濕負荷,故室內機需承擔部分新風負荷與額外的濕負荷,所以直線加速器機房所選室內機額定總制冷量達20kW(如果室內濕負荷過大,可考慮配備一臺移動式除濕機),選用兩臺額定制冷量10kW四面出風型室內機,控制室選用2.5kW側送風室內機。

     

    通風系統設計

     

    放療機工作時,會使空氣發生電離,從而產生對人有害的氮氧化物和臭氧,而臭氧和氮氧化物的密度均大于空氣密度,同時考慮到氣體滅火通常采用的滅火氣體是七氟丙烷,其密度比空氣大,基于上述考慮,采用上送下排的氣流組織形式,房間內排風口應設置在房間下部并遠離門口以及人員經常走動區域。為防止放療機工作結束后開門瞬間污染物的外泄,可采用維持房間負壓這一設計思路,新風量與排風量可按0.8比值配置。為防止排風管內污染物泄漏,可將風管設于地下土建風道內。

     

    醫院的貴重設備如加速器、MRIECT等房間均設置了氣體滅火系統,暖通專業設計時要求設置火災后的事故排風系統,為精簡管路,本設計中采用了一套系統兩用的設計方法,即平時排風和事故后排風共用一套系統,同時也可減少穿越防護墻的管路數。環境評估報告要求放療機房的換氣次數大于4/h,出于安全考慮,放療機房的排風換氣量可按6/h設計,故排風風機按4個機房同時使用來確定排風風量。

     

    氮氧化物和臭氧對空氣雖然有污染,但產生的數量少,對環境的影響較小,可以直接排至大氣中。另外為防止新風中混入排風中的污染物,室外排風口應遠離新風口,并將新風口布置到來流上游位置或將排風口用風管接到屋頂以上排放。

     

    放療設備的主要散熱部位(機架區)布置在靠近排風口的區域,方便及時排出設備的散熱量或盡可能將冷氣送到發熱部位,以便對直線加速器快速降溫,起到保護和延長設備使用壽命的作用。排風管在機房處做好保溫措施,防止在機房處排風管結露。

     

    02防射線措施

     

    為防止直線加速器在工作時產生的射線對非射線區域的污染,空調通風系統既要滿足室內空氣溫濕度和潔凈度要求,又要采取有效措施防止射線通過管壁和管道外漏。

     

    由于射線在金屬中具有傳導效應,故進出放療機房的管道應避免使用金屬管材??照{送、回風管道和排風管道等采用非金屬管材(如玻璃鋼、玻鎂復合風管等),以防射線傳出。

     

    射線會經過風口等傳至風管內,若不采取措施,射線易通過風管傳輸到直線加速器機房外,給外部人員帶來射線危害??衫蒙渚€低反射率原理,設計風管等管路時可設計多個直角彎,使射線經多次反射后所剩無幾,如圖2所示。冷媒管/冷凝水管進出直線加速器機房時使管子與射線方向成45°,如圖3所示。

     

    預埋管會使防護墻的局部厚度減少,如圖2和圖3所表示。因此應根據關于職業放射工作人員劑量限值(周劑量限值取0.02mSv/w, 核算局部厚度小處是否滿足要求。采用公式(1)進行計算:

     

    γ=r2 ·HLW/(W·U·T·n)1

     

    式中:γ為減弱因子;HLW為周劑量限值,取0.02mSv/w;r 為靶(出束口)距防護點距離;W 為周工作負荷,取720mSv/w;U為束定向因子,可取1、1/4、1/8…;T為居留因子,可取1、1/4、1/8…;n 為安 全系數,取2。

     

    根據不同的U,T取值,可以計算出不同朝向的墻體減弱因子,再通過查《γ射線屏蔽參數手冊》,可得出所需屏蔽墻體的厚度,在厚度不足的情況下,應采用鉛板對管道進行外包,鉛板的厚度和所包裹的管道削弱墻的厚度有關,大致是1mm厚的鉛板相當于100mm厚混凝土墻對射線的衰減。

     

    直線加速器機房的屏蔽墻應一次性澆注而成,故在施工時應預埋送風管、冷凝水管、載冷劑管等管路。如圖2和圖3所示預埋管的主要方式有斜45°埋管、“Z”字形埋管和“U”字形,為減少射線的外漏,預埋管應遵循在滿足其使用功能前提下保證射線輻射對人體危害在安全范圍內的原則,把預埋管布置在輻射量小的區域,同時盡量減少埋管的面積,在施工時必須保證所有的預埋管跟混凝土澆注同時進行, 一次完成。

     

    感生放射性來源于直線加速器治療室內的空氣受到高能粒子照射時產生的感生放射性核素,如3H、7Be、11C、13N、15O、41Ar等。射線能量在10MV以上時,會產生感生放射性。感生放射性核素的半衰期長短不一,短者只有7.3s,長者達121.53d。所以在加速器關機的狀態下,短時間內感生放射性衰減的速度非???,長時間內感生放射性的變化趨于平緩。

     

    長半衰性感生放射性核素的存在,使得停機狀態下機房仍然存在一定水平的感生放射性。因此在加速器停止工作后,不應及時打開防護門,而應繼續通風排氣一段時間,時間控制在使機房至少能進行一次換氣,便于氮氧化物、臭氧和感生放射性核素的排出,從而創造一個干凈的室內環境。由于本設計換氣次數按6/h設計,因此醫護人員應在加速器停止工作不小于10min之后方可進入機房。

     



    03熱回收形式對比

     

    所謂熱回收是指回收建筑物內外的余熱(冷)或廢熱(冷),據調查,空調工程中處理新風的能耗大致占建筑總能耗的25%~30%,高級賓館和辦公建筑更是高達40%??梢?,空調處理新風所消耗的能量甚大。而空調房間排風中可利用的能量是相當可觀的,若對其加以回收利用可在節能和環境上獲得很好的效益。

     

    為此,我國在20054月發布的《公共建筑節能設計標準》(GB50189-2005)中明確提出:在技術經濟分析合理時,設計人員應優先考慮排風能量的回收。

     

    目前,有以下的熱回收形式:第一,通過全熱回收裝置(如轉輪換熱器、全熱換氣機等),新風直接從排風中獲取余熱(冷),如果采用全熱回收裝置,在夏季工況下,新風則達到降溫除濕的目的,冬季時新風則可升溫加濕;第二,通過顯熱回收裝置(如熱管等),新風達到降溫/升溫的目的;第三,就風冷熱泵而言,夏季時通過冷凝器回收排風中冷量,冬季則通過蒸發器回收排風中熱量,這樣不僅可以提高機組的能效比,而且冬季時可省去機組的化霜流程。

     

    考慮到直線加速器工作會使空氣發生電離,產生NxOy (氮氧化物)和O3 (臭氧)。如采用第一種熱回收方式的機組,不能避免新風和排風間交叉污染。采用第二種熱回收裝置,又面臨換熱效率低的局面,無法大化地利用排風中能量。

     

    綜上所述,第三種形式是能滿足衛生需求和節能要求的熱回收方式。如選用一體化熱回收新風機組,則應考慮機組中新風和排風滲透率的問題,要求廠家做好新風機組排風風道和新風風道的氣密性檢查,同時保證污染空氣處于負壓區,新風處于正壓區。

     

    04案例分析

     

    由于放療機房的排風量很大,在對新風機組選型時應優先考慮排風熱回收新風機組。由于該項目是改造工程,受機房大小的限制,無法采用排風熱回收新風機組。

     

    以南京地區某醫院放療機房空調通風設計為例。

     

    由于直線加速器散熱量達7kW,與一般辦公建筑相比夏天的熱量明顯增加,相比較而言,冬季的熱負荷因為設備發熱量大而明顯減少,放療機房空調主要矛盾出現在夏季,因此對夏季設計工況進行分析。

     

    南京地區夏季空調室外計算干球溫度t1=34.8℃,夏季空氣調節室外計算濕球溫度t2=28.1℃,從焓濕圖可知室外空氣焓值hw=91kJ/kg,放療機房溫度控制在20~22℃,相對濕度不大于60%。通過焓濕圖可知室內空氣焓值hn=43~48kJ/kg,新風量V=4100m3/h,則把新風處理到室內狀態點的冷量Q=ρV(hw-hn)/3600,由此可得要求新風機組的制冷能力Ql=58.8~65.6kW。

     

    然而,在對新風機組選型時要特別注意所選機組處理新風的實際能力,特別是現有定型的直接蒸發冷卻新風機組。按處理新風量依據現有樣本選擇通用直接蒸發冷卻新風機組,往往新風處理后的狀態不能達到室內設計空氣參數,此時,需要通過室內空調機來承擔部分新風負荷。

     

    綜上所述,在采用有源新風時,應優先考慮采用排風熱回收新風機組來實現節能減排的目標,選擇合理新風機組,綜合考慮新風終所能處理到的狀態點,圍護結構傳入的熱量,放療設備的散熱量,人員密度,照明等各方面因素來確定空調室內機的制冷量,從而為空調設備選型提供合理而又科學的依據。

     

    05小結

     

    日新月異的醫療設備要求暖通設計人員具備與時俱進的精神,在對醫院放療機房進行空調通風設計時應做到知己知彼,敢于革新,綜合考慮各方面的影響因素,確定出合理方案,方可設計出滿足相應醫療設備要求的空調通風系統。

     

    醫院放療機房的排風量很大,應優先選用排風熱回收新風機組,這不僅可以給業主帶來經濟上的收益,而且還能達到節能減排目的。選擇排風熱回收方式時應做到具體問題具體分析,針對不同問題選擇滿足其要求的排風熱回收方式,醫院放療機房可采用通過冷凝器/蒸發器回收排風中冷量/熱量的方式來實現排風熱回收。

     

    同時能大程度地降低排風與新風之間的交叉污染為防止醫院放療機房工作時射線通過風管外漏,在風管、載冷劑管和冷凝水管穿越防護墻處應采用一定長度鉛板外包防護,還可精簡通風系統,本設計將平時通風和事故后通風合二為一。

     

    為防止醫院放療機房工作時污染物的泄漏與串流,設計時采用了獨立的冷凝水管路、地下排風,還有就是排風管進出機房處做好氣密性防護和保溫措施。

     

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