大連某醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與節(jié)能改造

劉 帥，高 興，張金徽

（大連海洋大學(xué)，遼寧 大連116021）

0 引言

近年來，節(jié)能成為我國重點關(guān)注對象，醫(yī)院作為能耗 “大戶”，自然備受關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，醫(yī)院建筑能耗已經(jīng)上升到社會總能耗的1／3［1］。據(jù)相關(guān)資料表明，醫(yī)院的能耗情況是一般公共建筑的兩倍［2］，所以，對醫(yī)院進(jìn)行節(jié)能改造有很重要的現(xiàn)實意義。綜合醫(yī)院能耗情況的組成部分包括空調(diào)、電梯、照明、生活用水、醫(yī)療設(shè)備等，其中醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗情況占整個醫(yī)院建筑能耗的65%［3］?？照{(diào)系統(tǒng)由冷水機組、組合式空調(diào)機組、輸送設(shè)備組成，冷水機組能耗占整個空調(diào)系統(tǒng)的55.53%，所以，降低冷水機組運行能耗便成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵［4］。本文通過對大連某醫(yī)院潔凈空調(diào)設(shè)備及能耗情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)兩臺冷水機組存在 “大馬拉小車”的情況，單臺冷水機組是雙頭螺桿式壓縮機，全年僅有7、8月份需要兩臺冷水機組共同運行，其他月份僅是單臺機組運行，甚至個別月份單個機頭運行就可以滿足要求。本文對冷水機組進(jìn)行改造，選擇合適的機型，并對某醫(yī)院手術(shù)室按照不同的溫區(qū)進(jìn)行劃分，解決一個房間溫度適合，其他房間過冷過熱的問題。然后進(jìn)行能耗計算與經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果顯示較2018年比節(jié)能18.95%，節(jié)能潛力巨大。

1 理論計算

1.1 改造后工況確定及熱力計算

改造前某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)凈包括28個手術(shù)室、3個ICU病房和潔凈走廊等，7樓有36臺組合式空調(diào)機組、2臺冷水機組。改造后本文以R22為冷媒，潔凈空調(diào)系統(tǒng)共需1100kW制冷量，冷水進(jìn)出水溫度為7℃、12℃。蒸發(fā)溫度為2℃，冷凝溫度為38℃，本文蒸發(fā)溫度＞－5℃，所以不采用過冷技術(shù)，過熱度為5℃。

根據(jù)蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度，運用負(fù)荷計算軟件查得相關(guān)焓值，計算如表1所示。

1.2 潔凈系統(tǒng)改造后設(shè)備選擇

（1）壓縮機選型

壓縮機的級數(shù)由壓縮比決定，壓縮比＝Pk／P0＝2.774。由于本文采用R22制冷劑，當(dāng)壓縮比≤10時，選擇單級壓縮機，當(dāng)壓縮比＞10時，選擇雙級壓縮機，因為本文壓縮比＝2.774＜10，所以選擇單級壓縮機。因需要1100kW制冷量，理論輸氣量為1465.2 m3／h，根據(jù) 《實用制冷工程設(shè)計手冊》選擇LG25F440D型號螺桿式壓縮機。參數(shù)如下：LG25F440D型號壓縮機，在標(biāo)準(zhǔn)情況下制冷量Qb為1130kW，配用電機功率為440kW，理論輸氣量2160 m3／h。臺數(shù)的確定：

所以選擇一臺壓縮機就足夠。與其相配合得配用電機型號為JK134－2，功率為440kW。

（2）電子膨脹閥選型

用丹佛斯軟件選擇電子膨脹閥型號，根據(jù)制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等已知條件設(shè)定參數(shù)，結(jié)果顯示選擇型號為ICM25－A的電子膨脹閥。

（3）冷凝器選型

冷凝器的選擇取決于當(dāng)?shù)氐乃疁?、水質(zhì)、水源、氣候條件等因素。因為大連水溫較高、水量比較充足，所以選擇臥式套管式冷凝器。

表1 熱力計算表Tab.1 Thermodynamic table

1）冷凝器熱負(fù)荷計算：

式中：QC為冷凝器熱負(fù)荷，kW；h2s為壓縮機實際排氣的比焓，kJ／kg。

2）冷凝器傳熱面積的計算：

式中：Ac為冷凝器的傳熱面積，m2；K為冷凝器傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；臥式套管式氟利昂冷凝器的K＝800～900W／（m2·K）。

式中：△tm為制冷劑與冷卻介質(zhì)之間的對數(shù)平均溫度；A為裕量在10% ～15%之間，本文取0.13；t3為冷凝器出口，℃；t4為冷凝器進(jìn)口溫度，℃；△tm由 《制冷裝置設(shè)計》知，對于臥式氟利昂冷凝器一般在4～6℃，本文取5℃。

根據(jù) 《制冷工程設(shè)計規(guī)范》選擇DWN－360型冷凝器，360 m2＞334.235 m2，選擇合適。

對某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)改造前后的能耗情況進(jìn)行比較。改造后如圖1所示：改造后將原系統(tǒng)的兩臺冷水機組進(jìn)行更換，其他組合式空調(diào)機組等不變。本文將整個手術(shù)室潔凈系統(tǒng)分為3個區(qū)域，每個區(qū)域所處溫度區(qū)間不同，手術(shù)室一般的溫度區(qū)間為16－28℃［5］，本文以4℃作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別為16～19℃、20～23℃、24～28℃。壓縮機出來的制冷劑流經(jīng)冷凝器通過三個溫區(qū)電子膨脹閥節(jié)流，然后進(jìn)入組合式空調(diào)機組內(nèi)進(jìn)行換熱，最后分送到各個手術(shù)室。

圖1 改造后潔凈系統(tǒng)簡圖Fig.1 Schematic diagram of cleaning system after modification

近三年來冷水機組的能耗情況如表2所示：從圖中可以看出在每年的耗電量相差不多，由于外界天氣的變化引起耗電量的不同。6、9月份耗電量相對較低，7、8月份相對較高，對于6、9月份，機組大部分都是處于部分負(fù)荷運行狀態(tài)。

改造后潔凈系統(tǒng)的耗電量用IPLV（綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)）進(jìn)行估算：耗電量＝冷負(fù)荷÷IPLV×機組運行時間。

從文獻(xiàn)6、7發(fā)現(xiàn)目前我國對IPLV這項指標(biāo)使用范圍受到很大限制，不適用于多臺冷水機組關(guān)聯(lián)工作，僅適用于單臺冷水機組。按照現(xiàn)有的公式計算IPLV來計算冷水機組的能耗存在很大偏差，經(jīng)過文獻(xiàn)8修改驗證后更具有代表性。本文綜合考慮我國不同地區(qū)的氣候條件不同，導(dǎo)致對應(yīng)的負(fù)荷權(quán)重不同，具體參數(shù)見表3。

表2 冷水機組能耗情況Tab.2 Energy consumption of chillers

表3 中國不同區(qū)域IPLV負(fù)荷權(quán)重Tab.3 IPLV load weights in different regions of China

大連屬于寒冷地區(qū)，所以對應(yīng)a、b、c、d取值為0.7%、36.2%、53.4%、9.8%。

2 改造后潔凈系統(tǒng)節(jié)能分析

式中：

A—100%時性能系數(shù)COP（kW／kW）；

B—75%時性能系數(shù)COP（kW／kW）；

C—50%時性能系數(shù)COP（kW／kW）；

D—25%時性能系數(shù)COP（kW／kW）。

本文以機組的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，估算6月到9月的能耗情況。額定制冷量為1130kW。不同負(fù)荷對應(yīng)的性能系數(shù)如表4所示。

表4 部分負(fù)荷性能系數(shù)表Tab.4 Partial load performance coefficient table

根據(jù)表4選擇相對應(yīng)的部分負(fù)荷性能系數(shù)，每天的工作時間為8小時，共736小時。經(jīng)計算后6月份到9月份的能耗為172 0 74.59kW，改造前能耗為212294.1kWh，節(jié)能約18.95%。

表5 能耗計算Tab.5 Energy consumption calculation

3 改造后潔凈系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

綜合分析大連某醫(yī)院潔凈空調(diào)系統(tǒng)改造前后的能耗數(shù)據(jù)，使用單臺冷水機組后節(jié)能效果顯著。從圖3中可以看出2016年、2017年、2018年6月到9月總計耗電量分別為216066.50kWh、213968.97kWh、212294.10kWh，從表4能夠看出改造后預(yù)估耗電量為172 0 74.59kWh，與2016、2017、2018年相比分別節(jié)能20.36%、19.58%、18.95%。大連某醫(yī)院用電費用為1元／kWh，將耗電量折合成現(xiàn)金，則2018年4個月一共節(jié)省40219.51元，因為大連某醫(yī)院只記錄6月到9月潔凈機組的耗電量，所以僅能進(jìn)行4個月的能耗對比，全年節(jié)能效果會更顯著，可見潔凈系統(tǒng)有很大的節(jié)能潛力，要引起相關(guān)人員的重視。

4 結(jié)論

醫(yī)院潔凈系統(tǒng)節(jié)能潛力非常巨大，應(yīng)該引起管理層以及工作人員的重視，樹立節(jié)能意識。本文采用單臺冷水機組替代原系統(tǒng)的兩臺冷水機組節(jié)能效果顯著。大連某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)大部分時間都是處于部分負(fù)荷狀態(tài)，所以，冷水機組的自動調(diào)節(jié)顯得非常重要，要使機組處在50%～75%的狀態(tài)運行，從而保持較高的COP。將手術(shù)室按照不同的溫區(qū)進(jìn)行劃分，解決一個房間溫度適合，其他房間過冷過熱的問題。本文沒有采用變頻器，如果采用變頻控制，能提高部分負(fù)荷運行的效率，但是會增加前期的初投資。采用變頻壓縮機對于這種負(fù)荷時刻變化的情況有著顯著的節(jié)能效果［9］。