某醫(yī)院能源站冷熱源系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)案例淺析

文_謝吉平 趙文亮 文興 張華昌 遠(yuǎn)大能源利用管理有限公司

1 工程概況

某市大型三級綜合性公立醫(yī)院，是集醫(yī)療、急救、科研、教學(xué)等為一體的示范性綜合醫(yī)院。全院是由門診樓、住院樓和科教樓組成的既有建筑群，總建筑面積約為7.5萬m2，擁有病床1500多張。目前正在新建全科醫(yī)生培養(yǎng)大樓和門診樓，本次空調(diào)系統(tǒng)改造主要是針對既有建筑能源站。

2 醫(yī)院原冷熱源系統(tǒng)介紹

該院西北角和東南角各設(shè)有一個(gè)燃煤鍋爐房和燃?xì)忮仩t房，分別采用1臺(tái)6t/h燃煤蒸汽鍋爐和2臺(tái)3t/h燃?xì)忮仩t及1臺(tái)2t/h燃?xì)忮仩t為院區(qū)提供0.6～0.7MPa蒸汽，通過住院樓負(fù)一樓以及科教樓負(fù)二樓機(jī)房蒸汽換熱板換，為整個(gè)老院區(qū)提供衛(wèi)生熱水和采暖需求。其中醫(yī)療消毒所需蒸汽由燃?xì)忮仩t房的1臺(tái)2t/h燃?xì)忮仩t提供。同時(shí)在住院樓負(fù)一層設(shè)置電冷機(jī)房，內(nèi)分別設(shè)3臺(tái)1758kW離心式機(jī)組與2臺(tái)1720kW螺桿機(jī)組分別為科教樓和住院樓提供冷量，滿足夏季空調(diào)制冷需求。

3 項(xiàng)目負(fù)荷分析

院區(qū)原空調(diào)系統(tǒng)總裝機(jī)冷量為8714kW，總供熱量為9800kW(含衛(wèi)生熱水、消毒蒸汽熱量)，2015年院區(qū)年用電量為800多萬kWh，2016年用電量達(dá)到900萬kWh。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際用能情況，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)有運(yùn)行數(shù)據(jù)，對院區(qū)進(jìn)行負(fù)荷測算，得到該院區(qū)典型日冷、熱、電負(fù)荷如圖1～3所示。

4 冷熱源節(jié)能分析及改造方案

為提高能源利用效率，響應(yīng)國家煤改氣政策及環(huán)保要求，醫(yī)院準(zhǔn)備將現(xiàn)有的1臺(tái)6t/h燃煤鍋爐進(jìn)行替換。采用投資型合同能源管理模式，由專業(yè)的能源管理企業(yè)對其進(jìn)行節(jié)能診斷和節(jié)能改造。

通過現(xiàn)場調(diào)研和分析發(fā)現(xiàn)原燃煤鍋爐因使用年限久遠(yuǎn)，實(shí)際運(yùn)行效率不到60%，電制冷站離心機(jī)組為2004年采購，已經(jīng)超出設(shè)計(jì)使用期限，實(shí)際運(yùn)行性能系數(shù)（IPLV）不到5.0；螺桿機(jī)組為2012年采購，實(shí)際制冷性能系數(shù)（IPLV）還能達(dá)到6.0左右。衛(wèi)生熱水熱量主要靠蒸汽鍋爐提供，同時(shí)在科教樓屋頂采用5臺(tái)空氣源熱泵在冬季作為備用，空氣源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性較差，受天氣影響較大，冬季氣溫較低時(shí)開啟空氣源熱泵，電耗非常大，導(dǎo)致空氣源熱泵很少使用。能源站系統(tǒng)自動(dòng)控制水平較低，導(dǎo)致醫(yī)院年能源成本較高。

通過對醫(yī)院現(xiàn)有冷熱源系統(tǒng)節(jié)能診斷和分析，提出改進(jìn)方案：撤除住院負(fù)一樓能源站離心機(jī)組，替換高性能機(jī)組，科教樓與住院樓并管供能；考慮原離心機(jī)房空間受限，采用一臺(tái)一機(jī)三用（同時(shí)供冷/熱和衛(wèi)生熱水）同時(shí)帶有冷凝熱回收功能的溴化鋰吸收式直燃機(jī)替代燃煤鍋爐和離心機(jī)組；2t燃?xì)庹羝仩t予以保留，獨(dú)立供應(yīng)蒸汽滿足消毒、烹飪使用；采用燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)，提高能源利用效率，滿足院區(qū)節(jié)能、環(huán)保要求；保留原有3臺(tái)螺桿機(jī)組，夏季調(diào)峰使用，提高能源站用能的可靠性和靈活性，同時(shí)根據(jù)能源條件經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；對整個(gè)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)（冷熱源、空調(diào)末端、管網(wǎng)等）進(jìn)行專業(yè)化運(yùn)營和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營管理節(jié)能；增加能效監(jiān)控平臺(tái)，對能源站所有設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制和實(shí)時(shí)在線監(jiān)管，提升系統(tǒng)自動(dòng)化水平，同時(shí)對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，通過優(yōu)化運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

5 燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)

改造方案采用燃?xì)饫錈犭娐?lián)供系統(tǒng)+直燃機(jī)方案替代原有燃煤鍋爐和離心機(jī)組。對原有系統(tǒng)進(jìn)行撤除，能源站內(nèi)新增加1臺(tái)800kW燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)BZHE300XII-H4煙氣熱水補(bǔ)燃型溴化鋰吸收式機(jī)組以及1臺(tái)BZ300XII-H4溴化鋰吸收式直燃機(jī)，同時(shí)采用與機(jī)組一一對應(yīng)的一體化輸配系統(tǒng)。

將能源中心設(shè)置在原電制冷機(jī)房，即住院樓負(fù)一層。綜合機(jī)房已有空間及醫(yī)院冷、熱、電負(fù)荷，按“以熱定電、冷熱電平衡、余熱充分利用”的設(shè)計(jì)原則選擇燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組，所發(fā)電滿足醫(yī)院院區(qū)內(nèi)部分電力需求，電力不足部分由電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充。

燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組發(fā)電后排出的421℃左右高溫?zé)煔膺M(jìn)入溴化鋰機(jī)組，夏季供冷、冬季供熱。高溫?zé)煔馔ㄟ^溴化鋰機(jī)組換熱后，排煙溫度在145℃以上，在機(jī)組排煙出口增設(shè)高效煙氣釬焊板式換熱器，換取60℃/50℃的衛(wèi)生熱水，使發(fā)電機(jī)組最終排煙溫度可降到80℃以下，充分利用煙氣余熱，最大限度提高能源效率。

發(fā)電機(jī)組高溫缸套水通過電動(dòng)控制閥優(yōu)先滿足醫(yī)院衛(wèi)生熱水需求，夏季多余部分進(jìn)溴化鋰機(jī)組低發(fā)制冷。冬季直接通過缸套水板換換衛(wèi)生熱水，當(dāng)熱量較多時(shí)通過蓄熱水箱進(jìn)行儲(chǔ)存，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加大衛(wèi)生熱水蓄水容量。

如圖2、3所示，余熱制冷或供熱量占實(shí)際設(shè)計(jì)冷熱負(fù)荷比例較小，為避免機(jī)組頻繁啟停和多機(jī)組低效運(yùn)行的問題，同時(shí)考慮節(jié)省空間，對溴化鋰機(jī)組增加補(bǔ)燃功能，確保單臺(tái)機(jī)組在余熱制冷和采暖不足時(shí)，通過快速補(bǔ)燃滿足負(fù)荷需求。

在冬夏季供冷、供熱高峰期，如補(bǔ)燃無法滿足冷熱量需求則由調(diào)峰設(shè)備解決，調(diào)峰設(shè)備包含1臺(tái)溴化鋰直燃機(jī)組（制冷量3489kW、制熱量4842kW）和2臺(tái)原有1720kW螺桿式冷水機(jī)組。

6 空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

醫(yī)院綜合樓和科教樓空調(diào)水系統(tǒng)的供水壓力遠(yuǎn)高于門診樓和住院樓，為確保各區(qū)域壓力平衡，改造方案中門診樓和住院樓空調(diào)水系統(tǒng)采用原一級泵系統(tǒng)，綜合樓和科教樓空調(diào)水系統(tǒng)增設(shè)二級泵系統(tǒng)，通過板式換熱器將一級泵和二級泵隔離；綜合考慮冷熱源設(shè)備的能效、允許溫差、管網(wǎng)損失及空調(diào)末端換熱能力等，空調(diào)冷水供回水溫度采用大溫差小流量，設(shè)計(jì)溫度為7℃/14℃，空調(diào)熱水供回水溫度為 65℃/55℃。冷卻水系統(tǒng)采用橫流式冷卻塔，供回水溫度為30℃/37℃，設(shè)置于住院樓屋頂。

冷（溫）水泵、冷卻水泵及衛(wèi)生熱水泵采用一體化輸配系統(tǒng)，即將冷（溫）水泵（夏季冷水泵2臺(tái)開啟，冬季開啟1臺(tái)，互為備用）、冷卻水循環(huán)泵（設(shè)變頻器進(jìn)行變頻控制）、衛(wèi)生熱水泵、閥器件及控制柜、自動(dòng)加藥裝置、軟化水箱進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，工廠制造和調(diào)試，分體出廠，現(xiàn)場組合的模式，降低輸配配電量，同時(shí)可節(jié)省60%以上運(yùn)行電耗，節(jié)省占地空間，解決該項(xiàng)目空間受限的問題。

燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組缸套水系統(tǒng)利用機(jī)組自帶的缸套水泵定流量運(yùn)行，其供回水溫度為 90℃/80℃，優(yōu)先供熱和制冷，當(dāng)缸套水進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的溫度不能滿足發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求時(shí)，通過電動(dòng)三通閥進(jìn)入高溫散熱器進(jìn)行降溫。

發(fā)電機(jī)組中冷水系統(tǒng)利用機(jī)組自帶的中冷水泵定流量運(yùn)行，其供回水溫度為 45℃/49℃，熱量較小，主要通過中冷水散熱器進(jìn)行降溫。在溴化鋰吸收式直燃機(jī)組和煙氣熱水直燃機(jī)組補(bǔ)燃排煙出口也分別設(shè)置高效釬焊煙氣板式換熱器，回收天然氣燃燒熱值的8%～10%用于衛(wèi)生熱水。煙囪采用雙層預(yù)制不銹鋼煙囪，保溫材料為硅酸鋁保溫棉，內(nèi)外層采用不銹鋼，保溫層厚度除了滿足防止?fàn)C傷的要求外，還充分考慮對發(fā)電機(jī)組煙氣高溫段的保溫。原系統(tǒng)中的螺桿式冷水機(jī)組作為夏季制冷調(diào)峰設(shè)備。其冷卻水系統(tǒng)與新增設(shè)備冷卻水系統(tǒng)分開設(shè)置，冷水系統(tǒng)與溴化鋰機(jī)組供回水總管并管，冷水泵根據(jù)并管后揚(yáng)程重新設(shè)計(jì)選型。

7 能源站能效監(jiān)管系統(tǒng)

醫(yī)院原有空調(diào)系統(tǒng)未設(shè)置能效監(jiān)管系統(tǒng)，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和控制主要靠運(yùn)營人員現(xiàn)場抄表和手動(dòng)操作，本次改造為實(shí)現(xiàn)對能源站冷水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、衛(wèi)生熱水系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)溫度、壓力、電壓、發(fā)電量及相關(guān)流量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測和分析，能源站設(shè)置能效監(jiān)管系統(tǒng)，系統(tǒng)上增加流量、壓力、溫度檢測儀表和信號傳輸、轉(zhuǎn)化裝置等。

通過采集的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行能效分析，實(shí)時(shí)顯示天然氣用量、設(shè)備用電量、發(fā)電機(jī)組發(fā)電量、制冷制熱量、發(fā)電效率、機(jī)組制冷制熱效率、綜合效率、余熱利用效率、節(jié)能率等參數(shù)，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)燃?xì)鈨r(jià)格、電價(jià)、冷價(jià)、熱價(jià)，自動(dòng)計(jì)算能源站能源成本等。

設(shè)置能效監(jiān)管系統(tǒng)，直觀地顯示各設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，了解系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)能源精細(xì)化管理，同時(shí)最大程度降低系統(tǒng)運(yùn)行故障率，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，便于現(xiàn)場運(yùn)營人員的日常管理和維護(hù)。

8 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醫(yī)院建有一間10kV高壓配電室，為醫(yī)院所有負(fù)荷供電。高壓配電室10kV配電系統(tǒng)主接線型式為單母分段接線，I、II段10kV母線進(jìn)線均由市電無聯(lián)絡(luò)10kV間隔引來，I、II段經(jīng)母聯(lián)聯(lián)絡(luò)柜互為備用。正常時(shí)I、II段母線分列運(yùn)行，當(dāng)一段進(jìn)線故障時(shí)，故障段進(jìn)線斷路器跳閘，母聯(lián)柜合閘，保證負(fù)荷正常運(yùn)行。

醫(yī)院能源站新增低壓用電負(fù)荷約為624kW。醫(yī)院原有低壓配電室一間，為能源站及其他負(fù)荷供電。低壓配電室380V配電系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)干式變壓器，1臺(tái)容量為2000kVA，1臺(tái)容量為1600kVA，變壓器10kV電源由10kV高壓配電室I、II段不同母線段間隔提供。低壓主接線型式為單母分段接線，2000kVA變壓器位于380V I 段母線，1600kVA變壓器位于380V II 段母線，380V I 、II段低壓母線經(jīng)母線聯(lián)絡(luò)柜互為備用。正常時(shí)能源站所有負(fù)荷均由I段母線段供電；當(dāng)I段進(jìn)線電源故障時(shí)，I段母線進(jìn)線斷路器分閘，II段母線進(jìn)線斷路器合閘，保證能源站及其他場所重要負(fù)荷可靠供電。

醫(yī)院能源站設(shè)置1臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，額定出口電壓10.5kV，額定頻率50Hz，額定發(fā)電量800kW。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”運(yùn)行模式。發(fā)電機(jī)同期檢測裝置、自動(dòng)并網(wǎng)控制裝置及繼電保護(hù)裝置等均由燃?xì)獍l(fā)電機(jī)成套出口柜及控制柜提供。在能源站配電室內(nèi)設(shè)置高壓系統(tǒng)接入柜，經(jīng)高壓配電室10kV饋線柜將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)接入至醫(yī)院高壓配電室10kV母線。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)成套出口柜作為發(fā)電機(jī)解（并）列柜，高壓系統(tǒng)接入柜斷路器作為同期點(diǎn)，檢測母線電壓、頻率、相差等同期信號至燃?xì)獍l(fā)電機(jī)控制柜同期檢測裝置。同時(shí)設(shè)置發(fā)電機(jī)關(guān)口計(jì)量裝置，安裝于高壓配電室接入柜的饋線間隔，用于計(jì)量結(jié)算。在醫(yī)院高壓配電室的I、II段進(jìn)線側(cè)均設(shè)置逆功率保護(hù)裝置，當(dāng)發(fā)電量醫(yī)院負(fù)荷無法消納時(shí)，逆功率保護(hù)裝置發(fā)送信號至發(fā)電機(jī)控制柜減載發(fā)電機(jī)出力，以保證發(fā)電電能不倒送大電網(wǎng)。

9 衛(wèi)生熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

醫(yī)院原衛(wèi)生熱水主要由蒸汽換熱設(shè)備提供，蒸汽換熱房蒸汽由兩個(gè)鍋爐房內(nèi)燃煤鍋爐和燃?xì)忮仩t提供，在住院樓樓頂設(shè)有50t保溫水箱，科教樓樓頂每臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組配置一個(gè)10t保溫水箱。改造方案采用溴化鋰機(jī)組與發(fā)電機(jī)組缸套水為醫(yī)院衛(wèi)生熱水主要熱源，同時(shí)充分回收利用低溫?zé)煔鉄崃考爸鳈C(jī)冷凝器冷凝熱。

衛(wèi)熱系統(tǒng)在現(xiàn)有能源站內(nèi)增設(shè)板換和水泵，在原住院樓蒸汽換熱設(shè)備間增設(shè)60t蓄熱水箱替代蒸汽板換，科教樓高區(qū)和低區(qū)分開設(shè)置衛(wèi)生熱水二級水泵，通過二次級泵直接將水箱熱水輸送到高低區(qū)病房用水點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過程中存在回水水壓過低的問題，在高低區(qū)回水管上分別設(shè)置回水泵，在水壓不夠時(shí)，通過回水泵確保正?；厮?。

住院樓通過板換直接換取衛(wèi)生熱水由二次側(cè)衛(wèi)生熱水泵送至屋面蓄熱水箱，利用原有衛(wèi)生熱水系統(tǒng)確保住院樓衛(wèi)生熱水需求。

10 結(jié)語

我國中央空調(diào)行業(yè)已經(jīng)發(fā)展近30年，大量既有建筑的冷熱源設(shè)備及系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入升級換代的階段。隨著合同能源管理模式節(jié)能優(yōu)勢的顯現(xiàn)，將會(huì)有越來越多的既有項(xiàng)目采用合同能源管理模式對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級和專業(yè)化管理，必將形成新的節(jié)能領(lǐng)域。既有項(xiàng)目改造設(shè)計(jì)也將逐步常態(tài)化，如何使設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際要求跟上市場發(fā)展的要求，將是暖通行業(yè)需要繼續(xù)實(shí)踐和研究的方向之一。