佛山市某醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案

劉暢 羅運(yùn)有

廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司

2016 年我國(guó)建筑總能耗占我國(guó)總能耗的20.62%，其中公共建筑占建筑總能耗的38.53%[1]。而中央空調(diào)系統(tǒng)作為建筑的主要用能系統(tǒng)，所占能耗達(dá)到整個(gè)建筑能耗的30%～40%[2]，其中醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的40%～60%[3]，因此，對(duì)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造降低空調(diào)系統(tǒng)能耗的必要性顯而易見(jiàn)。何佳[4]對(duì)上海某醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，對(duì)機(jī)房自控系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，包括冷機(jī)加減載控制、冷凍水、冷卻水變流量控制、冷凍水出水溫度動(dòng)態(tài)調(diào)控、冷卻塔臺(tái)數(shù)優(yōu)化控制等，檢測(cè)結(jié)果顯示改造后機(jī)房平均COP 可達(dá)4.2。劉驍[5]等為解決北京某醫(yī)院冷卻塔出水溫度較高的問(wèn)題，采用冷卻塔統(tǒng)一變頻調(diào)節(jié)的策略，大幅降低冷卻水溫度，并提高制冷機(jī)組能效。邢凱澤[6]通過(guò)TRANSYS 模擬軟件搭建軟件平臺(tái)并進(jìn)行控制策略編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍水供水溫度與冷卻水出水溫度的控制以及制冷模式的切換。

1 項(xiàng)目概況

該醫(yī)院位于佛山市南海區(qū)，占地面積為56165 m2，建筑面積為143605 m2，建成于1993 年。制冷機(jī)房位于地下一層，冷卻塔位于門診病房綜合樓5 樓天面，空調(diào)系統(tǒng)末端分為兩類：大空間內(nèi)采用全空氣系統(tǒng)，辦公室，診室及病房等區(qū)域采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)形式，基本信息如下：

1）冷水機(jī)組：離心式冷水機(jī)組3 臺(tái)（額定制冷量2813 kW，額定功率463 kW），螺桿式冷水機(jī)組1 臺(tái)（額定制冷量818 kW，額定功率169.4 kW）。

2）冷卻塔：橫流方型玻璃鋼3 臺(tái)（額定水流量：668 m3/h，功率：22 kW），橫流方型玻璃鋼3 臺(tái)（額定水流量：186 m3/h，功率：7.5 kW）。

3）冷凍水泵：冷卻水泵A 3 臺(tái)（水流量：530 m3/h，功率：75 kW，揚(yáng)程：33 m），冷凍水泵B 2 臺(tái)（水流量：155 m3/h，功率：22 kW，揚(yáng)程：33 m）。

4）冷卻水泵：冷卻水泵A 3 臺(tái)（水流量：640 m3/h，功率：55 kW，揚(yáng)程：26 m），冷卻水泵B2 臺(tái)（水流量：185 m3/h，功率：22 kW，揚(yáng)程：26 m）。

冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率占比如圖1 所示?？照{(diào)節(jié)能改造項(xiàng)目的改造范圍為門診病房綜合樓和后勤樓的空調(diào)冷源系統(tǒng)。該醫(yī)院的中央空調(diào)系統(tǒng)制冷機(jī)組根據(jù)值班管理人員經(jīng)驗(yàn)決定開(kāi)啟與否并進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，高負(fù)荷的大部分時(shí)間開(kāi)啟制冷量大的制冷機(jī)組，有時(shí)2 臺(tái)制冷機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，低負(fù)荷時(shí)根據(jù)情況開(kāi)啟其中1 臺(tái)制冷機(jī)組，改造前中央空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)自控功能，系統(tǒng)很難在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，造成極大能源浪費(fèi)。

圖1 冷源系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率占比

2 節(jié)能改造

2.1 中央空調(diào)系統(tǒng)存在問(wèn)題

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研制冷機(jī)房運(yùn)行狀況，及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研采集主機(jī)、水泵、冷卻塔的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，改造前空調(diào)系統(tǒng)主要有以下問(wèn)題：

1）實(shí)際運(yùn)行的冷凍水供回水溫差常年低于5 ℃，有時(shí)甚至只有2 ℃，冷凍水總流量運(yùn)行在“大流量小溫差”高耗能工況。

2）冷卻水全年平均供回水溫度在30～33 ℃，冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行在“大流量小溫差”高耗能工況。

3）冷卻塔控制柜在冷卻塔設(shè)備旁，為手動(dòng)控制，無(wú)法在機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)冷卻塔進(jìn)行控制。

4）循環(huán)水泵雖然安裝有變頻器，但均運(yùn)行在工頻手動(dòng)模式。因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加減設(shè)備、水泵變流量調(diào)節(jié)控制。

針對(duì)以上問(wèn)題，在保證空調(diào)系統(tǒng)滿足醫(yī)院正常供冷需求的前提下采用加裝水泵變頻裝置，安裝冷卻塔節(jié)能控制裝置與建設(shè)冷源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)等方式，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵變頻控制，冷卻水系統(tǒng)與冷凍水系統(tǒng)“大溫差小流量”運(yùn)行，機(jī)房自動(dòng)無(wú)人值守自動(dòng)控制。

2.2 加裝水泵變頻裝置

在現(xiàn)有中央空調(diào)系統(tǒng)定流量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為循環(huán)水泵增加裝變頻裝置，使冷源系統(tǒng)可以通過(guò)改變頻率匹配空調(diào)負(fù)荷變化，減少水泵輸送能耗。

水泵變頻控制采用PID 控制邏輯。當(dāng)建筑負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，空調(diào)末端的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥根據(jù)情況打開(kāi)或關(guān)閉，進(jìn)而引起末端壓差改變。末端安裝有壓差傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控末端壓差變化。系統(tǒng)為維持壓差恒定，當(dāng)傳感器檢測(cè)到壓差變化時(shí)，通過(guò)PID 運(yùn)算輸出調(diào)整值給變頻器以改變冷凍水泵頻率，進(jìn)而通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到控制水泵流量的目的[7，8]。冷卻水泵的變速是根據(jù)冷卻塔進(jìn)、回水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的，當(dāng)二者溫差較大，說(shuō)明系統(tǒng)散熱量較大，此時(shí)溫度傳感器將信號(hào)傳送給變頻器，經(jīng)PID 運(yùn)算后冷卻水泵轉(zhuǎn)速增大，冷卻水量增大。

2.3 安裝冷卻塔控制裝置

改造前冷卻塔之間存在水利不平衡狀態(tài)，水流分布不均勻的現(xiàn)象。節(jié)能改造中，將現(xiàn)有的橫流式冷卻塔分組控制，改造為分臺(tái)智能控制，實(shí)現(xiàn)冷卻水水流最優(yōu)平衡分配，冷卻塔風(fēng)機(jī)以最佳臺(tái)數(shù)、最佳效率運(yùn)行，充分發(fā)揮出冷卻塔的最大冷卻效果。冷卻塔節(jié)能控制主要包括幾個(gè)方面：

1）溫度控制?？照{(diào)系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)中設(shè)冷卻塔旁通管。在室外溫度低時(shí)，系統(tǒng)可能因?yàn)槔鋮s水溫度較低而導(dǎo)致主機(jī)運(yùn)行故障，此時(shí)打開(kāi)旁通閥混合部分常溫水進(jìn)而提高冷卻水溫度，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2）風(fēng)機(jī)控制。冷卻塔風(fēng)機(jī)控制主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)的頻率和風(fēng)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)控制。以冷卻水回水溫度為監(jiān)測(cè)和控制參數(shù)，在保證冷源系統(tǒng)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，根據(jù)室外干球濕球溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)冷卻塔的風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)、冷卻水泵的運(yùn)行頻率，使冷卻塔運(yùn)行在最佳能效比區(qū)域，降低冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

3）液位控制。冷卻塔設(shè)有水盤，其中設(shè)有液位傳感器用于監(jiān)測(cè)水盤冷卻水液位，當(dāng)液位超出設(shè)定液位上下限值，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，防止由于冷卻塔缺水導(dǎo)致制冷效果不良。

2.4 安裝風(fēng)機(jī)盤管聯(lián)動(dòng)控制裝置

風(fēng)機(jī)盤管聯(lián)動(dòng)控制裝置包括窗磁開(kāi)關(guān)，控制器和風(fēng)機(jī)盤管，可實(shí)現(xiàn)窗戶開(kāi)閉狀態(tài)和風(fēng)機(jī)盤管的聯(lián)動(dòng)控制，在空調(diào)區(qū)域的窗戶安裝窗磁開(kāi)關(guān)，用于感應(yīng)窗戶開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)，并將其接入可控制風(fēng)機(jī)盤管開(kāi)閉的控制器中，形成聯(lián)動(dòng)，在窗戶開(kāi)啟時(shí)通過(guò)控制器自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)機(jī)盤管，避免冷量外泄造成浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的效果。

窗磁開(kāi)關(guān)的輸入端通過(guò)數(shù)據(jù)線連接控制器，將檢測(cè)到的信號(hào)傳送給控制器，控制器的輸出端通過(guò)數(shù)據(jù)線連接風(fēng)機(jī)盤管的輸入端?？刂破髂軌蚩刂骑L(fēng)機(jī)盤管使其實(shí)現(xiàn)開(kāi)窗停機(jī)、關(guān)窗運(yùn)行的功能。

2.5 建設(shè)冷源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)

冷源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)相關(guān)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)節(jié)，最終利用無(wú)人值守控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行管控目的。

1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)在冷源系統(tǒng)的適當(dāng)位置設(shè)置壓力、流量、溫度等傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，空調(diào)系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感器的監(jiān)測(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括冷源系統(tǒng)的管道溫度、壓力、流量等參數(shù)，并顯示在監(jiān)控平臺(tái)界面（圖2）。

圖2 監(jiān)控平臺(tái)顯示界面

2）智能管控。對(duì)冷源系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備，包含制冷主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等進(jìn)行優(yōu)化控制，對(duì)冷源系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)控制、回水溫度設(shè)定、冷凍系統(tǒng)頻率設(shè)定、冷卻系統(tǒng)頻率設(shè)定、冷卻塔溫度和循環(huán)時(shí)間設(shè)定等冷源系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)定，對(duì)冷水主機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)控制、主機(jī)溫度模式設(shè)定、主機(jī)出水溫度設(shè)定、冷水主機(jī)啟動(dòng)焓值設(shè)定、冷水主機(jī)加減載/開(kāi)關(guān)機(jī)參數(shù)設(shè)定等冷水主機(jī)的控制參數(shù)設(shè)定，對(duì)冷凍系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)控制、供水壓力/壓差設(shè)定、頻率控制模式控制、水泵頻率限值設(shè)定、旁通閥開(kāi)度設(shè)定、旁通閥延時(shí)設(shè)定等冷凍系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)定，對(duì)冷卻塔進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)控制、系統(tǒng)溫差設(shè)定、頻率控制模式控制、水泵頻率限值設(shè)定、溫差限值設(shè)定、冷卻塔控制等冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)定，對(duì)進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)控制、回水溫度設(shè)定、供水溫度設(shè)定、循環(huán)時(shí)間設(shè)定等冷卻塔的控制參數(shù)設(shè)定等。此外，系統(tǒng)還可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，保證空調(diào)冷源系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行以及無(wú)人值守的管理控制模式。

3）能耗統(tǒng)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、冷水主機(jī)、設(shè)備能耗、能耗統(tǒng)計(jì)報(bào)表的數(shù)據(jù)展示和查詢，平臺(tái)可展示冷源系統(tǒng)的冷水主機(jī)、系統(tǒng)水泵、冷卻塔、冷源系統(tǒng)用電量的逐時(shí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括初始值、結(jié)束值、統(tǒng)計(jì)值，以5 分鐘間隔記錄一次，并能選擇查詢時(shí)間和導(dǎo)出報(bào)表功能。

3 環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 改造前后空調(diào)系統(tǒng)耗能對(duì)比

依據(jù)《節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)要求中央空調(diào)系統(tǒng)》（GB/T 31349-2014）[9]，對(duì)該醫(yī)院空調(diào)節(jié)能改造項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能評(píng)估，采用相似日比較法計(jì)算空調(diào)節(jié)能改造后的節(jié)能率，利用節(jié)能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)記錄的耗電量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。相似日內(nèi)，空調(diào)冷源系統(tǒng)逐時(shí)運(yùn)行能耗如圖4 和圖5 所示。相似日內(nèi)，節(jié)能措施關(guān)閉狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)全天電耗為10326.64 kW（圖3），節(jié)能措施開(kāi)啟狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)全天電耗為8549.30 kW。

圖3 節(jié)能措施關(guān)閉狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)電耗

圖4 節(jié)能措施開(kāi)啟狀態(tài)下空調(diào)系統(tǒng)電耗

3.2 環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益

依據(jù)《節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)要求中央空調(diào)系統(tǒng)》（GB 31349-2014）第6.2.4 條，采用相似日比較法時(shí)節(jié)能率按照下式計(jì)算：

式中：ηs——節(jié)能率；Sb——節(jié)能措施關(guān)閉狀態(tài)下測(cè)試日的能耗，kWh；Sr——節(jié)能措施開(kāi)啟狀態(tài)下測(cè)試日的能耗，kWh。

經(jīng)計(jì)算，該空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)節(jié)能改造，節(jié)能率可達(dá)17.2%，每天節(jié)能量為1777.34 kW，按照空調(diào)系統(tǒng)每年5 月～10 月運(yùn)行，184 天，年節(jié)能量可達(dá)32.70 萬(wàn)kWh，根據(jù)《公共建筑運(yùn)營(yíng)單位（企業(yè)）溫室氣體排放核算方法和報(bào)告指南（試行）》，各類溫室氣體年減排量如表1所示。按照電費(fèi)單價(jià)0.8 元/kWh，每年節(jié)約費(fèi)用約為26.16 萬(wàn)元。

表1 空調(diào)系統(tǒng)改造溫室氣體年減排量

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研制冷機(jī)房運(yùn)行狀況和空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)存在機(jī)房無(wú)控制系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)常在“大流量小溫差”工況下運(yùn)行、高耗能工況。無(wú)法在機(jī)房?jī)?nèi)對(duì)冷卻塔進(jìn)行控制等問(wèn)題。因此，在保證空調(diào)系統(tǒng)滿足醫(yī)院正常供冷需求的前提下采用加裝水泵變頻裝置、安裝冷卻塔節(jié)能控制裝置與加裝冷源系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)等策略對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。

采用節(jié)能調(diào)控策略后，依據(jù)《節(jié)能量測(cè)量和驗(yàn)證技術(shù)要求中央空調(diào)系統(tǒng)》（GB/T 31349-2014）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，節(jié)能率可達(dá)17.2%，年節(jié)能量為32.70 萬(wàn)kWh。環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。