基于能耗監(jiān)管平臺的現(xiàn)有醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)運行節(jié)能優(yōu)化

賈鵬 陳劍波 王成武 姚晶姍

摘 要：基于上海某醫(yī)院能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)，利用 EnergyPlus 軟件建立了該醫(yī)院門診樓建筑模型和空調(diào)系統(tǒng)模型，并驗證了該模型的準(zhǔn)確性。對該醫(yī)院集中式空調(diào)系統(tǒng)運行策略進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)果表明：當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷低于冷水機(jī)組總額定制冷量80%時，負(fù)荷分配優(yōu)化運行方案節(jié)能率最高，達(dá)到9.7%；當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷高于冷水機(jī)組總額定制冷量80%時，機(jī)組聯(lián)合運行并采用負(fù)荷平均分配時比一臺機(jī)組滿負(fù)荷運行另一臺機(jī)組部分負(fù)荷運行時節(jié)能，節(jié)能率為1.5%～3.7%。分析了冷卻水變流量對冷水機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)的影響及節(jié)能效果。結(jié)果表明，離心機(jī)組變流量運行時節(jié)能率達(dá)到17%，而螺桿機(jī)組在定流量45.13 kg · s?1運行時比較合理和節(jié)能。

關(guān)鍵詞：集中式空調(diào)系統(tǒng)；能耗模擬；模型校驗；節(jié)能優(yōu)化

中圖分類號： TU83 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Energy-saving optimization of air conditioning system in an?existing hospital based on energy consumption?monitoring platform

JIA Peng ，CHEN Jianbo，WANG Chengwu，YAO Jingshan

（School of Environment and Architecture， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：The building and air conditioning system model of its outpatient building was established using EnergyPlus software. Its accuracy was verified. The results show that when the indoor load is less than 80% of total rated cooling capacity of water chillers， the highest energy-saving rate by the operation scheme of optimized load distribution reaches 9.7%. When the indoor load is higher than 80% of its total rated cooling capacity， the energy-saving rate of 1.5%～3.7% is achieved by averaged load distribution of unit combination operation. Influence of cooling water flow rate on water chiller and cooling water circulation system as well as energy-saving was analyzed. The results show that the energy-saving rate of centrifugal unit can reach 17% in the variable flowoperation， while reasonable system operation and energy-saving for screw unit can be achieved at constant flow rate of 45.13 kg · s?1.

Keywords：central air conditioning system; energy consumption simulation; model validation; energy-saving optimization

近年來，隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步、診療設(shè)備的發(fā)展、醫(yī)院建筑規(guī)模的擴(kuò)大、各科室環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高，醫(yī)院建筑能耗逐年增長［1］。醫(yī)院建筑節(jié)能是一項十分復(fù)雜的工程，其中空調(diào)系統(tǒng)能耗是醫(yī)院建筑能耗的主要部分。本文基于醫(yī)院能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)，選取上海某醫(yī)院典型建筑——門診樓作為研究對象，利用 EnergyPlus 軟件對門診樓建立建筑模型和空調(diào)系統(tǒng)模型，利用上述平臺監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)［2］進(jìn)行校準(zhǔn)化模擬，深入分析整個醫(yī)療建筑空調(diào)系統(tǒng)中各設(shè)備的能耗特點和使用情況；將模型數(shù)據(jù)和能耗監(jiān)管平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，為空調(diào)運行、節(jié)能管理提供優(yōu)化方案。

1 研究對象

門診樓建筑面積約35210 m2，地下2層，地上12層，本文研究范圍為門診樓1～12層夏季舒適性空調(diào)系統(tǒng)。門診樓建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由地面、外墻、玻璃幕墻、外窗、屋面等組成。外墻平均傳熱系數(shù)為2.0 W ·m?2·K?1；屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1.5 W ·m?2·K?1；外窗為厚度6 mm 的透明玻璃，其傳熱系數(shù)為5.7 W ·m?2·K?1，遮陽系數(shù)為0.8；玻璃幕墻為6 mm 綠色吸熱層+12 mm2.8 W ·m?2·K?1。門診樓空調(diào)冷水機(jī)組配置如表1所示，各機(jī)組均位于 B1F 空調(diào)機(jī)房。

2 基于能耗監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)分析

利用數(shù)據(jù)處理技術(shù)從能耗分項計量和機(jī)組負(fù)荷率頻數(shù)兩個維度對能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 能耗分項計量

從整個建筑用能品類出發(fā)，通過能耗分項計量精準(zhǔn)找出建筑能耗的節(jié)能重點。圖1為門診樓各系統(tǒng)用電量?？梢姡照{(diào)系統(tǒng)是門診樓能耗的節(jié)能重點，其用電量約占總用電量的45%［3］。

2.2 機(jī)組負(fù)荷率頻數(shù)

圖2為根據(jù)能耗監(jiān)管平臺記錄的2017年5 月1日至9月31日設(shè)備運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的各機(jī)組負(fù)荷率頻數(shù)分布。由圖可知：1號離心機(jī)組全天運行時段負(fù)荷率在60%～80%的頻數(shù)占比在50%以上；機(jī)組夜間運行時段負(fù)荷率主要集中在40%～60%；機(jī)組白天運行時段負(fù)荷率在65%以上的頻數(shù)占比為70%，負(fù)荷率在60%～80%的頻數(shù)占比為54%。3號螺桿機(jī)組全天運行時段負(fù)荷率達(dá)到90%的頻數(shù)占比高達(dá)53%，機(jī)組白天運行時段負(fù)荷率達(dá)到85%的頻數(shù)占比高達(dá)80%，即機(jī)組大部分時間以最大負(fù)荷運行。綜上可知，隨著門診樓門診量的增多以及各種醫(yī)療設(shè)備的進(jìn)入，樓內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)長期處于高負(fù)荷運行狀態(tài)。

3 醫(yī)院典型建筑能耗模型

建筑能耗模擬是進(jìn)行建筑節(jié)能分析、建筑方案選擇、標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等的有效手段。本文建立了上海某醫(yī)院門診樓建筑模型和空調(diào)系統(tǒng)模型。門診樓建筑模型如圖3所示。

對門診樓進(jìn)行熱工區(qū)域劃分，并設(shè)定圍護(hù)結(jié)構(gòu)信息、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，以及建筑內(nèi)部照明和插座設(shè)備。以室內(nèi)人員密度分析為依據(jù)進(jìn)行模型內(nèi)部人員設(shè)定。對建筑模型的空調(diào)系統(tǒng)空氣環(huán)路、冷凍水環(huán)路、冷卻水環(huán)路分別進(jìn)行建模。圖4為 門診樓空調(diào)水系統(tǒng)拓?fù)鋱D，其中右側(cè)虛線框內(nèi)為冷卻水環(huán)路的需求側(cè)半環(huán)路。

結(jié)合能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)，對室外溫度、供熱和供冷不滿足小時數(shù)、制冷季節(jié)建筑分項電耗，以及制冷季節(jié)制冷量的實測值和模擬值進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示：室外溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的天數(shù)占總天數(shù)的97%；供熱和供冷不滿足小時數(shù)為128 h，不舒適小時數(shù)為2298 h；空調(diào)系統(tǒng)電耗模擬值占建筑總電耗的49%，與空調(diào)系統(tǒng)電耗實測值的占比相差4%；在室外溫度實測值和模擬值誤差小于5%時，兩者變化趨勢基本一致。以上結(jié)果均在規(guī)定誤差范圍內(nèi)，從而驗證了所建立的建筑能耗模型的有效性。

4 集中式空調(diào)系統(tǒng)運行優(yōu)化

本文主要從集中式空調(diào)系統(tǒng)能耗角度出發(fā)，從冷水機(jī)組負(fù)荷分配和冷卻水變流量運行兩個方面進(jìn)行運行優(yōu)化。

4.1 冷水機(jī)組負(fù)荷分配

在設(shè)計建筑空調(diào)系統(tǒng)時，為滿足最不利條件下室內(nèi)熱舒適性及空氣質(zhì)量要求，冷水機(jī)組通常按最大負(fù)荷選型［4］。機(jī)組匹配計劃如表2所示。本小節(jié)僅針對組合方式3進(jìn)行研究。

由于在實際運行過程中冷水機(jī)組大部分運行時段處于非額定狀態(tài)，其能耗不僅由機(jī)組本身負(fù)荷性能決定，還與機(jī)組負(fù)荷分配方式密切相關(guān)。以該醫(yī)院門診樓冷水機(jī)組為研究對象，通過 EnergyPlus 軟件模擬不同負(fù)荷分配方式，并結(jié)合能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)和前文所建立的模型，在保證機(jī)組性能滿足需求的情況下，提出制冷季節(jié)冷水機(jī)組聯(lián)合運行時負(fù)荷分配優(yōu)化策略。

機(jī)組運行方案分為：方案一，兩臺機(jī)組同時開啟，并以相同的負(fù)荷率運行；方案二，兩臺機(jī)組逐臺開啟，當(dāng)?shù)谝慌_機(jī)組達(dá)到額定制冷量時開啟第二臺機(jī)組；方案三，兩臺機(jī)組同時開啟，在滿足空調(diào)末端冷負(fù)荷并確保醫(yī)療安全的前提下，以冷水機(jī)組整體能耗最小為目標(biāo)，提出冷水機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化策略，合理分配兩臺機(jī)組負(fù)荷。

由能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)可知，離心機(jī)組負(fù)荷率在60%～80%的頻數(shù)占比在50%以上，故選取離心機(jī)組負(fù)荷率高于80%以及負(fù)荷率低于80%的典型日進(jìn)行分析。7月10日和7月21日白天（7：00～16：45）開啟1號、2號離心機(jī)組，機(jī)組負(fù)荷平均分配。圖5為典型日白天空調(diào)負(fù)荷。從圖中可知，7月10日空調(diào)最大負(fù)荷為2707 kW，機(jī)組負(fù)荷率低于80%；7月21日空調(diào)最大負(fù)荷為4856 kW，機(jī)組負(fù)荷率高于80%。

利用 EnergyPlus 軟件模擬得到7月10日和7月21日機(jī)組負(fù)荷分配優(yōu)化方案對比結(jié)果，分別如圖6、7所示，其中，PLR 為冷水機(jī)組負(fù)荷率， COP 為冷水機(jī)組性能系數(shù)。

（1）7月10日模擬結(jié)果分析

圖6（a）為采用三種方案模擬運行時冷水機(jī)組負(fù)荷分配情況。結(jié)合圖5發(fā)現(xiàn)，7月10日空調(diào)最大負(fù)荷為2707 kW，低于機(jī)組總額定制冷量的80%，機(jī)組負(fù)荷率約為60%。采用方案二時，其中一臺機(jī)組始終在低于20%負(fù)荷率下運行，這不利于機(jī)組的安全運行。方案三中負(fù)荷分配方式為1號離心機(jī)組占45%和2號離心機(jī)組占55%。圖6（b）為采用三種方案模擬運行時冷水機(jī)組 COP，結(jié)果表明采用方案三時 COP 高于其他兩種方案，其中采用方案二時 COP 最低。圖6（c）為采用三種方案模擬運行時機(jī)組功率。在穩(wěn)定運行期間，采用方案三時冷水機(jī)組能耗從方案一時的9499 kW ·h 下降到9012 kW ·h，能耗降低488 kW ·h，節(jié)約電耗5.1%。方案三的模擬結(jié)果與方案二的相比，節(jié)約電耗9.7%。

（2）7月21日模擬結(jié)果分析

圖7（a）為采用三種方案模擬運行時冷水機(jī)組負(fù)荷分配情況。9：00后其空調(diào)負(fù)荷高于冷水機(jī)組總額定制冷量的80%，機(jī)組負(fù)荷率在80%以上。此時方案三的負(fù)荷分配方式與方案一的基本相同，即負(fù)荷平均分配。圖7（b）為采用三種方案模擬運行時冷水機(jī)組整體 COP，方案三的負(fù)荷分配方式與方案一的一致，且兩者整體 COP 均高于方案二。由圖7（c）可以看出，當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷高于機(jī)組總額定制冷量80%時，方案一較為節(jié)能，相比方案二節(jié)能1.5%～3.7%。

4.2 冷卻水變流量運行

利用 EnergyPlus 軟件對 1號離心機(jī)組和3號螺桿機(jī)組在部分負(fù)荷下單獨進(jìn)行變流量運行模擬，并保證室內(nèi)負(fù)荷以及冷卻水流量不低于冷凝器最低流量［5］。圖8為冷卻水定流量和變流量運行時功率隨機(jī)組負(fù)荷的變化。由圖中可見，冷卻水變流量運行前、后離心機(jī)組功率變化與機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)功率之和的變化趨勢一致。隨著負(fù)荷下降，機(jī)組功率明顯減小，但冷卻水變流量前、后機(jī)組功率曲線幾乎重合，說明冷卻水變流量對離心機(jī)組能耗影響不大；而變流量運行時機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)功率之和始終低于定流量運行時的值，因為冷卻水變流量時節(jié)省了更多的冷卻水泵能耗［6–7］。在負(fù)荷率為50%時，冷卻水變流量對于離心機(jī)組冷卻水系統(tǒng)有顯著的節(jié)能效果，節(jié)能率達(dá)到17%。

3號螺桿機(jī)組單獨運行時冷卻水變流量運行數(shù)據(jù)如表3所示。由圖8（b）和表3中可見，雖然隨著螺桿機(jī)組負(fù)荷下降，冷卻水流量降低，冷卻水泵功率下降，但冷卻水變流量在螺桿機(jī)組負(fù)荷率大于90%時使能耗略有下降，相反在負(fù)荷率低于80%后，由于螺桿機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)方式與離心機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)方式不同，螺桿機(jī)組功率以及機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)功率之和均隨負(fù)荷率下降先上升后下降，在機(jī)組負(fù)荷率57%時功率達(dá)到最大。由能耗監(jiān)管平臺數(shù)據(jù)可知，螺桿機(jī)組單獨運行時，80%以上的時段是在85%負(fù)荷率以上運行。經(jīng)綜合考慮，在保證螺桿機(jī)組?COP 與制冷量的前提下，冷卻水變流量下限為額定流量的80%，即45.13 kg · s?1，此時系統(tǒng)運行比較合理和節(jié)能。

5 結(jié) 論

采用 EnergyPlus 軟件對門診樓集中式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行建模和運行優(yōu)化研究，并對空調(diào)機(jī)組負(fù)荷分配和冷卻水變流量進(jìn)行了優(yōu)化分析，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)離心機(jī)組聯(lián)合運行，機(jī)組負(fù)荷低于機(jī)組總額定制冷量80%時，方案三（1號離心機(jī)組負(fù)荷占45%、2號離心機(jī)組負(fù)荷占55%）相比方案一、方案二更節(jié)能，節(jié)能率分別為5.1%、9.7%；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高于機(jī)組總額定制冷量80%時，采用負(fù)荷平均分配方式比方案二更節(jié)能，節(jié)能率為1.5%～3.7%。

（2）在機(jī)組負(fù)荷率為50%時，離心機(jī)組冷卻水變流量運行時節(jié)能效果明顯，節(jié)能率達(dá)到17%；螺桿機(jī)組冷卻水變流量運行時反而會增加機(jī)組和冷卻水系統(tǒng)能耗。由于螺桿機(jī)組在單獨運行時，80%以上時段是在負(fù)荷率高于85%運行，因此螺桿機(jī)組冷卻水變流量下限為額定流量的80%，即45.13 kg · s?1，此時系統(tǒng)運行比較合理和節(jié)能。

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