樓宇自控系統在某醫院綜合節能改造中的應用

文｜杭州互創科技有限公司 徐 坤

北京海灣威爾電子工程有限公司 謝 路

1 概述

在醫院能耗中，電力約占64%，為整個醫院之主要能源；瓦斯、重油等約占11%，主要用在供應蒸汽、熱水、消毒、洗縫、廚房及冬季暖氣。其中，如以電力分析，空調約占50%，照明、插座約占34%，所以空調、照明為醫院節能管理重點。以下主要分析樓宇自控系統在某醫院綜合節能改造的應用。

由于某醫院綜合節能改造分為兩個階段實施，前期為空調風系統和水系統的改造，后期為控制系統改造。所以本次案例分析包括空調水系統、風系統和控制系統的改造過程。

2 水系統

2.1 系統概況

某醫院中央空調機房位于地下一層，中央空調水系統由4臺離心式冷水機組、5臺冷凍水泵（4用1備）、5臺冷卻水泵（4用1備）和4臺冷卻塔（位于三層）組成，其中冷凍泵和冷卻泵采用星三角啟動方式，冷卻塔采用直接啟動方式。詳細情況如表1所示。

2.2 改造系統硬件配置

（1） 模糊控制柜：1臺，集中監控冷水系統，同時預留一個ModBus RTU通信接口，用以與中控計算機集成。

（2）冷凍水泵控制柜：3臺90kW Y10型，1臺90kW Y20型。

表1

（3）冷卻水泵控制柜：3臺132KW Y10型，1臺132kW Y20型。

（4）冷卻塔轉換箱：1臺，控制4臺冷卻塔，冷卻塔內風機均為獨立控制。

（5）電能計量箱：4個獨立電度表，監測主機能耗。

（6）現場儀表：包括12個溫度傳感器、1臺插入式流量計、1個壓差傳感器，用以監測中央空調過程參數。

3 風系統

3.1 風系統改造范圍

某醫院共31臺風柜，其中混風機柜8臺，新風機柜23臺。根據現場勘查和技術評估對風柜改造做如下處理。

門診負一層太平間車道旁的風柜不具備節能改造條件。原因有兩點：

（1）其供風區域為太平間解剖室，為特殊環境要求區域。

（2）L=6286m3/h，設計偏小，不宜再降低送風量，建議這臺設備不做改造。

門診一樓急診室輸液室、走廊和門診一樓急診室、走廊以及門診三樓信息科等地方人員密集，需要新風量大，但風柜配置偏小，不能再降頻減小其新風量，設備通過總上位對其進行遠程啟停控制，建議不再對其風量進行控制（即取消變頻控制），但對其冷水閥進行遠程集中監控及優化控制。

在合同的條款上增加溫濕度采集器，采集室外的溫濕度，對分區比例閥的控制提供一個參考依據。

為了便于分區控制以及風機控制、現場環境監測和設備狀態監測，新增加上位機一臺，以及上位監控軟件一套和操作臺一臺，串口通信卡2張，RS485中繼器6套。

綜上所述，某醫院的風系統節能改造范圍為30臺風柜，其中混風機8臺，新風機22臺。在進行節能計費過程中，門診一樓急診室輸液室、走廊和門診一樓急診室、走廊以及門診三樓信息科處空調風柜不納入節能計費設備中。

4 控制系統

4.1 風機盤管溫控器聯網系統改造

在樓宇自控系統中，中央空調中的空調和新風機組進行監控，取得良好的節能效果。但風機盤管末端控制卻一直處于機械控制，無法進行有效的管理。傳統上對風機盤管系統的控制比較簡單，還是最原始的產品，機械式的三速開關溫控器，可以現場設定高、中、低風速，進行初步的溫度控制。但無法實時看到房間溫度，不能夠進行風速的大小自動調節以及各種節能模式的應用。

海灣風機盤管控制系統為中央空調的使用由“供多少用多少”到“用多少供多少 ”這種質變的實現提供了基礎，體現了按需使用、按用量收費、“多用多付，少用少付”、“用多少付多少”的基本收費原則。這不僅可以使物管部門在收費問題上有據可依，減輕了物業管理工作量，提高了物業管理公司的工作效率。同時，提高了計費工作的準確性、合理性，還可以引導用戶樹立正確的消費觀念，促使用戶節約能源，減少中央空調系統的工作負荷，延長設備的使用壽命，降低運行費用，達到減負增收的雙重效果。采用聯網型溫控器可以實現由控制中心對風機盤管的工作狀態進行控制，在寫字樓和政府的辦公樓采用溫控器可以實現定時啟停風機盤管，可以由控制中心強制設定房間溫度，從而實現最大程度的節約能耗。

4.1.1 溫控器功能

◆ 溫控器開、關控制：設定室內溫度，顯示室內溫度；

◆ 手動或自動控制風機三速：自動風狀態顯示實際工作風速；

◆ 制冷、制熱及通風模式設定：現場設置風機是否受控；

◆ 三色背光功能：方便夜間使用，能夠外接感應型號；

◆ 可在控制中心設定和控制盤管工作狀態，進行現場鎖定等功能；

◆ 時鐘功能：提供定時開/關機功能，簡化日常操作；

◆ 溫度校準功能：標準盒安裝，美觀大方，配合裝修；

◆ 提供多種節能管理模式：可以由外部設備觸發或控制中心啟用；

◆ 本地顯示電動閥在各檔的運行時間：精確統計空調實際使用狀態，提供更合理 、更靈活的空調計費方式。

4.1.2 聯網結構

聯網風機盤管系統結構，如圖1所示。

圖1

每個溫控器通過總線連接在樓層區域控制集中器上，進而接入樓宇自控系統中。結構直觀簡單，使用快捷、方便。

（1）模塊式設計

系統設計有操作站至控制器，完全是根據控制點的數量及功能而定。而數量方面，可隨日后控制點的改變而隨意更改而不會影響目前的運作。而每一個控制器也是多功能的，他可以任意調校以達到控制不同的設備。

（2）分散式設計

整個系統的基礎為不同的控制器聯網，控制器的位置完全取決于設備的位置，不受其他任何限制。

系統通過對風機盤管的控制，控制出風量及溫度設定值：根據實際使用情況起動風機，可以大大節省電量、水量、蒸氣量，以求達到更高的經濟效益。

系統控制顯示功能包括：密碼系統、控制點摘要、控制點報警、系統的節能控制狀況、控制點歷史、趨勢記錄、重要被調參數的動態顯示。

4.2 空調冷熱源系統改造

4.2.1 冷水機組的控制過程說明

（1）冷水機組的順序啟/停、聯鎖控制

冷水機組的手/自動狀態、運行狀態、故障報警和啟停控制；冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻水塔風機等進行電氣連鎖；通過機組提供的通信協議監視機組的各項參數并能修改有關設置。

（2）領先/滯后的控制

為了使每臺冷水機組的運行時間趨于合理，通過比較各臺機組的運行時間從而決定各臺機組開啟的順序。

（3）運行時間的累計

樓宇自控系統（BAS）存儲每臺機組、每臺水泵的運行時間，這些數據將按需要在控制中心PC工作站顯示，并自動均衡各設備的運行時間，延長設備使用壽命。

中央空調水系統的基本任務是傳送系統工作所需的冷/熱量，而水系統傳送的冷/熱量正比是水流量與水溫差的乘積。滿足最大負荷需求配置水泵容量的定流量運行方式，在系統的實際負荷為部分負荷工況時，水溫差經常遠低于額定溫差。這種小溫差、大流量的運行方式，使水系統輸送能效比（ER）達不到《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2005）的要求。

4.2.2 冷/熱水系統節能控制原理

冷/熱水系統是連接冷/熱源與風機盤管、空調機組等負荷設備的冷/熱量傳送通道，冷/熱水泵為冷/熱水循環運動提供機械動力。本產品根據冷/熱水的供、回水溫差控制冷/熱水的流量。

水流量恒定時，冷/熱水的供、回水溫差將隨著空調末端負荷的變化而變化。用安裝在冷/熱水供、回水總管內的電阻式溫度傳感器實時檢測供、回水溫度并將之送至智能控制器的模擬量輸入模塊，作A/D變換和濾波處理；智能控制器的CPU單元采集供、回水溫度，按控制器內建的節能控制算法計算出當前水泵的最佳工作頻率，經模擬量輸出模塊送至冷/熱水泵變頻器；變頻器控制電動機——冷/熱水泵組件變頻調速運行改變冷/熱水流量，進而實現設定供、回水溫差下變流量節能運行。

冷/熱水泵變流量運行在一定的范圍之內進行，不會影響空調主機的安全高效運行。變流量控制保證各并聯工作的冷/熱水泵在同一頻率下運行，不會改變冷/熱水系統原有的水力平衡狀態。

4.2.3 冷卻水系統節能控制原理

冷卻水系統是連接制冷主機與冷卻塔的熱量轉移通道，冷卻水泵為冷卻水循環運動和冷卻塔布水器噴淋提供機械動力。本產品根據冷卻水的進、出水溫差控制冷卻水的流量。

冷卻水流量和冷卻塔散熱量都恒定時，冷卻水的進、出水溫差將隨著制冷機組排熱需求量的變化而變化。用安裝在冷卻水進/出水總管內的電阻式溫度傳感器實時檢測進/出水溫度并將之送至智能控制器的模擬量輸入模塊，作A/D變換和濾波處理；智能控制器的CPU單元采集進、出水溫度，按控制器的節能控制算法計算出當前水泵的最佳工作頻率，經模擬量輸出模塊送至冷卻水泵變頻器；變頻器控制電動機——冷卻水泵組件變頻調速運行改變冷卻水流量，進而實現設定進、出水溫差下變流量節能運行。

冷卻水泵變流量運行在一定的允許范圍之內進行，擴大冷卻水進、出水溫差時以冷卻水出水溫度為基準條件，不會影響制冷機組的安全高效運行。變流量控制保證各并聯工作的冷卻水泵在同一頻率下運行，不會影響冷卻水管路原有的水力平衡狀態。

4.2.4 冷卻塔風機節能控制原理

冷卻塔將冷卻水攜帶的熱量排入環境大氣，在環境大氣濕球溫度一定的條件下，冷卻塔風機的送風量越大，排熱效果越好，冷卻水的進水溫度越低；但制冷機組一般對冷卻水的進水溫度有低限要求。

對冷卻塔風機實施啟/停雙位控制，設置冷卻塔風機啟動溫度T31和停運溫度T32。檢測冷卻水進水溫度T3。當T3＞T31時，啟動冷卻塔風機并使之在工頻下運行；當T3＜T32時，關閉冷卻塔風機；當T31≤T3≤T32時，維持風機原有的工作狀態。啟/停控制方法簡易，不設風機變頻器。

以上各項均在現場控制器的監視下完成，并可在中央工作站上顯示，在樓宇自動控制模式下，自控系統將按程序來操作設備， 在手動模式下，自控系統控制功能失效，但監視報警功能依然有效。在機組運行正常時，機組出現故障報警，系統將在中央工作站或通過網絡控制器進行提示，提示以屏幕顯示、聲音報警、打印輸出等方式出現；系統能自動累計機組、水泵的運行時間、并可打印存檔，通過合理設定，可對設備的運行實行定時轉換，以保持設備平衡運行，延長設備使用壽命。

其中，相關被控設備與本系統聯動，所需接口部分由業主在定購設備時完成，做好充分預留。

5 結束語

當前我國的醫療投入在不斷增長，同時也出現衛生保健的投入與產出差距也在持續拉大的局面，迫切需要我們加強這方面的研究。新時期的醫院工程建設需要遵循我國倡導的建設節約型社會的主張，讓樓宇自控系統真正起到能源合理控制和能源合理管理的作用，運用科學理性的概念與決策來進行規劃。建設節能型的綠色醫院不僅僅是降低醫院的運行成本，也可以減輕社會對醫療衛生的運行維持成本的負擔。這無論對醫院、對設計者、運營管理者，乃至對社會來說都具有現實意義。