醫院中央空調低碳節能技術的改造措施

李　靜　王金榮　馮凱林　郭善水　鄧澤江中國中醫科學院眼科醫院，北京　100040

醫院中央空調低碳節能技術的改造措施

李靜王金榮馮凱林▲郭善水鄧澤江
中國中醫科學院眼科醫院，北京100040

通過對國內外建筑節能情況分析，掌握現代建筑節能的切入點，結合醫院中央空調設備、運行、管理進行節能研究。隨著國民經濟的飛速發展，建筑能耗占整個能耗的比例逐漸提高，建筑節能在我國的可持續發展中所占比重也在逐漸加大，中央空調設備運行效率的高低、運行策略的好壞都直接影響著能否實現建筑節能的目標。醫院中央空調低碳節能與樓宇自控系統升級改造工程完成后，可以為醫院每年節約可觀的資金，降低醫院的運營成本，為醫院的良性循環與長遠發展提供支持與幫助。

中央空調；低碳節能；改造措施

能源消耗量的大小決定著我國國民經濟的發展快慢。我國“十二五”規劃發展綱要指導思想中明確指出，堅持把建設資源節約型、環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式的重要著力點。隨著醫院的不斷發展，患者對醫院的環境要求有所提高，中央空調在大型醫院已普遍使用，耗能最多，約占醫院建筑能耗的50%，其中空調設備運行節能又在醫院建筑節能中占有相當大的比例?？梢哉f，中央空調設備運行效率的高低，運行策略的好壞都直接影響著能否實現醫院建筑節能的目標。在深化醫藥衛生體制改革的背景下，大型綜合性醫院作為重點用能單位，做好節能降耗工作不僅體現了公立醫院的社會責任，而且對于降低醫療成本，促進醫院可持續發展具有重要意義。

中國中醫科學院眼科醫院（以下簡稱“我院”）要努力成為一所中國第一，以中醫、中西醫結合眼科為主體，眼科相關學科同步發展的三級甲等?？漆t院。中央空調低碳節能與樓宇自控系統升級改造工程完成后，可滿足醫院夏季正常送冷風，冬季送熱風，同時要為醫院節約能耗。為患者就醫、住院提供健康、舒適、方便、安全的后勤保障資源。

1　國內外空調技術與節能現狀、水平及發展趨勢

新中國成立以后，我國空調技術得到了飛速的發展，尤其自20世紀80年代改革開放以來，我國各大城市的高級旅館、影劇院、購物中心等先后都設置了中央空調系統，各式空調機組已進入學校、機關、醫院以及百姓家。目前全國現有大、中、小型設計單位近萬個，1/4以上能做空調設計。已掌握了高精度恒溫恒濕可連續保持靜態偏差在±0.01℃和±2%RH的水平，潔凈度達到國標1級標準，已經掌握各種等級的生物潔凈整套技術，從而為高新技術發展提供了環境技術保障［1］。

在中央空調設備方面，我國成為僅次于美國、日本兩國，位居世界第三的制冷空調生產國［2］。根據中國制冷空調工業協會統計，1995年我國風機盤管產量已超過45萬臺，大大超過了空調大國美國、日本的年銷量30萬臺左右的水平。同時我國也是世界上最大的冷水機組市場，其中吸收式冷（熱）水機組產量居世界第二位，352 kW以上的機組產量，中國居第一位。在戶式集中空調方面，我國推出水系統-熱泵冷熱水系統，與日本的制冷系統——VRV及美國的空氣系統——風管機形成三足鼎立之勢。

隨著國民經濟的飛速發展和居民生活水平的不斷提高，對空氣調節技術將會提出更高的要求，面對新的挑戰，業內人士必須把握機遇，不斷開拓進取，創造健康、舒適、安全、方便的人居環境。展望21世紀空調技術的發展，節約能源、保護環境必將是空氣調節工程與產業可持續發展的基本條件。從某種意義上來說，現代空氣調節技術的發展，不僅應在能源利用、能量的節約與回收、空調設備性能的改進、系統的運行管理、優化設計與技術經濟分析以及自動控制精度等方面繼續研究和深化，而且在由舒適空調邁向健康空調，提高室內空氣品質，改善醫院空氣環境等方面展開進一步研究［3］。

①提高室內空氣品質：隨著國民經濟的發展和人民生活水平的提高，空調系統已不再是什么奢侈品，很多家庭都裝有2臺或更多的空調，有的家庭還裝有戶式中央空調，人們長期待在空調房間里，房間的空氣質量直接關系到人們的身體健康［4］。隨著工業的快速發展，危害人體健康的各種微粒與氣體也在不斷增長，人類健康所需的空氣凈化技術已迫在眉睫。因此已不能只關注醫院、實驗室、博物館等場所的空氣品質，而應全面提高所有場所的室內空氣品質，應大力研究開發效率高、價廉，而且便于潔凈的中央空調技術與節能設備，促使舒適空調邁向健康節能空調。②能源的合理利用：近年來，世界性的能源危機問題受到人們的關注。隨著經濟的發展，能源緊缺問題日益嚴重，其中建筑能耗是能源消耗的大戶之一。據統計，我國建筑能耗已占國民經濟總能耗的27%左右，且呈遞增趨勢，而中央空調能耗又是建筑的主要能耗，占總能耗的30%～50%，因此中央空調節能是建筑節能中的關鍵環節［5］。一方面要不斷提高中央空調設備的性能，降低能源消耗，同時可采用除濕、蒸發冷卻等方式，促進利用余熱、自然能源和可再生能源的產品的開發和利用；另一方面，要認真研究中央空調系統用能結構，針對建筑用能負荷的不均衡性，大力提倡相變蓄能型中央空調系統。③先進控制技術的應用：隨著計算機技術、控制技術、電子技術的發展，全面促進了中央空調低碳節能技術的發展，而中央空調低碳節能技術的發展也越來越離不開計算機技術或控制技術的支撐［6］?，F代化的中央空調系統一方面可實現全自動的季節轉換，另一方面更可精確地實現室內熱濕負荷和室外氣象條件等因素的變化，利用現代先進的控制技術，使中央空調系統在每個季節能都處于最佳工況下運行。同時，計算機自動控制技術與變頻技術相結合，在空調領堿產生了深遠的影響，變風量、變水量和變制冷劑流量系統就是在這種情況下取得了飛速發展。

隨著互聯網普及、物聯網技術的推廣及自適用技術的應用，自感知中央空調將成為一大發展趨勢，中央空調可以自動感應人體活動區域及人體的溫度，從而通過物聯網技術自動調節房間溫度，做到需要多少用多少，并對各用能產品的用能情況進行分析計量，以便對整個建筑的用能情況進行分析，并對中央空調系統實施有效的節能改造。

當今世界，設計低碳節能建筑和研發低碳節能技術是最受矚目的課題之一。據統計，人類每年所消耗的能量中，建筑能耗最大。醫院建筑是高能源消耗場所，醫院能耗用量是一般公共建筑的兩倍，對醫院能耗進行分析并提出相應的節能措施，具有重要的現實意義。低碳節能是節能醫院的重要組成部分，與醫院的初始成本、成本效益比、能源節約效益等經濟效益密切相關，是建設醫院必須面對的首要問題。

我國在“十一五”期間大力推進建筑節能工作，取得顯著成效，在“十二五”開局之年，北京市率先提出的75%節能目標引起業內廣泛關注，針對節能目標的爭論再次展開。上海世博會上備受矚目的“零碳館”，就是參照英國貝丁頓社區建造，并保留下來成為世博會的永久建筑之一。

在歐洲、北美和日本等眾多發達國家和城市，低碳節能技術在較早時期就已經得到廣泛應用，并掀起一股低碳節能旋風，綠色科技低碳節能經濟也被國際廣泛認定為未來各行業的發展所趨。發達國家紛紛制訂零能耗或零碳建筑發展規劃，提出發展路線圖。“凈零能耗”建筑和“凈零碳排放”建筑成為大勢所趨，列入發達國家建筑節能長期發展目標［7］。表1是部分發達國家和地區制訂的凈零能耗和凈零碳排放建筑計劃，歐盟于2010年立法規定新建公共建筑和住宅分別于2018、2020年實現近零能耗或超低能耗［8］。

表1　國外近零能耗建筑實現計劃

在我國建設資源節約型、環境友好型社會以及深化醫藥衛生體制改革的背景下，大型綜合性醫院作為重點用能單位，做好節能降耗工作不僅體現了公立醫院的社會責任，而且對于降低醫療成本、促進醫院可持續發展具有重要意義［9］。

我國是世界最大的空調市場，推動行業技術發展與設計理念不斷提升，運用設計創新以實現更高能效目標和低碳經濟可持續發展至關重要。很多科研機構及企業都把關注重點放在了中央空調低碳節能的課題上，形成了市場上各種各樣的中央空調節能方案。

如何評定一個醫院的能耗水平，目前國內還沒有統一的標準來認定醫院的能耗。需要建立一個統一的標準來衡量醫院的能耗水平。有了醫院統一的標準，無論這個醫院在什么地方，都能評定這個醫院的能耗水平。

測量中央空調設備電耗的最有效的方法是測量空調機房PUE的輸出電量 （向配電柜輸送的總電量）。由于醫院能耗指標的數值受很多因素影響，會隨地理位置、季節等的改變發生變化，因此為全面準確了解醫院的能效，應采用測量儀表，對醫院的能耗進行持續、長期的測量和記錄，且測量時間越長，得到的PUE指標更能反映醫院真實能耗情況。在實際應用中，PUE值可以通過自動化儀表或軟件直接讀出，可以查詢或同時顯示瞬時、日、月及年的PUE值［10］。

測量的周期和頻率分季測試，如下：每年測量4次，分別在春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12～2月）。每個季節選取1個月作為一個時段進行測量。

空調供冷系統能效與結構、配置和系統運行狀態有關。PUE是目前可量化醫院用能效率評估指標。由于醫院在不同的外部環境下耗電情況不同，冬季的空調耗電較少，夏季的空調耗電較多。由于醫院業務發展的不同有所變化，因此PUE值的評價基數必須為1年365天總耗電。

2　醫院現有中央空調系統與節能改造設想

2.1我院中央空調系統的現狀

我院中央空調系統2001年建成，2002年投入運行。現有中央空調系統主要設備有：制冷機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔各2臺（一用一備）。自動化程度不高，電機控制裝置是固定頻率，不能隨溫度變化逐漸變化，而是一步到位，能耗大。隨著科技發展，自控裝置已在大型公共建筑中央空調系統中運用。變頻器的質量已很可靠，且成本低。采用變頻水泵、變頻風機對流量進行調節已很普及［11］。而我院空調的輸配系統結構還是沿用傳統的閥門調節，未能發揮變頻調速作用。水泵的能耗一半消耗在各種閥門上，風機的能耗25%～40%消耗在閥門上；空調系統自控設備不完備，溫度控制由人工完成，經常導致房間夏季室溫過冷或冬季室溫過熱，不僅耗費能量，而且對人體舒適和健康也是不適宜的［12］。醫院設計與施工改造中已經將低碳節能的理念加入，結合醫院暖通空調、給排水、鍋爐、電梯、機電一體化、墻體保溫、太陽能、空調水蓄冷系統等，研究制訂符合國家政策標準的改擴建方案，為醫院在今后的發展奠定扎實的基礎。

中央空調系統優化節能控制目標是：在滿足建筑室內人體熱舒適要求前提下，尋找系統優化運行工況，使整個系統運行能耗達到最小。由于中央空調系統通常由眾多相互關聯、相互作用的部件組成，因此，其屬于大系統優化控制。目前，已有部分文獻給出了中央空調系統優化節能控制方面的研究成果［13］。

2.2中央空調系統主要設備

制冷機：螺桿式冷水機組在日常維護保養的情況下，常規使用壽命在12～15年，通常在各種因素影響下，使用超過10年的機組制冷效率（COP值）會出現一定程度的衰減。經技術人員的實地調研，醫院空調制冷系統的兩臺螺桿機已出現明顯功率不足現象（即COP值有較大幅度衰減），同時還存在無法根據實際負荷正常卸載的問題，始終處于滿載運行狀態（即螺桿機在正常情況下可根據空調系統實際負荷在額定功率的15%～100%無級變速加載、卸載，實現節能運行）。

冷卻塔：經技術人員現場檢查，冷卻塔的填料已經呈現嚴重的軟化變形，并形成多處的堵塞現象，填料中結垢現象嚴重，對冷卻塔的交換能力產生較大影響，造成冷卻水換熱不充分、主機側進水溫度升高，也成為主機制冷效率降低、功率不足的一條重要影響因素。此外，冷卻塔風扇的扇葉和皮帶均因老化產生變形，使風機在運行過程中出現旋轉不均勻，導致冷卻塔塔體出現共振晃動現象，影響設備正常使用，使系統運行存在安全隱患。

水泵：經現場檢測，冷凍水泵和冷卻水泵電機均已經出現不同程度的效率衰減，且存在同一種運行工況下，每臺水泵的通過電流各不相同，但都略高于額定電流，造成電機因過載發熱現象，對設備本身造成傷害且使系統運行存在安全隱患。

系統管道：受條件所限，現場無法全面對制冷系統管道及附件進行全面排查，根據技術人員多年的類似項目經驗積累和現場對局部管道的檢查，中央空調系統管道及附件同樣存在因運行年限、水質等因素造成的銹蝕、滴漏現象，特別是閥門、接口等處尤為嚴重，使系統正常運行存在安全隱患。

電氣與自控系統設備：隨著科技進步和行業發展，電氣元器件、自控系統設備近幾年更新換代、產品升級的速度很快。醫院空調系統已投入使用較長時間，技術人員發現目前使用的控制柜中很多元器件與自控模塊廠家早已停產，在市場中也已經很難買到，一旦損壞將無法替換，此外還存在一部分過時或頻臨淘汰產品。同時，有些電氣元器件與自控模塊時常也出現故障，例如接觸器輔助觸點粘連，需要人工去復位等，為系統正常運行帶來不安全因素。

2.3制冷系統改造方案

根據技術人員對系統運行狀況和主要設備現狀的實地調研和分析結果，提出的高效、節能、安全、穩定原則，對醫院空調系統改造提出方案如下：

①冷水機組：根據設計計算冷負荷，結合運行維護記錄，重新進行冷水機組選型計算，確定類型不變，但主要參數需要根據重新計算確定［14］。冷水機組型式：雙工況螺桿式冷水機組。冷水機組主要技術參數如下。性能參數：制冷量（kW）：Q=1055；冷凍水，進出水溫度：制冷工況為12/7℃，蓄冷工況為12/4℃；冷卻水進，出水溫度：32/37℃；耗電量：N=186 kW，380 V-3-50 Hz；數量：2臺；備注：安裝尺寸為4200 mm× 1930mm×2200mm，運行重量為7899 kg。

②冷卻塔：配合主機的參數要求，重新進行冷卻塔的選型計算。冷卻塔型式：開放式（橫流）。特點：低噪聲節能型。

③水泵：根據設計施工圖，結合新選主機、冷卻塔參數，更新冷凍水泵與冷卻水泵，各3臺，均為2用1備，與主機一對一配置。水泵型式：立（臥）式離心泵［15］。

④電氣設備：配套更新各主要設備電氣控制柜，主要元器件選擇品牌。優化、增加自控系統功能，民用建筑集中空調系統能耗在建筑物整體能耗中占據較大比例，其中制冷系統主要設備能耗占整個集中空調系統能耗的60%以上，因此制冷系統采用合理節能措施，將是建筑整體節能中重要的環境［16］。設計合理的自動控制系統，是制冷系統實現節能的必要因素［17］。獲得節能效果的同時，自控系統中的集中監視和報警能夠及時發現設備的問題，可以進行預防性維修，以減少停機時間和設備的損耗，降低維修開支，節約成本。此外，為制冷系統配置能源管理系統，不僅可以使制冷機房的能源消耗可視化，同時利用能效分析功能實時診斷系統的能效比，及時地干預系統的運行策略，調節降低系統的能耗，使得系統的能效比最大化。中央空調項目需優化、改造制冷機房自控系統，并增加能效管理系統。

⑤系統管道更新：更換水路系統的管道、水路系統的閥門、過濾器以及管道保溫，在保證系統安全可靠地運行同時，新的管道保溫可以有效地減少管路冷損失，為系統的節能起到一定的積極作用。

綜上所述，對中央空調系統實施節能改造，在技術上是切實可行的。醫院中央空調系統的節能技改工作是一件亟待解決的大事，技改成功后，可以為醫院每年節約資金，降低醫院的運營成本，為醫院的良性循環與長遠發展提供支持與幫助。

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Remodeling steps of low carbon energy technology saving for central air conditioning in hospital

LI JingWANG JinrongFENG Kailin▲GUO Shanshui DENG Zejiang
Eye Hospital，China Academy of Chinese Medical Sciences，Beijing100040，China

Through the analysis of building energy saving at home and broad，we conduct research to explore effective ways of managing，running and energy saving for hospital central air conditioning.With the rapid development of the national economy，building energy consumption has proportionally increased compared to the overall energy consumption cost；the share of building energy saving development in China is gradually increasing to compensate for the increased energy consumption cost.Effective management of energy saving for central air conditioning will directly influence the realization of building energy-saving goals.After upgrading central air conditioning with low carbon energy and constructing automation systems in hospital，we can save significant amount of money each year and reduce operating costs for the hospital，providing support for a virtuous growth cycle in the long-term development of the hospital.

Central air conditioning；Low carbon energy saving technology；Remodel measure

TE08

A

1673-7210（2016）01（c）-0173-04

2015-10-14本文編輯：李亞聰）

中國中醫科學院眼科醫院院內課題（201534）。
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