板式換熱機組在醫院節能設備改造中的應用

陳 震

（上海市第一婦嬰保健院，上海201204）

0 引言

醫院空調系統運行有其特殊性，尤其是在手術室等凈化區域，全年要保持恒溫、恒濕的環境。一般手術室凈化機組設備采用四管制凈化機組，需要常年保持空調冷熱源的供給，在冬季運行工況下，通過冷水機組不間斷運行來獲得冷源，系統運行能耗較大。怎樣通過對設備的改造來降低系統整體運行能耗，成為很多醫院正在思考的問題。

上海市第一婦嬰保健院位于上海市浦東新區高科西路2 699號，總建筑面積超7萬m2，設置有住院樓、門診醫技樓、教學行政樓及后勤保障樓等4個主要建筑，核定床位數500張，醫院于2013年8月正式投入使用。全院中央空調系統設計總冷量為7 385 kW，選用兩臺離心式冷水機組（單臺制冷量為2 989 kW）和一臺螺桿式冷水機組（制冷量為1 407 kW）作為系統冷源。在冬季空調系統運行過程中，凈化機組水系統冷源由螺桿機組提供，一方面造成了較大的能耗，另一方面長時間不間斷地運行也影響了螺桿機組的使用壽命。冬季冷水機組在運行過程中，容易發生冷卻水溫度過低導致機組無法正常開啟的現象，使用蒸汽給冷卻水系統預加熱又會造成很大的能源浪費。

醫院積極響應上海市后勤節能工作的要求，于2015年10月對醫院中央空調系統進行了節能改造，增加水-水板式換熱機組，并對系統部分管路進行改造，冬季通過室外大氣冷量將冷卻塔內的水降溫后作為免費冷源，改變了以往通過螺桿機組供給空調系統冷源的方式，達到了節能降耗的目的。

1 設計要求和思路

根據GB 50019—2003《采暖通風與空氣調節設計規范》、GB 50333—2002《醫院潔凈手術部建筑技術規范》，冷凍水設計供回水溫度為7～13℃。根據上海的氣象條件顯示（圖1），上海每年12月、1月、2月的最低溫度均低于7℃，最高溫度均低于12℃，故可以將冷卻水與冷凍水通過水-水換熱機組進行換熱，來滿足凈化機組的冷源供給需求。上海冬季的自來水設計溫度為5℃，冷卻水補水時不會造成冷卻水溫度的上升。

圖1 上海市氣象參數

板式熱交換器和原制冷主機做并聯設計，將原有的冷水機組冷凍水及冷卻水供回水管路連接至水-水板式換熱機組，并在水-水板式換熱機組的兩側同時設置蝶閥，通過閥門控制來完成水系統的換熱過程。當冬季使用水-水板式換熱機組時蝶閥開啟，制冷主機的蝶閥需要同時全部關閉；當其他季節使用制冷主機時蝶閥開啟，水-水板式換熱機組的蝶閥全部關閉。正常工況下，使用水-水板式換熱機組冬季冷卻水側供回水溫度一般在5～11℃，冷凍水側供回水溫度一般在7～13℃，滿足凈化機組對于冷凍水供回水溫度的要求。

2 設計要點

2.1 水-水板式換熱機組基本介紹

冬季中央空調熱源采用汽-水板式換熱機組已經較為普遍，高溫蒸汽與水通過板式換熱機組進行換熱，產生的熱水用于中央空調系統的采暖熱源。而水-水板式換熱系統原理基本和汽-水板式換熱機組一致，該系統是將冷卻水與冷凍水通過水-水板式換熱機組進行換熱，熱量通過冷卻塔帶出室外，由于冬季室外氣溫較低，在系統運行過程中，冷卻塔內的水也不斷地在與室外空氣進行換熱，將系統的熱量帶到大氣中去。所以，該系統是借助了室外空氣這個免費的冷源來達到節能降耗的效果。

2.2 水-水板式換熱機組系統圖

如圖2所示，系統通過在原水系統管路上增設三通，并在系統前端設置蝶閥來控制管路的開閉，實現與原系統管路的對接。夏季冷水機組蝶閥開啟，板式換熱機組閥門關閉，采用原冷水機組作為空調系統冷源；冬季氣象條件滿足后，板式換熱機組閥門開啟，冷水機組蝶閥關閉，水系統通過板式換熱機組進行換熱后為凈化系統提供冷源，達到節能降耗的目的。

2.3 系統運行工況分析

圖2 水-水板式換熱機組系統圖

如表1所示，在冷卻塔水溫＞7℃的工況下，開啟冷水機組的蝶閥，關閉板式換熱機組前端的蝶閥，通過冷水機組為系統提供冷源。在冬季冷卻塔水溫≤7℃的情況下，開啟板式換熱機組前端的蝶閥，關閉冷水機組的蝶閥，采用板式換熱機組進行水-水交換，通過與系統管路進行對接為凈化機組提供冷源。

表1 系統運行工況分析

2.4 后續改進方案

凈化機組對于系統供回水溫度的要求較高，一般機組運行參數為7～13℃供回水。由于水-水板式換熱機組是在原有系統的基礎上進行改造的，系統的循環水泵、冷卻塔風機及閥門均采用定頻控制，在運行過程中對于水系統溫度的控制精度較低。在后續的改進過程中，可以將系統的循環水泵及冷卻塔風機改為變頻控制，水系統主管上的閥門改為電動閥，在冷卻塔及冷凍水管加裝溫度傳感器，通過溫度傳感器采集的參數來控制閥門開度和循環水泵的運行工況，以達到對系統冷卻水及冷凍水出水溫度的精度控制，滿足凈化機組的供回水要求。

3 結論分析與測試

根據約克螺桿機的性能參數，機組制冷量為1 400 kW，耗電功率為280 kW，冬季使用螺桿機的電流負載約為80%，機組24 h不間斷運行。采用水-水板式換熱機組后，這部分的能耗可以節省下來。

參照上海市第一婦嬰保健院空調系統螺桿機組使用參數，冬季改用水-水板式換熱機組，系統每年可使用時間按3個月來計算，運行時間24 h，每度電價格為1元/kW·h，則每年節約能耗費用約為280×24×30×3×80%×1=483 840元。

結論分析：

（1）在上海，冬季使用水-水板式換熱機組來作為中央空調系統冷源，系統運行能耗會大大降低。

（2）中央空調系統進行水-水板式換熱機組的改造，系統不新增水泵，不會增加電功率；板換面積小，占用空間少，改造范圍小，改造可行性較高。

（3）水-水板式換熱機組設備簡單可靠，在換季保養過程中只需要對板片進行清洗保養，系統維護方便，維護成本低。

（4）中央空調系統通過水-水板式換熱機組的改造，可以解決在冬季制冷的時候由于冷卻水溫度過低導致主機開機故障的問題，同時避免了冬季為了提高冷卻水溫度而使用蒸汽加熱等方式造成的能源浪費。

（5）通過對氣象參數的分析，上海市在11月和3月的部分時段也可以使用水-水板式換熱系統，節能時間可以進一步延長。

（6）使用水-水板式換熱機組可以減少冷水機組的使用時間，延長冷水機組的使用年限。

該系統在投入使用后，已經累計3年在冬季運行使用，累計為醫院節省能源費用達到150萬元左右。

4 結語

水-水板式換熱機組作為一種較為新型的節能設備，在冬季空調系統運行過程中，節能效果較為理想。該機組的優點為改造過程簡單，設備運行可靠、維護方便、節能效果理想。同時，系統也存在一定的缺點，如對于溫度的控制達不到冷水機組的精度要求，如需提高對供回水溫度的控制精度，則需在系統各管路增加溫度傳感器及電動閥來控制，改造成本將會增加。將來如果能在設備上集成控制回路或者通過其他方式實現高精度控制，作為醫院節能改造可行性較高、節能效果較好的設備，水-水換熱機組將來必然可以在醫院中央空調系統的改造中得到進一步推廣應用，為醫院的節能工作貢獻一份不容忽視的力量。

[1]采暖通風與空氣調節設計規范：GB 50019—2003[S].

[2]醫院潔凈手術部建筑技術規范：GB 50333—2002[S].

[3]馬艷，孫文哲，宋倩，等.中央空調系統節能方法[J].建筑節能，2011（5）：16-19.

[4]曾昭向，盧清華.中央空調節能技術分析與探討[J].制冷與空調（四川），2013（1）：45-48.

[5]肖文，劉浙華.中央空調節能措施研究[J].中國測試技術，2007，33（3）：47-49.