廣州某醫院建筑的空調系統運行節能研究

王肖寧

中鐵十八局集團第四工程有限公司

0 引言

醫院建筑是公共建筑的一種，它獨特的功能造成其特殊的用能特點，其中空調系統的運行和用能狀況與整個醫院建筑的節能關系最為密切，加強對醫院建筑空調系統的節能運行設計與分析研究，對于促進我國公共建筑節能技術的進步與發展意義不言而喻。

本文選取位于夏熱冬冷區域內的廣州某醫院建筑為研究對象，針對建筑內主要空調設備的運行性能進行分析研究，得出在典型夏季日下制冷機組的性能系數，結合冷站全年數據計算出能效比，提出了節能改造的建議，為醫院類建筑的空調運行節能提供參考。

1 醫院建筑用能特點

醫院建筑是指集患者、易感人群、陪同家屬和醫護人員在一起的特殊建筑，為醫療活動提供一個良好環境以及相關設施的場所。門診量大、人員流動性強、功能分區多，管理復雜，能耗高，是醫院有別于其他普通公共建筑鮮明特征之一。相對普通公共建筑而言，它是功能復雜、使用頻率高、影響范圍極廣的建筑群。醫院建筑獨特功能造成其特殊的用能特點。具體有如下三點：

1）醫院建筑有兩類差異較大的室內環境控制，一類是量大面廣的一般科室如普通病房、診室，只需季節性舒適空調；另一類是數量相對較少的有無菌與濕度控制要求的如手術室、無菌病房等特殊科室（部），需全年空調，特別是濕度控制是保障無菌環境的關鍵因素，為此在空調供冷工況下必須始終供給7℃（甚至更低）冷凍水[1]。

2）醫院建筑部分特殊科室外圍護結構附近區域需常年空調，而中心區域已不再受室外氣候干擾（或者說沒有建筑負荷），只存在人員，照明和設備的長期負荷，形成了空調內區，因此即使在冬季空調內區也需要空調，或者說常年需要供冷凍水。

3）現代醫院建筑樓層不斷提高，集中冷熱源供應系統半徑大大增加，引起輸送能耗增多，管道沿程水溫變化大，特別是冷凍水到達末端設備水溫升高，對室內發濕量較大（或者說熱濕比較小）的場所環境濕度控制不利。

2 廣州某醫院建筑及空調制冷設備概況

本文所研究醫院建筑為廣州某三級甲等綜合性婦女兒童專科醫院、五級人防戰備醫院。目前，該項目已經竣工并已投入使用。該建筑用地面積約為27600 m2，總建筑面積86156 m2。該建筑由一幢15層高的板式塔樓和5層裙樓組成，建筑高度70.9 m。建設規模為700床位，日門診量約5000人次，地下停車位共259個，自行車庫850 m2。于2012年1月份完成施工圖設計，2013年10月完成修改變更設計，2014年5月驗收使用。該醫院建筑除ICU、PICU、NICU、手術室、急診室及隔離室等外潔凈度要求較高的區域，低潔凈度區域空調面積為61800 m2，夏季冷負荷為8600 kW，冬季熱負荷為2200 kW，所選冷熱源設備、水泵設備、冷卻塔設備如表1所示。ICU、PICU、NICU、手術室、急診室及隔離室等潔凈度要求較高區域的空調面積為5340 m2，夏季冷負荷為1238 kW，冬季熱負荷為550 kW，所選冷熱源設備如表2所示。系統原理圖如圖1所示。

表1 低潔凈度區域設備表

表2 高潔凈度區域設備表

圖1 空調系統原理圖

3 醫院建筑空調運行數據及分析

由于廣州地區氣候特征，“夏熱”在廣州持續的時間較長，空調設備全年大部分時間在夏季工況下運行，因此解決夏季運行及節能的問題是關鍵所在，本文集中對空調設備的夏季運行工況進行分析。收集整理2015年全年夏季工況（5月20日至10月10日，共145天）的設備運行數據，對每類數據進行平均計算，得出平均值，再對此平均值進行分析。表3、表4、表5為離心式制冷機組1#、螺桿式制冷機組1#及高度潔凈區用熱泵螺桿機組1#夏季工況（制冷工況）的運行情況的平均值結果。

表4 螺桿式制冷機組1#夏季工況運行情況平均值

表5 熱泵螺桿機組1#夏季工況運行情況平均值

總匯表格中制冷量和COP值數據，可以看出螺桿式制冷機組和風冷熱泵機組全天的制冷量變化不大，但離心式制冷機組在上午8:00至12:00制冷量一直保持上升趨勢，這是因為醫院一般在8:00后人流逐漸加大，使用的功能區域不斷擴大，開啟的末端裝置數量不斷增多，導致制冷量增加。這也說明制冷量隨人員狀況的變動而波動。

由表3、表4、表5可知，各制冷機組的COP值均在4.1以下，低于《既有建筑節能診斷與改造》[2]所要求的5.13。由各制冷機組設計工況下的性能參數可知，機組運行時冷凍水供回溫差和冷卻水供回水溫差均明顯低于設計工況，而且流量偏大，故造成制冷量大，COP值偏小。從現場條件分析可知造成COP值偏小原因是冷凝器換熱效果差導致實際冷凝溫度偏高及個別停開的制冷機組進出水閥門未關閉導致冷凍水旁通。

4 醫院內空調設備冷站中心數據及分析

醫院內空調系統的能效比分析主要以中心內冷站作為數據來源。由于冷站內醫院主樓負一層內安裝有遠傳式電表，專門用于計量位于空調機房的制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔的耗電量。而位于裙樓頂的風冷式熱泵和冷凍水泵也有專門設置的遠傳式電表計量耗電量。

根據醫院工程班組在2015年全年對冷站總電表的逐月記錄分析可知，中心內冷機組的日均電耗占整個冷站能耗70%以上，水泵的日均電耗達到25%，冷卻塔最小，占2.3%。空調系統制熱（冷）量和耗電量的規律與廣州的氣候條件相關明顯：在全年中夏季高溫高濕的室外環境令醫院室內環境冷負荷和濕負荷較大，故形成空調系統的高制冷量和高耗電量；春、秋、冬三季醫院室內的供熱需求主要集中在高潔凈區域，但制熱量也較小，耗電量也較小。綜合醫院在2015年夏季（5月20日至10月10日，共145天）空調系統主要設備的電耗量數據，繪出圖2空調設備裝機功率比例餅形圖。

圖2 各空調設備裝機功率比例圖

由圖2可知，2臺離心式冷水機組裝機功率最大，占冷站總功率的29.9%，其次是5臺空氣源熱泵機組和2臺螺桿式冷水機組，分別占19.6%和15%，都是空調系統節能的重點部分。空氣源螺桿式冷水機組臺數較少，但所占比例也達到10.1%。余下部分主要是冷凍水系統和冷卻水系統所用的輸配設備，僅占2%～7%。

5 醫院空調系統節能改造建議

從上述醫院冷站的全年能耗統計可知，制冷機組在冷站的能耗比例中占到70%以上，是醫院整個空調系統節能的重點。而制冷機的節能潛力主要集中在COP值的提高和群控運行策略的科學化兩個方面。下面針對這兩個方面給出相應的節能建議制冷機組COP值的提高建議：

1）提高冷凍水出水溫度：一般的制冷機組都以冷凍水出水溫度作為系統的反饋信號，自動調節制冷負荷，為保持冷水溫度和蒸發溫度之間的溫差，冷凍水出水溫度提高時，制冷機組的蒸發溫度也會提高。而在一定范圍內，當制冷機組壓縮機的轉速和冷凝溫度一定時，則蒸發溫度越高，制冷量越大，COP值也越大。實驗研究表明，冷凍水供水溫度提高1℃，制冷機組的COP值可提高約3%[3]。因此，對于醫院冷站內的制冷機組，可以通過提高冷凍水的出水溫度來提高COP值。

本文中，針對廣州某醫院建筑空調系統，節能改造的具體建議為：

a）在保持一定制冷量的前提下，對制冷機組手工設定較高的出水溫度；

b）在輸配系統的運行測試中發現，冷凍水循環系統存在大循環水量的現象，故可以通過優化冷凍水管道和水泵運行狀態的方法強化蒸發器換熱，從而提高冷凍水出水溫度；

c）現場調查發現制冷機組存在旁通現象，防止這種現象的出現可以使系統制冷量增加，提高制冷機組的COP值，還可以提高冷凍水泵的輸送系數和效率。

2）降低冷卻水的出水溫度：與提高冷凍水出水溫度的作用原理相似，在一定范圍內，當冷機壓縮機的轉速和蒸發溫度一定時，冷機冷凝溫度越高，制冷量越大，COP也越大。而冷卻水出水溫度的降低意味著冷凝溫度的降低。因此，對于醫院冷站內的制冷機組，可以通過降低冷卻水的出水溫度來提高COP值。

本文中，針對廣州某醫院建筑空調系統，節能改造的具體建議為：

a）對中心內的工程班組咨詢可知，制冷機組自購買使用后，沒有對冷凝器進行清洗，而通過冷卻水泵的節能運行研究可以看出，冷凝器的換熱溫差較小，結垢現象較為嚴重，故應對水冷式的制冷機組進行清洗，不僅可以達到降低側壓降、提高冷機COP的目的，還可以降低水泵的揚程，減少冷卻水泵電耗；

b）與冷凍水循環管道相似，冷卻水循環系統存在大循環水量的現象，故應通過優化冷卻水管道、水泵運行狀態及強冷卻塔換熱能力的方法降低冷卻水出水溫度。

3）制冷機組群控運行策略的科學化：在制冷機組群控運行策略方面，應以回水溫度或旁通水量等為反饋信號，根據建筑冷負荷（或熱負荷）的變化來調節冷機的臺數。目前醫院只靠人工對制冷機組及相關設備的運行狀況定時巡查來了解建筑冷負荷（或熱負荷）變化，再通過手動方式來調節制冷機組的臺數。雖然在對空調系統設計時已針對節能運行對制冷機組的運行策略按月份和天數給出大體的規劃，這種人工的調節手段顯然有限，節能效果不足，制冷機組的COP值和冷站的能效比難以提高。

6 結論

本文基于廣州某醫院建筑的空調設備運行分析和能效分析，針對醫院制冷機組提出了可行的、有效的節能改造建議，為如后同類醫院建筑空調系統的運行提供了具有價值的參考借鑒。綜合全文，可以得出以下五個主要結論：

1）通過對制冷機組的運行參數歷史記錄的整理與統計，計算了夏季典型日下部分制冷機組的制冷量。研究發現機組制冷量隨人員狀況的波動較明顯；

2）計算各制冷機組的COP值可知，COP值低于《既有建筑節能診斷與改造》的要求值，主要原因是機組運行時冷凍水供回溫差和冷卻水供回水溫差均明顯低于設計工況及冷凝器換熱效果差導致實際冷凝溫度偏高。

3）在保持一定制冷量的前提下，對制冷機組手工設定較高的出水溫度、防止制冷機組旁通現象以及通過優化冷凍水管道和水泵運行狀態的方法強化蒸發器換熱，可以提高冷凍水出水溫度，提高制冷機組COP。

4）對水冷式的制冷機組進行清洗以及優化冷卻水管道、水泵運行狀態及強冷卻塔換熱能力可以降低冷卻水出水溫度，提高制冷機組COP。

5）醫院可引進制冷機組群控運行策略，以回水溫度或旁通水量等為反饋信號，根據建筑冷負荷（或熱負荷）的變化來調節冷機的臺數，從而提高制冷機組COP及整個冷站能效。

本文選擇廣州某醫院建筑的空調系統為研究對象，提出了可行的、有效的節能改造建議，本文的研究成果可為廣州地區醫院建筑的空調節能設計、運行與改造提供一定的技術支持與指導，對貫徹、實施、完善我國公共建筑節能標準規范，促進公共建筑節能技術的進步與發展也具有較重要的學術意義和實用價值。