醫院中央空調節能改造分析

廖島生

（南方電網綜合能源股份有限公司）

隨著電能緊缺的問題日益嚴重，節能技術已被政府部門、各行各業所重視和推崇。中央空調系統是現代大型建筑物不可或缺的配套設施之一，電能的消耗非常大，約占建筑物電能總消耗的50%。由于中央空調系統都是按最大負載并增加一定設計余量，在我國很多地區，每年空調開放時間10 個月左右，而實際上在一年中，滿負載下運行最多只有十多天。通常中央空調系統中冷凍主機隨外部自然環境氣溫變化自動調節負載，而與冷凍主機相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻不能自動調節負載，幾乎長期在100%負載下運行，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。

1 醫院中央空調使用現狀

1.1 用能系統現狀

根據圖1 提供的2014～2016 年的空調機房耗電量數據，空調機房耗能在逐年增長，與設備老化曲線相吻合。

圖1 機房年用電曲線

1.2 空調系統（主機側）現狀

本項目的空調機房供冷、供暖功能基本正常，有一臺變頻離心機冷媒系統進水損壞，已經修復運行中。

但是根據2017 年9 月現場調研空調機房運行狀況及現場調研采集主機、水泵、冷卻塔的運行數據分析有如下幾點不足：

⑴空調機房自控系統不能正常使用，無法實現自動加減設備，二次泵變流量調節控制。

⑵實際運行冷凍水供水溫度11～13℃，供回水溫差為2.5～4.5℃，冷凍水總流量運行在“大流量小溫差”高耗能工況，同時機組之間的流量不平衡，導致主機輸出負荷不平衡，進出水溫差差異較大，相差2℃以上。

⑶主機冷卻水進水溫度高達35.3℃，出水溫度37.8～38.9℃，溫差2.5～3.6℃。冷卻水系統運行在“大流量小溫差”，同時冷卻水進水溫度超出設計值（32℃），必然導致主機運行能效低下。

⑷當天開啟三臺主機運行，冷卻泵、一、二次冷凍泵開啟相對應臺數，12 臺冷卻塔全部啟動，冷卻塔出水溫度35.3℃，冷卻效果較差，冷幅達9℃以上。

⑸除二次冷凍泵有安裝變頻器外，所有水泵沒有變頻控制，同時二次冷凍泵由于機房控制系統不能使用，同樣運行在工頻狀態。

⑹根據運營方提供2015 年10 月至2016 年10 月的用能計量數據，計算出空調機房綜合能效值≦3.23。

⑺運行功率，無法滿負荷運行，不能優生運行節能變頻主機，需優生運行工頻主機，否則會導致供電線路跳閘保護，主機供電線路線損嚴重。

⑻其中一臺主機大修后的設備，只能維持運行，無法保障修復原設備效率。

1.3 空調冷卻水系統現狀

⑴主機冷卻水進水溫度高達35.3℃，出水溫度37.8～38.9℃，溫差2.5～3.6℃。冷卻水系統運行在“大流量小溫差”，同時冷卻水進水溫度超出設計值（32℃），必然導致主機運行能效低下。

⑵當天開啟三臺主機運行，冷卻泵、一、二次冷凍泵開啟相對應臺數，12 臺冷卻塔全部啟動，冷卻塔出水溫度35.3℃，冷卻效果較差，冷幅達9℃以上。

⑶由于冷卻水塔管道布置及運維管理等原因，導致冷卻水流經冷卻塔過程中水流嚴重不平衡，多數冷卻塔流經的冷卻水流量很小，淋水密度大大降低，從而使冷卻調料很大部分已經損壞，嚴重影響冷卻效果[1]。

1.4 空調系統（末端）現狀

醫院中央空調機房系統，供冷區域：病房樓、手術室ICU、醫療區、門診樓、醫療主街大樓、后勤大樓、行政大樓、體育館、藥學大樓。末端基本采用風機盤+新風機、空調機組的模式供冷。

總末端臺數2822 臺（不含手術室、ICU），其中風機盤管2650 臺，設備冷量占50%；新風機114 臺，設備冷量占27%；空調風柜58 臺，設備冷量占19%；手術室、ICU16 臺組合風柜，設備冷量占4%。

風機盤管采用傳統啟停控制方式，不能跟隨負荷變化來自動調整冷量輸出。同時新風系統不能根據室外溫度來自動開啟[2]。

2 改造方案

2.1 主機側改造方案

2.1.1 增加空調機房系統能效分析評定系統

空調機房系統能效分析評定系統的作用為：

⑴能效儀為管理人員提供準確的運行數據，知道能源消耗在什么地方，針對不合理耗能的設備進行分析，及時進行設備維護或對設備進行改造。

⑵能效儀可以為保養工作提供準確的保養時間，提醒工作人員對相關設備進行保養，減少設備在低效率工況的工作時間，這樣同時也提高了設備的使用壽命和效率。

⑶為節能降耗提供科學的、公正的評測依據，在改造之前分析改造的要點，在改造之后評測改造的效果，讓管理人員清晰、準確的掌握中央空調系統的運行效率。

通過分析歷史報表，提供專業的分析報告和節能建議，持續的改善中央空調機房的運行效率。

2.1.2 增加機房設備節能運行精準監控系統

一套中央空調主機房設備高效運行精準監控系統（系統中心服務器或工作站具有數據同步跟蹤的能力，采用同一套軟件進行管理。），與能效評測系統通過SCADA 上位機無間隙兼容，兩個系統相輔相成：機房高效運行精準監控系統在為末端系統提供相對應負荷的需求輸出，保證輸出的冷（熱）量不浪費、不短缺，達到末端需求與機房的供給平衡，避免“大馬拉小車”的高耗能工況。

機房設備節能運行精準監控系統的功能為：

⑴監控設備運行狀態，遠程故障報警

監控系統負責對機房的冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、電動閥、等相關設備的啟停、運行、故障及優化控制，并保證整個系統在安全、可靠運行的基礎上，優化控制機房設備運行工況，恒定整個中央空調系統在不同的輸出負荷時，均運行在高效值，提高空調系統的綜合運行COP 值[3]，提高管理水平，給用戶提供一個舒適、安全、可持續發展的環境，以達到節約能源及運營成本的目的，營造出符合國家提倡的“節能減排”舉措。

⑵系統架構

系統組成架構以每一臺主機、冷卻水泵、冷卻塔、冷凍水為一組，配置一套智能控制柜，通過網絡與主策略控制柜通訊，每組智能控制柜能單獨控制運行，并接受主策略控制柜下發的優化控制命令，上傳運行數據和故障報警信號。

現場控制器獨立通訊及自行操作，服務器或工作站停止工作不影響現場控制器的功能和設備運行。任何控制器故障時，能自動脫開網絡，不影響整個網絡的正常工作，并在中央工作站、操作站上及時進行報警并顯示，故障排除后能自動投入運行。

⑶保證建筑物內環境的舒適性

根據建筑需求負荷，自動控制機房設備，實現最佳啟停/調節控制，保證建筑物內環境的舒適性。

⑷提高設備管理人員的工作效率

對整個機房系統內的設備進行監控，從而保障機房各機電設備合理經濟運行，及時進行故障報警和設備維護提醒，保證系統及設備安全、可靠運行，并提高設備管理人員的工作效率。

⑸節省能源

提供優化的控制方案，控制機房相關設備耗能；實現機電設備安全、合理運行，降低機電設備運行費用并延長使用壽命，達到節省能源、降低運營成本的目的。

⑹實現物業管理現代化

通過對空調系統機電設備管理、監視、設備操作、實時控制、統計分析及故障診斷等功能的自動化，為實現物業管理現代化奠定基礎，從而提高物業管理水平、降低人工成本，建立無人值守機房。

⑺控制策略要求

根據空調系統負荷的變化，系統比較當前機組運行效率與優化后的機組效率，確定是否需要更改機組，確保機組運行在最優效率區間。系統應能手動/自動對正在運行的主機進行先卸載，加機后再恢復到正常運行狀態。系統應能根據冷凍水與冷卻水溫度的變化動態調整主機的最佳運行效率冷量范圍并依此進入加減機策略。

2.2 冷卻塔改造方案

⑴更換散熱填充物，提高散熱效率。

根據現場調研發現，冷卻水塔調料因為運行時間長，管道布置欠佳，導致冷卻調料破損相當嚴重，嚴重影響了主機的正常運行，導致主機能耗大大增加。本次節能改造將對冷水水塔調料進行整體更換。

⑵優化管道，實現平衡出水，提高散熱效率。

因為原有管道設計欠佳，同時運維不善，導致冷卻水淋水密度遠遠低于設計值，也嚴重影響了冷卻水塔的熱效率。本次節能改造，將對冷卻水塔的管線進行改造，使淋水密度達到設計要求。

2.3 末端側改造方案

在整個建筑物內暖通空調系統的運轉是隨著建筑物內的冷負荷，以變化的冷凍水水溫和流量的方式傳遞到冷源系統，最終表現在冷凍機的負荷上；因此末端環境對冷源（熱源）的需求量直接聯動著影響冷凍水泵的負荷。

然而冷凍機所需輸出功率大小的依據，卻取決于出、回水溫度的高低，如果末端的精準變流量溫度控制系統，能將環境溫度控制得很精準，不會浪費冷源。因此回水溫度才會降低，回水溫度越低，出水的溫度就越低，因此冷凍機就不需要做太大的功率輸出；聯動著冷卻水系統的水泵、水塔電機及冷凍水泵、區域水泵都可以達到卸載的節能效益。

暖通空調系統中浪費能耗最大的源頭是環境溫度的設定與控制。根據國家能源部的資料報告：空調環境在24～28℃之間，環境溫度每升高一度就可以節省系統6%的能源，因此在2006 年6 月中央政府明文規定政府機關及公共場所的空調環境溫度必須設定在26℃的恒溫或是 (26±0.5)℃（夏天制冷26℃；冬天制熱20℃）。要達到把環境溫度設定在26℃，又可以讓環境中的人感到舒適的先決條件：精準變流量溫度控制系統必須有能力將環境溫度控制在26℃的恒溫或是(26±0.5)℃。這樣的控溫精度對于現在一般機械式（雙金屬片的溫度傳感器）或是感溫器設置在操作面板上的傳統溫控器所不能達到的，這是因為：

⑴變壓器工作溫度高達45℃會影響溫度傳感器的感溫；

⑵感溫器置放的位置在墻邊上，屬于回風死角，無法感測精準的室內溫度。 這些傳統的溫控器對環境溫度的控制精度大約在±2℃以上，也就是說當設定溫度為26℃時，環境溫度可能會在24～28℃（甚至更大）的范圍內變化，因此以往一般空調溫度會常常設定在23℃（很多項目用的老式的機械式溫控器，經常設定在20℃以下）就不足為奇了，這樣惡性循環所浪費能源的代價就非常的大。

因此暖通空調系統的節能問題就不是以往光從大型設備著手改善節能措施就能完全解決，最終的方向還是必須經由末端環境的節能一起規劃才是最根本的解決方案。

3 經濟效益分析

⑴主機側節能效益。根據運營方提供2014 年至2017 年07 月的用能計量數據，計算出空調機房綜合能效值≦3.23。空調機房綜合能效設計值約4.1，通過以上節能改造措施后，實現綜合運行能效值提升到4.3，節能33%。根據2014-2016 年空調平均電耗8486MWh，每年節能量大約為2800MWh。

⑵末端側節能效益（二期實施）。增加末端控制系統可以節省整體空調能耗的15%，每年大約節約電量為852MWh。

4 結語

通過對醫院中央空調使用現狀進行分析，根據空調現有系統的不足，從更換高效節能變頻主機、更換供電線路、優化水泵配置、增加機房流量等方面擬定相應的改造方案，本次改造預期可以將運行能效值提升到4.3，節能量達到33%，每年節能量約為2800MWh。