佛山市某醫(yī)院空調系統(tǒng)節(jié)能改造方案

劉暢 羅運有

廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司

2016 年我國建筑總能耗占我國總能耗的20.62%，其中公共建筑占建筑總能耗的38.53%[1]。而中央空調系統(tǒng)作為建筑的主要用能系統(tǒng)，所占能耗達到整個建筑能耗的30%～40%[2]，其中醫(yī)院空調系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的40%～60%[3]，因此，對醫(yī)院空調系統(tǒng)進行節(jié)能改造降低空調系統(tǒng)能耗的必要性顯而易見。何佳[4]對上海某醫(yī)院空調系統(tǒng)進行節(jié)能改造，對機房自控系統(tǒng)優(yōu)化升級，包括冷機加減載控制、冷凍水、冷卻水變流量控制、冷凍水出水溫度動態(tài)調控、冷卻塔臺數(shù)優(yōu)化控制等，檢測結果顯示改造后機房平均COP 可達4.2。劉驍[5]等為解決北京某醫(yī)院冷卻塔出水溫度較高的問題，采用冷卻塔統(tǒng)一變頻調節(jié)的策略，大幅降低冷卻水溫度，并提高制冷機組能效。邢凱澤[6]通過TRANSYS 模擬軟件搭建軟件平臺并進行控制策略編寫，實現(xiàn)對冷凍水供水溫度與冷卻水出水溫度的控制以及制冷模式的切換。

1 項目概況

該醫(yī)院位于佛山市南海區(qū)，占地面積為56165 m2，建筑面積為143605 m2，建成于1993 年。制冷機房位于地下一層，冷卻塔位于門診病房綜合樓5 樓天面，空調系統(tǒng)末端分為兩類：大空間內采用全空氣系統(tǒng)，辦公室，診室及病房等區(qū)域采用風機盤管加新風系統(tǒng)形式，基本信息如下：

1）冷水機組：離心式冷水機組3 臺（額定制冷量2813 kW，額定功率463 kW），螺桿式冷水機組1 臺（額定制冷量818 kW，額定功率169.4 kW）。

2）冷卻塔：橫流方型玻璃鋼3 臺（額定水流量：668 m3/h，功率：22 kW），橫流方型玻璃鋼3 臺（額定水流量：186 m3/h，功率：7.5 kW）。

3）冷凍水泵：冷卻水泵A 3 臺（水流量：530 m3/h，功率：75 kW，揚程：33 m），冷凍水泵B 2 臺（水流量：155 m3/h，功率：22 kW，揚程：33 m）。

4）冷卻水泵：冷卻水泵A 3 臺（水流量：640 m3/h，功率：55 kW，揚程：26 m），冷卻水泵B2 臺（水流量：185 m3/h，功率：22 kW，揚程：26 m）。

冷源系統(tǒng)設計功率占比如圖1 所示。空調節(jié)能改造項目的改造范圍為門診病房綜合樓和后勤樓的空調冷源系統(tǒng)。該醫(yī)院的中央空調系統(tǒng)制冷機組根據(jù)值班管理人員經驗決定開啟與否并進行手動調節(jié)，高負荷的大部分時間開啟制冷量大的制冷機組，有時2 臺制冷機組同時運行，低負荷時根據(jù)情況開啟其中1 臺制冷機組，改造前中央空調系統(tǒng)無法實現(xiàn)自控功能，系統(tǒng)很難在最佳狀態(tài)下運行，造成極大能源浪費。

圖1 冷源系統(tǒng)設計功率占比

2 節(jié)能改造

2.1 中央空調系統(tǒng)存在問題

根據(jù)現(xiàn)場調研制冷機房運行狀況，及現(xiàn)場調研采集主機、水泵、冷卻塔的運行數(shù)據(jù)分析，改造前空調系統(tǒng)主要有以下問題：

1）實際運行的冷凍水供回水溫差常年低于5 ℃，有時甚至只有2 ℃，冷凍水總流量運行在“大流量小溫差”高耗能工況。

2）冷卻水全年平均供回水溫度在30～33 ℃，冷卻水系統(tǒng)運行在“大流量小溫差”高耗能工況。

3）冷卻塔控制柜在冷卻塔設備旁，為手動控制，無法在機房內對冷卻塔進行控制。

4）循環(huán)水泵雖然安裝有變頻器，但均運行在工頻手動模式。因此無法實現(xiàn)自動加減設備、水泵變流量調節(jié)控制。

針對以上問題，在保證空調系統(tǒng)滿足醫(yī)院正常供冷需求的前提下采用加裝水泵變頻裝置，安裝冷卻塔節(jié)能控制裝置與建設冷源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)等方式，實現(xiàn)循環(huán)水泵變頻控制，冷卻水系統(tǒng)與冷凍水系統(tǒng)“大溫差小流量”運行，機房自動無人值守自動控制。

2.2 加裝水泵變頻裝置

在現(xiàn)有中央空調系統(tǒng)定流量系統(tǒng)的基礎上，為循環(huán)水泵增加裝變頻裝置，使冷源系統(tǒng)可以通過改變頻率匹配空調負荷變化，減少水泵輸送能耗。

水泵變頻控制采用PID 控制邏輯。當建筑負荷發(fā)生變化時，空調末端的電動調節(jié)閥根據(jù)情況打開或關閉，進而引起末端壓差改變。末端安裝有壓差傳感器，用于實時監(jiān)控末端壓差變化。系統(tǒng)為維持壓差恒定，當傳感器檢測到壓差變化時，通過PID 運算輸出調整值給變頻器以改變冷凍水泵頻率，進而通過改變水泵轉速達到控制水泵流量的目的[7，8]。冷卻水泵的變速是根據(jù)冷卻塔進、回水溫度進行調節(jié)的，當二者溫差較大，說明系統(tǒng)散熱量較大，此時溫度傳感器將信號傳送給變頻器，經PID 運算后冷卻水泵轉速增大，冷卻水量增大。

2.3 安裝冷卻塔控制裝置

改造前冷卻塔之間存在水利不平衡狀態(tài)，水流分布不均勻的現(xiàn)象。節(jié)能改造中，將現(xiàn)有的橫流式冷卻塔分組控制，改造為分臺智能控制，實現(xiàn)冷卻水水流最優(yōu)平衡分配，冷卻塔風機以最佳臺數(shù)、最佳效率運行，充分發(fā)揮出冷卻塔的最大冷卻效果。冷卻塔節(jié)能控制主要包括幾個方面：

1）溫度控制。空調系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)中設冷卻塔旁通管。在室外溫度低時，系統(tǒng)可能因為冷卻水溫度較低而導致主機運行故障，此時打開旁通閥混合部分常溫水進而提高冷卻水溫度，確保系統(tǒng)正常運行。

2）風機控制。冷卻塔風機控制主要體現(xiàn)在風機的頻率和風機開啟臺數(shù)控制。以冷卻水回水溫度為監(jiān)測和控制參數(shù)，在保證冷源系統(tǒng)高效運行的基礎上，根據(jù)室外干球濕球溫度實時調節(jié)冷卻塔的風機運行臺數(shù)、冷卻水泵的運行頻率，使冷卻塔運行在最佳能效比區(qū)域，降低冷卻水系統(tǒng)運行能耗。

3）液位控制。冷卻塔設有水盤，其中設有液位傳感器用于監(jiān)測水盤冷卻水液位，當液位超出設定液位上下限值，系統(tǒng)發(fā)出報警，防止由于冷卻塔缺水導致制冷效果不良。

2.4 安裝風機盤管聯(lián)動控制裝置

風機盤管聯(lián)動控制裝置包括窗磁開關，控制器和風機盤管，可實現(xiàn)窗戶開閉狀態(tài)和風機盤管的聯(lián)動控制，在空調區(qū)域的窗戶安裝窗磁開關，用于感應窗戶開啟和關閉狀態(tài)，并將其接入可控制風機盤管開閉的控制器中，形成聯(lián)動，在窗戶開啟時通過控制器自動關閉風機盤管，避免冷量外泄造成浪費，達到節(jié)能運行的效果。

窗磁開關的輸入端通過數(shù)據(jù)線連接控制器，將檢測到的信號傳送給控制器，控制器的輸出端通過數(shù)據(jù)線連接風機盤管的輸入端。控制器能夠控制風機盤管使其實現(xiàn)開窗停機、關窗運行的功能。

2.5 建設冷源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)

冷源系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)通過對相關設備參數(shù)進行實時采集監(jiān)控和優(yōu)化調節(jié)，最終利用無人值守控制技術實現(xiàn)運行管控目的。

1）實時監(jiān)測。通過在冷源系統(tǒng)的適當位置設置壓力、流量、溫度等傳感器實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行參數(shù)，空調系統(tǒng)集中控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感器的監(jiān)測參數(shù)實時調節(jié)系統(tǒng)運行狀態(tài)包括冷源系統(tǒng)的管道溫度、壓力、流量等參數(shù)，并顯示在監(jiān)控平臺界面（圖2）。

圖2 監(jiān)控平臺顯示界面

2）智能管控。對冷源系統(tǒng)中的各個設備，包含制冷主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等進行優(yōu)化控制，對冷源系統(tǒng)可進行遠程手動/自動控制、回水溫度設定、冷凍系統(tǒng)頻率設定、冷卻系統(tǒng)頻率設定、冷卻塔溫度和循環(huán)時間設定等冷源系統(tǒng)的控制參數(shù)設定，對冷水主機進行遠程手動/自動控制、主機溫度模式設定、主機出水溫度設定、冷水主機啟動焓值設定、冷水主機加減載/開關機參數(shù)設定等冷水主機的控制參數(shù)設定，對冷凍系統(tǒng)進行遠程手動/自動控制、供水壓力/壓差設定、頻率控制模式控制、水泵頻率限值設定、旁通閥開度設定、旁通閥延時設定等冷凍系統(tǒng)的控制參數(shù)設定，對冷卻塔進行遠程手動/自動控制、系統(tǒng)溫差設定、頻率控制模式控制、水泵頻率限值設定、溫差限值設定、冷卻塔控制等冷卻系統(tǒng)的控制參數(shù)設定，對進行遠程手動/自動控制、回水溫度設定、供水溫度設定、循環(huán)時間設定等冷卻塔的控制參數(shù)設定等。此外，系統(tǒng)還可通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程操作，保證空調冷源系統(tǒng)的節(jié)能運行以及無人值守的管理控制模式。

3）能耗統(tǒng)計。實現(xiàn)對空調系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、冷水主機、設備能耗、能耗統(tǒng)計報表的數(shù)據(jù)展示和查詢，平臺可展示冷源系統(tǒng)的冷水主機、系統(tǒng)水泵、冷卻塔、冷源系統(tǒng)用電量的逐時實時數(shù)據(jù)，包括初始值、結束值、統(tǒng)計值，以5 分鐘間隔記錄一次，并能選擇查詢時間和導出報表功能。

3 環(huán)境效益與經濟效益分析

3.1 改造前后空調系統(tǒng)耗能對比

依據(jù)《節(jié)能量測量和驗證技術要求中央空調系統(tǒng)》（GB/T 31349-2014）[9]，對該醫(yī)院空調節(jié)能改造項目進行節(jié)能評估，采用相似日比較法計算空調節(jié)能改造后的節(jié)能率，利用節(jié)能控制系統(tǒng)監(jiān)測記錄的耗電量數(shù)據(jù)進行分析計算。相似日內，空調冷源系統(tǒng)逐時運行能耗如圖4 和圖5 所示。相似日內，節(jié)能措施關閉狀態(tài)下空調系統(tǒng)全天電耗為10326.64 kW（圖3），節(jié)能措施開啟狀態(tài)下空調系統(tǒng)全天電耗為8549.30 kW。

圖3 節(jié)能措施關閉狀態(tài)下空調系統(tǒng)電耗

圖4 節(jié)能措施開啟狀態(tài)下空調系統(tǒng)電耗

3.2 環(huán)境效益和經濟效益

依據(jù)《節(jié)能量測量和驗證技術要求中央空調系統(tǒng)》（GB 31349-2014）第6.2.4 條，采用相似日比較法時節(jié)能率按照下式計算：

式中：ηs——節(jié)能率；Sb——節(jié)能措施關閉狀態(tài)下測試日的能耗，kWh；Sr——節(jié)能措施開啟狀態(tài)下測試日的能耗，kWh。

經計算，該空調系統(tǒng)經節(jié)能改造，節(jié)能率可達17.2%，每天節(jié)能量為1777.34 kW，按照空調系統(tǒng)每年5 月～10 月運行，184 天，年節(jié)能量可達32.70 萬kWh，根據(jù)《公共建筑運營單位（企業(yè)）溫室氣體排放核算方法和報告指南（試行）》，各類溫室氣體年減排量如表1所示。按照電費單價0.8 元/kWh，每年節(jié)約費用約為26.16 萬元。

表1 空調系統(tǒng)改造溫室氣體年減排量

4 結論

根據(jù)現(xiàn)場調研制冷機房運行狀況和空調系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)并進行分析，發(fā)現(xiàn)醫(yī)院空調系統(tǒng)存在機房無控制系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)與冷卻水系統(tǒng)常在“大流量小溫差”工況下運行、高耗能工況。無法在機房內對冷卻塔進行控制等問題。因此，在保證空調系統(tǒng)滿足醫(yī)院正常供冷需求的前提下采用加裝水泵變頻裝置、安裝冷卻塔節(jié)能控制裝置與加裝冷源系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)等策略對空調系統(tǒng)進行節(jié)能改造。

采用節(jié)能調控策略后，依據(jù)《節(jié)能量測量和驗證技術要求中央空調系統(tǒng)》（GB/T 31349-2014）對系統(tǒng)進行測試，結果顯示，節(jié)能率可達17.2%，年節(jié)能量為32.70 萬kWh。環(huán)境效益和經濟效益非常可觀。