醫院空氣凈化節能系統的設計與實現

徐勇

內蒙古林業總醫院醫學工程部 （內蒙古 牙克石 022150）

由于空氣中的細菌及病毒主要附著于塵埃上，而空氣凈化系統可通過減少空氣中的塵埃粒子數，為臨床醫療環境提供符合國家相關標準的潔凈空氣，進而降低感染率，其是醫院安全運行不可或缺的重要設備。空氣凈化系統被廣泛用于醫院的手術室、消毒供應室、配液中心、PCR 實驗室、檢驗科等臨床科室，尤其是疫情期間，醫院內空氣潔凈度的要求更加嚴格，空氣凈化系統被大量使用。由于空氣凈化系統屬于高能耗設備，能耗遠高于常規的空調系統，“節能”問題已成為各醫療機構最關心的問題[1]，因此，醫院選用節能高效的空氣凈化系統就顯得尤為重要。風機作為空氣凈化系統的核心，長期頻繁運行，是高耗能部件；同時，溫度的調節控制也需耗費大量電能。針對以上情況，本研究設計的空氣凈化系統，通過可編程序控制器（programmable logic controller，PLC）和變頻器進行控制，智能調節各風量閥的大小、開閉和風機轉速，在滿足醫用凈化空氣規范要求的前提下，使風機在最佳功率運行，減少多余風量損耗，從而實現了空氣凈化系統的節能降耗；同時，系統摒棄以往依靠加熱電阻進行加熱的方法，采用板式換熱方法，顯著降低了能耗。本研究將重點闡述醫用空氣凈化系統的風機變頻節能控制的設計與實現，現報道如下。

1 空氣凈化系統耗能原因

目前，醫院在用的醫用空氣凈化系統存在以下4種電能浪費情況：（1）傳統空氣凈化系統在設計時為了保證運行過程的可靠性，選用風機的功率都保留有一定余量，但當電機在非滿載下工作時，多余的功率增加了運行損耗，造成了電能的浪費；（2）傳統空氣凈化系統的風機采用接觸器控制，送風量是通過調節空氣入口與出口的風量閥來改變，多余的電能耗費在風量調節閥的阻擋過程中；（3）在滿足醫用凈化空氣標準的前提下，為降低安裝成本，多數空氣凈化系統均采用一拖多的工作模式（即一套凈化機組同時給多個房間提供潔凈空氣），在該模式下，不管是1個還是多個房間運行使用，凈化系統的風機均在同一功率下運行，造成電能浪費；（4）冬季制熱，傳統系統采用電加熱模式，直接用加熱電阻給空氣加熱，尤其會耗費大量電能。

2 系統概述

2.1 醫用空氣凈化系統的工作原理

醫用空氣凈化系統利用變頻風機，通過通風管道，把來自室外的空氣經過濾器將塵埃雜物過濾后，與來自潔凈室的回風混合，通過初效過濾器過濾，再分別經過表冷段、加熱段進行恒溫除濕后，再經中效過濾器過濾，然后經加濕段加濕進入送風管道，通過送風管道上的消聲器降噪后送入管道未端，最后經過高效過濾器送入房間；部分房間設有排風口，廢氣由排風口排出室外，其余空氣通過回風口和回風管道與新風混合后進入初效過濾器繼續循環，把符合室內凈化規范標準、恒濕、恒溫的潔凈空氣源源不斷地送入室內，使室內空氣達到相應的凈化標準。

2.2 系統設計

由于一拖多機組運行情況是耗能的主要原因，因此本研究重點闡述一拖二運行模式的節能改造，一拖多模式可參考一拖二的運行模式進行改造。凈化機組控制系統分為手動控制和自動控制，手動控制可直接控制風機的起停、轉速及溫度、濕度、各閥門的開度等；轉換自動控制時，分3種運行情況：（1）機組所帶的凈化間單獨運行時，根據各凈化間的空間大小和凈化等級要求，通過實際運行參數反饋，自動控制進風閥門和回風閥門的開度，并調節風機給定頻率，使該凈化間保持恒定的運行風量；（2）機組所帶的2個凈化間同時運行時，根據凈化間的使用情況，自動調節各房間電動風量閥的開度，風機也隨之調節轉速，使之達到要求風量；（3）當變頻器出現故障停機時，自動切換到接觸器控制；板式換熱系統采用市政供暖熱水，在換熱器溫度不夠或故障停機時，電加熱系統投入運行。

控制系統可在控制室計算機上遠程監控，也可以在凈化房間內進行本地操作控制，實時顯示整個系統的運行情況，能夠顯示風機運行頻率、風速、各種報警信息等，還可實現統計風機累計運行時間，提示保養信息，并依據壓差計數值，提示更換初、中、高效過濾器等功能；同時，能夠保存風機運行狀態和報警信息，方便日后查詢及維修。

3 系統主要組成設備與軟件

3.1 變頻器

變頻器采用了數字電路與變頻技術，通過控制內部絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的通斷，調整輸出電源的電壓和頻率，進而實現電動機轉速調節，并可通過補償控制，在不同轉速下均能達到較高的機械特性，滿足各種工業生產中的使用要求。變頻器主要由顯示單元、制動單元、控制單元、驅動單元、通信單元和檢測單元等部分組成，具有較強的安全保護功能，隨著工業自動化程度的不斷升級，變頻器的功能也越來越強大。變頻器經過簡單的參數設置和硬件組態，便可輕松實現接觸器及簡單控制器無法實現的電動機復雜控制，用戶還可根據實際使用要求，設定運行參數及端子功能；此外，變頻器還可與PLC進行通信和控制端子連接，通過組態軟件實現計算機上監控運行，滿足更復雜的過程控制。

3.2 PLC

PLC 是一種具有微處理器并用于自動化控制的數字運算控制器，可將控制指令隨時載入內存進行儲存與執行。PLC 由CPU、指令及數據內存、輸入/輸出接口、電源、數字模擬轉換等功能單元組成，具有邏輯控制、時序控制、模擬控制、多機通信等各類功能。目前，PLC 功能已接近于緊湊型電腦的主機，在擴展性和可靠性方面的優勢使其被廣泛應用各類工業控制領域。不管是在計算機直接控制系統還是集中分散式控制系統，或現場總線控制系統中，均已大量使用PLC 控制器。

3.3 組態王系統

組態王是一款專業的工業控制系統，可劃分為控制層、監控層、管理層3個層次結構。其中，監控層對下連接控制層，對上連接管理層，可對現場實現實時監測與控制，并在自動控制系統中完成上傳下達。組態王不僅具有功能強大、運行穩定、使用方便的特點，且完善和擴充了Web 發布、腳本編輯功能、實時趨勢監視功能、全面報警功能、歷史數據管理功能、報表展示功能、歷史數據查詢功能、歷史趨勢等功能。通過分析監控系統及實現功能的要求，采用組態王對監控系統進行設計，組態軟件可提供可視化監控畫面，有利于實時現場監控；并能充分利用Windows 的圖形編輯功能，構成監控畫面，以動畫方式顯示控制設備的狀態，生成各種報表；還具備豐富的設備驅動程序、靈活的組態方式、數據鏈接功能，流程圖監控功能，可與PLC 通信并進行數據交換，最終由PLC 控制設備運行，具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。

3.4 板式換熱器

板式換熱器是用薄金屬板壓制成具有一定波紋形狀的換熱板片，并用夾板、螺栓緊固而成的一種換熱器（圖1），各板片之間形成薄矩形通道，通過板片進行熱量交換。工作流體在兩塊板片間形成的窄小而曲折的通道中流過，冷熱流體依次通過流道，中間有一隔層板片將流體分開，并通過此板片進行換熱。板式換熱器的結構及換熱原理決定了其具有結構緊湊、占地面積小、換熱效率高、操作靈活性大、應用范圍廣、熱損失小、安裝和清洗方便等特點，是液-液、液-汽進行熱交換的理想設備，傳熱系數比管式換熱器高3～5倍，占地面積為管式換熱器的1/3，熱回收率可高達90%。

圖1 板式換熱器示意圖

4 醫院空氣凈化節能系統組態

4.1 醫院空氣凈化節能系統組成

空氣凈化節能系統由操作站、機組、控制站和通信網絡四部分組成，根據空氣凈化節能系統的控制要求，控制站采用小型PLC 完全可滿足控制系統的需求；操作站選用了性能穩定可靠的工業控制計算機，通過安裝組態軟件進行組態設計，通過與PLC 通信，實時的對現場進行監測和操作，操作站可同時安裝PLC 編程軟件，做為上位機進行PLC 編程[2]。該系統采用PROFIBUS-DP 現場總線進行通信，具有高可靠性、安裝簡易、擴展方便，輕松實現多個從站PLC 與計算機之間的通信，完成系統的組態和監控功能。

4.2 硬件安裝和網絡連接

風速檢測采用模擬量的風速傳感器進行采集，依據實際控制點數和系統設備的控制要求，具體I/O硬件配置及原理圖如圖2～3所示。控制系統的硬件構架如圖4所示。

圖2 PLC 硬件I/O 配置原理圖

圖3 變頻器配置原理圖

圖4 PLC 控制系統硬件連接圖

4.3 控制系統的組態和關鍵控制程序的實現

根據空氣凈化系統工藝流程的控制策略和控制要求編寫PLC 程序，控制所有設備的啟停和聯鎖，采用梯形圖編寫語言。一拖多機組為常用及重點改造對象，因此，對典型的一拖二機組的運行情況進行描述。

4.3.1 一拖二機組運行

開機后，當使用1個凈化間時，M 0.3置位；當使用2個凈化間時，M 0.4置位，根據凈化間使用情況自動調節風機運行頻率，同時各調節閥門開度，使其達到規范要求，同時實現節能降耗，部分程序如圖5所示。

圖5 單雙機組切換梯形圖部分程序

4.3.2 板式換熱器運行

板式換熱器可根據冬季供暖時間自動運行，也可手動運行，部分程序如圖6所示。

圖6 板式換熱器梯形圖部分程序

4.4 組態人機界面

操作站采用組態王進行組態設計，操作界面包括主監控窗口、實時趨勢曲線窗口、歷史趨勢曲線窗口和報警窗口.可通過下拉菜單進行選擇；主界面可以實時查看系統的運行情況，分為操作區和顯示區，便于工藝操作和監視、判斷生產故障等，人機界面如圖7所示。

圖7 醫用空氣凈化節能控制系統組態界面

4.5 醫用空氣凈化節能系統調試

為確保系統運行安全、穩定，在系統投入使用前，需進行必要的整體調試，具體調試過程如下：（1）按照設計圖紙，檢查硬件各部分連接情況，確保所有線路連接正常；（2）接通電源后，依次操作各輸入按鈕，查看PLC 對應輸入點是否正常，通過編程軟件強制PLC 內部輸出信號點置位，現場觀察對應的硬件設備是否正常動作；（3）檢查調試PLC 程序和上位機組態程序，通過模擬實際運行情況，觀察程序運行邏輯是否正確；（4）檢查系統聯鎖裝置和安全聯鎖裝置，通過程序強制置位，模擬系統正常運行工況；（5）通過上位機組態監控畫面進入手動操作，檢查現場每臺設備的運行情況，確認正常后，選擇自動運行工況，仔細核查設備的整體運行情況；（6）根據系統實際運行情況，通過檢測設備測量各重點參數，依據國家潔凈空氣相關規范，調整運行參數；（7）調試結束，投入運行。

5 醫用空氣凈化節能系統改造前后對比

按照一拖二機組進行對比分析，開機時間為10 h/d，電費為1元/ kWh：風機改造前，風機功率7.5 kW，風機運行功率為7.5 kW，每日費用約75元；改造后，風機功率5.5 kW，風機運行功率一拖一為3.85 kW，一拖二為4.62 kW，按一拖一運行時間占30%計算，每日費用約為44元，每日節省約31元。制熱改造前，電加熱功率為66 kW，每日費用約264元；改造后，板式換熱功率為15 kW，每日費用約為150元，每日節省約114元。北方冬季取暖期按5個月時間計算，每臺機組每年節約費用約28 415元，隨著機組數量增多，所節約費用的金額將非常可觀。

6 結語

依據空氣凈化系統的工藝特點，從凈化系統的設計方案出發，本研究設計了一套由變頻器、PLC等主要設備構成的空氣凈化節能系統，符合相關規范參數。實踐表明，該系統通過合理的室內參數設計，可有效降低空氣凈化系統的能耗，并為醫療空間提供可靠、安全的潔凈空氣，符合當前醫院節能降耗的發展要求。