大連某醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與節(jié)能改造

劉 帥，高 興，張金徽

（大連海洋大學(xué)，遼寧 大連116021）

0 引言

近年來，節(jié)能成為我國重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象，醫(yī)院作為能耗 “大戶”，自然備受關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，醫(yī)院建筑能耗已經(jīng)上升到社會(huì)總能耗的1／3［1］。據(jù)相關(guān)資料表明，醫(yī)院的能耗情況是一般公共建筑的兩倍［2］，所以，對(duì)醫(yī)院進(jìn)行節(jié)能改造有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜合醫(yī)院能耗情況的組成部分包括空調(diào)、電梯、照明、生活用水、醫(yī)療設(shè)備等，其中醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗情況占整個(gè)醫(yī)院建筑能耗的65%［3］。空調(diào)系統(tǒng)由冷水機(jī)組、組合式空調(diào)機(jī)組、輸送設(shè)備組成，冷水機(jī)組能耗占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的55.53%，所以，降低冷水機(jī)組運(yùn)行能耗便成為空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵［4］。本文通過對(duì)大連某醫(yī)院潔凈空調(diào)設(shè)備及能耗情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)兩臺(tái)冷水機(jī)組存在 “大馬拉小車”的情況，單臺(tái)冷水機(jī)組是雙頭螺桿式壓縮機(jī)，全年僅有7、8月份需要兩臺(tái)冷水機(jī)組共同運(yùn)行，其他月份僅是單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，甚至個(gè)別月份單個(gè)機(jī)頭運(yùn)行就可以滿足要求。本文對(duì)冷水機(jī)組進(jìn)行改造，選擇合適的機(jī)型，并對(duì)某醫(yī)院手術(shù)室按照不同的溫區(qū)進(jìn)行劃分，解決一個(gè)房間溫度適合，其他房間過冷過熱的問題。然后進(jìn)行能耗計(jì)算與經(jīng)濟(jì)分析，結(jié)果顯示較2018年比節(jié)能18.95%，節(jié)能潛力巨大。

1 理論計(jì)算

1.1 改造后工況確定及熱力計(jì)算

改造前某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)凈包括28個(gè)手術(shù)室、3個(gè)ICU病房和潔凈走廊等，7樓有36臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組、2臺(tái)冷水機(jī)組。改造后本文以R22為冷媒，潔凈空調(diào)系統(tǒng)共需1100kW制冷量，冷水進(jìn)出水溫度為7℃、12℃。蒸發(fā)溫度為2℃，冷凝溫度為38℃，本文蒸發(fā)溫度＞－5℃，所以不采用過冷技術(shù)，過熱度為5℃。

根據(jù)蒸發(fā)溫度以及冷凝溫度，運(yùn)用負(fù)荷計(jì)算軟件查得相關(guān)焓值，計(jì)算如表1所示。

1.2 潔凈系統(tǒng)改造后設(shè)備選擇

（1）壓縮機(jī)選型

壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)由壓縮比決定，壓縮比＝Pk／P0＝2.774。由于本文采用R22制冷劑，當(dāng)壓縮比≤10時(shí)，選擇單級(jí)壓縮機(jī)，當(dāng)壓縮比＞10時(shí)，選擇雙級(jí)壓縮機(jī)，因?yàn)楸疚膲嚎s比＝2.774＜10，所以選擇單級(jí)壓縮機(jī)。因需要1100kW制冷量，理論輸氣量為1465.2 m3／h，根據(jù) 《實(shí)用制冷工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》選擇LG25F440D型號(hào)螺桿式壓縮機(jī)。參數(shù)如下：LG25F440D型號(hào)壓縮機(jī)，在標(biāo)準(zhǔn)情況下制冷量Qb為1130kW，配用電機(jī)功率為440kW，理論輸氣量2160 m3／h。臺(tái)數(shù)的確定：

所以選擇一臺(tái)壓縮機(jī)就足夠。與其相配合得配用電機(jī)型號(hào)為JK134－2，功率為440kW。

（2）電子膨脹閥選型

用丹佛斯軟件選擇電子膨脹閥型號(hào)，根據(jù)制冷量、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度等已知條件設(shè)定參數(shù)，結(jié)果顯示選擇型號(hào)為ICM25－A的電子膨脹閥。

（3）冷凝器選型

冷凝器的選擇取決于當(dāng)?shù)氐乃疁亍⑺|(zhì)、水源、氣候條件等因素。因?yàn)榇筮B水溫較高、水量比較充足，所以選擇臥式套管式冷凝器。

表1 熱力計(jì)算表Tab.1 Thermodynamic table

1）冷凝器熱負(fù)荷計(jì)算：

式中：QC為冷凝器熱負(fù)荷，kW；h2s為壓縮機(jī)實(shí)際排氣的比焓，kJ／kg。

2）冷凝器傳熱面積的計(jì)算：

式中：Ac為冷凝器的傳熱面積，m2；K為冷凝器傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；臥式套管式氟利昂冷凝器的K＝800～900W／（m2·K）。

式中：△tm為制冷劑與冷卻介質(zhì)之間的對(duì)數(shù)平均溫度；A為裕量在10% ～15%之間，本文取0.13；t3為冷凝器出口，℃；t4為冷凝器進(jìn)口溫度，℃；△tm由 《制冷裝置設(shè)計(jì)》知，對(duì)于臥式氟利昂冷凝器一般在4～6℃，本文取5℃。

根據(jù) 《制冷工程設(shè)計(jì)規(guī)范》選擇DWN－360型冷凝器，360 m2＞334.235 m2，選擇合適。

對(duì)某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)改造前后的能耗情況進(jìn)行比較。改造后如圖1所示：改造后將原系統(tǒng)的兩臺(tái)冷水機(jī)組進(jìn)行更換，其他組合式空調(diào)機(jī)組等不變。本文將整個(gè)手術(shù)室潔凈系統(tǒng)分為3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域所處溫度區(qū)間不同，手術(shù)室一般的溫度區(qū)間為16－28℃［5］，本文以4℃作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別為16～19℃、20～23℃、24～28℃。壓縮機(jī)出來的制冷劑流經(jīng)冷凝器通過三個(gè)溫區(qū)電子膨脹閥節(jié)流，然后進(jìn)入組合式空調(diào)機(jī)組內(nèi)進(jìn)行換熱，最后分送到各個(gè)手術(shù)室。

圖1 改造后潔凈系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of cleaning system after modification

近三年來冷水機(jī)組的能耗情況如表2所示：從圖中可以看出在每年的耗電量相差不多，由于外界天氣的變化引起耗電量的不同。6、9月份耗電量相對(duì)較低，7、8月份相對(duì)較高，對(duì)于6、9月份，機(jī)組大部分都是處于部分負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

改造后潔凈系統(tǒng)的耗電量用IPLV（綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)）進(jìn)行估算：耗電量＝冷負(fù)荷÷IPLV×機(jī)組運(yùn)行時(shí)間。

從文獻(xiàn)6、7發(fā)現(xiàn)目前我國對(duì)IPLV這項(xiàng)指標(biāo)使用范圍受到很大限制，不適用于多臺(tái)冷水機(jī)組關(guān)聯(lián)工作，僅適用于單臺(tái)冷水機(jī)組。按照現(xiàn)有的公式計(jì)算IPLV來計(jì)算冷水機(jī)組的能耗存在很大偏差，經(jīng)過文獻(xiàn)8修改驗(yàn)證后更具有代表性。本文綜合考慮我國不同地區(qū)的氣候條件不同，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的負(fù)荷權(quán)重不同，具體參數(shù)見表3。

表2 冷水機(jī)組能耗情況Tab.2 Energy consumption of chillers

表3 中國不同區(qū)域IPLV負(fù)荷權(quán)重Tab.3 IPLV load weights in different regions of China

大連屬于寒冷地區(qū)，所以對(duì)應(yīng)a、b、c、d取值為0.7%、36.2%、53.4%、9.8%。

2 改造后潔凈系統(tǒng)節(jié)能分析

式中：

A—100%時(shí)性能系數(shù)COP（kW／kW）；

B—75%時(shí)性能系數(shù)COP（kW／kW）；

C—50%時(shí)性能系數(shù)COP（kW／kW）；

D—25%時(shí)性能系數(shù)COP（kW／kW）。

本文以機(jī)組的相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，估算6月到9月的能耗情況。額定制冷量為1130kW。不同負(fù)荷對(duì)應(yīng)的性能系數(shù)如表4所示。

表4 部分負(fù)荷性能系數(shù)表Tab.4 Partial load performance coefficient table

根據(jù)表4選擇相對(duì)應(yīng)的部分負(fù)荷性能系數(shù)，每天的工作時(shí)間為8小時(shí)，共736小時(shí)。經(jīng)計(jì)算后6月份到9月份的能耗為172 0 74.59kW，改造前能耗為212294.1kWh，節(jié)能約18.95%。

表5 能耗計(jì)算Tab.5 Energy consumption calculation

3 改造后潔凈系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

綜合分析大連某醫(yī)院潔凈空調(diào)系統(tǒng)改造前后的能耗數(shù)據(jù)，使用單臺(tái)冷水機(jī)組后節(jié)能效果顯著。從圖3中可以看出2016年、2017年、2018年6月到9月總計(jì)耗電量分別為216066.50kWh、213968.97kWh、212294.10kWh，從表4能夠看出改造后預(yù)估耗電量為172 0 74.59kWh，與2016、2017、2018年相比分別節(jié)能20.36%、19.58%、18.95%。大連某醫(yī)院用電費(fèi)用為1元／kWh，將耗電量折合成現(xiàn)金，則2018年4個(gè)月一共節(jié)省40219.51元，因?yàn)榇筮B某醫(yī)院只記錄6月到9月潔凈機(jī)組的耗電量，所以僅能進(jìn)行4個(gè)月的能耗對(duì)比，全年節(jié)能效果會(huì)更顯著，可見潔凈系統(tǒng)有很大的節(jié)能潛力，要引起相關(guān)人員的重視。

4 結(jié)論

醫(yī)院潔凈系統(tǒng)節(jié)能潛力非常巨大，應(yīng)該引起管理層以及工作人員的重視，樹立節(jié)能意識(shí)。本文采用單臺(tái)冷水機(jī)組替代原系統(tǒng)的兩臺(tái)冷水機(jī)組節(jié)能效果顯著。大連某醫(yī)院潔凈系統(tǒng)大部分時(shí)間都是處于部分負(fù)荷狀態(tài)，所以，冷水機(jī)組的自動(dòng)調(diào)節(jié)顯得非常重要，要使機(jī)組處在50%～75%的狀態(tài)運(yùn)行，從而保持較高的COP。將手術(shù)室按照不同的溫區(qū)進(jìn)行劃分，解決一個(gè)房間溫度適合，其他房間過冷過熱的問題。本文沒有采用變頻器，如果采用變頻控制，能提高部分負(fù)荷運(yùn)行的效率，但是會(huì)增加前期的初投資。采用變頻壓縮機(jī)對(duì)于這種負(fù)荷時(shí)刻變化的情況有著顯著的節(jié)能效果［9］。