醫院建筑空調變頻系統經濟與節能性分析

涂岱昕 夏宏偉 趙雅峰

天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司

對設計而言，空調系統的設備均是按照滿負荷設計，對于常規的空調系統，冷水機組與冷凍水泵均為定頻，當負荷變化時，制冷機組壓縮機轉速和流經冷凍水泵的流量并不能隨負荷的降低而減小，因此常規的定頻系統存在很大節能潛力。而在本文研究的變頻系統（一級泵變流量），冷水機組和冷凍水泵均為變頻，機組壓縮機轉速和通過冷凍水泵的流量隨負荷的變化而改變，從而可以有效降低機組和冷凍水泵的能耗，從而達到“按需供應”。本文結合實例，通過模擬的方法，以定量地探究一級泵變流量系統的節能效益。

1 能耗模型

以天津某大型三甲綜合醫院為研究對象，主要包含門診樓和住院樓兩大主體建筑，首先，利用DESIGNBUILDER 能耗模擬軟件，分別對門診樓和住院樓進行制冷季的逐時能耗模擬。設定制冷時間為5月1 日～10 月31 日，門診樓每天運行時間為8:00～18:00，共計10 小時，住院每天24 小時運行。圖1 為軟件輸出的可視化模型，門診樓（左）+住院樓（右）。圖2為模擬得到的制冷季逐時總冷負荷（門診樓+住院樓）統計圖。

圖1 綜合醫院DB 可視化模型

圖2 醫院制冷季逐時冷負荷統計圖

由模擬結果得到空調系統制冷季最大冷負荷為9941 kW，配置3 臺變頻離心式電制冷機組，單臺機組額定制冷量為3516 kW，冷凍水循環水泵（變頻）4 臺，3 工1 備。設備具體選型表如表1：

表1 空調系統主要設備表

2 系統設備模型

設計選用變頻離心式冷水機組，其主機與常規機組一致，但電機的驅動裝置是以變頻器為核心的交流變頻驅動裝置。變頻驅動裝置[1]是根據冷水出水溫度與設定值的溫差和壓縮機的壓頭來優化電機轉速和導流葉片的開度，從而使機組在部分負荷下效率最高。輸送系統采用一級泵變流量系統：冷源側、負荷側均為變流量，負荷側回水干管上設高精度靈敏流量計，循環水泵采用相同型號的變頻泵。當流量大于冷機允許的最小流量時，主機側、負荷側均變流量運行，根據壓差信號調節水泵轉速。當負荷側流量低于冷機允許的最小流量時，打開旁通管上的電動調節閥，改為冷源側定流量運行，負荷側變流量運行，水泵定頻運行，根據壓差信號調節旁通管上的電動調節閥，維持壓差不變，始終保證冷機流量不低于允許的最小流量。系統流程圖如圖3 所示。

圖3 一級泵變流量系統流程圖

系統主要變頻設備為冷水機組和冷凍水泵，在分析系統能耗之前，需要對各個設備建立變負荷工況下的設備模型，以得到整個制冷季設備的逐時運行情況。本文的模型建立方法是通過設備運行的實測數據，通過數據擬合的方法，進而得到設備的數學模型。

2.1 變頻冷水機組模型

冷水機組的主要模型參數如下：

式中：COPi為i 時刻機組的能效比；PLRi為i 時刻機組的負荷率；Qe0為機組的額定制冷量，kW；Qe,i為i 時刻機組實際制冷量，kW；Pc,i為i 時刻冷水機組功率，kW。

本文研究的冷水機組蒸發器側進/出口設計水溫為12/7 ℃，冷凝器側進/出口設計水溫為32/37 ℃，不同負荷率下變頻和定頻冷水機組的制冷量和功率測試數據如表2：

表2 部分負荷下變頻與定頻冷水機組性能參數表

通過測試數據擬合，分別得到變頻機組和定頻機組在不同制冷量（即負荷率）下的COP 變化，如圖4、圖5 所示。

圖4 變頻機組不同制冷量下COP 曲線圖

圖5 定頻機組不同制冷量下COP 曲線圖

2.2 變頻水泵模型

水泵工作點是水泵性能曲線和管網阻力曲線的交點，分析變頻水泵運行工況時，為繪制管網阻力曲線，首先要確定水泵進出口的壓差，即水泵的靜揚程。由于本系統控制的是冷凍水系統主干管之間的壓差，水泵的靜揚程取為管網的阻力，水泵的揚程大于靜揚程時才可出水，管網阻力曲線如圖6 中的R 曲線。當流經水泵的流量發生變化時，水泵轉速由變為，水泵工作點則由A 點變為B 點。

圖6 水泵運行工況點圖解

本文通過收集當負荷和流量變化時，不同轉速下水泵能耗數據，通過擬合得到流量Q 與頻率f，功率P之間的關系，可用如式（3）表示：

式中：Ve,i為i 時刻冷凍水流量，m3/h；Ppe,i為i 時刻冷凍水泵功率，kW；fe,i為i 時刻冷凍水泵頻率，Hz。

確定了設備模型后，還需要運行約束條件將設備模型連接，使之成為系統運行模型。

3 系統運行模型

3.1 冷凍水系統運行約束條件

如果忽略設備及管道與空氣之間的換熱情況，根據熱力學第一定律，冷水機組蒸發器中的換熱量等于冷凍水循環送出的冷量，表示如下：

式中：ρe為冷凍水密度，kg/m3；ce為冷凍水比熱容，kJ/(kg·℃)；ΔTe,i為蒸發器進出口溫差，℃。

3.2 冷水機組負荷率約束

由于冷水機組在低負荷工況運行時容易發生喘振的現象，造成設備損壞，因此本文擬定冷水機組運行負荷率不小于50%，以保證系統的安全性。冷負荷與機組運行臺數的關系見表3。

表3 不同負荷對應的機組運行臺數表

3.3 模型優化目標

以全制冷季下機組和水泵總的能耗最小為目標：

3.4 優化變量

冷水機組：逐時運行臺數Ni，逐時運行負荷率PLRi，逐時制冷量Qe,i，逐時功率Pc,i；

冷凍水泵：逐時流量Ve,i，逐時轉速比ke,i，逐時功率Pe,i。

3.5 優化求解方法

此優化模型為有約束的非線性優化問題，由于需要逐時計算，204 天，共計4896 h，數據較多，因此本文利用Matlab 編程輔助計算。

4 優化結果分析

4.1 夏季典型日系統運行分析

取8 月15 日作為典型日，冷水機組與水泵運行情況見圖7。

圖7 夏季典型日系統逐時耗電圖

從早上八點開始，冷負荷大幅增加，帶來冷機和水泵的耗電的快速增長，在十點左右耗電達到峰值，之后隨著時間推移，冷機和水泵的耗電開始慢慢下降。冷機耗電隨時間推移，變化幅度較大，對負荷變化的敏感性較強，而水泵功耗的變化則較為平穩。此外，機組功率在18:00 有一個與負荷變化趨勢相反的增長，是由于當前負荷下，受到最小負荷率的限制，機組由兩臺運行變為一臺運行，單臺機組的運行負荷率較高，COP 下降，導致機組整體的耗電增加。

4.2 變頻系統能耗分析

全制冷季下變頻系統各設備逐時能耗圖見圖8，總能耗見表4。

圖8 變頻系統制冷季設備逐時能耗圖

表4 變頻系統全年能耗表

4.3 定頻系統能耗分析

機組和水泵定頻時，系統全制冷季各設備逐時能耗圖見圖9，總能耗見表5。

圖9 定頻系統制冷季設備逐時能耗圖

表5 定頻系統全年能耗表

4.4 系統節能性分析

變頻系統與定頻系統各項能耗對比見圖10。

圖10 變頻系統與定頻系統能耗對比圖

與定頻系統相比，經過優化后的變頻系統機組節能率39.1%，水泵節能率48.6%，總體節能率達到40.3%，系統具有良好的節能效益。

4.5 系統投資回收期分析

變頻冷水機組較定頻冷水機組每臺投資增量為30 萬，變頻水泵較定頻水泵每臺投資增量為1 萬，變頻系統總投資增量為94 萬。

變頻系統每年節能電量為1009584 kWh。

天津地區電價：

峰值：1.2898 元/kWh（8:00～11:00、18:00～23:00）；

尖峰電價：峰值附加10%，8:00～11:00、18:00～22:00，1.2898×1.1=1.4188 元/kWh；

平值：0.8443 元/kWh（7:00～8:00、11:00～18:00）；

低谷：0.4188 元/kWh（23:00～7:00）。

峰值平均價：(1.2898×5+1.4188×3)/8=1.3382 元/kWh。

1）住院部分電價：

由于夜間空調負荷較小，用電較少，因此三部分權重為峰值:平值:低谷=40%:40%:20%。

住院部分電價=1.3382×0.4+0.8443×0.4+0.4188×0.2=0.96 元/kWh。

2）門診部分電價=(1.2898×2+1.4188+0.8443×7)/10=1.00 元/kWh。

其中住院部分空調面積約4.5 萬m2。門診醫技部分空調面積約5.5 萬m2。

綜合電價=0.96×0.45+1.0×0.55=0.99 元/kWh。

變頻系統每年可節省電費1009584×0.99=999488元，投資增量回收期為940000/999488=0.94 年，由此得出變頻系統對于本醫院建筑經濟、節能性都很良好。

5 結論

本文基于天津某大型三甲醫院為研究對象，針對一級泵變流量系統，分別建立了能耗模型、設備模型、系統運行模型，通過對模型的編程求解，得到機組和水泵變頻的系統逐時運行策略以及全制冷季的能耗值，通過與定頻系統相比，系統可節約40.3%的耗電量，節能效益顯著。投資增量回收期為0.94 年，經濟性良好。本文的研究方法也為同類型的醫院建筑空調系統分析提供了一定的參考。