醫院建筑電氣設計節能探討

王 永 軍

(山東省建筑設計研究院有限公司,山東 濟南 250001)

0 引 言

醫院建筑是綜合性極強的建筑,通常包括病房、門診、醫技、急診等各個部分。一般綜合型醫院包括十幾個科室,每個科室設備又不完全一樣,醫療工藝差別甚大,對電氣節能有不同的設計要求。醫院的冷、熱、電負荷、生活用水等負荷需求大,從近幾年工程實際運行能耗進行調研,發現醫院的電能消耗、新風送排風系統耗能比其他民用建筑耗能要大得多[1-2]。因此根據醫院建筑的能耗特點,從電力監控系統、設備節能控制、能耗監測等方面對電氣節能設計進行分析,并采取必要的節能措施。

1 醫院建筑電力監控系統

隨著電網技術的不斷成熟,變配電所向著集成化、智能化、數字化方向發展,電力監控技術在變配電站上得到廣泛應用。

1.1 電力監控系統的配置及功能

1.1.1 監控系統結構配置

某項目采用電力監控技術對變配電所進行管理,監控主機位于病房樓10 kV開關站內。通信管理機和通信屏安裝在分變電所內,每個分變電所均設置監控后臺。管理機與站內微機綜合保護、變壓器溫度控制儀、多功能智能儀表、直流屏等設備進行通信聯絡,將數據上傳至監控中心內的監控主機,分析、采集、處理各類數據,建立數據庫,發布執行命令。

電力監控系統由站控層、通信管理層和間隔層3部分組成。站控層集中管理變配電站內各種設備;分析、采集、處理現場數據,建立數據庫,發布執行命令。通信管理層監控子站內通過通信管理機采集系統內各個智能設備的數據。通信管理機分別與上、下一級監控系統進行通訊,且采集站內微機綜合保護、直流屏、多功能儀表、變壓器溫度控制儀數據等上傳監控主機。微機綜合保護、智能多功能儀表、變壓器溫度控制儀、直流屏等組成監控系統間隔層,利用RS-485通信接口,采用屏蔽雙絞線或光纖作為傳輸導線,實現上、下一級數據通信傳輸[3-4]。

1.1.2 監控系統功能。

(1)數據采集和管理功能。監控系統利用RS-485通信接口進行通信,隨時和定時采集系統內的模擬量、開關量、脈沖量的數據,保證測量的數據準確性、可靠型和及時性。

(2)運行管理功能。系統能夠準確地監視電網的各個運行時段的運行狀態,管理人員不僅能夠獲取設備的狀況,是否存在設備故障,進而分析、判斷故障原因,為設備維護提供幫助。同時為醫院各個科室管理人員提供必要的數據,為制定決策提供幫助。

(3)系統還具有數據處理功能、安全保護功能、圖形顯示功能、自診斷功能,對系統存在的問題能夠及時處理。

1.2 變配電所計算機監控系統的主要功能

(1)集中式監控系統的監測功能:對高壓配電系統監測功能,包括電壓、相電流、頻率、功率因數、功率、斷路器狀態信號、電能、彈簧儲能狀態信號;可檢測低壓配電系統的參數和信號,包括進線柜、聯絡柜以及所有萬能式斷路器饋出回路的三相電壓、電流等;無功補償柜,其他饋出回路電流;無功補償柜接觸器通/斷狀態信號。

(2)對變壓器的監測:可檢測變壓器的溫度信號、超溫報警信號。

(3)對直流屏的監測,包括電源電壓、電流,合閘電源電壓、電流,控制電源電壓、電流,充電機運行狀態/故障報警信號。

(4)對發電機應急電源系統的監測:可檢測發電機應急電源系統的進線以及饋出回路的三相電壓、三相電流等;發電機應急電源系統的所有斷路器運行、故障脫扣狀態信號。

1.3 監控微機保護的配置及功能

1.3.1 10 kV進線、母聯保護

每回進線配置一臺微機綜合保護裝置,實現以下功能。

(1)保護功能,系統具有過流、速斷欠壓、過壓、接地故障等保護功能。

(2)監控功能,能夠實現高壓開關柜手車、彈簀儲能等信號狀態的監控功能,監控事故、預告信號報警。

(3)測量功能,系統具有三相及單相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、電能計量、頻率及諧波等測量功能。

1.3.2 10 kV變壓器、電容柜、PT柜饋線保護

出線回路設置微機綜合保護裝置,實現以下功能。

(1)保護功能,系統具有過流、速斷欠壓、過壓、接地故障、變壓器及溫度保護等功能。

(2)監控功能,能夠實現高壓開關柜手車、彈簀儲能等信號狀態的監控功能,監控事故,預告信號報警。

(3)測量功能,系統具有三相及單相電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數、電能計量、頻率及諧波等測量功能。

1.3.3 與其他系統接口

系統能夠提供標準的通信協議,與其他監控系統進行通信,采用多種通信介質和通信接口。同時系統還具有網絡擴展功能。在保持監控界面不變的前提下,只增加有關的硬件、監控計算機站點、新的監控界面即可實現系統的擴展。

綜上所述,通過運用電力監控系統和智能型多功能儀表,能夠準確分析系統內的各項功能、數據和性能指標,達到節約能源的目的。

2 醫院建筑設備節能控制

2.1 制冷機房系統設計

醫院建筑制冷系統將整個空調系統制冷機組、冷凍水循環泵、冷卻水循環泵、冷卻塔、熱水循環泵等設備通過網絡設備連成一體系統,并根據不同工藝設備,采用不同的網絡化專用節能控制器,形成“網絡化強弱電一體”節能控制管理系統。

通過網絡化節能控制器通信接口,方便、靈活的遠程節能控制空調設備同時可與樓控BA系統或其他智能化系統進行通信,實現對空調系統精細化節能控制。

2.2 智能控制器控制原理

(1)冷水機組。通過對空調系統冷凍水供、回水溫度、壓力、流量以及環境溫/濕度的采集,智能控制器計算空調實際負荷,從而確定冷凍機組啟停臺數。當空調負荷超出機組負荷時,啟動另一合機組;當空調負荷低于機組負荷時,自動關閉另一臺機組。當空調主機處于關閉狀態時,主機供水閥門自動關閉。

(2)冷凍水循環泵。當溫度、制冷負荷改變時,各回路供回水溫度、溫差、壓差和流量也要變化。智能控制器對實時數據及系統的歷史運行數據進行采集、分析。計算出負荷末端的制冷量,以及各供回水溫度、溫差、壓差和流量的最佳值。控制器以此調節冷凍循環泵的輸出功率,改變其流量,使冷凍水系統的供回水溫度、溫差、壓差和流量運行參數始終處于最優值。

(3)冷卻水循環泵。智能控制器通過對實時數據及系統的歷史運行數據采集,計算出主機最佳熱轉換溫度及冷卻水最佳出、入口溫度,調節冷卻水循環泵、冷卻塔風機的輸出功率,對冷卻水的流量和冷卻塔風機的風量實時動態調節,使冷卻水的進、出口溫度達到智能控制器給出的計算值,從而保證中央空調冷凍主機在最佳轉換率狀態下運行。

(4)冷卻塔風機。通過冷卻塔風機對系統內的冷卻供、回水溫度的采集,與設定值比較,決定冷卻塔風機的運行臺數。同時自動調節冷卻塔風機的風量。當冷卻水回水溫度超出冷卻塔設置值時,啟動另一臺冷卻塔風機;當冷卻水回水溫度低于冷卻塔控制設置的啟停溫度時,關閉另一臺冷卻塔風機。當冷卻塔風機停止運行時,相應的旁路電動調節閥關閉,同時對流入冷卻塔的水量進行控制。

2.3 空調機組系統設計

空調機組包含新風機及空調風機,其智能控制箱內置智能控制器。采集現場管路上的送、回風溫、濕度,室外環境溫、濕度及室內CO2濃度,與設定值進行比較,通過控制風機及電動調節閥,控制室內的溫度、濕度。

2.3.1 新風機系統控制

(1)工作原理:具有節能程控功能的智能控制模塊,根據采集到的CO2濃度,與系統控制模塊設定值比較。當CO2濃度高于設定值時,開啟新風機對室內進行換新風,同時根據實際溫/濕度值,動態調節風機送風量,使送風溫度和濕度保持在需要的范圍內。

(2)連鎖及保護:新風機停止運行,風閥、電動調節閥同時關閉,送風機啟動,風閥、電動調節閥同時打開,過濾器兩側安裝有壓差傳感器,當壓差值高于設定值時發出報警。新風機箱內設有防凍開關,在冬季溫度低于設定值時報警并關閉新風閥,停止風機運行。

(3)溫/濕度調節:送風溫度自動控制,控制水量調節閥,調節水量閥的開度保證送風溫度為設定值;自動檢測室內濕度,當濕度過低時自動開啟加濕器進行加濕,當濕度過高時自動進行除濕工作。

2.3.2 組合式空調機組系統控制工作原理

具有節能程序控制功能的智能控制模塊根據變送器所檢測的溫度、濕度與控制器上的設定值比較,冷、熱水閥的動作是根據比較結果結合所檢測的溫/濕度輸出相應電壓信號進行控制。根據采集到的室內CO2濃度與設定值進行比,當實際值大于設定值時,新風閥開度開大,回風閥相應開度減小;反之新風閥開度減小,回風閥相應開度開大。

2.4 風機盤管系統節能設計

末端房間內配置室內空調控制器,根據采集的空調室內溫度、調節閥的狀態、室外濕度、室內人員情況等因素,進行智能優化來控制調節閥的開度和風機的轉速來實現溫度控制。

當房間無人時,風機盤管低速運行;當檢測到人員進入房間時,自動開啟風機盤管,實現人性化管理。室內空調控制器可以安裝在房間任何合適方便的位置,由通信總線控制。

2.5 車庫CO風機智能管理系統

送(排)風機由車庫CO風機控制器控制,車庫CO風機控制器裝在車庫CO風機控制箱內,可遠程啟停送、排風機。誘導風機由車庫CO采集控制器控制,自動模式時,車庫CO采集控制器根據檢測到的CO濃度發出控制命令,自動啟停風機;手動模式時,可以手動啟停風機。車庫CO采集控制器通過有線或無線方式與主控制器連接,當車庫CO風機控制器監測車庫CO采集控制器啟動誘導風機超過設定時間,CO濃度仍未達標,開啟送、排風機。車庫CO風機控制器與上位機進行連接,可遠程啟停風機,具有運行模式設定、參數修改等功能。可設定送(排)風機的工作時間,定時補充新風。當控制器檢測到環境溫度過高,自動停止誘導風機運行。當控制器檢測到區域內CO濃度超標,自動發出聲光報警。

2.6 環境監控管理系統

室內綜合數據探測器,室外環境探測器用于智能檢測室內、外空氣綜合指數的檢測。室內環境探測器可以實時監測的數據包括PM2.5、PM10、CO、CO2、溫/濕度、甲醛;室外環境探測器可以實時監測的數據包括溫度、濕度、風速、風向、燥聲、光照、PM2.5,可以在小型氣象站顯示屏上顯示所有參數。環境數據探測器具備聯網接口,可通過手機APP藍牙連接檢測模塊讀取實時數據。

通過對以上建筑設備智能控制,可以有效降低能耗,各子系統均可以自成一套獨立系統,也可以共用一套監控計算機管理系統。

3 醫院建筑能耗監測系統

醫院建筑能耗與其他建筑相比,具有能耗高、持續能耗長特點。醫院建筑消耗的能源主要有燃氣、電、水、燃料、供熱、供冷和可再生能源等幾大類型。其中電能耗包括照明、插座、采暖空調、動力用電和其他特除用電設備等。

3.1 醫院能耗監測設計策略

3.1.1 醫院的設計安全性和可行性

(1)照明、插座、動力、空調和其他特殊設備用電四個用電分項計量。

(2)冷凍泵、冷卻泵、冷凍機組、冷卻塔、熱水循環泵、電鍋爐、大醫療設備和其他設備的計量。

(3)實現電力監控系統和建筑設備監控系統接口共享。

3.1.2 醫院的設計規劃性和全面性

作為醫院智能化大平臺的子系統應明確能耗核算單元劃分和考核原則,合理細化智能化系統、配電系統和計量方式。

3.2 用電分項計量關鍵點

3.2.1 照明插座用電

醫院醫療場所的插座用電原則上屬于醫療動力范疇,因此照明和插座宜分開計量,將插座歸類動力(醫療動力)分項。公共區域照明用電是指醫院急診大廳、門診大廳、住院大廳、醫療街和公共走廊等公共區域的照明;室外照明是指醫院景觀、庭院和道路的照明。

3.2.2 空調用電

醫院的空調用電包括冷熱站(冷熱源系統)、空調末端、凈化系統和大型獨立空調4個分項。冷熱站用電設備主要指冷水機組及冷、熱循環泵等。空調末端包括空氣處理機、送排風機、新風(換氣)機、分體空調和風機盤管等。若風機盤管不能單獨計量時,也可歸類在照明和插座子項中。凈化系統指凈化空調機組、凈化新風、排風機組等。

3.2.3 動力用電

醫院的動力用電包含醫療動力、電梯、水泵和風機用電4個分項。醫療動力是指診斷、治療和輔助類醫療設備,包括X射線診斷、超聲設備、功能檢查、檢驗設備、核醫學設備、放射治療設備、透析治療設備、急救設備、高壓氧艙、消毒滅菌設備、中心吸引及供氧系統等設備。

3.2.4 特殊區域用電

醫院的特殊區域用電指數據中心、洗衣房、廚房和污水處理站等用電。基于上述4個用電分項的準確采集,通過能耗監測系統,達到節約能源的目的。

3.2.5 大型醫療設備系統化節能

大型醫療設備系統化用電為設備本身用電和其環境空調用電之和。醫院大型醫療設備配置率較高的為醫用核磁共振成像設備、X線電子計算機斷層掃描裝置(CT)、數字減影血管造影X線機(DSA)這三類大型醫療設備,設備本身用電量不到總用電量的5%,但其使用效率普遍較高。

大型醫療設備節能關鍵是系統化節能意識,使設備和環境空調之間形成溫/濕度的耦合,實現同步運行,提升空調節能能力。

3.3 能耗數據梳理和核算

為了使能耗數據準確,在各分類分項能耗完成采集后,進行數據采集完整性和準確性的校驗。核算醫院總能耗,需核算4個用電分項能耗數據之和與變配電所計量表數值的匹配度。醫院用電總能耗包括照明插座、動力用電、特殊區域用電和空調用電和,其采集的總能耗數值應與變配電多功能表進行對比,并保持一致。實際工程選計量表須兼容,從電流、電壓、計費、有功功率、無功功率、功率因數、諧波等方面相匹配。

綜上,醫院能耗監測系統能提高醫院管理水平,是對能耗數據收集和整理分析的必備手段。

4 結 語

通過對各種用電設備的運行數據分析,結合醫院各個部門的能耗指標,將節能理念和措施充分發揮作用。本文在醫院建筑電氣設計中具體從電力監測系統、設備節能控制、能耗監測系統方面將節能理念和措施有機結合,大大降低醫院的日常能耗,延長各設備的使用壽命,提高醫院的經濟效益和管理水平。