大型醫院建筑空調系統節能改造分析與實踐

文/中南大學湘雅二醫院 謝丹麗 滕朝宇 潘奕宏

1 概述

隨著社會經濟快速發展，人們生存環境日益改善，能源消耗加劇。在我國能源消耗占比中，建筑能耗占1/3，其中空調系統能耗在建筑能耗中約占50%～70%，有的甚至高達80%。如何通過節能技術改造有效降低空調系統能耗，減少能源浪費并提高能源利用率，這對節能減排、降低建筑能耗及緩解國家能源緊張局面至關重要。

中南大學湘雅二醫院占地面積260余畝，醫療建筑面積39.6萬m2，編制床位3500張，擁有40個臨床科室及9個醫技科室；醫院功能用房、病房均設全年舒適空調系統，ICU、手術室、實驗室等具有凈化要求的區域均設凈化空調系統。中央空調系統節能改造是復雜的系統工程，強調節能的系統性和整體性，只有對空調系統運行情況及系統特點進行科學評估，才能發現最佳解決方案。

本文結合中南大學湘雅二醫院外科樓A座及內科樓原中央空調系統運行情況及特點，采集數據，分析原有系統弊端，根據醫院的實際使用需求，提出最合理方案，利用原有設備，減少成本投入，并在不影響醫院正常運行情況下完成對醫院中央空調系統的節能技術改造，使醫院中央空調系統節能效果平均達25%，是中央空調系統節能改造的成功案例。該案例被湖南省發展和改革委員會評為“湖南省節能改造、資源循環利用典型案例”。

2 原系統運行特點及存在問題

外科樓A座于2005年5月建成并投入使用，為地上20層，地下3層的建筑單體，總建筑面積86000m2，床位數為1482張，ICU、手術室等34間有凈化要求的區域均設有凈化空調系統。空調所需冷熱源由主體建筑地下動力機房提供，空調冷源由3臺制冷量3872kW離心式冷水機組與1臺制冷量1080kW螺桿式冷水機組承擔。

內科樓總建筑面積約98000m2，地下3層，地上25層，大樓功能用房、病房區域均設有全年舒適空調系統，ICU、手術室等有凈化要求的區域均設有凈化空調系統。空調所需冷熱源由主體建筑地下動力機房提供，空調冷源主機選擇2臺制冷量4219kW離心式冷水機組與1臺1920kW螺桿式冷水機組，承擔1～5層醫技用房、手術室及6～25層病房凈化空調的冷負荷。

以原中央空調系統為例，舒適空調系統與凈化空調系統組合為大系統，其冷凍水系統采用一次泵定流量雙管同程式水循環系統。空調主機為離心式制冷主機和螺桿式制冷主機，空調水系統無自動控制裝置，使用無壓差旁通控制，空調末端風機盤管支路控制閥門為手動截止閥，截止閥始終處于全開狀態，無法對空調末端水流量進行控制。整個空調冷凍水系統為最簡單的定流量系統，系統除人為操作外，無法根據負荷變化進行能量調節，能耗較大。原系統主要問題如下。

1）大樓舒適空調系統與凈化空調系統為大系統，手術室等凈化空調系統需全年24h恒溫恒濕，與其他功能用房、病房不一致，尤其在過渡季節舒適空調系統不需開啟時，由于凈化空調系統需要，仍需整個大系統供應空調。

2）凈化空調系統對冷凍水溫度要求嚴格，水溫波動較小，出水溫度需控制在6℃，因樓體空調水系統共用，易導致舒適區空調管道及出風口凝結冷凝水漏水嚴重，造成維修工作量加大；凈化空調系統亦受舒適空調系統影響，冷凍水出水溫度波動大且降溫慢，故障報修較多。根據運行經驗，舒適空調冷凍水出水溫度僅需控制在12℃即可保證舒適空調運行需求。在實際使用過程中，舒適空調系統日間負荷變化與季節性負荷變化很大，如果舒適空調水系統按凈化空調水系統的水溫需求定溫定流量運行，會造成空調主機和循環水泵的能耗浪費，使用壽命也因負載的影響而降低。

3）凈化空調系統采用四管制模式，手術室設備負荷大，常年處于制冷再加熱過程，即全年需冷熱源，設備同時有供冷盤管和供熱盤管，溫度與濕度由末端凈化空調機組（組合式空調箱）自動調節；舒適性空調系統隨氣候變化供能，一般夏季供冷，冬季供暖，故多采用二管制，供冷和供暖為同一盤管，冷熱轉換由能源站手動切換。

4）當負荷變化需進行能量調節時，依靠人工啟停空調主機與循環水泵的臺數滿足實際運行工況。夏季空調冷負荷最大，主機全部開啟，冷凍水循環水泵與冷卻水循環水泵以最大功率組合運行，這種運行方式看似合理，但并非最佳解決方案。冬季及過渡季節僅需凈化空調系統供冷時，卻仍要開啟大制冷量離心式冷水機組及其附屬水泵，是典型的“大馬拉小車”浪費能源模式，且冬季運行時，離心式制冷主機負荷調節能力差，機組在部分負荷狀態下運行能效比下降。

3 節能改造解決方案

基于上述對原中央空調系統運行情況、特點及問題的分析，將舒適空調和凈化空調的整體大系統分離為2個相互獨立且互不影響的大、小系統，舒適空調大系統可根據負荷變化調節冷凍水供水溫度，在滿足空調末端負荷需求時合理提高冷凍水供水溫度，以降低系統能耗；提高冷凍水供水溫度后，可有效降低冷凍水管路傳輸過程中的損耗，避免舒適區空調管道及出風口凝結冷凝水、漏水等現象，可減少維修工作量及維修費用。系統大小分離后，凈化空調小系統能以最小溫度波動，對凈化空調穩定供冷，不受舒適空調的影響。

3.1 外科樓A座節能改造方案

將凈化區空調冷凍水系統與舒適區空調水系統分離，中間用閥門切斷，留作主機故障時互為備用，舒適區空調用原有3臺制冷量3872kW離心式冷水機組，舒適區空調冷凍水出水溫度設置在12℃，滿足舒適區空調負荷需求，同時配套使用高效變頻節能水泵。凈化區空調增加1臺制冷量1959kW螺桿式冷水機組，將其與原有制冷量1080kW螺桿式冷水機組合為小系統，高效螺桿式機組能實現15%～100%負荷的無級調節，且部分負荷運行時能效比更高，冷凍水出水溫度控制在6℃，水泵采用變頻控制，滿足凈化區空調要求（見圖1）。

圖1 外科樓A座節能改造細部

3.2 內科樓節能改造方案

增加1臺制冷量1959kW螺桿式冷水機組，將其與原有1920kW螺桿式冷水機組合為小系統。對應新增的螺桿式冷水機組需增加1臺600m3/h冷卻塔，經現場實際情況確認，原有4臺900m3/h和1臺450m3/h冷卻塔滿足要求，不需再增加冷卻塔，故此次改造暫不增加冷卻塔。新增加的冷卻水供水管和回水管各自并入冷卻供、回水總管上，新增加冷凍供、回水管各自與螺桿機供、回水管合并后接入專供手術室分水器與集水器上（見圖2）。

圖2 內科樓節能改造細部

4 節能效果分析

根據外科樓A座系統分離前后運行數據，經同期對比，機組按平均每年運行5個月計算，機組未改造分離前總耗電量為6791040kW·h，機組經改造分離后總耗電量為5194080kW·h，每年總節約電量1596960kW·h，折合標準煤527.00t，節能百分比達23.5%。改造投資成本2131000元，按長沙市地區電價1元/kW·h計算，投資成本回收期約16個月。

根據內科樓系統分離前后運行數據，經同期對比，機組按平均每年運行5個月計算，機組未改造分離前總耗電量7426800kW·h，機組經改造分離后總耗電量5457960kW·h，每年總節約電量1968840kW·h，折合標準煤649.72t，節能百分比達26.5%。改造投資成本1939618元，按長沙市地區電價1元/kW·h計算，投資成本回收期約12個月。

節能改造外科樓A座和內科樓每年總節約電量3565800kW·h，折合標準煤1176.72t，平均年節約率達25%。

5 結語

以中南大學湘雅二醫院外科樓A座及內科樓空調系統為研究對象，將舒適空調系統與凈化空調系統分離，根據不同需求調整制冷機組水溫，有效避免能源浪費。改造后系統節能效果明顯，經濟效益良好，“大小分離、按需耗能”的節能改造方法可為同類型醫院建筑空調系統的優化提供參考。