大型醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造分析與實(shí)踐

文/中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院 謝丹麗 滕朝宇 潘奕宏

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們生存環(huán)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(diào)系統(tǒng)能耗在建筑能耗中約占50%～70%，有的甚至高達(dá)80%。如何通過節(jié)能技術(shù)改造有效降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，減少能源浪費(fèi)并提高能源利用率，這對(duì)節(jié)能減排、降低建筑能耗及緩解國家能源緊張局面至關(guān)重要。

中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院占地面積260余畝，醫(yī)療建筑面積39.6萬m2，編制床位3500張，擁有40個(gè)臨床科室及9個(gè)醫(yī)技科室；醫(yī)院功能用房、病房均設(shè)全年舒適空調(diào)系統(tǒng)，ICU、手術(shù)室、實(shí)驗(yàn)室等具有凈化要求的區(qū)域均設(shè)凈化空調(diào)系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，強(qiáng)調(diào)節(jié)能的系統(tǒng)性和整體性，只有對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況及系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，才能發(fā)現(xiàn)最佳解決方案。

本文結(jié)合中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院外科樓A座及內(nèi)科樓原中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況及特點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)，分析原有系統(tǒng)弊端，根據(jù)醫(yī)院的實(shí)際使用需求，提出最合理方案，利用原有設(shè)備，減少成本投入，并在不影響醫(yī)院正常運(yùn)行情況下完成對(duì)醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)改造，使醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果平均達(dá)25%，是中央空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的成功案例。該案例被湖南省發(fā)展和改革委員會(huì)評(píng)為“湖南省節(jié)能改造、資源循環(huán)利用典型案例”。

2 原系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)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(shù)為1482張，ICU、手術(shù)室等34間有凈化要求的區(qū)域均設(shè)有凈化空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)所需冷熱源由主體建筑地下動(dòng)力機(jī)房提供，空調(diào)冷源由3臺(tái)制冷量3872kW離心式冷水機(jī)組與1臺(tái)制冷量1080kW螺桿式冷水機(jī)組承擔(dān)。

內(nèi)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(qū)域均設(shè)有全年舒適空調(diào)系統(tǒng)，ICU、手術(shù)室等有凈化要求的區(qū)域均設(shè)有凈化空調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)所需冷熱源由主體建筑地下動(dòng)力機(jī)房提供，空調(diào)冷源主機(jī)選擇2臺(tái)制冷量4219kW離心式冷水機(jī)組與1臺(tái)1920kW螺桿式冷水機(jī)組，承擔(dān)1～5層醫(yī)技用房、手術(shù)室及6～25層病房?jī)艋照{(diào)的冷負(fù)荷。

以原中央空調(diào)系統(tǒng)為例，舒適空調(diào)系統(tǒng)與凈化空調(diào)系統(tǒng)組合為大系統(tǒng)，其冷凍水系統(tǒng)采用一次泵定流量雙管同程式水循環(huán)系統(tǒng)。空調(diào)主機(jī)為離心式制冷主機(jī)和螺桿式制冷主機(jī)，空調(diào)水系統(tǒng)無自動(dòng)控制裝置，使用無壓差旁通控制，空調(diào)末端風(fēng)機(jī)盤管支路控制閥門為手動(dòng)截止閥，截止閥始終處于全開狀態(tài)，無法對(duì)空調(diào)末端水流量進(jìn)行控制。整個(gè)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)為最簡(jiǎn)單的定流量系統(tǒng)，系統(tǒng)除人為操作外，無法根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行能量調(diào)節(jié)，能耗較大。原系統(tǒng)主要問題如下。

1）大樓舒適空調(diào)系統(tǒng)與凈化空調(diào)系統(tǒng)為大系統(tǒng)，手術(shù)室等凈化空調(diào)系統(tǒng)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(jié)舒適空調(diào)系統(tǒng)不需開啟時(shí)，由于凈化空調(diào)系統(tǒng)需要，仍需整個(gè)大系統(tǒng)供應(yīng)空調(diào)。

2）凈化空調(diào)系統(tǒng)對(duì)冷凍水溫度要求嚴(yán)格，水溫波動(dòng)較小，出水溫度需控制在6℃，因樓體空調(diào)水系統(tǒng)共用，易導(dǎo)致舒適區(qū)空調(diào)管道及出風(fēng)口凝結(jié)冷凝水漏水嚴(yán)重，造成維修工作量加大；凈化空調(diào)系統(tǒng)亦受舒適空調(diào)系統(tǒng)影響，冷凍水出水溫度波動(dòng)大且降溫慢，故障報(bào)修較多。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，舒適空調(diào)冷凍水出水溫度僅需控制在12℃即可保證舒適空調(diào)運(yùn)行需求。在實(shí)際使用過程中，舒適空調(diào)系統(tǒng)日間負(fù)荷變化與季節(jié)性負(fù)荷變化很大，如果舒適空調(diào)水系統(tǒng)按凈化空調(diào)水系統(tǒng)的水溫需求定溫定流量運(yùn)行，會(huì)造成空調(diào)主機(jī)和循環(huán)水泵的能耗浪費(fèi)，使用壽命也因負(fù)載的影響而降低。

3）凈化空調(diào)系統(tǒng)采用四管制模式，手術(shù)室設(shè)備負(fù)荷大，常年處于制冷再加熱過程，即全年需冷熱源，設(shè)備同時(shí)有供冷盤管和供熱盤管，溫度與濕度由末端凈化空調(diào)機(jī)組（組合式空調(diào)箱）自動(dòng)調(diào)節(jié)；舒適性空調(diào)系統(tǒng)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(zhuǎn)換由能源站手動(dòng)切換。

4）當(dāng)負(fù)荷變化需進(jìn)行能量調(diào)節(jié)時(shí)，依靠人工啟停空調(diào)主機(jī)與循環(huán)水泵的臺(tái)數(shù)滿足實(shí)際運(yùn)行工況。夏季空調(diào)冷負(fù)荷最大，主機(jī)全部開啟，冷凍水循環(huán)水泵與冷卻水循環(huán)水泵以最大功率組合運(yùn)行，這種運(yùn)行方式看似合理，但并非最佳解決方案。冬季及過渡季節(jié)僅需凈化空調(diào)系統(tǒng)供冷時(shí)，卻仍要開啟大制冷量離心式冷水機(jī)組及其附屬水泵，是典型的“大馬拉小車”浪費(fèi)能源模式，且冬季運(yùn)行時(shí)，離心式制冷主機(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力差，機(jī)組在部分負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行能效比下降。

3 節(jié)能改造解決方案

基于上述對(duì)原中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行情況、特點(diǎn)及問題的分析，將舒適空調(diào)和凈化空調(diào)的整體大系統(tǒng)分離為2個(gè)相互獨(dú)立且互不影響的大、小系統(tǒng)，舒適空調(diào)大系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)荷變化調(diào)節(jié)冷凍水供水溫度，在滿足空調(diào)末端負(fù)荷需求時(shí)合理提高冷凍水供水溫度，以降低系統(tǒng)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(qū)空調(diào)管道及出風(fēng)口凝結(jié)冷凝水、漏水等現(xiàn)象，可減少維修工作量及維修費(fèi)用。系統(tǒng)大小分離后，凈化空調(diào)小系統(tǒng)能以最小溫度波動(dòng)，對(duì)凈化空調(diào)穩(wěn)定供冷，不受舒適空調(diào)的影響。

3.1 外科樓A座節(jié)能改造方案

將凈化區(qū)空調(diào)冷凍水系統(tǒng)與舒適區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)分離，中間用閥門切斷，留作主機(jī)故障時(shí)互為備用，舒適區(qū)空調(diào)用原有3臺(tái)制冷量3872kW離心式冷水機(jī)組，舒適區(qū)空調(diào)冷凍水出水溫度設(shè)置在12℃，滿足舒適區(qū)空調(diào)負(fù)荷需求，同時(shí)配套使用高效變頻節(jié)能水泵。凈化區(qū)空調(diào)增加1臺(tái)制冷量1959kW螺桿式冷水機(jī)組，將其與原有制冷量1080kW螺桿式冷水機(jī)組合為小系統(tǒng)，高效螺桿式機(jī)組能實(shí)現(xiàn)15%～100%負(fù)荷的無級(jí)調(diào)節(jié)，且部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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(qū)空調(diào)要求（見圖1）。

圖1 外科樓A座節(jié)能改造細(xì)部

3.2 內(nèi)科樓節(jié)能改造方案

增加1臺(tái)制冷量1959kW螺桿式冷水機(jī)組，將其與原有1920kW螺桿式冷水機(jī)組合為小系統(tǒng)。對(duì)應(yīng)新增的螺桿式冷水機(jī)組需增加1臺(tái)600m3/h冷卻塔，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確認(rèn)，原有4臺(tái)900m3/h和1臺(tái)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(jī)供、回水管合并后接入專供手術(shù)室分水器與集水器上（見圖2）。

圖2 內(nèi)科樓節(jié)能改造細(xì)部

4 節(jié)能效果分析

根據(jù)外科樓A座系統(tǒng)分離前后運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)同期對(duì)比，機(jī)組按平均每年運(yùn)行5個(gè)月計(jì)算，機(jī)組未改造分離前總耗電量為6791040kW·h，機(jī)組經(jīng)改造分離后總耗電量為5194080kW·h，每年總節(jié)約電量1596960kW·h，折合標(biāo)準(zhǔn)煤527.00t，節(jié)能百分比達(dá)23.5%。改造投資成本2131000元，按長(zhǎng)沙市地區(qū)電價(jià)1元/kW·h計(jì)算，投資成本回收期約16個(gè)月。

根據(jù)內(nèi)科樓系統(tǒng)分離前后運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)同期對(duì)比，機(jī)組按平均每年運(yùn)行5個(gè)月計(jì)算，機(jī)組未改造分離前總耗電量7426800kW·h，機(jī)組經(jīng)改造分離后總耗電量5457960kW·h，每年總節(jié)約電量1968840kW·h，折合標(biāo)準(zhǔn)煤649.72t，節(jié)能百分比達(dá)26.5%。改造投資成本1939618元，按長(zhǎng)沙市地區(qū)電價(jià)1元/kW·h計(jì)算，投資成本回收期約12個(gè)月。

節(jié)能改造外科樓A座和內(nèi)科樓每年總節(jié)約電量3565800kW·h，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1176.72t，平均年節(jié)約率達(dá)25%。

5 結(jié)語

以中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院外科樓A座及內(nèi)科樓空調(diào)系統(tǒng)為研究對(duì)象，將舒適空調(diào)系統(tǒng)與凈化空調(diào)系統(tǒng)分離，根據(jù)不同需求調(diào)整制冷機(jī)組水溫，有效避免能源浪費(fèi)。改造后系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益良好，“大小分離、按需耗能”的節(jié)能改造方法可為同類型醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。