佛山市某醫院空調系統節能改造方案

劉暢 羅運有

廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司

2016 年我國建筑總能耗占我國總能耗的20.62%，其中公共建筑占建筑總能耗的38.53%[1]。而中央空調系統作為建筑的主要用能系統，所占能耗達到整個建筑能耗的30%～40%[2]，其中醫院空調系統能耗占建筑總能耗的40%～60%[3]，因此，對醫院空調系統進行節能改造降低空調系統能耗的必要性顯而易見。何佳[4]對上海某醫院空調系統進行節能改造，對機房自控系統優化升級，包括冷機加減載控制、冷凍水、冷卻水變流量控制、冷凍水出水溫度動態調控、冷卻塔臺數優化控制等，檢測結果顯示改造后機房平均COP 可達4.2。劉驍[5]等為解決北京某醫院冷卻塔出水溫度較高的問題，采用冷卻塔統一變頻調節的策略，大幅降低冷卻水溫度，并提高制冷機組能效。邢凱澤[6]通過TRANSYS 模擬軟件搭建軟件平臺并進行控制策略編寫，實現對冷凍水供水溫度與冷卻水出水溫度的控制以及制冷模式的切換。

1 項目概況

該醫院位于佛山市南海區，占地面積為56165 m2，建筑面積為143605 m2，建成于1993 年。制冷機房位于地下一層，冷卻塔位于門診病房綜合樓5 樓天面，空調系統末端分為兩類：大空間內采用全空氣系統，辦公室，診室及病房等區域采用風機盤管加新風系統形式，基本信息如下：

1）冷水機組：離心式冷水機組3 臺（額定制冷量2813 kW，額定功率463 kW），螺桿式冷水機組1 臺（額定制冷量818 kW，額定功率169.4 kW）。

2）冷卻塔：橫流方型玻璃鋼3 臺（額定水流量：668 m3/h，功率：22 kW），橫流方型玻璃鋼3 臺（額定水流量：186 m3/h，功率：7.5 kW）。

3）冷凍水泵：冷卻水泵A 3 臺（水流量：530 m3/h，功率：75 kW，揚程：33 m），冷凍水泵B 2 臺（水流量：155 m3/h，功率：22 kW，揚程：33 m）。

4）冷卻水泵：冷卻水泵A 3 臺（水流量：640 m3/h，功率：55 kW，揚程：26 m），冷卻水泵B2 臺（水流量：185 m3/h，功率：22 kW，揚程：26 m）。

冷源系統設計功率占比如圖1 所示。空調節能改造項目的改造范圍為門診病房綜合樓和后勤樓的空調冷源系統。該醫院的中央空調系統制冷機組根據值班管理人員經驗決定開啟與否并進行手動調節，高負荷的大部分時間開啟制冷量大的制冷機組，有時2 臺制冷機組同時運行，低負荷時根據情況開啟其中1 臺制冷機組，改造前中央空調系統無法實現自控功能，系統很難在最佳狀態下運行，造成極大能源浪費。

圖1 冷源系統設計功率占比

2 節能改造

2.1 中央空調系統存在問題

根據現場調研制冷機房運行狀況，及現場調研采集主機、水泵、冷卻塔的運行數據分析，改造前空調系統主要有以下問題：

1）實際運行的冷凍水供回水溫差常年低于5 ℃，有時甚至只有2 ℃，冷凍水總流量運行在“大流量小溫差”高耗能工況。

2）冷卻水全年平均供回水溫度在30～33 ℃，冷卻水系統運行在“大流量小溫差”高耗能工況。

3）冷卻塔控制柜在冷卻塔設備旁，為手動控制，無法在機房內對冷卻塔進行控制。

4）循環水泵雖然安裝有變頻器，但均運行在工頻手動模式。因此無法實現自動加減設備、水泵變流量調節控制。

針對以上問題，在保證空調系統滿足醫院正常供冷需求的前提下采用加裝水泵變頻裝置，安裝冷卻塔節能控制裝置與建設冷源系統節能優化控制系統等方式，實現循環水泵變頻控制，冷卻水系統與冷凍水系統“大溫差小流量”運行，機房自動無人值守自動控制。

2.2 加裝水泵變頻裝置

在現有中央空調系統定流量系統的基礎上，為循環水泵增加裝變頻裝置，使冷源系統可以通過改變頻率匹配空調負荷變化，減少水泵輸送能耗。

水泵變頻控制采用PID 控制邏輯。當建筑負荷發生變化時，空調末端的電動調節閥根據情況打開或關閉，進而引起末端壓差改變。末端安裝有壓差傳感器，用于實時監控末端壓差變化。系統為維持壓差恒定，當傳感器檢測到壓差變化時，通過PID 運算輸出調整值給變頻器以改變冷凍水泵頻率，進而通過改變水泵轉速達到控制水泵流量的目的[7，8]。冷卻水泵的變速是根據冷卻塔進、回水溫度進行調節的，當二者溫差較大，說明系統散熱量較大，此時溫度傳感器將信號傳送給變頻器，經PID 運算后冷卻水泵轉速增大，冷卻水量增大。

2.3 安裝冷卻塔控制裝置

改造前冷卻塔之間存在水利不平衡狀態，水流分布不均勻的現象。節能改造中，將現有的橫流式冷卻塔分組控制，改造為分臺智能控制，實現冷卻水水流最優平衡分配，冷卻塔風機以最佳臺數、最佳效率運行，充分發揮出冷卻塔的最大冷卻效果。冷卻塔節能控制主要包括幾個方面：

1）溫度控制。空調系統的冷卻水系統中設冷卻塔旁通管。在室外溫度低時，系統可能因為冷卻水溫度較低而導致主機運行故障，此時打開旁通閥混合部分常溫水進而提高冷卻水溫度，確保系統正常運行。

2）風機控制。冷卻塔風機控制主要體現在風機的頻率和風機開啟臺數控制。以冷卻水回水溫度為監測和控制參數，在保證冷源系統高效運行的基礎上，根據室外干球濕球溫度實時調節冷卻塔的風機運行臺數、冷卻水泵的運行頻率，使冷卻塔運行在最佳能效比區域，降低冷卻水系統運行能耗。

3）液位控制。冷卻塔設有水盤，其中設有液位傳感器用于監測水盤冷卻水液位，當液位超出設定液位上下限值，系統發出報警，防止由于冷卻塔缺水導致制冷效果不良。

2.4 安裝風機盤管聯動控制裝置

風機盤管聯動控制裝置包括窗磁開關，控制器和風機盤管，可實現窗戶開閉狀態和風機盤管的聯動控制，在空調區域的窗戶安裝窗磁開關，用于感應窗戶開啟和關閉狀態，并將其接入可控制風機盤管開閉的控制器中，形成聯動，在窗戶開啟時通過控制器自動關閉風機盤管，避免冷量外泄造成浪費，達到節能運行的效果。

窗磁開關的輸入端通過數據線連接控制器，將檢測到的信號傳送給控制器，控制器的輸出端通過數據線連接風機盤管的輸入端。控制器能夠控制風機盤管使其實現開窗停機、關窗運行的功能。

2.5 建設冷源系統節能優化控制系統

冷源系統節能優化控制系統通過對相關設備參數進行實時采集監控和優化調節，最終利用無人值守控制技術實現運行管控目的。

1）實時監測。通過在冷源系統的適當位置設置壓力、流量、溫度等傳感器實時監控系統的運行參數，空調系統集中控制系統根據各傳感器的監測參數實時調節系統運行狀態包括冷源系統的管道溫度、壓力、流量等參數，并顯示在監控平臺界面（圖2）。

圖2 監控平臺顯示界面

2）智能管控。對冷源系統中的各個設備，包含制冷主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔等進行優化控制，對冷源系統可進行遠程手動/自動控制、回水溫度設定、冷凍系統頻率設定、冷卻系統頻率設定、冷卻塔溫度和循環時間設定等冷源系統的控制參數設定，對冷水主機進行遠程手動/自動控制、主機溫度模式設定、主機出水溫度設定、冷水主機啟動焓值設定、冷水主機加減載/開關機參數設定等冷水主機的控制參數設定，對冷凍系統進行遠程手動/自動控制、供水壓力/壓差設定、頻率控制模式控制、水泵頻率限值設定、旁通閥開度設定、旁通閥延時設定等冷凍系統的控制參數設定，對冷卻塔進行遠程手動/自動控制、系統溫差設定、頻率控制模式控制、水泵頻率限值設定、溫差限值設定、冷卻塔控制等冷卻系統的控制參數設定，對進行遠程手動/自動控制、回水溫度設定、供水溫度設定、循環時間設定等冷卻塔的控制參數設定等。此外，系統還可通過互聯網進行遠程操作，保證空調冷源系統的節能運行以及無人值守的管理控制模式。

3）能耗統計。實現對空調系統、冷卻系統、冷水主機、設備能耗、能耗統計報表的數據展示和查詢，平臺可展示冷源系統的冷水主機、系統水泵、冷卻塔、冷源系統用電量的逐時實時數據，包括初始值、結束值、統計值，以5 分鐘間隔記錄一次，并能選擇查詢時間和導出報表功能。

3 環境效益與經濟效益分析

3.1 改造前后空調系統耗能對比

依據《節能量測量和驗證技術要求中央空調系統》（GB/T 31349-2014）[9]，對該醫院空調節能改造項目進行節能評估，采用相似日比較法計算空調節能改造后的節能率，利用節能控制系統監測記錄的耗電量數據進行分析計算。相似日內，空調冷源系統逐時運行能耗如圖4 和圖5 所示。相似日內，節能措施關閉狀態下空調系統全天電耗為10326.64 kW（圖3），節能措施開啟狀態下空調系統全天電耗為8549.30 kW。

圖3 節能措施關閉狀態下空調系統電耗

圖4 節能措施開啟狀態下空調系統電耗

3.2 環境效益和經濟效益

依據《節能量測量和驗證技術要求中央空調系統》（GB 31349-2014）第6.2.4 條，采用相似日比較法時節能率按照下式計算：

式中：ηs——節能率；Sb——節能措施關閉狀態下測試日的能耗，kWh；Sr——節能措施開啟狀態下測試日的能耗，kWh。

經計算，該空調系統經節能改造，節能率可達17.2%，每天節能量為1777.34 kW，按照空調系統每年5 月～10 月運行，184 天，年節能量可達32.70 萬kWh，根據《公共建筑運營單位（企業）溫室氣體排放核算方法和報告指南（試行）》，各類溫室氣體年減排量如表1所示。按照電費單價0.8 元/kWh，每年節約費用約為26.16 萬元。

表1 空調系統改造溫室氣體年減排量

4 結論

根據現場調研制冷機房運行狀況和空調系統運行數據并進行分析，發現醫院空調系統存在機房無控制系統、冷凍水系統與冷卻水系統常在“大流量小溫差”工況下運行、高耗能工況。無法在機房內對冷卻塔進行控制等問題。因此，在保證空調系統滿足醫院正常供冷需求的前提下采用加裝水泵變頻裝置、安裝冷卻塔節能控制裝置與加裝冷源系統節能控制系統等策略對空調系統進行節能改造。

采用節能調控策略后，依據《節能量測量和驗證技術要求中央空調系統》（GB/T 31349-2014）對系統進行測試，結果顯示，節能率可達17.2%，年節能量為32.70 萬kWh。環境效益和經濟效益非常可觀。