板式换热机组在医院节能设备改造中的应用

陈 震

（上海市第一妇婴保健院，上海201204）

0 引言

医院空调系统运行有其特殊性，尤其是在手术室等净化区域，全年要保持恒温、恒湿的环境。一般手术室净化机组设备采用四管制净化机组，需要常年保持空调冷热源的供给，在冬季运行工况下，通过冷水机组不间断运行来获得冷源，系统运行能耗较大。怎样通过对设备的改造来降低系统整体运行能耗，成为很多医院正在思考的问题。

上海市第一妇婴保健院位于上海市浦东新区高科西路2 699号，总建筑面积超7万m2，设置有住院楼、门诊医技楼、教学行政楼及后勤保障楼等4个主要建筑，核定床位数500张，医院于2013年8月正式投入使用。全院中央空调系统设计总冷量为7 385 kW，选用两台离心式冷水机组（单台制冷量为2 989 kW）和一台螺杆式冷水机组（制冷量为1 407 kW）作为系统冷源。在冬季空调系统运行过程中，净化机组水系统冷源由螺杆机组提供，一方面造成了较大的能耗，另一方面长时间不间断地运行也影响了螺杆机组的使用寿命。冬季冷水机组在运行过程中，容易发生冷却水温度过低导致机组无法正常开启的现象，使用蒸汽给冷却水系统预加热又会造成很大的能源浪费。

医院积极响应上海市后勤节能工作的要求，于2015年10月对医院中央空调系统进行了节能改造，增加水-水板式换热机组，并对系统部分管路进行改造，冬季通过室外大气冷量将冷却塔内的水降温后作为免费冷源，改变了以往通过螺杆机组供给空调系统冷源的方式，达到了节能降耗的目的。

1 设计要求和思路

根据GB 50019—2003《采暖通风与空气调节设计规范》、GB 50333—2002《医院洁净手术部建筑技术规范》，冷冻水设计供回水温度为7～13℃。根据上海的气象条件显示（图1），上海每年12月、1月、2月的最低温度均低于7℃，最高温度均低于12℃，故可以将冷却水与冷冻水通过水-水换热机组进行换热，来满足净化机组的冷源供给需求。上海冬季的自来水设计温度为5℃，冷却水补水时不会造成冷却水温度的上升。

图1 上海市气象参数

板式热交换器和原制冷主机做并联设计，将原有的冷水机组冷冻水及冷却水供回水管路连接至水-水板式换热机组，并在水-水板式换热机组的两侧同时设置蝶阀，通过阀门控制来完成水系统的换热过程。当冬季使用水-水板式换热机组时蝶阀开启，制冷主机的蝶阀需要同时全部关闭；当其他季节使用制冷主机时蝶阀开启，水-水板式换热机组的蝶阀全部关闭。正常工况下，使用水-水板式换热机组冬季冷却水侧供回水温度一般在5～11℃，冷冻水侧供回水温度一般在7～13℃，满足净化机组对于冷冻水供回水温度的要求。

2 设计要点

2.1 水-水板式换热机组基本介绍

冬季中央空调热源采用汽-水板式换热机组已经较为普遍，高温蒸汽与水通过板式换热机组进行换热，产生的热水用于中央空调系统的采暖热源。而水-水板式换热系统原理基本和汽-水板式换热机组一致，该系统是将冷却水与冷冻水通过水-水板式换热机组进行换热，热量通过冷却塔带出室外，由于冬季室外气温较低，在系统运行过程中，冷却塔内的水也不断地在与室外空气进行换热，将系统的热量带到大气中去。所以，该系统是借助了室外空气这个免费的冷源来达到节能降耗的效果。

2.2 水-水板式换热机组系统图

如图2所示，系统通过在原水系统管路上增设三通，并在系统前端设置蝶阀来控制管路的开闭，实现与原系统管路的对接。夏季冷水机组蝶阀开启，板式换热机组阀门关闭，采用原冷水机组作为空调系统冷源；冬季气象条件满足后，板式换热机组阀门开启，冷水机组蝶阀关闭，水系统通过板式换热机组进行换热后为净化系统提供冷源，达到节能降耗的目的。

2.3 系统运行工况分析

图2 水-水板式换热机组系统图

如表1所示，在冷却塔水温＞7℃的工况下，开启冷水机组的蝶阀，关闭板式换热机组前端的蝶阀，通过冷水机组为系统提供冷源。在冬季冷却塔水温≤7℃的情况下，开启板式换热机组前端的蝶阀，关闭冷水机组的蝶阀，采用板式换热机组进行水-水交换，通过与系统管路进行对接为净化机组提供冷源。

表1 系统运行工况分析

2.4 后续改进方案

净化机组对于系统供回水温度的要求较高，一般机组运行参数为7～13℃供回水。由于水-水板式换热机组是在原有系统的基础上进行改造的，系统的循环水泵、冷却塔风机及阀门均采用定频控制，在运行过程中对于水系统温度的控制精度较低。在后续的改进过程中，可以将系统的循环水泵及冷却塔风机改为变频控制，水系统主管上的阀门改为电动阀，在冷却塔及冷冻水管加装温度传感器，通过温度传感器采集的参数来控制阀门开度和循环水泵的运行工况，以达到对系统冷却水及冷冻水出水温度的精度控制，满足净化机组的供回水要求。

3 结论分析与测试

根据约克螺杆机的性能参数，机组制冷量为1 400 kW，耗电功率为280 kW，冬季使用螺杆机的电流负载约为80%，机组24 h不间断运行。采用水-水板式换热机组后，这部分的能耗可以节省下来。

参照上海市第一妇婴保健院空调系统螺杆机组使用参数，冬季改用水-水板式换热机组，系统每年可使用时间按3个月来计算，运行时间24 h，每度电价格为1元/kW·h，则每年节约能耗费用约为280×24×30×3×80%×1=483 840元。

结论分析：

（1）在上海，冬季使用水-水板式换热机组来作为中央空调系统冷源，系统运行能耗会大大降低。

（2）中央空调系统进行水-水板式换热机组的改造，系统不新增水泵，不会增加电功率；板换面积小，占用空间少，改造范围小，改造可行性较高。

（3）水-水板式换热机组设备简单可靠，在换季保养过程中只需要对板片进行清洗保养，系统维护方便，维护成本低。

（4）中央空调系统通过水-水板式换热机组的改造，可以解决在冬季制冷的时候由于冷却水温度过低导致主机开机故障的问题，同时避免了冬季为了提高冷却水温度而使用蒸汽加热等方式造成的能源浪费。

（5）通过对气象参数的分析，上海市在11月和3月的部分时段也可以使用水-水板式换热系统，节能时间可以进一步延长。

（6）使用水-水板式换热机组可以减少冷水机组的使用时间，延长冷水机组的使用年限。

该系统在投入使用后，已经累计3年在冬季运行使用，累计为医院节省能源费用达到150万元左右。

4 结语

水-水板式换热机组作为一种较为新型的节能设备，在冬季空调系统运行过程中，节能效果较为理想。该机组的优点为改造过程简单，设备运行可靠、维护方便、节能效果理想。同时，系统也存在一定的缺点，如对于温度的控制达不到冷水机组的精度要求，如需提高对供回水温度的控制精度，则需在系统各管路增加温度传感器及电动阀来控制，改造成本将会增加。将来如果能在设备上集成控制回路或者通过其他方式实现高精度控制，作为医院节能改造可行性较高、节能效果较好的设备，水-水换热机组将来必然可以在医院中央空调系统的改造中得到进一步推广应用，为医院的节能工作贡献一份不容忽视的力量。

[1]采暖通风与空气调节设计规范：GB 50019—2003[S].

[2]医院洁净手术部建筑技术规范：GB 50333—2002[S].

[3]马艳，孙文哲，宋倩，等.中央空调系统节能方法[J].建筑节能，2011（5）：16-19.

[4]曾昭向，卢清华.中央空调节能技术分析与探讨[J].制冷与空调（四川），2013（1）：45-48.

[5]肖文，刘浙华.中央空调节能措施研究[J].中国测试技术，2007，33（3）：47-49.