大连某医院空调系统能耗分析与节能改造

刘 帅，高 兴，张金徽

（大连海洋大学，辽宁 大连116021）

0 引言

近年来，节能成为我国重点关注对象，医院作为能耗 “大户”，自然备受关注。据统计，医院建筑能耗已经上升到社会总能耗的1／3［1］。据相关资料表明，医院的能耗情况是一般公共建筑的两倍［2］，所以，对医院进行节能改造有很重要的现实意义。综合医院能耗情况的组成部分包括空调、电梯、照明、生活用水、医疗设备等，其中医院空调系统能耗情况占整个医院建筑能耗的65%［3］。空调系统由冷水机组、组合式空调机组、输送设备组成，冷水机组能耗占整个空调系统的55.53%，所以，降低冷水机组运行能耗便成为空调系统节能降耗的关键［4］。本文通过对大连某医院洁净空调设备及能耗情况进行现场调查，发现某医院洁净系统两台冷水机组存在 “大马拉小车”的情况，单台冷水机组是双头螺杆式压缩机，全年仅有7、8月份需要两台冷水机组共同运行，其他月份仅是单台机组运行，甚至个别月份单个机头运行就可以满足要求。本文对冷水机组进行改造，选择合适的机型，并对某医院手术室按照不同的温区进行划分，解决一个房间温度适合，其他房间过冷过热的问题。然后进行能耗计算与经济分析，结果显示较2018年比节能18.95%，节能潜力巨大。

1 理论计算

1.1 改造后工况确定及热力计算

改造前某医院洁净系统净包括28个手术室、3个ICU病房和洁净走廊等，7楼有36台组合式空调机组、2台冷水机组。改造后本文以R22为冷媒，洁净空调系统共需1100kW制冷量，冷水进出水温度为7℃、12℃。蒸发温度为2℃，冷凝温度为38℃，本文蒸发温度＞－5℃，所以不采用过冷技术，过热度为5℃。

根据蒸发温度以及冷凝温度，运用负荷计算软件查得相关焓值，计算如表1所示。

1.2 洁净系统改造后设备选择

（1）压缩机选型

压缩机的级数由压缩比决定，压缩比＝Pk／P0＝2.774。由于本文采用R22制冷剂，当压缩比≤10时，选择单级压缩机，当压缩比＞10时，选择双级压缩机，因为本文压缩比＝2.774＜10，所以选择单级压缩机。因需要1100kW制冷量，理论输气量为1465.2 m3／h，根据 《实用制冷工程设计手册》选择LG25F440D型号螺杆式压缩机。参数如下：LG25F440D型号压缩机，在标准情况下制冷量Qb为1130kW，配用电机功率为440kW，理论输气量2160 m3／h。台数的确定：

所以选择一台压缩机就足够。与其相配合得配用电机型号为JK134－2，功率为440kW。

（2）电子膨胀阀选型

用丹佛斯软件选择电子膨胀阀型号，根据制冷量、蒸发温度、冷凝温度等已知条件设定参数，结果显示选择型号为ICM25－A的电子膨胀阀。

（3）冷凝器选型

冷凝器的选择取决于当地的水温、水质、水源、气候条件等因素。因为大连水温较高、水量比较充足，所以选择卧式套管式冷凝器。

表1 热力计算表Tab.1 Thermodynamic table

1）冷凝器热负荷计算：

式中：QC为冷凝器热负荷，kW；h2s为压缩机实际排气的比焓，kJ／kg。

2）冷凝器传热面积的计算：

式中：Ac为冷凝器的传热面积，m2；K为冷凝器传热系数，W／（m2·K）；卧式套管式氟利昂冷凝器的K＝800～900W／（m2·K）。

式中：△tm为制冷剂与冷却介质之间的对数平均温度；A为裕量在10% ～15%之间，本文取0.13；t3为冷凝器出口，℃；t4为冷凝器进口温度，℃；△tm由 《制冷装置设计》知，对于卧式氟利昂冷凝器一般在4～6℃，本文取5℃。

根据 《制冷工程设计规范》选择DWN－360型冷凝器，360 m2＞334.235 m2，选择合适。

对某医院洁净系统改造前后的能耗情况进行比较。改造后如图1所示：改造后将原系统的两台冷水机组进行更换，其他组合式空调机组等不变。本文将整个手术室洁净系统分为3个区域，每个区域所处温度区间不同，手术室一般的温度区间为16－28℃［5］，本文以4℃作为划分标准，分别为16～19℃、20～23℃、24～28℃。压缩机出来的制冷剂流经冷凝器通过三个温区电子膨胀阀节流，然后进入组合式空调机组内进行换热，最后分送到各个手术室。

图1 改造后洁净系统简图Fig.1 Schematic diagram of cleaning system after modification

近三年来冷水机组的能耗情况如表2所示：从图中可以看出在每年的耗电量相差不多，由于外界天气的变化引起耗电量的不同。6、9月份耗电量相对较低，7、8月份相对较高，对于6、9月份，机组大部分都是处于部分负荷运行状态。

改造后洁净系统的耗电量用IPLV（综合部分负荷性能系数）进行估算：耗电量＝冷负荷÷IPLV×机组运行时间。

从文献6、7发现目前我国对IPLV这项指标使用范围受到很大限制，不适用于多台冷水机组关联工作，仅适用于单台冷水机组。按照现有的公式计算IPLV来计算冷水机组的能耗存在很大偏差，经过文献8修改验证后更具有代表性。本文综合考虑我国不同地区的气候条件不同，导致对应的负荷权重不同，具体参数见表3。

表2 冷水机组能耗情况Tab.2 Energy consumption of chillers

表3 中国不同区域IPLV负荷权重Tab.3 IPLV load weights in different regions of China

大连属于寒冷地区，所以对应a、b、c、d取值为0.7%、36.2%、53.4%、9.8%。

2 改造后洁净系统节能分析

式中：

A—100%时性能系数COP（kW／kW）；

B—75%时性能系数COP（kW／kW）；

C—50%时性能系数COP（kW／kW）；

D—25%时性能系数COP（kW／kW）。

本文以机组的相关数据为依据，估算6月到9月的能耗情况。额定制冷量为1130kW。不同负荷对应的性能系数如表4所示。

表4 部分负荷性能系数表Tab.4 Partial load performance coefficient table

根据表4选择相对应的部分负荷性能系数，每天的工作时间为8小时，共736小时。经计算后6月份到9月份的能耗为172 0 74.59kW，改造前能耗为212294.1kWh，节能约18.95%。

表5 能耗计算Tab.5 Energy consumption calculation

3 改造后洁净系统经济分析

综合分析大连某医院洁净空调系统改造前后的能耗数据，使用单台冷水机组后节能效果显著。从图3中可以看出2016年、2017年、2018年6月到9月总计耗电量分别为216066.50kWh、213968.97kWh、212294.10kWh，从表4能够看出改造后预估耗电量为172 0 74.59kWh，与2016、2017、2018年相比分别节能20.36%、19.58%、18.95%。大连某医院用电费用为1元／kWh，将耗电量折合成现金，则2018年4个月一共节省40219.51元，因为大连某医院只记录6月到9月洁净机组的耗电量，所以仅能进行4个月的能耗对比，全年节能效果会更显著，可见洁净系统有很大的节能潜力，要引起相关人员的重视。

4 结论

医院洁净系统节能潜力非常巨大，应该引起管理层以及工作人员的重视，树立节能意识。本文采用单台冷水机组替代原系统的两台冷水机组节能效果显著。大连某医院洁净系统大部分时间都是处于部分负荷状态，所以，冷水机组的自动调节显得非常重要，要使机组处在50%～75%的状态运行，从而保持较高的COP。将手术室按照不同的温区进行划分，解决一个房间温度适合，其他房间过冷过热的问题。本文没有采用变频器，如果采用变频控制，能提高部分负荷运行的效率，但是会增加前期的初投资。采用变频压缩机对于这种负荷时刻变化的情况有着显著的节能效果［9］。