医院中央空调节能改造分析

廖岛生

（南方电网综合能源股份有限公司）

随着电能紧缺的问题日益严重，节能技术已被政府部门、各行各业所重视和推崇。中央空调系统是现代大型建筑物不可或缺的配套设施之一，电能的消耗非常大，约占建筑物电能总消耗的50%。由于中央空调系统都是按最大负载并增加一定设计余量，在我国很多地区，每年空调开放时间10 个月左右，而实际上在一年中，满负载下运行最多只有十多天。通常中央空调系统中冷冻主机随外部自然环境气温变化自动调节负载，而与冷冻主机相匹配的冷冻泵、冷却泵却不能自动调节负载，几乎长期在100%负载下运行，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。

1 医院中央空调使用现状

1.1 用能系统现状

根据图1 提供的2014～2016 年的空调机房耗电量数据，空调机房耗能在逐年增长，与设备老化曲线相吻合。

图1 机房年用电曲线

1.2 空调系统（主机侧）现状

本项目的空调机房供冷、供暖功能基本正常，有一台变频离心机冷媒系统进水损坏，已经修复运行中。

但是根据2017 年9 月现场调研空调机房运行状况及现场调研采集主机、水泵、冷却塔的运行数据分析有如下几点不足：

⑴空调机房自控系统不能正常使用，无法实现自动加减设备，二次泵变流量调节控制。

⑵实际运行冷冻水供水温度11～13℃，供回水温差为2.5～4.5℃，冷冻水总流量运行在“大流量小温差”高耗能工况，同时机组之间的流量不平衡，导致主机输出负荷不平衡，进出水温差差异较大，相差2℃以上。

⑶主机冷却水进水温度高达35.3℃，出水温度37.8～38.9℃，温差2.5～3.6℃。冷却水系统运行在“大流量小温差”，同时冷却水进水温度超出设计值（32℃），必然导致主机运行能效低下。

⑷当天开启三台主机运行，冷却泵、一、二次冷冻泵开启相对应台数，12 台冷却塔全部启动，冷却塔出水温度35.3℃，冷却效果较差，冷幅达9℃以上。

⑸除二次冷冻泵有安装变频器外，所有水泵没有变频控制，同时二次冷冻泵由于机房控制系统不能使用，同样运行在工频状态。

⑹根据运营方提供2015 年10 月至2016 年10 月的用能计量数据，计算出空调机房综合能效值≦3.23。

⑺运行功率，无法满负荷运行，不能优生运行节能变频主机，需优生运行工频主机，否则会导致供电线路跳闸保护，主机供电线路线损严重。

⑻其中一台主机大修后的设备，只能维持运行，无法保障修复原设备效率。

1.3 空调冷却水系统现状

⑴主机冷却水进水温度高达35.3℃，出水温度37.8～38.9℃，温差2.5～3.6℃。冷却水系统运行在“大流量小温差”，同时冷却水进水温度超出设计值（32℃），必然导致主机运行能效低下。

⑵当天开启三台主机运行，冷却泵、一、二次冷冻泵开启相对应台数，12 台冷却塔全部启动，冷却塔出水温度35.3℃，冷却效果较差，冷幅达9℃以上。

⑶由于冷却水塔管道布置及运维管理等原因，导致冷却水流经冷却塔过程中水流严重不平衡，多数冷却塔流经的冷却水流量很小，淋水密度大大降低，从而使冷却调料很大部分已经损坏，严重影响冷却效果[1]。

1.4 空调系统（末端）现状

医院中央空调机房系统，供冷区域：病房楼、手术室ICU、医疗区、门诊楼、医疗主街大楼、后勤大楼、行政大楼、体育馆、药学大楼。末端基本采用风机盘+新风机、空调机组的模式供冷。

总末端台数2822 台（不含手术室、ICU），其中风机盘管2650 台，设备冷量占50%；新风机114 台，设备冷量占27%；空调风柜58 台，设备冷量占19%；手术室、ICU16 台组合风柜，设备冷量占4%。

风机盘管采用传统启停控制方式，不能跟随负荷变化来自动调整冷量输出。同时新风系统不能根据室外温度来自动开启[2]。

2 改造方案

2.1 主机侧改造方案

2.1.1 增加空调机房系统能效分析评定系统

空调机房系统能效分析评定系统的作用为：

⑴能效仪为管理人员提供准确的运行数据，知道能源消耗在什么地方，针对不合理耗能的设备进行分析，及时进行设备维护或对设备进行改造。

⑵能效仪可以为保养工作提供准确的保养时间，提醒工作人员对相关设备进行保养，减少设备在低效率工况的工作时间，这样同时也提高了设备的使用寿命和效率。

⑶为节能降耗提供科学的、公正的评测依据，在改造之前分析改造的要点，在改造之后评测改造的效果，让管理人员清晰、准确的掌握中央空调系统的运行效率。

通过分析历史报表，提供专业的分析报告和节能建议，持续的改善中央空调机房的运行效率。

2.1.2 增加机房设备节能运行精准监控系统

一套中央空调主机房设备高效运行精准监控系统（系统中心服务器或工作站具有数据同步跟踪的能力，采用同一套软件进行管理。），与能效评测系统通过SCADA 上位机无间隙兼容，两个系统相辅相成：机房高效运行精准监控系统在为末端系统提供相对应负荷的需求输出，保证输出的冷（热）量不浪费、不短缺，达到末端需求与机房的供给平衡，避免“大马拉小车”的高耗能工况。

机房设备节能运行精准监控系统的功能为：

⑴监控设备运行状态，远程故障报警

监控系统负责对机房的冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、电动阀、等相关设备的启停、运行、故障及优化控制，并保证整个系统在安全、可靠运行的基础上，优化控制机房设备运行工况，恒定整个中央空调系统在不同的输出负荷时，均运行在高效值，提高空调系统的综合运行COP 值[3]，提高管理水平，给用户提供一个舒适、安全、可持续发展的环境，以达到节约能源及运营成本的目的，营造出符合国家提倡的“节能减排”举措。

⑵系统架构

系统组成架构以每一台主机、冷却水泵、冷却塔、冷冻水为一组，配置一套智能控制柜，通过网络与主策略控制柜通讯，每组智能控制柜能单独控制运行，并接受主策略控制柜下发的优化控制命令，上传运行数据和故障报警信号。

现场控制器独立通讯及自行操作，服务器或工作站停止工作不影响现场控制器的功能和设备运行。任何控制器故障时，能自动脱开网络，不影响整个网络的正常工作，并在中央工作站、操作站上及时进行报警并显示，故障排除后能自动投入运行。

⑶保证建筑物内环境的舒适性

根据建筑需求负荷，自动控制机房设备，实现最佳启停/调节控制，保证建筑物内环境的舒适性。

⑷提高设备管理人员的工作效率

对整个机房系统内的设备进行监控，从而保障机房各机电设备合理经济运行，及时进行故障报警和设备维护提醒，保证系统及设备安全、可靠运行，并提高设备管理人员的工作效率。

⑸节省能源

提供优化的控制方案，控制机房相关设备耗能；实现机电设备安全、合理运行，降低机电设备运行费用并延长使用寿命，达到节省能源、降低运营成本的目的。

⑹实现物业管理现代化

通过对空调系统机电设备管理、监视、设备操作、实时控制、统计分析及故障诊断等功能的自动化，为实现物业管理现代化奠定基础，从而提高物业管理水平、降低人工成本，建立无人值守机房。

⑺控制策略要求

根据空调系统负荷的变化，系统比较当前机组运行效率与优化后的机组效率，确定是否需要更改机组，确保机组运行在最优效率区间。系统应能手动/自动对正在运行的主机进行先卸载，加机后再恢复到正常运行状态。系统应能根据冷冻水与冷却水温度的变化动态调整主机的最佳运行效率冷量范围并依此进入加减机策略。

2.2 冷却塔改造方案

⑴更换散热填充物，提高散热效率。

根据现场调研发现，冷却水塔调料因为运行时间长，管道布置欠佳，导致冷却调料破损相当严重，严重影响了主机的正常运行，导致主机能耗大大增加。本次节能改造将对冷水水塔调料进行整体更换。

⑵优化管道，实现平衡出水，提高散热效率。

因为原有管道设计欠佳，同时运维不善，导致冷却水淋水密度远远低于设计值，也严重影响了冷却水塔的热效率。本次节能改造，将对冷却水塔的管线进行改造，使淋水密度达到设计要求。

2.3 末端侧改造方案

在整个建筑物内暖通空调系统的运转是随着建筑物内的冷负荷，以变化的冷冻水水温和流量的方式传递到冷源系统，最终表现在冷冻机的负荷上；因此末端环境对冷源（热源）的需求量直接联动着影响冷冻水泵的负荷。

然而冷冻机所需输出功率大小的依据，却取决于出、回水温度的高低，如果末端的精准变流量温度控制系统，能将环境温度控制得很精准，不会浪费冷源。因此回水温度才会降低，回水温度越低，出水的温度就越低，因此冷冻机就不需要做太大的功率输出；联动着冷却水系统的水泵、水塔电机及冷冻水泵、区域水泵都可以达到卸载的节能效益。

暖通空调系统中浪费能耗最大的源头是环境温度的设定与控制。根据国家能源部的资料报告：空调环境在24～28℃之间，环境温度每升高一度就可以节省系统6%的能源，因此在2006 年6 月中央政府明文规定政府机关及公共场所的空调环境温度必须设定在26℃的恒温或是 (26±0.5)℃（夏天制冷26℃；冬天制热20℃）。要达到把环境温度设定在26℃，又可以让环境中的人感到舒适的先决条件：精准变流量温度控制系统必须有能力将环境温度控制在26℃的恒温或是(26±0.5)℃。这样的控温精度对于现在一般机械式（双金属片的温度传感器）或是感温器设置在操作面板上的传统温控器所不能达到的，这是因为：

⑴变压器工作温度高达45℃会影响温度传感器的感温；

⑵感温器置放的位置在墙边上，属于回风死角，无法感测精准的室内温度。 这些传统的温控器对环境温度的控制精度大约在±2℃以上，也就是说当设定温度为26℃时，环境温度可能会在24～28℃（甚至更大）的范围内变化，因此以往一般空调温度会常常设定在23℃（很多项目用的老式的机械式温控器，经常设定在20℃以下）就不足为奇了，这样恶性循环所浪费能源的代价就非常的大。

因此暖通空调系统的节能问题就不是以往光从大型设备着手改善节能措施就能完全解决，最终的方向还是必须经由末端环境的节能一起规划才是最根本的解决方案。

3 经济效益分析

⑴主机侧节能效益。根据运营方提供2014 年至2017 年07 月的用能计量数据，计算出空调机房综合能效值≦3.23。空调机房综合能效设计值约4.1，通过以上节能改造措施后，实现综合运行能效值提升到4.3，节能33%。根据2014-2016 年空调平均电耗8486MWh，每年节能量大约为2800MWh。

⑵末端侧节能效益（二期实施）。增加末端控制系统可以节省整体空调能耗的15%，每年大约节约电量为852MWh。

4 结语

通过对医院中央空调使用现状进行分析，根据空调现有系统的不足，从更换高效节能变频主机、更换供电线路、优化水泵配置、增加机房流量等方面拟定相应的改造方案，本次改造预期可以将运行能效值提升到4.3，节能量达到33%，每年节能量约为2800MWh。