佛山市某医院空调系统节能改造方案

刘畅 罗运有

广东省建筑科学研究院集团股份有限公司

2016 年我国建筑总能耗占我国总能耗的20.62%，其中公共建筑占建筑总能耗的38.53%[1]。而中央空调系统作为建筑的主要用能系统，所占能耗达到整个建筑能耗的30%～40%[2]，其中医院空调系统能耗占建筑总能耗的40%～60%[3]，因此，对医院空调系统进行节能改造降低空调系统能耗的必要性显而易见。何佳[4]对上海某医院空调系统进行节能改造，对机房自控系统优化升级，包括冷机加减载控制、冷冻水、冷却水变流量控制、冷冻水出水温度动态调控、冷却塔台数优化控制等，检测结果显示改造后机房平均COP 可达4.2。刘骁[5]等为解决北京某医院冷却塔出水温度较高的问题，采用冷却塔统一变频调节的策略，大幅降低冷却水温度，并提高制冷机组能效。邢凯泽[6]通过TRANSYS 模拟软件搭建软件平台并进行控制策略编写，实现对冷冻水供水温度与冷却水出水温度的控制以及制冷模式的切换。

1 项目概况

该医院位于佛山市南海区，占地面积为56165 m2，建筑面积为143605 m2，建成于1993 年。制冷机房位于地下一层，冷却塔位于门诊病房综合楼5 楼天面，空调系统末端分为两类：大空间内采用全空气系统，办公室，诊室及病房等区域采用风机盘管加新风系统形式，基本信息如下：

1）冷水机组：离心式冷水机组3 台（额定制冷量2813 kW，额定功率463 kW），螺杆式冷水机组1 台（额定制冷量818 kW，额定功率169.4 kW）。

2）冷却塔：横流方型玻璃钢3 台（额定水流量：668 m3/h，功率：22 kW），横流方型玻璃钢3 台（额定水流量：186 m3/h，功率：7.5 kW）。

3）冷冻水泵：冷却水泵A 3 台（水流量：530 m3/h，功率：75 kW，扬程：33 m），冷冻水泵B 2 台（水流量：155 m3/h，功率：22 kW，扬程：33 m）。

4）冷却水泵：冷却水泵A 3 台（水流量：640 m3/h，功率：55 kW，扬程：26 m），冷却水泵B2 台（水流量：185 m3/h，功率：22 kW，扬程：26 m）。

冷源系统设计功率占比如图1 所示。空调节能改造项目的改造范围为门诊病房综合楼和后勤楼的空调冷源系统。该医院的中央空调系统制冷机组根据值班管理人员经验决定开启与否并进行手动调节，高负荷的大部分时间开启制冷量大的制冷机组，有时2 台制冷机组同时运行，低负荷时根据情况开启其中1 台制冷机组，改造前中央空调系统无法实现自控功能，系统很难在最佳状态下运行，造成极大能源浪费。

图1 冷源系统设计功率占比

2 节能改造

2.1 中央空调系统存在问题

根据现场调研制冷机房运行状况，及现场调研采集主机、水泵、冷却塔的运行数据分析，改造前空调系统主要有以下问题：

1）实际运行的冷冻水供回水温差常年低于5 ℃，有时甚至只有2 ℃，冷冻水总流量运行在“大流量小温差”高耗能工况。

2）冷却水全年平均供回水温度在30～33 ℃，冷却水系统运行在“大流量小温差”高耗能工况。

3）冷却塔控制柜在冷却塔设备旁，为手动控制，无法在机房内对冷却塔进行控制。

4）循环水泵虽然安装有变频器，但均运行在工频手动模式。因此无法实现自动加减设备、水泵变流量调节控制。

针对以上问题，在保证空调系统满足医院正常供冷需求的前提下采用加装水泵变频装置，安装冷却塔节能控制装置与建设冷源系统节能优化控制系统等方式，实现循环水泵变频控制，冷却水系统与冷冻水系统“大温差小流量”运行，机房自动无人值守自动控制。

2.2 加装水泵变频装置

在现有中央空调系统定流量系统的基础上，为循环水泵增加装变频装置，使冷源系统可以通过改变频率匹配空调负荷变化，减少水泵输送能耗。

水泵变频控制采用PID 控制逻辑。当建筑负荷发生变化时，空调末端的电动调节阀根据情况打开或关闭，进而引起末端压差改变。末端安装有压差传感器，用于实时监控末端压差变化。系统为维持压差恒定，当传感器检测到压差变化时，通过PID 运算输出调整值给变频器以改变冷冻水泵频率，进而通过改变水泵转速达到控制水泵流量的目的[7，8]。冷却水泵的变速是根据冷却塔进、回水温度进行调节的，当二者温差较大，说明系统散热量较大，此时温度传感器将信号传送给变频器，经PID 运算后冷却水泵转速增大，冷却水量增大。

2.3 安装冷却塔控制装置

改造前冷却塔之间存在水利不平衡状态，水流分布不均匀的现象。节能改造中，将现有的横流式冷却塔分组控制，改造为分台智能控制，实现冷却水水流最优平衡分配，冷却塔风机以最佳台数、最佳效率运行，充分发挥出冷却塔的最大冷却效果。冷却塔节能控制主要包括几个方面：

1）温度控制。空调系统的冷却水系统中设冷却塔旁通管。在室外温度低时，系统可能因为冷却水温度较低而导致主机运行故障，此时打开旁通阀混合部分常温水进而提高冷却水温度，确保系统正常运行。

2）风机控制。冷却塔风机控制主要体现在风机的频率和风机开启台数控制。以冷却水回水温度为监测和控制参数，在保证冷源系统高效运行的基础上，根据室外干球湿球温度实时调节冷却塔的风机运行台数、冷却水泵的运行频率，使冷却塔运行在最佳能效比区域，降低冷却水系统运行能耗。

3）液位控制。冷却塔设有水盘，其中设有液位传感器用于监测水盘冷却水液位，当液位超出设定液位上下限值，系统发出报警，防止由于冷却塔缺水导致制冷效果不良。

2.4 安装风机盘管联动控制装置

风机盘管联动控制装置包括窗磁开关，控制器和风机盘管，可实现窗户开闭状态和风机盘管的联动控制，在空调区域的窗户安装窗磁开关，用于感应窗户开启和关闭状态，并将其接入可控制风机盘管开闭的控制器中，形成联动，在窗户开启时通过控制器自动关闭风机盘管，避免冷量外泄造成浪费，达到节能运行的效果。

窗磁开关的输入端通过数据线连接控制器，将检测到的信号传送给控制器，控制器的输出端通过数据线连接风机盘管的输入端。控制器能够控制风机盘管使其实现开窗停机、关窗运行的功能。

2.5 建设冷源系统节能优化控制系统

冷源系统节能优化控制系统通过对相关设备参数进行实时采集监控和优化调节，最终利用无人值守控制技术实现运行管控目的。

1）实时监测。通过在冷源系统的适当位置设置压力、流量、温度等传感器实时监控系统的运行参数，空调系统集中控制系统根据各传感器的监测参数实时调节系统运行状态包括冷源系统的管道温度、压力、流量等参数，并显示在监控平台界面（图2）。

图2 监控平台显示界面

2）智能管控。对冷源系统中的各个设备，包含制冷主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等进行优化控制，对冷源系统可进行远程手动/自动控制、回水温度设定、冷冻系统频率设定、冷却系统频率设定、冷却塔温度和循环时间设定等冷源系统的控制参数设定，对冷水主机进行远程手动/自动控制、主机温度模式设定、主机出水温度设定、冷水主机启动焓值设定、冷水主机加减载/开关机参数设定等冷水主机的控制参数设定，对冷冻系统进行远程手动/自动控制、供水压力/压差设定、频率控制模式控制、水泵频率限值设定、旁通阀开度设定、旁通阀延时设定等冷冻系统的控制参数设定，对冷却塔进行远程手动/自动控制、系统温差设定、频率控制模式控制、水泵频率限值设定、温差限值设定、冷却塔控制等冷却系统的控制参数设定，对进行远程手动/自动控制、回水温度设定、供水温度设定、循环时间设定等冷却塔的控制参数设定等。此外，系统还可通过互联网进行远程操作，保证空调冷源系统的节能运行以及无人值守的管理控制模式。

3）能耗统计。实现对空调系统、冷却系统、冷水主机、设备能耗、能耗统计报表的数据展示和查询，平台可展示冷源系统的冷水主机、系统水泵、冷却塔、冷源系统用电量的逐时实时数据，包括初始值、结束值、统计值，以5 分钟间隔记录一次，并能选择查询时间和导出报表功能。

3 环境效益与经济效益分析

3.1 改造前后空调系统耗能对比

依据《节能量测量和验证技术要求中央空调系统》（GB/T 31349-2014）[9]，对该医院空调节能改造项目进行节能评估，采用相似日比较法计算空调节能改造后的节能率，利用节能控制系统监测记录的耗电量数据进行分析计算。相似日内，空调冷源系统逐时运行能耗如图4 和图5 所示。相似日内，节能措施关闭状态下空调系统全天电耗为10326.64 kW（图3），节能措施开启状态下空调系统全天电耗为8549.30 kW。

图3 节能措施关闭状态下空调系统电耗

图4 节能措施开启状态下空调系统电耗

3.2 环境效益和经济效益

依据《节能量测量和验证技术要求中央空调系统》（GB 31349-2014）第6.2.4 条，采用相似日比较法时节能率按照下式计算：

式中：ηs——节能率；Sb——节能措施关闭状态下测试日的能耗，kWh；Sr——节能措施开启状态下测试日的能耗，kWh。

经计算，该空调系统经节能改造，节能率可达17.2%，每天节能量为1777.34 kW，按照空调系统每年5 月～10 月运行，184 天，年节能量可达32.70 万kWh，根据《公共建筑运营单位（企业）温室气体排放核算方法和报告指南（试行）》，各类温室气体年减排量如表1所示。按照电费单价0.8 元/kWh，每年节约费用约为26.16 万元。

表1 空调系统改造温室气体年减排量

4 结论

根据现场调研制冷机房运行状况和空调系统运行数据并进行分析，发现医院空调系统存在机房无控制系统、冷冻水系统与冷却水系统常在“大流量小温差”工况下运行、高耗能工况。无法在机房内对冷却塔进行控制等问题。因此，在保证空调系统满足医院正常供冷需求的前提下采用加装水泵变频装置、安装冷却塔节能控制装置与加装冷源系统节能控制系统等策略对空调系统进行节能改造。

采用节能调控策略后，依据《节能量测量和验证技术要求中央空调系统》（GB/T 31349-2014）对系统进行测试，结果显示，节能率可达17.2%，年节能量为32.70 万kWh。环境效益和经济效益非常可观。