蒸发冷凝式冷水机组在华南医院的应用及管理

陈志杰 孔丽丽 吴嘉裕

1 中山大学肿瘤防治中心 广东广州 510555; 2 广州华伸机电设备有限公司 广东广州 510220

蒸发冷凝式冷水机组不同于常见的水冷式冷水机组,该形式的主要特点是合并了冷却塔和冷凝器,集成为蒸发冷凝器,取消了冷却水泵,减少了冷却水泵耗电,具有结构紧凑、节能高效的优点[1-2]。在人流密集、用地紧张的地铁站,蒸发冷凝式冷水机组已经得到了广泛应用[3]。由于医院人流较多,用地也同样紧张[4],近年来,蒸发冷凝式冷水机组在医院领域也逐渐得到了重视和应用[5]。但是,蒸发冷凝式冷水机组的蒸发冷凝器需要采用风扇散热,因此此类机组不能布置在封闭的机房,通常只能布置在医院建筑的屋面或其他户外位置,日晒雨淋[6-7]。且蒸发冷凝器的冷却水环路较短,冷却水存水量少,在主机运行期间,冷却水的浓缩速度极快,极易引起蒸发冷凝器结垢[8-9]。综上原因,蒸发冷凝式水冷机组故障率通常要高于水冷式冷水机组。

医院需要空调系统稳定运行,提供稳定的冷源供应,以保证手术室、ICU及其他重点场所维持合适温湿度,起到保护易感人群的作用[10]。因此,蒸发冷凝式冷水机组如何合理设计和配置,在使用过程中如何高效稳定运行,如何开展维护管理,降低机组的故障频率,是影响其在医院推广和应用的重要因素[11-12],目前,蒸发冷却技术在中国新疆、青海等气候较为干燥的地区已得到广泛的应用及研究[13],而华南地区的相关研究和应用经验较少。本文将以广州市某医院为例,介绍蒸发冷凝式冷水机组在医院的应用,并从冷源设计、运维保养、水质管理、能效等角度探讨其运行管理策略。

1 蒸发冷凝式冷水机组在医院的应用

1.1 蒸发冷凝式冷水机组工作原理及特点

如图1所示为蒸发冷凝式冷水机组结构示意图,由图可知,蒸发冷凝式冷水机组也是有空调的四大部件构成:压缩机、冷凝器、蒸发器和膨胀阀,与其他机组不一样的是此处的冷凝器采用了蒸发冷却式冷凝器。蒸发冷凝器主要部件有冷却风机、布水器、冷凝器、集水盘、水箱和循环水泵,循环水泵将水箱的水抽至布水器,布水器将冷却水均匀喷淋在冷凝器上,通过冷却风机从冷凝器两侧引入新风与冷凝器管壁和喷淋水进行热交换,带走冷凝器的热量,使冷凝器中的冷媒从气态冷却为液态,换热后剩余的喷淋水则通过集水盘汇聚到水箱中循环利用。

图1 蒸发冷凝式冷水机组结构示意图

由于蒸发冷凝器十分紧凑,冷却水的存量少,在机组制冷过程中,大量的冷却水被蒸发,当水箱水位低于某一限值,水箱将启动自动补水。由于冷却水不断蒸发,即便有补水,水箱的电导率仍会不断升高,当电导率升高到设定值或者达到设定的排水周期时,会触发机组的排污阀门,排放水箱中的水,并重新补水。

1.2 基于蒸发冷凝式冷水机组的冷源系统设计

图2为广州市某医院住院部冷源系统图,表1为蒸发冷凝冷水机组参数表,表2为相应冷冻水泵泵组的参数表。该冷源系统共有4台蒸发冷凝式冷水机组,采用了三大一小模块化布置,利于节能和备用。3台制冷量较大的冷水机组输入功率为345 kW,制冷量达1 514.1 kW,系统名义能效比(COP)为4.39,匹配了4台流量为300 m3/h、扬程为32 m、功率为45 kW的冷冻水泵,其中1台水泵作为备用。1台制冷量较小的冷水机组输入功率为118 kW,制冷量达516.8 kW,系统名义COP为4.38,匹配了2台流量为100 m3/h、扬程为30 m、功率为15 kW的冷冻水泵,其中1台作为备用。由图2可知,采用蒸发冷凝式冷水机组无须设计冷却塔和冷却水泵,而采用蒸发冷凝器代替,由表1可知,蒸发冷凝器需由水流量为85 m3/h、功率为6.5 kW的循环水泵驱动冷却水循环即可,循环水泵功率远小于常规冷却水泵功率。

图2 冷源系统图

值得注意的是,大机组所需的冷冻水流量明显大于小机组所需的冷冻水流量,因此,大机组和小机组的冷冻泵组不能共用,两者须根据机组台数和冷冻水流量需求,分别配置的冷冻泵组,两套泵组的扬程不能相差过大,否则容易引起流量紊乱。

表1 空调主机参数

表2 冷冻水泵参数

2 蒸发冷凝式冷水机组运行管理

2.1 日常运行巡检

中央空调系统是保障医院正常运行必不可少的机电系统之一,须确保冷源系统、特别是冷水机组的24 h正常运行[14]。结合广州市某医院蒸发冷凝式冷水机组运行经验,总结以下措施来保障蒸发冷凝式冷水机组系统24 h运行:①成立24 h值守班组,实行12 h两班倒工作制,每班确保2人值班。②每2 h检查及抄表1次。③建立空调值班制度、事故上报制度、空调系统安全操作规程等,并在机房值班室等显眼位置粘贴上墙。④每半年组织一次应急演练、技能培训和岗位考核。

2.2 维护保养

表3是蒸发冷凝式冷水机组重点维保内容。蒸发冷凝式冷水机组的压缩机、蒸发器和膨胀阀三大部件与水冷式冷水机组区别不大[15],技术相对成熟,故障率相对较低,可参考常规水冷式机组开展维保工作[16]。而蒸发冷凝器的维护保养工作则与水冷式机组的冷凝器有较大不同,主要在于:①蒸发冷凝器由于冷却水蒸发速度快,钙镁离子的浓缩速度快,导致蒸发冷凝器极易结垢。因此,宜每月检查一次蒸发冷凝器翅片结垢情况,每年进行一次翅片除垢处理。②蒸发冷凝器的排风机和冷却循环泵直接影响冷凝器散热,若两个部件故障,会直接引发机组的排气高压报警停机。因此,宜每月检查一次排风机和冷却循环泵,及时给转动轴承加注机油。③顶部面板、布水管容易结垢,托水盘容易堆积淤泥,因此,宜每月清洁一次顶部面板、布水管,托水盘每月排污一次。④电导率探头用于实时检测托水盘内冷却水的电导率,电导率高于设定值时,会释放信号控制排水阀排放托水盘的存水,控制补水阀补充自来水,以降低托水盘内的离子浓度和电导率,减缓蒸发冷凝器结垢速度。若电导率探头、补水阀、排水阀失效,容易造成蒸发冷凝器严重结垢或者自来水持续补水的后果。因此,宜每月对电导率探头、冷却水补水阀和排水阀检查一次。

表3 蒸发冷凝式冷水机组重点维保内容

2.3 水质管理

水质管理是蒸发冷凝式冷水机组最重要和难度最高的维保工作之一,水质管理的好坏对空调系统能耗水平和设备寿命影响极大[17-18]。图3是表1中一台空调主机1在环境温度30.7 ℃、环境湿度60%、负载率为77%的条件下,蒸发冷凝器冷却水电导率随空调主机运行时间的变化趋势。在3 h内,冷却水电导率上升了一倍,由208.5 上升到424 ,浓缩速度很快。因此造成冷却水盘内钙镁离子平均浓度较高,若不正确进行水质管理,会导致蒸发冷凝器极易结垢。广州市某医院经过近2年多的实践研究,发现系统控制法、化学法和软化法是行之有效的水处理方法,三种方法共同使用能大大减缓蒸发冷凝器结垢速度。

图3 蒸发冷凝器冷却水电导率随空调主机运行时间变化趋势

2.3.1 系统控制法水质管理 为了减缓蒸发冷凝器的结垢速度,冷却水盘内会安装电导率探头,实时监测冷却水电导率,根据GB/T 29044《采暖空调系统水质》的要求,冷却循环水电导率不得超过800 μs/cm。因此,通常设定超过800 μs/cm时,自动触发冷却水盘排水阀和补水阀联动排水和补水。电导率探头故障时,冷却循环水持续排水补水或者持续不排水不补水,为了避免这种情况的发生,一般会设计周期性排水补水逻辑程序作为备用。当电导率探头故障时,触发周期性排水补水逻辑程序,当系统累计运行满8 h(根据使用情况调整)后进行一次排水和补水。见图4。

图4 冷却水盘排水逻辑图

2.3.2 化学法水质管理 虽然通过上述系统控制法可以不断更新冷却水盘的存水,但是其阻垢效果仍难以达到要求,且无法起到缓蚀、杀菌和灭藻的作用,因此,需要采用投加化学药剂的方法加强蒸发冷凝器的阻垢、缓蚀、杀菌和灭藻。投加的化学药剂主要包括阻垢剂、缓蚀剂和杀菌灭藻剂,药剂的化学特性须根据蒸发冷凝器铜管和翅片的材质兼容,以免腐蚀铜管和翅片。一般不采用含氯等氧化性强的化学药剂,以免腐蚀铜管和翅片,缩短设备寿命。

由于蒸发冷凝器一般在8 h内会完成一次排水和补水,周期较短,若采用人工方法一次性投加药剂,很快会被排走,药剂在冷却水箱停留时间短,无法进行有效的水质管理。因此,建议采用自动加药装置进行水质管理。如图5所示,阻垢剂、缓蚀剂和杀菌灭藻剂储存在自动加药装置药桶中,在冷却水盆排水结束后,自动加药装置的加药泵自动启动,把化学药剂注入至冷却水箱,使冷却水箱的冷却循环水保持相对稳定的药剂浓度,从而起到阻垢、缓蚀、杀菌和灭藻的作用。

2.3.3 软化法水质管理 为了达到更好的除垢效果,软化水设备也建议应用到蒸发冷凝器水质管理。如图5所示,软水器安装在冷却水箱补水管处,自来水先进入软水器的树脂罐中,自来水中的钙镁离子由于带较强电荷,会替换树脂中的钠离子。经过离子交换后,钙镁离子就被吸附到软水器的树脂中,自来水钙镁离子浓度大大降低,水质变软,然后再补充至冷却水箱中。蒸发冷凝器的冷却循环水由于补水的钙镁离子浓度很低,结垢速度也会大大降低,从而保护了蒸发冷凝器。

图5 增加自动加药装置和软化水装置后蒸发冷凝器系统图

3 蒸发冷凝式冷水机组能效分析

研究人员选取了广州市夏天3个常见的天气工况,对其中2台1号空调主机开展了性能实测,如表4所示。研究人员通过保持2台冷水机组负载率在95%～99 %区间、冷冻水流量390 m3/h,测试了3种不同气温和环境湿度下,机组COP变化情况。测试结果如图6所示,工况1气温较低,但环境湿度达93%,蒸发冷凝器换热能力较低,导致2台机组的COP值都相对较低。工况2气温较高,但环境湿度较低,因此2台机组的COP均高于工况1。工况3气温与工况2差不多,但湿度更低,2台机组的COP最高,接近机组的名义COP(4.39)。由此可见,在广州夏天工况下,蒸发冷凝式冷水机组运行COP一般介于3.58～4.34之间,能满足一级能效的要求。而市面上水冷式冷水机组COP普遍可以达到6.0以上,尽管蒸发冷凝式冷水机组的应用减少了冷却泵组耗电,但总体能耗水平仍低于水冷式冷水机组。

表4 冷水机组性能实测工况表

图6 不同工况下机组COP变化情况

4 结论

本文以蒸发冷凝式冷水机组在广州市某医院的实际应用为案例,分析了该型式机组在医院中的应用特点和运维经验,主要有以下结论:①一般采用模块化布置,有利于节能和备用;②在运维方面,需要保持24 h人员值班及全天候运行。重点开展蒸发冷凝器的清洗、除垢及水质管理工作;③通过系统控制法、化学法和软化法的共同使用能大大减缓蒸发冷凝器结垢速度。④在广州夏天工况下,蒸发冷凝式冷水机组运行COP一般介于3.58～4.34之间,能效水平仍低于冷水式冷水机组。