大連某醫院空調系統能耗分析與節能改造

劉 帥，高 興，張金徽

（大連海洋大學，遼寧 大連116021）

0 引言

近年來，節能成為我國重點關注對象，醫院作為能耗 “大戶”，自然備受關注。據統計，醫院建筑能耗已經上升到社會總能耗的1／3［1］。據相關資料表明，醫院的能耗情況是一般公共建筑的兩倍［2］，所以，對醫院進行節能改造有很重要的現實意義。綜合醫院能耗情況的組成部分包括空調、電梯、照明、生活用水、醫療設備等，其中醫院空調系統能耗情況占整個醫院建筑能耗的65%［3］?？照{系統由冷水機組、組合式空調機組、輸送設備組成，冷水機組能耗占整個空調系統的55.53%，所以，降低冷水機組運行能耗便成為空調系統節能降耗的關鍵［4］。本文通過對大連某醫院潔凈空調設備及能耗情況進行現場調查，發現某醫院潔凈系統兩臺冷水機組存在 “大馬拉小車”的情況，單臺冷水機組是雙頭螺桿式壓縮機，全年僅有7、8月份需要兩臺冷水機組共同運行，其他月份僅是單臺機組運行，甚至個別月份單個機頭運行就可以滿足要求。本文對冷水機組進行改造，選擇合適的機型，并對某醫院手術室按照不同的溫區進行劃分，解決一個房間溫度適合，其他房間過冷過熱的問題。然后進行能耗計算與經濟分析，結果顯示較2018年比節能18.95%，節能潛力巨大。

1 理論計算

1.1 改造后工況確定及熱力計算

改造前某醫院潔凈系統凈包括28個手術室、3個ICU病房和潔凈走廊等，7樓有36臺組合式空調機組、2臺冷水機組。改造后本文以R22為冷媒，潔凈空調系統共需1100kW制冷量，冷水進出水溫度為7℃、12℃。蒸發溫度為2℃，冷凝溫度為38℃，本文蒸發溫度＞－5℃，所以不采用過冷技術，過熱度為5℃。

根據蒸發溫度以及冷凝溫度，運用負荷計算軟件查得相關焓值，計算如表1所示。

1.2 潔凈系統改造后設備選擇

（1）壓縮機選型

壓縮機的級數由壓縮比決定，壓縮比＝Pk／P0＝2.774。由于本文采用R22制冷劑，當壓縮比≤10時，選擇單級壓縮機，當壓縮比＞10時，選擇雙級壓縮機，因為本文壓縮比＝2.774＜10，所以選擇單級壓縮機。因需要1100kW制冷量，理論輸氣量為1465.2 m3／h，根據 《實用制冷工程設計手冊》選擇LG25F440D型號螺桿式壓縮機。參數如下：LG25F440D型號壓縮機，在標準情況下制冷量Qb為1130kW，配用電機功率為440kW，理論輸氣量2160 m3／h。臺數的確定：

所以選擇一臺壓縮機就足夠。與其相配合得配用電機型號為JK134－2，功率為440kW。

（2）電子膨脹閥選型

用丹佛斯軟件選擇電子膨脹閥型號，根據制冷量、蒸發溫度、冷凝溫度等已知條件設定參數，結果顯示選擇型號為ICM25－A的電子膨脹閥。

（3）冷凝器選型

冷凝器的選擇取決于當地的水溫、水質、水源、氣候條件等因素。因為大連水溫較高、水量比較充足，所以選擇臥式套管式冷凝器。

表1 熱力計算表Tab.1 Thermodynamic table

1）冷凝器熱負荷計算：

式中：QC為冷凝器熱負荷，kW；h2s為壓縮機實際排氣的比焓，kJ／kg。

2）冷凝器傳熱面積的計算：

式中：Ac為冷凝器的傳熱面積，m2；K為冷凝器傳熱系數，W／（m2·K）；臥式套管式氟利昂冷凝器的K＝800～900W／（m2·K）。

式中：△tm為制冷劑與冷卻介質之間的對數平均溫度；A為裕量在10% ～15%之間，本文取0.13；t3為冷凝器出口，℃；t4為冷凝器進口溫度，℃；△tm由 《制冷裝置設計》知，對于臥式氟利昂冷凝器一般在4～6℃，本文取5℃。

根據 《制冷工程設計規范》選擇DWN－360型冷凝器，360 m2＞334.235 m2，選擇合適。

對某醫院潔凈系統改造前后的能耗情況進行比較。改造后如圖1所示：改造后將原系統的兩臺冷水機組進行更換，其他組合式空調機組等不變。本文將整個手術室潔凈系統分為3個區域，每個區域所處溫度區間不同，手術室一般的溫度區間為16－28℃［5］，本文以4℃作為劃分標準，分別為16～19℃、20～23℃、24～28℃。壓縮機出來的制冷劑流經冷凝器通過三個溫區電子膨脹閥節流，然后進入組合式空調機組內進行換熱，最后分送到各個手術室。

圖1 改造后潔凈系統簡圖Fig.1 Schematic diagram of cleaning system after modification

近三年來冷水機組的能耗情況如表2所示：從圖中可以看出在每年的耗電量相差不多，由于外界天氣的變化引起耗電量的不同。6、9月份耗電量相對較低，7、8月份相對較高，對于6、9月份，機組大部分都是處于部分負荷運行狀態。

改造后潔凈系統的耗電量用IPLV（綜合部分負荷性能系數）進行估算：耗電量＝冷負荷÷IPLV×機組運行時間。

從文獻6、7發現目前我國對IPLV這項指標使用范圍受到很大限制，不適用于多臺冷水機組關聯工作，僅適用于單臺冷水機組。按照現有的公式計算IPLV來計算冷水機組的能耗存在很大偏差，經過文獻8修改驗證后更具有代表性。本文綜合考慮我國不同地區的氣候條件不同，導致對應的負荷權重不同，具體參數見表3。

表2 冷水機組能耗情況Tab.2 Energy consumption of chillers

表3 中國不同區域IPLV負荷權重Tab.3 IPLV load weights in different regions of China

大連屬于寒冷地區，所以對應a、b、c、d取值為0.7%、36.2%、53.4%、9.8%。

2 改造后潔凈系統節能分析

式中：

A—100%時性能系數COP（kW／kW）；

B—75%時性能系數COP（kW／kW）；

C—50%時性能系數COP（kW／kW）；

D—25%時性能系數COP（kW／kW）。

本文以機組的相關數據為依據，估算6月到9月的能耗情況。額定制冷量為1130kW。不同負荷對應的性能系數如表4所示。

表4 部分負荷性能系數表Tab.4 Partial load performance coefficient table

根據表4選擇相對應的部分負荷性能系數，每天的工作時間為8小時，共736小時。經計算后6月份到9月份的能耗為172 0 74.59kW，改造前能耗為212294.1kWh，節能約18.95%。

表5 能耗計算Tab.5 Energy consumption calculation

3 改造后潔凈系統經濟分析

綜合分析大連某醫院潔凈空調系統改造前后的能耗數據，使用單臺冷水機組后節能效果顯著。從圖3中可以看出2016年、2017年、2018年6月到9月總計耗電量分別為216066.50kWh、213968.97kWh、212294.10kWh，從表4能夠看出改造后預估耗電量為172 0 74.59kWh，與2016、2017、2018年相比分別節能20.36%、19.58%、18.95%。大連某醫院用電費用為1元／kWh，將耗電量折合成現金，則2018年4個月一共節省40219.51元，因為大連某醫院只記錄6月到9月潔凈機組的耗電量，所以僅能進行4個月的能耗對比，全年節能效果會更顯著，可見潔凈系統有很大的節能潛力，要引起相關人員的重視。

4 結論

醫院潔凈系統節能潛力非常巨大，應該引起管理層以及工作人員的重視，樹立節能意識。本文采用單臺冷水機組替代原系統的兩臺冷水機組節能效果顯著。大連某醫院潔凈系統大部分時間都是處于部分負荷狀態，所以，冷水機組的自動調節顯得非常重要，要使機組處在50%～75%的狀態運行，從而保持較高的COP。將手術室按照不同的溫區進行劃分，解決一個房間溫度適合，其他房間過冷過熱的問題。本文沒有采用變頻器，如果采用變頻控制，能提高部分負荷運行的效率，但是會增加前期的初投資。采用變頻壓縮機對于這種負荷時刻變化的情況有著顯著的節能效果［9］。