大型医院建筑空调系统节能改造分析与实践

时间：2024-07-28

文/中南大学湘雅二医院谢丹丽滕朝宇潘奕宏

1 概述

随着社会经济快速发展，人们生存环境日益改善，能源消耗加剧。在我国能源消耗占比中，建筑能耗占1/3，其中空调系统能耗在建筑能耗中约占50%～70%，有的甚至高达80%。如何通过节能技术改造有效降低空调系统能耗，减少能源浪费并提高能源利用率，这对节能减排、降低建筑能耗及缓解国家能源紧张局面至关重要。

中南大学湘雅二医院占地面积260余亩，医疗建筑面积39.6万m2，编制床位3500张，拥有40个临床科室及9个医技科室；医院功能用房、病房均设全年舒适空调系统，ICU、手术室、实验室等具有净化要求的区域均设净化空调系统。中央空调系统节能改造是复杂的系统工程，强调节能的系统性和整体性，只有对空调系统运行情况及系统特点进行科学评估，才能发现最佳解决方案。

本文结合中南大学湘雅二医院外科楼A座及内科楼原中央空调系统运行情况及特点，采集数据，分析原有系统弊端，根据医院的实际使用需求，提出最合理方案，利用原有设备，减少成本投入，并在不影响医院正常运行情况下完成对医院中央空调系统的节能技术改造，使医院中央空调系统节能效果平均达25%，是中央空调系统节能改造的成功案例。该案例被湖南省发展和改革委员会评为“湖南省节能改造、资源循环利用典型案例”。

2 原系统运行特点及存在问题

外科楼A座于2005年5月建成并投入使用，为地上20层，地下3层的建筑单体，总建筑面积86000m2，床位数为1482张，ICU、手术室等34间有净化要求的区域均设有净化空调系统。空调所需冷热源由主体建筑地下动力机房提供，空调冷源由3台制冷量3872kW离心式冷水机组与1台制冷量1080kW螺杆式冷水机组承担。

内科楼总建筑面积约98000m2，地下3层，地上25层，大楼功能用房、病房区域均设有全年舒适空调系统，ICU、手术室等有净化要求的区域均设有净化空调系统。空调所需冷热源由主体建筑地下动力机房提供，空调冷源主机选择2台制冷量4219kW离心式冷水机组与1台1920kW螺杆式冷水机组，承担1～5层医技用房、手术室及6～25层病房净化空调的冷负荷。

以原中央空调系统为例，舒适空调系统与净化空调系统组合为大系统，其冷冻水系统采用一次泵定流量双管同程式水循环系统。空调主机为离心式制冷主机和螺杆式制冷主机，空调水系统无自动控制装置，使用无压差旁通控制，空调末端风机盘管支路控制阀门为手动截止阀，截止阀始终处于全开状态，无法对空调末端水流量进行控制。整个空调冷冻水系统为最简单的定流量系统，系统除人为操作外，无法根据负荷变化进行能量调节，能耗较大。原系统主要问题如下。

1）大楼舒适空调系统与净化空调系统为大系统，手术室等净化空调系统需全年24h恒温恒湿，与其他功能用房、病房不一致，尤其在过渡季节舒适空调系统不需开启时，由于净化空调系统需要，仍需整个大系统供应空调。

2）净化空调系统对冷冻水温度要求严格，水温波动较小，出水温度需控制在6℃，因楼体空调水系统共用，易导致舒适区空调管道及出风口凝结冷凝水漏水严重，造成维修工作量加大；净化空调系统亦受舒适空调系统影响，冷冻水出水温度波动大且降温慢，故障报修较多。根据运行经验，舒适空调冷冻水出水温度仅需控制在12℃即可保证舒适空调运行需求。在实际使用过程中，舒适空调系统日间负荷变化与季节性负荷变化很大，如果舒适空调水系统按净化空调水系统的水温需求定温定流量运行，会造成空调主机和循环水泵的能耗浪费，使用寿命也因负载的影响而降低。

3）净化空调系统采用四管制模式，手术室设备负荷大，常年处于制冷再加热过程，即全年需冷热源，设备同时有供冷盘管和供热盘管，温度与湿度由末端净化空调机组（组合式空调箱）自动调节；舒适性空调系统随气候变化供能，一般夏季供冷，冬季供暖，故多采用二管制，供冷和供暖为同一盘管，冷热转换由能源站手动切换。

4）当负荷变化需进行能量调节时，依靠人工启停空调主机与循环水泵的台数满足实际运行工况。夏季空调冷负荷最大，主机全部开启，冷冻水循环水泵与冷却水循环水泵以最大功率组合运行，这种运行方式看似合理，但并非最佳解决方案。冬季及过渡季节仅需净化空调系统供冷时，却仍要开启大制冷量离心式冷水机组及其附属水泵，是典型的“大马拉小车”浪费能源模式，且冬季运行时，离心式制冷主机负荷调节能力差，机组在部分负荷状态下运行能效比下降。

3 节能改造解决方案

基于上述对原中央空调系统运行情况、特点及问题的分析，将舒适空调和净化空调的整体大系统分离为2个相互独立且互不影响的大、小系统，舒适空调大系统可根据负荷变化调节冷冻水供水温度，在满足空调末端负荷需求时合理提高冷冻水供水温度，以降低系统能耗；提高冷冻水供水温度后，可有效降低冷冻水管路传输过程中的损耗，避免舒适区空调管道及出风口凝结冷凝水、漏水等现象，可减少维修工作量及维修费用。系统大小分离后，净化空调小系统能以最小温度波动，对净化空调稳定供冷，不受舒适空调的影响。

3.1 外科楼A座节能改造方案

将净化区空调冷冻水系统与舒适区空调水系统分离，中间用阀门切断，留作主机故障时互为备用，舒适区空调用原有3台制冷量3872kW离心式冷水机组，舒适区空调冷冻水出水温度设置在12℃，满足舒适区空调负荷需求，同时配套使用高效变频节能水泵。净化区空调增加1台制冷量1959kW螺杆式冷水机组，将其与原有制冷量1080kW螺杆式冷水机组合为小系统，高效螺杆式机组能实现15%～100%负荷的无级调节，且部分负荷运行时能效比更高，冷冻水出水温度控制在6℃，水泵采用变频控制，满足净化区空调要求（见图1）。

图1 外科楼A座节能改造细部

3.2 内科楼节能改造方案

增加1台制冷量1959kW螺杆式冷水机组，将其与原有1920kW螺杆式冷水机组合为小系统。对应新增的螺杆式冷水机组需增加1台600m3/h冷却塔，经现场实际情况确认，原有4台900m3/h和1台450m3/h冷却塔满足要求，不需再增加冷却塔，故此次改造暂不增加冷却塔。新增加的冷却水供水管和回水管各自并入冷却供、回水总管上，新增加冷冻供、回水管各自与螺杆机供、回水管合并后接入专供手术室分水器与集水器上（见图2）。

图2 内科楼节能改造细部

4 节能效果分析

根据外科楼A座系统分离前后运行数据，经同期对比，机组按平均每年运行5个月计算，机组未改造分离前总耗电量为6791040kW·h，机组经改造分离后总耗电量为5194080kW·h，每年总节约电量1596960kW·h，折合标准煤527.00t，节能百分比达23.5%。改造投资成本2131000元，按长沙市地区电价1元/kW·h计算，投资成本回收期约16个月。

根据内科楼系统分离前后运行数据，经同期对比，机组按平均每年运行5个月计算，机组未改造分离前总耗电量7426800kW·h，机组经改造分离后总耗电量5457960kW·h，每年总节约电量1968840kW·h，折合标准煤649.72t，节能百分比达26.5%。改造投资成本1939618元，按长沙市地区电价1元/kW·h计算，投资成本回收期约12个月。

节能改造外科楼A座和内科楼每年总节约电量3565800kW·h，折合标准煤1176.72t，平均年节约率达25%。