醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制改造與實現(xiàn)

引言

近年來,隨著醫(yī)療設(shè)備的不斷更新?lián)Q代,醫(yī)療服務(wù)水平的不斷提升,我國大部分醫(yī)院尤其是綜合性三甲醫(yī)院的能耗普遍存在逐年遞增的趨勢。在醫(yī)院運行過程中,中央空調(diào)系統(tǒng)是醫(yī)院正常運轉(zhuǎn)必需且能耗較高的設(shè)備。在中央空調(diào)機房設(shè)備的運行中,常規(guī)的一次泵定流量系統(tǒng)常常會出現(xiàn)冷凍水回水溫度低、冷凍水流量高于設(shè)計值、機組效率低等問題,從而導(dǎo)致能耗偏大、費用偏高等現(xiàn)象。其次,控制系統(tǒng)缺乏正常的自動控制和管理功能,影響了管理水平的進(jìn)一步提高及設(shè)備的使用壽命。而在競爭日益激烈、節(jié)能形勢越來越嚴(yán)峻的形勢下,醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)可采用冷源站節(jié)能控制系統(tǒng)及末端空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)有效解決節(jié)能問題。

1中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)簡介

本控制系統(tǒng)是通過對廣東地區(qū)某三甲醫(yī)院的中央空調(diào)設(shè)備各個機構(gòu)的運行參數(shù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集,分析運行數(shù)據(jù)并優(yōu)化系統(tǒng)控制算法對系統(tǒng)的各執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行實時控制,本系統(tǒng)具有延長設(shè)備使用壽命、節(jié)省設(shè)備運行能耗、簡化管理、提高系統(tǒng)安全性能等特點。本系統(tǒng)是一種冷源站節(jié)能控制系統(tǒng),具體包括冷水機組智能控制子系統(tǒng)、冷凍水智能控制子系統(tǒng)、冷卻水智能控制子系統(tǒng)以及冷卻塔智能控制子系統(tǒng),可根據(jù)冷凍水管路狀態(tài)、冷水機組狀態(tài)、冷凍水泵狀態(tài)、冷卻水管路狀況、冷卻水泵狀態(tài)、冷卻塔風(fēng)機狀態(tài)等反饋的各種傳感器數(shù)據(jù),經(jīng)過中央處理單元進(jìn)行運算、判斷,對各種動作執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行實時閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件組成

如圖2所示,中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)硬件主要由中央控制器、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)組成。中央控制器采用西門子的s7-1200可編程控制器(PLC）,該PLC具有組態(tài)靈活、支持PID自動調(diào)節(jié)等功能特點,非常適合本項目的功能需求:系統(tǒng)傳感器包括冷凍水(供回水）管道溫度傳感器、冷卻水(供回水）管道溫度傳感器、冷凍水供回水管道壓力傳感器、冷凍水回水管道流量變送器:系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)包括冷水機組蒸發(fā)器進(jìn)口電動蝶閥、冷水機組冷凝器進(jìn)口電動蝶閥、冷卻塔進(jìn)口電動蝶閥、分集水器旁通電動控制閥、冷凍水泵進(jìn)水電動蝶閥、冷卻水泵進(jìn)水電動蝶閥、冷凍水泵變頻器、冷卻水泵變頻器。

3系統(tǒng)節(jié)能控制軟件系統(tǒng)

中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)采用冷源站節(jié)能控制系統(tǒng)和空調(diào)末端系統(tǒng)節(jié)能控制系統(tǒng)綜合優(yōu)化算法,跟蹤冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔和風(fēng)機及電動調(diào)節(jié)閥的運行曲線,對每臺設(shè)備采用主動式控制,對整個機房設(shè)備采用集成式控制,通過運算分析,選擇最優(yōu)的節(jié)能控制方案,及時調(diào)整各設(shè)備的運行工況,確?？照{(diào)系統(tǒng)的風(fēng)量、水流量、溫度和壓差等運行參數(shù)最優(yōu)及設(shè)備運行效率最高,從而使系統(tǒng)能效(C0P值）最高,能耗最低,能源費用最小。最終實現(xiàn)整個制冷系統(tǒng)綜合能耗最低的目標(biāo)。中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)控制流程為:

(1）啟動冷水機組:根據(jù)負(fù)荷需求及每臺冷水機組的累計運行時間選擇運行時間最短的冷水機組(延長冷水機組壽命）,確認(rèn)此冷水機組的冷卻水電動蝶閥和冷凍水電動蝶閥處于開啟狀態(tài)后,啟動設(shè)備冷卻水泵,確認(rèn)其處于開啟狀態(tài)后,啟動冷凍水泵,確認(rèn)其處于開啟狀態(tài)后,再開啟冷水機組,隨后啟動冷卻塔設(shè)備。每增開一臺冰水機組按照此流程進(jìn)行判斷及動作執(zhí)行。

（2）關(guān)閉冷水機組:根據(jù)負(fù)荷及每臺冷水機組的累計運行時間選擇運行時間最長的冷水機組,控制系統(tǒng)發(fā)送冷水機組關(guān)閉指令,確認(rèn)其處于關(guān)閉狀態(tài)后,控制系統(tǒng)發(fā)送冷凍水泵關(guān)閉指令,確認(rèn)其處于關(guān)閉狀態(tài)后,冷水機停機后延時5min,系統(tǒng)發(fā)送對應(yīng)的冷卻水泵及冷卻塔設(shè)備的關(guān)閉指令。每減少一臺冰水機組都按照此流程進(jìn)行判斷及動作執(zhí)行。

（3）開啟冷卻塔:系統(tǒng)采集冷卻水的進(jìn)水溫度,如果進(jìn)水溫度高于設(shè)定值,系統(tǒng)查詢每臺冷卻塔的累計運行時間,選出運行時間最短的冷卻塔,系統(tǒng)發(fā)送該冷卻塔風(fēng)機開啟指令。

(4）關(guān)閉冷卻塔:系統(tǒng)采集冷卻水的進(jìn)水溫度,如果進(jìn)水溫度低于設(shè)定值,系統(tǒng)查詢每臺冷卻塔的累計運行時間,選出運行時間最長的冷卻塔,系統(tǒng)發(fā)送該冷卻塔風(fēng)機關(guān)閉指令。

(5）冷水機組負(fù)荷切換控制:冷水機組的負(fù)荷切換控制也是由智能控制系統(tǒng)完成的。智能控制其實是通過對冷熱負(fù)荷的計算,根據(jù)用戶端的負(fù)荷情況向其控制系統(tǒng)提交負(fù)荷切換控制需求,同時監(jiān)測其動作反饋,避免了“大馬拉小車"“小馬拉大車"的不合理現(xiàn)象。中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)控制軟件界面如圖3所示。

4節(jié)能效益分析

本項目以廣東地區(qū)某三甲醫(yī)院節(jié)能改造為例進(jìn)行分析,增加中央空調(diào)智能化控制系統(tǒng)后,主機（冰水機組)節(jié)能率達(dá)3.5%,輔機（冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)）節(jié)能率達(dá)25.45%,項目綜合節(jié)能率達(dá)10.37%,項目改造前后節(jié)能效果對比分析如表1所示。項目改造后年節(jié)約電量約44.69萬kw·h,年節(jié)電金額約29.4萬元,項目總投資約26萬元,設(shè)備靜態(tài)投資回收期約8.8個月,節(jié)能效益非常顯著。

5結(jié)語

本項目為中央空調(diào)系統(tǒng)綜合節(jié)能改造項目,采用了成熟的水泵變頻控制技術(shù)和主機智能模糊控制技術(shù),充分利用了現(xiàn)有設(shè)備和場地,以成本較低的方式實現(xiàn)了節(jié)能收益最大化。該技術(shù)節(jié)能效果顯著,可在滿足醫(yī)院正常供冷需求的同時,減少能源消耗,提高能源利用效率。本項目節(jié)能控制技術(shù)除了可在醫(yī)院推廣應(yīng)用外,還可以推廣到其他類型的公共建筑或國家公共機構(gòu),對國家節(jié)能減排及實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。