楼宇自控系统在某医院综合节能改造中的应用

文｜杭州互创科技有限公司 徐 坤

北京海湾威尔电子工程有限公司 谢 路

1 概述

在医院能耗中，电力约占64%，为整个医院之主要能源；瓦斯、重油等约占11%，主要用在供应蒸汽、热水、消毒、洗缝、厨房及冬季暖气。其中，如以电力分析，空调约占50%，照明、插座约占34%，所以空调、照明为医院节能管理重点。以下主要分析楼宇自控系统在某医院综合节能改造的应用。

由于某医院综合节能改造分为两个阶段实施，前期为空调风系统和水系统的改造，后期为控制系统改造。所以本次案例分析包括空调水系统、风系统和控制系统的改造过程。

2 水系统

2.1 系统概况

某医院中央空调机房位于地下一层，中央空调水系统由4台离心式冷水机组、5台冷冻水泵（4用1备）、5台冷却水泵（4用1备）和4台冷却塔（位于三层）组成，其中冷冻泵和冷却泵采用星三角启动方式，冷却塔采用直接启动方式。详细情况如表1所示。

2.2 改造系统硬件配置

（1） 模糊控制柜：1台，集中监控冷水系统，同时预留一个ModBus RTU通信接口，用以与中控计算机集成。

（2）冷冻水泵控制柜：3台90kW Y10型，1台90kW Y20型。

表1

（3）冷却水泵控制柜：3台132KW Y10型，1台132kW Y20型。

（4）冷却塔转换箱：1台，控制4台冷却塔，冷却塔内风机均为独立控制。

（5）电能计量箱：4个独立电度表，监测主机能耗。

（6）现场仪表：包括12个温度传感器、1台插入式流量计、1个压差传感器，用以监测中央空调过程参数。

3 风系统

3.1 风系统改造范围

某医院共31台风柜，其中混风机柜8台，新风机柜23台。根据现场勘查和技术评估对风柜改造做如下处理。

门诊负一层太平间车道旁的风柜不具备节能改造条件。原因有两点：

（1）其供风区域为太平间解剖室，为特殊环境要求区域。

（2）L=6286m3/h，设计偏小，不宜再降低送风量，建议这台设备不做改造。

门诊一楼急诊室输液室、走廊和门诊一楼急诊室、走廊以及门诊三楼信息科等地方人员密集，需要新风量大，但风柜配置偏小，不能再降频减小其新风量，设备通过总上位对其进行远程启停控制，建议不再对其风量进行控制（即取消变频控制），但对其冷水阀进行远程集中监控及优化控制。

在合同的条款上增加温湿度采集器，采集室外的温湿度，对分区比例阀的控制提供一个参考依据。

为了便于分区控制以及风机控制、现场环境监测和设备状态监测，新增加上位机一台，以及上位监控软件一套和操作台一台，串口通信卡2张，RS485中继器6套。

综上所述，某医院的风系统节能改造范围为30台风柜，其中混风机8台，新风机22台。在进行节能计费过程中，门诊一楼急诊室输液室、走廊和门诊一楼急诊室、走廊以及门诊三楼信息科处空调风柜不纳入节能计费设备中。

4 控制系统

4.1 风机盘管温控器联网系统改造

在楼宇自控系统中，中央空调中的空调和新风机组进行监控，取得良好的节能效果。但风机盘管末端控制却一直处于机械控制，无法进行有效的管理。传统上对风机盘管系统的控制比较简单，还是最原始的产品，机械式的三速开关温控器，可以现场设定高、中、低风速，进行初步的温度控制。但无法实时看到房间温度，不能够进行风速的大小自动调节以及各种节能模式的应用。

海湾风机盘管控制系统为中央空调的使用由“供多少用多少”到“用多少供多少 ”这种质变的实现提供了基础，体现了按需使用、按用量收费、“多用多付，少用少付”、“用多少付多少”的基本收费原则。这不仅可以使物管部门在收费问题上有据可依，减轻了物业管理工作量，提高了物业管理公司的工作效率。同时，提高了计费工作的准确性、合理性，还可以引导用户树立正确的消费观念，促使用户节约能源，减少中央空调系统的工作负荷，延长设备的使用寿命，降低运行费用，达到减负增收的双重效果。采用联网型温控器可以实现由控制中心对风机盘管的工作状态进行控制，在写字楼和政府的办公楼采用温控器可以实现定时启停风机盘管，可以由控制中心强制设定房间温度，从而实现最大程度的节约能耗。

4.1.1 温控器功能

◆ 温控器开、关控制：设定室内温度，显示室内温度；

◆ 手动或自动控制风机三速：自动风状态显示实际工作风速；

◆ 制冷、制热及通风模式设定：现场设置风机是否受控；

◆ 三色背光功能：方便夜间使用，能够外接感应型号；

◆ 可在控制中心设定和控制盘管工作状态，进行现场锁定等功能；

◆ 时钟功能：提供定时开/关机功能，简化日常操作；

◆ 温度校准功能：标准盒安装，美观大方，配合装修；

◆ 提供多种节能管理模式：可以由外部设备触发或控制中心启用；

◆ 本地显示电动阀在各档的运行时间：精确统计空调实际使用状态，提供更合理 、更灵活的空调计费方式。

4.1.2 联网结构

联网风机盘管系统结构，如图1所示。

图1

每个温控器通过总线连接在楼层区域控制集中器上，进而接入楼宇自控系统中。结构直观简单，使用快捷、方便。

（1）模块式设计

系统设计有操作站至控制器，完全是根据控制点的数量及功能而定。而数量方面，可随日后控制点的改变而随意更改而不会影响目前的运作。而每一个控制器也是多功能的，他可以任意调校以达到控制不同的设备。

（2）分散式设计

整个系统的基础为不同的控制器联网，控制器的位置完全取决于设备的位置，不受其他任何限制。

系统通过对风机盘管的控制，控制出风量及温度设定值：根据实际使用情况起动风机，可以大大节省电量、水量、蒸气量，以求达到更高的经济效益。

系统控制显示功能包括：密码系统、控制点摘要、控制点报警、系统的节能控制状况、控制点历史、趋势记录、重要被调参数的动态显示。

4.2 空调冷热源系统改造

4.2.1 冷水机组的控制过程说明

（1）冷水机组的顺序启/停、联锁控制

冷水机组的手/自动状态、运行状态、故障报警和启停控制；冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却水塔风机等进行电气连锁；通过机组提供的通信协议监视机组的各项参数并能修改有关设置。

（2）领先/滞后的控制

为了使每台冷水机组的运行时间趋于合理，通过比较各台机组的运行时间从而决定各台机组开启的顺序。

（3）运行时间的累计

楼宇自控系统（BAS）存储每台机组、每台水泵的运行时间，这些数据将按需要在控制中心PC工作站显示，并自动均衡各设备的运行时间，延长设备使用寿命。

中央空调水系统的基本任务是传送系统工作所需的冷/热量，而水系统传送的冷/热量正比是水流量与水温差的乘积。满足最大负荷需求配置水泵容量的定流量运行方式，在系统的实际负荷为部分负荷工况时，水温差经常远低于额定温差。这种小温差、大流量的运行方式，使水系统输送能效比（ER）达不到《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）的要求。

4.2.2 冷/热水系统节能控制原理

冷/热水系统是连接冷/热源与风机盘管、空调机组等负荷设备的冷/热量传送通道，冷/热水泵为冷/热水循环运动提供机械动力。本产品根据冷/热水的供、回水温差控制冷/热水的流量。

水流量恒定时，冷/热水的供、回水温差将随着空调末端负荷的变化而变化。用安装在冷/热水供、回水总管内的电阻式温度传感器实时检测供、回水温度并将之送至智能控制器的模拟量输入模块，作A/D变换和滤波处理；智能控制器的CPU单元采集供、回水温度，按控制器内建的节能控制算法计算出当前水泵的最佳工作频率，经模拟量输出模块送至冷/热水泵变频器；变频器控制电动机——冷/热水泵组件变频调速运行改变冷/热水流量，进而实现设定供、回水温差下变流量节能运行。

冷/热水泵变流量运行在一定的范围之内进行，不会影响空调主机的安全高效运行。变流量控制保证各并联工作的冷/热水泵在同一频率下运行，不会改变冷/热水系统原有的水力平衡状态。

4.2.3 冷却水系统节能控制原理

冷却水系统是连接制冷主机与冷却塔的热量转移通道，冷却水泵为冷却水循环运动和冷却塔布水器喷淋提供机械动力。本产品根据冷却水的进、出水温差控制冷却水的流量。

冷却水流量和冷却塔散热量都恒定时，冷却水的进、出水温差将随着制冷机组排热需求量的变化而变化。用安装在冷却水进/出水总管内的电阻式温度传感器实时检测进/出水温度并将之送至智能控制器的模拟量输入模块，作A/D变换和滤波处理；智能控制器的CPU单元采集进、出水温度，按控制器的节能控制算法计算出当前水泵的最佳工作频率，经模拟量输出模块送至冷却水泵变频器；变频器控制电动机——冷却水泵组件变频调速运行改变冷却水流量，进而实现设定进、出水温差下变流量节能运行。

冷却水泵变流量运行在一定的允许范围之内进行，扩大冷却水进、出水温差时以冷却水出水温度为基准条件，不会影响制冷机组的安全高效运行。变流量控制保证各并联工作的冷却水泵在同一频率下运行，不会影响冷却水管路原有的水力平衡状态。

4.2.4 冷却塔风机节能控制原理

冷却塔将冷却水携带的热量排入环境大气，在环境大气湿球温度一定的条件下，冷却塔风机的送风量越大，排热效果越好，冷却水的进水温度越低；但制冷机组一般对冷却水的进水温度有低限要求。

对冷却塔风机实施启/停双位控制，设置冷却塔风机启动温度T31和停运温度T32。检测冷却水进水温度T3。当T3＞T31时，启动冷却塔风机并使之在工频下运行；当T3＜T32时，关闭冷却塔风机；当T31≤T3≤T32时，维持风机原有的工作状态。启/停控制方法简易，不设风机变频器。

以上各项均在现场控制器的监视下完成，并可在中央工作站上显示，在楼宇自动控制模式下，自控系统将按程序来操作设备， 在手动模式下，自控系统控制功能失效，但监视报警功能依然有效。在机组运行正常时，机组出现故障报警，系统将在中央工作站或通过网络控制器进行提示，提示以屏幕显示、声音报警、打印输出等方式出现；系统能自动累计机组、水泵的运行时间、并可打印存档，通过合理设定，可对设备的运行实行定时转换，以保持设备平衡运行，延长设备使用寿命。

其中，相关被控设备与本系统联动，所需接口部分由业主在定购设备时完成，做好充分预留。

5 结束语

当前我国的医疗投入在不断增长，同时也出现卫生保健的投入与产出差距也在持续拉大的局面，迫切需要我们加强这方面的研究。新时期的医院工程建设需要遵循我国倡导的建设节约型社会的主张，让楼宇自控系统真正起到能源合理控制和能源合理管理的作用，运用科学理性的概念与决策来进行规划。建设节能型的绿色医院不仅仅是降低医院的运行成本，也可以减轻社会对医疗卫生的运行维持成本的负担。这无论对医院、对设计者、运营管理者，乃至对社会来说都具有现实意义。