医院中央空调低碳节能技术的改造措施

李　静　王金荣　冯凯林　郭善水　邓泽江中国中医科学院眼科医院，北京　100040

医院中央空调低碳节能技术的改造措施

李静王金荣冯凯林▲郭善水邓泽江
中国中医科学院眼科医院，北京100040

通过对国内外建筑节能情况分析，掌握现代建筑节能的切入点，结合医院中央空调设备、运行、管理进行节能研究。随着国民经济的飞速发展，建筑能耗占整个能耗的比例逐渐提高，建筑节能在我国的可持续发展中所占比重也在逐渐加大，中央空调设备运行效率的高低、运行策略的好坏都直接影响着能否实现建筑节能的目标。医院中央空调低碳节能与楼宇自控系统升级改造工程完成后，可以为医院每年节约可观的资金，降低医院的运营成本，为医院的良性循环与长远发展提供支持与帮助。

中央空调；低碳节能；改造措施

能源消耗量的大小决定着我国国民经济的发展快慢。我国“十二五”规划发展纲要指导思想中明确指出，坚持把建设资源节约型、环境友好型社会作为加快转变经济发展方式的重要着力点。随着医院的不断发展，患者对医院的环境要求有所提高，中央空调在大型医院已普遍使用，耗能最多，约占医院建筑能耗的50%，其中空调设备运行节能又在医院建筑节能中占有相当大的比例。可以说，中央空调设备运行效率的高低，运行策略的好坏都直接影响着能否实现医院建筑节能的目标。在深化医药卫生体制改革的背景下，大型综合性医院作为重点用能单位，做好节能降耗工作不仅体现了公立医院的社会责任，而且对于降低医疗成本，促进医院可持续发展具有重要意义。

中国中医科学院眼科医院（以下简称“我院”）要努力成为一所中国第一，以中医、中西医结合眼科为主体，眼科相关学科同步发展的三级甲等专科医院。中央空调低碳节能与楼宇自控系统升级改造工程完成后，可满足医院夏季正常送冷风，冬季送热风，同时要为医院节约能耗。为患者就医、住院提供健康、舒适、方便、安全的后勤保障资源。

1　国内外空调技术与节能现状、水平及发展趋势

新中国成立以后，我国空调技术得到了飞速的发展，尤其自20世纪80年代改革开放以来，我国各大城市的高级旅馆、影剧院、购物中心等先后都设置了中央空调系统，各式空调机组已进入学校、机关、医院以及百姓家。目前全国现有大、中、小型设计单位近万个，1/4以上能做空调设计。已掌握了高精度恒温恒湿可连续保持静态偏差在±0.01℃和±2%RH的水平，洁净度达到国标1级标准，已经掌握各种等级的生物洁净整套技术，从而为高新技术发展提供了环境技术保障［1］。

在中央空调设备方面，我国成为仅次于美国、日本两国，位居世界第三的制冷空调生产国［2］。根据中国制冷空调工业协会统计，1995年我国风机盘管产量已超过45万台，大大超过了空调大国美国、日本的年销量30万台左右的水平。同时我国也是世界上最大的冷水机组市场，其中吸收式冷（热）水机组产量居世界第二位，352 kW以上的机组产量，中国居第一位。在户式集中空调方面，我国推出水系统-热泵冷热水系统，与日本的制冷系统——VRV及美国的空气系统——风管机形成三足鼎立之势。

随着国民经济的飞速发展和居民生活水平的不断提高，对空气调节技术将会提出更高的要求，面对新的挑战，业内人士必须把握机遇，不断开拓进取，创造健康、舒适、安全、方便的人居环境。展望21世纪空调技术的发展，节约能源、保护环境必将是空气调节工程与产业可持续发展的基本条件。从某种意义上来说，现代空气调节技术的发展，不仅应在能源利用、能量的节约与回收、空调设备性能的改进、系统的运行管理、优化设计与技术经济分析以及自动控制精度等方面继续研究和深化，而且在由舒适空调迈向健康空调，提高室内空气品质，改善医院空气环境等方面展开进一步研究［3］。

①提高室内空气品质：随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，空调系统已不再是什么奢侈品，很多家庭都装有2台或更多的空调，有的家庭还装有户式中央空调，人们长期待在空调房间里，房间的空气质量直接关系到人们的身体健康［4］。随着工业的快速发展，危害人体健康的各种微粒与气体也在不断增长，人类健康所需的空气净化技术已迫在眉睫。因此已不能只关注医院、实验室、博物馆等场所的空气品质，而应全面提高所有场所的室内空气品质，应大力研究开发效率高、价廉，而且便于洁净的中央空调技术与节能设备，促使舒适空调迈向健康节能空调。②能源的合理利用：近年来，世界性的能源危机问题受到人们的关注。随着经济的发展，能源紧缺问题日益严重，其中建筑能耗是能源消耗的大户之一。据统计，我国建筑能耗已占国民经济总能耗的27%左右，且呈递增趋势，而中央空调能耗又是建筑的主要能耗，占总能耗的30%～50%，因此中央空调节能是建筑节能中的关键环节［5］。一方面要不断提高中央空调设备的性能，降低能源消耗，同时可采用除湿、蒸发冷却等方式，促进利用余热、自然能源和可再生能源的产品的开发和利用；另一方面，要认真研究中央空调系统用能结构，针对建筑用能负荷的不均衡性，大力提倡相变蓄能型中央空调系统。③先进控制技术的应用：随着计算机技术、控制技术、电子技术的发展，全面促进了中央空调低碳节能技术的发展，而中央空调低碳节能技术的发展也越来越离不开计算机技术或控制技术的支撑［6］。现代化的中央空调系统一方面可实现全自动的季节转换，另一方面更可精确地实现室内热湿负荷和室外气象条件等因素的变化，利用现代先进的控制技术，使中央空调系统在每个季节能都处于最佳工况下运行。同时，计算机自动控制技术与变频技术相结合，在空调领堿产生了深远的影响，变风量、变水量和变制冷剂流量系统就是在这种情况下取得了飞速发展。

随着互联网普及、物联网技术的推广及自适用技术的应用，自感知中央空调将成为一大发展趋势，中央空调可以自动感应人体活动区域及人体的温度，从而通过物联网技术自动调节房间温度，做到需要多少用多少，并对各用能产品的用能情况进行分析计量，以便对整个建筑的用能情况进行分析，并对中央空调系统实施有效的节能改造。

当今世界，设计低碳节能建筑和研发低碳节能技术是最受瞩目的课题之一。据统计，人类每年所消耗的能量中，建筑能耗最大。医院建筑是高能源消耗场所，医院能耗用量是一般公共建筑的两倍，对医院能耗进行分析并提出相应的节能措施，具有重要的现实意义。低碳节能是节能医院的重要组成部分，与医院的初始成本、成本效益比、能源节约效益等经济效益密切相关，是建设医院必须面对的首要问题。

我国在“十一五”期间大力推进建筑节能工作，取得显著成效，在“十二五”开局之年，北京市率先提出的75%节能目标引起业内广泛关注，针对节能目标的争论再次展开。上海世博会上备受瞩目的“零碳馆”，就是参照英国贝丁顿社区建造，并保留下来成为世博会的永久建筑之一。

在欧洲、北美和日本等众多发达国家和城市，低碳节能技术在较早时期就已经得到广泛应用，并掀起一股低碳节能旋风，绿色科技低碳节能经济也被国际广泛认定为未来各行业的发展所趋。发达国家纷纷制订零能耗或零碳建筑发展规划，提出发展路线图。“净零能耗”建筑和“净零碳排放”建筑成为大势所趋，列入发达国家建筑节能长期发展目标［7］。表1是部分发达国家和地区制订的净零能耗和净零碳排放建筑计划，欧盟于2010年立法规定新建公共建筑和住宅分别于2018、2020年实现近零能耗或超低能耗［8］。

表1　国外近零能耗建筑实现计划

在我国建设资源节约型、环境友好型社会以及深化医药卫生体制改革的背景下，大型综合性医院作为重点用能单位，做好节能降耗工作不仅体现了公立医院的社会责任，而且对于降低医疗成本、促进医院可持续发展具有重要意义［9］。

我国是世界最大的空调市场，推动行业技术发展与设计理念不断提升，运用设计创新以实现更高能效目标和低碳经济可持续发展至关重要。很多科研机构及企业都把关注重点放在了中央空调低碳节能的课题上，形成了市场上各种各样的中央空调节能方案。

如何评定一个医院的能耗水平，目前国内还没有统一的标准来认定医院的能耗。需要建立一个统一的标准来衡量医院的能耗水平。有了医院统一的标准，无论这个医院在什么地方，都能评定这个医院的能耗水平。

测量中央空调设备电耗的最有效的方法是测量空调机房PUE的输出电量 （向配电柜输送的总电量）。由于医院能耗指标的数值受很多因素影响，会随地理位置、季节等的改变发生变化，因此为全面准确了解医院的能效，应采用测量仪表，对医院的能耗进行持续、长期的测量和记录，且测量时间越长，得到的PUE指标更能反映医院真实能耗情况。在实际应用中，PUE值可以通过自动化仪表或软件直接读出，可以查询或同时显示瞬时、日、月及年的PUE值［10］。

测量的周期和频率分季测试，如下：每年测量4次，分别在春季（3～5月）、夏季（6～8月）、秋季（9～11月）、冬季（12～2月）。每个季节选取1个月作为一个时段进行测量。

空调供冷系统能效与结构、配置和系统运行状态有关。PUE是目前可量化医院用能效率评估指标。由于医院在不同的外部环境下耗电情况不同，冬季的空调耗电较少，夏季的空调耗电较多。由于医院业务发展的不同有所变化，因此PUE值的评价基数必须为1年365天总耗电。

2　医院现有中央空调系统与节能改造设想

2.1我院中央空调系统的现状

我院中央空调系统2001年建成，2002年投入运行。现有中央空调系统主要设备有：制冷机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔各2台（一用一备）。自动化程度不高，电机控制装置是固定频率，不能随温度变化逐渐变化，而是一步到位，能耗大。随着科技发展，自控装置已在大型公共建筑中央空调系统中运用。变频器的质量已很可靠，且成本低。采用变频水泵、变频风机对流量进行调节已很普及［11］。而我院空调的输配系统结构还是沿用传统的阀门调节，未能发挥变频调速作用。水泵的能耗一半消耗在各种阀门上，风机的能耗25%～40%消耗在阀门上；空调系统自控设备不完备，温度控制由人工完成，经常导致房间夏季室温过冷或冬季室温过热，不仅耗费能量，而且对人体舒适和健康也是不适宜的［12］。医院设计与施工改造中已经将低碳节能的理念加入，结合医院暖通空调、给排水、锅炉、电梯、机电一体化、墙体保温、太阳能、空调水蓄冷系统等，研究制订符合国家政策标准的改扩建方案，为医院在今后的发展奠定扎实的基础。

中央空调系统优化节能控制目标是：在满足建筑室内人体热舒适要求前提下，寻找系统优化运行工况，使整个系统运行能耗达到最小。由于中央空调系统通常由众多相互关联、相互作用的部件组成，因此，其属于大系统优化控制。目前，已有部分文献给出了中央空调系统优化节能控制方面的研究成果［13］。

2.2中央空调系统主要设备

制冷机：螺杆式冷水机组在日常维护保养的情况下，常规使用寿命在12～15年，通常在各种因素影响下，使用超过10年的机组制冷效率（COP值）会出现一定程度的衰减。经技术人员的实地调研，医院空调制冷系统的两台螺杆机已出现明显功率不足现象（即COP值有较大幅度衰减），同时还存在无法根据实际负荷正常卸载的问题，始终处于满载运行状态（即螺杆机在正常情况下可根据空调系统实际负荷在额定功率的15%～100%无级变速加载、卸载，实现节能运行）。

冷却塔：经技术人员现场检查，冷却塔的填料已经呈现严重的软化变形，并形成多处的堵塞现象，填料中结垢现象严重，对冷却塔的交换能力产生较大影响，造成冷却水换热不充分、主机侧进水温度升高，也成为主机制冷效率降低、功率不足的一条重要影响因素。此外，冷却塔风扇的扇叶和皮带均因老化产生变形，使风机在运行过程中出现旋转不均匀，导致冷却塔塔体出现共振晃动现象，影响设备正常使用，使系统运行存在安全隐患。

水泵：经现场检测，冷冻水泵和冷却水泵电机均已经出现不同程度的效率衰减，且存在同一种运行工况下，每台水泵的通过电流各不相同，但都略高于额定电流，造成电机因过载发热现象，对设备本身造成伤害且使系统运行存在安全隐患。

系统管道：受条件所限，现场无法全面对制冷系统管道及附件进行全面排查，根据技术人员多年的类似项目经验积累和现场对局部管道的检查，中央空调系统管道及附件同样存在因运行年限、水质等因素造成的锈蚀、滴漏现象，特别是阀门、接口等处尤为严重，使系统正常运行存在安全隐患。

电气与自控系统设备：随着科技进步和行业发展，电气元器件、自控系统设备近几年更新换代、产品升级的速度很快。医院空调系统已投入使用较长时间，技术人员发现目前使用的控制柜中很多元器件与自控模块厂家早已停产，在市场中也已经很难买到，一旦损坏将无法替换，此外还存在一部分过时或频临淘汰产品。同时，有些电气元器件与自控模块时常也出现故障，例如接触器辅助触点粘连，需要人工去复位等，为系统正常运行带来不安全因素。

2.3制冷系统改造方案

根据技术人员对系统运行状况和主要设备现状的实地调研和分析结果，提出的高效、节能、安全、稳定原则，对医院空调系统改造提出方案如下：

①冷水机组：根据设计计算冷负荷，结合运行维护记录，重新进行冷水机组选型计算，确定类型不变，但主要参数需要根据重新计算确定［14］。冷水机组型式：双工况螺杆式冷水机组。冷水机组主要技术参数如下。性能参数：制冷量（kW）：Q=1055；冷冻水，进出水温度：制冷工况为12/7℃，蓄冷工况为12/4℃；冷却水进，出水温度：32/37℃；耗电量：N=186 kW，380 V-3-50 Hz；数量：2台；备注：安装尺寸为4200 mm× 1930mm×2200mm，运行重量为7899 kg。

②冷却塔：配合主机的参数要求，重新进行冷却塔的选型计算。冷却塔型式：开放式（横流）。特点：低噪声节能型。

③水泵：根据设计施工图，结合新选主机、冷却塔参数，更新冷冻水泵与冷却水泵，各3台，均为2用1备，与主机一对一配置。水泵型式：立（卧）式离心泵［15］。

④电气设备：配套更新各主要设备电气控制柜，主要元器件选择品牌。优化、增加自控系统功能，民用建筑集中空调系统能耗在建筑物整体能耗中占据较大比例，其中制冷系统主要设备能耗占整个集中空调系统能耗的60%以上，因此制冷系统采用合理节能措施，将是建筑整体节能中重要的环境［16］。设计合理的自动控制系统，是制冷系统实现节能的必要因素［17］。获得节能效果的同时，自控系统中的集中监视和报警能够及时发现设备的问题，可以进行预防性维修，以减少停机时间和设备的损耗，降低维修开支，节约成本。此外，为制冷系统配置能源管理系统，不仅可以使制冷机房的能源消耗可视化，同时利用能效分析功能实时诊断系统的能效比，及时地干预系统的运行策略，调节降低系统的能耗，使得系统的能效比最大化。中央空调项目需优化、改造制冷机房自控系统，并增加能效管理系统。

⑤系统管道更新：更换水路系统的管道、水路系统的阀门、过滤器以及管道保温，在保证系统安全可靠地运行同时，新的管道保温可以有效地减少管路冷损失，为系统的节能起到一定的积极作用。

综上所述，对中央空调系统实施节能改造，在技术上是切实可行的。医院中央空调系统的节能技改工作是一件亟待解决的大事，技改成功后，可以为医院每年节约资金，降低医院的运营成本，为医院的良性循环与长远发展提供支持与帮助。

［1］公共建筑节能设计标准编制组.公共建筑节能设计标准［M］.北京：中国建筑工业出版社，2015：57-58.

［2］鲁俊岭，徐阿元，吴建宏，等.空调与热泵技术［M］.北京：中国电力出版社，2013：3-6.

［3］刘伊生.建筑节能技术与政策［M］.北京：北京交通大学出版社，2015：13-17.

［4］王瑞俊.物业设施管理与暧通空调探讨［J］.企业改革与管理，2015，（1）：136.

［5］梁俊强，梁传志.中国建筑节能发展报告（2014年）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2014：3-4.

［6］方培元，祝振宇.基于大数据的卫生经济管理数据挖掘［J］.中华医院管理杂志，2015，（2）：129-131.

［7］朱玲玲，张梦蝶，张绮英资，等.发达国家零能耗建筑对我国的启示［J］.中外企业家，2013，（34）：196-197.

［8］张琦.国外建筑节能政策比较分析及启示［J］.国际经济合作，2012，（5）：48-53.

［9］瞿晓琦，陈尉华.中央空调自控系统在新建三级医院节能降耗中的应用［J］.医疗卫生装备，2015，（11）：118-120.

［10］彭殿贞.绿色数据中心空调设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2015：158-166.

［11］蔡立佳.供热空调系统变频节能技术应用研究［D］.北京：北京工业大学，2007.

［12］李联友.暖通空调节能技术［M］.北京：中国电力出版社，2014：86-88.

［13］李娜.基于变频和温控技术的医院空调系统节能改造［J］.能源与环境，2014，（6）：26-28.

［14］姚晔.集中空调系统状态空间建模及优化控制［M］.北京：北京科学技术出版社，2013：228-233.

［15］王日英，罗文广，吴小娜，等.中央空调冷却水系统节能优化控制研究［J］.计算机测量与控制，2014，22（11）：3568-3571.

［16］刘艳化.暧通空调节能技术［M］.北京：机械工业出版社，2015：134-135.

［17］杨树凡，罗玲玲，王健.我国既有建筑节能改造对策与融资渠道探讨［J］.节能，2006，（6）：39-41.

Remodeling steps of low carbon energy technology saving for central air conditioning in hospital

LI JingWANG JinrongFENG Kailin▲GUO Shanshui DENG Zejiang
Eye Hospital，China Academy of Chinese Medical Sciences，Beijing100040，China

Through the analysis of building energy saving at home and broad，we conduct research to explore effective ways of managing，running and energy saving for hospital central air conditioning.With the rapid development of the national economy，building energy consumption has proportionally increased compared to the overall energy consumption cost；the share of building energy saving development in China is gradually increasing to compensate for the increased energy consumption cost.Effective management of energy saving for central air conditioning will directly influence the realization of building energy-saving goals.After upgrading central air conditioning with low carbon energy and constructing automation systems in hospital，we can save significant amount of money each year and reduce operating costs for the hospital，providing support for a virtuous growth cycle in the long-term development of the hospital.

Central air conditioning；Low carbon energy saving technology；Remodel measure

TE08

A

1673-7210（2016）01（c）-0173-04

2015-10-14本文编辑：李亚聪）

中国中医科学院眼科医院院内课题（201534）。
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