某医院能源站冷热源系统改造设计案例浅析

文_谢吉平 赵文亮 文兴 张华昌 远大能源利用管理有限公司

1 工程概况

某市大型三级综合性公立医院，是集医疗、急救、科研、教学等为一体的示范性综合医院。全院是由门诊楼、住院楼和科教楼组成的既有建筑群，总建筑面积约为7.5万m2，拥有病床1500多张。目前正在新建全科医生培养大楼和门诊楼，本次空调系统改造主要是针对既有建筑能源站。

2 医院原冷热源系统介绍

该院西北角和东南角各设有一个燃煤锅炉房和燃气锅炉房，分别采用1台6t/h燃煤蒸汽锅炉和2台3t/h燃气锅炉及1台2t/h燃气锅炉为院区提供0.6～0.7MPa蒸汽，通过住院楼负一楼以及科教楼负二楼机房蒸汽换热板换，为整个老院区提供卫生热水和采暖需求。其中医疗消毒所需蒸汽由燃气锅炉房的1台2t/h燃气锅炉提供。同时在住院楼负一层设置电冷机房，内分别设3台1758kW离心式机组与2台1720kW螺杆机组分别为科教楼和住院楼提供冷量，满足夏季空调制冷需求。

3 项目负荷分析

院区原空调系统总装机冷量为8714kW，总供热量为9800kW(含卫生热水、消毒蒸汽热量)，2015年院区年用电量为800多万kWh，2016年用电量达到900万kWh。根据项目实际用能情况，结合项目现有运行数据，对院区进行负荷测算，得到该院区典型日冷、热、电负荷如图1～3所示。

4 冷热源节能分析及改造方案

为提高能源利用效率，响应国家煤改气政策及环保要求，医院准备将现有的1台6t/h燃煤锅炉进行替换。采用投资型合同能源管理模式，由专业的能源管理企业对其进行节能诊断和节能改造。

通过现场调研和分析发现原燃煤锅炉因使用年限久远，实际运行效率不到60%，电制冷站离心机组为2004年采购，已经超出设计使用期限，实际运行性能系数（IPLV）不到5.0；螺杆机组为2012年采购，实际制冷性能系数（IPLV）还能达到6.0左右。卫生热水热量主要靠蒸汽锅炉提供，同时在科教楼屋顶采用5台空气源热泵在冬季作为备用，空气源热泵机组运行稳定性较差，受天气影响较大，冬季气温较低时开启空气源热泵，电耗非常大，导致空气源热泵很少使用。能源站系统自动控制水平较低，导致医院年能源成本较高。

通过对医院现有冷热源系统节能诊断和分析，提出改进方案：撤除住院负一楼能源站离心机组，替换高性能机组，科教楼与住院楼并管供能；考虑原离心机房空间受限，采用一台一机三用（同时供冷/热和卫生热水）同时带有冷凝热回收功能的溴化锂吸收式直燃机替代燃煤锅炉和离心机组；2t燃气蒸汽锅炉予以保留，独立供应蒸汽满足消毒、烹饪使用；采用燃气冷热电联供系统，提高能源利用效率，满足院区节能、环保要求；保留原有3台螺杆机组，夏季调峰使用，提高能源站用能的可靠性和灵活性，同时根据能源条件经济运行；对整个医院空调系统（冷热源、空调末端、管网等）进行专业化运营和维护，实现运营管理节能；增加能效监控平台，对能源站所有设备及系统实现集中控制和实时在线监管，提升系统自动化水平，同时对运行数据进行采集和分析，通过优化运行策略，实现节能控制。

5 燃气冷热电联供系统设计

改造方案采用燃气冷热电联供系统+直燃机方案替代原有燃煤锅炉和离心机组。对原有系统进行撤除，能源站内新增加1台800kW燃气内燃发电机组和1台BZHE300XII-H4烟气热水补燃型溴化锂吸收式机组以及1台BZ300XII-H4溴化锂吸收式直燃机，同时采用与机组一一对应的一体化输配系统。

将能源中心设置在原电制冷机房，即住院楼负一层。综合机房已有空间及医院冷、热、电负荷，按“以热定电、冷热电平衡、余热充分利用”的设计原则选择燃气内燃发电机组，所发电满足医院院区内部分电力需求，电力不足部分由电网进行补充。

燃气内燃发电机组发电后排出的421℃左右高温烟气进入溴化锂机组，夏季供冷、冬季供热。高温烟气通过溴化锂机组换热后，排烟温度在145℃以上，在机组排烟出口增设高效烟气钎焊板式换热器，换取60℃/50℃的卫生热水，使发电机组最终排烟温度可降到80℃以下，充分利用烟气余热，最大限度提高能源效率。

发电机组高温缸套水通过电动控制阀优先满足医院卫生热水需求，夏季多余部分进溴化锂机组低发制冷。冬季直接通过缸套水板换换卫生热水，当热量较多时通过蓄热水箱进行储存，设计时适当加大卫生热水蓄水容量。

如图2、3所示，余热制冷或供热量占实际设计冷热负荷比例较小，为避免机组频繁启停和多机组低效运行的问题，同时考虑节省空间，对溴化锂机组增加补燃功能，确保单台机组在余热制冷和采暖不足时，通过快速补燃满足负荷需求。

在冬夏季供冷、供热高峰期，如补燃无法满足冷热量需求则由调峰设备解决，调峰设备包含1台溴化锂直燃机组（制冷量3489kW、制热量4842kW）和2台原有1720kW螺杆式冷水机组。

6 空调系统优化设计

医院综合楼和科教楼空调水系统的供水压力远高于门诊楼和住院楼，为确保各区域压力平衡，改造方案中门诊楼和住院楼空调水系统采用原一级泵系统，综合楼和科教楼空调水系统增设二级泵系统，通过板式换热器将一级泵和二级泵隔离；综合考虑冷热源设备的能效、允许温差、管网损失及空调末端换热能力等，空调冷水供回水温度采用大温差小流量，设计温度为7℃/14℃，空调热水供回水温度为 65℃/55℃。冷却水系统采用横流式冷却塔，供回水温度为30℃/37℃，设置于住院楼屋顶。

冷（温）水泵、冷却水泵及卫生热水泵采用一体化输配系统，即将冷（温）水泵（夏季冷水泵2台开启，冬季开启1台，互为备用）、冷却水循环泵（设变频器进行变频控制）、卫生热水泵、阀器件及控制柜、自动加药装置、软化水箱进行集成设计，工厂制造和调试，分体出厂，现场组合的模式，降低输配配电量，同时可节省60%以上运行电耗，节省占地空间，解决该项目空间受限的问题。

燃气内燃发电机组缸套水系统利用机组自带的缸套水泵定流量运行，其供回水温度为 90℃/80℃，优先供热和制冷，当缸套水进入发电机组的温度不能满足发电机组稳定运行要求时，通过电动三通阀进入高温散热器进行降温。

发电机组中冷水系统利用机组自带的中冷水泵定流量运行，其供回水温度为 45℃/49℃，热量较小，主要通过中冷水散热器进行降温。在溴化锂吸收式直燃机组和烟气热水直燃机组补燃排烟出口也分别设置高效钎焊烟气板式换热器，回收天然气燃烧热值的8%～10%用于卫生热水。烟囱采用双层预制不锈钢烟囱，保温材料为硅酸铝保温棉，内外层采用不锈钢，保温层厚度除了满足防止烫伤的要求外，还充分考虑对发电机组烟气高温段的保温。原系统中的螺杆式冷水机组作为夏季制冷调峰设备。其冷却水系统与新增设备冷却水系统分开设置，冷水系统与溴化锂机组供回水总管并管，冷水泵根据并管后扬程重新设计选型。

7 能源站能效监管系统

医院原有空调系统未设置能效监管系统，机组运行数据和控制主要靠运营人员现场抄表和手动操作，本次改造为实现对能源站冷水系统、冷却水系统、卫生热水系统及发电机组系统温度、压力、电压、发电量及相关流量等数据的监测和分析，能源站设置能效监管系统，系统上增加流量、压力、温度检测仪表和信号传输、转化装置等。

通过采集的数据对系统进行能效分析，实时显示天然气用量、设备用电量、发电机组发电量、制冷制热量、发电效率、机组制冷制热效率、综合效率、余热利用效率、节能率等参数，同时根据实时燃气价格、电价、冷价、热价，自动计算能源站能源成本等。

设置能效监管系统，直观地显示各设备实际运行状态，了解系统运行的经济性，实现能源精细化管理，同时最大程度降低系统运行故障率，提高系统运行可靠性，便于现场运营人员的日常管理和维护。

8 配电系统设计

医院建有一间10kV高压配电室，为医院所有负荷供电。高压配电室10kV配电系统主接线型式为单母分段接线，I、II段10kV母线进线均由市电无联络10kV间隔引来，I、II段经母联联络柜互为备用。正常时I、II段母线分列运行，当一段进线故障时，故障段进线断路器跳闸，母联柜合闸，保证负荷正常运行。

医院能源站新增低压用电负荷约为624kW。医院原有低压配电室一间，为能源站及其他负荷供电。低压配电室380V配电系统设置两台干式变压器，1台容量为2000kVA，1台容量为1600kVA，变压器10kV电源由10kV高压配电室I、II段不同母线段间隔提供。低压主接线型式为单母分段接线，2000kVA变压器位于380V I 段母线，1600kVA变压器位于380V II 段母线，380V I 、II段低压母线经母线联络柜互为备用。正常时能源站所有负荷均由I段母线段供电；当I段进线电源故障时，I段母线进线断路器分闸，II段母线进线断路器合闸，保证能源站及其他场所重要负荷可靠供电。

医院能源站设置1台燃气发电机，额定出口电压10.5kV，额定频率50Hz，额定发电量800kW。燃气发电机采用“并网不上网”运行模式。发电机同期检测装置、自动并网控制装置及继电保护装置等均由燃气发电机成套出口柜及控制柜提供。在能源站配电室内设置高压系统接入柜，经高压配电室10kV馈线柜将燃气发电机接入至医院高压配电室10kV母线。燃气发电机成套出口柜作为发电机解（并）列柜，高压系统接入柜断路器作为同期点，检测母线电压、频率、相差等同期信号至燃气发电机控制柜同期检测装置。同时设置发电机关口计量装置，安装于高压配电室接入柜的馈线间隔，用于计量结算。在医院高压配电室的I、II段进线侧均设置逆功率保护装置，当发电量医院负荷无法消纳时，逆功率保护装置发送信号至发电机控制柜减载发电机出力，以保证发电电能不倒送大电网。

9 卫生热水系统设计

医院原卫生热水主要由蒸汽换热设备提供，蒸汽换热房蒸汽由两个锅炉房内燃煤锅炉和燃气锅炉提供，在住院楼楼顶设有50t保温水箱，科教楼楼顶每台空气源热泵机组配置一个10t保温水箱。改造方案采用溴化锂机组与发电机组缸套水为医院卫生热水主要热源，同时充分回收利用低温烟气热量及主机冷凝器冷凝热。

卫热系统在现有能源站内增设板换和水泵，在原住院楼蒸汽换热设备间增设60t蓄热水箱替代蒸汽板换，科教楼高区和低区分开设置卫生热水二级水泵，通过二次级泵直接将水箱热水输送到高低区病房用水点。同时根据实际运行过程中存在回水水压过低的问题，在高低区回水管上分别设置回水泵，在水压不够时，通过回水泵确保正常回水。

住院楼通过板换直接换取卫生热水由二次侧卫生热水泵送至屋面蓄热水箱，利用原有卫生热水系统确保住院楼卫生热水需求。

10 结语

我国中央空调行业已经发展近30年，大量既有建筑的冷热源设备及系统已经进入升级换代的阶段。随着合同能源管理模式节能优势的显现，将会有越来越多的既有项目采用合同能源管理模式对现有系统进行技术升级和专业化管理，必将形成新的节能领域。既有项目改造设计也将逐步常态化，如何使设计标准和实际要求跟上市场发展的要求，将是暖通行业需要继续实践和研究的方向之一。