医院建筑空调变频系统经济与节能性分析

涂岱昕 夏宏伟 赵雅峰

天津大学建筑设计规划研究总院有限公司

对设计而言，空调系统的设备均是按照满负荷设计，对于常规的空调系统，冷水机组与冷冻水泵均为定频，当负荷变化时，制冷机组压缩机转速和流经冷冻水泵的流量并不能随负荷的降低而减小，因此常规的定频系统存在很大节能潜力。而在本文研究的变频系统（一级泵变流量），冷水机组和冷冻水泵均为变频，机组压缩机转速和通过冷冻水泵的流量随负荷的变化而改变，从而可以有效降低机组和冷冻水泵的能耗，从而达到“按需供应”。本文结合实例，通过模拟的方法，以定量地探究一级泵变流量系统的节能效益。

1 能耗模型

以天津某大型三甲综合医院为研究对象，主要包含门诊楼和住院楼两大主体建筑，首先，利用DESIGNBUILDER 能耗模拟软件，分别对门诊楼和住院楼进行制冷季的逐时能耗模拟。设定制冷时间为5月1 日～10 月31 日，门诊楼每天运行时间为8:00～18:00，共计10 小时，住院每天24 小时运行。图1 为软件输出的可视化模型，门诊楼（左）+住院楼（右）。图2为模拟得到的制冷季逐时总冷负荷（门诊楼+住院楼）统计图。

图1 综合医院DB 可视化模型

图2 医院制冷季逐时冷负荷统计图

由模拟结果得到空调系统制冷季最大冷负荷为9941 kW，配置3 台变频离心式电制冷机组，单台机组额定制冷量为3516 kW，冷冻水循环水泵（变频）4 台，3 工1 备。设备具体选型表如表1：

表1 空调系统主要设备表

2 系统设备模型

设计选用变频离心式冷水机组，其主机与常规机组一致，但电机的驱动装置是以变频器为核心的交流变频驱动装置。变频驱动装置[1]是根据冷水出水温度与设定值的温差和压缩机的压头来优化电机转速和导流叶片的开度，从而使机组在部分负荷下效率最高。输送系统采用一级泵变流量系统：冷源侧、负荷侧均为变流量，负荷侧回水干管上设高精度灵敏流量计，循环水泵采用相同型号的变频泵。当流量大于冷机允许的最小流量时，主机侧、负荷侧均变流量运行，根据压差信号调节水泵转速。当负荷侧流量低于冷机允许的最小流量时，打开旁通管上的电动调节阀，改为冷源侧定流量运行，负荷侧变流量运行，水泵定频运行，根据压差信号调节旁通管上的电动调节阀，维持压差不变，始终保证冷机流量不低于允许的最小流量。系统流程图如图3 所示。

图3 一级泵变流量系统流程图

系统主要变频设备为冷水机组和冷冻水泵，在分析系统能耗之前，需要对各个设备建立变负荷工况下的设备模型，以得到整个制冷季设备的逐时运行情况。本文的模型建立方法是通过设备运行的实测数据，通过数据拟合的方法，进而得到设备的数学模型。

2.1 变频冷水机组模型

冷水机组的主要模型参数如下：

式中：COPi为i 时刻机组的能效比；PLRi为i 时刻机组的负荷率；Qe0为机组的额定制冷量，kW；Qe,i为i 时刻机组实际制冷量，kW；Pc,i为i 时刻冷水机组功率，kW。

本文研究的冷水机组蒸发器侧进/出口设计水温为12/7 ℃，冷凝器侧进/出口设计水温为32/37 ℃，不同负荷率下变频和定频冷水机组的制冷量和功率测试数据如表2：

表2 部分负荷下变频与定频冷水机组性能参数表

通过测试数据拟合，分别得到变频机组和定频机组在不同制冷量（即负荷率）下的COP 变化，如图4、图5 所示。

图4 变频机组不同制冷量下COP 曲线图

图5 定频机组不同制冷量下COP 曲线图

2.2 变频水泵模型

水泵工作点是水泵性能曲线和管网阻力曲线的交点，分析变频水泵运行工况时，为绘制管网阻力曲线，首先要确定水泵进出口的压差，即水泵的静扬程。由于本系统控制的是冷冻水系统主干管之间的压差，水泵的静扬程取为管网的阻力，水泵的扬程大于静扬程时才可出水，管网阻力曲线如图6 中的R 曲线。当流经水泵的流量发生变化时，水泵转速由变为，水泵工作点则由A 点变为B 点。

图6 水泵运行工况点图解

本文通过收集当负荷和流量变化时，不同转速下水泵能耗数据，通过拟合得到流量Q 与频率f，功率P之间的关系，可用如式（3）表示：

式中：Ve,i为i 时刻冷冻水流量，m3/h；Ppe,i为i 时刻冷冻水泵功率，kW；fe,i为i 时刻冷冻水泵频率，Hz。

确定了设备模型后，还需要运行约束条件将设备模型连接，使之成为系统运行模型。

3 系统运行模型

3.1 冷冻水系统运行约束条件

如果忽略设备及管道与空气之间的换热情况，根据热力学第一定律，冷水机组蒸发器中的换热量等于冷冻水循环送出的冷量，表示如下：

式中：ρe为冷冻水密度，kg/m3；ce为冷冻水比热容，kJ/(kg·℃)；ΔTe,i为蒸发器进出口温差，℃。

3.2 冷水机组负荷率约束

由于冷水机组在低负荷工况运行时容易发生喘振的现象，造成设备损坏，因此本文拟定冷水机组运行负荷率不小于50%，以保证系统的安全性。冷负荷与机组运行台数的关系见表3。

表3 不同负荷对应的机组运行台数表

3.3 模型优化目标

以全制冷季下机组和水泵总的能耗最小为目标：

3.4 优化变量

冷水机组：逐时运行台数Ni，逐时运行负荷率PLRi，逐时制冷量Qe,i，逐时功率Pc,i；

冷冻水泵：逐时流量Ve,i，逐时转速比ke,i，逐时功率Pe,i。

3.5 优化求解方法

此优化模型为有约束的非线性优化问题，由于需要逐时计算，204 天，共计4896 h，数据较多，因此本文利用Matlab 编程辅助计算。

4 优化结果分析

4.1 夏季典型日系统运行分析

取8 月15 日作为典型日，冷水机组与水泵运行情况见图7。

图7 夏季典型日系统逐时耗电图

从早上八点开始，冷负荷大幅增加，带来冷机和水泵的耗电的快速增长，在十点左右耗电达到峰值，之后随着时间推移，冷机和水泵的耗电开始慢慢下降。冷机耗电随时间推移，变化幅度较大，对负荷变化的敏感性较强，而水泵功耗的变化则较为平稳。此外，机组功率在18:00 有一个与负荷变化趋势相反的增长，是由于当前负荷下，受到最小负荷率的限制，机组由两台运行变为一台运行，单台机组的运行负荷率较高，COP 下降，导致机组整体的耗电增加。

4.2 变频系统能耗分析

全制冷季下变频系统各设备逐时能耗图见图8，总能耗见表4。

图8 变频系统制冷季设备逐时能耗图

表4 变频系统全年能耗表

4.3 定频系统能耗分析

机组和水泵定频时，系统全制冷季各设备逐时能耗图见图9，总能耗见表5。

图9 定频系统制冷季设备逐时能耗图

表5 定频系统全年能耗表

4.4 系统节能性分析

变频系统与定频系统各项能耗对比见图10。

图10 变频系统与定频系统能耗对比图

与定频系统相比，经过优化后的变频系统机组节能率39.1%，水泵节能率48.6%，总体节能率达到40.3%，系统具有良好的节能效益。

4.5 系统投资回收期分析

变频冷水机组较定频冷水机组每台投资增量为30 万，变频水泵较定频水泵每台投资增量为1 万，变频系统总投资增量为94 万。

变频系统每年节能电量为1009584 kWh。

天津地区电价：

峰值：1.2898 元/kWh（8:00～11:00、18:00～23:00）；

尖峰电价：峰值附加10%，8:00～11:00、18:00～22:00，1.2898×1.1=1.4188 元/kWh；

平值：0.8443 元/kWh（7:00～8:00、11:00～18:00）；

低谷：0.4188 元/kWh（23:00～7:00）。

峰值平均价：(1.2898×5+1.4188×3)/8=1.3382 元/kWh。

1）住院部分电价：

由于夜间空调负荷较小，用电较少，因此三部分权重为峰值:平值:低谷=40%:40%:20%。

住院部分电价=1.3382×0.4+0.8443×0.4+0.4188×0.2=0.96 元/kWh。

2）门诊部分电价=(1.2898×2+1.4188+0.8443×7)/10=1.00 元/kWh。

其中住院部分空调面积约4.5 万m2。门诊医技部分空调面积约5.5 万m2。

综合电价=0.96×0.45+1.0×0.55=0.99 元/kWh。

变频系统每年可节省电费1009584×0.99=999488元，投资增量回收期为940000/999488=0.94 年，由此得出变频系统对于本医院建筑经济、节能性都很良好。

5 结论

本文基于天津某大型三甲医院为研究对象，针对一级泵变流量系统，分别建立了能耗模型、设备模型、系统运行模型，通过对模型的编程求解，得到机组和水泵变频的系统逐时运行策略以及全制冷季的能耗值，通过与定频系统相比，系统可节约40.3%的耗电量，节能效益显著。投资增量回收期为0.94 年，经济性良好。本文的研究方法也为同类型的医院建筑空调系统分析提供了一定的参考。