医院建筑电气设计节能探讨

2021-03-30王永军

现代建筑电气 2021年7期

王永军

(山东省建筑设计研究院有限公司,山东济南 250001)

0 引言

医院建筑是综合性极强的建筑,通常包括病房、门诊、医技、急诊等各个部分。一般综合型医院包括十几个科室,每个科室设备又不完全一样,医疗工艺差别甚大,对电气节能有不同的设计要求。医院的冷、热、电负荷、生活用水等负荷需求大,从近几年工程实际运行能耗进行调研,发现医院的电能消耗、新风送排风系统耗能比其他民用建筑耗能要大得多[1-2]。因此根据医院建筑的能耗特点,从电力监控系统、设备节能控制、能耗监测等方面对电气节能设计进行分析,并采取必要的节能措施。

1 医院建筑电力监控系统

随着电网技术的不断成熟,变配电所向着集成化、智能化、数字化方向发展,电力监控技术在变配电站上得到广泛应用。

1.1 电力监控系统的配置及功能

1.1.1 监控系统结构配置

某项目采用电力监控技术对变配电所进行管理,监控主机位于病房楼10 kV开关站内。通信管理机和通信屏安装在分变电所内,每个分变电所均设置监控后台。管理机与站内微机综合保护、变压器温度控制仪、多功能智能仪表、直流屏等设备进行通信联络,将数据上传至监控中心内的监控主机,分析、采集、处理各类数据,建立数据库,发布执行命令。

电力监控系统由站控层、通信管理层和间隔层3部分组成。站控层集中管理变配电站内各种设备;分析、采集、处理现场数据,建立数据库,发布执行命令。通信管理层监控子站内通过通信管理机采集系统内各个智能设备的数据。通信管理机分别与上、下一级监控系统进行通讯,且采集站内微机综合保护、直流屏、多功能仪表、变压器温度控制仪数据等上传监控主机。微机综合保护、智能多功能仪表、变压器温度控制仪、直流屏等组成监控系统间隔层,利用RS-485通信接口,采用屏蔽双绞线或光纤作为传输导线,实现上、下一级数据通信传输[3-4]。

1.1.2 监控系统功能。

(1)数据采集和管理功能。监控系统利用RS-485通信接口进行通信,随时和定时采集系统内的模拟量、开关量、脉冲量的数据,保证测量的数据准确性、可靠型和及时性。

(2)运行管理功能。系统能够准确地监视电网的各个运行时段的运行状态,管理人员不仅能够获取设备的状况,是否存在设备故障,进而分析、判断故障原因,为设备维护提供帮助。同时为医院各个科室管理人员提供必要的数据,为制定决策提供帮助。

(3)系统还具有数据处理功能、安全保护功能、图形显示功能、自诊断功能,对系统存在的问题能够及时处理。

1.2 变配电所计算机监控系统的主要功能

(1)集中式监控系统的监测功能:对高压配电系统监测功能,包括电压、相电流、频率、功率因数、功率、断路器状态信号、电能、弹簧储能状态信号;可检测低压配电系统的参数和信号,包括进线柜、联络柜以及所有万能式断路器馈出回路的三相电压、电流等;无功补偿柜,其他馈出回路电流;无功补偿柜接触器通/断状态信号。

(2)对变压器的监测:可检测变压器的温度信号、超温报警信号。

(3)对直流屏的监测,包括电源电压、电流,合闸电源电压、电流,控制电源电压、电流,充电机运行状态/故障报警信号。

(4)对发电机应急电源系统的监测:可检测发电机应急电源系统的进线以及馈出回路的三相电压、三相电流等;发电机应急电源系统的所有断路器运行、故障脱扣状态信号。

1.3 监控微机保护的配置及功能

1.3.1 10 kV进线、母联保护

每回进线配置一台微机综合保护装置,实现以下功能。

(1)保护功能,系统具有过流、速断欠压、过压、接地故障等保护功能。

(2)监控功能,能够实现高压开关柜手车、弹箦储能等信号状态的监控功能,监控事故、预告信号报警。

(3)测量功能,系统具有三相及单相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电能计量、频率及谐波等测量功能。

1.3.2 10 kV变压器、电容柜、PT柜馈线保护

出线回路设置微机综合保护装置,实现以下功能。

(1)保护功能,系统具有过流、速断欠压、过压、接地故障、变压器及温度保护等功能。

(2)监控功能,能够实现高压开关柜手车、弹箦储能等信号状态的监控功能,监控事故,预告信号报警。

(3)测量功能,系统具有三相及单相电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、电能计量、频率及谐波等测量功能。

1.3.3 与其他系统接口

系统能够提供标准的通信协议,与其他监控系统进行通信,采用多种通信介质和通信接口。同时系统还具有网络扩展功能。在保持监控界面不变的前提下,只增加有关的硬件、监控计算机站点、新的监控界面即可实现系统的扩展。

综上所述,通过运用电力监控系统和智能型多功能仪表,能够准确分析系统内的各项功能、数据和性能指标,达到节约能源的目的。

2 医院建筑设备节能控制

2.1 制冷机房系统设计

医院建筑制冷系统将整个空调系统制冷机组、冷冻水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔、热水循环泵等设备通过网络设备连成一体系统,并根据不同工艺设备,采用不同的网络化专用节能控制器,形成“网络化强弱电一体”节能控制管理系统。

通过网络化节能控制器通信接口,方便、灵活的远程节能控制空调设备同时可与楼控BA系统或其他智能化系统进行通信,实现对空调系统精细化节能控制。

2.2 智能控制器控制原理

(1)冷水机组。通过对空调系统冷冻水供、回水温度、压力、流量以及环境温/湿度的采集,智能控制器计算空调实际负荷,从而确定冷冻机组启停台数。当空调负荷超出机组负荷时,启动另一合机组;当空调负荷低于机组负荷时,自动关闭另一台机组。当空调主机处于关闭状态时,主机供水阀门自动关闭。

(2)冷冻水循环泵。当温度、制冷负荷改变时,各回路供回水温度、温差、压差和流量也要变化。智能控制器对实时数据及系统的历史运行数据进行采集、分析。计算出负荷末端的制冷量,以及各供回水温度、温差、压差和流量的最佳值。控制器以此调节冷冻循环泵的输出功率,改变其流量,使冷冻水系统的供回水温度、温差、压差和流量运行参数始终处于最优值。

(3)冷却水循环泵。智能控制器通过对实时数据及系统的历史运行数据采集,计算出主机最佳热转换温度及冷却水最佳出、入口温度,调节冷却水循环泵、冷却塔风机的输出功率,对冷却水的流量和冷却塔风机的风量实时动态调节,使冷却水的进、出口温度达到智能控制器给出的计算值,从而保证中央空调冷冻主机在最佳转换率状态下运行。

(4)冷却塔风机。通过冷却塔风机对系统内的冷却供、回水温度的采集,与设定值比较,决定冷却塔风机的运行台数。同时自动调节冷却塔风机的风量。当冷却水回水温度超出冷却塔设置值时,启动另一台冷却塔风机;当冷却水回水温度低于冷却塔控制设置的启停温度时,关闭另一台冷却塔风机。当冷却塔风机停止运行时,相应的旁路电动调节阀关闭,同时对流入冷却塔的水量进行控制。

2.3 空调机组系统设计

空调机组包含新风机及空调风机,其智能控制箱内置智能控制器。采集现场管路上的送、回风温、湿度,室外环境温、湿度及室内CO2浓度,与设定值进行比较,通过控制风机及电动调节阀,控制室内的温度、湿度。

2.3.1 新风机系统控制

(1)工作原理:具有节能程控功能的智能控制模块,根据采集到的CO2浓度,与系统控制模块设定值比较。当CO2浓度高于设定值时,开启新风机对室内进行换新风,同时根据实际温/湿度值,动态调节风机送风量,使送风温度和湿度保持在需要的范围内。

(2)连锁及保护:新风机停止运行,风阀、电动调节阀同时关闭,送风机启动,风阀、电动调节阀同时打开,过滤器两侧安装有压差传感器,当压差值高于设定值时发出报警。新风机箱内设有防冻开关,在冬季温度低于设定值时报警并关闭新风阀,停止风机运行。

(3)温/湿度调节:送风温度自动控制,控制水量调节阀,调节水量阀的开度保证送风温度为设定值;自动检测室内湿度,当湿度过低时自动开启加湿器进行加湿,当湿度过高时自动进行除湿工作。

2.3.2 组合式空调机组系统控制工作原理

具有节能程序控制功能的智能控制模块根据变送器所检测的温度、湿度与控制器上的设定值比较,冷、热水阀的动作是根据比较结果结合所检测的温/湿度输出相应电压信号进行控制。根据采集到的室内CO2浓度与设定值进行比,当实际值大于设定值时,新风阀开度开大,回风阀相应开度减小;反之新风阀开度减小,回风阀相应开度开大。

2.4 风机盘管系统节能设计

末端房间内配置室内空调控制器,根据采集的空调室内温度、调节阀的状态、室外湿度、室内人员情况等因素,进行智能优化来控制调节阀的开度和风机的转速来实现温度控制。

当房间无人时,风机盘管低速运行;当检测到人员进入房间时,自动开启风机盘管,实现人性化管理。室内空调控制器可以安装在房间任何合适方便的位置,由通信总线控制。

2.5 车库CO风机智能管理系统

送(排)风机由车库CO风机控制器控制,车库CO风机控制器装在车库CO风机控制箱内,可远程启停送、排风机。诱导风机由车库CO采集控制器控制,自动模式时,车库CO采集控制器根据检测到的CO浓度发出控制命令,自动启停风机;手动模式时,可以手动启停风机。车库CO采集控制器通过有线或无线方式与主控制器连接,当车库CO风机控制器监测车库CO采集控制器启动诱导风机超过设定时间,CO浓度仍未达标,开启送、排风机。车库CO风机控制器与上位机进行连接,可远程启停风机,具有运行模式设定、参数修改等功能。可设定送(排)风机的工作时间,定时补充新风。当控制器检测到环境温度过高,自动停止诱导风机运行。当控制器检测到区域内CO浓度超标,自动发出声光报警。

2.6 环境监控管理系统

室内综合数据探测器,室外环境探测器用于智能检测室内、外空气综合指数的检测。室内环境探测器可以实时监测的数据包括PM2.5、PM10、CO、CO2、温/湿度、甲醛;室外环境探测器可以实时监测的数据包括温度、湿度、风速、风向、燥声、光照、PM2.5,可以在小型气象站显示屏上显示所有参数。环境数据探测器具备联网接口,可通过手机APP蓝牙连接检测模块读取实时数据。

通过对以上建筑设备智能控制,可以有效降低能耗,各子系统均可以自成一套独立系统,也可以共用一套监控计算机管理系统。

3 医院建筑能耗监测系统

医院建筑能耗与其他建筑相比,具有能耗高、持续能耗长特点。医院建筑消耗的能源主要有燃气、电、水、燃料、供热、供冷和可再生能源等几大类型。其中电能耗包括照明、插座、采暖空调、动力用电和其他特除用电设备等。

3.1 医院能耗监测设计策略

3.1.1 医院的设计安全性和可行性

(1)照明、插座、动力、空调和其他特殊设备用电四个用电分项计量。

(2)冷冻泵、冷却泵、冷冻机组、冷却塔、热水循环泵、电锅炉、大医疗设备和其他设备的计量。

(3)实现电力监控系统和建筑设备监控系统接口共享。

3.1.2 医院的设计规划性和全面性

作为医院智能化大平台的子系统应明确能耗核算单元划分和考核原则,合理细化智能化系统、配电系统和计量方式。

3.2 用电分项计量关键点

3.2.1 照明插座用电

医院医疗场所的插座用电原则上属于医疗动力范畴,因此照明和插座宜分开计量,将插座归类动力(医疗动力)分项。公共区域照明用电是指医院急诊大厅、门诊大厅、住院大厅、医疗街和公共走廊等公共区域的照明;室外照明是指医院景观、庭院和道路的照明。

3.2.2 空调用电

医院的空调用电包括冷热站(冷热源系统)、空调末端、净化系统和大型独立空调4个分项。冷热站用电设备主要指冷水机组及冷、热循环泵等。空调末端包括空气处理机、送排风机、新风(换气)机、分体空调和风机盘管等。若风机盘管不能单独计量时,也可归类在照明和插座子项中。净化系统指净化空调机组、净化新风、排风机组等。

3.2.3 动力用电

医院的动力用电包含医疗动力、电梯、水泵和风机用电4个分项。医疗动力是指诊断、治疗和辅助类医疗设备,包括X射线诊断、超声设备、功能检查、检验设备、核医学设备、放射治疗设备、透析治疗设备、急救设备、高压氧舱、消毒灭菌设备、中心吸引及供氧系统等设备。

3.2.4 特殊区域用电

医院的特殊区域用电指数据中心、洗衣房、厨房和污水处理站等用电。基于上述4个用电分项的准确采集,通过能耗监测系统,达到节约能源的目的。

3.2.5 大型医疗设备系统化节能

大型医疗设备系统化用电为设备本身用电和其环境空调用电之和。医院大型医疗设备配置率较高的为医用核磁共振成像设备、X线电子计算机断层扫描装置(CT)、数字减影血管造影X线机(DSA)这三类大型医疗设备,设备本身用电量不到总用电量的5%,但其使用效率普遍较高。

大型医疗设备节能关键是系统化节能意识,使设备和环境空调之间形成温/湿度的耦合,实现同步运行,提升空调节能能力。

3.3 能耗数据梳理和核算

为了使能耗数据准确,在各分类分项能耗完成采集后,进行数据采集完整性和准确性的校验。核算医院总能耗,需核算4个用电分项能耗数据之和与变配电所计量表数值的匹配度。医院用电总能耗包括照明插座、动力用电、特殊区域用电和空调用电和,其采集的总能耗数值应与变配电多功能表进行对比,并保持一致。实际工程选计量表须兼容,从电流、电压、计费、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等方面相匹配。

综上,医院能耗监测系统能提高医院管理水平,是对能耗数据收集和整理分析的必备手段。