医院中央空调系统的节能控制改造与实现

摘 要：以广东地区某三甲医院中央空调系统节能改造为案例，介绍了一种医院冷源站节能控制系统，整个系统包括冷冻水温度及压力参数、冷却水温度参数等检测，冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、电动阀门等机构的控制，统一由冷源站节能控制系统接收各种传感器信号与发出各种执行命令，从而实现制冷站的全面监控，机房设备经各种参数运算揉合统一调配，提高了医院中央空调系统运行效率，实现了医院机房的综合节能。

关键词：医院;中央空调;节能改造

0    引言

近年来，随着医疗设备的不断更新换代，医疗服务水平的不断提升，我国大部分医院尤其是综合性三甲医院的能耗普遍存在逐年递增的趋势。在医院运行过程中，中央空调系统是医院正常运转必需且能耗较高的设备。在中央空调机房设备的运行中，常规的一次泵定流量系统常常会出现冷冻水回水温度低、冷冻水流量高于设计值、机组效率低等问题，从而导致能耗偏大、费用偏高等现象。其次，控制系统缺乏正常的自动控制和管理功能，影响了管理水平的进一步提高及设备的使用寿命。而在竞争日益激烈、节能形势越来越严峻的形势下，医院中央空调系统可采用冷源站节能控制系统[1]及末端空调节能控制系统有效解决节能问题。

1    中央空调智能化控制系统简介

本控制系统是通过对广东地区某三甲医院的中央空调设备各个机构的运行参数进行实时数据采集，分析运行数据并优化系统控制算法对系统的各执行机构进行实时控制，本系统具有延长设备使用寿命、节省设备运行能耗、简化管理、提高系统安全性能等特点。本系统是一种冷源站节能控制系统，具体包括冷水机组智能控制子系统、冷冻水智能控制子系统、冷却水智能控制子系统以及冷却塔智能控制子系统，可根据冷冻水管路状态、冷水机组状态、冷冻水泵状态、冷却水管路状况、冷却水泵状态、冷却塔风机状态等反馈的各种传感器数据，经过中央处理单元进行运算、判断，对各种动作执行机构进行实时闭环控制。控制系统组成如图1所示。

2    系统硬件组成

如图2所示，中央空调智能化控制系统硬件主要由中央控制器[2]、传感器及执行机构组成。中央控制器采用西门子的S7-1200可编程控制器（PLC），该PLC具有组态灵活、支持PID自动调节等功能特点，非常适合本项目的功能需求;系统传感器包括冷冻水（供回水）管道温度传感器、冷却水（供回水）管道温度传感器、冷冻水供回水管道压力传感器、冷冻水回水管道流量变送器;系统执行机构包括冷水机组蒸发器进口电动蝶阀、冷水机组冷凝器进口电动蝶阀、冷却塔进口电动蝶阀、分集水器旁通电动控制阀、冷冻水泵进水电动蝶阀、冷却水泵进水电动蝶阀、冷冻水泵变频器、冷却水泵变频器。

3    系统节能控制软件系统

中央空调智能化控制系统[3]采用冷源站节能控制系统和空调末端系统节能控制系统综合优化算法，跟踪冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔和风机及电动调节阀的运行曲线，对每台设备采用主动式控制，对整个机房设备采用集成式控制，通过运算分析，选择最优的节能控制方案，及时调整各设备的运行工况，确保空调系统的风量、水流量、温度和压差等运行参数最优及设备运行效率最高，从而使系统能效（COP值）最高，能耗最低，能源费用最小。最终实现整个制冷系统综合能耗最低的目标。中央空调智能化控制系统控制流程为：

（1）启动冷水机组：根据负荷需求及每台冷水机组的累计运行时间选择运行时间最短的冷水机组（延长冷水机组寿命），确认此冷水机组的冷却水电动蝶阀和冷冻水电动蝶阀处于开启状态后，启动设备冷却水泵，确认其处于开启状态后，启动冷冻水泵，确认其处于开启状态后，再开启冷水机组，随后启动冷却塔设备。每增开一台冰水机组按照此流程进行判断及动作执行。

（2）关闭冷水机组：根据负荷及每台冷水机组的累计运行时间选择运行时间最长的冷水机组，控制系统发送冷水机组关闭指令，确认其处于关闭状态后，控制系统发送冷冻水泵关闭指令，确认其处于关闭状态后，冷水机停机后延时5 min，系统发送对应的冷却水泵及冷却塔设备的关闭指令。每减少一台冰水机组都按照此流程进行判断及动作执行。

（3）开启冷却塔：系统采集冷却水的进水温度，如果进水温度高于设定值，系统查询每台冷却塔的累计运行时间，选出運行时间最短的冷却塔，系统发送该冷却塔风机开启指令。

（4）关闭冷却塔：系统采集冷却水的进水温度，如果进水温度低于设定值，系统查询每台冷却塔的累计运行时间，选出运行时间最长的冷却塔，系统发送该冷却塔风机关闭指令。

（5）冷水机组负荷切换控制：冷水机组的负荷切换控制也是由智能控制系统完成的。智能控制其实是通过对冷热负荷的计算，根据用户端的负荷情况向其控制系统提交负荷切换控制需求，同时监测其动作反馈，避免了“大马拉小车” “小马拉大车”的不合理现象。

中央空调智能化控制系统控制软件界面如图3所示。

4    节能效益分析

本项目以广东地区某三甲医院节能改造为例进行分析，增加中央空调智能化控制系统后，主机（冰水机组）节能率达3.5%，辅机（冷冻水系统、冷却水系统）节能率达25.45%，项目综合节能率达10.37%，项目改造前后节能效果对比分析如表1所示。项目改造后年节约电量约44.69万kW·h，年节电金额约29.4万元，项目总投资约26万元，设备静态投资回收期约8.8个月，节能效益非常显著。

5    结语

本项目为中央空调系统综合节能改造项目，采用了成熟的水泵变频控制技术和主机智能模糊控制技术，充分利用了现有设备和场地，以成本较低的方式实现了节能收益最大化。该技术节能效果显著，可在满足医院正常供冷需求的同时，减少能源消耗，提高能源利用效率。本项目节能控制技术除了可在医院推广应用外，还可以推广到其他类型的公共建筑[4]或国家公共机构，对国家节能减排及实现碳达峰、碳中和有深远的现实意义。

[参考文献]

[1] 罗汉权.大型办公楼中央空调冷源站控制系统软硬件设计剖析——以福建厦门瑞达金融广场中央空调冷源站为例[J].福建建筑，2020（9）：103-108.

[2] 李春茹，徐维兴.中央空调系统的智能化控制方法[J].四川建材，2012，38（3）：222-223.

[3] 王涛.中央空调的智能化实现路径探究[J].科学技术创新，2018（28）：150-151.

[4] 黄鹤，欧阳前武.某三甲医院合同能源管理项目案例分析[J].江苏建筑，2019（S1）：117-118.

收稿日期：2021-05-18

作者简介：朱柱锦（1982—），男，广东博罗人，硕士，工程师，主要从事工业自动化设计及改造、节能技术改造及推广应用工作。