医院中央空调系统的节能控制改造与实现研究

2022-01-12曾红燕

建材与装饰 2022年2期

林杰，曾红燕

（广西医科大学第一附属医院，广西南宁 530021）

随着医疗行业的飞速发展，医疗水平得到了显著提高，医院规模不断扩大，医院在运行过程中能耗不断增多。中央空调系统是医院正常运转过程中一项重要设备，且其在运行期间会消耗大量能源。传统的中央空调系统中采用的常规一次泵定流量系统经常会发生冷冻回水温度偏低、机组效率运行低等多项问题，这将会消耗大量能源。同时，缺少合理的自动控制和管理功能，这不仅会降低中央空调系统管理水平，而且会缩短各项设备寿命。可见，在竞争日益激烈的今天，加强对中央空调系统的分析意义重大。

1 医院中央空系统特点及主要表现

1.1 医院中央空调系统特点

医院中央空调系统运行过程中负荷较大，具体特点主要体现在以下3 个方面。

（1）医院中人数多、密度高，特别是在温度较高的夏季，流行病发生率高，医院内部各个科室接收病患人数较多，这也就导致医院中的中央空调在运行期间制冷负荷较大。

（2）医院患者与工作人员的体质不同，不同患者的病情不同，因此，对环境的湿度与温度要求也各不相同，这种随机性和不稳定性也都导致医院内的中央空调负荷会出现不稳定情况[1]。

（3）医院是一个特殊场所，其要保持24h 不间断运行，这也就对医院内的中央空调提出了更高要求，中央空调在运行期间，一方面要适应四季变化，另一方面还要满足医院季节性“旺季”，以及特殊恶劣天气变化，要确保其运行能够满足应用需求，而且具有良好经济效益[2]。

1.2 医院中央空调系统应用主要表现

医院中央空调系统与其他楼宇内的中央空调系统存在明显不同，主要表现在以下3 个方面。

1.2.1 抗菌消毒

中央空调体系相对固定，其与独立空调相比，维护时间周期较长，而医院内患者体质较弱，对病菌抵抗能力相对较弱，对空气中的病菌十分敏感。因此，医院中的中央空调需要增加抗菌过滤功能，在空调系统的各个通风口位置处要加设抗菌过滤器与过滤网，通过过滤方式隔离或灭杀病菌病毒，避免病菌通过空调传播[3]。此外，通过对中央空调进行应用，能够与外界空气的交换，从而避免发生严重污染问题，避免对医院内患者、医务人员造成危害，引起其他疾病。

1.2.2 依据实际要求调节温度

医院内人口密集，变化明显，温度的变化会导致中央空调在运行期间负荷会发生改变，因此，要不断对温度进行调控。若采用中央空调对医院室内温度调节不及时，在人口密度快速上升期间，温度会在短时间内升高，这对患者来说十分不利，会加重患者病情。若中央空调无法感知人流对温度需求的改变，这会对医院内部温度调节质量造成不良影响[4]。

1.2.3 空气流通过程中的应用

医院病房内的患者多且集中，特别实在流行性疾病发展期间，医院内空气不及时与外界空气进行交换，可能会引发各种疾病。同时，空气传播的不同类型疾病可能会引起交叉感染情况，这会对患者身体健康造成严重威胁。因此，医院中央空调系统不仅需要具备交换空气作用，而且还要具有阻断空气的能力。

2 中央空调控制智能化控制系统概述

本控制系统是对广西某医院的中央空调设备的各个机构在运行期间的各项运行参数进行动态采集，对各项数据进行适当分析，同时优化系统控制算法，实现对系统中各个执行机构的合理控制，通过对该系统的合理应用，能够延长各项设备寿命，而且能够减少系统在运行适当能耗，简化管理，保证系统在运行期间的安全性，避免发生事故。本系统为冷源站节能控制系统，系统可以依据冷冻水管路、冷水机组、冷却水管路状态等及时反馈给各个传感器，通过中央处理单元，完成相应的预算、判断，从而实现对各种不同当作执行机构的动态闭环控制。

3 医院中央空调系统节能控制策略

3.1 冷冻水泵节能控制

该项控制主要体现在以下3 个方面。

3.1.1 温差供回水控制

控制程序在具体运行期间，可以检测出中央空调系统在实际和荷载状态下需要的冷冻水流速，从而获取到满足具体压力需求和流速的水泵运转参数与数量，保证水泵能够在高效率下稳定运行，不会出现安全事故[5]。这一管控策略在具体应用期间，将预算荷载作为基础，利用调频管制方式，实现对供回水管温度的合理控制，同时应用荷载预算方法，可以精准地获取到预期系统流速，动态对比当前温差设置值和实时温差数据，用过对相应管控程序进行应用，能够精准计算空调设备运行输出频率，采用调频控制系统，控制与变更水机输出频率，进而完成对冷冻流速的调整，使其能够达到预定流速，保证中央空调系统运行的合理性与安全性。

3.1.2 冷冻泵回水温度控制

该控制方式可以完成对回水温度的合理控制，在中央空调系统具体运行期间，对比设置回水温度与实时回水温度，提取中央空调系统中水泵的运行时的消输出频率，在完成对具体频率进行调整之后，能够加快或减缓冷冻水流速度，通过该方式，实现对回水温度的调控[6]。具体运用期间，采用的管控算法自身能够对参数进行改变，若在检测期间，发现实际检测到的温度与设置的温度之间存在较大偏差，此时，系统在运行过程中能够通过自动方式完成相应调整，较少或增加幅值，进而保证程序在运行期间的稳定性，避免发生意外事故。

3.1.3 冷冻泵供回水压差控制

该控制方式的应用能够实现对分离水器压差大小的有效管控，通过对比设置压差与实际压差之间数值，完成相应分析工作，能够将水泵在运行期间的输出频率从系统中提取出来，采取更改输频率方式，完成对冷冻水流速的调整，最终达到控制供回水压差的目的。

3.2 冷却水泵节能控制

该控制与冷冻水泵控制十分相似，两者都是通过对调频控制方式进行应用，从而达到节能减目的。但是，从具体运行情况来看，冷却水泵节能控制主要体现在以下2 个方面。

3.2.1 控制出水温度

对比设置出水温度和实际出水问题，完成相应分析工作，从系统运行情况，获取到水泵输出频率，采取改变频率方式完成对出水温度和冷却水流的调控，同时与管控算法具备的自改变参数功能进行配合应用，保证程序在运过程中的稳定性[7]。

3.2.2 控制进出水温差

控制打冷机在运行过程中冷却水进出水温度情况，通过对比设置温差值与实际冷却进出水温差，分析对比结果，获取到水泵在运行过程中的实际输出频率，通过更改频率，能够调整冷冻水流速，实现对进出水温差的控制。

3.3 冷却塔节能控制

该项控制主要体现在以下2 个方面。

（1）可以结合实际比例情况，控制调控情况与台数，完成相应分析工作。技术人员在问题分析期间，对比中央空调系统在运行期间，冷却塔预设的开启数量，以及整个系统中的主机数量，通过科学方式，完成对冷却塔风机开启比例的控制，从而合理控制冷却塔风机的管控。为了保证系统在具体运行期间的稳定性，要对比分析预设温度和冷却塔出水问题，再通过系统进行自主计算，进而得到冷却塔风机运行时的输出频率，采取风机输出频率更改方式，完成对通风速度的控制，进而实现对冷却塔在运行时出水问题的调整。

（2）依据具体情况控制冷却塔出水问题，若在具体分析期间，发现预设温度值远低于实际温度。此时，系统在运行过程中，频率会自动增加，直到频率达到上限为止，如果实际温度依然比预设温度高，系统将会通过自动方式，开启更多冷却塔风机[8]。相反，如预设温度远超过了实际温度值，系统则会逐渐减低冷却塔风机在运行时的频率，直到达到频率限制为止，若在该情况下，设置温度依然超过实际温度值，系统会在一段延时后，将原本处于开启状态的部门分冷却塔关闭。具体运行过程中，可以依据冷却塔风机在运行过程中的运转时长排序，也可以采取自定义方式排序，完成加减控制。

3.4 功能分区节能控制

从现代医院日常运营管理角度入手进行分析，在中央空调系统节能期间，针对不同功能区要做好划分工作，依据人流变化情况、空间大小等进行适当调整。从具体情况来看，针对人流量相对密集，空间相对较大的分区，应当在允许的情况下，适当提高中央空调运行水平。相反，对于人流较小，空间相对较小区间，例如治疗室、医生办公室、门诊室等，应当结合区间外部环境温度改变，通过调整空调运行情况方式，控制温度。例如，温度相对较高的夏季，可以依据周围环境具体情况，适当增加冷风供应量，而在温度较低的冬季，要适当调整空调开放情况。而针对医院内的一些特殊区域，例如核磁共振区、CT 区等区域，这些设备在运行过程中会释放大量热能，这会导致这一区域的温度要高于其他区域，因此，从节能角度对问题进行探讨，相关技术人员要适当调整中央空调系统在运行过程中的各项参数，而在具体调整时要考虑各种设备运行时释放的热量，以此为依据，预留出一定富余，减少非必要能耗，提高医院在运营过程中的效益，以及环境效益。通过对医院中安装的中央空调系统的运行规律进行详细分析可以发现，在制冷温度低于23℃时，每降低1℃，中央空调系统运行过程中的能耗量便会增加14%左右，而在进行制热时，如果制热温度超过20℃，温度每升高1℃，耗能将会增加7%左右。

由此可见，作为技术人员要对医院具体情况进行全面分析，合理规划医院内各个功能区，对不同区域空间大小和功能进行科学划分，完成对医院内部中央空调系统的合理布置，对系统运行过程中的各项参数进行确定，在确保医院内各个空调都能够享受到空调服务，在实现对能耗合理控制基础上，为人们营造一个舒适空间。此外，在条件允许基础上，医院要引入净化空调系统，在适当调整运行参数基础上，定期清理各项设备，保证中央空调系统能够始终保持清洁，最大限度消除各种不良因素带来的各项影响，保证运行的合理性，进而达到节能环保目的。同时，医院还要做好室外通风与中央空调的合理配合，在中央空调系统运行期间，要关闭好门窗，尽量减少医院室内外热量交流；而当停止运行时，在水医院内温度较高情况下，可以通过打开门窗方式通风，进而降低温度，达到节能减排目的。

4 中央空调系统的硬件和节能控制软件

4.1 系统硬件构成

中央空调智能化控制系统硬件主要有中央控制器、执行机构、传感器共同构成，系统硬件构成如图1 所示。

图1 系统硬件构成

中央控制器采用可编程控制器（PLC），为了确保采用的PLC能够满足应用需求，PLC 需要具有组态灵活、支持PID 自动调节等功能，适合应用本项目功能需求。

4.2 节能控制软件系统

采用的中央空调智能化控制系统采取空调末端系统节能控制系统和冷源站节能控制系统综合优化算法，其在运行过程中能够完成对冷水机、冷却水泵、冷冻水泵各项设备在运行过程中的曲线，针对每台设备的运行采取主动方式进行控制，而针对机房设备的运行情况，则采取集中方式进行控制，依据运算分析，制定出一套与实际情况相符的最佳技能控制方法，完成对各种设备运行情况的调整，保证中央空调系统在运行过程中的水流量、风量、压差、温度等各项参数处于最佳状态，进而保证系统在运行期间能效处于最高状态，减少能耗费用。医院内安装的中央空调智能化控制系统在具体运行过程中的控制流程如下。

4.2.1 启动冷水机组

依据实际负荷需求，系统中每台冷水机组在运行时的累计运行时间，选择运行时间最短冷水机，从而延长冷水机组在运行过程中的寿命，确定运行的冷水机组的冷冻水动蝶阀和冷却水电动蝶阀两者都处于开启状态，开启设备冷却水泵，保证处于开展状态，开启冷冻水泵，在保证其处于启动状态之后，再启动系统中冷水机组，然后开启冷却塔设备。

4.2.2 关闭冷水机组

依据负荷与冷水机组在运行过程中的累计时长，从诸多冷水机组中选择出运行时间最长的一组，对系统发送关闭冷水机组指令进行控制，确定其为关闭状态后，发送关闭冷冻水泵指令，确定其处于关闭状态后，在冷水机停止运行300s 之后，系统则会发送关闭相应冷却水泵、冷却塔指令。

4.2.3 启动冷却塔

系统运行过程中能够完成对冷水进水温度的采集，如果进水温度超过了实际设置值，系统能够完成对每台冷却塔累计运行时间的查询，从诸多冷却塔中选择出运行时间最短的冷却塔，系统针对该冷却塔发送相应制动指令。

4.2.4 关闭冷却塔

在进行冷却水进水温度采集时，若发现水温与设定值相比更低，通过系统查询，从诸多冷却塔中选出运行时间最长冷却塔，发送相应关闭指令。

4.2.5 切换控制冷水机组负荷情况

该项控制工作是通过智能控制系统实现的，实际上就是计算冷热负荷，依据用户负荷具体情况，调节系统负荷切换控制的实际需求，并且完成对相应动作反馈的监测，确保系统运行的合理性。