“冰蓄冷系统”在医院工程中的应用

　　摘要：文章结合北京协和医院制冷系统的改造工程实例，从技术、投资、运行维护等方面详细阐述了使用“冰蓄冷系统”改造中央空调的优势和特点，并对医院应用“冰蓄冷系统”的前景进行了展望。

　　关键词：“冰蓄冷系统”；自控应用；医院改造工程

　　北京协和医院历史悠久，现院区建筑面积已达53万平方米，各楼宇均配备中央空调系统调节医院室内温度。因部分中央空调制冷机组达到报废年限，工况效能随之下降，对能源成本控制不利，需要进行制冷系统设备更新改造工作。此次改造范围包含建筑面积为63659㎡的内科楼与建筑面积为13400㎡的老门诊楼的制冷系统，制冷站设在内科楼，站内原设有3台开立300RT螺杆制冷机组和2台600RT约克制冷机组。

　　改造“冰蓄冷系统”后，设计日峰值冷负荷为1972RT，夜间有约50%~60％的空调冷负荷，设计日总冷负荷为36000RT，系统采用二管制。对已达到使用年限的原有3台300RT螺杆机组更新为一台双工况离心式冷水机组。原有冷冻泵、冷却泵、冷却塔对应更换，增加乙二醇泵及冷却泵并均设置备用泵。原有两台600RT约克机组维持现状，作为基载冷机，对应冷冻泵及冷却塔维持不变。

　　一、制冷系统改造方案

　　改造项目须与原有两台约克600RT制冷机组设备联合制冷，才能利于医院运行维护，达到预期效果。

　　（一）技术对比

　　常规制冷系统与中央空调系统技术成熟，采用“冰蓄冷系统”可达到用电移峰填谷的目的，有利于整个社会资源的优化，同时也使其因峰谷电价的差异而得到了经济上的实惠，实现了社会效益和经济效益的双丰收。

　　（二）投资对比

　　根据医院实际用量情况，通过常规制冷机组系统主要设备投资与“冰蓄冷系统”主要设备投资估算对比，“冰蓄冷系统”改造比常规制冷机组改造投资高出229.5万元。

　　（三）运维费用对比

　　按照协和医院平均每年150日夏季制冷负荷、2010年北京市时段峰谷电价计算，中央空调“冰蓄冷系统”比中央空调常规制冷机组运行年结余约55.41万元。

　　（四）投资回报

　　“冰蓄冷系统”虽然在改造投资超过常规制冷系统，但在日常开支中每年可相对节省，约4.14年可回收超出的投资。随着国家峰谷电力政策的进一步实施，峰谷电价差会增大，电力高峰期会增长，由此“冰蓄冷系统”将显示出极大的优越性。

　　（五）空间放置

　　内科楼I段B2层冷冻机房区域约400㎡，改造后投入“冰蓄冷系统”或常规制冷系统均可满足设备放置、日常运维。

　　二、“冰蓄冷系统”组成

　　北京协和医院改造“冰蓄冷系统”采用有基载冷机上游串联式蓄冰系统，主要由蓄冰系统、制冷机组、冷却系统、板换、配电系统、自控系统等部分组成。

　　（一）制冷机组

　　制冷机组采用1台制冷工况为925RT、制冰工况为651RT双工况离心式冷水机组，负载侧冷冻水循环泵为3台600m3/h，扬程310kpa，75KW水泵（两用一备），基载冷机使用原有两台600RT/台机组。

　　（二）蓄冰系统的组成

　　蓄冰系统采用乙二醇溶液作为冷媒，由乙二醇泵、蓄冰设备、乙二醇系统定压装置、板式换热器及相应的管路系统组成。其中蓄冰设备为56组TSC-L92M冰槽组成，续冰冷量为5152RTH；乙二醇循环泵采用两台（一用一备）变频水泵，流量670m3/h，扬程390kpa；乙二醇系统定压装置采用两台补液泵（一用一备）和气压罐组成。

　　（三）冷却塔系统的组成

　　冷却塔系统由冷却塔、冷却泵、旁通出力仪组成。双工况冷却塔设备采用1台CDW-875ASY型超低噪声横流式冷却塔，7.5×5KW风扇，水流量875m3/h，当室外温室球温度28℃时，冷却塔进出口水温37/32℃；双工况冷却循环泵采用两台（一用一备）90KW/台，流量为720m3/h，扬程320kpa水泵；旁通处理仪采用两台TYII-600Q型0.3KW/台进出水口管井DN32。

　　（四）板换

　　板式换热器为两台每小时换热量为3700KW/台，一次侧乙二醇进出水温度3/11℃，二次侧空调冷水进出口水温度12/7℃。

　　（五）配电系统组成

　　由配电室低压系统引入1250A封闭母线一条供双工况制冷机组，ZR-YJV-2(3x185+2x95)供乙二醇水泵、冷却水泵，ZR-YJV-2(3x185+2x95)供冷冻水循环泵、双工况冷却塔、旁通处理仪、补水装置、补液泵、补水泵。

　　（六）自控系统的组成

　　采用以Schneider DDC（直通数字控制器）为核心，集散式控制结构，系统主要包括中央控制计算，中央控制器（DDC）、传感器、变送器、电动执行机构等组成。

　　三、“冰蓄冷系统”原理与应用

　　（一）“冰蓄冷系统”基本原理

　　“冰蓄冷系统”实际上是对能源的一种储备，在用电低谷、电价较低时开始制冰，蓄存冷量，而在用电高峰、电价较高时停止制冰，依靠储存的冷量交换制冷，从而完成能源利用在时间中的转移，节省运行费用，降低运行成本。

　　（二）“冰蓄冷系统”功能应用

　　1.“冰蓄冷系统应用”设计

　　“冰蓄冷系统”运行是利用现代的计算机技术和网络系统，实现对所有系统中所有设备的集中管理、控制和自动监测，确保各个部分的设备安全运行达到最佳状态，并节省系统运行能耗，及时发现故障，同时提高医院人员舒适感及工作效率，最大限度延长设备使用寿命。自控系统应用整体设计遵循安全性、稳定性、实用性、便捷性、先进性、扩展性、开放性、兼容性FF1A。

　　（1）安全稳定性。确保系统在任何情况下均可安全、稳定的运行。例如负荷短期变化剧烈、系统断电及部分设备损坏等情况，保证供冷区的供冷24小时不间断。

　　（2）实用便捷性。“冰蓄冷自控系统”具备运行“冰蓄冷系统”完整的软硬件支持，符合实际需要的国内外有关规范的要求，并且操作方便，对操作人员进行培训后，便可掌握系统使用方法。具备管理维护方便、操作简单、显示直观、记录打印、快速响应等特点。

　　（3）开放扩展性。系统遵循开放性原则，具备符合国家标准的软件、通信、网络、操作系统和数据库管理系统等方面的接口与工具，使系统具备良好的灵活性、兼容性、扩展性和可移植性；支持多种通用的通信协议，如BACNET、ETHERNET、LENWORKS、RS232、RS485等，能够向第三方系统或设备提供开放接口，与建筑自动化其它系统实现资源共享，便于完善控制与管理。

　　2.“冰蓄冷自控系统”原理

　　原理一：“蓄冰系统”与冷却水设备。冷水机组与相关的电动水阀、乙二醇泵、冷却水泵、冷却塔风机等的电气连锁；冷却水温控制冷却塔风机转速。

　　原理二：板式换热器间接供冷的空调冷水系统。根据热交换器二次水的供水温度控制乙二醇电动调节阀开度；供回水压差控制空调冷水泵转速。

　　原理三：乙二醇溶液系统。根据“蓄冰系统”工作模式，控制乙二醇泵运行台数；根据“蓄冰系统”不同工作模式下的流量控制乙二醇泵转速。

　　原理四：系统启停顺序控制。系统启动时，开启相应的各个阀门——冷却塔——冷却水泵——冷冻室泵——冷水机组，系统停止顺序相反。

　　3.“冰蓄冷自控系统”监控范围

　　（1）控制点：冷却塔风扇（5台）、冷却水循环泵（2台，定频运行）、双工况冷机（1台）、乙二醇循环泵（2台，变频运行）、冷冻水循环泵（3台，变频运行）、空调补水泵（2台，变频运行）、乙二醇补液泵（2台）、系统中各个开关及阀门调节。

　　（2）监测点：冷却水供/回水温度、冷冻水供/回水温度、冷冻水供/回水压力、冷冻水回水流量、双工况冷机乙二醇侧供/回水温度、乙二醇流量、蓄冰槽进/出口温度、蓄冰槽液位、板换乙二醇侧进/出口温度、乙二醇补液箱液位；

　　（3）监控设备：双工况冷机运行状态检测、故障报警、运行模式状态反馈、双工况冷机运行启停控制、运行模式控制；冷却塔风机运行状态、故障报警、频率反馈、频率控制、启停控制；冷冻水泵运行状态、故障报警、频率反馈、频率控制、启停控制。

　　4.“冰蓄冷自控系统”基础控制模式

　　“冰蓄冷自控系统”具备四种控制模式，可根据季节、室外温差变化、系统负荷情况适时调整融冰模式。

　　（1）双工况冷机蓄冰。双工况制冷机一般夜间蓄冰（23︰00~7︰00），该时段为北京电力低谷期。在该时段内双工况冷机切换到制冰工况满负荷运行，将乙二醇溶液温度降到-5.6℃，之后进入蓄冰设备。低温的乙二醇溶液和蓄冰设备内的热水交换，水放出潜热后冻结成冰，乙二醇溶液吸收水的潜热后温度升高至-2.07℃，再经过乙二醇泵进入主机降温，直到制冰结束；

　　（2）双工况制冷、蓄冰设备联合供冷。由于北京市夏季气候炎热，空调冷负荷较大，系统双工况冷机、蓄冰设备联合供冷的模式使用较多。乙二醇系统中，各电动阀门调整到位，蓄冰设备回路总阀开启，旁通回路处于调节状态，在主机、蓄冰设备、板换和乙二醇泵之间形成循环，乙二醇溶液先进入主机降温，之后进入蓄冰设备与冰发生热交换，冰吸收潜热发生相变，乙二醇溶液放热后温度降至3℃，进入板换与冷冻水交换产生7℃冷水满足使用环境需要。换热后的乙二醇溶液温度升高到11℃巡回到主机降温，根据进入板换前乙二醇溶液温度调节蓄冰设备出口阀门和蓄冰设备旁通阀门，使进入板换前的乙二醇溶液温度稳定在3℃。板换换热时，可根据冷冻水供回水压差调节冷冻泵转速，保证冷冻水供水温度稳定在设计温度7℃，这种设计回路能保证乙二醇系统流量稳定，从而保证系统工作的稳定性。通过阀门V2可以调节供冷温度计供冷流量。标准设计日冷负荷逐渐减少，可通过优化控制实现蓄冰设备的有效融冰满足用户需求；

　　（3）双工况制冷机单供。根据“冰蓄冷系统”的运行优化原则，蓄冰设备的融冰供冷尽量用在电力高峰时段，在运行中主要应用在电力平峰时段适当开启冷机直接供冷。此时乙二醇溶液经过冷机降温后通过阀门V2、V4送入板换。乙二醇系统在主机、板换、乙二醇泵之间循环，经过主机冷却后直接进入板换与冷冻水进行热交换，换热完成的乙二醇溶液经乙二醇泵后流回主机；

　　（4）蓄冰设备单独供冷。空调负荷较小时可充分体现“冰蓄冷系统”的优越性，实现全融冰供冷。这样除水泵消耗电能外，没有大用电设备运行，最大限度移峰填谷，节省运行费用。乙二醇系统中电动阀门调整到相应开关状态，蓄冰设备回路总阀开启，旁通回路调节，在主机、蓄冰设备、板换和乙二醇泵之间形成循环，乙二醇溶液从板换出来后进入蓄冰设备，冰吸收潜热发生相变，乙二醇溶液放热后温度降至3℃，进入板式换热产生7℃冷冻水，乙二醇溶液再回蓄冰设备降温。

　　四、“冰蓄冷系统”日常管理

　　北京协和医院每年供冷季为5~9月份，根据当年气候调整供冷时期。日间以市电峰值融冰优先，并根据室外温度，冷机负荷情况，适时调整运行模式，将蓄冰冷量分布到日间各时段使用。夜间内科楼病房需要提供冷源，根据季节、气象、冷机负荷，减少或保持两台基载600RT冷机运行，保证双工况冷机夜间蓄冰。

　　按照医院后勤管理手册有关制冷机房制度执行，包括巡检制度、维护保养计划、交接班制度、运行记录制度、访客制度、防火安全制度等。并根据医院PDCA管理方法，逐步完善机房管理缺陷，不断摸索节能运行方式，使之减少医院成本最大化。

　　五、结束语

　　通过北京协和医院“制冷机房改造”项目，发现尽管冰蓄冷系统具备节省能源开支优势，却并不能真正起到节约能源的结果，只有在国家推行峰谷电价的政策下，才能发挥出“冰蓄冷系统”的特性，建议医院管理者从各医院实际出发，选用适用的系统。

　　文|李兴 柴建军 尹卫国