中國建筑科學(xué)研究院有限公司 張志杰北京回龍觀醫(yī)院 龐 宇中國建筑科學(xué)研究院有限公司 狄彥強 劉壽松 趙 晨

0 引言

隨著公共建筑規(guī)模的不斷擴大，公共建筑的能耗已經(jīng)占據(jù)我國建筑能耗中很大的一部分[1]。醫(yī)院建筑，不同于普通公共建筑，其基本全天運行，整體能耗較高。根據(jù)對醫(yī)院建筑用能特點的研究，在醫(yī)院全年能耗中，約40%～50%由空調(diào)制冷與供暖系統(tǒng)產(chǎn)生，約10%～20%由照明產(chǎn)生，約15%～20%由生活熱水及醫(yī)用、廚房蒸汽[2]產(chǎn)生。冷熱源能耗占醫(yī)院建筑能耗較大比例，因此，對醫(yī)院建筑進行節(jié)能改造勢在必行。醫(yī)院建筑節(jié)能改造應(yīng)從節(jié)能潛力大、操作性強、適合大面積推廣且具有良好投資效益的技術(shù)入手。本文以回龍觀醫(yī)院地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)診斷調(diào)適為例，通過低成本系統(tǒng)調(diào)適，降低地源熱泵側(cè)水力能耗，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能運行，取得較好的經(jīng)濟效益，希望為其他醫(yī)院建筑的運行管理提供一定的借鑒，真正意義上實現(xiàn)“小投入，大收益”。

1 工程概況

北京回龍觀醫(yī)院是北京市最大的公立三級甲等精神衛(wèi)生專科醫(yī)院，編制床位1 369張，占地面積14.7萬m2，建筑總面積6.8萬m2。本次調(diào)適對象為醫(yī)院門急診綜合樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該樓于2016年10月正式投入使用，建筑面積為22 052 m2，其中地上面積15 000 m2，地下面積7 052 m2。建筑層數(shù)為地上7層，地下2層，主要功能劃分包括急診、門診、醫(yī)學(xué)研究中心、治療中心、醫(yī)學(xué)檢驗中心、康復(fù)中心、職能辦公室等。

該醫(yī)院門急診綜合樓采用2臺單螺桿式地源熱泵機組作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，單臺機組額定制冷量為872.6 kW，額定制熱量為843.5 kW，夏季供冷設(shè)計供/回水溫度為8 ℃/13 ℃，冬季供暖日常運行供/回水溫度為45 ℃/39 ℃。冷熱源機組配備2臺冷水變頻循環(huán)水泵及2臺冷卻水變頻循環(huán)水泵，水泵額定功率均為22 kW。通過對熱泵機房及系統(tǒng)管道保溫情況進行現(xiàn)場調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，空調(diào)機房整體運行狀況良好，管道保溫防護措施較好，未發(fā)現(xiàn)“跑冒滴漏”現(xiàn)象。

2 系統(tǒng)測試診斷分析

2020年7月28—31日，在1臺機組、2臺冷水循環(huán)泵及2臺冷卻水循環(huán)泵正常開啟的狀態(tài)下，分別使用熱電偶、溫度記錄儀(精度為±0.1 ℃)及超聲波流量計(精度為±1.5%讀數(shù))對冷水機組及地源側(cè)的供回水溫度和供回水流量進行現(xiàn)場實測。

2.1 供回水溫度分析

整個測試期間，空調(diào)側(cè)及地源側(cè)供回水溫度變化如圖1所示，從圖中可以看出，空調(diào)側(cè)與地源側(cè)供回水溫差相差不大，基本維持在1.4～2.6 ℃，遠低于設(shè)計的供回水溫差5 ℃。白天(07:00—19:00)空調(diào)側(cè)供/回水平均溫度為13.8 ℃/15.8 ℃，高于機組設(shè)計的供/回水溫度8 ℃/13 ℃。夜間(19:00至次日07:00)冷凝器出水溫度及蒸發(fā)器進出水溫度均呈現(xiàn)出周期性波動，說明夜間冷負荷較小，機組負載過低，出現(xiàn)頻繁啟停狀態(tài)。

圖1 空調(diào)側(cè)及地源側(cè)供回水溫度變化曲線

由于空調(diào)機組冷水溫度較高，新風(fēng)機組除濕能力有限。尤其當(dāng)前疫情期間，醫(yī)院采取全新風(fēng)運行，新風(fēng)量加大導(dǎo)致室內(nèi)濕度過高。若突然調(diào)低送風(fēng)溫度，在空調(diào)送風(fēng)口位置會出現(xiàn)結(jié)露凝水現(xiàn)象。

2.2 供回水流量分析

對地源熱泵機組的供回水流量進行了實測。其中，機組空調(diào)側(cè)干管平均水流量為263 m3/h，兩支管平均水流量分別為94、112 m3/h。兩支管總流量為206 m3/h，較干管水流量減小了21.7%。初步判定為部分冷水通過供回水旁通管循環(huán)，造成不必要的能量損失。

熱泵機組空調(diào)側(cè)實測平均水流量為263 m3/h，設(shè)計工況下單臺機組運行空調(diào)側(cè)額定水量為150 m3/h，存在典型的大流量小溫差運行問題。熱泵機組地源側(cè)實測平均水流量為313 m3/h，設(shè)計工況下單臺機組運行地源側(cè)額定水量為180 m3/h，也同樣存在典型的大流量小溫差運行問題。

該項目設(shè)計工況下，1臺熱泵機組對應(yīng)開啟1臺地源側(cè)循環(huán)水泵和1臺空調(diào)側(cè)循環(huán)水泵，而實際運行工況下運維人員擔(dān)心不能保證最不利環(huán)路室內(nèi)效果，在開啟1臺熱泵機組時地源側(cè)水泵和空調(diào)側(cè)水泵各開啟2臺，這是系統(tǒng)流量偏大的主要原因，同時也導(dǎo)致循環(huán)水泵耗電量占比偏高，進而促使整個系統(tǒng)能效比偏低。

2.3 機組運行能效分析

通過計算熱泵機組供冷量、熱泵機組及循環(huán)水泵耗電量，得出測試期間地源熱泵機組的平均制冷性能系數(shù)(COP)為4.97，地源熱泵系統(tǒng)的平均制冷性能系數(shù)為2.80，不滿足GB/T 50801—2013《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》中地源熱泵系統(tǒng)平均制冷性能系數(shù)≥3.0的要求。

2.4 診斷問題分析

通過對該項目供回水溫度、流量、機組及系統(tǒng)能效等參數(shù)測試分析及對機組和水泵耗電量記錄分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾點問題：1) 熱泵空調(diào)側(cè)及地源側(cè)供回水溫差不足設(shè)計溫差一半；2) 熱泵機組出水溫度偏高，近14 ℃，遠高于設(shè)計出水溫度；3) 系統(tǒng)實際運行水量遠大于設(shè)計所需水量，造成大量循環(huán)水泵能量浪費；4) 循環(huán)水泵耗電量比例遠高于常規(guī)系統(tǒng)；5) 熱泵系統(tǒng)實際運行能效比小于《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》中要求的最低值。該項目地源熱泵系統(tǒng)長期處于大流量、小溫差、高能耗運行模式，造成大量資源浪費。

3 系統(tǒng)調(diào)適

3.1 調(diào)適措施

結(jié)合前期對地源熱泵機組的運行診斷分析結(jié)果，針對該醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)運行過程中存在的主要問題，重點從以下幾方面進行現(xiàn)場調(diào)適：1) 關(guān)閉1臺地源側(cè)循環(huán)泵和1臺空調(diào)循環(huán)泵，保證熱泵系統(tǒng)運行狀況接近設(shè)計工況；2) 對最不利環(huán)路進行專項診斷，若存在問題則進行水力平衡調(diào)試，避免出現(xiàn)末端區(qū)域室內(nèi)環(huán)境不滿足要求；3) 調(diào)整機組出水溫度，增大供回水溫差，提高輸配系統(tǒng)效率；4) 調(diào)整新風(fēng)機組閥門開度，避免出現(xiàn)結(jié)露問題。為避免調(diào)適影響醫(yī)院內(nèi)部功能房間正常使用，本次僅關(guān)閉1臺地源側(cè)循環(huán)泵進行調(diào)適效果驗證。經(jīng)現(xiàn)場實測及后續(xù)效果跟蹤，關(guān)閉地源側(cè)循環(huán)泵對末端使用情況無任何影響，風(fēng)管及末端也未出現(xiàn)局部溫度不能滿足使用要求等情況。

3.2 調(diào)適前后系統(tǒng)能耗分析

在其他設(shè)備運行參數(shù)及末端需求未作調(diào)整的前提下，對關(guān)閉1臺地源側(cè)循環(huán)泵前后4 d的機組和水泵耗電量數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖2所示。調(diào)適后地源熱泵機組日均耗電量較調(diào)適前增加約25 kW·h。然而，調(diào)適后的水泵耗電量較調(diào)適前有明顯降低，日均耗電量減少約350 kW·h。因此，關(guān)閉1臺地源側(cè)循環(huán)泵前后地源熱泵系統(tǒng)耗電量每天減少約325 kW·h。

圖2 調(diào)適前后地源熱泵機組及水泵日耗電量變化

進一步對比2019年8月與2020年8月地源熱泵機組及循環(huán)水泵的日耗電量情況，結(jié)果如圖3所示。2020年和2019年8月地源熱泵機組日均耗電量分別為652、604 kW·h；2020年和2019年8月循環(huán)泵日均耗電量分別為1 940、1 516 kW·h。2020年8月熱泵機組和循環(huán)水泵的耗電量高于2019年同期。這與2020年疫情期間新風(fēng)量加大有直接關(guān)系。此外，該項目熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵的耗電量要明顯高于熱泵機組耗電量，循環(huán)水泵耗電量約為熱泵機組耗電量的2.5～3.0倍，存在嚴(yán)重的輸配系統(tǒng)能耗偏高問題。

如圖4所示，在房間使用功能及運行策略未作調(diào)整的情況下，2020年8月地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)日均耗電量較同期增加477.7 kW·h，增加幅度為23.3%。主要原因在于，新冠疫情期間，為保障室內(nèi)人員衛(wèi)生安全，房間新風(fēng)量加大，從而導(dǎo)致新風(fēng)負荷增加。從上述結(jié)論也可以看出疫情對醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗增加具有顯著的影響。此外，近2年典型月回龍觀醫(yī)院地源熱泵系統(tǒng)全天運行期間，70%以上耗電量為循環(huán)水泵耗電，因此，針對該項目而言，對循環(huán)水泵運行策略優(yōu)化具有較大節(jié)能潛力。

圖4 2020年8月與2019年8月日均耗電量對比

從圖3和圖4分析可知，該項目2020年8月循環(huán)水泵每日耗電量約為2 000 kW·h，循環(huán)水泵耗電量異常偏高?，F(xiàn)場檢測可知，地源側(cè)和空調(diào)側(cè)每臺循環(huán)水泵額定功率均為22 kW，4臺水泵總額定功率為88 kW。由此可以推斷，2020年8月2臺循環(huán)水泵基本全天24 h運轉(zhuǎn)，而對應(yīng)熱泵機組僅開啟1臺運行，且根據(jù)熱泵機組運行記錄可知，機組整體負荷率較低，累計運行時間較短，最終導(dǎo)致機組耗電量低于循環(huán)水泵耗電量，也凸顯了大流量小溫差運行模式帶來的典型問題。

3.3 調(diào)適節(jié)能效益評估

根據(jù)歷年運行數(shù)據(jù)及現(xiàn)場檢測情況進行綜合考慮，在保證室內(nèi)效果前提下，夏季運行時空調(diào)循環(huán)泵和地源側(cè)循環(huán)泵按設(shè)計工況正常運行，同時考慮末端用能需求，通過降低冷水供水溫度，加大供回水溫差，并伴隨調(diào)整系統(tǒng)新風(fēng)量。在滿足末端需求情況下，降低輸配能耗，實現(xiàn)運行節(jié)能。

針對本項目而言，若能根據(jù)系統(tǒng)實際運行需求，夏季工況下，合理關(guān)閉地源側(cè)和空調(diào)側(cè)各1臺水泵，熱泵系統(tǒng)每日可節(jié)省電量約600 kW·h，每月可節(jié)約用電約1.8萬kW·h，節(jié)能效益明顯。

4 結(jié)語

通過對公共建筑運行能耗的影響因素及存在的問題進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在水泵選型及工作狀態(tài)不佳的問題，大多數(shù)公共建筑空調(diào)系統(tǒng)存在水泵選型偏大的問題，且變頻調(diào)節(jié)的比例不高。偏離正常工作點情況較多[3]，小溫差現(xiàn)象突出。本文結(jié)合對北京回龍觀醫(yī)院地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源機組及水泵能耗數(shù)據(jù)進行實測分析，針對每天24 h持續(xù)運行的醫(yī)院建筑，對其冷熱源系統(tǒng)的運行維護提出以下幾點措施建議：

1) 合理設(shè)置參數(shù)。

根據(jù)醫(yī)院現(xiàn)有分區(qū)及房間功能情況，例如電梯間、走道、化驗室、病房、辦公室、手術(shù)室、潔凈間等不同區(qū)域分別進行精細化設(shè)置，按需求設(shè)置，避免“傻瓜”式一鍵設(shè)定，降低末端實際負荷需求。

2) 完善歷史數(shù)據(jù)。

在現(xiàn)有日常運行記錄基礎(chǔ)上增加必要參數(shù)(具體時間、室外溫濕度、設(shè)備編號、水泵臺數(shù)、機組負載等關(guān)鍵信息)、提高數(shù)據(jù)記錄頻率(目前每天僅記錄一次)，并將紙質(zhì)數(shù)據(jù)電子化。接入能耗監(jiān)管平臺，對歷史數(shù)據(jù)實時記錄。并結(jié)合醫(yī)院實際業(yè)務(wù)量及人流量，對歷史能耗數(shù)據(jù)進行分析整理，及時發(fā)現(xiàn)能耗異常點，挖掘節(jié)能潛力，便于調(diào)整運行策略，指導(dǎo)下一步節(jié)能運行方向。

3) 優(yōu)化運行策略。

① 春秋過渡季工況。優(yōu)先僅開啟全新風(fēng)運行模式，當(dāng)室內(nèi)溫度不能滿足要求時，啟動地源側(cè)循環(huán)水泵，利用地源側(cè)循環(huán)水旁通直接進入空調(diào)末端進行供冷。根據(jù)室內(nèi)溫度情況，逐步增加循環(huán)水泵開啟臺數(shù)。

② 夏季工況。開啟1臺熱泵機組，建議合理設(shè)定冷水供水溫度，并密切關(guān)注室內(nèi)結(jié)露情況，檢查新風(fēng)機組除濕能力，適時調(diào)整新風(fēng)機組風(fēng)量，避免出現(xiàn)大面積結(jié)露，同時空調(diào)側(cè)及地源側(cè)水泵各開啟1臺，盡量增大供回水溫差，降低輸配系統(tǒng)能耗。

③ 冬季工況。優(yōu)先開啟1臺熱泵機組供熱，并密切關(guān)注供回水溫差，同時空調(diào)側(cè)及地源側(cè)水泵各開啟1臺，盡量增大供回水溫差(不小于5 ℃)，避免出現(xiàn)大流量小溫差運行。

4) 完善規(guī)章制度。

建立健全人員管理制度、運行交接制度和激勵及懲罰措施。后期運行中，加強運行管理，多方聯(lián)動，以便最大限度地發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)能性，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟效益。

5) 加強宣傳力度。

這種低成本調(diào)適措施在類似醫(yī)院建筑冷熱源系統(tǒng)中具備普適性，在保證供能效果的前提下，采取合理調(diào)整措施，降低運行成本，具備易操作、低成本、高收益的特點。