陳志杰 孔麗麗 吳嘉裕

1 中山大學腫瘤防治中心 廣東廣州 510555; 2 廣州華伸機電設備有限公司 廣東廣州 510220

蒸發(fā)冷凝式冷水機組不同于常見的水冷式冷水機組,該形式的主要特點是合并了冷卻塔和冷凝器,集成為蒸發(fā)冷凝器,取消了冷卻水泵,減少了冷卻水泵耗電,具有結構緊湊、節(jié)能高效的優(yōu)點[1-2]。在人流密集、用地緊張的地鐵站,蒸發(fā)冷凝式冷水機組已經得到了廣泛應用[3]。由于醫(yī)院人流較多,用地也同樣緊張[4],近年來,蒸發(fā)冷凝式冷水機組在醫(yī)院領域也逐漸得到了重視和應用[5]。但是,蒸發(fā)冷凝式冷水機組的蒸發(fā)冷凝器需要采用風扇散熱,因此此類機組不能布置在封閉的機房,通常只能布置在醫(yī)院建筑的屋面或其他戶外位置,日曬雨淋[6-7]。且蒸發(fā)冷凝器的冷卻水環(huán)路較短,冷卻水存水量少,在主機運行期間,冷卻水的濃縮速度極快,極易引起蒸發(fā)冷凝器結垢[8-9]。綜上原因,蒸發(fā)冷凝式水冷機組故障率通常要高于水冷式冷水機組。

醫(yī)院需要空調系統(tǒng)穩(wěn)定運行,提供穩(wěn)定的冷源供應,以保證手術室、ICU及其他重點場所維持合適溫濕度,起到保護易感人群的作用[10]。因此,蒸發(fā)冷凝式冷水機組如何合理設計和配置,在使用過程中如何高效穩(wěn)定運行,如何開展維護管理,降低機組的故障頻率,是影響其在醫(yī)院推廣和應用的重要因素[11-12],目前,蒸發(fā)冷卻技術在中國新疆、青海等氣候較為干燥的地區(qū)已得到廣泛的應用及研究[13],而華南地區(qū)的相關研究和應用經驗較少。本文將以廣州市某醫(yī)院為例,介紹蒸發(fā)冷凝式冷水機組在醫(yī)院的應用,并從冷源設計、運維保養(yǎng)、水質管理、能效等角度探討其運行管理策略。

1 蒸發(fā)冷凝式冷水機組在醫(yī)院的應用

1.1 蒸發(fā)冷凝式冷水機組工作原理及特點

如圖1所示為蒸發(fā)冷凝式冷水機組結構示意圖,由圖可知,蒸發(fā)冷凝式冷水機組也是有空調的四大部件構成:壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器和膨脹閥,與其他機組不一樣的是此處的冷凝器采用了蒸發(fā)冷卻式冷凝器。蒸發(fā)冷凝器主要部件有冷卻風機、布水器、冷凝器、集水盤、水箱和循環(huán)水泵,循環(huán)水泵將水箱的水抽至布水器,布水器將冷卻水均勻噴淋在冷凝器上,通過冷卻風機從冷凝器兩側引入新風與冷凝器管壁和噴淋水進行熱交換,帶走冷凝器的熱量,使冷凝器中的冷媒從氣態(tài)冷卻為液態(tài),換熱后剩余的噴淋水則通過集水盤匯聚到水箱中循環(huán)利用。

圖1 蒸發(fā)冷凝式冷水機組結構示意圖

由于蒸發(fā)冷凝器十分緊湊,冷卻水的存量少,在機組制冷過程中,大量的冷卻水被蒸發(fā),當水箱水位低于某一限值,水箱將啟動自動補水。由于冷卻水不斷蒸發(fā),即便有補水,水箱的電導率仍會不斷升高,當電導率升高到設定值或者達到設定的排水周期時,會觸發(fā)機組的排污閥門,排放水箱中的水,并重新補水。

1.2 基于蒸發(fā)冷凝式冷水機組的冷源系統(tǒng)設計

圖2為廣州市某醫(yī)院住院部冷源系統(tǒng)圖,表1為蒸發(fā)冷凝冷水機組參數(shù)表,表2為相應冷凍水泵泵組的參數(shù)表。該冷源系統(tǒng)共有4臺蒸發(fā)冷凝式冷水機組,采用了三大一小模塊化布置,利于節(jié)能和備用。3臺制冷量較大的冷水機組輸入功率為345 kW,制冷量達1 514.1 kW,系統(tǒng)名義能效比(COP)為4.39,匹配了4臺流量為300 m3/h、揚程為32 m、功率為45 kW的冷凍水泵,其中1臺水泵作為備用。1臺制冷量較小的冷水機組輸入功率為118 kW,制冷量達516.8 kW,系統(tǒng)名義COP為4.38,匹配了2臺流量為100 m3/h、揚程為30 m、功率為15 kW的冷凍水泵,其中1臺作為備用。由圖2可知,采用蒸發(fā)冷凝式冷水機組無須設計冷卻塔和冷卻水泵,而采用蒸發(fā)冷凝器代替,由表1可知,蒸發(fā)冷凝器需由水流量為85 m3/h、功率為6.5 kW的循環(huán)水泵驅動冷卻水循環(huán)即可,循環(huán)水泵功率遠小于常規(guī)冷卻水泵功率。

圖2 冷源系統(tǒng)圖

值得注意的是,大機組所需的冷凍水流量明顯大于小機組所需的冷凍水流量,因此,大機組和小機組的冷凍泵組不能共用,兩者須根據(jù)機組臺數(shù)和冷凍水流量需求,分別配置的冷凍泵組,兩套泵組的揚程不能相差過大,否則容易引起流量紊亂。

表1 空調主機參數(shù)

表2 冷凍水泵參數(shù)

2 蒸發(fā)冷凝式冷水機組運行管理

2.1 日常運行巡檢

中央空調系統(tǒng)是保障醫(yī)院正常運行必不可少的機電系統(tǒng)之一,須確保冷源系統(tǒng)、特別是冷水機組的24 h正常運行[14]。結合廣州市某醫(yī)院蒸發(fā)冷凝式冷水機組運行經驗,總結以下措施來保障蒸發(fā)冷凝式冷水機組系統(tǒng)24 h運行:①成立24 h值守班組,實行12 h兩班倒工作制,每班確保2人值班。②每2 h檢查及抄表1次。③建立空調值班制度、事故上報制度、空調系統(tǒng)安全操作規(guī)程等,并在機房值班室等顯眼位置粘貼上墻。④每半年組織一次應急演練、技能培訓和崗位考核。

2.2 維護保養(yǎng)

表3是蒸發(fā)冷凝式冷水機組重點維保內容。蒸發(fā)冷凝式冷水機組的壓縮機、蒸發(fā)器和膨脹閥三大部件與水冷式冷水機組區(qū)別不大[15],技術相對成熟,故障率相對較低,可參考常規(guī)水冷式機組開展維保工作[16]。而蒸發(fā)冷凝器的維護保養(yǎng)工作則與水冷式機組的冷凝器有較大不同,主要在于:①蒸發(fā)冷凝器由于冷卻水蒸發(fā)速度快,鈣鎂離子的濃縮速度快,導致蒸發(fā)冷凝器極易結垢。因此,宜每月檢查一次蒸發(fā)冷凝器翅片結垢情況,每年進行一次翅片除垢處理。②蒸發(fā)冷凝器的排風機和冷卻循環(huán)泵直接影響冷凝器散熱,若兩個部件故障,會直接引發(fā)機組的排氣高壓報警停機。因此,宜每月檢查一次排風機和冷卻循環(huán)泵,及時給轉動軸承加注機油。③頂部面板、布水管容易結垢,托水盤容易堆積淤泥,因此,宜每月清潔一次頂部面板、布水管,托水盤每月排污一次。④電導率探頭用于實時檢測托水盤內冷卻水的電導率,電導率高于設定值時,會釋放信號控制排水閥排放托水盤的存水,控制補水閥補充自來水,以降低托水盤內的離子濃度和電導率,減緩蒸發(fā)冷凝器結垢速度。若電導率探頭、補水閥、排水閥失效,容易造成蒸發(fā)冷凝器嚴重結垢或者自來水持續(xù)補水的后果。因此,宜每月對電導率探頭、冷卻水補水閥和排水閥檢查一次。

表3 蒸發(fā)冷凝式冷水機組重點維保內容

2.3 水質管理

水質管理是蒸發(fā)冷凝式冷水機組最重要和難度最高的維保工作之一,水質管理的好壞對空調系統(tǒng)能耗水平和設備壽命影響極大[17-18]。圖3是表1中一臺空調主機1在環(huán)境溫度30.7 ℃、環(huán)境濕度60%、負載率為77%的條件下,蒸發(fā)冷凝器冷卻水電導率隨空調主機運行時間的變化趨勢。在3 h內,冷卻水電導率上升了一倍,由208.5 上升到424 ,濃縮速度很快。因此造成冷卻水盤內鈣鎂離子平均濃度較高,若不正確進行水質管理,會導致蒸發(fā)冷凝器極易結垢。廣州市某醫(yī)院經過近2年多的實踐研究,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制法、化學法和軟化法是行之有效的水處理方法,三種方法共同使用能大大減緩蒸發(fā)冷凝器結垢速度。

圖3 蒸發(fā)冷凝器冷卻水電導率隨空調主機運行時間變化趨勢

2.3.1 系統(tǒng)控制法水質管理 為了減緩蒸發(fā)冷凝器的結垢速度,冷卻水盤內會安裝電導率探頭,實時監(jiān)測冷卻水電導率,根據(jù)GB/T 29044《采暖空調系統(tǒng)水質》的要求,冷卻循環(huán)水電導率不得超過800 μs/cm。因此,通常設定超過800 μs/cm時,自動觸發(fā)冷卻水盤排水閥和補水閥聯(lián)動排水和補水。電導率探頭故障時,冷卻循環(huán)水持續(xù)排水補水或者持續(xù)不排水不補水,為了避免這種情況的發(fā)生,一般會設計周期性排水補水邏輯程序作為備用。當電導率探頭故障時,觸發(fā)周期性排水補水邏輯程序,當系統(tǒng)累計運行滿8 h(根據(jù)使用情況調整)后進行一次排水和補水。見圖4。

圖4 冷卻水盤排水邏輯圖

2.3.2 化學法水質管理 雖然通過上述系統(tǒng)控制法可以不斷更新冷卻水盤的存水,但是其阻垢效果仍難以達到要求,且無法起到緩蝕、殺菌和滅藻的作用,因此,需要采用投加化學藥劑的方法加強蒸發(fā)冷凝器的阻垢、緩蝕、殺菌和滅藻。投加的化學藥劑主要包括阻垢劑、緩蝕劑和殺菌滅藻劑,藥劑的化學特性須根據(jù)蒸發(fā)冷凝器銅管和翅片的材質兼容,以免腐蝕銅管和翅片。一般不采用含氯等氧化性強的化學藥劑,以免腐蝕銅管和翅片,縮短設備壽命。

由于蒸發(fā)冷凝器一般在8 h內會完成一次排水和補水,周期較短,若采用人工方法一次性投加藥劑,很快會被排走,藥劑在冷卻水箱停留時間短,無法進行有效的水質管理。因此,建議采用自動加藥裝置進行水質管理。如圖5所示,阻垢劑、緩蝕劑和殺菌滅藻劑儲存在自動加藥裝置藥桶中,在冷卻水盆排水結束后,自動加藥裝置的加藥泵自動啟動,把化學藥劑注入至冷卻水箱,使冷卻水箱的冷卻循環(huán)水保持相對穩(wěn)定的藥劑濃度,從而起到阻垢、緩蝕、殺菌和滅藻的作用。

2.3.3 軟化法水質管理 為了達到更好的除垢效果,軟化水設備也建議應用到蒸發(fā)冷凝器水質管理。如圖5所示,軟水器安裝在冷卻水箱補水管處,自來水先進入軟水器的樹脂罐中,自來水中的鈣鎂離子由于帶較強電荷,會替換樹脂中的鈉離子。經過離子交換后,鈣鎂離子就被吸附到軟水器的樹脂中,自來水鈣鎂離子濃度大大降低,水質變軟,然后再補充至冷卻水箱中。蒸發(fā)冷凝器的冷卻循環(huán)水由于補水的鈣鎂離子濃度很低,結垢速度也會大大降低,從而保護了蒸發(fā)冷凝器。

圖5 增加自動加藥裝置和軟化水裝置后蒸發(fā)冷凝器系統(tǒng)圖

3 蒸發(fā)冷凝式冷水機組能效分析

研究人員選取了廣州市夏天3個常見的天氣工況,對其中2臺1號空調主機開展了性能實測,如表4所示。研究人員通過保持2臺冷水機組負載率在95%～99 %區(qū)間、冷凍水流量390 m3/h,測試了3種不同氣溫和環(huán)境濕度下,機組COP變化情況。測試結果如圖6所示,工況1氣溫較低,但環(huán)境濕度達93%,蒸發(fā)冷凝器換熱能力較低,導致2臺機組的COP值都相對較低。工況2氣溫較高,但環(huán)境濕度較低,因此2臺機組的COP均高于工況1。工況3氣溫與工況2差不多,但濕度更低,2臺機組的COP最高,接近機組的名義COP(4.39)。由此可見,在廣州夏天工況下,蒸發(fā)冷凝式冷水機組運行COP一般介于3.58～4.34之間,能滿足一級能效的要求。而市面上水冷式冷水機組COP普遍可以達到6.0以上,盡管蒸發(fā)冷凝式冷水機組的應用減少了冷卻泵組耗電,但總體能耗水平仍低于水冷式冷水機組。

表4 冷水機組性能實測工況表

圖6 不同工況下機組COP變化情況

4 結論

本文以蒸發(fā)冷凝式冷水機組在廣州市某醫(yī)院的實際應用為案例,分析了該型式機組在醫(yī)院中的應用特點和運維經驗,主要有以下結論:①一般采用模塊化布置,有利于節(jié)能和備用;②在運維方面,需要保持24 h人員值班及全天候運行。重點開展蒸發(fā)冷凝器的清洗、除垢及水質管理工作;③通過系統(tǒng)控制法、化學法和軟化法的共同使用能大大減緩蒸發(fā)冷凝器結垢速度。④在廣州夏天工況下,蒸發(fā)冷凝式冷水機組運行COP一般介于3.58～4.34之間,能效水平仍低于冷水式冷水機組。