01

冷冻站基本情况

该院外科楼冷冻站位于地下一层，2004年建成并投入使用，机房建筑面积为560㎡，主要给外科楼、老病房楼、科研楼3栋楼宇供冷，总供冷面积为71000㎡。冷冻站设计总冷负荷为8196kW，其中外科楼手术室、ICU、层流病房等重要房间的空调冷负荷为1334kW。

表1冷冻站制冷机组参数

表2冷冻站水泵参数

表3冷冻站冷却塔参数

冷冻站配置了3台离心式制冷机组，单台制冷量为2286kW ；配置了1台螺杆式制冷机组，在春秋季工作时间段使用，主要为手术室供冷，制冷量为1358kW。制冷机组与冷冻水泵、冷却水泵一一对应设置，冷冻站配置设备参数见表1~表3。该冷冻站为定流量运行，通过控制系统来控制设备的启停，2022年改造之前的综合能效为3.3。

02

冷冻站节能改造策略

冷冻站增加一套节能自控系统，实现对制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、板式换热器的本地自动控制与远程自动控制。

（一）节能自控系统设计方案

冷冻站值班室配置1台Tracer SC监控管理主机，对所有接入冷冻站节能系统的设备进行自动控制，实现远程监控功能。

节能自控系统根据现场受控设备的监控点位配置Tracer SC系统控制器、Tracer UC600现场智能控制器，配套I/O点位扩展模块。

节能自控系统共设置4套DDC控制柜，3台安装于冷冻站内的配电间，1台安装于外科楼楼顶冷却塔控制柜旁。为保证系统通信的稳定性，所有DDC控制柜之间的通信采用UTP-6网线。节能自控系统网络见图1。

图1节能自控系统网络图

（二）节能自控系统功能

制冷机组具备群控功能，冷冻水与冷却水系统中设置供回水压力及温度监测，根据冷冻站所带的实际冷负荷，自动控制制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔的运行台数。

人机操作界面带全自动模式和手动模式切换按钮。当切换到全自动模式，系统按照预先编制的控制逻辑自动判断加减机并执行；在手动模式下，操作人员可以手动开启任意一台或多台制冷机组以及对应的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔。

（三）制冷机组控制策略

冷冻站3台离心式制冷机组进行联动控制、并网运行。1台螺杆式制冷机组只在春秋季使用，不参与联动控制。3台离心式制冷机组根据冷冻水回水温度与运行电流自动进行机组的加机、减机。控制策略如下。

1. 制冷机组加机

通过监测冷冻水回水干管的温度数值，控制制冷机组的加机。当监测到冷冻水的回水温度比设定值高1且时间连续超过20min后，增加1台制冷机组。设定值及连续时间可根据系统情况进行调整，以满足冷负荷的需求。

2. 制冷机组减机

由于冷冻水泵为一次泵变流量系统，当系统冷量需求减少时，冷冻水泵会自动变频，造成冷冻水的回水温度下降不明显，而此时制冷机组运行电流会根据冷量需求的减少而降低，因此通过监测冷水机组的运行电流进行冷水机组的减机。当3台冷水机组运行时，冷水机组的运行电流低于额定电流的60%且时间连续超过10min后，减少1台冷水机组；当2台制冷机组运行时，制冷机组的运行电流低于额定电流的45%且时间连续超过10min后，减少1台冷水机组。

（四）冷冻水泵控制策略

1. 冷冻水泵变频控制

原冷冻水泵采用定频方式，设计时按照最大负荷进行水泵的选型，存在问题为：第一，水泵的流量不能跟随冷水机组的负荷变化而变化，当冷负荷变小时，制冷机组的供回水温差变小，系统出现大流量、小温差，增加了能耗；第二，3台冷冻水泵不能随着制冷机组的负荷变化进行水泵的加载和减载。

本次改造对冷冻水泵采取变频控制，通过改变水泵电机的频率来改变电机的转速，从而使水泵的流量可变，这样就可以随着制冷机组的负荷变化而变化。3台冷冻水泵也可以根据水流量的变化进行自动加载和减载，实现满足冷负荷需求下的能耗优化。

冷冻水泵的频率调节采用压差控制方法，通过安装在冷冻水供回水主管道上的压力传感器，实时监测冷冻水供水和回水的压力，根据供水和回水的压差值与压差设定值进行反比例PID调节。压差实际值高于压差设定值，水泵降频；压差实际值低于压差设定值，水泵升频。

随着系统冷负荷的需求减少，冷冻水泵频率降低，冷冻水流量变小，可以在保证供回水压差恒定的前提下，减小冷冻水泵的流量，其流量减小后，运行功率随之减小，从而达到节能的效果。

2. 冷冻水泵加减泵控制

当系统启动时，1台冷冻水泵先以低频率启动，如果不能满足压差设定值，第2台水泵加入，如果压差还不满足，第3台水泵加入。当末端负荷减少，流量过剩，3台水泵降频来维持压差设定值，当水泵在最低频率运行时，如果还有减少流量的需求，则其中1台水泵退出运行。为了防止水泵频率过低产生的影响，冷冻水泵最低运行频率设定在30Hz。根据如下公式建立加泵、减泵的理论模型。

冷冻水泵使用的三相异步电动机，转速与频率的关系见公式1。

其中：n为电机的转速，r/min ；s为转差率，在本文理论计算中忽略为零；f为电机的频率，Hz ；r为电动机的极对数，外科楼制冷站使用的冷冻水泵的三相异步电动机极对数为2。

在管路系统固定不变的前提下，变频水泵的效率特性和水系统的阻力特性接近。对于同一水泵，当输送的流体密度ρ不变、仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：功率P与转数n的三次方成正比（公式2），流量Q与转速n成正比（公式3）。

其中：P为电机的功率，kW；n为电机的转速，r/min。

其中：Q为流量，m³/h；n为电机的转速，r/min。

根据以上公式，就可以计算出在不同频率下的电机功率。如1台、2台、3台冷冻水泵运行，在不同频率下对应的功率见图2。

图2冷冻水泵在不同频率下对应的功率

从图2中不同频率下对应的功率曲线可以看出：当1台冷冻水泵运行在38Hz时，对应的功率为24.14kW ；而两台冷冻水泵同时在30Hz 运行时，对应的功率之和为23.76kW，比开启1台冷冻水泵在38Hz下运行的功率低，更省电。根据公式3计算，1台冷冻水泵在38Hz运行时的流量为304m³/h，而2台冷冻水泵在30Hz运行时的流量之和为480m³/h，流量也满足要求。同理：两台冷冻水泵在35Hz运行，对应的功率之和为37.73kW ；开启3台冷冻水泵在30Hz运行，对应的功率之和为35.64kW，比开启2台冷冻水泵在35Hz运行的功率低，更省电。在后期调试中，对冷冻水泵的频率控制、加减泵进行优化。

（五）冷却水泵控制策略

本次改造对冷却水泵采取变频控制，通过改变冷却水泵电机的频率来改变电机的转速，从而使冷却水泵的流量可变。3台冷却水泵也可以根据频率的变化进行自动加泵和减泵，实现满足冷负荷需求下的能耗优化。

冷却水泵的频率调节采用温差控制方法，通过安装在冷却水供回水主管道上的温度传感器，实时监测冷却水供水和回水的温度，根据供水和回水温度的温差值与温差设定值进行正比例PID调节。温差实际值高于温差设定值，水泵升频；温差实际值低于温差设定值，水泵降频。

根据冷水机组最小冷却流量和冷却水泵性能特性限定变频水泵最低频率为35Hz。冷却水泵的加减泵理论模型与控制逻辑同冷冻水泵。

（六）冷却塔控制策略

本次改造中对冷却塔的控制采用了设备厂家的专利技术，根据冷却水优化控制策略计算出冷却水控制温度，通过控制冷却塔运行台数及转速来控制冷却水温度。当室外空气（湿球）温度降低时，出口水温降低，冷却塔的冷却能力增加，温度调节器感知水温后停止冷却塔风扇电机运转，这样可以防止水温过低，并起到节能的效果。

图3节能自控系统操作界面

图4节能自控系统能耗显示界面

冷冻站节能自控系统运行界面如图3所示，能耗显示界面如图4所示。

（七）增加水一水板式换热器

外科楼有20间洁净手术室，温度要求为21~25℃，湿度要求为30%~60%。在北京的冬春与秋冬的换季期间，如果不给手术室洁净空调机组提供冷源，手术室内的温度就会超过25℃。为了解决换季的冷源问题，配置了1台制冷量为1358kW 的螺杆式制冷机组，为手术室洁净空调机组提供冷源。投入使用后，该机组在换季使用时存在如下问题：第一，由于手术室供冷面积较小（4512㎡），冷负荷小，制冷机组存在低负荷运转，当负荷过低时，造成制冷机组停机保护；第二，室外温度过低时，无法满足螺杆制冷机组最低进水温度要求，造成机组不能开机；第三，制冷机组存在“大马拉小车”现象，制冷效率低，能耗增加。针对以上问题，可以将室外冷却塔的冷却水通过板式换热器转换成冷冻水，代替螺杆式制冷机组，可以节省制冷机组的电能消耗，提高系统效率。

图5增加的板式换热器示意图

本次改造在冷冻站新增1台板式换热器，在外科楼楼顶新增1台冷却塔。由于原螺杆式制冷机组与离心式制冷机组共用冷却塔，改造后螺杆式制冷机组与板式换热器共用1台冷却塔。换季时室外冷却塔的低温度冷水通过板式换热器后，将与其进行热交换的冷冻水降低温度，代替制冷机组产生的冷冻水，为手术室提供冷源。也可以通过阀门的切换，使用螺杆式制冷机组提供冷源。改造示意图见图5。

03

结束语

本项目的中央空调冷冻站节能控制技术，通过合理的方案设计以及后期系统的调试和优化，以较小的投入达到了良好的节能减碳效果。虽然还不能达到超高效机房的标准（能源系统能效比EER在5.0以上），但是对于使用了10年以上的冷冻站设备设施来说，还是有很大的能效提升。本项目采用的节能控制技术和方法，除了可在医院推广应用，还可以推广到其他类型的公共建筑或公共机构，对国家节能减排及实现碳达峰、碳中和有深远的现实意义。

本文内容来自：

程勇,谌小栋,李玮,等.医院中央空调冷冻站能效提升策略和方法[J].中国医院建筑与装备，2024,25(6):64-71.

作者单位：

程勇王滨张佳森王建家张剑锋

国家癌症中心/国家肿瘤临床医学中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院

谌小栋李玮袁勇

特灵空调系统（中国）有限公司