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1、变水量空调系统优化控制策略的能耗评估与分析摘要： 由于受气象条件等因素变化的影响，在实际运行过程中，空调系统的负荷大多小于其设计负荷。为达到节能和优化系统控制的目的，对三个实时优化控制策略进行能耗评估与分析：实时控制优化冷媒水供水温度；实时控制优化二级泵供水压力；以及供水压力和供水温度串级优化控制。同常规的控制策略相比，这三个优化控制策略都能具有一定的节能效果，而且能够改善系统局部的控制特性，但它们都未使系统达到最佳的运行工况。要使系统最大程度地节能，应对影响系统能耗的控制变量同时进行优化。 关键词： 变水量 冷媒水系统 优化 控制策略0 引言在空调系统的实际运行过程中，由于受气象条件等因素变
2、化的影响，在多数的运行时间里空调负荷远小于其设计负荷1 。特别是对于采用变水量(Variable Water Volume，VWV)的楼宇空调系统，由于其控制变量更多以及控制系统更为复杂的特点，依赖经验的控制方式在很大程度上已经无法完成控制管理的任务，也不能很好地体现VWV系统的节能优势。因此，根据空调负荷的变化情况，针对变流量系统监测点和可调参数较多的特点，在部分负荷时段调整制冷系统的某些运行参数，在满足系统负荷要求和保证系统稳定性的前提下，尽可能地减少系统的能耗并提高系统的控制特性。本文选取冷水机组的供水温度和二级泵的供水压差作为监测点，在负荷发生变化时，实时调节控制这两个参数，在保证负荷
3、要求的情况下，与固定策略相比，三种优化策略都能够达到节能的目的，同时系统的控制特性比较稳定。但它们都未使系统达到最佳的运行工况，要使系统最大程度地节能，应对影响系统能耗的控制变量同时进行优化。1 研究对象图1所示是典型的VWV系统的结构示意图。系统的二级供水采用变频泵通过恒压控制调节水量以满足AHU的要求；初级和二级冷媒水供水回路之间的旁通阀通过恒压控制调节旁通水量以保持通过每台冷水机组蒸发器的水流量不变；冷却塔进出水总管之间混水阀的控制用于防止在低温工况下过低的冷却水温度；各冷水机组都有一个出水温度控制器控制冷媒水的出水温度；各AHU都有一个送风温度控制器控制送风温度。图1 变水量系统及其控
4、制结构示意图 2 试验条件优化控制策略的试验平台是基于TRNSYS2 开发的楼宇空调水系统动态仿真软件3 。进行试验的系统有4台相同冷量的、带进口导叶调节的离心式冷水机组，2台横流式多风机冷却塔，用户均为自动控制的AHU。考虑到计算速度以及TRNSYS对部件个数的限制，在作为试验平台的仿真器中，将系统所有的AHU分成4组：AHU1AHU4，并假定每组中各AHU的负荷状况相同，这样在仿真器中只需模拟4个AHU即可。图（2）中的（a）是试验日的室外温度变化情况，（b）是各个AHU的送风量变化情况。（a）室外温度条件（b）AHU的送风量变化情况图2 室外温度条件及AHU的送风量变化情况3 三种优化策
5、略3.1 供水压力优化控制在VWV系统中，二级泵大多采用变频调速泵或多台定速泵配以一台变频调速泵，因此都可以进行连续地调节。它由恒压控制器通过改变变速泵的转速和定速泵的启停以调节二级回路的流量，其控制参数是二级供回水主管的压差或各AHU中进出口压差的最小值。根据各AHU负荷的变化实时优化该控制参数有节约二级泵能耗和提高系统控制特性的潜在能力4 。自动控制的AHU水阀的阀位代表了各自AHU相对负荷的变化，保持各水阀中最大的阀位处于接近100%的开度，可以在保证系统控制特性的前提下最大地减少二级回路的阻力。3.2 供水温度优化控制当出水温度设定得较低时，主机的蒸发温度较低，因此COP较低，相同负荷
6、时主机的能耗较大；反之设定得较高，主机的COP较高，相同负荷时的能耗较小。单从主机的能耗角度而言，应尽可能地提高出水温度的设定5 。但是，过高的设定会使若干个甚至所有的AHU水阀开到最大也无法满足负荷的要求，同时也增加了二级泵的能耗6 。因此最佳的出水温度设定应是保持各水阀中最大的阀位处于接近100%开度时的设定4 。3.3 供水压力与供水温度串级优化控制将供水压力和冷水机组供水温度进行串级优化控制，即利用各用户水阀的阀位信息5 ，根据其中的最大阀位及系统运行状况，通过控制优先级别的分定，确定两个优化设定值。控制策略将二级泵供水压力优化作为优先级控制，供水温度优化作为第二级控制。由于温度的调节
7、系统反应较慢，故将供水温度的优化控制调节作为二级控制调节，在二机泵供水压力的调节已接近极限时，启动供水温度的优化控制调节。4 仿真结果及分析本文中的两个优化控制参数的调整主要影响冷水机组和冷媒水二级泵的能耗情况。三种优化控制策略的运行结果表明，监测参数的调整是在满足负荷要求及保证控制稳定性的基础上进行的。能耗情况如表1所示。表1 能耗情况 固定策略能耗kWh供水压力优化能耗kWh节能（%）供水温度优化能耗kWh节能（%）串级优化能耗kWh节能（%）冷水机组16400163000.61162001.22162001.22二级泵144033376.881490-3.4751564.24总计1784
8、0166336.77176900.84167156.314.1 供水压力优化控制策略结果此优化控制策略的能耗结果与固定策略相比如表1所示。其中固定策略供水压力和供水温度值分别是250kPa和7，优化控制策略的供水温度设定在7，供水压力随负荷的变化在50至250kPa范围内实时进行调整。供水压力变化情况及AHU最大阀位（包括控制策略和固定策略的阀位信息）的变化情况如图3所示。（a）供水压力变化情况(b) 最大阀位变化情况图3 供水压力及AHU阀位变化情况冷媒水的供水温度不变，故在相同的负荷条件下冷媒水的流量理论上应该是不变的，根据AHU最大阀位的变化情况实时调节其供回水压差从而调整二级泵的压头，
9、由于供水压力优化使AHU的阀位比固定方案更接近100%，如图3（b），供水阻力减小，故二级泵的压头降低，从而使得二级泵的能耗减少。4.2 供水温度优化控制策略结果此优化控制策略的能耗结果与固定策略相比如表1。其中固定策略供水压力和供水温度值分别是250kPa和7，优化控制策略的供水压力设定在250kPa，供水温度随负荷的变化在7至10范围内实时进行调整。供水温度变化情况及AHU最大阀位的变化情况如图4所示。（a）供水温度变化情况(b) 最大阀位变化情况图4 供水温度及AHU阀位变化情况二级泵的供水压力不变，根据负荷的变化引起的AHU的阀位变化实时调整供水温度。理论上讲，在其他条件不变的情况下可
10、以提高冷水机组的COP值，从而减少冷水机组的能耗。从供水温度优化策略的能耗情况来看，单纯的调整供水温度并不能够很好的使冷水机组节能。因此要想取得更好的节能效果，应该对影响系统能耗的参数同时进行优化控制。4.3 供水温度和供水压力串级优化控制策略结果此优化控制策略的能耗结果与固定策略相比如表1。其中固定策略供水压力和供水温度值分别是250kPa和7，优化控制策略的供水压力在50kPa至250kPa范围内实时调整，供水温度在7至10范围内随负荷的变化实时进行调整。供水压力、供水温度变化情况及AHU最大阀位的变化情况如图5所示。（a）供水压力及最大阀位变化情况(b)供水温度变化情况图5 供水温度、压
11、力及AHU阀位变化情况虽然这种控制策略相比固定策略有明显的节能效果，但是控制程序中系数的不同设定可以得到不同的节能效果，可见这种依据一定经验的调整并非最优的控制方案。5 结论从以上的优化控制策略运行结果可以看出，三种优化控制策略相对于固定策略都能够节能。虽然三种优化控制策略相对于固定策略都能够节能，却不是系统优化控制节能的最好方案。从系统总体来讲，对某一参数的调整可能会影响系统其他参数向不节能方向变化。在供水温度优化控制策略中，供水温度的提高并不一定能够提高冷水机组的COP值，不同程度的调整供水温度其节能情况也不同，甚至供水温度的调整使系统不节能，原因是影响COP值的其他因素导致COP值没有提
12、高；在供水温度和供水压力的串级优化策略中，控制程序中不同的系数设定其能耗情况也是不同的。由此可见本文所述的三种优化控制策略并非最好的控制方案。因此，有必要根据影响系统能耗的参数的变化对系统能耗的影响，确立一个目标函数，并写出相应的约束条件，利用合理的寻优方法，通过总体上的寻优，得出节能控制的最佳策略。参考文献一般综合性医院的空调设计标准摘要： 一直以来人们都比较关注手术室和隔离病房的空调设计，当然这也是十分必要的，但如果门诊没有做好防止交叉感染的预防措施，仍然没有从根本上预防院内感染。本文介绍了一般综合性医院的空气品质、通风与压力关系，针对一般综合性医院各功能区介绍ASHRAE空调设计标准，并
13、着重讨论了门诊的感染控制措施。 关键词： 空气品质 压力关系 医院 SARS0 前言严重急性呼吸综合征（SARS）疫情突如其来，为防止通过空调系统的传播，作为临时的紧急措施，卫生部曾一度要求严禁使用中央空调，而采用自然通风。当时处于春夏过渡的季节医护人员身穿隔离服、防护服，头戴口罩与眼镜，稍一动作就汗流浃背，甚至出现热病。世界卫生组织医院SARS感染控制导则中则并没有规定不能开空调，只是建议在空调系统没有独立送排风时，关掉空调开窗通风。但开窗不能通向公共场所。由于当前一些综合性医院的空调设计存在一些问题，对传染病的控制没有足够的考虑，甚至不仅不能控制疾病传染，还为病毒的传播提供了途径。为此研讨
14、一般综合性医院的空调方案是摆在我们面前的紧迫任务。SARS是一种传染性强、愈后不良的严重呼吸道传染病，其治疗和管理必须由SARS防治专门机构统一管理。然而大量事实表明目前在我国大部分病人总是先到各级综合医院就诊，由综合医院确诊后再转给防治专业机构，所以各级综合医院处于SARS防治工作的第一线。这就要求各级综合医院的门诊充分考虑各种情况，尽可能控制交叉感染的可能。因此除了应当建造隔离医院外，对一般综合性医院的空调设计，也应当有一个更严格的标准，这样才能在将来更好的应对突发疫情。一所综合性医院主要分急诊、门诊、病房等几部分。综合医院的中心部分是特护区，包括手术室、操作间、产房和保育室，通常放射科、
15、化验科、消毒室和药房分布于靠近特护区的地方，此外还有急诊室、厨房、餐饮服务处、设备保管中心即中心消毒器材供应室及太平间等。1通常误以为只有特护区和病房的空调需要特别的设计，认为这里的患者抵抗力差，需要特别注意防止交叉感染。但实际上，由于来到医院就诊的众多病人情况复杂，如果不注意防护，在特护区和病房以外的环节交叉感染的可能更大。而且特护区周围的放射科、消毒室等区域以及厨房等服务区也都应当考虑进来，也就是说，一个医院应当作为一个整体考虑其室内气流组织，压力分布和各室空气流向，每一个环节都不能忽视。本文依据ASHRAE手册中综合性医院各个功能区的标准结合我国医院的科室设置介绍综合性医院空调设计中对于
16、院内交叉感染特别是SARS一类病毒感染控制应注意的问题。1 综合性医院的空气品质及通风存在的问题 疫情过后，综合性医院存在的问题引发了一系列的思考，尤其是北京大学人民医院的感染情况引起了人们的重视。北大人民医院院长吕厚山在接受中央电视台面对面栏目的采访时，分析认为北京大学人民医院感染严重的原因是：首先，作为一家大型综合医院的人民医院一直没有传染科，也没有防治传染病的专业人才，接诊第一批非典病人时整个医院既没有隔离病房也没有隔离区；其次，医院的就诊流程不合适；另外，医院的通风条件差也是非典在人民医院迅速传播的原因之一。2中国工程院院士、清华大学教授江亿等专家为此所作的一系列实例测试、研究。发现S
17、ARS病毒只能在几种生物细胞中繁殖，不可能在空气中繁殖。病毒要附着在室内悬浮颗粒上，才能在空气中传播。5微米以上的小颗粒在1.5米以内会沉降、蒸干。所以，可以在空气中、进入空调系统内传播的病毒，主要是附着在0.08至0.12微米的颗粒上。4月17日至23日北京人民医院躺着十几名SARS病人的一楼一条走廊两侧，一边是骨科门诊室，当时在室中的4名骨科医生全部感染，另一边是外科门诊室，当时出门诊的4名外科医生无一感染。进一步研究发现，外科门诊室另一侧临街，空气流通很好；而骨科门诊室另一侧是一个封闭的天井，空气流通不好。这一研究结果表明，空气流通与否对是否感染起到决定性的作用。对来自北京人民医院的第二
18、个实例的研究表明，病人呼出病毒浓度稀释1000到2000分之一还会使人感染，而安全浓度是稀释2万分之一。同时发现，风速越大，病毒浓度越小。 第三个实例来自广州第一人民医院，研究表明，空气安全范围为人体排出病毒浓度的万分之0.5至0.8，危险范围为浓度的万分之8至10。3这些实例表明，病毒在空气中要达到一定浓度才致病，只要通风稀释病毒，就可以避免传染。这表明疫情袭击的医院存在的主要问题还是通风问题。 存在问题的医院并非只此一家，前不久有关部门对12所驻京医疗单位的空气质量作了的监测，医院重点科室空气微生物的采样检测结果：门诊大厅空气合格率92；妇产科空气合格率25；医院手术室空气合格率75；所有
19、4个医院血液科、烧伤科、移植科、重症监护室等空气中菌数均超标。见表l。4表1 医疗单位空气微生物合格率4 检测地点采样单位（个）合格率（）挂号大厅1292妇产科1225医院手术室475门诊部手术室333治疗室120血液科20烧伤科20移植科20重症监护室10医院各类环境空气质量的监测结果 12个受检单位中，CO合格率50，CO2合格率75，温度合格率917，相对湿度均不合格，噪声合格率83，可吸人颗粒物合格率50，见表2。表2 医疗单位空气质量监测合格率（）4 单位COCO2温度相对湿度噪声可吸人颗粒物1406010004010027575100075100380100100080404751
20、001002575505100100100033100610010010033336773310010033100338100100100075759100100100050751075755005010011100100100001001210010010000100严峻的现状提醒我们，必须重视起来，采取适当的空调措施，做好现有空调的运行与维护，做好消毒及管理，才能更好的防止医院感染，应对疫情。2 综合性医院空调设计医院空调不仅用于提高舒适度，在其他方面有更重要的作用。多数情况下，合适的空调是治疗中的一个因素；某些情况下，是主要的治疗方法。研究表明，病人在控制的环境中一般比在非控制环境中体质
21、恢复更快。如甲状腺功能亢进患者不能忍受热、湿和热浪。凉、干的环境促使皮肤辐射散热和蒸发散热，可能会挽救患者的生命。同时，合理的空调设计也是预防交叉感染的措施之一。一定的温湿度条件可以抑制或促进细菌的生长、激活或杀死病毒。一般来说较干燥的空气环境不利于疾病的发展，可减弱二次污染或与临床条件无关的传染从而减少住院治疗。规范和手册规定了某些医院的温度和湿度范围作为一种控制传染的措施，当然也考虑了舒适性。尽管合适的空调对疾病的防治有帮助，医院中空调的应用，存在许多一般舒适性空调系统所不曾遇到的问题。医院及其相关医疗机构的空调与用于其它类型建筑的空调基本不同点有如下几点：1（1） 从表1可以看出污染扩散
22、的情况，因此说明了气流组织在防止交叉感染中起到的重要作用。所以医院对不同部门之间的空气流向有严格的要求，表3给出了各部门之间的压力通风关系；（2） 通风和过滤的特定要求是稀释和去除气味、空气中的微生物和病菌以及危害性的化学、放射性物质等污染。新风口和排风口应合理布置，以保证新风清新，排风不污染环境也不造成二次污染。所有集中通风或中央空调系统应当安装过滤器，其效率不应低于表2中所示值。（3） 不同区域有不同的温度、湿度要求。（4） 要求能够精确控制环境条件。表1 整理床铺对医院浮游菌数的影响1 项目每m3的细菌数病房内病房附近走廊初始状态12001060整理床铺中4940226010分钟后212
23、0147030分钟后1270950初始状态560 常规整理3520用力整理6070表2 综合医院中中央通风和空调系统的过滤效率1 过滤器的最少个数区域设计过滤器效率%No.1aNo.2aNo.3b3整形外科手术室骨髓移植手术室器官移植手术室259099.972一般手术室产房保育室特护室病房治疗室诊断室和相关区25901化验室消毒室801食品准备区洗衣房行政管理区贮存室污染物存放区25a 根据ASHRAE标准52.1-1992b 根据DOP测试c 出风口有高效过滤器3 详细设计标准3.1 门诊门诊是病人最常去的地方。但目前门诊的防护措施普遍并不够，SARS的突袭暴露的这一弱点。我们发现医院的候诊
24、大厅里总是人潮拥挤，尤其冬季流感发生的时候，儿童门诊有限的空间往往要容纳几百个小患者，很多人可能略有不适或者只是小病到医院走了一趟反而添了病。据广州日报一份调查报道显示，医院的大厅与候诊区，空气中的细菌都超过标准值，导致院内感染的机会大增。病房可能因通风较好，出入人员较少，空气品质还算好。最常见的感染部位依序是泌尿道，血流，外科伤口还有呼吸道，从病房来看，加护病房比一般病房几率低得多，平均发生率也有.。5不同的医院由于规模不同，在门诊分科上并不完全一致。其门诊常分为：内科、外科、儿科、妇产科、五官科、中医科、肠道门诊、保健科、急诊室以及其他专门科室等。还有医技科室：药房、检验科、放射科、理疗科
25、、功能检查科等，这些科室一般情况下根据医院的规模大小，可供门诊、病房共用，也可在门诊部增设一般常规化验室及放射科的透视室。一般情况下病人总是首先到各级综合医院就诊，由综合医院确诊后如有必要再转给防治专业机构，这样，到综合性医院就诊的病人就很复杂，传染病患者到各个科室的可能性都有，各个科室都存在传染隐患。但我们无法做到也不需要做到每个科室都严阵以待，都达到隔离室的标准。我们所能做的就是采取一定的预防措施，把交叉感染的可能降到最低。内科诊室在门诊病人中所占比重最大，同时内科病人病种复杂，往往还有一部分传染病病人在内。一般内科放在底层尽端靠近出入口的地方，诊室需保持相对负压同时要加强通风，以防交叉感
26、染。外科除专用诊室外还会有换药室及门诊手术室。大型医院除普通外科外，还设有各种专业，如胸外科、泌尿外科、骨科、烧伤外科等。除一般共用的换药室、治疗室、消毒室外还会有敷料准备室、石膏室、泌尿科检查室或膀胱镜室等。外科病人多有外伤，有的还要进行换药及小手术，故需保持正压，洁净度要求要高一些，以防止伤口感染。6产科门诊主要是对产妇进行产前产后检查，计划生育手术、小手术等就诊者，她们多数并非病人。妇科病人诊察后还需治疗，因而妇、产以分室设置为宜。产科应采取相对正压，防止她们受到感染。大型医院可将妇产分科设置，产科另设出入口，尽量减少与病人接触的机会。为防止小儿与成年患者相互感染的机会，儿科也应有单独出
27、入口。儿科诊室必须设置儿科初检和隔离室。儿科病人必须有单独取药窗口和专用化验室。若这些用房均单独设立，又会浪费大量人力和设备，只有大型医院才有条件考虑。有的医院只设内儿科，门诊内、儿两科合并设置，在检查过程中，如发现有传染病患者应立即采取消毒隔离措施，避免传染病扩散。设置预检室（鉴别诊断室），分别组织传染与非传染的隔离就诊路线是完全必要的。儿科预检室可分设几个隔离室，如发现传染病即在此室诊察处理。患者离开后，立即封闭消毒，另开放第二室作为预检室。此法不需另设隔离室。大型医院儿科患者入口即进行预检，发现可疑传染病即分别进入呼吸或消化系统传染病的隔离室。这些隔离室另有出口，不与一般病儿相遇。6此外
28、，为了方便门诊病人的治疗，各医院在门诊还设有一些治疗科室，让病人在不住院的情况下，能够得到治疗。当然，这一般都是风险性较小的治疗。1、门诊治疗室 是专为方便病人在门诊进行一般治疗而设，如打针、换药、腰椎穿刺、骨髓穿刺、十二指肠引流、导尿等检查、治疗，都可以在门诊治疗室进行。许多测试表明，门诊的感染传播又以空气传播及接触传播为主。特别是治疗室空间小，人员流动量大时为减少交叉感染的发生，空气消毒、过滤及加强通风对净化空气起到非常重要的作用。2、门诊观察室 主要收留急诊已明确诊断，只需短期治疗、观察或暂时住院困难的病人，以及门诊手术或特殊治疗后需要观察的病人。留观时间一般在37天，最多不超过2周。可
29、以参考病房的空调设计要求。13.2 其他部门1ASHREA标准中对医院主要部门的温湿度和通风情况做了详细的规定和解释。对温度的要求比较特别的是手术室、分娩室和急救手术室，要求在2024，而其湿度也要求比较高，在5060%，从而既起到了抑菌的效果，又使医务人员和患者处在一个比较舒适的环境之中，与我国的2225和5060%略有不同。易感染病人使用的隔离病房应采用全空气系统，排风直接排至室外。每间病房设有单独的温控器，气压与周围区域相同。特护病房保持正压。保护隔离室则使用隔离的单向流单元以保护病人或“冲洗”房间, 减少空气中的孢子。推荐换气次数使用15次/小时。干净空气流经病人，从地面附近回风。如果
30、病人免疫系统差，但尚未被感染，病房与周围区域应该保持正压。当病人是免疫压抑且具有传染性时，隔离房间应设计成能够保证与隔离区域或休息室之间维持一个永久等压或负压的关系。X光透视、放射线照相、治疗和暗室区域需要特殊的注意。根据空气进风口和排风口的位置，在不同临床区域进风点处的进风和回风管道，可能需要管道挡板以防止辐射泄漏到其它操作区域。与X光透射室相比，暗室通常有更长的使用时间，应该用独立的系统把空气排到室外。从胶片生产过程来的排风可以接到暗室排风上。实验室通常的送风和排风系统应用传统材料制作。排风罩因为放射性物质、挥发性溶剂、强氧化性药剂如：高氯酸的缘故，应该用不锈钢制作。内部有放射性和传染性物
31、质，必须在排风口安装超高效过滤器，并且应有一套安全替换和处理污染过滤器的过程和设备。有最小水平分支的排气管，要尽可能的短。对于高危险易爆炸的高氯酸，这尤为重要。从生物化学、组织学、细胞学、病理学、玻璃器皿清洗/灭菌和血清细菌学等实验室排除的气体，不能形成循环。典型的排风扇以高达20m/s的速度在高于屋顶2.1m的地方，垂直排放。血清细菌实验室相对邻近区域应保持密封，以减小污染标本的气溶胶渗透的可能性。整个实验室区域应维持负压，以减小气味和污染物向其它医疗区域的扩散。尸体解剖室在天花板和侧墙的低部位应该设置排放口。排放系统应该在医院建筑顶部排放气体。尸体解剖室与邻近的区域相比，要保持负压，以防止污染物的扩散。当大量使用甲醛时，应该用特殊的排风罩保证其排放浓度低于法定水平。对于不经常使用解剖室的小医院，需要有活性炭或高锰酸钾活性氧化铝的局部排风系统和气味控制系统。支气管镜检查、痰液采集和戊烷脒给药因为存在大量有传染的水滴散发到空气中的可能性，一般房间中的排风应加大。4 结语通过这场SARS危机，人们的公共卫生意识受到震动和改观，而医院空调设计问题也给我们敲响了警钟。这是关系到人们生命安全的重大问题，从事医院的空调设计必须兢兢业业，必须有高度的责任感，事无巨细的去审查系统中可能出现的漏洞，消除一切隐患。未来可能发生的疫情也提醒我们，医院的空调设计应当有更严格的标准和规范。参考文献：