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摘要：结合工程当地电价和建筑计算冷负荷，在某医院综合病房楼冷源设计中采用了冰蓄冷空调系统，并且将温湿度独立控制系统与冰蓄冷相结合。重点介绍了设计中病房楼采用冰蓄冷系统的优越性以及冰蓄冷与温湿度独立控制系统相结合的好处，更加节能。
关键词：冰蓄冷温湿度独立控制系统节能
Ice storage system design of a hospital’s general ward building
Xu Jia
（Soochow University）
Abstract: Based on the local electrovalence policy and cold load calculation, this air conditioning design mainly adopts ice storage system, and also combines temperature and humidity independent control system with ice storage system. This issue presents emphatically the advantages of ice storage system and the combination system of temperature and humidity independent control system and ice storage system.
Keywords: ice storage system, temperature and humidity independent control system, energy saving
1 工程概况
本次设计为某医院综合病房楼节能改造，其始建于1990年，为医院主要建筑，建筑总面积达23470平方米。主体建筑十一层，地下一层，总高度为41.5米。大楼总共包括放射科，脑血管中心，五官，骨科，普外科，急诊，重症监护病房，隔离病房等18个病区。由于该大楼已使用20年，无论是冷热源配置还是系统设备都已不适应目前医院建设和节能的需要，因此在满足医疗卫生的条件下，需对空调系统冷热源及其相应的配套设备进行重新设计。
2空调系统的确定
2.1 夏季设计日空调冷负荷
根据该市气象参数以及主要病区房间室内空调设计参数，计算得建筑空调冷负荷，见图1。
图1建筑总冷负荷分布图
根据图1负荷分布图我们可以看出建筑峰谷冷负荷差很大，日间负荷大，夜间较小，所以本次设计冷源选择冰蓄冷系统。
3 冰蓄冷系统结合温湿度独立控制技术
3.1温湿度独立控制空调系统（THIC）简介
温湿度独立控制空调系统将室内空气温度和湿度分开控制，让新风独立承担室内的全部湿负荷，从而安装在室内的风机盘管能够在干工况下运行，最大限度的减少细菌、微生物的繁殖和扩散。该系统核心部件由独立除湿新风机组和高温冷水机组组成。现根据原理绘制空气处理焓湿图。
图2空气处理焓湿图
从图2 中可以看出新风从室外状态点O经过新风机组处理到相对湿度95%处新风机组机器露点M，同时室内空气被风机盘管从状态点R等湿冷却到N，随后新风和回风混合到状态点S送入室内。
3.2 新风处理系统所需的冷水处理温度
新风送风含湿量的确定应当保证能够排除建筑物内所有的产湿量，所以送风含湿量与室内设计状态的含湿量存在如下关系:
式中：
—房间湿负荷，kg/h
—空气密度，取为1.2kg/m3
—新风量，m3/h
—室内空气含湿量，g/kg
—新风的机器露点含湿量，g/kg
从式中可以看出当新风量减少时，由于室内含湿量和房间湿负荷不变，所以新风的及其露点含湿量减小，露点温度降低，但新风负荷得到了很大的减小。在医院中，空调湿负荷主要来源于人体，新风量根据室内卫生要求计算，而新风能耗较大，所以一般空调系统都采用最小新风量，将系统新风处理到机器露点，这就要求冷冻水温降低；冷冻水温降低，则会导致制冷机组COP减小，增大能耗。但采用冰蓄冷技术，利用其融冰产生的低温冷冻水就可以很方便的实现最小新风量这一条件，大大减少新风能耗。
根据表1 各病区房间室内空调设计参数计算机器露点温度。
表1各病区房间室内空调设计参数
建筑物功
用名称 夏季 冬季 最小
新风量
(m3/h.p)
温度(℃) 湿度(%) 温度(℃) 湿度(%)
普通病房 25 50 21 50 50
医生办公室、治疗室、处置室、抢救室、值班室、示教室、主任室、会议室、检查室、操作室、护士站 25 50 21 50 30
待产、接产、分娩室 26 50 22 50 60
病房区
查焓湿图得：机器露点温度9℃
产区
查焓湿图得：机器露点温度10℃
而冷水温度一般比机器露点温度低2.5—6.5℃，所以该状态点冷冻水供水温度要达到4℃，这对于一般的冷水机组（7℃/12℃）来说需要大幅降低蒸发器出水温度，制冷机工作的蒸发温度低，效率低，蒸发温度每降低1℃，制冷量减少3%，从而降低机组COP。而冰蓄冷系统依靠融冰可以很方便的提供1～4℃低温冷冻水，因此采用冰蓄冷系统的医院可以将低温冷冻水与温湿度独立控制技术相结合，增強系统除湿能力，有效控制微生物。而且研究表明温湿度独立控制系统应用在医院舒适性区域，可比常规空调系统节能25%以上,所以采用冰蓄冷系统后空调系统将更加节能。
3.3 系统设计
温湿度独立控制空调系统主要包括两部分，一是新风机组的冷冻水，由冰蓄冷空调系统提供；二是室内干工况运行的风机盘管，此时送风温度为17℃，所以盘管需要高温水，这里设定为13℃。一般制冷机工作的蒸发温度高，效率高，蒸发温度每提高1℃，制冷机效率可提高3%，因此其能耗将远远低于常规空调。对于本次设计的冰蓄冷系统，高温冷冻水可由基载主机提供，并配备变频水泵，以便基载主机在夜间向建筑提供冷量。
由焓湿图可知，机器露点温度低于室内温度，所以新风除了承担室内所有的潜热负荷，还承担一部分的显热，则风机盘管承担的显热负荷为建筑室内总显热负荷与新风送风承担的部分建筑室内显热负荷之差。
新风送风承担的室内部分显热负荷可以通过下式计算：
式中：
—新风承担的室内部分显热负荷，kW
—空气比定压热容，kJ/（kg·℃）
—新风量，m3/h
—机器露点温度，℃
—房间温度，℃
则风机盘管负荷为：
式中：
—建筑总显热负荷，kW
—风机盘管承担的显热负荷，kW
病房区
产区
所以。
4冰蓄冷空调系统设计运行控制
4.1 蓄冷系统运行策略
蓄冷系统的运行策略指的是蓄冷系统以设计循环周期（如设计日或周等）的负荷及其特点为基础，按电费结构等条件对系统以蓄冷容量、释冷供冷或以释冷连同制冷机组共同供冷作出最优的运行安排考虑。可分为全部蓄冷与部分蓄冷两类。
全部蓄冷策略是在日间用电高峰期将夜间低谷时期储存起来的冷量一次性放出，而此时制冷主机停开，即融冰承担建筑所有的冷量。
部分蓄冷策略仅将设计日非谷段的冷负荷总量转移一部分（一般为30%～60%）进行蓄冷，白天由制冷机组与蓄冷装置联合供应冷负荷的需要。对于主机优先模式来说，当有负荷时，首先利用制冷机组的制冷量，当负荷超出制冷机组所能提供的最大供冷量时，再利用蓄冰装置融冰补充供冷。而融冰优先模式，当有负荷时，蓄冰装置先以预定的速度消耗事前蓄存的冰，当融冰提供的冷量不够时，再由制冷机组补充供冷，以满足建筑物需要的总冷负荷。
4.2 蓄冷系统控制策略
表2系统各种运行工况
冰蓄冷系统流程设计图及阀门动作表
运行模式 双工况主机 乙二醇泵 系统水泵 基载主机及水泵 V1 V2 V3 V4 V5
單蓄冷 开/蓄冰 开 关 关 关 开 关 开 关
双工况主机与融冰联合供冷 开/空调 开 开 关 关/调节 开/调节 开 关 关
基载主机与融冰同时供冷 关 开 开 开 关/调节 开/调节 开 关 开
基载主机单供冷 关 关 关 开 关 关 关 关 关
融冰单供冷 关 开 开 关 关/调节 开/调节 开 关 开
边蓄冰边供冷 开 开 关 开 关 开 关 开 关
双工况主机单供冷 开/空调 开 开 关 开 关 关 关 关
基载主机、双工况主机与融冰同时供冷 开/空调 开 开 开 关/调节 开/调节 开 关 关
一般情况下，建筑冷负荷小于设计日空调冷负荷，尤其在空调淡季建筑负荷远小于空调设计日的负荷，这时如果还按照空调设计日的蓄冰方法设计的模式来工作的话，将是非常不经济的，完全达不到冰蓄冷空调系统节约运行费用的目的。所以冰蓄冷空调应采用合理的优化控制运行策略。本次设计的建筑，由于夜间存在冷负荷，因此需要增加基载主机来满足这部分冷量的需求，对于这样的冰蓄冷系统，一般有如下8种运行模式：
（1）夜间单蓄冰模式：在建筑物负荷比较低的时段，冷水主机运行提供低温液体，将贮冰装置中的水凝结成冰。
（2）单融冰供冷模式：在建筑物负荷比较低，电价较高的时段，可在冷水主机停机的情况下，仅以融冰来满足供冷的需求。
双工况冷水主机和融冰同时供冷模式：在建筑物负荷比较高，融冰量不能满足供冷需求的情况下，开启冷水主机，与融冰一起满足供冷需求。
基载主机与融冰供冷模式：在一些特别时段中，当建筑物负荷比较高，融冰量不能满足供冷需求的情况下，开启基载主机，与融冰一起满足供冷需求。
基载主机单供冷模式：在一些特别时段，特别是过渡季节时，建筑物负荷比较低，冷却水温度也比较低，可以不用蓄冰，直接用基载主机供冷，此时由于冷却水温很低，冷水主机的效率非常高，从而达到更好的节能效果。
边蓄冰边供冷模式：在夜间蓄冰的时段，建筑物仍有供冷需求，这时运行基载主机来满足冷负荷需求。
双工况主机单供冷模式：在一些特别时段，可能会直接用双工况主机供冷。
基载主机，双工况主机与融冰一起联合供冷：在负荷很高，且功能比较复杂的建筑物，有时也会需要基载主机，双工况主机与融冰一起联合供冷才能满足需求。
冰蓄冷空调要充分利用蓄冷槽在夜间所蓄的冷量来进行供冷，尽量少的开启制冷主机。根据不同的实际情况在运行上进行合理的优化控制，从而大大节省空调运行费用。
5结论
从文中可以看出，在医院投资冰蓄冷系统主要有两个好处。其一是，利用融冰得到的高品位冷量可以采用温湿度独立控制技术。由低温冷水来给新风冷却除湿，使新风承担室内全部的潜热负荷和部分显热负荷，这样可以精确控制室内湿度，有效控制细菌、微生物的滋生和传播。其二是，虽然冰蓄冷系统初投资较高，但其年运行费用远小于常规空调。一般情况下，蓄冷空调运行年限为15年，所以收益相当可观。这还没有算进政府的鼓励措施，所以实际回收周期还会得到进一步提高，所以采用冰蓄冷空调技术对用户和电力公司来说是经济实惠的。同时本次机房设计主要是针对医院病房楼大厅、普通病房、产房三部分，实际生活中病房楼的负荷远远大于本次设计结果，因此投资冰蓄冷系统将得到更大的收益。而且随着今后科学技术的发展，蓄冰新材料的生成，冰蓄冷系统将得到越来越广泛的使用。
参考文献
[1]俞卫刚,沈晋明.医院空调采用冰蓄冷与湿度优先控制组合技术的适用性分析.暖通空调HV&AC，2007年37卷12期，46-49.
[2]姜国伟,刘舰.冰球式蓄冷中央空调系统在医院综合性大楼中的应用.科协论坛，2007年8期，41.
[3]方贵银.蓄冷空调工程实用新技术.人民邮电出版社，2000年.
[4]彦启森.冰蓄冷系统设计.全国蓄冷空调节能技术工程中心，2001年.
[5]张涛.温湿度独立控制空调系统设计方法.暖通空调HV&AC，2011年41卷1期，1-8.
[6]张海强.温湿度独立控制空调系统和常规空调系统的性能比较.暖通空调HV&AC，2011年41卷1期，48-53.
[7]刘诠强.温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用.暖通空调HV&AC，2009年39卷4期，68-74.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：冰蓄冷温湿度独立控制系统节能
Ice storage system design of a hospital’s general ward building
Xu Jia
（Soochow University）
Abstract: Based on the local electrovalence policy and cold load calculation, this air conditioning design mainly adopts ice storage system, and also combines temperature and humidity independent control system with ice storage system. This issue presents emphatically the advantages of ice storage system and the combination system of temperature and humidity independent control system and ice storage system.
Keywords: ice storage system, temperature and humidity independent control system, energy saving
1 工程概况
本次设计为某医院综合病房楼节能改造，其始建于1990年，为医院主要建筑，建筑总面积达23470平方米。主体建筑十一层，地下一层，总高度为41.5米。大楼总共包括放射科，脑血管中心，五官，骨科，普外科，急诊，重症监护病房，隔离病房等18个病区。由于该大楼已使用20年，无论是冷热源配置还是系统设备都已不适应目前医院建设和节能的需要，因此在满足医疗卫生的条件下，需对空调系统冷热源及其相应的配套设备进行重新设计。
2空调系统的确定
2.1 夏季设计日空调冷负荷
根据该市气象参数以及主要病区房间室内空调设计参数，计算得建筑空调冷负荷，见图1。
图1建筑总冷负荷分布图
根据图1负荷分布图我们可以看出建筑峰谷冷负荷差很大，日间负荷大，夜间较小，所以本次设计冷源选择冰蓄冷系统。
3 冰蓄冷系统结合温湿度独立控制技术
3.1温湿度独立控制空调系统（THIC）简介
温湿度独立控制空调系统将室内空气温度和湿度分开控制，让新风独立承担室内的全部湿负荷，从而安装在室内的风机盘管能够在干工况下运行，最大限度的减少细菌、微生物的繁殖和扩散。该系统核心部件由独立除湿新风机组和高温冷水机组组成。现根据原理绘制空气处理焓湿图。
图2空气处理焓湿图
从图2 中可以看出新风从室外状态点O经过新风机组处理到相对湿度95%处新风机组机器露点M，同时室内空气被风机盘管从状态点R等湿冷却到N，随后新风和回风混合到状态点S送入室内。
3.2 新风处理系统所需的冷水处理温度
新风送风含湿量的确定应当保证能够排除建筑物内所有的产湿量，所以送风含湿量与室内设计状态的含湿量存在如下关系:
式中：
—房间湿负荷，kg/h
—空气密度，取为1.2kg/m3
—新风量，m3/h
—室内空气含湿量，g/kg
—新风的机器露点含湿量，g/kg
从式中可以看出当新风量减少时，由于室内含湿量和房间湿负荷不变，所以新风的及其露点含湿量减小，露点温度降低，但新风负荷得到了很大的减小。在医院中，空调湿负荷主要来源于人体，新风量根据室内卫生要求计算，而新风能耗较大，所以一般空调系统都采用最小新风量，将系统新风处理到机器露点，这就要求冷冻水温降低；冷冻水温降低，则会导致制冷机组COP减小，增大能耗。但采用冰蓄冷技术，利用其融冰产生的低温冷冻水就可以很方便的实现最小新风量这一条件，大大减少新风能耗。
根据表1 各病区房间室内空调设计参数计算机器露点温度。
表1各病区房间室内空调设计参数
建筑物功
用名称 夏季 冬季 最小
新风量
(m3/h.p)
温度(℃) 湿度(%) 温度(℃) 湿度(%)
普通病房 25 50 21 50 50
医生办公室、治疗室、处置室、抢救室、值班室、示教室、主任室、会议室、检查室、操作室、护士站 25 50 21 50 30
待产、接产、分娩室 26 50 22 50 60
病房区
查焓湿图得：机器露点温度9℃
产区
查焓湿图得：机器露点温度10℃
而冷水温度一般比机器露点温度低2.5—6.5℃，所以该状态点冷冻水供水温度要达到4℃，这对于一般的冷水机组（7℃/12℃）来说需要大幅降低蒸发器出水温度，制冷机工作的蒸发温度低，效率低，蒸发温度每降低1℃，制冷量减少3%，从而降低机组COP。而冰蓄冷系统依靠融冰可以很方便的提供1～4℃低温冷冻水，因此采用冰蓄冷系统的医院可以将低温冷冻水与温湿度独立控制技术相结合，增強系统除湿能力，有效控制微生物。而且研究表明温湿度独立控制系统应用在医院舒适性区域，可比常规空调系统节能25%以上,所以采用冰蓄冷系统后空调系统将更加节能。
3.3 系统设计
温湿度独立控制空调系统主要包括两部分，一是新风机组的冷冻水，由冰蓄冷空调系统提供；二是室内干工况运行的风机盘管，此时送风温度为17℃，所以盘管需要高温水，这里设定为13℃。一般制冷机工作的蒸发温度高，效率高，蒸发温度每提高1℃，制冷机效率可提高3%，因此其能耗将远远低于常规空调。对于本次设计的冰蓄冷系统，高温冷冻水可由基载主机提供，并配备变频水泵，以便基载主机在夜间向建筑提供冷量。
由焓湿图可知，机器露点温度低于室内温度，所以新风除了承担室内所有的潜热负荷，还承担一部分的显热，则风机盘管承担的显热负荷为建筑室内总显热负荷与新风送风承担的部分建筑室内显热负荷之差。
新风送风承担的室内部分显热负荷可以通过下式计算：
式中：
—新风承担的室内部分显热负荷，kW
—空气比定压热容，kJ/（kg·℃）
—新风量，m3/h
—机器露点温度，℃
—房间温度，℃
则风机盘管负荷为：
式中：
—建筑总显热负荷，kW
—风机盘管承担的显热负荷，kW
病房区
产区
所以。
4冰蓄冷空调系统设计运行控制
4.1 蓄冷系统运行策略
蓄冷系统的运行策略指的是蓄冷系统以设计循环周期（如设计日或周等）的负荷及其特点为基础，按电费结构等条件对系统以蓄冷容量、释冷供冷或以释冷连同制冷机组共同供冷作出最优的运行安排考虑。可分为全部蓄冷与部分蓄冷两类。
全部蓄冷策略是在日间用电高峰期将夜间低谷时期储存起来的冷量一次性放出，而此时制冷主机停开，即融冰承担建筑所有的冷量。
部分蓄冷策略仅将设计日非谷段的冷负荷总量转移一部分（一般为30%～60%）进行蓄冷，白天由制冷机组与蓄冷装置联合供应冷负荷的需要。对于主机优先模式来说，当有负荷时，首先利用制冷机组的制冷量，当负荷超出制冷机组所能提供的最大供冷量时，再利用蓄冰装置融冰补充供冷。而融冰优先模式，当有负荷时，蓄冰装置先以预定的速度消耗事前蓄存的冰，当融冰提供的冷量不够时，再由制冷机组补充供冷，以满足建筑物需要的总冷负荷。
4.2 蓄冷系统控制策略
表2系统各种运行工况
冰蓄冷系统流程设计图及阀门动作表
运行模式 双工况主机 乙二醇泵 系统水泵 基载主机及水泵 V1 V2 V3 V4 V5
單蓄冷 开/蓄冰 开 关 关 关 开 关 开 关
双工况主机与融冰联合供冷 开/空调 开 开 关 关/调节 开/调节 开 关 关
基载主机与融冰同时供冷 关 开 开 开 关/调节 开/调节 开 关 开
基载主机单供冷 关 关 关 开 关 关 关 关 关
融冰单供冷 关 开 开 关 关/调节 开/调节 开 关 开
边蓄冰边供冷 开 开 关 开 关 开 关 开 关
双工况主机单供冷 开/空调 开 开 关 开 关 关 关 关
基载主机、双工况主机与融冰同时供冷 开/空调 开 开 开 关/调节 开/调节 开 关 关
一般情况下，建筑冷负荷小于设计日空调冷负荷，尤其在空调淡季建筑负荷远小于空调设计日的负荷，这时如果还按照空调设计日的蓄冰方法设计的模式来工作的话，将是非常不经济的，完全达不到冰蓄冷空调系统节约运行费用的目的。所以冰蓄冷空调应采用合理的优化控制运行策略。本次设计的建筑，由于夜间存在冷负荷，因此需要增加基载主机来满足这部分冷量的需求，对于这样的冰蓄冷系统，一般有如下8种运行模式：
（1）夜间单蓄冰模式：在建筑物负荷比较低的时段，冷水主机运行提供低温液体，将贮冰装置中的水凝结成冰。
（2）单融冰供冷模式：在建筑物负荷比较低，电价较高的时段，可在冷水主机停机的情况下，仅以融冰来满足供冷的需求。
双工况冷水主机和融冰同时供冷模式：在建筑物负荷比较高，融冰量不能满足供冷需求的情况下，开启冷水主机，与融冰一起满足供冷需求。
基载主机与融冰供冷模式：在一些特别时段中，当建筑物负荷比较高，融冰量不能满足供冷需求的情况下，开启基载主机，与融冰一起满足供冷需求。
基载主机单供冷模式：在一些特别时段，特别是过渡季节时，建筑物负荷比较低，冷却水温度也比较低，可以不用蓄冰，直接用基载主机供冷，此时由于冷却水温很低，冷水主机的效率非常高，从而达到更好的节能效果。
边蓄冰边供冷模式：在夜间蓄冰的时段，建筑物仍有供冷需求，这时运行基载主机来满足冷负荷需求。
双工况主机单供冷模式：在一些特别时段，可能会直接用双工况主机供冷。
基载主机，双工况主机与融冰一起联合供冷：在负荷很高，且功能比较复杂的建筑物，有时也会需要基载主机，双工况主机与融冰一起联合供冷才能满足需求。
冰蓄冷空调要充分利用蓄冷槽在夜间所蓄的冷量来进行供冷，尽量少的开启制冷主机。根据不同的实际情况在运行上进行合理的优化控制，从而大大节省空调运行费用。
5结论
从文中可以看出，在医院投资冰蓄冷系统主要有两个好处。其一是，利用融冰得到的高品位冷量可以采用温湿度独立控制技术。由低温冷水来给新风冷却除湿，使新风承担室内全部的潜热负荷和部分显热负荷，这样可以精确控制室内湿度，有效控制细菌、微生物的滋生和传播。其二是，虽然冰蓄冷系统初投资较高，但其年运行费用远小于常规空调。一般情况下，蓄冷空调运行年限为15年，所以收益相当可观。这还没有算进政府的鼓励措施，所以实际回收周期还会得到进一步提高，所以采用冰蓄冷空调技术对用户和电力公司来说是经济实惠的。同时本次机房设计主要是针对医院病房楼大厅、普通病房、产房三部分，实际生活中病房楼的负荷远远大于本次设计结果，因此投资冰蓄冷系统将得到更大的收益。而且随着今后科学技术的发展，蓄冰新材料的生成，冰蓄冷系统将得到越来越广泛的使用。
参考文献
[1]俞卫刚,沈晋明.医院空调采用冰蓄冷与湿度优先控制组合技术的适用性分析.暖通空调HV&AC，2007年37卷12期，46-49.
[2]姜国伟,刘舰.冰球式蓄冷中央空调系统在医院综合性大楼中的应用.科协论坛，2007年8期，41.
[3]方贵银.蓄冷空调工程实用新技术.人民邮电出版社，2000年.
[4]彦启森.冰蓄冷系统设计.全国蓄冷空调节能技术工程中心，2001年.
[5]张涛.温湿度独立控制空调系统设计方法.暖通空调HV&AC，2011年41卷1期，1-8.
[6]张海强.温湿度独立控制空调系统和常规空调系统的性能比较.暖通空调HV&AC，2011年41卷1期，48-53.
[7]刘诠强.温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用.暖通空调HV&AC，2009年39卷4期，68-74.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。