Реконструкция системы холодоснабжения медицинского центра

В настоящее время специалисты занимаются реконструкцией инженерных систем медицинского центра г. Винчестера (США), в состав которого входят операционные залы, палатное отделение, центр диагностики, административные помещения и лечебно-диагностическое отделение. План реконструкции предусматривает в 2008 году присоединение к существующему комплексу еще двух самостоятельных зданий для размещения медицинских офисных помещений.

Дальнейшее функционирование в будущем расширенного учреждения предусматривает минимизацию эксплуатационных затрат, обеспечение максимальной эффективности и гибкости его работы при неизменной численности персонала. В план реконструкции системы холодоснабжения здания было решено внести введение в действие новой центральной водоохлаждающей установки.

Цели применения новой водоохлаждающей установки, состоящей из нескольких холодильных машин (чиллеров)

• Обеспечение значения температуры воды, поступающей в холодильную машину и выходящей из нее, 5,5 и 14 °С, соответственно, при сохранении существующей системы трубопроводов. Это позволит охлаждать воздух, поступающий в операционные залы, до 10 °С (заниженное относительно требуемого стандартом значения), что является достаточным для обеспечения бесперебойной работы современного медицинского оборудования. Поддержание стандартных значений температуры и расхода воды привело бы к прокладке новой более протяженной и дорогостоящей системы трубопроводов с применением насосов более высокой мощности.

• Обеспечение полного взаимодействия новой холодильной установки с существующей системой холодоснабжения путем автоматизации процессов с учетом будущих технологических изменений. Это подразумевает создание специальной инфраструктуры, позволяющей при помощи системы управления объектом (в соответствии с положениями BACnet®, LonWorks® и Modbus®) производить контроль и управление системами отопления, дизельным генератором и прочими элементами оборудования, расположенными в установке (рис. 1). К тому же, новая система управления объектом дает операторам возможность управления всей системой холодоснабжения с одного терминала.

• Проведение цифрового контроля работы системы холодоснабжения. Для обеспечения дальнейшей экономической эффективности составление спецификации системы управления объектом проводилось в соответствии с Руководством ASHRAE 13–2000 «Спецификации для цифровых систем прямого управления».

• Безопасное использование хладагентов путем оснащения установки водоохлаждения средствами мониторинга, предупреждения аварийной ситуации, безопасности и эвакуации людей в соответствии со Стандартом ASHRAE 15–2001 «Стандарт безопасности для охлаждающих систем».

Рисунок 1. Схема системы холодоснабжения медицинского центра (с применением новой установки водоохлаждения)

Этапы проектирования

С учетом необходимости расширения медицинского комплекса в рамках установленного срока (до 2008 года) проектировщиками были разработаны требования к подключению новой холодильной установки на каждой стадии расширения объекта. Новая система включает в себя резервную водоохлаждающую холодильную машину, градирню, насосы для перемещения охлажденной воды и конденсата. Был предложен вариант размещения всей установки в дальней части больничного комплекса, что позволяет выделить свободную площадь под ее монтаж, но, с другой стороны, увеличивает стоимость прокладки новых подземных трубопроводов. Протяженность трубопроводов, проходящих по 240-метровому каналу, от размещаемой установки до эксплуатируемых помещений здания, следует учесть в расчетах для обеспечения требуемой температуры вырабатываемой охлажденной воды. Частицы карбоната кальция, находящего в почве, образуют естественный теплоизоляционный слой толщиной не менее 200 мм.

Конденсаторная вода вырабатывается с помощью градирен, расположенных в непосредственной близости от проектируемой установки для уменьшения уровня шума, создаваемого вентиляторами. Кроме того, предусмотрена установка генератора питания электроэнергией мощностью 1 400 кВт и распределительного электрооборудования для питания холодильных машин, насосов для охлажденной и конденсаторной воды и градирен, что позволяет обеспечить бесперебойное электроснабжение больницы при аварийном режиме электросети.

Таблица 1 (подробнее) Технические характеристики холодильных машин

Альтернативные решения

В процессе проектирования новой установки водоохлаждения, прежде чем принять окончательное решение, были рассмотрены и проанализированы различные варианты работы будущей системы.

• Работа холодильных машин с переменным расходом воды. Это приводит к снижению общей стоимости системы водоохлаждения и дальнейшей ее эксплуатации, поскольку требует установки меньшего числа насосов. Включение новой установки в существующую систему холодоснабжения требует подключения дополнительной обходной линии и установки двухходового регулирующего клапана.

• Оборудование водоохлаждающих холодильных машин безкомпрессорным естественным охлаждением с использованием хладагента для получения охлажденной воды. Температура воды на выходе из градирен определяет холодильную мощность экономайзера. Производительность установки составляет около 0,7 кВт/кВт при температуре наружного воздуха –1 °С и ниже.

• Работа насосов и вентиляторов с переменной скоростью путем оборудования электродвигателей инверторами, управляемыми приводами переменной частоты.

• Включение насосов для охлажденной воды в общую магистраль, что позволит обеспечить работу любого из насосов с любой холодильной машиной. Насосы одинаковой мощности оборудованы приводами переменной скорости, технические характеристики приведены в табл. 2.

• Оборудование холодильных машин индивидуальными насосами для перемещения конденсаторной воды. Насосы одинаковы по мощности, оборудованы приводами переменной скорости и ручными клапанами для их переключения в случае необходимости работы с другой холодильной машиной. Технические характеристики приведены в табл. 2.

• Регулирование работы вентиляторов градирен путем оборудования их приводами переменной скорости. Технические характеристики градирен приведены в табл. 3.

Выбор водоохлаждающих холодильных машин проводился по проектным показателям, приведенным в табл. 1. Производительность каждой из трех существующих машин при полной нагрузке составляет 2,1 кВт/кВт (0,594 кВт/тонн), а двух вновь уставленных – 2 кВт/кВт (0,571 кВт/тонн). Таким образом, холодильная мощность каждой из холодильных машин в размере 2 638 кВт позволяет обеспечивать температуру охлажденной воды и воды на входе в градирню 5,5 и 29 °С соответственно, что отвечает Стандарту ANSI/ASHRAE 90.1–2001 «Стандарт энергопотребления для зданий, кроме маловысотных жилых зданий» и региональным требованиям штата Виржиния.

Насосы для конденсаторной воды

Применение приводов переменной скорости для регулирования расхода конденсаторной воды затрудняет оптимизацию процесса их работы. Уменьшение расхода конденсаторной воды снижает мощность насоса. Это не всегда дает требуемый экономический эффект, поскольку при снижении перепада давления в конденсаторах холодильных машин, трубопроводах и клапанах, статическое давление в градирне остается постоянным. Кроме того, снижение расхода конденсаторной воды влияет на производительность каждой водоохлаждающей машины и градирен.

Градирни

1. Работа градирни с переменным расходом воды

Определение производительности градирни – затруднительный процесс, поскольку опыт регулирования расхода воды в подобных случаях не имеет широкого распространения. Анализ работы градирни возможен с помощью математического моделирования процесса ее работы с помощью программного обеспечения. На рис. 2 и рис. 3 приведены технические характеристики градирен, представленные производителем. Данные, приведенные в таблицах, соответствуют условиям работы вентиляторов градирен на полной скорости. Зависимость производительности градирни от изменения расхода воды можно проследить на следующем примере. В табл. 4 представлены значения расходов воды: 100, 75 и 60 % от расчетного и соответствующие им значения градирни ? при температуре наружного воздуха 10 °С и 60 % теплоотдаче. Каждая ступень уменьшения расхода воды в конечном итоге снижает расход градирни из-за более высокой температуры воды на входе, которая приводит к увеличению перепада температур. Снижение расхода конденсаторной воды в этих условиях выгодно, но сопутствующее увеличение температуры воды на входе в охлаждающую башню повышает энергопотребление водоохлаждающей установки в целом. Из табл. 5 видно влияние уменьшения расхода воды на производительность градирни при теплоотдаче в 80 % и температуре наружного воздуха 21 °С. Таким образом, в результате исследования работы градирен был сделан вывод, что снижение расхода воды приводит к увеличению производительности.

Рисунок 2. Производительность градирни с переменным расходом воды и расчетным диапазоном ≈ 5,6 °С

Рисунок 3. Производительность градирни при переменном расходе воды и расчетной разности температуры ≈ 5,6 °С

2. Работа градирни с переменными расходом воды и скоростью вентилятора

Результаты исследований показывают, что постоянный расход конденсаторной воды приводит к работе вентилятора градирни с оптимальной скоростью, при которой снижение мощности вентилятора превышает сопутствующий рост мощности водоохлаждающей установки.

Водоохлаждающие холодильные машины

Для отвода одного и того же количества теплоты при более низких расходах температура воды, подаваемой в градирню, должна быть более высокой. Поскольку температура воды, поступающей в градирню и выходящей из конденсатора одинакова, снижение расхода конденсаторной воды приводит к повышению температуры, что увеличивает энергопотребление и поэтому экономически не выгодно.

Снижение скорости насосов холодильных машинах, оборудованных приводами переменной скорости (кроме резервной, оборудованной приводом постоянной скорости), также не экономично, если разность давления между испарителем и конденсатором не будет снижена. В этом случае, скорее всего, при эксплуатации насосам придется работать на полной скорости для предотвращения гидравлического удара. Уменьшение скорости вентилятора градирни и (или) насосов на конденсаторной воде приводит к повышению температуры воды на выходе из конденсатора.

При эксплуатации установки следует учитывать: нестабильные условия работы системы, создание избыточного давления в конденсаторе при малых нагрузках, которое может вызвать гидравлический удар в конденсаторе, а также разность в перепадах давления двухходовых и трехходовых испарителей. Как видно из табл. 1, для холодильных машин 1, 2 эта разность составляет 42 кПа, для машин 3, 4, 5 – 90 кПа. В проекте были приняты насосы с одинаковой мощностью для упрощения их взаимодействия.

Управление работой холодильных машин

Управление работой холодильных машин предусматривает следующие действия:

• Включение резервной холодильной машины при повышении температура воды, поступающей в систему, сверх требуемого предела (в 1 °С в течение 15 минут).

• Включение насоса конденсаторного контура и градирни при каждом последующем этапе подключения к работе холодильной машины.

• Выключение всей центральной водоохлаждающей установки, если суммарная нагрузка входящих в нее холодильных машин не превышает 85 %.

• Продолжение работы всей водоохлаждающей установки в течение 30 минут после запуска последней холодильной машины во избежание слишком частого включения и выключения оборудования.

Управление насосами конденсаторной воды и вентиляторами градирен определяется нагрузкой водоохлаждающей установки. При уменьшении нагрузки водоохлаждающей установки до 80 % от расчетного значения и менее изменение скорости насоса на конденсаторной линии и вентилятора градирни происходит пропорционально изменению нагрузки (рис. 4). Возможно, это не самый оптимальный метод управления работой системы, но он позволяет регулировать мощность водоохлаждающей установки, скорость работы вентиляторов градирен и насосов конденсаторных линий, одновременно избегая условий образования гидравлического удара. При понижении температуры воды в градирне до слишком низкого уровня создается режим работы насосов, обеспечивающий минимальный перепад давлений между испарителем и конденсатором, требуемый производителем холодильных машин. Сигнал датчиков перепада давления преобразуется в значение расхода воды, что упрощает контроль расхода воды в испарителе каждой холодильной машины.

Рисунок 4. Зависимость нагрузки водоохлаждающей установки от скорости насоса охлажденной воды и вентилятора охлаждающей башни

Запуск водоохлаждающей установки

При первом запуске установки специалисты столкнулась с рядом проблем. Одна из них – расхождение показаний двух расходомеров, установленных в системе. Хотя в результате калибровки приборов их показания стали достаточно близки, возникают сомнения в точности их показаний. Также были обнаружены проектные ошибки в расчете расхода воды в испарителе, что привело к несоответствию между нагрузками на отдельные холодильные машины и нагрузкой на всю систему холодоснабжения (определяемой по показаниям расходомеров). Рис. 5 показывает работу всей водоохлаждающей установки на период 8 августа 2003 года при колебаниях температуры наружного воздуха от 18 до 22 °С. Среднее энергопотребление установки, соответствующее этим условиям, составило 2,1 кВт/кВт (0,6 кВт/тонн), что экономически выгодно.

Рисунок 5. График работы водоохлаждающей установки 7–8 августа 2003 года

Наладка

При наладке системы холодоснабжения также возник ряд проблем. Например, обнаружилось, что выжидание перед запуском резервной холодильной машины условия повышения температуры воды сверх заданной на 1 °С в течение 15 минут приводит к недостаточному охлаждению в критических зонах больницы.

В результате было уменьшено значение предельной величины с 1 до 0,6 °С. Число работающих насосов на охлажденной воде было увеличено для снижения их мощности (т. е. на две холодильные машины установлено вместо двух три насоса). Также была рассмотрена возможность увеличения числа работающих градирен, что предположительно должно снизить энергопотребление системы на 0,1–0,18 кВт/кВт (0,03–0,05 кВт/тонн). На рис. 6 показана работа системы холодоснабжения больницы на период 24–31 августа 2003 года, через неделю после внесения рассмотренных корректировок. Производительность установки составляла от 1,8 до 2,1 кВт/кВт (0,5–0,6 кВт/тонн), что подтверждает энергоэффективность работы новой внедренной системы.

Рисунок 6. Показатели работы водоохлаждающей установки 24–31 августа 2003 года

Система управления объектом

Система управления контролирует основные параметры работы системы холодоснабжения:

• энергопотребление компрессоров холодильных машин, насосов и вентиляторов градирен;

• температуру конденсаторной воды;

• расход охлажденной воды;

• скорость всех приводов переменной скорости.

Программное обеспечение системы управления позволяет анализировать полученную информацию в зависимости от изменения внешних условий и проводить контроль параметров работы всей системы, что приводит к минимальному потреблению электроэнергии для выработки охлажденной воды, сокращению эксплуатационных расходов медицинского центра, повышению экологичности работы системы с точки зрения ее влияния на окружающую среду. Сокращение использования электроэнергии приводит к уменьшению атмосферных загрязнений выбросами с электростанции.