瑞士卢塞恩医院的动态水力平衡

2014年7月14日

现代医疗技术和IT中心需要全天候提供大制冷量。
随着越来越多的用户连接到卢塞恩州立医院的制冷系统,有时在夏季,发现现有容量在各地已不再够用,于是决定安装更大容量的制冷设备。

但令人惊讶的是,受委托进行相关分析的规划师得出了不同的结论: 一种更好、更具成本效益的解决方案是在现有制冷网络中安装用于水力平衡的自力式控制装置。

以下是发生在卢塞恩州立医院的事情: 随着时间的推移,对制冷能力的需求越来越大。医院的技术服务部门反复调整制冷设备以应对新的要求,甚至扩大现有的管网 - 例如,增加主要接口的容量(三管路原则)。使用了额外的泵来确保其中两名用户(Sterilog 和 Eye Clinic)的供冷效果。

配送系统的水力平衡是通过使用手动控制阀或减震器来实现的,后来发现控制技术的主要部分没有正确调整。

最后,在夏季,当室外气温上升到 26°C,许多用户抱怨不舒服时,采取行动的必要性就变得十分迫切。

关于卢塞恩州立医院的详细信息 卢塞恩州立医院 (LUKS) 是瑞士最大的非大学医院。其诊所和研究所提供高质量的医疗服务 – 全天候的综合诊断和高标准的急症护理医疗服务。正如他们所说,“患者的福祉始终是我们最关心的问题。这是一个承诺”。我们有 5600 名员工参与照顾患者: 在 500,000 居民的服务区,我们每年可看到约 36,000 名住院患者和 148,000 名门诊患者,并可为这些患者提供 900 张急症护理床位。

LUKS 视自己为学术教学医院,致力于以科学为基础的医学。诊所和研究所的许多负责人员既开展临床工作,又开展科学工作,其患者受益于知识和熟练员工的国家和国际交流。作为大多数受雇于公共卫生系统的职业人士的培训中心,LUKS 还承担了广泛的角色 - 提供了不少于 1400 个很有吸引力的学徒机会。

挑战

一个复杂的制冷网络,经过了 30 年的发展,其参数大部分是未知的。已知的内容: 该系统效率低下 - 并且在外部温度升至 26°C 以上时,很可能无法向所有用户提供生活冷水。另一个已知的事实是其功耗高。

安装了四个泵,用于从制冷设备配送生活冷水。其中最小的泵是在冬天使用。增加了三个较大的泵,并在夏季根据需求调节其速度。制冷量的配送从控制中心分为四个主要出口: 通风站 1(31 号房); 通风站 2(31 号房); 东配送 [最后用户: 儿童医院(33 号房)]; 西配送 [最后用户: Sterilog(16 号房)和精神治疗科(11 号房)]。

分析

卢塞恩州立医院委托 Wirthensohn AG 的顾问工程师来分析情况。最初的情形对工程师们绝不简单: 没有指明了制冷量 的配送示意概图,只有一个现场概况显示了管道布局。出于这个原因,Wirthensohn 首先在现有文件的基础上绘制了整个现场的配送示意图,然后还确定了所有用户的需求。

这项分析的结果: 两个吸附器制冷设备加上一个涡轮增压器的总制冷量为 4700 kW ,而 100% 制冷需求为 6900 kW 。由此可见,现有容量可以提供所需制冷水平的 70% - 基于假设的室外温度为 30°C。

因此,Wirthensohn 的工程师得出结论,现有系统每年除了为数不多的几天外都应足以满足目前用户的需求。然而,这取决于制冷系统的水是否以最佳方式配送 - 这是不能保证的。他们认为,主要问题是整个制冷配送系统缺乏水力平衡。使用现有的静态控制技术无法做到这一点。
因此,Wirthensohn 建议采用最先进的水力平衡 - 条件是只有动态水力平衡才能保证最佳的水配送。

然后,丹佛斯工程师与 Wirthensohn 合作分析了制冷能力,并指定了必要控制器的位置和性能。

解决方案: 动态水力平衡

什么是水力平衡 - 为什么它非常重要?
水根据最小阻力原理在供水管网中流动(无论是供暖还是供冷)。如果出现系统水力失调,则最靠近制冷设备的用户将受到青睐,更多远程安装的用户将由于更大的管道阻力而处于不利地位。

水力平衡可保证在整个管网中均匀地配送水:

  • 所有用户都能获得合适的水量,因此也能获得所需的制冷量。 
  • 用户之间的温差将是合适的,因此回水温度也将是合适的。 
  • 如果回水具有“合适”的温度,则制冷系统将以最佳状态运行并实现最大性能 
  • 事实上,只有真正需要的水才流向用户,这降低了泵送所需的功率 
  • 水力平衡要求安装特定的附加水阻器。这些可以是静态或动态控制装置。有什么区别?

手动控制器:
手动控制装置包括减震器、阀门等。此类配件可用于调整固定水阻器,调整量由精确的压力损失计算确定。缺点: 如果系统扩展,则需要重新计算所有阀门设置并重新设置。

自力式控制器:

  • 它们可动态地响应系统中不断变化的压力条件。通过测量压力和使用控制器(用弹簧作为辅助能源)调节内置调节阀,来调节其阻力。弹簧施加的力根据所需的水量和特定连接处所需的压力进行调整。确定这个力只需要知道所需的设计水量和阀门安装点和用户之间的压力损失。
  • 泵压力在用户管网中保持动态恒定(使用静态控制装置时,泵压力仅适用于最大水量)。即使在部分负荷运行期间,用户的电动调节阀也能达到最佳性能。 
  • 系统可以立即响应系统内的压力变化(例如,当相邻的用户接通或断开时) 
  • 系统扩展后,无需重新调整阀门
  • 可以调整出口的最大流量,这样就不会有用户享有特权。
  • 设置更容易确定 

此外,使用压差控制装置可减小部分负荷下的流量,从而降低了泵的能耗。优化部分负荷运行还可以改善系统的 Δt 行为(供水温度和回水温度之间的恒定比率),这对制冷设备的性能系数 (COP) 有有利的影响。

结果

2010 年夏季记录了与当前系统有关的数据。在该数据表的基础上,安装了 33 台公称直径 DN 25 至 DN 150 的 Danfoss AFP VFG2 控制器。水力平衡在 2011/2012 冬季进行,然后可以利用 2012 年夏季获得的测量结果进行验证。比较前后的数据表明,使用安装的制冷设备可以节省 20% 的能源消耗成本!

水力管网的改造成本将在几年内通过运营成本的大幅降低来分期偿还。

卢塞恩州医院的技术服务部门告诉我们,2012 年,在外部温度高于 26°C 的情况下,首次没有遇到任何制冷量短缺。

设备概述

安装了 33 个公称直径为 DN25-150 的 Danfoss AFP VFG2 控制器。

AFP VFG2 控制器是一种直动式比例控制阀,可控制压差,无需外部电源。
自力式控制阀平时开启,压差上升时关闭。
它由一个平衡调节阀(法兰连接)、一个带加强膜片的执行器和一个压差设定点调节用弹簧组成。

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