上海质子重离子医院工艺冷却水及空调水系统节能设计

离子源间 直线加速器上下层输运线治疗室同步加速器图 1 P T 区平面功能示意图上海质子重离子医院工艺冷却水及空调水系统节能设计滕汜颖（上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041）摘要：介绍了该工程的工艺冷却水系统及空调水系统设计中采用的多项节能措施，主要包括工艺一、二次水系统的优化和控制方式以及空调水系统中采用的水源热泵、冷却塔免费供冷 等技术手段。关键词：节能措施； 工艺冷却水； 空调水系统； 水源热泵； 冷却塔免费供冷中图分类号：TB6，TU834.3+ 5文献标识码：B文章编号：1006- 8449（2011）03- 0016- 05引言近年来，恶性肿瘤作为一种常见病、多发病，严重 威胁人类生命安全。质子重离子放疗是目前国际上最 先进的高精度放疗技术。此领域在国内尚属空白，该工 程的建成意味着我国成为继美、日、德之后世界上第四 个实现质子重离子束治癌临床试验的国家。本工程位于上海南汇医学园区，主要包括质子重 离子放疗区（PT 区）、门诊楼、病房楼等 9 个单体。其中 PT 区为主要的治疗区域，由直线加速器、同步加速器、 输运线、治疗室及辅助医疗办公房间组成，如图 1 所 示。PT 区总高 3 层，其核心工艺装置位于地下 1 层。粒 子由离子源房间发出，至直线加速器内加速到一定速 度后引入环形同步加速器，由同步辐射装置进一步提0高粒子速度，再由输运线引至治疗室供病人治疗。PT 工艺装置的用电量巨大，总量约为 5000kW，全 年每天 24h 不间断运行。各种工艺设备所消耗的电能 绝大多数转化为热能，其中大部分的热能需用冷却水 作为载体带走，少数则由空调系统排出。工艺冷却水系 统的负荷为 3500kW。为保证装置全年每天 24h 正常 稳定可靠的工作，冷却水需全年不间断供应，其冷源需 全年供冷。鉴于该装置的实际运行工况，如何保证系统 运行可靠性，减少供冷系统的能耗，充分利用自然能源 及装置大量地排热是质子重离子医院冷热源系统设计 中值得重视的问题。1工艺冷却水系统节能设计1.1 工艺冷却水系统设计PT 工艺装置要求 24h 不间断运行，每套末 端用户（工艺）装置均有各自不同的水温、控制 精度、流量、压降、材质等控制要求。工艺冷却 水系统的主要任务是冷却质子重离子医疗装 置中所有热耗较大的电子设备，并作为对某些 温度变化敏感部件的恒温调节手段。工艺冷却水系统的总冷负荷为 3500kW。共有 30 套末端用户装置，需要冷却水进入其二次冷却循环水系统 冷却塔一次冷却循环水系统水泵 水泵接水源热泵冷水末端 用户接冷水机房电加热器 板换板换图 2 一、二次工艺冷却循环水系统冷却塔接水源热泵5 个一次水子系统 水泵接冷水机房末端冷水用户板换电加热器 一次板换接冷水机房末端冷水用户 板换电加热器一次板换图 3 工艺冷却水系统原理工 程 设 计中直接冷却，称为一次冷却水系统。为满足用水设备的表 1 一次工艺冷却水系统划分电气绝缘要求，同时也为了杜绝水路中产生结垢或水基准温度控制精度合并后一次水子系统末端用户 子系统水质要求个数，个编号路堵塞的现象，工艺冷却水系统采用双循环冷却方式，如图 2 所示。即采用一次冷却循环水作为传热介质与 冷却对象直接接触，带走用水设备的热功耗，并通过板 式换热器将热量传递给二次冷却循环水，再经冷却塔 将热量散发于外界大气中或用冷水机组带走热量。直线加速器 30 系统射频 40 系统 直线离子源系统 输运线系统 同步辐射系统普通水纯水 纯水 纯水 纯水2929270.5111161210长度，减少管路阻力，避免背压不够而回水困难。一次工艺冷却水系统划分见表 1。综合以上情况考虑，最终将 30 个用户末端划分为5 个一次水子系统，如图 3 所示。分别为直线 30 系 统、射频 40 系统、直线离子源系统、输运线系统和同 步辐射系统，对应末端用户设备为 1 个、1 个、6 个、12 个和 10 个。5 个一次水子系统分别对应各自的二次水 系统，通过控制二次水的精度来保证一次水精度。5 个 二次水系统最终合并成一个大系统，进冷却塔或由冷 水机组散热。1.2 工艺冷却水系统节能技术1.2.1 一、二次水系统的优化根据 30 个用户末端的技术参数，得出一些特点：1）系统数量多；2）基准温度有 27、29的不同要求；3）控制水温的精度要求不同，有1和0.5；4）压 降和承压有较大差别，部分系统承压低、压降大、背压 相当小。由于用户分散、数量多，若每个用户设置独立的 一、二次水系统，灵活性虽好，但势必造成设备数量多、 投资大、占地面积大、管路复杂等缺点，因此需进行必 要的系统划分，以简化系统管路、节约投资，也方便维 护管理。以满足用户使用要求为原则，将基准温度、控 制及水路材质相同的子系统尽量合并，并结合用户服 务对象及所在空间，把 30 个一次水系统合并成较少的 独立系统。将基准温度 29和 27及控制精度1 和0.5作为依据，将整个系统划为三大块，分别为290.5、291和 271；相对应的系统为直线30# 系统、射频 40# 系统及其余 28 个 271的子系 统。由于一次水水质要求，单独设置使用普通水的直线30# 系统，其余的子系统均为低电导率的纯水。再根据271的 28 个子系统的所在空间位置，将它们归并 成 3 个系统。同时根据各自压降和承压情况，将射频40# 系统 （压降为 4 bar，承压为 5 bar，两者相差仅 1 bar）独立设置，机房与用水点在同一层上，背压不用于 克服由高差引起的静压值。机房靠近用水点，缩短管道一次水子系统的归并有利于集中控制及调试，避免管路过于分散、管道及设备重复设置带来的材料及 能源损耗。同时机房管道简单、数量少、可靠性及灵活 性均较好。1.2.2 一、二次水的温度控制方式1.2.2.1 一次水温度控制为了保证 PT 设备可靠安全的运行，必须对工艺冷 却水一次水温进行高精度控制，以满足末端用户用水 温度及精度的要求，这是整个冷却水系统设计最重要 的原则。一次水的温度控制采用二级控制方法，如图 4 所示。首先，一次循环回水经过一次板式热交换器时， 通过调节进入板换的二次水流量以控制一次水出口温No.3/2011总第139期 第32卷17一次板换 二次冷却水回水箱T=31.29动态平衡阀 定压装置 水末端储式用户闭三通阀 备备备冷水板换 T=29 设设设一次泵段段段补水口 舱舱舱热 器器器器换 速速速 T=17 T=12 式 加加加 冷水板 直线及离子源房系统 271 线线 线直直直电动调节阀T=28.48T=24 T=24 T=27二次冷却水供水 板式换热器 电加热器图 4 工艺冷却水子系统工 程 设 计度；然后一次水通过管道式电加热器进行加热，控制供水温度的精度。一个治疗周期内，工艺装置（PT）能量会从低到高、再从高到低发生周期性的变化，其一个脉冲周期约为3s。为避免这一周期性的脉冲变化影响水温控制，故在 一次水系统中均设置了闭式储水箱。1.2.2.2 二次水温度控制二次水温度的稳定性直接影响一次水的控制质 量。二次水系统采用冷却塔与冷水板式热交换器冷却 的方法，并采用串联连接（如图 3 所示），这样运行时可 以充分利用自然冷源。当室外气候条件能满足使用要 求时，优先利用冷却塔进行自然冷却。然后再利用冷水 冷却至所需温度。随着室外环境温度的降低，逐步减少 冷水用量，直至最后停用冷水机组，全部利用冷却塔自 然冷却。二次水系统的整体回水温度仅为 28.5，夏季冷 却塔出水温度远高于此温度，不适合进入冷却塔冷却， 因此设计采用了加设旁通管道的方法，二次回水直接 经冷水板换冷却达到所需的温度，然后送至一次板式 换热器使用。随着室外温度的下降，当冷却塔的出水温 度低于二次水系统的回水温度时，关闭旁通管道，二次 水首先经冷却塔冷却，然后再经冷水板换进一步冷却 达到所需的温度。随着气温的进一步降低，冷却塔的冷 却能力逐步加大，进而取代冷水板式换热器，这时相应 的工艺冷水机组及配套水泵停运，节约了人工能源。冷却塔使用时，由混合水的温度控制进入冷却塔 和旁通管路的水量，同时也控制冷却塔的台数和风机 的运行。冬季时当冷却塔出水温度低于二次水所需温 度时，调节冷却塔变频风机，逐步减小冷却塔的冷却能 力。当所有风机都关闭时冷却塔的出水温度还是偏低 时，可打开并调节旁通水管上的调节阀，关小进冷却塔 的水量，控制出水温度。冷水板式换热器使用时，调节 进入板换的冷水流量以控制二次水的出口温度。工艺冷却水系统的冷源为 2 台冷量相同的螺杆式冷水机组，单台额定制冷量为 1925 kW，再另设 1 台 机组作为备用。根据工艺设备回水温度确定冷水机组 的供、回水温度为 12/ 17。这样既能保证冷却功能 的实现，又能大大提高机组的性能系数，减少耗电量。 工艺一次及二次水泵均配置变频装置，调试时可手动调节，直至满足实际 PT 设备运行时的工况。2 空调水系统节能设计2.1 空调水系统设计简介 整个园区内凡使用集中空调系统的单体均采用集中的冷、热源系统。冷水机房设置于园区东侧地下一层，紧邻 PT 区和地下车库。锅炉房则位于园区西侧的 地上一层单独建筑物内。夏季空调总冷负荷为 5036kW，冬季总热负荷为2252kW。采用 4 台额定制冷量相等的螺杆式冷水机组 作为冷源，其中 2 台为水源热泵机组。单台额定制冷量 为 1260kW。热源为 2 台制热量均分的真空燃气热水 锅炉，单台额定制热量为 1126kW。供给系统根据不同 区域的使用功能分别采用不同的系统形式。对于普通 办公、病房区域采用两管制供、回水系统；门诊医技区 域采用区域两管制供、回水系统，PT 区则采用四管制 供、回水系统。空调冷水采用二次泵系统，其中一次泵 定流量运行，二次泵变频控制变流量运行。空调热水采 用一次泵定流量运行，系统压差旁通变流量控制。冷水 的供、回水温度为 6/12，热水供、回水温度为 55/45。2.2 空调水系统节能技术2.2.1 空调冷水机组的水源热泵形式工艺冷却水二次水回水总水温为 29，流量为890t/h，其所蕴涵的热能最终将排至室外。设计利用这No.3/2011总第139期 第32卷18末端空调系统热水供回水55 接自末端系统供水水源热泵热源供回水定压装置 水源热泵二次供热泵接自二次工艺冷却水蒸发器 冷凝器蒸发器 冷凝器接自末端系统回水 45接自二次工艺冷却水蒸发器 冷凝器62 台水源热泵机组蒸发器冷凝器12定压装置免费冷源板换图 5 空调冷源系统原理两管制行政楼门诊楼锅炉一次PT 区（四管制） 热水泵接力热水泵地下室病房楼图 6 热水系统接力泵工 程 设 计出口温度。冷却塔的风机采用变频调速控制，根据出塔水温控制风机转速。2.2.3 空调输送系统的节能设计整个园区面积较大，各个建筑单体错落分 布，东、西侧距离约为 330m，南北侧约为 200m。 冷源和热源机房分别位于园区东、西两侧。各个 建筑物的空调水系统均由集中冷、热源机房供 给。水系统形式根据建筑物实际使用功能，分别 采用两管制、区域两管制、四管制三种不同的形 式。空调冷水的供、回水系统，采用温差为 6 的供、回水温度。较大的水温差能降低系统水流 量，从而减小输水管径，减少经常性的输送动力， 同时可节省水泵配置，节约投资。对于热水系统来说，采用温差 10的供、回水温 度。根据空调冷、热负荷可得热水流量约为冷水流量的0.5 倍。两管制系统时，水管道的管径根据冷水流量来 配置，管路走热水时的阻力仅为冷水时的 1/4，比摩阻 约为 7mm/m。四管制系统时，热水管道根据热水流量 独立配置，其阻力相对较大，比摩阻控制在 30mm/m。 整个园区的水系统规模较大，四管制区域即 PT 区位于 园区东侧，距离热源机房较远，管路较长，为最不利管 道阻力。按此阻力选择锅炉一次热水泵，水泵需克服四 管制热水管道的阻力，扬程相对偏大。造成近端两管制 区域资用压头过高，需用阀门克服多余的压力，浪费水 泵扬程。为此，在四管制区域（PT 区）专门设置了接力 热水泵，并采用变频控制变流量运行。热水系统接力泵 示意图如图 6 所示，此水泵扬程只需补足锅炉一次热 水泵在四管制区域（PT 区）资用压头不足部分，根据详 细计算得出，锅炉一次热水泵扬程为 24.5m，接力泵扬 程为 11m。部分热能向空调系统供热。空调总热负荷为 2252kW，单台冷水机组冷却侧放热量为 1507kW，考虑将 2 台 冷水机组改为水源热泵机组，如图 5 所示。夏季水源热 泵机组仍作为冷水机组供冷使用，机组的冷凝热通过 冷却塔排放；冬季将机组作为热泵使用，其冷凝热通过 水源热泵的二次供热循环水泵向末端空调用户供热。 设计二次供热循环水泵可在过渡季节及冬季为整个空 调系统供热。水系统通过管路上的电动阀门自动切换 冬、夏季运行工况。水源热泵机组的热源供、回水温度为 29/23， 机组供热侧的供、回水温度为 55/49。送至末端设 备的二次供热泵供、回水温度为 55/45。冷、热源系统配置有水源热泵机组，充分利用了二 次工艺冷却水的热能供热，将原本就要散发掉的热量 作为空调系统的热源使用，变废为宝，减少锅炉的使用 时间及台数，亦可减少二次工艺冷却水的排热量，降低 工艺冷却水系统能耗，节省能源。2.2.2 冷却塔免费供冷根据该工程的特点，PT 区工艺设备的空调需要全 年每天 24h 不间断运行，其夏季冷负荷为 953 kW，冬 季停机维修时热负荷为 230 kW。由于其冷负荷主要由 工艺设备散热组成，全年基本无变化，针对这一特性， 考虑利用天然冷源，向 PT 区供冷。设置 1 台板式换热器，位于负荷侧和冷却塔之间， 与空调冷水机组并联，换热量和冷水机组额定制冷量 相同，为 1260kW。过渡季节及冬季，当室外空气低至 某一温度时，通过板换上的电动阀门自动切换至板式 热交换器，此时冷水机组可停止运行，通过冷却塔免费 冷源向 PT 区的工艺空调末端供冷，满足其空调负荷要 求。三通阀调节冷源侧的供、回水流量来控制负荷侧的这样设置的好处是能避免阻力相差较大的系统串在一起时，水泵为克服阻力大的系统而不得不选择过 大扬程，而阻力小的系统又不得不消耗掉多余资用压 头而造成的浪费，做到按需配置，节约运行费用。对于水源热泵机组，冬季供热时，由于机组性能限 制，机组供热侧的供、回水温差为 6，而负荷侧系统No.3/2011总第139期 第32卷19工 程 设 计的供、回水温差通常做到 10，为保证大温差的节能效果，特别设置水源热泵二次变频供热泵，实现负荷侧 水系统的 10供、回水温差。整个空调冷、热水系统均采用变流量控制，并且对 冷水二次循环水泵、水源热泵二次供热泵和末端热水 接力循环水泵采用变频调速控制。一次冷、热水泵均为 定流量运行。段节约能耗。（3）冷源系统设置了水源热泵，充分利用工艺冷却 水需排放的热能，向空调末端用户供热。（4）冷源系统中设置免费供冷板换，利用天然冷源 供冷。（5）水系统采用较大的供、回水温差，减少经常性 的输送动力。同时负荷侧水泵采用变频控制。（6）设置四管制热水接力泵，避免一次水泵扬程 过大造成的浪费。这些节能技术的采用，遵循了“确保工艺第一，因 地制宜节能”的原则，使业主能花较少的投资取得长期 可观的收益，响应我国节能减排的倡导。以上设计体 会，供大家参考，希望能起到抛砖引玉的作用。结语本项目设计中考虑采用了多项节能技术，总结如 下：（1）工艺冷却水系统由于用户数量多，且各自有其 要求的技术参数，整个冷却水系统十分庞大而复杂。在 满足用户使用精度的前提下，简化系统、减少投资与降 低运行能耗就显得十分重要与必要。设计对末端用户 进行了合理的划分，将分散变成集中，方便控制、降低 投资。（2）工艺冷却水的系统设计和控制方式在满足系 统设计基本原则的基础上，充分利用天然冷源，抬高冷 水机组出水温度以提高性能系数，采用变频控制等手3参考文献：1 寿炜炜，张伟程，等. 上海光源工程工艺冷却水系统设计J. 暖通空 调，2008，38（6），7175.2 陆耀庆. 实用供热空调设计手册M. 第二版. 北京：中国建筑工业出 版社，2008- 05.收稿日期：2011- 03- 05修回日期：2011- 05- 12Energy-saving Design of PCW System and HVAC Water System in ShanghaiProton and Heavy Ion HospitalTENG Si- ying（Shanghai Institute of Architectural Design & Research Co.，Ltd.，Shanghai 200041，China）Abstract: Introduced energy- saving methods of PCW system and HVAC water system design in Shanghai proton andheavy ion hospital，including optimization and control method of primary and secondary cooling water system，heat pump of water source in HVAC wat