医院空气净化节能系统的设计与实现

徐勇

内蒙古林业总医院医学工程部 （内蒙古 牙克石 022150）

由于空气中的细菌及病毒主要附着于尘埃上，而空气净化系统可通过减少空气中的尘埃粒子数，为临床医疗环境提供符合国家相关标准的洁净空气，进而降低感染率，其是医院安全运行不可或缺的重要设备。空气净化系统被广泛用于医院的手术室、消毒供应室、配液中心、PCR 实验室、检验科等临床科室，尤其是疫情期间，医院内空气洁净度的要求更加严格，空气净化系统被大量使用。由于空气净化系统属于高能耗设备，能耗远高于常规的空调系统，“节能”问题已成为各医疗机构最关心的问题[1]，因此，医院选用节能高效的空气净化系统就显得尤为重要。风机作为空气净化系统的核心，长期频繁运行，是高耗能部件；同时，温度的调节控制也需耗费大量电能。针对以上情况，本研究设计的空气净化系统，通过可编程序控制器（programmable logic controller，PLC）和变频器进行控制，智能调节各风量阀的大小、开闭和风机转速，在满足医用净化空气规范要求的前提下，使风机在最佳功率运行，减少多余风量损耗，从而实现了空气净化系统的节能降耗；同时，系统摒弃以往依靠加热电阻进行加热的方法，采用板式换热方法，显著降低了能耗。本研究将重点阐述医用空气净化系统的风机变频节能控制的设计与实现，现报道如下。

1 空气净化系统耗能原因

目前，医院在用的医用空气净化系统存在以下4种电能浪费情况：（1）传统空气净化系统在设计时为了保证运行过程的可靠性，选用风机的功率都保留有一定余量，但当电机在非满载下工作时，多余的功率增加了运行损耗，造成了电能的浪费；（2）传统空气净化系统的风机采用接触器控制，送风量是通过调节空气入口与出口的风量阀来改变，多余的电能耗费在风量调节阀的阻挡过程中；（3）在满足医用净化空气标准的前提下，为降低安装成本，多数空气净化系统均采用一拖多的工作模式（即一套净化机组同时给多个房间提供洁净空气），在该模式下，不管是1个还是多个房间运行使用，净化系统的风机均在同一功率下运行，造成电能浪费；（4）冬季制热，传统系统采用电加热模式，直接用加热电阻给空气加热，尤其会耗费大量电能。

2 系统概述

2.1 医用空气净化系统的工作原理

医用空气净化系统利用变频风机，通过通风管道，把来自室外的空气经过滤器将尘埃杂物过滤后，与来自洁净室的回风混合，通过初效过滤器过滤，再分别经过表冷段、加热段进行恒温除湿后，再经中效过滤器过滤，然后经加湿段加湿进入送风管道，通过送风管道上的消声器降噪后送入管道未端，最后经过高效过滤器送入房间；部分房间设有排风口，废气由排风口排出室外，其余空气通过回风口和回风管道与新风混合后进入初效过滤器继续循环，把符合室内净化规范标准、恒湿、恒温的洁净空气源源不断地送入室内，使室内空气达到相应的净化标准。

2.2 系统设计

由于一拖多机组运行情况是耗能的主要原因，因此本研究重点阐述一拖二运行模式的节能改造，一拖多模式可参考一拖二的运行模式进行改造。净化机组控制系统分为手动控制和自动控制，手动控制可直接控制风机的起停、转速及温度、湿度、各阀门的开度等；转换自动控制时，分3种运行情况：（1）机组所带的净化间单独运行时，根据各净化间的空间大小和净化等级要求，通过实际运行参数反馈，自动控制进风阀门和回风阀门的开度，并调节风机给定频率，使该净化间保持恒定的运行风量；（2）机组所带的2个净化间同时运行时，根据净化间的使用情况，自动调节各房间电动风量阀的开度，风机也随之调节转速，使之达到要求风量；（3）当变频器出现故障停机时，自动切换到接触器控制；板式换热系统采用市政供暖热水，在换热器温度不够或故障停机时，电加热系统投入运行。

控制系统可在控制室计算机上远程监控，也可以在净化房间内进行本地操作控制，实时显示整个系统的运行情况，能够显示风机运行频率、风速、各种报警信息等，还可实现统计风机累计运行时间，提示保养信息，并依据压差计数值，提示更换初、中、高效过滤器等功能；同时，能够保存风机运行状态和报警信息，方便日后查询及维修。

3 系统主要组成设备与软件

3.1 变频器

变频器采用了数字电路与变频技术，通过控制内部绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的通断，调整输出电源的电压和频率，进而实现电动机转速调节，并可通过补偿控制，在不同转速下均能达到较高的机械特性，满足各种工业生产中的使用要求。变频器主要由显示单元、制动单元、控制单元、驱动单元、通信单元和检测单元等部分组成，具有较强的安全保护功能，随着工业自动化程度的不断升级，变频器的功能也越来越强大。变频器经过简单的参数设置和硬件组态，便可轻松实现接触器及简单控制器无法实现的电动机复杂控制，用户还可根据实际使用要求，设定运行参数及端子功能；此外，变频器还可与PLC进行通信和控制端子连接，通过组态软件实现计算机上监控运行，满足更复杂的过程控制。

3.2 PLC

PLC 是一种具有微处理器并用于自动化控制的数字运算控制器，可将控制指令随时载入内存进行储存与执行。PLC 由CPU、指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功能单元组成，具有逻辑控制、时序控制、模拟控制、多机通信等各类功能。目前，PLC 功能已接近于紧凑型电脑的主机，在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用各类工业控制领域。不管是在计算机直接控制系统还是集中分散式控制系统，或现场总线控制系统中，均已大量使用PLC 控制器。

3.3 组态王系统

组态王是一款专业的工业控制系统，可划分为控制层、监控层、管理层3个层次结构。其中，监控层对下连接控制层，对上连接管理层，可对现场实现实时监测与控制，并在自动控制系统中完成上传下达。组态王不仅具有功能强大、运行稳定、使用方便的特点，且完善和扩充了Web 发布、脚本编辑功能、实时趋势监视功能、全面报警功能、历史数据管理功能、报表展示功能、历史数据查询功能、历史趋势等功能。通过分析监控系统及实现功能的要求，采用组态王对监控系统进行设计，组态软件可提供可视化监控画面，有利于实时现场监控；并能充分利用Windows 的图形编辑功能，构成监控画面，以动画方式显示控制设备的状态，生成各种报表；还具备丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式、数据链接功能，流程图监控功能，可与PLC 通信并进行数据交换，最终由PLC 控制设备运行，具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。

3.4 板式换热器

板式换热器是用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片，并用夹板、螺栓紧固而成的一种换热器（图1），各板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行热量交换。工作流体在两块板片间形成的窄小而曲折的通道中流过，冷热流体依次通过流道，中间有一隔层板片将流体分开，并通过此板片进行换热。板式换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑、占地面积小、换热效率高、操作灵活性大、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点，是液-液、液-汽进行热交换的理想设备，传热系数比管式换热器高3～5倍，占地面积为管式换热器的1/3，热回收率可高达90%。

图1 板式换热器示意图

4 医院空气净化节能系统组态

4.1 医院空气净化节能系统组成

空气净化节能系统由操作站、机组、控制站和通信网络四部分组成，根据空气净化节能系统的控制要求，控制站采用小型PLC 完全可满足控制系统的需求；操作站选用了性能稳定可靠的工业控制计算机，通过安装组态软件进行组态设计，通过与PLC 通信，实时的对现场进行监测和操作，操作站可同时安装PLC 编程软件，做为上位机进行PLC 编程[2]。该系统采用PROFIBUS-DP 现场总线进行通信，具有高可靠性、安装简易、扩展方便，轻松实现多个从站PLC 与计算机之间的通信，完成系统的组态和监控功能。

4.2 硬件安装和网络连接

风速检测采用模拟量的风速传感器进行采集，依据实际控制点数和系统设备的控制要求，具体I/O硬件配置及原理图如图2～3所示。控制系统的硬件构架如图4所示。

图2 PLC 硬件I/O 配置原理图

图3 变频器配置原理图

图4 PLC 控制系统硬件连接图

4.3 控制系统的组态和关键控制程序的实现

根据空气净化系统工艺流程的控制策略和控制要求编写PLC 程序，控制所有设备的启停和联锁，采用梯形图编写语言。一拖多机组为常用及重点改造对象，因此，对典型的一拖二机组的运行情况进行描述。

4.3.1 一拖二机组运行

开机后，当使用1个净化间时，M 0.3置位；当使用2个净化间时，M 0.4置位，根据净化间使用情况自动调节风机运行频率，同时各调节阀门开度，使其达到规范要求，同时实现节能降耗，部分程序如图5所示。

图5 单双机组切换梯形图部分程序

4.3.2 板式换热器运行

板式换热器可根据冬季供暖时间自动运行，也可手动运行，部分程序如图6所示。

图6 板式换热器梯形图部分程序

4.4 组态人机界面

操作站采用组态王进行组态设计，操作界面包括主监控窗口、实时趋势曲线窗口、历史趋势曲线窗口和报警窗口.可通过下拉菜单进行选择；主界面可以实时查看系统的运行情况，分为操作区和显示区，便于工艺操作和监视、判断生产故障等，人机界面如图7所示。

图7 医用空气净化节能控制系统组态界面

4.5 医用空气净化节能系统调试

为确保系统运行安全、稳定，在系统投入使用前，需进行必要的整体调试，具体调试过程如下：（1）按照设计图纸，检查硬件各部分连接情况，确保所有线路连接正常；（2）接通电源后，依次操作各输入按钮，查看PLC 对应输入点是否正常，通过编程软件强制PLC 内部输出信号点置位，现场观察对应的硬件设备是否正常动作；（3）检查调试PLC 程序和上位机组态程序，通过模拟实际运行情况，观察程序运行逻辑是否正确；（4）检查系统联锁装置和安全联锁装置，通过程序强制置位，模拟系统正常运行工况；（5）通过上位机组态监控画面进入手动操作，检查现场每台设备的运行情况，确认正常后，选择自动运行工况，仔细核查设备的整体运行情况；（6）根据系统实际运行情况，通过检测设备测量各重点参数，依据国家洁净空气相关规范，调整运行参数；（7）调试结束，投入运行。

5 医用空气净化节能系统改造前后对比

按照一拖二机组进行对比分析，开机时间为10 h/d，电费为1元/ kWh：风机改造前，风机功率7.5 kW，风机运行功率为7.5 kW，每日费用约75元；改造后，风机功率5.5 kW，风机运行功率一拖一为3.85 kW，一拖二为4.62 kW，按一拖一运行时间占30%计算，每日费用约为44元，每日节省约31元。制热改造前，电加热功率为66 kW，每日费用约264元；改造后，板式换热功率为15 kW，每日费用约为150元，每日节省约114元。北方冬季取暖期按5个月时间计算，每台机组每年节约费用约28 415元，随着机组数量增多，所节约费用的金额将非常可观。

6 结语

依据空气净化系统的工艺特点，从净化系统的设计方案出发，本研究设计了一套由变频器、PLC等主要设备构成的空气净化节能系统，符合相关规范参数。实践表明，该系统通过合理的室内参数设计，可有效降低空气净化系统的能耗，并为医疗空间提供可靠、安全的洁净空气，符合当前医院节能降耗的发展要求。