引言随着老年人数量的增多，医疗服务的需求量逐年增加[1]。综合性医院、传染病防治医院均需使用医疗气体。负压是医疗气体不可分割的一部分[2]，临床中使用频次较高。传统负压机组包括提供动力的电机、压缩机、负压罐、电磁真空带充气阀、电气控制系统、水箱、阀门等，水箱功能之一是使压缩机冷却，但由于水箱内冷却水不能循环使用，造成水资源浪费较为严重。因此，文章总结中心负压机组运行中存在的问题，根据中心负压设备使用特点和运行要求以及医院现有条件，运用自动化技术对其进行节能改造，构建针对性方案，提升中心负压机组的运行效率，降低能源消耗，实现绿色节能发展。1基于节能研究的负压机组冷却系统1.1负压机组冷却系统总体框架为保证负压机组运行的可靠性，保留原有自来水冷却系统作为新研究的冷却系统备用。新冷却系统以中央空调作为冷源，通过某品牌热电偶温度传感器，采集负压机组冷却水温度，并将采集的数据传送给PID控制器，PID控制器根据温度控制中央空调冷源流量，以保持负压机组冷却水温度恒定。恒定的水温是机组高效安全运行的保障。负压机组冷却系统总体框架如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.F001图1负压机组冷却系统总体框架由图1可知，未采用节能系统时，中心负压机组压缩机冷却方式以常温自来水为冷却水。新提出的冷却系统以中央空调作为冷量来源[3]、控制阀控制冷量、表冷器进行热交换（仅能量交换，无介质交换）、冷却水箱补偿温差、负压压缩机为冷却水提供动力、机组水箱排出废气。1.2负压机组冷却系统的水系统硬件结构负压机组冷却系统的水系统硬件结构如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.F002图2负压机组冷却系统的水系统硬件结构中心负压机组冷却系统硬件由中央空调主机（医院原有的长期制冷设备）、各型管路、多个球阀、电动阀、PID控制器、表冷器、中心负压机组水箱、冷却水箱等构成。中央空调主机是中心负压机组冷却系统的冷源来源，是设计中心负压机组冷却系统的基础。医院为保证手术室、供应室、ICU等恒温恒湿设置长期冷源。空调冷冻供回水管采用某品牌PPR热熔管，具有施工安装简单、使用寿命长、故障率低等优点。供水管作用将经过空调降温的水（冷冻水）输送给表冷器，使表冷器降温，回水管将热交换完成的水（冷冻水）输送回空调机组进行冷却，形成一个具有压力的闭合循环回路。PID温度控制器是控制冷冻水流量的核心控制器。根据温度传感器采集的温度数据决定电动阀开度，对中心负压机组冷却系统温度的控制起着核心控制作用。温度传感器采用某品牌热电偶温度传感器，安装在冷却水箱内部。其作用是采集冷却水温度数据，并将温度数据传输给PID控制器。可控硅模块将PID控制器的开关信号传输给电动阀，可完全隔离控制回路和强电回路，保证控制回路安全，开断过程无任何机械动作，无任何电弧，灵敏度极高，可实现秒级通断控制精度高。电动阀是冷冻水流量控制的执行器件，通过接受来自PID控制器的信号调节阀门开度，安装在冷冻水供水管上面。球阀是保证中心负压机组冷却系统出现问题时能够关闭各水路回路，及时检修故障。中心负压机组压缩机是中心负压机组的核心部件。通过将负压系统的气体排出，形成负压供临床科室使用。工作过程中发热，热量需要通过冷却水带出。冷却供回水管采用某品牌PPR热熔管，施工安装简单、使用寿命长、故障率低。供水管作用将被表冷器冷却的冷却水输送到压缩机进行降温，回水管作用将被压缩机加热的水经中心负压机组水箱输送回冷却水箱，形成一个无压的开放式循环回路。中心负压机组水箱为机组自带水箱，作用将压缩机排出的废气与水进行分离，将废气排出。中心负压机组水箱对压缩机出来的高速流动的水流具有缓冲作用。冷却水箱采用某品牌不锈钢水箱，是冷冻水和冷却水进行热交换的容器，冷冻水与冷却水处于完全隔离状态，仅进行热交换。排污阀采用某品牌铜闸阀，作用是当中心负压机组结垢严重需要清洗时、冷却水被压缩机排出的废气污染严重，进行排水。浮球阀采用某品牌不锈钢浮球阀，作用是在冷却水箱水位降低时给冷却水箱补水。中心负压机组在排出废气时带走部分水，需要不定时给冷却水箱补水。文中制定的硬件选型方案如表1所示。中心负压机组冷却系统是一个双回路系统，冷冻水回路通过给冷却水系统降温达到冷却中心负压机组的作用。通过PID控制[4]系统对冷冻水流量控制，浮球阀对冷却水系统进行动态补水，达到给中心负压机组压缩机降温目的。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.T001表1中心负压机组冷却系统硬件选型方案硬件名称规格型号数量单位PPR热熔管DN2023根PID温度控制器SY501个热电偶温度传感器WNT-035-2PBO1个可控硅模块YHAC-2S1个电动阀WDDTQ-2S1个球阀DN205个冷却水箱无1个浮球阀DN201个1.3中心负压机组冷却系统程序设计若使中心负压机组冷却系统节能高效运行，需要合理控制冷却水水温和水位。水位依靠浮球阀控制，水温控制依靠PID控制系统。冷冻水流量控制流程如图3所示。由图3可知，保持冷却水温恒定的控制流程为：（1）设备安装完成，PID温度控制器参数设置完成；（2）热电偶温度传感器采集温度数据，传送给PID温度控制器，接收到温度传感器的数据后开始计算；（3）PID温度控制器发送命令信号给可控硅模块；（4）电动阀执行开关动作，实现对温度的精准控制。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.F003图3冷冻水流量控制流程基于数字化PID算法，对中心负压机组冷却水温度与设定温度的差值进行处理，PID算法具体过程为：ut=KPerrt+1TI∫errtdt+Tdderrtdt (1)式中：u(t)——控制器第t次的输出信号；T1——积分时间常数；Kp——控制比例常数；err——测定值和设定值对比得到的偏差值；Td——微分时间常数。但式(1)不能直接使用，需进行离散化处理，通过所测得的误差值求和代替积分，用相邻两次测得温度与设定值的差代替微分：uk=Kpek+Ki∑n=0ke(n)+Kdek-ek-1+y0 (2)式中：u(k)——PID控制器第k次输出给可控硅模块的开关信号；k——采样次数(k=1, 2, 3, …, n)；Kp——比例系数；e(k)——第K次温度传感器测得温度与设定值之间的偏差值；Ki——积分系数，多次误差的积累，作用是消除暂态误差；Kd——微分系数，e(k)-e(k-1)为第k次和k-1次温度传感器测得的两个温度的值，此项一定是一个负数项，作用是减少控制过程中的振荡；y0——电动阀门的初始开度。通过式(2)对中心负压机组冷冻水阀门开度进行控制，PID算法流程如图4所示。基于中心负压机组冷却系统的冷冻水流量控制PID算法，设定好PID参数，包括冷却水温度、允许偏差范围值、两次动作时间的间隔值、P值、I值、D值。参数设置完成，PID控制器根据设置参数开始工作：进行偏差计算，根据偏差大小通过比例调节、积分调节、微分调节、决定输出的开关量，输出完成后等待执行效果，等待时间为两次动作的时间间隔；若满足偏差范围，则该计算过程结束，若不满足偏差范围，则需要再次重复上述过程，从而达到恒定水温和保证机组运行稳定以及节能的目的。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.F004图4PID算法流程2试验研究2.1中心负压机组冷却系统PID和水位等试验参数设置根据中心负压机组的特性和工作模式，对PID和水位参数进行设置。首先水位设置，水位过高导致冷却水不能够被机组水箱分离，部分水随废气喷出水箱，造成水资源浪费。水位过低导致负压机组吸入空气，造成机组汽蚀现象，将水位设置为53 cm后，进行PID各项参数设置[5]，负压机组根据负压使用情况不同，启动频率不同的工作模式，但医院的总体负压使用基本稳定。针对这种频繁启动的波动负荷尽量控制PID稳态误差，I值（积分项）使其尽量小；P值不宜过大，偏差范围不宜过小，同时将两次动作时间间隔（滞后时间）设置长一点以减小波动；D值尽量小一点，以防止被频繁的水温波动作出过度反应。系统采用可控硅模块，因此每次动作的时间可设定很小，以达更高的控制精度。PID参数设定如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.T002表2PID参数值名称温度/oC偏差范围/oCP值I值D值滞后时间/s动作时间/sPID2624223012.2结果与分析中心负压机组的负荷随着临床使用负压吸引用量波动。选取2 d负荷相近的时间进行试验，排除不同负荷对试验准确性的影响。为保证试验安全、可靠，检查各负压的终端和管路[6]，防止存在漏气情况对试验产生影响，排除各项影响因素。不同冷却系统累积用水量对比如图5所示。由图5可知，采用新设计冷却系统后，机组仅有蒸发水量无排水量，水消耗很少。中心负压机组采用自来水降温，耗水量相比采用新设计冷却系统大很多。医院在具有巨大冷源的情况下，通过试验得出中心负压机组每启动1次采用新设计冷却系统可节约水3.13 L，采用新设计冷却系统，可节约水资源，减少污水排放和中心负压机组压缩机除垢次数。可能因为长期使用自来水冷却压缩机，会存在较多的钙镁离子和各种水垢进入压缩机，采用新设计冷却系统的水循环使用，钙镁离子和各种水垢有限且二次水质软化，压缩机结垢现象能够得到缓解。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.05.005.F005图5不同冷却系统用水量的对比3结语针对医院中心负压机组冷却系统存在能源浪费问题，根据医院现有条件进行总体框架设计，确定硬件结构、硬件选型、程序设计、参数设定，对中心负压机组冷却系统进行试验。试验得出新设计中心负压机组冷却系统节能效果显著，可减少压缩机结垢和污水排放，降低机组维护和污水处理成本。