醫(yī)院改造項目中空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

朱竑錦

（上海建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

0 引言

醫(yī)療技術(shù)通過多年的發(fā)展，取得了喜人的成績，然而許多老牌綜合醫(yī)院建造時間早，占地面積有限，經(jīng)過多年的運營，硬件設(shè)施逐步老化，醫(yī)院引入新的醫(yī)療設(shè)備后，對相應(yīng)的場地、配套的機電設(shè)備有了新的要求，因此老的綜合醫(yī)院改擴建成為當(dāng)今醫(yī)院建設(shè)的新挑戰(zhàn)。通過幾個上海地區(qū)醫(yī)院改擴建中應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)與大家探討。

1 改擴建中的幾個關(guān)鍵點

醫(yī)院各科室，對于房間的溫濕度、空氣潔凈度、壓差等均有不同的要求。這些不同的使用需求催生了多樣化的空調(diào)系統(tǒng)來保證實現(xiàn)不同的功能。

醫(yī)院引入新的醫(yī)療設(shè)備和工藝后，對相應(yīng)的場地、配套的機電設(shè)備都有了新的要求，從而促進了機電系統(tǒng)設(shè)計的進步和相應(yīng)技術(shù)的升級換代。

空調(diào)系統(tǒng)在醫(yī)院運行中往往是用能大戶，一般占醫(yī)院能耗比約50%，甚至更高。降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗，是節(jié)能改造的永恒的課題，也是空調(diào)設(shè)計的關(guān)鍵，因此要時刻了解和掌握行業(yè)新技術(shù)和產(chǎn)品的情況，加以正確使用，確保改造后系統(tǒng)能耗降低。

上海地區(qū)多數(shù)市區(qū)老牌三甲醫(yī)院場地空間非常有限，實施改擴建，好比在螺螄殼中做道場，必須充分做好現(xiàn)場的勘察工作，充分利用已有的平面和空間實現(xiàn)精確設(shè)計,發(fā)揮新系統(tǒng)的最大效果。

盡可能少影響甚至不影響醫(yī)院正常運行，對此工期和進度至關(guān)重要，這就要求參與工程的各個方面充分協(xié)商高度統(tǒng)一。

2 改造案例

2.1 上海復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院綜合樓手術(shù)部改造概況

改造區(qū)域位于醫(yī)院綜合樓的六至八層及八層上方的設(shè)備層。六至八層為凈化手術(shù)室（共23間手術(shù)室，其中2間百級其余萬級）及其輔房。此區(qū)域原空調(diào)水系統(tǒng)為四管制，冷源由大樓冷水機組和蒸汽雙效溴化鋰機組提供，冬季熱源及凈化空調(diào)箱再熱由鍋爐提供蒸汽經(jīng)汽水換熱后提供，在當(dāng)時這套系統(tǒng)是醫(yī)院設(shè)計的常規(guī)系統(tǒng)，此系統(tǒng)已經(jīng)運行十多年(2002年投入運行)，設(shè)備已經(jīng)老化，漏風(fēng)嚴(yán)重，影響潔凈手術(shù)部正常運行，醫(yī)院決定進行改造。

2.2 潔凈手術(shù)部負荷特殊性

手術(shù)室（非百級）夏季采用空調(diào)箱一次回風(fēng)，使用低溫的冷凍水通過換熱盤管將空氣進行降溫除濕，然后為保證送風(fēng)溫濕度，再加熱到送風(fēng)狀態(tài)點。冬季，手術(shù)室使用前，室內(nèi)需要進行供熱，在正常手術(shù)時隨著室內(nèi)熱量的增加，空調(diào)系統(tǒng)又需要切換到供冷、供熱同時存在的工況并配置加濕系統(tǒng)，因此潔凈手術(shù)部一年四季處于制冷、再加熱、制熱的特殊狀況。

2.3 改造方案

對整棟大樓空調(diào)系統(tǒng)進行改造將會嚴(yán)重影響大樓的使用，對于正常運營的醫(yī)院是不能接受的，且手術(shù)部相對重要，經(jīng)過反復(fù)協(xié)商后決定設(shè)置獨立的潔凈手術(shù)部空調(diào)系統(tǒng)并和大樓原有系統(tǒng)設(shè)置可切換的方案，這樣既能使用新系統(tǒng)，又有原系統(tǒng)作為備用，提高了手術(shù)部系統(tǒng)運行的安全性。

暖通技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)今多功能四管制熱泵即可通過熱回收技術(shù)實現(xiàn)同時制冷和制熱。其制熱是熱回收再利用，熱源相當(dāng)于免費供應(yīng)，即僅消耗一份制冷的能量可得到同時冷、熱兩份能量的效果。

設(shè)計之初院方對采用多功能四管制風(fēng)冷熱泵提出幾個問題：

1)風(fēng)冷熱泵的運行隨著室外環(huán)境溫度波動而波動，特別是冬季機組融霜時能否保證室內(nèi)溫度是一大疑問。

2)醫(yī)院場地有限很難找出熱泵機組及其配套水泵等的擺放位置。

3)手術(shù)部的負荷特點對于多功能四管制熱泵機組的性能要求很高，需滿足單獨制冷、制熱；同時制冷、制熱；當(dāng)冷熱負荷不平衡時也能滿足同時制冷和制熱。

針對上述問題，我們進行了技術(shù)分析，對于夏熱冬冷地區(qū)，冬季熱負荷比夏季冷負荷小，選擇主機時以冷負荷為標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的機組熱負荷會比計算熱負荷大，機組容霜衰減修正后滿足所需熱負荷。且上海冬季室外空調(diào)計算溫度-2.2℃，在機組合理室外溫度運行范圍內(nèi)。

經(jīng)多次實地考察，手術(shù)室八層設(shè)備層平臺剛好能夠放置風(fēng)冷熱泵機組，其配套水泵等通過對設(shè)備層布置改動實現(xiàn)。表1為這次改造的冷熱源配置情況。

表1 大樓原冷熱源系統(tǒng)與改造冷熱源系統(tǒng)配置情況Tab.1 The situation of the original cooling and heating source system and current cooling/heating system in the building

從設(shè)計圖紙與實際竣工照片看出，設(shè)備放置“非常困難”，屋面放置好機組及水管后已“無從下腳”，只能在水管上架鋼平臺過人通道（如圖1～圖2所示）。

2.4 系統(tǒng)運行情況

獨立的多功能四管制風(fēng)冷熱泵機組在手術(shù)部應(yīng)用的好壞還是得用數(shù)據(jù)“說話”。

系統(tǒng)自2014年10月投入使用至2016年3月的一年多時間，手術(shù)部運營正常，醫(yī)生對手術(shù)部內(nèi)溫濕度的感受反應(yīng)良好。恰逢2016年1月24日至25日上海遇到罕見的寒潮，最低溫度達到-7℃，隨機選擇調(diào)出兩臺手術(shù)部空調(diào)箱（一臺20000m3/h及一臺4000m3/h）夏季（2015年8月）及冬季（2016年1月）的數(shù)據(jù)對其進行分析探討（如圖3～圖6所示）。

圖1 冷熱源布置圖Fig.1 Arrangement of cooling and heating cource

圖2 屋面平臺多功能風(fēng)冷熱泵機組放置Fig.2 Layout of multi-use four pipe heat pump unit on roof platform

通過紀(jì)錄的數(shù)據(jù)可以看到，在夏季（8月）手術(shù)室內(nèi)溫度維持在22～23℃的線性平均線上下波動，室內(nèi)濕度在50%～60%范圍波動，而觀察風(fēng)量20000m3/h的百級手術(shù)室時，可以發(fā)現(xiàn)夏季室內(nèi)溫度偶爾會波動至16～17℃，通過對醫(yī)院運行管理人員及手術(shù)部醫(yī)生的訪問得知，手術(shù)部設(shè)備運行人員設(shè)置的基礎(chǔ)溫度為22℃，而實際手術(shù)過程中，醫(yī)生可以通過手術(shù)室內(nèi)的控制面板對室內(nèi)溫度人為進行調(diào)節(jié)，某些特殊手術(shù)是需要低溫的（如心臟手術(shù)等）。因此并無醫(yī)生反映溫度有不正常情況發(fā)生。

圖3 風(fēng)量20000m3/h空調(diào)箱8月全天運行記錄Fig.3 All day running records of the AHU on August of the air volume 20000m3/h

圖4 風(fēng)量20000m3/h空調(diào)箱1月全天運行記錄Fig.4 All day running records of the AHU on January of the air volume 20000m3/h

圖5 風(fēng)量4000m3/h空調(diào)箱8月全天運行記錄Fig.5 All day running records of the AHU on August of the air volume 4000m3/h

圖6 風(fēng)量4000m3/h空調(diào)箱1月全天運行記錄Fig.6 All day running records of the AHU on January of the air volume 4000m3/h

冬季（1月）數(shù)據(jù)溫度維持在21～22℃的線性平均線上下波動，濕度在45%～60%范圍波動，而在極端天氣1月24日至25日室外溫度-7℃時，熱泵機組受到頻繁融霜的影響，可明顯看到4000m3/h空調(diào)箱的室內(nèi)溫度在18～21℃間波動，比平時運行溫度偏低些，而20000m3/h空調(diào)箱的室內(nèi)溫度則在15～21℃之間波動，但是根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，室內(nèi)的低溫（15～18℃）基本都是出現(xiàn)在凌晨，也就是機組夜間值機狀態(tài)，通過對醫(yī)院運行管理人員及手術(shù)部醫(yī)生的訪問，極端天氣這兩天白天手術(shù)室內(nèi)部無明顯溫度下降的感覺。

從機組的運行記錄看出，多功能風(fēng)冷熱泵機組的運行相對可靠，基本都能保持室內(nèi)的溫濕度在合理范圍，而室內(nèi)極端的溫度也都出現(xiàn)在非運行時的值機時段。

2.5 節(jié)能與經(jīng)濟性

多功能四管制風(fēng)冷熱泵，相對于原系統(tǒng)，控制方便，設(shè)備的運維管理更加簡易，更重要的是對于原系統(tǒng)減少了蒸汽-水換熱的環(huán)節(jié)，大大減少碳排放量。實現(xiàn)綠色改造的目的。經(jīng)過初步的運行估算做出比較（見表2）。

表2 與原系統(tǒng)經(jīng)濟性比對Tab.2 Comparison for the economical efficiency of the original system

由表中運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和能耗計算對比可以看出，多功能四管制風(fēng)冷熱泵經(jīng)過一年多的運行，能夠滿足醫(yī)患對手術(shù)部的工藝要求，相對于原系統(tǒng)不僅節(jié)約了21%的運行成本，在減少煤炭能源方面更加突出，相對于原系統(tǒng)減少了64.9%的碳能源消耗。

3 擴建案例

3.1 工程概況

上海華山醫(yī)院DSA(數(shù)字血管造影)擴建工程總建筑面積約450m2，共三層，一層為血管造影設(shè)備室、控制室及操作室，二、三層為DSA醫(yī)療輔助用房及空調(diào)設(shè)備平臺。空調(diào)系統(tǒng)需滿足一層DSA凈化區(qū)域?qū)照{(diào)工藝的需求及滿足二、三層輔助用房間季舒適性空調(diào)的需求。

3.2 設(shè)計思路

項目在方案時提出希望采用一些非傳統(tǒng)暖通系統(tǒng)，來達到改善空氣品質(zhì)和節(jié)能的目的。經(jīng)過多次討論，比選出了溶液調(diào)濕溫濕度獨立控制系統(tǒng)的方案，項目設(shè)計時間為2009年，當(dāng)時在醫(yī)院幾乎沒有該系統(tǒng)的應(yīng)用實例，也沒有相關(guān)運行數(shù)據(jù)的支持，僅依靠理論的支持提出了這個方案，因此受到醫(yī)院與專家的質(zhì)疑，如初投資增加，能否帶來可靠的工藝效果；除濕能力是否真的如理論般可靠；溶液除濕的“溶液”是否有害等。通過多次與專家和院方溝通，經(jīng)過詳細的負荷計算對比，方案才最終得以落實，本項目主要保障對象為一層DSA手術(shù)室潔凈區(qū)域,因此主要以此塊區(qū)域做分析比較。

由于溶液調(diào)濕系統(tǒng)經(jīng)過深度除降溫除濕的新風(fēng)與回風(fēng)混合減小了空調(diào)箱的制冷量，同時也解決了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)混風(fēng)冷凍除濕后需要再熱的問題，可避免常規(guī)系統(tǒng)中熱濕聯(lián)合處理帶來的能耗損失；由溶液調(diào)濕系統(tǒng)處理濕負荷，這樣可以采用取高溫冷水的冷機，蒸發(fā)溫度提高，冷機COP可提高，高溫冷機承擔(dān)復(fù)核減少，冷凍水流量隨之減少，降低了水系統(tǒng)輸配能耗（見表3）。

對于醫(yī)院項目，能夠滿足空氣品質(zhì)較高的要求，可精確控制溫濕度，避免出現(xiàn)室內(nèi)濕度過高或過低現(xiàn)象。常規(guī)系統(tǒng)難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的缺點得以解決，也可以滿足不同房間熱濕比不斷變化的要求。室內(nèi)顯熱可用高溫冷源承擔(dān)，空調(diào)末端可實現(xiàn)干工況運行，沒有冷凝水產(chǎn)生，杜絕房間里的潮濕面。

表3 常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)與溶液調(diào)濕系統(tǒng)主機配置對比Tab.3 Comparison of conventional air conditioning system and temperature and humidity independent control system

3.3 系統(tǒng)簡介

風(fēng)系統(tǒng)：由溶液調(diào)濕新風(fēng)機組處理新風(fēng)后，一路為風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，送至醫(yī)療辦公用房內(nèi)承擔(dān)室內(nèi)潛熱負荷，一路送入凈化空調(diào)箱，與凈化區(qū)域回風(fēng)混合后處理至送風(fēng)狀態(tài)點，送入一層DSA凈化區(qū)域，如圖7所示。

圖7 溶液調(diào)濕空調(diào)系統(tǒng)示意Fig.7 Schematic diagram of solution humidity control air conditioning system

水系統(tǒng)：采用高溫風(fēng)冷熱泵機組，夏季供回水溫為14/19℃、冬季供回水溫為40/35℃。末端風(fēng)機盤管實現(xiàn)干工況運行，解決了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)機盤管集水盤容易積水，滋生細菌導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染的問題。

一層大部分區(qū)域為凈化區(qū)域，DSA室潔凈度為十萬級，其他區(qū)域潔凈度為三十萬級。凈化區(qū)域采用低速風(fēng)道全空氣空調(diào)系統(tǒng)，末端采用亞高效過濾風(fēng)口和高效過濾風(fēng)口。其余辦公、會議、醫(yī)療房間末端均采用干式風(fēng)機盤管加獨立新風(fēng)系統(tǒng)?？照{(diào)機房設(shè)置在三層，機房內(nèi)放置高溫風(fēng)冷熱泵、水泵、膨脹管罐、溶液調(diào)濕機組及凈化空調(diào)箱（如圖8所示）。

圖8 溶液調(diào)濕機組布置圖Fig.8 Layout of solution humidity control air conditioning system

3.4 系統(tǒng)運行情況

項目于2010年投入使用，干式風(fēng)機盤管加新風(fēng)在辦公等房間，夏季室內(nèi)溫度在25～26℃之間，濕度40%～55%之間，室內(nèi)露點溫度始終都低于冷凍水供回水溫度，保持室內(nèi)干工況狀態(tài)，無結(jié)露產(chǎn)生。凈化區(qū)域溫濕度也能達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，溫度22～25℃，濕度35%～60%，凈化區(qū)域運行也很穩(wěn)定，塵菌檢測等各項參數(shù)指標(biāo)也都達標(biāo)。

機組記錄圖可以看出，機組送風(fēng)溫度一般在20～21℃（如圖9所示），送風(fēng)含濕量在8～9g/g干空氣之間（如圖10所示），系統(tǒng)運行很穩(wěn)定，在送風(fēng)溫度與濕度的控制上“把握”得非常到位。說明溶液調(diào)濕系統(tǒng)能夠滿足房間舒適性功能要求，同時該系統(tǒng)對于醫(yī)院的工藝性要求也能夠勝任。

圖9 6～8月機組新風(fēng)、送風(fēng)溫度Fig.9 The fresh air and the supply air temperature of unit from June to August

圖10 6～8月機組新風(fēng)、送風(fēng)含濕量Fig.10 The moisture content of the fresh air and the supply air of unit from June to August

3.5 節(jié)能與經(jīng)濟性

表4 兩系統(tǒng)主要設(shè)備初投資比對Tab.4 Initial investment comparison of two system starring devices

表5 全年運行能耗對比Tab.5 Comparison of energy consumption in full operation situstion

下表為常規(guī)系統(tǒng)與溶液調(diào)濕系統(tǒng)的設(shè)備投資成本比對，溶液調(diào)濕新風(fēng)機組相對于常規(guī)機組在初投資價格上并不占優(yōu)勢（見表4），需要由全年運行能耗對比來檢驗該系統(tǒng)投資是否可行（見表5）。

能耗分析：由于DSA手術(shù)室全年運行，其夏季運行模式按150d，平均負荷按照80%計算，冬季運行模式按90d，平均負荷按照80%計算，其余天數(shù)為過渡季運行模式，平均負荷按照50%計算，平均每天運行12h；上海市電價按1.07元/kWh計算?？照{(diào)系統(tǒng)經(jīng)濟性綜合比較見表4和表5，采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)，初步估算每年可節(jié)約運行費用約4.71萬元，其運行費用約為常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)的76.5%，考慮初投資增加16.6萬元，3.5a即可收回初投資，該系統(tǒng)在帶來高品質(zhì)空調(diào)環(huán)境的同時，經(jīng)濟效益比較明顯。

4 結(jié)語

醫(yī)院的建設(shè)是社會同病患的福音，隨著時代的進步，已建成的醫(yī)院同樣要跟上步伐，合理改擴建使其能夠更好地服務(wù)于社會，服務(wù)于病患。本文通過介紹暖通專業(yè)在醫(yī)院改擴建中實際案例，從方案到其竣工后的運行數(shù)據(jù)，我們認識到，任何醫(yī)院的改擴建必須根據(jù)實際情況因地制宜，盡可能地應(yīng)用綠色、節(jié)能的技術(shù)使其在為廣大病患提供更加優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時實現(xiàn)節(jié)能減排。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50333-2013.醫(yī)院潔凈手術(shù)部建筑技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2013.