大型醫(yī)院綜合樓空調(diào)能耗分析和冷熱源選擇要點

吳丹蕓

中國中元國際工程有限公司

近十年隨著我國對醫(yī)療設(shè)施的大力發(fā)展，以及現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)的快速更新，人們對健康保障要求提高，各一線及二線城市的醫(yī)院建設(shè)規(guī)模越來越大，新用地建設(shè)的醫(yī)院其規(guī)模大多超過 10 萬 m2，甚至超過 20 萬、30 萬m2的綜合醫(yī)療建筑群體也屢見不鮮，即使在一線城市市中心的三甲醫(yī)院改擴建工程也一般都做到接近10 萬m2。然而醫(yī)療建筑是能耗“大戶”，這點已經(jīng)被廣泛認知，據(jù)資料統(tǒng)計，醫(yī)院的能耗一般是常規(guī)公共建筑的1.6～2.0 倍，醫(yī)院空調(diào)能耗占醫(yī)院總能耗的 50%～60%，所以如何選擇空調(diào)冷熱源形式，合理設(shè)計能源輸送系統(tǒng)，并有效的運行維護將有著更為重要的現(xiàn)實意義。

1 醫(yī)院空調(diào)能耗影響因素

影響醫(yī)院空調(diào)能耗的因素有很多，作為暖通設(shè)計工程師可能更多想到的是空調(diào)負荷計算時需要計算的部分，如圍護結(jié)構(gòu)、人員設(shè)備照明、新風負荷等，但是醫(yī)療建筑作為特殊的公共建筑更需要考慮實際運行狀況對能耗的影響，主要包括：門診量和住院量、室內(nèi)工況設(shè)計點、冷源主機運行能效、輸配系統(tǒng)能耗等。

1）建筑圍護結(jié)構(gòu)

建筑圍護結(jié)構(gòu)傳熱性能參數(shù)是影響空調(diào)負荷最直接的因素，進而直接影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的大小。從 2009 年執(zhí)行 《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》 后經(jīng)過這么多年的工程實踐，外墻和屋面的保溫做法已經(jīng)基本成熟，只需要注意避免冷橋的能耗損失，這部分的能耗占比并不大。而對于外窗，由于醫(yī)院比較注重自然采光通風，以及就診人員的感受，通常外窗面積較大，因此相 比較于外墻此部分能耗在圍護結(jié)構(gòu)中占比較大。

2）人員、設(shè)備、照明

醫(yī)院建筑中人員主要包括病人、醫(yī)護人員、陪護家屬等，尤其以上午和下午門診及探視時段的人員密度大，流動性大。如門診大廳及候診區(qū)域，掛號交費取藥人流集中，且很多為陪護人員，普遍心情焦慮步幅加快，在計算人員負荷時按照輕型勞動與中度勞動之間的勞動強度取值[1]。不同于常規(guī)公共建筑，醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備種類繁多，主要為檢查診斷、治療、實驗、數(shù)據(jù)存儲等幾類用途，主要集中在放射科、放療科、核醫(yī)學(xué)、病理科、檢驗科、內(nèi)鏡中心、信息中心等區(qū)域的大型醫(yī)療設(shè)備、檢查流水線、數(shù)據(jù)存儲等，其發(fā)熱量都較大，且為常年穩(wěn)定熱源，此部分耗能在全年空調(diào)能耗中占比較大，不可忽視。醫(yī)院建筑中有大量沒有外窗的內(nèi)區(qū)房間、醫(yī)療主街電梯廳等精裝區(qū)域、大型醫(yī)療設(shè)備檢查治療區(qū)等都需要白天也開啟照明設(shè)施，此部分照明負荷也是常年穩(wěn)定能耗。

3）新風負荷

醫(yī)院建筑的新風需求較大，主要作用為稀釋室內(nèi)污染物，補充局部排風，以及調(diào)節(jié)空氣流向，按照 《綜合醫(yī)院建筑設(shè)計規(guī)范》 GB51039 的要求各功能房間的新風換氣次數(shù)大多高于2 次/h，尤其一線城市的大型綜合醫(yī)院由于室內(nèi)人員密度大，建議門診醫(yī)技區(qū)房間的新風量提高到3 次/h。另外，由于醫(yī)療功能房間內(nèi)濕度過高容易滋生細菌，建議新風處理到室內(nèi)等含濕量線，這些因素都造成新風負荷遠高于常規(guī)公共建筑，通常占空調(diào)負荷的40%～50%，這也是構(gòu)成醫(yī)院能耗高的一個重要因素。

4）門診量、床位數(shù)

醫(yī)院門診量和床位使用率是影響空調(diào)運行能耗的一個重要因素。對于一線城市的大型綜合三甲醫(yī)院日門診量充足，很多都是投入使用不久日門診量和住院人數(shù)基本就飽和了，人流密度達到“雙峰型”，即上午 9～11 點和下午 2～4 點就診人員和探視人員量都達到峰值，這種情況與設(shè)計負荷曲線基本一致，能耗較大。而對于非一線城市的醫(yī)院由于門診量往往沒有達到飽和，空調(diào)運行能耗可通過合理的運行模式來降低，比如在非高峰期時后勤人員可以通過提高供水水溫（夏季）、關(guān)閉部分主機、凈化空調(diào)切換至風冷機組供能等方式人為減小冷熱源供應(yīng)，從而達到了降低能耗的目的。

5）室內(nèi)設(shè)計工況點的選擇

室內(nèi)設(shè)計工況點主要是溫度和濕度的選擇，不同工況點直接影響新風負荷。從表1、2 中可以看出對于夏季工況，室內(nèi)相對濕度對于新風負荷的變化影響最大，對于冬季工況同樣也是室內(nèi)相對濕度直接影響到加濕量的大小，所以對于不同地區(qū)不同等級的醫(yī)院，由于新風負荷占比較大，室內(nèi)工況點需要結(jié)合醫(yī)院使用情況慎重選擇，減少不必要的能耗。

表1 不同室內(nèi)工況點的夏季新風負荷

表2 不同室內(nèi)工況點的冬季新風負荷

6）冷源主機能效

冷源主機的 COP 和 IPLV 是影響耗電量的一個主要因素，其中COP 更主要的反映在夏季最熱月峰值負荷的時候，IPLV 是反應(yīng)部分負荷時能效的一個指標，對于夏熱冬冷以及夏熱冬暖地區(qū)的大型醫(yī)療建筑，由于其供冷時間長冷源主機的能效選擇需要更為注意。另外，冷凍水供回水溫度和溫差也直接影響冷機耗電量，據(jù)統(tǒng)計對于電制冷冷水機組：溫差不變，供水溫度下降1 ℃，耗電量增加約3%左右。供水溫度不變，供回水溫差增加1 ℃，耗電量增加較少。如果供水溫度降低，溫差增加，具體耗電量增加數(shù)值需要和設(shè)備廠家核實。

7）輸配系統(tǒng)能耗

輸配系統(tǒng)包括風機和水泵，主要體現(xiàn)在風機的單位風量耗功率和水泵的耗電輸熱（冷）比。對于風機的單位風量耗功率，需要減小風系統(tǒng)的阻力和提高風機效率，主要控制作用半徑，風管風速，以及風機效率等?？照{(diào)通風的作用半徑不易過長，由于醫(yī)院空調(diào)通風系統(tǒng)應(yīng)按照功能科室劃分，其輸送半徑不宜大于 100 m。主風管風速建議控制在6 m/s 左右，房間內(nèi)支風管建議2 m/s 左右。施工時控制彎頭轉(zhuǎn)彎半徑、支風管倒角連接、不使用高風速聯(lián)箱等。風機效率應(yīng)高于0.6，國內(nèi)大多數(shù)風機廠家基本可做到。影響水泵耗電輸熱（冷）比的因素較多，包括流量、揚程、輸送距離、效率等，其中提高水泵效率的節(jié)能效果比較明顯，根據(jù)廠家數(shù)據(jù)，當水泵效率從0.65 提高到0.75 時，大多數(shù)水泵電耗下降可下降10%～15%。

8）運行管理問題

根據(jù)對多家醫(yī)院的運行情況調(diào)研，很多二三線城市的醫(yī)院自動化運行管理程度不高，甚至有的大型醫(yī)院仍采用就地手動控制，供冷季，供熱季和過渡季無法找到最佳運行模式，經(jīng)常出現(xiàn)小溫差大流量，空調(diào)過濾器沒有及時清洗更換導(dǎo)致風機運轉(zhuǎn)卻送風不足等能源浪費的問題。大型醫(yī)療建筑冬夏季空調(diào)水量差異較大，在季節(jié)切換時很容易造成水力失衡的問題。過渡季內(nèi)區(qū)發(fā)熱量大，無法通過合理的空調(diào)水路切換達到合理又節(jié)能的降溫。

2 醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)運行特點

1）運行時間長

根據(jù)對醫(yī)院運行狀況的調(diào)研數(shù)據(jù)，選取寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)的部分城市，列表比較空調(diào)運行時間。從表3 可看出由于本文前述的各種能耗因素，以及大量內(nèi)區(qū)房間常年發(fā)熱量穩(wěn)定存在，大型醫(yī)院綜合樓的空調(diào)供冷時間都比較長。

表3 不同地區(qū)大型綜合醫(yī)院運行時間統(tǒng)計

2）空調(diào)季全天運行，空調(diào)水系統(tǒng)需要根據(jù) 24 h/ 10 h 運行區(qū)劃分

對于大型醫(yī)院綜合樓，通常都包括門診，醫(yī)技和住院三大部分，在空調(diào)季住院部和急診都需要全天 24 h 運行，而門診和醫(yī)技區(qū)大多只運行白天（10 h），為了降低空調(diào)運行能耗，空調(diào)水系統(tǒng)應(yīng)將這兩部分分開輸送。

3）高峰低谷運行時段能耗差異較大

在夏季大型醫(yī)院綜合樓白天門診及探視時段空調(diào)負荷較大，而在夜間僅有住院、急診和重癥監(jiān)護等區(qū)域需要供應(yīng)空調(diào)，往往這兩部分負荷差異較大，根據(jù)工程經(jīng)驗，醫(yī)院低谷運行時負荷占高峰負荷的 15%～20%。

4）凈化空調(diào)特殊運行要求

大型綜合醫(yī)院通常都有較大的凈化區(qū)域，主要有潔凈手術(shù)部、中心供應(yīng)滅菌后、靜脈配液、生殖中心、凈化實驗室等，這些區(qū)域需要根據(jù)不同的空氣凈化等級設(shè)置凈化空調(diào)系統(tǒng)。手術(shù)部和靜脈配液等凈化區(qū)域內(nèi)部人員、設(shè)備、燈光發(fā)熱量大。凈化區(qū)為了保證內(nèi)部凈化等級，對于圍護結(jié)構(gòu)密閉性有嚴格要求導(dǎo)致熱量散不出去。維持空氣潔凈等級要求的送風量較大，遠遠大于普通舒適性空調(diào)的風量。這些因素都導(dǎo)致凈化區(qū)域需要全年內(nèi)長時間供冷，而對于夏熱冬暖地區(qū)和部分夏熱冬冷地區(qū)甚至全年需要供冷。另外，由于凈化空調(diào)冷負荷大，空氣降溫除濕要求高，送風精度要求高，導(dǎo)致制冷除濕后時需要較大再熱量，常規(guī)做法多采用電再熱，耗電量較大。綜合這些因素都要求配置空調(diào)冷源時需充分考慮凈化空調(diào)的需求，并結(jié)合其運行特點選擇合理節(jié)能的空調(diào)形式。

3 醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)冷熱源選擇要點

3.1 基本原則

每個醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的確定都需要考慮很多因素，歸納總結(jié)有以下幾點：

1）建筑條件，地理位置，醫(yī)院定位。

2）優(yōu)先考慮技術(shù)穩(wěn)定可靠，性能成熟的形式。

3）投資造價，運行能耗，維護管理。

3.2 幾種常見冷熱源形式選擇注意事項

1）常規(guī)電制冷冷水機組+鍋爐/市政換熱

設(shè)計時需要充分考慮醫(yī)療建筑能耗特點，滿足供冷，供熱時的高峰和低谷負荷需求，要兼顧過渡季內(nèi)區(qū)供冷需求，嚴寒和寒冷地區(qū)提前和延后供熱的需求等，在選型配置時采用大小冷機/鍋爐搭配、冷機變頻等。

2）地源熱泵+常規(guī)供能系統(tǒng)

由于醫(yī)院能耗大，對于綠建要求高的醫(yī)院可考慮利用可再生能源達到節(jié)能效果，如地源熱泵和水源熱泵系統(tǒng)。但是大型綜合醫(yī)院體量較大，紅線內(nèi)占地面積都較大，可敷設(shè)地埋管的面積有限，因此如果采用地源熱泵系統(tǒng)大多數(shù)采用部分地源熱泵+部分常規(guī)系統(tǒng)的復(fù)合冷熱源方式。需要注意的是在確定方案前需要先調(diào)查工程用地狀況，對淺層地熱能資源進行勘察，并應(yīng)進行巖土熱響應(yīng)試驗，評估地埋管換熱系統(tǒng)實施的可行性及經(jīng)濟性，之后需要估算采用地源熱泵系統(tǒng)的供能量占總能源需求量的比例，由于地源熱泵系統(tǒng) 投資較高需要做經(jīng)濟技術(shù)比較，根據(jù)工程經(jīng)驗建議如果地源熱泵比例低于30%就沒有必要設(shè)置了。

3）水源熱泵+常規(guī)供能系統(tǒng)

水源熱泵與地源熱泵系統(tǒng)類似，方案確定前需要先評估水源熱泵系統(tǒng)的運行對當?shù)氐叵滤h(huán)境的影響，并勘探地下水深度、水量、水溫、水質(zhì)等情況，完成水資源論證報告后才能進行下一步的方案設(shè)計。

4）直燃型溴化鋰機組系統(tǒng)

因為直燃型溴化鋰機組的制冷能效不如電制冷機組高，所以筆者認為只有當工程用地的用電供應(yīng)受限，或者燃氣供應(yīng)優(yōu)惠較多的情況下才適合采用此種方式。使用時推薦采用一機多用的一體化機組，提高綜合能效。選型配置時需要注意合理選擇機組高壓發(fā)生器，并且需滿足醫(yī)院內(nèi)生活熱水日負荷變化需求。

3.3 凈化空調(diào)冷熱源的幾種配置方式

3.3.1 供冷（熱）季采用集中冷（熱）源+初冬季冬季末期設(shè)置風冷冷水機組

這種常規(guī)方式的優(yōu)點是充分利用高效的集中冷源，減小風冷機組的投資和室外占地面積。但是在實際運行時大多會出現(xiàn)凈化區(qū)冷水供應(yīng)溫度偏高，室內(nèi)濕度過大的問題。造成這種情況的原因較多，比如系統(tǒng)輸送距離長，保溫未做好導(dǎo)致沿途能耗損失較大，水力失衡，過渡季內(nèi)區(qū)供冷時無需低溫冷凍水等原因，解決時如果采用降低冷凍水供水溫度將造成極大的能源浪費。此時建議采用集中凈化新風系統(tǒng)，在凈化新風機組內(nèi)增設(shè)深度除濕段，利用壓縮機蒸發(fā)器再次降溫除濕，此種方式耗電量較大，并且需要選擇合適的室外機放置位置，或額外提供冷卻水給冷凝器降溫。建議凈化新風機組智能化控制設(shè)置兩種控制模式，即冷水盤管段與深度除濕段分別切換，便于根據(jù)冷凍水溫和室內(nèi)外工況進行切換，同時循環(huán)機組也應(yīng)設(shè)置對應(yīng)新風深度除濕工況時的冷水盤管和電再熱工作模式。

3.3.2 單獨設(shè)置風冷冷水機組作為凈化區(qū)空調(diào)冷源

鑒于上述問題，在近兩年的醫(yī)療建筑設(shè)計中出現(xiàn)了凈化空調(diào)冷源單獨設(shè)置的方案，凈化區(qū)制冷時全部由風冷冷水機組提供冷凍水，這樣可基本解決供水溫度高除濕不夠的問題，但是在機組選型時應(yīng)該注意根據(jù)當?shù)厥彝鈿夂驐l件選擇可低溫制冷的機組，并且考慮可靠性和使用靈活性臺數(shù)選擇應(yīng)大于等于兩臺并留有部分富裕量，另外應(yīng)校核單臺機組是否可滿足手術(shù)部等凈化區(qū)夜間最低負荷的使用需求。從節(jié)能角度出發(fā)，北方地區(qū)建議采用自然冷卻型風冷冷水機組，大部分時間室外環(huán)境溫度都較低，在過渡季可充分利用室外空氣能量，使風冷機處于自然冷卻狀態(tài)，從而節(jié)省壓縮機能耗。

3.3.3 采用多功能四管制機組作為凈化空調(diào)冷熱源

也可以采用多功能四管制機組作為凈化空調(diào)冷熱源，該機組通過內(nèi)置輔助換熱器，可實現(xiàn)全年同時制冷和制熱，達到冷熱平衡時的能效比可到8 以上。但是在設(shè)置時要注意盡量充分利用制冷時產(chǎn)生的熱量，提高機組能效，建議可采用以下兩種方式：

1）如果用于再熱，需要核算總再熱量后權(quán)衡是否所有凈化機組都采用四管制機組。根據(jù)工程經(jīng)驗一般凈化空調(diào)的再熱總量占夏季制冷總量的30%～40%，所以建議不用全部采用四管制機組，可采用多臺多種風冷機組搭配的方式。

2）如果熱量用于生活熱水預(yù)熱一次水，建議設(shè)置水箱，儲水量滿足生活熱水至少1 小時用量，以緩解生活熱水負荷波動較大帶來的影響。

4 總結(jié)

總而言之，如果想降低大型綜合醫(yī)院的能耗，需要對不同地區(qū)不同等級的醫(yī)院做深入調(diào)查，并進一步分析研究，針對醫(yī)院特點選擇合理的能源形式并制定運行模式，才能降低醫(yī)院的投資和運行成本，不斷促進我國醫(yī)院建設(shè)的良性循環(huán)和長遠發(fā)展。