武漢市普仁醫(yī)院能耗及冷熱源經(jīng)濟性分析

劉華斌 王羽珊

中南建筑設計院股份有限公司

近十年來醫(yī)療建筑迅速發(fā)展，新建醫(yī)院不僅數(shù)量多，而且體量大，至2015 年全國醫(yī)院數(shù)量超過27000家，近幾年全國每年新增醫(yī)院數(shù)量超過1000 家，單個醫(yī)院建筑面積有的達到50 萬m2左右。醫(yī)院建筑是民用建筑的能耗大戶，單位建筑面積綜合能耗甚至達到150 kgce/(m2·a)[1]。而醫(yī)院空調(diào)能耗約占整個建筑能耗的40%～60%，因此醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設計是建筑節(jié)能重要的環(huán)節(jié)之一。《綠色醫(yī)院建筑評價標準》GB/T51153-2015 作為國家標準已在2016 年發(fā)布，設計者應根據(jù)標準要求結(jié)合項目所在地能源情況，在實現(xiàn)醫(yī)院綠色、高效、優(yōu)質(zhì)可持續(xù)發(fā)展過程中積極探索，總結(jié)經(jīng)驗，從設計源頭上做好醫(yī)療建筑的節(jié)能工作。本文根據(jù)普仁醫(yī)院2017～2018 年實際運行數(shù)據(jù)分析該醫(yī)院全年能耗指標，并比對夏熱冬冷地區(qū)三省市相關能耗定額標準及部分類似醫(yī)院的能耗數(shù)據(jù)，認為合理的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)是該院全年綜合能耗較低的關鍵因素，文中并對該空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性作了相關分析。

1 工程概況

武漢市普仁醫(yī)院門診和住院部大樓項目位于武漢市青山區(qū)，項目占地面積為1168 m2，建筑物地下室為汽車庫，設備用房及部分醫(yī)技用房，主樓主要功能為住院部及手術室，共20 層，建筑高度為76.20 m，裙樓為門診樓，共五層，主要功能為門診及部分醫(yī)技用房，建筑高度21 m。大樓總建筑面積約50060 m2，其中地上建筑面積約42200 m2，屬一類高層公共建筑。

本項目鄰近長江，地下水豐富，回灌情況良好，經(jīng)技術經(jīng)濟分析采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟性，最終該項目采用“水源熱泵+冰蓄冷”的空調(diào)冷熱源方式，并采用熱回收技術在大樓供冷季節(jié)“免費”提供醫(yī)院住院部衛(wèi)生熱水，共設有四臺水源熱泵機組，額定工況制冷量1097 kW，其中兩臺為“供冷、供熱及蓄冰”的三工況機組，兩臺帶全熱回收功能的熱回收型水源熱泵機組。

該項目已作為武漢市可再生能源建筑應用示范項目，示范工程技術類型為水源熱泵系統(tǒng)，并已通過可再生能源建筑應用示范項目驗收，獲得政府節(jié)能項目支持基金100 多萬元。

2 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)

2.1 室內(nèi)設計參數(shù)

室內(nèi)設計參數(shù)如表1 所示。

表1 室內(nèi)設計參數(shù)

2.2 冷熱負荷

夏季空調(diào)計算冷負荷為4740 kW，冬季空調(diào)計算熱負荷為3260 kW，夏季空調(diào)設計日總冷負荷為58000 kWh。

2.3 冷熱源及水系統(tǒng)

1）設計采用四臺水源熱泵機組利用地下水制冷制熱，其中兩臺為三工況機組：制冷工況、制熱工況、蓄冰工況，另兩臺為熱回收機組，為醫(yī)院提供衛(wèi)生熱水。熱回收型水源熱泵機組名義工況制冷量1100 kW，制熱量1200 kW。三工況水源熱泵機組名義工況制冷量1080 kW，制熱量1170 kW，蓄冰工況制冷量700 kW。制冷工況供回水溫度6/13℃，蓄冰工況供回水溫度-6/-2.6 ℃，供冷時乙二醇溶液供回水溫度4.5/9.5 ℃，選用二臺蓄冷量為60000 kWh 的蓄冰罐，選用一臺80 m3蓄熱水箱儲藏熱回收機組制備的衛(wèi)生熱水，蓄冰罐及機組均設置在地下室內(nèi)。

2）空調(diào)冷水設計供回水溫度6/13 ℃，空調(diào)熱水設計供回水溫度47/40 ℃，空調(diào)水系統(tǒng)采用一級泵變流量系統(tǒng)。

3）在本項目非建筑物場地處共設置17 口能量井，各井孔徑均為600 mm，管徑均為325 mm，單井取水量100 m3/h，單井回灌量38 m3/h，抽灌比采用1:3 的比例進行配置，17 口能量井中包括：抽水井4 口、回灌井12 口、監(jiān)測井1 口，小時最大抽水量400 m3/h。

3 能耗分析

3.1 國內(nèi)部分三甲醫(yī)院能耗現(xiàn)狀

現(xiàn)有醫(yī)療建筑由于科室多，用能單位多，計量設備不夠完善，并受統(tǒng)計源數(shù)據(jù)的準確性、統(tǒng)計方式等因素影響，導致醫(yī)療建筑能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)不夠完善，系統(tǒng)性分析數(shù)據(jù)缺失，為了分析的準確性，本文收集了夏熱冬冷地區(qū)及北京市三甲醫(yī)院的幾組能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻[2]介紹，上海市11 家三甲醫(yī)院2002～2007 單位面積年均能耗均超過200 kWh/(m2·a)。寧波地區(qū)25 家醫(yī)院電耗 在74～142 kWh/(m2·a)，其中床位數(shù)在1200～1600 床醫(yī)院的平均電耗在142 kWh/ (m2·a)，文獻[5]統(tǒng)計了上海市3 家三甲醫(yī)院的能耗，3 家醫(yī)院建筑面積在8.2～10 萬m2區(qū)間內(nèi)，三家醫(yī)院單位面積年均能耗分別為212.9 kWh/ (m2·a)、196.4 kWh/(m2·a)、203.7 kWh/(m2·a)。文獻[6]對北京市21 家市屬醫(yī)院總能耗調(diào)研的數(shù)據(jù)，剔除療養(yǎng)性質(zhì)的醫(yī)院,2012 年8 家三甲綜合醫(yī)院的總能耗各自分布在42～145 kgce/(m2·a)之間。文獻[7]對武漢12 家醫(yī)院2013 年的用能規(guī)模進行了統(tǒng)計，能耗分布在23～65.5 kgce/(m2·a)之間，三甲綜合性醫(yī)院能耗平均值約35 kgce/(m2·a)，三甲專業(yè)性醫(yī)院能耗平均值約23 kgce/(m2·a)，文獻[1]對浙江省30 家醫(yī)院2007 年的用能規(guī)模進行了統(tǒng)計，三甲醫(yī)院能耗平均值約63.36 kgce/(m2·a)，能耗范圍在28.3～150 kgce/(m2·a)之間。根據(jù)上述文獻調(diào)研數(shù)據(jù)，夏熱冬冷地區(qū)幾個城市的三甲醫(yī)院年均綜合能耗約在23～150 kgce/(m2·a)之間，部分醫(yī)院綜合能耗指標偏高，具有一定的節(jié)能潛力。

3.2 普仁醫(yī)院能耗分析

3.2.1 全院能耗

普仁醫(yī)院為一所三級甲等醫(yī)院，醫(yī)院總建筑面積約82000 m2，其中新建門診和住院部大樓地上建筑面積42200 m2，地下室建筑面積7860 m2，原有醫(yī)療生產(chǎn)用房約31940 m2，新建門診和住院部大樓采用集中空調(diào)，其它區(qū)域采用分體空調(diào)，用能場所有空調(diào)、照明、電梯、醫(yī)療設備、消毒等，全部采用電能，醫(yī)院2015 年～2018 年全院逐月電耗詳圖1；圖2、圖3 是醫(yī)院2017年～2018 年全院電耗與空調(diào)電耗對比圖。

圖1 2015-2018 年全院逐月耗電量

圖2 2017 年全院耗電與空調(diào)耗電對比

圖3 2018 年全院耗電與空調(diào)耗電對比

圖2、圖3 可以看出，醫(yī)院電耗與空調(diào)系統(tǒng)電耗成正相關關系，空調(diào)系統(tǒng)耗電增加，整個醫(yī)院能耗隨之增加，且本項目空調(diào)電耗約占全院電耗41%，因此空調(diào)節(jié)能是醫(yī)院建筑節(jié)能的主要因素。

2016 年、2017 年、2018 年全院電耗分別約954.4萬kWh、928.7 萬kWh、1069.1 kWh，2018 年電耗中因含二期醫(yī)院建設施工用電，電耗有小幅增高，整個醫(yī)院單位面積電耗指標小于130 W/(m2·a)，單位面積綜合能耗指標小于16 kgce/(m2·a)，遠低于三個氣候相近省份的地方標準達標值，達到湖南省地方標準DB43T-612-2015 先進值要求，具體對比數(shù)據(jù)詳表2。

1.3 采樣時間和地點 2018年冬季、夏季各采樣一次，生活垃圾樣品采集于海島垃圾轉(zhuǎn)運站，生活污水采集于海島污水處理廠。

表2 本項目單位面積綜合能耗與類似地區(qū)標準對比表

3.2.2 新建住門診院大樓冷熱源能耗分析

2017 年，2018 年門診和住院部大樓冷熱源機房電耗分別約206.52 萬kWh、224.19 萬kWh，含空調(diào)及衛(wèi)生熱水兩部分電耗，全年單位面積電耗指標分別為48.9 kWh/(m2·a)、53.1 kWh/(m2·a)，折合標準煤約6 kgce/(m2·a)，空調(diào)及衛(wèi)生熱水系統(tǒng)能耗值僅為“地方標準2”規(guī)定的醫(yī)院全部能耗定額值的20%，而常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)占比一般在40%以上。夏季制冷（含衛(wèi)生熱水）單位面積電耗指標分別為29.5 kWh/(m2·a)、28.8 kWh/(m2·a)，折合標準煤約3.6 kgce/(m2·a)，根據(jù)全年能耗計算結(jié)果，該醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)能耗占整個建筑能耗41%，而本項目空調(diào)末端采用常規(guī)的AHU 和FCU+PAU 空調(diào)系統(tǒng)，節(jié)能的主要來源為醫(yī)院空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源，圖4 為2017-2018 年空調(diào)冷熱源及衛(wèi)生熱水逐月耗電量，4、5、11 月份主要為衛(wèi)生熱水用電。圖5、圖6 為新建住院大樓2017 年及2018 年冷熱源電耗，全樓空調(diào)電耗與全樓總電耗分析對比圖，夏季冷源耗電量不超過大樓總耗電量30%。

圖4 2017-2018 空調(diào)冷熱源及衛(wèi)生熱水逐月耗電量

圖5 2017 年空調(diào)電耗與大樓總電耗對比

圖6 2018 年空調(diào)電耗與大樓總電耗對比

3.2.3 本醫(yī)院能耗與三地標準及部分醫(yī)院能耗對比

圖7、圖8 是本醫(yī)院綜合能耗與三地標準及部分醫(yī)院對比圖，圖7 能耗指標為標準煤，圖8 能耗指標為等效電。從圖7 可以看出，按標準煤指標考核本項目能耗水平很低，體現(xiàn)了可再生能源及熱泵系統(tǒng)有較好的節(jié)能環(huán)保效益；需要說明的是圖中“標準3”電能折標煤的參考系數(shù)是按等價值0.3 換算，不是按當量值換算，是導致標“準能3”能耗定額偏高的原因。這也說明了一個問題，各地在編制能耗定額時宜統(tǒng)一換算單位以利于橫向比較；從圖8 可以看出，按等效電指標考核本項目能耗水平也較低，低于統(tǒng)計中上海幾家醫(yī)院的能耗水平，因本項目采用冰蓄冷系統(tǒng)，在蓄冷工況，主機效率下降較多，導致制冷主機實際電耗有所提高，但總體能耗還是維持在一個較低的水平。

圖7 本項目與參照項目單位面積能耗（標準煤）對比

圖8 本項目與參照項目單位面積能耗（等效電）對比

4 經(jīng)濟性分析

4.1 系統(tǒng)投資及預期效益

1）本工程采用水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，供冷季節(jié)為5月～10 月，共130 天左右，按門診運行10 小時，住院樓運行24 小時，按時間及負荷折算后夏季空調(diào)平均每天運行約14 小時，共計運行1820 小時，考慮0.65 的滿負荷等當量系數(shù)，共計約1180 小時。武漢地區(qū)供暖季節(jié)為11 月～2 月，共100 天左右，冬季共計運行1400小時，考慮0.7 的滿負荷等當量系數(shù)，共計約980 小時。冷熱源部分經(jīng)濟分析數(shù)據(jù)詳表3，衛(wèi)生熱經(jīng)濟分析數(shù)據(jù)詳表4。

表3 冷熱源部分經(jīng)濟性比較

表4 衛(wèi)生熱水部分經(jīng)濟性比較

2）系統(tǒng)投資：本項目水源熱泵空調(diào)供暖系統(tǒng)總投資約1037 萬元，與常規(guī)的“電制冷機組+鍋爐”相比，增量成本237 萬元。

3）年節(jié)省運行費用：本工程空調(diào)及衛(wèi)生熱水部分每年共節(jié)約147.41 萬元的空調(diào)費用。

4）總體收益：水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)壽命期按25 年計，則在壽命期內(nèi)的總收益為：147.41 萬元/年×25 年=3685 萬元。

5）靜態(tài)投資回收期：2 年內(nèi)回收水源熱泵及冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)增值費用。

6）空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能節(jié)費原因簡析：Ⅰ、水源熱泵機組能效比高，尤其是冬季制熱能效比高于其他系統(tǒng)較多。采用該項技術年節(jié)省空調(diào)運行費用約67 萬元，節(jié)費占比45.5%。Ⅱ、采用冰蓄冷系統(tǒng)，利用夜間低谷電價制冷，制冷綜合電價不超過普通電價75%，采用該項技術年節(jié)省空調(diào)運行費用約38.15 萬元，節(jié)費占比25.8%。Ⅲ、采用全熱回收技術，供冷季回收機組冷凝熱，“免費”提供衛(wèi)生熱水，其它季節(jié)采用高效能的水源熱泵機組供應住院樓全部衛(wèi)生熱水，并可在夜間低谷電時蓄熱，采用該項技術年節(jié)省衛(wèi)生熱水制備費用約42.26 萬元，節(jié)費占比28.7%。

4.2 環(huán)境效益

該項目每年預計可節(jié)約545 噸標準煤，每年減排1346 噸二氧化碳，減排10.9 噸二氧化硫，減排11.2 噸一氧化碳，減排5.45 噸煙塵。

5 結(jié)語

本項目通過水源熱泵技術，冰蓄冷技術及熱回收技術的應用，從而使得建筑能耗降低10%左右，空調(diào)及衛(wèi)生熱水運行費用年節(jié)省140 多萬元，項目靜態(tài)投資回收期僅約1.7 年。項目實際能耗指標優(yōu)于同類地區(qū)相關標準要求。

本文分析研究表明，可再生能源的應用，采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)，是降低醫(yī)院建筑能耗非常有效的手段之一。分析認為，建筑節(jié)能應從源頭抓起，醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)、衛(wèi)生熱水的節(jié)能是建筑節(jié)能的關鍵因素。在關注建筑能耗的同時，也應關注在降低能耗采用的新技術過程中帶來相關成本的增加，不要一味追求節(jié)能而給企業(yè)帶來過多的經(jīng)濟負擔，應根據(jù)項目周邊的能源及資源條件，通過技術經(jīng)濟分析確定合理的節(jié)能方案，用較低的代價起得最好的節(jié)能效果。