醫(yī)院蒸汽鍋爐節(jié)能改造案例分析

張穎慧，黃 婷（上海現(xiàn)代建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200040）

0 引 言

2014年7月1日起實(shí)施的GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了鍋爐煙氣中煙塵、二氧化硫和氮氧化物的最高允許排放濃度和煙氣黑度的排放限值。但迄今為止，很多醫(yī)院采用的燃油、燃?xì)忮仩t已使用年限長達(dá)15年以上，為達(dá)到排放限值而被迫增加運(yùn)行及維護(hù)成本。

隨著我國醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)院改造及擴(kuò)建項(xiàng)目日益增加。在我國提倡節(jié)能減排的前提下，燃油、燃?xì)忮仩t的局限性也逐漸展現(xiàn)在人們面前。燃油、燃?xì)忮仩t在步入設(shè)備壽命的后半期時(shí)，鍋爐老化、熱效率降低、運(yùn)行費(fèi)用明顯增加、維保成本也逐年升高，同時(shí)運(yùn)行存在較大的安全隱患。因此，通過改造熱水機(jī)房、鍋爐房的能源設(shè)備及熱水系統(tǒng)，做到節(jié)能減排，對(duì)醫(yī)院的循環(huán)經(jīng)濟(jì)起著舉足輕重的作用。如何改造，既安全、節(jié)能，又經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，尤為重要。本文通過分析實(shí)際工程的使用現(xiàn)狀，對(duì)改造方案進(jìn)行綜合闡述，提供一些改造的路徑和思路。

1 鍋爐設(shè)備使用現(xiàn)狀

某醫(yī)院門急診醫(yī)技綜合樓(南樓和北樓)的空調(diào)供暖及生活熱水熱源采用2臺(tái)燃?xì)庹羝仩t及1臺(tái)燃油蒸汽鍋爐。蒸汽鍋爐使用板式汽水熱交換器實(shí)現(xiàn)熱交換，為南樓和北樓部分提供冬季的空調(diào)供暖，并在每年4月至11月補(bǔ)充醫(yī)院部分生活熱水需求?？照{(diào)供暖部分采用蒸汽管網(wǎng)輸送，管網(wǎng)壓力0.3 MPa。具體設(shè)備，如表1所示。整個(gè)醫(yī)院全年用電量2 306萬kW·h，鍋爐天然氣用量701 629 m3。

表1 某醫(yī)院鍋爐設(shè)備表

2 當(dāng)前存在的主要問題

現(xiàn)有空調(diào)供暖及生活熱水采用的熱源為燃?xì)?、燃油蒸汽鍋爐。蒸汽鍋爐為特種設(shè)備，其工作原理較為復(fù)雜，系統(tǒng)中儲(chǔ)存著大量的熱能，鍋爐外殼不僅要承受高溫、高壓，還要承受冷凝水的侵蝕。鍋爐老化，熱效率降低，運(yùn)行、維保成本升高，同時(shí)運(yùn)行存在較大的安全隱患。

醫(yī)院現(xiàn)有蒸汽管道敷設(shè)在5號(hào)樓21病區(qū)的走廊下。根據(jù)壓力管道設(shè)計(jì)基本要求，壓力管道不應(yīng)敷設(shè)在有人員活動(dòng)的場所下，故此蒸汽管道也存在較大的安全隱患。

當(dāng)前供鍋爐的燃?xì)夤艿酪蚍课莩两?，沉降量已達(dá)7 cm，若沉降量達(dá)到安全警戒線10 cm，燃?xì)夤緸楸苊馊細(xì)庑孤┮鹬卸炯氨ㄊ鹿剩瑢⑶袛鄽庠?，造成整個(gè)醫(yī)院無氣可供，將影響醫(yī)院的供暖及生活熱水供應(yīng)。

燃?xì)忮仩t房天然氣泄漏除了員工違章操作引起和外力引起外，還有很多原因，如燃?xì)夤芫€的泄漏、鍋爐本體的泄漏、燃燒器泄漏等。而燃油的運(yùn)輸、儲(chǔ)存的危險(xiǎn)性高，同樣易出現(xiàn)事故，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成人員傷亡。

另外，鍋爐運(yùn)行對(duì)工作人員的技能要求較高，必須由培訓(xùn)合格并取得特種設(shè)備作業(yè)人員證的持證人員操作，使用中必須嚴(yán)格遵守操作規(guī)程和“八項(xiàng)制度”“六項(xiàng)記錄”。因此，醫(yī)院的人工成本也相應(yīng)增加。

3 空調(diào)供暖及生活熱水系統(tǒng)改造

3.1 改造的思路與目標(biāo)

將存在安全隱患的蒸汽鍋爐廢除，徹底消除不安全因素，并且用節(jié)能產(chǎn)品取代蒸汽鍋爐，減少有害氣體排放，做到既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)，在承擔(dān)社會(huì)責(zé)任的同時(shí)，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 替換設(shè)備方案比選

常用的替代燃?xì)?、燃油蒸汽鍋爐設(shè)備為風(fēng)冷熱泵、空氣源熱泵。風(fēng)冷熱泵、空氣源熱泵及燃?xì)庹羝仩t3種設(shè)備在制熱性能、相對(duì)運(yùn)行費(fèi)用、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)安裝等方面的對(duì)比，如表2所示。

表2 能源設(shè)備綜合對(duì)比分析表

與其他2種設(shè)備相比，燃?xì)庹羝仩t因相對(duì)運(yùn)行費(fèi)用較高、占用建筑面積、需接入燃?xì)馇矣邪踩[患、會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)煔馕廴敬髿獾热秉c(diǎn)，應(yīng)被取而代之。

風(fēng)冷熱泵與空氣源熱泵雖然均具備供熱功能，但卻是不同的產(chǎn)品。對(duì)于一套蒸汽壓縮式機(jī)組而言，由于制冷、制熱的工況功能完全不一樣，在這套機(jī)組設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工況和功能，在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，再兼顧到其他工況和功能的應(yīng)用。要么是制冷工況，要么是制熱工況，功能的差異必然導(dǎo)致設(shè)計(jì)理念的差異。對(duì)于風(fēng)冷熱泵而言，系統(tǒng)所有的元器件都是以滿足制冷性能為先，再兼顧制熱性能；而對(duì)于空氣源熱泵機(jī)組來說，系統(tǒng)所有的元器件都是先滿足制熱性能，再兼顧制冷性能。因此，從設(shè)備本身的設(shè)計(jì)原理來說，用于制熱時(shí)，空氣源熱泵比風(fēng)冷熱泵更具優(yōu)勢(shì)。

3.3 空調(diào)供暖及生活熱水系統(tǒng)改造方案

3.3.1 空調(diào)供暖能源機(jī)組改造

現(xiàn)大樓空調(diào)熱源全部由蒸汽鍋爐提供，為減少蒸汽的消耗及輸送管道的消耗，現(xiàn)改造選用制熱量為120 kW的54臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)組，進(jìn)行空調(diào)冬季熱水的制取。根據(jù)GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》，總建筑面積51 704 m2，單位面積熱負(fù)荷65 W/m2，所需總熱負(fù)荷為3 360.8 kW。選擇54臺(tái)空氣源熱泵機(jī)組KFXRS-120II替代原鍋爐系統(tǒng)，為醫(yī)院門急診醫(yī)技綜合樓提供冬季供暖。機(jī)組額定工況下制熱量6 480 kW，－2.2 ℃室外環(huán)境溫度工況下機(jī)組制熱量5 184 kW，－7 ℃室外環(huán)境溫度工況下機(jī)組制熱量3 560 kW，完全能夠滿足現(xiàn)有醫(yī)院門急診醫(yī)技綜合樓在冬季極端氣溫條件下的采暖需求。

采暖系統(tǒng)改造原理，如圖1所示。空調(diào)空氣源熱泵機(jī)組屋頂平面布置，如圖2所示。

圖1 采暖改造系統(tǒng)原理圖

圖2 空調(diào)空氣源熱泵機(jī)組屋頂平面布置圖

3.3.2 生活熱水能源機(jī)組改造

醫(yī)院目前的床位數(shù)1 234張，員工人數(shù)1 851人，按此配置來計(jì)算生活熱水用量，每天需要278 t熱水（55 ℃）。在冷水溫度5 ℃時(shí)，日耗熱量為16 216.7 kW·h。選用12臺(tái)額定制熱量為120 kW的空氣源熱泵熱水機(jī)組，在5 ℃最冷工況下機(jī)組的制熱量為23 040 kW·h，在－7 ℃氣溫下機(jī)組的制熱量17 280 kW·h，完全能夠滿足病人及醫(yī)務(wù)人員在冬季極端氣溫條件下的熱水需求。

生活熱水系統(tǒng)改造原理，如圖3所示。生活熱水空氣源熱泵機(jī)組屋面平面布置，如圖4所示。

圖3 生活熱水系統(tǒng)改造原理圖

圖4 生活熱水空氣源熱泵機(jī)組屋面平面布置圖

3.3.3 空氣源熱泵熱水機(jī)組震動(dòng)及噪聲控制

由于醫(yī)院使用熱水的高峰期集中在晚上，空氣源熱泵機(jī)組放置于室外屋頂，如果有較大的震動(dòng)及噪聲會(huì)通過空氣傳遞至周圍建筑和房間內(nèi)，給病人及工作人員的休息和睡眠帶來嚴(yán)重的困擾。因此，如何做好對(duì)空氣源熱泵設(shè)備的減震及降噪措施至關(guān)重要。

（1）運(yùn)行震動(dòng)的控制措施。在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)與混凝土柱子之間設(shè)置橡膠減震器，同時(shí)在設(shè)備基礎(chǔ)下再設(shè)置減震裝置（如圖5所示）。2道減震措施降低混凝土材料的固有頻率，消除混凝土的固體傳聲。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)減震措施安裝

（2）噪聲的控制措施。1號(hào)樓屋面設(shè)置的空氣源熱泵熱水機(jī)組因離周邊建筑距離較遠(yuǎn)，且高于附近居民建筑，按噪聲向上傳播的原理，對(duì)周邊建筑無影響；3號(hào)樓裙房屋面設(shè)置的空氣源熱泵熱水機(jī)組，雖然只有12臺(tái)機(jī)組，噪聲不大，但因上面有病房，屆時(shí)將設(shè)置隔音板，將噪聲降至最低限度，減少對(duì)病房的影響。

4 經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益分析

4.1 用電量計(jì)算

醫(yī)院目前可用的配電系統(tǒng)主要有位于1號(hào)樓的2號(hào)變壓器（主要提供冷凍機(jī)房制冷，單臺(tái)總?cè)?2 000 kV·A）及位于3號(hào)樓的5號(hào)和6號(hào)變壓器（主要用于3號(hào)樓的新晃風(fēng)冷熱泵＋5號(hào)樓屋頂?shù)碾p效風(fēng)冷熱泵＋3號(hào)樓照明及醫(yī)療設(shè)備等）。

所采用的空氣源熱水機(jī)組，其每臺(tái)額定消耗功率為28.8 kW，采暖部分采用54臺(tái)，熱水部分采用12臺(tái)，共計(jì)66臺(tái)，總輸入功率為1 900.8 kW。

目前醫(yī)院剩余電容量約為1 500 kW，但用于制冷的3臺(tái)1 758 kW的特靈機(jī)組，冬季冷水機(jī)組不運(yùn)行，處于關(guān)閉狀態(tài)，可借其用電量。冬天空氣源熱泵熱水機(jī)組采暖，夏天特靈機(jī)組制冷，完全滿足使用要求。主要利用位于1號(hào)樓的2號(hào)變壓器配電容量，少部分可利用3號(hào)樓的5號(hào)變壓器的配電容量。具體分配，如表3所示。

表3 配電分配表

選擇空氣源熱泵熱水機(jī)組代替鍋爐制熱，現(xiàn)有的用電量滿足要求，無須新增電量。

4.2 天然氣、柴油、空氣能熱水器成本計(jì)算

（1）天然氣熱水器成本。天然氣的熱轉(zhuǎn)換率為70%，每立方天然氣的最大熱量Q＝35 615×70%＝24 930 kJ，則每噸熱水的耗天然氣量為：167 600÷24 930＝6.72 m3。天然氣的價(jià)格為4.4元/m3（各地價(jià)格略有差異），則每噸熱水費(fèi)用為：6.72×4.4＝29.57元。

（2）柴油熱水器成本。柴油的熱轉(zhuǎn)換率為70%，每千克柴油產(chǎn)生的最大熱量Q＝42 738 ×70%＝29 917 kJ，則每噸熱水所耗的柴油量為：167 600 ÷29 917＝5.6 kg。0號(hào)柴油為8元/kg（各地價(jià)格略有差異），則每噸熱水費(fèi)用為：5.6×8＝44.8元。

（3）空氣能熱水器成本?？諝饽軣崴魅昶骄鶡嵝适请姛崴鞯?倍，每千瓦時(shí)電產(chǎn)生的熱量Q＝3 603×95%×3＝10 268 kJ，則每噸熱水的耗電量為：167 600÷10 268＝16.32 kW·h。根據(jù)商業(yè)用電（峰時(shí)段與谷時(shí)段)平均電價(jià)為0.558元/kW·h，則每噸熱水費(fèi)用為：16.32×0.558＝9.11元。

對(duì)比分析可知：理論上空氣源熱泵熱水機(jī)組的經(jīng)常費(fèi)是天然氣的1/3，是柴油的1/5。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）直接經(jīng)濟(jì)效益。原鍋爐2 0 1 5 年全年耗氣量701 629 m3，總費(fèi)用308萬元；改造后超低溫空氣源熱泵全年耗電量184萬kW·h，總費(fèi)用160萬元，節(jié)約能源費(fèi)用148萬元。超低溫空氣源熱泵系統(tǒng)智能化管理，可節(jié)省8個(gè)人力成本，節(jié)省費(fèi)用120萬元。原鍋爐系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用每年120萬元，可完全節(jié)省。節(jié)約費(fèi)用表，如表4所示。設(shè)備生命周期內(nèi)（按15年計(jì)算），醫(yī)院可節(jié)約費(fèi)用累計(jì)將達(dá)到5 820萬元。醫(yī)院鍋爐供熱系統(tǒng)節(jié)約費(fèi)用率達(dá)到了48%，投資回收期約3.0～3.3a。

表4 空氣源設(shè)備機(jī)組節(jié)約費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表

（2）間接經(jīng)濟(jì)效益。原鍋爐房面積約420 m2，層高約8 m，有條件增加鋼結(jié)構(gòu)隔建成2層約800 m2室內(nèi)空間，重新開發(fā)利用。

4.4 環(huán)保效益分析

空氣源熱泵機(jī)組創(chuàng)造約300 t標(biāo)準(zhǔn)煤/a的節(jié)能量，降低碳排放757 t/a，減少氮氧化物減排量2.19 t/a，減少二氧化硫排放量2.53 t/a。

5 結(jié) 語

在醫(yī)院蒸汽鍋爐節(jié)能改造中，用空氣源熱泵熱水機(jī)組代替原有蒸汽鍋爐，無安全風(fēng)險(xiǎn)，模塊式機(jī)組根據(jù)不同季節(jié)、不同負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)整熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，智能調(diào)節(jié)，節(jié)能環(huán)保；用電與天然氣的綜合能耗比為1∶3.4，能大大降低日常運(yùn)行費(fèi)用，且引入智能管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)無人管理，大大提高設(shè)備利用率，年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益可觀，投資回收期短。這樣的改造方案既徹底排除了安全隱患，又能取得經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能、社會(huì)等綜合效益。