醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)特點及節(jié)能改造的案例分析

顧 暢

（北京國科天創(chuàng)建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司，北京 100042）

隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)水平的提升，我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)得到快速發(fā)展，同時醫(yī)院等醫(yī)療機構(gòu)的建筑規(guī)模也不斷擴大，但由于醫(yī)療機構(gòu)，尤其是醫(yī)院醫(yī)護人員對醫(yī)療環(huán)境要求不斷升高，對暖通空調(diào)系統(tǒng)也提出了新的挑戰(zhàn)和要求，而且暖通空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為了醫(yī)療機構(gòu)建筑的標(biāo)準(zhǔn)配置，每年醫(yī)院建筑的能耗當(dāng)中暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占其中60%~70%。因此，集中空調(diào)系統(tǒng)是否能夠得到合理運行與醫(yī)院經(jīng)濟效益有著直接的關(guān)系。另外，醫(yī)院綠化灌溉和照明用電等也屬于能耗較高的部分，而醫(yī)院當(dāng)中對于照明系統(tǒng)和綠化也有著較高的要求，其直接關(guān)系到病患能夠在良好的環(huán)境中快速恢復(fù)健康，以及醫(yī)療人員是否能獲得更好的工作體驗。所以，在現(xiàn)代低碳環(huán)保、生態(tài)文明建設(shè)的理念下，開展醫(yī)院節(jié)能工作有著重要的意義。尤其醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造已經(jīng)成為了各單位所重視的焦點，本文將結(jié)合北京某醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例，討論如何實現(xiàn)醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能降耗。

1 醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)特點

首先，醫(yī)院建筑規(guī)模較大，這就要求暖通空調(diào)系統(tǒng)覆蓋范圍較廣，且功能要求較多。隨著社會和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的高速發(fā)展，人們對自身健康水平的追求及醫(yī)療機構(gòu)設(shè)施、醫(yī)療環(huán)境的需求也不斷變化。醫(yī)院建筑功能不再僅僅是進行疾病的治療，而是開始集醫(yī)療、教學(xué)、科研、保健為一體，這就決定了醫(yī)院建筑屬于現(xiàn)代大型綜合性建筑，醫(yī)院暖通空調(diào)的能耗較大，空調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)更為復(fù)雜，而且用能結(jié)構(gòu)也更為繁復(fù)，包括患者和家屬、醫(yī)療醫(yī)護人員、醫(yī)院管理人員、后勤保障人員等[1]。另外，醫(yī)院建筑有著很多大型醫(yī)療設(shè)施設(shè)備，尤其設(shè)備運行當(dāng)中熱負荷較大，用能的大部分設(shè)備都需要保持24 h 不間斷運行，以北京某醫(yī)院為例，其建筑面積超30 萬m2，每天用能人數(shù)達到近2 萬人。

其次，醫(yī)院屬于較為特殊的場所。因此，醫(yī)院建筑也屬于特殊性公共建筑，人員往往較為密集，而且不同人員對于環(huán)境的要求也不相同，例如重癥監(jiān)護室、分娩室、手術(shù)室等，其室內(nèi)環(huán)境的風(fēng)速、潔凈度、風(fēng)壓溫度和濕度等參數(shù)都有著明確的標(biāo)準(zhǔn)。而信息數(shù)據(jù)機房和一些大型醫(yī)療設(shè)備對于暖通空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，有著很高的要求，如果系統(tǒng)發(fā)生故障，就會對設(shè)備造成損壞，從而影響醫(yī)療工作的順利開展。此外，醫(yī)院住院病房和行政辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)要求則相對較為靈活，僅需要能夠滿足制冷和采暖的日常要求。北京某醫(yī)院中央空調(diào)系統(tǒng)主要分為舒適性空調(diào)系統(tǒng)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)、機房空調(diào)系統(tǒng)。其中潔凈空調(diào)系統(tǒng)主要應(yīng)用于潔凈手術(shù)室，Ⅰ，Ⅱ級潔凈手術(shù)室與負壓手術(shù)室每間采用獨立凈化空調(diào)系統(tǒng)，Ⅲ，Ⅳ級潔凈手術(shù)室每2 間合用一套凈化空調(diào)系統(tǒng)。手術(shù)室內(nèi)氣流組織確保手術(shù)區(qū)處于潔凈氣流形成的主流區(qū)內(nèi)。

最后，由于醫(yī)院是屬于特殊的醫(yī)療服務(wù)機構(gòu)，其空調(diào)暖通系統(tǒng)需要不間斷運行，而且必須要保證其運行的安全性與穩(wěn)定性。例如，北京某醫(yī)院門診和住院病房及行政辦公室在夏季需要運行4 個月~5 個月，冬季則需要運行6 個月。而手術(shù)室等潔凈區(qū)域則必須保證全年運行，其系統(tǒng)較大且分區(qū)多，運行時間較長，這也是醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)的重要特征，因此，醫(yī)院建筑的能耗要遠遠高于其他公共基礎(chǔ)設(shè)施建筑，電力能源又是屬于醫(yī)院最主要的能耗類型，大部分醫(yī)院每年的電力能源費用超百萬元，甚至達到上千萬元。從電能結(jié)構(gòu)分布角度來說，其主要的消耗來源是屬于各類空調(diào)設(shè)備設(shè)施，一些開設(shè)時間較長的醫(yī)院主要是使用各類分體式空調(diào)，而一些新的現(xiàn)代化醫(yī)院則主要是運用集中空調(diào)[2]。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，醫(yī)院的暖通空調(diào)系統(tǒng)，整體電力能源消耗占醫(yī)院總電能消耗的50%左右，甚至部分現(xiàn)代化新建醫(yī)院已經(jīng)達到60%~70%。因此，醫(yī)院需要在確保暖通空調(diào)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的前提下，積極進行暖通空調(diào)系統(tǒng)能源管控模式和整體運行方案的優(yōu)化，以達到節(jié)能降耗的效果，同時也能夠為醫(yī)院節(jié)省大量的運行成本。

2 醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造案例分析

以北京某醫(yī)院為例，主要建筑概況：該醫(yī)院建筑面積30 余萬m2，建筑按照功能和劃分為門急診、科研、教學(xué)、病房、綜合辦公及大型醫(yī)技、保障用房，還包括其他院內(nèi)生活用房。外墻主要使用預(yù)制混凝土和空心磚2 種材料，外窗則設(shè)計為雙層玻璃內(nèi)遮陽，所消耗的主要能源包括電力能源和天然氣。

其中電力能源主要為暖通空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、特殊設(shè)備用電用能系統(tǒng)、綜合服務(wù)系統(tǒng)等覆蓋的所有建筑區(qū)域。

天然氣主要應(yīng)用在供暖系統(tǒng)、餐飲服務(wù)系統(tǒng)和特殊用能系統(tǒng)，主要涉及建筑區(qū)域為燃氣鍋爐和餐廳。醫(yī)院建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中，供暖系統(tǒng)主要運行時間為11 月—次年4 月，而制冷季節(jié)則主要為5月—9 月。照明系統(tǒng)、特殊用能系統(tǒng)、綜合服務(wù)系統(tǒng)運行時間則全年運行[3]。

本案例中，北京某醫(yī)院建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造方案主要包括供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造和空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能改造。

1）供暖系統(tǒng)節(jié)能改造

該醫(yī)院建筑供暖熱源主要是來自于醫(yī)院內(nèi)部設(shè)置的燃氣鍋爐，鍋爐房內(nèi)共安裝有4 臺10 t 燃氣熱水鍋爐和2 臺2 t 的燃氣蒸汽鍋爐。熱水鍋爐提供供暖熱源，蒸汽鍋爐提供醫(yī)用蒸汽和生活熱水熱源。冬季取暖期通常運行3 臺~4 臺10 t 鍋爐，初寒和末寒時期，則通常運行2 臺~ 3 臺，嚴寒時期運行4 臺。非供暖期鍋爐房通常只運行1 臺~2 臺2 t 蒸汽鍋爐，以提供洗衣房、全院醫(yī)用蒸汽和生活熱水等熱負荷。鍋爐房共設(shè)置循環(huán)水泵12 臺，采用每臺鍋爐配2 臺水泵方式予以配置，均未安裝變頻控制裝置[4]。因此，對于供暖系統(tǒng)的節(jié)能改造即進行氣候補償器系統(tǒng)增設(shè)。

出于供暖系統(tǒng)中供熱設(shè)備依據(jù)建筑最大熱負荷進行選型考慮，原有現(xiàn)實條件下，整個供暖期間建筑最大熱敷和出現(xiàn)時間較短，能夠?qū)崿F(xiàn)最短時間內(nèi)達到最大熱負荷。氣候補償器的安裝使用能夠隨著室外環(huán)境空氣溫度大小及時進行溫度調(diào)節(jié)，主要是運用電動調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)整來實現(xiàn)供回水混合比例，以達到換熱站二次網(wǎng)供水溫度調(diào)整的目的，實現(xiàn)換熱站供熱量動態(tài)調(diào)節(jié)[5]。

2）空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造

本案例當(dāng)中，醫(yī)院門診樓與診斷樓空調(diào)系統(tǒng)主要包括2 套，1 套為舒適性空調(diào)系統(tǒng)，主要承擔(dān)樓內(nèi)公共區(qū)域和各非手術(shù)房間空氣調(diào)節(jié)。而另外1 套則為手術(shù)室潔凈空調(diào)系統(tǒng)，主要承擔(dān)所有手術(shù)室空氣調(diào)節(jié)。舒適性空調(diào)系統(tǒng)主要運用風(fēng)機盤管加新風(fēng)送風(fēng)方式，新風(fēng)機組分布于各樓層新風(fēng)機房，新風(fēng)經(jīng)過溫濕度處理及過濾后，送入各個房間。風(fēng)機盤管布置則較為靈活，安裝于各房間內(nèi)，可實現(xiàn)每個房間的單獨控制。潔凈空調(diào)則為定風(fēng)量全空氣系統(tǒng)，能夠確保室內(nèi)正壓與潔凈度，主要由分布在樓內(nèi)設(shè)備夾層的潔凈空調(diào)機組負責(zé)?？照{(diào)水系統(tǒng)則主要包括兩管制與四管制，樓內(nèi)舒適性空調(diào)區(qū)域采用兩管制，配備2 臺離心式冷水機組，夏季冷凍水與冬季二次熱水均連接至空調(diào)水系統(tǒng)分水器，空調(diào)系統(tǒng)供冷工況的冷凍水和供熱工況的二次熱水，分別通過閥門切換予以實現(xiàn)。潔凈空調(diào)水系統(tǒng)形式為四管制，配備2 臺螺桿式冷水機組，專門為手術(shù)室提供冷源。冷水機組冷凍水與板式換熱器二次熱水分別連接至空調(diào)機組冷熱水供回水管道，以達到供冷工況與供暖工況獨立運行的效果[6]。

本項目空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造首先針對水泵變頻控制改造。一般來講，中央空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計時需要依據(jù)最大負荷來進行設(shè)備選取，而全年實際運行過程當(dāng)中，年平均負荷往往遠小于系統(tǒng)設(shè)計負荷，當(dāng)最大負荷出現(xiàn)時，其時間通常不會超過總運行時間的10%，一般的做法是依靠調(diào)節(jié)閥門開度來增大管網(wǎng)阻力，從而達到流量控制的目的，但此做法會加大能量的消耗，需依據(jù)建筑實際運行負荷對空調(diào)系統(tǒng)作出調(diào)節(jié)[7]。

其次，水泵變頻控制方式改造。這一部分改造主要考慮的是溫差和壓差等兩種常見水泵變頻方式，溫差控制方式主要是運用供回水鋼管溫差作為控制參數(shù)，以此來進行設(shè)計供回水溫差的控制，通常為 5℃[8]。

供回水管均安裝溫度傳感器系統(tǒng)，運行時對溫差進行檢測，將計算的兩個管路溫差數(shù)據(jù)回傳至控制裝置，并與設(shè)定值進行對比，以負荷為依據(jù)，通過改變水泵流量來降低能耗。

壓差控制方式則主要是設(shè)計為水氣筒中壓差值作為控制器輸入信號，將壓差控制器控制在10 cm 以上，并采用自拌熱，盡最大程度降低熱量損失，并采用綁扎法來予以處理，使用厚度為20 mm 的石棉繩來進行訪問層處理，運用玻璃纖維布來作為保護層，同時進行防腐漆隔潮涂刷，確保能夠?qū)崿F(xiàn)熱量損耗的控制[9]。

3 醫(yī)院暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造前后對比

以門診樓建筑空調(diào)系統(tǒng)為例，其節(jié)能改造前建筑概況見表1。

表1 改造前門診樓空調(diào)系統(tǒng)

經(jīng)改造后，門診樓能源消耗對比見表2。

表2 改造后門診樓建筑空調(diào)能耗對比

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，門診樓每年5，6，8 月份冷水機組負荷在50%以下，由離心式制冷機組COP 與負荷率關(guān)系可見，負荷率在50%~80%之間范圍內(nèi)，離心式制冷機組COP 最高，可到較高利用率，如長期保持負荷率低于50%，會降低機組COP，單位冷量耗電量則會相應(yīng)增長，也容易發(fā)生喘振問題，影響運行穩(wěn)定性。為此，節(jié)能改造將門診樓空調(diào)系統(tǒng)分水器、集水器通過DN250 管道連接，于5，6，8 月份使用門診樓1 臺冷寂，滿足門診樓供冷。

制冷系統(tǒng)節(jié)能改造后能耗節(jié)能量見表3。

表3 制冷系統(tǒng)改造后節(jié)能量

由表3 數(shù)據(jù)可見，本次醫(yī)院建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造效果較為明顯。

4 結(jié)語

醫(yī)院建筑能耗管理是屬于一項具有明顯系統(tǒng)性的工程，需要通過長期的改進研究，并做好開源節(jié)流，進行科學(xué)合理的評價，選擇符合醫(yī)院自身發(fā)展的節(jié)能改造方案，同時也需要通過科學(xué)的管理和反復(fù)實踐，對每一個細節(jié)都做出仔細的分析，管理和技術(shù)改造同時開展，方能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)院建筑的節(jié)能降耗。

1） 供暖改造中，對非供暖季獨立設(shè)置小型燃氣鍋爐僅在夏季就節(jié)省了超5 萬m3的天然氣，降低超110 tCO2排放量，所以，選擇燃氣鍋爐型號要做到與其負荷相對應(yīng)，以避免過多消耗天然氣的情況。

2） 實際工程中，增加單臺冷水機組供冷面積可解決冷水機組偏大問題，應(yīng)選擇符合實際的系統(tǒng)形式和運行方案，使冷水機組盡量在高負荷率下運行，以達到提高COP 的目的，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

3） 冷卻水水面當(dāng)前設(shè)定為敞開式，容易造成雜質(zhì)混入而引發(fā)冷機冷凝器水側(cè)結(jié)構(gòu)堵塞，會致使COP 下降，且會影響冷機運行質(zhì)量，增加能耗，需要引起相關(guān)運維人員重視。