醫(yī)院建筑冷熱源運(yùn)行優(yōu)化管理研究

醫(yī)院建筑冷熱源運(yùn)行優(yōu)化管理研究

0醫(yī)院建筑冷熱源能耗現(xiàn)狀醫(yī)院建筑具有使用功能復(fù)雜、能耗結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能源形式復(fù)雜的特點(diǎn)。因此，醫(yī)院的能耗非常大，這被認(rèn)為是行業(yè)內(nèi)的一個愿景。有關(guān)資料表明,醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)的年一次能耗是辦公建筑的1.6~2.0倍。文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)得出,北京地區(qū)醫(yī)院建筑2006年單位建筑面積全年總耗電量平均約為70kWh;文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示所調(diào)查的上海地區(qū)醫(yī)院建筑2007年單位建筑面積全年總耗電量為76.0~109.1kWh,其中暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能占到50%以上,而暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源耗能又占到該系統(tǒng)總耗能的50%左右。在國外,ASHRAE的調(diào)查資料表明,與醫(yī)院建筑空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)相關(guān)的能耗約占醫(yī)院建筑總能耗的67%;日本某典型醫(yī)院建筑能耗情況也表明,空調(diào)冷熱源和空調(diào)動力能耗占醫(yī)院建筑總能耗的51.8%,與ASHRAE調(diào)查資料中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)所占能耗情況相近。由以上國外的調(diào)查分析結(jié)果可知,降低暖通空調(diào)系統(tǒng)冷熱源的能耗是醫(yī)院建筑節(jié)能的關(guān)鍵。本文針對醫(yī)院建筑能耗特點(diǎn)和負(fù)荷變化情況,根據(jù)醫(yī)院建筑大、小冷熱源的配置特點(diǎn),提出了醫(yī)院建筑冷熱源的設(shè)計(jì)優(yōu)化原則和運(yùn)行優(yōu)化管理原則。另外,針對醫(yī)院建筑的特殊性,對醫(yī)院建筑冷熱源采用可再生能源提出了應(yīng)用原則,以提高冷熱源系統(tǒng)的能源利用效率。1建筑用電數(shù)據(jù)分析在醫(yī)院建筑中,電力消耗最大,其次為燃?xì)?油)。以上海某典型醫(yī)院為例,主要一次能源消耗如圖1所示,可以看出,醫(yī)院的耗能主要集中在電力和燃?xì)?油),占醫(yī)院總能耗的95%左右。醫(yī)院建筑的用電主要由空調(diào)采暖系統(tǒng)用電、辦公設(shè)備用電、照明用電、食堂用電、動力及大型醫(yī)療設(shè)備用電和其它用電6部分構(gòu)成。以某典型醫(yī)院建筑用電情況為例,根據(jù)用電設(shè)備的配制情況和設(shè)備運(yùn)行記錄,各用電部分耗電量的份額如圖2所示。其中,空調(diào)采暖系統(tǒng)所占比例最大,達(dá)到54%,其次為辦公設(shè)備和動力及大型醫(yī)療設(shè)備用電,達(dá)到25%。醫(yī)院建筑燃?xì)?油)消耗主要由冬季采暖、生活熱水和工藝,以及食堂3部分構(gòu)成。以某典型醫(yī)院建筑耗燃?xì)馇闆r為例,調(diào)查分析燃?xì)庀姆蓊~如圖3所示。生活熱水和工藝和冬季采暖所占比例最大,約為96.4%。因此,暖通空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源優(yōu)化是醫(yī)院建筑節(jié)能的重點(diǎn)。2醫(yī)院建筑的冷熱懸?guī)匦?空調(diào)負(fù)荷在家庭和門急診樓上的使用時(shí)間醫(yī)院建筑功能復(fù)雜,門診、急診、手術(shù)、醫(yī)技、病房和后勤等各部門的使用時(shí)間與空調(diào)負(fù)荷特性并不相同。病房樓和門急診樓等為季節(jié)性空調(diào)負(fù)荷,中央空調(diào)在春秋過渡季節(jié)一般均停止使用。而潔凈手術(shù)部、無菌病房和重癥監(jiān)護(hù)病房等是全年空調(diào)負(fù)荷,若單獨(dú)為這些區(qū)域開啟整棟大樓的空調(diào)冷熱源,其能耗將相當(dāng)大,因此醫(yī)院建筑這類區(qū)域一般設(shè)置獨(dú)立冷熱源。2冷熱源系統(tǒng)配置對于醫(yī)院建筑,主要服務(wù)區(qū)域?yàn)樽≡翰?、門診醫(yī)技樓和手術(shù)室,其中住院部和門診醫(yī)技樓采用集中冷熱源,而手術(shù)室等分散且常年需要供冷(熱)的區(qū)域采用獨(dú)立冷熱源。這樣就形成了2種方式的冷熱源系統(tǒng)配置,定義為集中冷熱源(大冷熱源)和分散冷熱源(小冷熱源)。根據(jù)醫(yī)院不同區(qū)域的負(fù)荷需要,優(yōu)化大、小冷熱源運(yùn)行,具有較大的節(jié)能潛力。3差異較大的室內(nèi)空調(diào)環(huán)境醫(yī)院建筑均為大體量、全空調(diào)系統(tǒng)且供冷(熱)量大。醫(yī)院建筑有2類差異較大的室內(nèi)空調(diào)環(huán)境:一是量大面廣的一般科室,如普通病房和診室等,只需季節(jié)性舒適空調(diào);二是數(shù)量相對較少的、有潔凈無菌與嚴(yán)格的溫濕度控制要求的功能區(qū)域,如手術(shù)室和無菌病房等,需要全年空調(diào)。4空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間相對于一般的公共建筑,醫(yī)院建筑空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間比較長。醫(yī)院通常為全年全天無休,因此在一年中需要使用空調(diào)系統(tǒng)的時(shí)間段內(nèi),系統(tǒng)需要24h運(yùn)行,同時(shí)隨著病人源的多少變化,醫(yī)院內(nèi)人員高低峰差別很大,逐時(shí)負(fù)荷相差較大,特別是在夏季供冷時(shí),這種現(xiàn)象更為明顯。5年空調(diào)水系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)供熱工況大型醫(yī)院建筑的關(guān)鍵科室常常會處于空調(diào)內(nèi)區(qū),當(dāng)全年空調(diào)水系統(tǒng)轉(zhuǎn)為供熱工況時(shí),這些科室內(nèi)部分房間仍需供冷。即使完全關(guān)閉供熱水系統(tǒng),房間溫度仍超過要求,因此需要采用四管制空調(diào)水系統(tǒng)或另外考慮冷源。3醫(yī)院建筑節(jié)能技術(shù)與設(shè)備的特殊功能醫(yī)院建筑作為公共建筑的一種類型,和其它公共建筑的冷熱源設(shè)計(jì)優(yōu)化有一定的共同點(diǎn),但由于醫(yī)院建筑不同的功能與環(huán)境控制要求又有其特殊性。一般公共建筑常用的節(jié)能技術(shù)或措施不一定能應(yīng)用到醫(yī)院建筑中,特別是一些特殊功能的醫(yī)療科室。因此,針對醫(yī)院建筑的冷熱源優(yōu)化設(shè)計(jì),應(yīng)考慮如下原則。1冷熱源設(shè)備配置在設(shè)計(jì)選型時(shí),應(yīng)盡量推薦采用能效等級較高的冷熱源設(shè)備,冷水機(jī)組和熱源設(shè)備合理配置可以滿足醫(yī)院建筑不同時(shí)期和季節(jié)負(fù)荷變化的需求,同時(shí)應(yīng)兼顧考慮冷熱源設(shè)備在部分負(fù)荷下的運(yùn)行效率。2不同負(fù)荷情況下大冷熱源設(shè)置首先,為了滿足不同功能區(qū)域的負(fù)荷需求,在大、小冷熱源設(shè)計(jì)選型配置時(shí),應(yīng)優(yōu)化全年運(yùn)行方式。在全年高負(fù)荷情況下,盡量開啟集中大冷熱源,保證大冷熱源在高負(fù)荷和高效率工況下運(yùn)行;在部分負(fù)荷情況下,開啟小冷熱源,并根據(jù)優(yōu)化策略合理確定大、小冷熱源的適當(dāng)容量。第二,根據(jù)所在地區(qū)的氣候特征選擇手術(shù)部供冷方案,精心分析其冷負(fù)荷特點(diǎn)。第三,制冷系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、過濾器等設(shè)施采用效率高和可控的設(shè)計(jì)方案。3冷水機(jī)組的設(shè)計(jì)優(yōu)化冷水機(jī)組運(yùn)行模式,保證每臺冷水機(jī)組在高效率模式下運(yùn)行,合理控制水泵的運(yùn)行臺數(shù)和方式;冷水機(jī)組根據(jù)室內(nèi)外溫度的要求和變化,設(shè)定合理的冷凍水供水溫度;水系統(tǒng)合理運(yùn)行,杜絕冷凍水和冷卻水旁通現(xiàn)象;應(yīng)對開啟手術(shù)室和未開啟手術(shù)室采用運(yùn)行和值班控制方式,在保證室內(nèi)正壓的條件下,按照不同運(yùn)行方式保證手術(shù)室的溫、濕度要求,以達(dá)到節(jié)能目的。4冬季冷源的利用大型綜合性門診和急診大樓會有一定的內(nèi)區(qū),按高標(biāo)準(zhǔn)舒適要求,冬季需要供冷。在冬季寒冷且低濕的地區(qū),可利用冷卻塔與板式換熱器獲得的冷水作為冷源。同時(shí)可合理利用夜間和過渡季新風(fēng)消除蓄熱負(fù)荷。51采用蓄冷技術(shù)由于醫(yī)院建筑負(fù)荷的特性,適合蓄冷技術(shù)的應(yīng)用。在執(zhí)行峰谷電價(jià)的地區(qū),可以降低醫(yī)院建筑的冷源運(yùn)行費(fèi)用。6三冷能源技術(shù)醫(yī)院建筑一般有自用發(fā)電機(jī)組,根據(jù)醫(yī)院建筑的電力和空調(diào)負(fù)荷特性,在電力和空調(diào)負(fù)荷匹配的情況下,冷熱源可以進(jìn)行冷熱電三聯(lián)供技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。7熱回收技術(shù)的合理利用應(yīng)盡可能采用熱回收技術(shù),包括空氣側(cè)熱回收與水側(cè)熱回收。同時(shí)有條件的醫(yī)院建筑可將冷源設(shè)備產(chǎn)生的冷凝熱回收,用于加熱生活熱水。8主要系統(tǒng)電量計(jì)量為了方便能源管理,建議在變壓器低壓側(cè)配電柜各回路均裝設(shè)電度表,進(jìn)行主要系統(tǒng)的電量計(jì)量,將各個建筑物、各種不同性質(zhì)用電量加以區(qū)分;建議增設(shè)熱水流量表,統(tǒng)計(jì)熱水使用規(guī)律。4空調(diào)冷熱源設(shè)置的影響我國的三級醫(yī)院基本上均設(shè)有手術(shù)室,根據(jù)手術(shù)的等級,除Ⅳ級以外都對室內(nèi)空氣溫、濕度提出了要求,因此大部分手術(shù)室都需要冷熱源。作為醫(yī)院建筑有特殊運(yùn)行要求的手術(shù)室的潔凈空調(diào)系統(tǒng),其冷熱源的設(shè)置通常有以下幾種模式:不設(shè)手術(shù)室用單獨(dú)冷熱源(小冷熱源),與醫(yī)院的集中冷熱源(大冷熱源)公用;手術(shù)室設(shè)單獨(dú)冷熱源,與醫(yī)院的集中冷熱源不發(fā)生聯(lián)系;手術(shù)室設(shè)單獨(dú)冷熱源,與醫(yī)院的集中冷熱源統(tǒng)一考慮,優(yōu)化大、小冷熱源的配置和運(yùn)行。在醫(yī)院建筑中,由于手術(shù)室和門診、病房等功能區(qū)域在空調(diào)使用方式和時(shí)間上有很大區(qū)別,若不設(shè)手術(shù)室用單獨(dú)冷熱源,在大冷熱源沒有啟動的時(shí)段內(nèi),會存在手術(shù)室溫、濕度環(huán)境不滿足要求的情況,設(shè)計(jì)人員一般不采用第1種冷熱源的設(shè)置模式。由于醫(yī)院建筑功能分區(qū)的復(fù)雜性和使用功能的多樣性,空調(diào)系統(tǒng)的劃分日趨復(fù)雜,為了提高空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的效率,設(shè)計(jì)人員經(jīng)常采用大、小冷熱源的做法。筆者在此對大、小冷熱源的關(guān)聯(lián)性和獨(dú)立性的優(yōu)缺點(diǎn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷。以某醫(yī)院建筑為例,該醫(yī)院由門診綜合樓、病房樓、特需樓和10間手術(shù)室主要功能區(qū)域構(gòu)成。其中,門診綜合樓、病房樓和特需樓共為1個空調(diào)水系統(tǒng),總設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為7830kW。手術(shù)室夏季空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為541kW,僅占集中冷源的7%。下面把冷源分為2種情況進(jìn)行分析對比。1其他區(qū)域采用集中冷源系統(tǒng)手術(shù)室采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組獨(dú)立冷源系統(tǒng),其它區(qū)域采用集中式冷源系統(tǒng)。手術(shù)室的風(fēng)冷熱泵機(jī)組獨(dú)立冷源系統(tǒng)與水冷冷水機(jī)組之間獨(dú)立運(yùn)行,不會交叉負(fù)擔(dān)對方的冷負(fù)荷。2大冷源系統(tǒng)配置運(yùn)行方案手術(shù)室采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組獨(dú)立冷源系統(tǒng),且該系統(tǒng)僅在過渡季節(jié)使用。在夏季制冷季,停止使用手術(shù)室的風(fēng)冷熱泵機(jī)組獨(dú)立冷源系統(tǒng),手術(shù)室和其它空調(diào)區(qū)域共同使用水冷冷水機(jī)組。這種形式可稱為手術(shù)室的獨(dú)立冷源系統(tǒng)與整個醫(yī)院建筑的水冷冷水機(jī)組之間關(guān)聯(lián)運(yùn)行。手術(shù)室夏季的冷負(fù)荷由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、室內(nèi)人員和設(shè)備散熱及新風(fēng)冷負(fù)荷構(gòu)成?？紤]到手術(shù)室為內(nèi)區(qū),建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱穩(wěn)定且手術(shù)室室內(nèi)人員和設(shè)備的散熱較為穩(wěn)定,可以認(rèn)為基本不變,因此過渡季節(jié)與夏季制冷季負(fù)荷差別最大的為新風(fēng)冷負(fù)荷。經(jīng)過計(jì)算分析,過渡季節(jié)手術(shù)室負(fù)荷為380kW,配置小冷源系統(tǒng)可以使冷機(jī)及輸送系統(tǒng)容量減少,降低初投資。在夏季制冷季,集中冷源啟動后,由大冷源負(fù)擔(dān)手術(shù)室的冷負(fù)荷,可提高大冷源的負(fù)荷率,也可以提高能源利用效率。分別對大、小冷源在獨(dú)立配置運(yùn)行和關(guān)聯(lián)配置運(yùn)行2個方案的初投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?合理優(yōu)化大、小冷源的配置和運(yùn)行關(guān)系,初投資可以節(jié)約80萬元,年運(yùn)行費(fèi)用可以節(jié)約12.5萬元。5醫(yī)院冷熱源醫(yī)院建筑冷熱源的復(fù)雜性和功能性為可再生能源利用提供了很好的應(yīng)用條件,可再生能源作為醫(yī)院集中冷熱源的輔助補(bǔ)充,將起到重要的作用。根據(jù)醫(yī)院建筑的地理位置,因地制宜,采用太陽能、熱泵系統(tǒng)等可再生資源,大力發(fā)展可再生能源在醫(yī)院建筑冷熱源中的比例。1方案二:設(shè)置熱水系統(tǒng)醫(yī)院建筑用水量的特點(diǎn)是生活熱水耗量非常大。我國傳統(tǒng)醫(yī)院集中供熱和生活熱水熱源采用鍋爐房熱水鍋爐或蒸汽鍋爐,建立龐大的熱水或蒸汽管網(wǎng),通過用戶側(cè)設(shè)置換熱器供給用戶使用。若將太陽能作為補(bǔ)充熱源,太陽能熱水系統(tǒng)可預(yù)熱熱水系統(tǒng)的全部冷水,不但可以解決太陽能的不穩(wěn)定性問題,而且可以減少鍋爐房的能耗。因此,在地理?xiàng)l件允許的情況下,應(yīng)大力發(fā)展太陽能為輔助熱源的生活熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。2污水源熱泵系統(tǒng)利用醫(yī)院建筑的綠化草坪和湖水等人工或天然景觀,可使用土壤源或地表水源熱泵系統(tǒng);利用醫(yī)院建筑比較恒定的生活污水(洗澡污水),可采用污水源熱泵系統(tǒng),作為手術(shù)室等區(qū)域的小冷熱源。這些技術(shù)不僅可以提高小冷熱源的能源利用效率,還可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。6醫(yī)院建筑冷熱源設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)醫(yī)院建筑能耗整體水平較高,而且各醫(yī)院間差別較大,有較高的節(jié)能潛力。醫(yī)院建筑設(shè)計(jì)不應(yīng)盲目追求外型的獨(dú)特和視覺的沖擊,應(yīng)以醫(yī)院的功能要求作為前提。若醫(yī)院建筑采用大面積的玻璃幕墻、屋頂采用大面積的透明屋面,設(shè)計(jì)將直接導(dǎo)致冷熱源能耗的增加。在醫(yī)院建筑的冷熱源設(shè)計(jì)與選擇過程中,應(yīng)按照合理優(yōu)化原則,對冷熱源系統(tǒng)進(jìn)行配置,合理進(jìn)行醫(yī)院建筑大、小冷熱源