据统计,我国公共建筑能耗占建筑总能耗的26.4% ^[1],而医院建筑由于功能复杂、用能系统多、用能时间长,能耗较高,上海医院单位建筑面积能耗是一般公共建筑的1.6～2.0倍。随着我国医疗技术的进步、诊疗设备的发展、医院规模的扩大、环境控制标准的提高、患者和医护人员对就医环境舒适程度的重视,医院的能耗水平呈逐年上升的态势 ^[2],因此医院的节能减排工作受到了越来越多的重视。本文以上海某综合医院节能改造为典型案例,通过对医院能耗的诊断分析,找出用能系统存在的问题 ^[3],探讨适用于医院建筑的节能改造技术及调适方法 ^[4],为医院建筑节能改造提供参考和借鉴。

　　 　　 该医院为上海某二级甲等综合性医院,医院有中、高级专业技术人员200余名,开放床位500张,设有22个一、二级临床科室及门、急诊部。门急诊科室设置齐全,拥有大型医疗设备20余台,年门急诊量达80万人次,年出院病人1.5万余人次。医院大楼共13层,分为A、B两区。A区共11层,主要为住院部;B区共6层,是医院门诊和医生办公区。地下2层为设备机房、医院资料室、药库和车库。总建筑面积为31 922.5 m²,其中地上面积22 333.4 m²,地下面积9 589.1 m²。

　　 　　 医院空调系统形式多样,有多联机、直膨式新风机组、空气源热泵机组、水冷涡旋机组及精密空调等。

　　 　　 多联机用于门诊科室、医院病房、行政办公室。主要设备型号参数如表1所示。

　　 　　 直膨式新风空调系统为医院门诊科室、住院部、行政办公室和门诊大厅等供应新风,设备参数见表2。

　　 　　 医院使用2台螺杆式空气源热泵机组,用于门急诊和手术室净化空调系统。机组制冷量为419.0 kW,制冷输入功率为155.2 kW,制热量为475.9 kW,制热输入功率为135.0 kW,热回收量为563.5 kW。

　　 　　 水冷涡旋机组+冷却塔系统用于医院地下1层和地下2层部分房间,仅进行供冷,不供暖。水冷涡旋机组制冷量为114 kW,输入功率为30.4 kW。

　　 　　 医院A区4层信息机房配有机房专用精密空调,用于空气恒温恒湿调节。

　　 　　 医院有5台单台制热功率为470 kW的常压燃气热水锅炉及3台半容积式换热器,供应不同区域生活热水。

　　 　　 医院照明灯具为部分节能灯和普通日光灯,改造前灯具总数量为6 980支,灯具总功率为143.56 kW,普通日光灯数量占照明灯具总数量的20%。

　　 　　 医院有别于其他类型的建筑,大型医疗设备较多,如X线机、超声波机、CT、肠胃机、化验设备、手术专用设备和重症监护设备等。医院供应室外包,无蒸汽发生设备。

　　 　　 该医院2015年总用电量5 045 100 kW·h,用气量71 727 m³,建筑总能耗折合标准煤1 606.75 t,单位建筑面积能耗50.33 kg/(m²·a)。根据上海市地方标准DB31/T 553—2012《市级医疗机构建筑合理用能指南》 ^[5],该医院用能水平达到先进值62 kg/(m²·a)的标准。但这个先进值建立在医院室内空气质量不达标、部分区域照度偏低的基础上。如何提高医院室内环境舒适度,又能进一步降低医院整体能耗,是该项目的目标。

　　 　　 医院主要用能种类为电和天然气,各能源占比见图1。对医院能耗进一步拆分,其中占比最大的为空调系统,其次是照明、插座、大型医疗设备及燃气锅炉,而空调系统中能耗最高的为多联机,能耗拆分结果见图2、3。

　　 　　 由于医院功能的特殊性,现有空调系统基本能满足使用需求,但是能源消耗量较大,甚至存在牺牲室内空气品质减少能耗的情况,且系统形式较多,不利于集中管理。

　　 　　 1) 医院多联机空调系统没有集中控制系统,由房间使用人员控制。门诊科室、办公室人员有一定节能意识,但住院部病房内开空调的同时开启外窗是普遍现象。部分室外空调铜管保温层已老化破裂,导致多联机制冷/制热效率下降,引起能耗增加。

　　 　　 该医院于2011年竣工投用,根据GB 51039—2014《综合医院建筑设计规范》 ^[6]的要求,门诊科室、医院病房、行政办公室均使用多联机空调系统已不满足相关规范要求,但改造不能影响医院正常运营,同时多联机也未达使用寿命,改造调适仍需保留现有系统。

　　 　　 2) 3层手术室和ICU的净化空调系统由2台螺杆式空气源热泵机组组成,净化空调机组全天24 h运行,热泵系统也随之全天运行,即便是在夜间手术台数较少的情况下也是如此,存在明显的能源浪费现象。其中几台净化空调机组风机带有变频功能,但始终处于工频运行,发挥不出其变频的节能效果。

　　 　　 3) 通过对医院室内环境的检测(检测结果见图4)发现,医院总体CO₂浓度偏高,甚至有些人员密集区域超过GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》 ^[7]中室内CO₂体积分数应低于1 000×10^-6的标准要求。分析其原因为直膨式新风机组都处于关闭状态。因此所有病房都通过开窗供应新风,而门诊科室的窗户不能打开,新风机又不工作,导致空气品质较差,节能工作应该是在满足使用要求的前提下尽可能降低能耗。

　　 　　 4) 精密空调的气流组织为上送下回,且精密空调与服务器等设备被玻璃窗所隔离,气流组织不利于信息机房散热,空调效果受到一定影响。

　　 　　 医院4台燃气热水锅炉仅有1台间歇运行,闲置率较高。热水出水温度波动较大,系统自动化运行程度较低,需物业值班人员手动控制,且制热输出量不能随使用端负荷灵活变化。根据运行记录,医院日平均生活热水用量约为28 t,若改用制热水效率及自动化程度较高的空气能热泵热水机组,将有较大节能空间。并且相较于锅炉设备,空气能热泵热水机组无需年检,对操作工要求较低,也能降低运行管理成本。

　　 　　 医院照明灯具基本为T5/T8系列的节能灯,通过整体更换LED灯具能够大幅降低照明能耗。医院的照明系统是分区域管理的,办公室、门诊科室及病房的照明灯具都有独立开关,可由室内人员自行控制。门诊部公共区域照明系统有定时开关装置,但住院部的公共区域照明无人管理,24 h开启。

　　 　　 医院物业管理部门具有较齐全的设备管理制度,但缺乏相应能源管理制度。医院设备运行模式基本满足使用要求,设备保养较好,运行记录较为完整,物业有主要配电柜的电量信息记录,但是未理清各配电柜的终端用电设备,仍存在各类用电计量不明确的情况。

　　 　　 医院空调系统能耗最高的为多联机系统,改善多联机供能区域的用能习惯,对多联机系统进行优化控制,同时对室外铜管已开裂的保温层进行更换,可有效降低此部分能耗。

　　 　　 在医院住院部增加空调窗磁联动系统。当房间窗户开启超过一定角度时,空调室内机自动关闭;当窗户关闭后,空调室内机才能通过人工控制恢复启动。同时为医院门诊部门和其他工作区域的空调增加空调群控系统,防止下班后人员离开时忘关空调而带来的能源浪费。另外,锁定所有空调室内机控制面板可调下限温度,防止房间内人为设置过低温度而带来不必要的浪费。恢复直膨式新风空调系统的正常使用,保证室内空气品质。

　　 　　 医院共计69台室外机、409台室内机。改造利用大楼原有的综合布线替代网络数据层,配置群控操作站,安装群控软件,同时将空调机组变频器控制纳入群控软件。远期规划网络及数据端口开放连通后,可以设置数据远传并实现全院集控功能。群控系统原理见图5,群控软件界面见图6。

　　 　　 针对3层手术室和ICU的净化空调系统,由于ICU需24 h供应空调,虽然手术室夜间较少使用,但此区域空气源热泵机组仍需24 h开启,医院出于安全考虑,本次改造并未涉及此净化空调系统,但根据目前运行情况,建议医院在下一阶段工作中应充分利用系统现有的变频装置、提高管理水平,在确保洁净度、温湿度等符合使用要求的前提下,降低系统能耗。

　　 　　 医院需全年供应生活热水,在夏季热水使用量不大的情况下燃气热水锅炉启停频繁,故使用1套可提供高温热水且制热效率较高的CO₂热泵热水系统替代原锅炉热水系统。新增CO₂热泵热水系统供热水稳定,机组效率可达4.5,在保证医院生活热水供应的同时,可有效降低生活热水系统能耗。医院将CO₂热泵热水机组安装在裙房平台上,可直接与原来的热水系统接驳,施工安装简便。根据医院的生活热水用量,配置1台制热能力为74 kW的CO₂热泵热水机组即可满足需求,该机组每小时可产热水1.42 m³。

　　 　　 医院的照明系统改造采取一对一替换的方式,使用LED节能灯具替代原有光源,部分区域增加定时控制,照明节能改造共改造灯具6 980支。

　　 　　 医院新增能耗分项计量系统,将用电终端按照空调系统、照明系统、动力系统及其他系统分项计量,实现建筑用能实时监控。完善医院BA系统,并进行相关控制策略调整,合理控制不同区域照明灯具开关、不同区域新风机组开关,实时监测室内空气质量,保证良好室内环境的同时,合理控制各用能设备的使用。提高医院的用能管理水平,有效降低系统能耗。

　　 　　 空调系统调适内容为,医院住院部增加窗磁,并与多联机空调系统联动,通过BA系统优化升级,合理控制设备使用,恢复直膨式新风机组的使用,在保证室内温湿度及空气品质的同时,节能效果显著。

　　 　　 医院住院部调适前后外窗开启情况对比见图7。对比2015年,2016年同期(8—11月)多联机系统的耗电量有明显下降。2015年8—11月多联机空调累计用电量为723 711 kW·h,2016年8—11月多联机空调累计用电量为603 456 kW·h,各区域多联机能耗对比见图8。比较同期数据,多联机空调改造节电率为16.62%。

　　 　　 多联机能耗明显下降的同时,室内空气品质也得到了有效改善,调适后医院室内CO₂浓度检测结果显示,由于新风机的合理使用,室内CO₂浓度均有所下降,部分人员密集区域未出现超标情况,改造后室内CO₂浓度检测结果见图9。

　　 　　 统计改造前连续12个月锅炉的燃气用量,医院年生活热水消耗的天然气量为71 727 m³。改造后医院新增的CO₂热泵热水机组年耗电量为150 681 kW·h,年生活热水节能量为48.02 t标准煤,生活热水系统节能率达51.5%。

　　 　　 医院照明改造共计更换灯具6 980支,改造前照明年耗电量793 792 kW·h,改造后照明年耗电量246 526 kW·h,年节电量547 266 kW·h,折合标准煤164.18 t。

　　 　　 将医院改造后2016年12月至2017年3月的实际电、天然气账单能耗,与2014年12月至2015年3月的同期数据进行对比,见图10,在门急诊人数和住院人数变化不大的情况下,医院实际能耗明显下降。

　　 　　 由于医院2台螺杆式空气源热泵机组中的1台在医院综合节能改造后进行了功能修复,提高了手术室的室内环境舒适度。为了准确衡量综合节能改造的改造效果,对修复后螺杆式空气源热泵机组的用电量进行单独计算。2016年12月至2017年3月共计121 d,单台螺杆式热泵制热输入功率135 kW,按照平均日运行时间8 h、设备负荷率70%计算,这段时间修复的热泵增加能耗为91 476 kW·h,折合标准煤27.44 t。则医院节能改造综合节能率e_s为

　　 　　 $e{}_{\text{s}}=\frac{E{}_{\text{b}}-E{}_{\text{r}}+\text{Δ}E}{E{}_{\text{b}}+\text{Δ}E}\times 100\%(1)$

　　 　　 式中 E_b为基准期能耗,t;E_r为核定期能耗,t;ΔE为新修复空气源螺杆式热泵机组增加的能耗,t。

　　 　　 经计算,该医院综合节能率为15.51%。

　　 　　 医院通过此次综合节能改造及调适,综合节能率为15.51%。进一步拆分,节能贡献最大的为照明系统改造,LED照明灯具更换实施容易,且节能效果显著。生活热水系统改造与空调系统调适节能贡献占比相当,此次改造通过空调系统调适综合节能率为2.89%,能耗降低的同时,也有效改善了医院室内空气品质。各项改造及调适措施节能效果占比见图11。

　　 　　 1) 公共机构(医院建筑)可通过技术改造与调适降低能耗,并应关注室内环境品质,空调系统调适应结合医院实际使用特点,充分利用现有设施设备,如变频调节、加强运行管理、增加智能控制等。

　　 　　 2) 医院部分区域人员密集,室内空气品质尤为重要,不能以牺牲空气品质为代价来降低能耗。应保证室内新风量,可通过控制外门窗开启及调节室内温度等方式降低能耗。

　　 　　 3) 医院生活热水需全年全天供应,但往往供应量并不大,目前多采用锅炉供应。而空气源热泵热水机组相较于锅炉热水系统有较大优势。空气源热泵热水机组效率远高于锅炉,且使用清洁能源,无需年检,降低能源费用的同时也可降低医院设备运行管理费用。

　　 　　 4) 建筑智能化管理不仅可帮助医院更有效地了解设备运行情况,发现问题,还可提高医院的综合管理水平,提高工作效率。在得到更舒适的室内环境的同时,有效降低建筑综合能耗。