北方地區醫院冷熱電三聯供系統設計研究

楊洋

分布式供能有助于構建節能環保及可持續的能源系統。我國北方地區天然氣資源豐富，近年來，燃氣冷熱電三聯供發展迅速，其系統工程也在北方的醫院中廣泛應用。本文以陜西省某三甲綜合醫院工程為依托，在分析該院綜合醫療樓不同季節典型日冷熱電需求的基礎上，設計出滿足醫院用能需求的燃氣冷熱電三聯供系統，使其產生的電力滿足用電需求，排出的廢熱通過余熱利用設備向該樓供熱、供冷，同時向該樓和醫院洗衣房供熱水。通過設計研究，實現了醫院節能和經濟運行的雙重目標。

研究背景及意義。作為分布式供能中使用最廣泛的冷熱電三聯供，即CCHP（Combined Cooling，Heating and Power），是一種將發電、供熱（采暖和供熱水）以及供冷三種供能結合在一起的總能系統。CCHP系統技術成熟、建設簡單、投資相對較低且經濟上有競爭力，已在醫院、學校、酒店賓館、商業中心、辦公寫字樓、城市綜合體、工業園區等建筑樓宇、樓群中推廣使用。隨著醫療建筑就醫環境的提升增大了醫院對能源的需求，在滿足醫院用能的前提下，采用CCHP設計不僅可以響應國家節能減排的號召，而且可以有效減少醫院的費用支出。

項目概況。本文研究的陜西省某三級甲等綜合醫院，開設病床1500張，其中綜合醫療樓建筑面積約82000m²，建筑層數：地下2層，地上18層；建筑總高度：88m。

傳統供能設計

供電設計。綜合醫療樓共投入使用3臺變壓器，其中1#變壓器容量為3150kVA，所帶負荷為該樓照明、動力和消防負荷；2#變壓器容量為3150kVA，所帶負荷除該樓照明、動力和消防負荷外，還有醫技負荷；3#變壓器容量為2500kVA，所帶負荷有照明、動力和消防以及醫技負荷。醫技負荷為一級負荷中特別重要的負荷，消防負荷為一級負荷，其余照明、動力負荷從一級到三級負荷根據場所要求劃分不同。

供冷設計。根據醫院空調冷、熱負荷情況，考慮到同時使用系數，在動力中心制冷機房內設置3臺19XR-5052372CPS52型離心式水冷高溫冷水機組，每臺制冷機組制冷量2220kW（600RT），用電負荷298kW。

供熱設計。根據醫院熱負荷情況，在動力中心燃氣鍋爐房內設置4臺MF型ZZS2.8-0.7-98/70天然氣鑄鐵模塊熱水鍋爐，作為綜合醫療樓空調系統、衛生熱水系統，動力中心洗衣房熱水系統及醫院其他醫療建筑采暖系統的熱源。天然氣熱值約為Q=7980kcal/Nm³，供氣壓力0.1～0.2MPa。每臺熱水鍋爐耗氣量為333.0Nm³/h。

燃氣冷熱電三聯供系統設計

負荷分析。綜合醫療樓常用電最大負荷為5000kW（不包括消防負荷和備用負荷），空調制冷最大負荷為7000kW（內含預留手術凈化部分負荷1200kW），空調采暖最大負荷為8000kW（內含預留手術凈化部分負荷1500kW），衛生熱水最大負荷為2000kW，動力中心洗衣房熱水最大負荷為800kW。醫院要求全年連續供電，中央空調冬季供熱、夏季供冷、春秋季（過渡季節）少量供冷，衛生熱水全年24小時集中供應。用能分為五個部分：用電、空調供冷、空調供熱、衛生熱水和洗衣房熱水，各季節典型日逐時負荷曲線如圖1至圖3。

系統方案設計。本系統主要由1臺燃氣內燃發電機組（電功率為9500kW，熱輸出為8200kWth）與1臺煙氣熱水型溴化鋰吸收式冷熱水機組（制冷量為4000kW，供熱量4300kW）組成，以天然氣為燃料，產生的電力滿足綜合醫療樓的用電需求，排出的廢熱通過余熱利用設備向綜合醫療樓供熱、供冷，同時向綜合醫療樓、醫院洗衣房供熱水。系統配置如圖4。

系統最佳運行時間。本文研究的醫院項目屬北方地區，冬季、夏季均要求較長時間供熱、供冷，且整個供冷季或供熱季每天24h內各時段的冷、熱負荷也變化較大，而冷熱負荷的變化直接影響系統的運行狀態，影響燃氣發電機組的運行小時數和負荷率，最終影響到節能減排的實際效果和經濟效益。本系統的年運行時間不宜少于一個供暖季加上一個供冷季，即冬季4個月加上夏季4個月共計約240天，每天的運行時間不宜少于上班時間加上下班后住院部病區關燈休息前的時間和上班前一個小時內的熱水負荷小高峰時間，即早晨6：00～晚上9：30，宜為16h左右。由于春秋季只有熱水供應和少量的供冷需求，沒有供熱需求，因此在冷熱負荷需求較少的春秋季，即過渡季節不宜長時間運行系統設備。

系統與電網的連接方式。燃氣冷熱電三聯供系統的發電運行模式一般有三種，即獨立自用、并網售電、并網不售電。本文研究的醫院燃氣冷熱電三聯供系統屬樓宇型系統，只要燃氣發電量全部“自發自用”，并且保持系統的發電量始終低于該院綜合醫療樓在各個時段的實際使用電量，且從市電網購入部分電能，這樣既可減少電費支出獲得較好的經濟效益，又可通過合理配置系統各設備，確保供電可靠，實現“并網不售電”。

系統能耗及經濟分析。根據當地電、氣、水基本價格，使用一般性代數仿真GAMS軟件求解出綜合醫療樓各季節典型日用能及其費用后，對投入CCHP前后全年總費用進行對比分析，如圖5所示。

因投入燃氣冷熱電三聯供系統裝置之后較之傳統供能能源有所減少，費用也大為降低，故采用燃氣冷熱電三聯供系統，利用分布式供能技術是實現醫院建筑節能的一種有效途徑，同時可大大減少醫院用能的費用支出。針對醫療建筑用能特點，在供熱需求量高的冬季和供冷需求量高的夏季開機運行燃氣冷熱電三聯供系統裝置最為經濟，可有效降低用能費用，在春秋季節則不宜長時間開機運行。

結論與展望

本文研究表明，冷熱電三聯供系統適合于冷熱電負荷相對穩定、常年需要供冷或者供熱的醫院項目。由于醫療建筑用電和用熱（用冷）量都較大，且全年都有比較穩定的冷、熱、電等用能需求，符合冷熱電三聯供系統的功能特點，因此該系統對于醫院這樣的用能單位來說是一個比較合適的選擇，可以提高用能效益，為醫院節省一定的用能開支。隨著國家政策的不斷推新完善，在以后的醫院項目設計中，作為高效率、環保的能源利用方式，燃氣冷熱電三聯供系統裝置肯定會在國家的政策鼓勵下大力推廣。2016年8月1日起，《綠色醫院建筑評價標準》國家標準正式實施，綠色醫院建設提上了醫院管理者的議事日程：醫院建筑能效系統在三級醫院強制性部署，并在二級醫院規劃建設中強烈推薦，而燃氣冷熱電三聯供系統技術可助力醫院實現綠色、安全、高效的運營與管理。endprint