大型醫院綜合樓空調能耗分析和冷熱源選擇要點

吳丹蕓

中國中元國際工程有限公司

近十年隨著我國對醫療設施的大力發展，以及現代醫學技術的快速更新，人們對健康保障要求提高，各一線及二線城市的醫院建設規模越來越大，新用地建設的醫院其規模大多超過 10 萬 m2，甚至超過 20 萬、30 萬m2的綜合醫療建筑群體也屢見不鮮，即使在一線城市市中心的三甲醫院改擴建工程也一般都做到接近10 萬m2。然而醫療建筑是能耗“大戶”，這點已經被廣泛認知，據資料統計，醫院的能耗一般是常規公共建筑的1.6～2.0 倍，醫院空調能耗占醫院總能耗的 50%～60%，所以如何選擇空調冷熱源形式，合理設計能源輸送系統，并有效的運行維護將有著更為重要的現實意義。

1 醫院空調能耗影響因素

影響醫院空調能耗的因素有很多，作為暖通設計工程師可能更多想到的是空調負荷計算時需要計算的部分，如圍護結構、人員設備照明、新風負荷等，但是醫療建筑作為特殊的公共建筑更需要考慮實際運行狀況對能耗的影響，主要包括：門診量和住院量、室內工況設計點、冷源主機運行能效、輸配系統能耗等。

1）建筑圍護結構

建筑圍護結構傳熱性能參數是影響空調負荷最直接的因素，進而直接影響空調系統能耗的大小。從 2009 年執行 《公共建筑節能設計標準》 后經過這么多年的工程實踐，外墻和屋面的保溫做法已經基本成熟，只需要注意避免冷橋的能耗損失，這部分的能耗占比并不大。而對于外窗，由于醫院比較注重自然采光通風，以及就診人員的感受，通常外窗面積較大，因此相 比較于外墻此部分能耗在圍護結構中占比較大。

2）人員、設備、照明

醫院建筑中人員主要包括病人、醫護人員、陪護家屬等，尤其以上午和下午門診及探視時段的人員密度大，流動性大。如門診大廳及候診區域，掛號交費取藥人流集中，且很多為陪護人員，普遍心情焦慮步幅加快，在計算人員負荷時按照輕型勞動與中度勞動之間的勞動強度取值[1]。不同于常規公共建筑，醫院的醫療設備種類繁多，主要為檢查診斷、治療、實驗、數據存儲等幾類用途，主要集中在放射科、放療科、核醫學、病理科、檢驗科、內鏡中心、信息中心等區域的大型醫療設備、檢查流水線、數據存儲等，其發熱量都較大，且為常年穩定熱源，此部分耗能在全年空調能耗中占比較大，不可忽視。醫院建筑中有大量沒有外窗的內區房間、醫療主街電梯廳等精裝區域、大型醫療設備檢查治療區等都需要白天也開啟照明設施，此部分照明負荷也是常年穩定能耗。

3）新風負荷

醫院建筑的新風需求較大，主要作用為稀釋室內污染物，補充局部排風，以及調節空氣流向，按照 《綜合醫院建筑設計規范》 GB51039 的要求各功能房間的新風換氣次數大多高于2 次/h，尤其一線城市的大型綜合醫院由于室內人員密度大，建議門診醫技區房間的新風量提高到3 次/h。另外，由于醫療功能房間內濕度過高容易滋生細菌，建議新風處理到室內等含濕量線，這些因素都造成新風負荷遠高于常規公共建筑，通常占空調負荷的40%～50%，這也是構成醫院能耗高的一個重要因素。

4）門診量、床位數

醫院門診量和床位使用率是影響空調運行能耗的一個重要因素。對于一線城市的大型綜合三甲醫院日門診量充足，很多都是投入使用不久日門診量和住院人數基本就飽和了，人流密度達到“雙峰型”，即上午 9～11 點和下午 2～4 點就診人員和探視人員量都達到峰值，這種情況與設計負荷曲線基本一致，能耗較大。而對于非一線城市的醫院由于門診量往往沒有達到飽和，空調運行能耗可通過合理的運行模式來降低，比如在非高峰期時后勤人員可以通過提高供水水溫（夏季）、關閉部分主機、凈化空調切換至風冷機組供能等方式人為減小冷熱源供應，從而達到了降低能耗的目的。

5）室內設計工況點的選擇

室內設計工況點主要是溫度和濕度的選擇，不同工況點直接影響新風負荷。從表1、2 中可以看出對于夏季工況，室內相對濕度對于新風負荷的變化影響最大，對于冬季工況同樣也是室內相對濕度直接影響到加濕量的大小，所以對于不同地區不同等級的醫院，由于新風負荷占比較大，室內工況點需要結合醫院使用情況慎重選擇，減少不必要的能耗。

表1 不同室內工況點的夏季新風負荷

表2 不同室內工況點的冬季新風負荷

6）冷源主機能效

冷源主機的 COP 和 IPLV 是影響耗電量的一個主要因素，其中COP 更主要的反映在夏季最熱月峰值負荷的時候，IPLV 是反應部分負荷時能效的一個指標，對于夏熱冬冷以及夏熱冬暖地區的大型醫療建筑，由于其供冷時間長冷源主機的能效選擇需要更為注意。另外，冷凍水供回水溫度和溫差也直接影響冷機耗電量，據統計對于電制冷冷水機組：溫差不變，供水溫度下降1 ℃，耗電量增加約3%左右。供水溫度不變，供回水溫差增加1 ℃，耗電量增加較少。如果供水溫度降低，溫差增加，具體耗電量增加數值需要和設備廠家核實。

7）輸配系統能耗

輸配系統包括風機和水泵，主要體現在風機的單位風量耗功率和水泵的耗電輸熱（冷）比。對于風機的單位風量耗功率，需要減小風系統的阻力和提高風機效率，主要控制作用半徑，風管風速，以及風機效率等。空調通風的作用半徑不易過長，由于醫院空調通風系統應按照功能科室劃分，其輸送半徑不宜大于 100 m。主風管風速建議控制在6 m/s 左右，房間內支風管建議2 m/s 左右。施工時控制彎頭轉彎半徑、支風管倒角連接、不使用高風速聯箱等。風機效率應高于0.6，國內大多數風機廠家基本可做到。影響水泵耗電輸熱（冷）比的因素較多，包括流量、揚程、輸送距離、效率等，其中提高水泵效率的節能效果比較明顯，根據廠家數據，當水泵效率從0.65 提高到0.75 時，大多數水泵電耗下降可下降10%～15%。

8）運行管理問題

根據對多家醫院的運行情況調研，很多二三線城市的醫院自動化運行管理程度不高，甚至有的大型醫院仍采用就地手動控制，供冷季，供熱季和過渡季無法找到最佳運行模式，經常出現小溫差大流量，空調過濾器沒有及時清洗更換導致風機運轉卻送風不足等能源浪費的問題。大型醫療建筑冬夏季空調水量差異較大，在季節切換時很容易造成水力失衡的問題。過渡季內區發熱量大，無法通過合理的空調水路切換達到合理又節能的降溫。

2 醫院空調系統運行特點

1）運行時間長

根據對醫院運行狀況的調研數據，選取寒冷地區、夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區的部分城市，列表比較空調運行時間。從表3 可看出由于本文前述的各種能耗因素，以及大量內區房間常年發熱量穩定存在，大型醫院綜合樓的空調供冷時間都比較長。

表3 不同地區大型綜合醫院運行時間統計

2）空調季全天運行，空調水系統需要根據 24 h/ 10 h 運行區劃分

對于大型醫院綜合樓，通常都包括門診，醫技和住院三大部分，在空調季住院部和急診都需要全天 24 h 運行，而門診和醫技區大多只運行白天（10 h），為了降低空調運行能耗，空調水系統應將這兩部分分開輸送。

3）高峰低谷運行時段能耗差異較大

在夏季大型醫院綜合樓白天門診及探視時段空調負荷較大，而在夜間僅有住院、急診和重癥監護等區域需要供應空調，往往這兩部分負荷差異較大，根據工程經驗，醫院低谷運行時負荷占高峰負荷的 15%～20%。

4）凈化空調特殊運行要求

大型綜合醫院通常都有較大的凈化區域，主要有潔凈手術部、中心供應滅菌后、靜脈配液、生殖中心、凈化實驗室等，這些區域需要根據不同的空氣凈化等級設置凈化空調系統。手術部和靜脈配液等凈化區域內部人員、設備、燈光發熱量大。凈化區為了保證內部凈化等級，對于圍護結構密閉性有嚴格要求導致熱量散不出去。維持空氣潔凈等級要求的送風量較大，遠遠大于普通舒適性空調的風量。這些因素都導致凈化區域需要全年內長時間供冷，而對于夏熱冬暖地區和部分夏熱冬冷地區甚至全年需要供冷。另外，由于凈化空調冷負荷大，空氣降溫除濕要求高，送風精度要求高，導致制冷除濕后時需要較大再熱量，常規做法多采用電再熱，耗電量較大。綜合這些因素都要求配置空調冷源時需充分考慮凈化空調的需求，并結合其運行特點選擇合理節能的空調形式。

3 醫院空調系統冷熱源選擇要點

3.1 基本原則

每個醫院空調系統冷熱源的確定都需要考慮很多因素，歸納總結有以下幾點：

1）建筑條件，地理位置，醫院定位。

2）優先考慮技術穩定可靠，性能成熟的形式。

3）投資造價，運行能耗，維護管理。

3.2 幾種常見冷熱源形式選擇注意事項

1）常規電制冷冷水機組+鍋爐/市政換熱

設計時需要充分考慮醫療建筑能耗特點，滿足供冷，供熱時的高峰和低谷負荷需求，要兼顧過渡季內區供冷需求，嚴寒和寒冷地區提前和延后供熱的需求等，在選型配置時采用大小冷機/鍋爐搭配、冷機變頻等。

2）地源熱泵+常規供能系統

由于醫院能耗大，對于綠建要求高的醫院可考慮利用可再生能源達到節能效果，如地源熱泵和水源熱泵系統。但是大型綜合醫院體量較大，紅線內占地面積都較大，可敷設地埋管的面積有限，因此如果采用地源熱泵系統大多數采用部分地源熱泵+部分常規系統的復合冷熱源方式。需要注意的是在確定方案前需要先調查工程用地狀況，對淺層地熱能資源進行勘察，并應進行巖土熱響應試驗，評估地埋管換熱系統實施的可行性及經濟性，之后需要估算采用地源熱泵系統的供能量占總能源需求量的比例，由于地源熱泵系統 投資較高需要做經濟技術比較，根據工程經驗建議如果地源熱泵比例低于30%就沒有必要設置了。

3）水源熱泵+常規供能系統

水源熱泵與地源熱泵系統類似，方案確定前需要先評估水源熱泵系統的運行對當地地下水環境的影響，并勘探地下水深度、水量、水溫、水質等情況，完成水資源論證報告后才能進行下一步的方案設計。

4）直燃型溴化鋰機組系統

因為直燃型溴化鋰機組的制冷能效不如電制冷機組高，所以筆者認為只有當工程用地的用電供應受限，或者燃氣供應優惠較多的情況下才適合采用此種方式。使用時推薦采用一機多用的一體化機組，提高綜合能效。選型配置時需要注意合理選擇機組高壓發生器，并且需滿足醫院內生活熱水日負荷變化需求。

3.3 凈化空調冷熱源的幾種配置方式

3.3.1 供冷（熱）季采用集中冷（熱）源+初冬季冬季末期設置風冷冷水機組

這種常規方式的優點是充分利用高效的集中冷源，減小風冷機組的投資和室外占地面積。但是在實際運行時大多會出現凈化區冷水供應溫度偏高，室內濕度過大的問題。造成這種情況的原因較多，比如系統輸送距離長，保溫未做好導致沿途能耗損失較大，水力失衡，過渡季內區供冷時無需低溫冷凍水等原因，解決時如果采用降低冷凍水供水溫度將造成極大的能源浪費。此時建議采用集中凈化新風系統，在凈化新風機組內增設深度除濕段，利用壓縮機蒸發器再次降溫除濕，此種方式耗電量較大，并且需要選擇合適的室外機放置位置，或額外提供冷卻水給冷凝器降溫。建議凈化新風機組智能化控制設置兩種控制模式，即冷水盤管段與深度除濕段分別切換，便于根據冷凍水溫和室內外工況進行切換，同時循環機組也應設置對應新風深度除濕工況時的冷水盤管和電再熱工作模式。

3.3.2 單獨設置風冷冷水機組作為凈化區空調冷源

鑒于上述問題，在近兩年的醫療建筑設計中出現了凈化空調冷源單獨設置的方案，凈化區制冷時全部由風冷冷水機組提供冷凍水，這樣可基本解決供水溫度高除濕不夠的問題，但是在機組選型時應該注意根據當地室外氣候條件選擇可低溫制冷的機組，并且考慮可靠性和使用靈活性臺數選擇應大于等于兩臺并留有部分富裕量，另外應校核單臺機組是否可滿足手術部等凈化區夜間最低負荷的使用需求。從節能角度出發，北方地區建議采用自然冷卻型風冷冷水機組，大部分時間室外環境溫度都較低，在過渡季可充分利用室外空氣能量，使風冷機處于自然冷卻狀態，從而節省壓縮機能耗。

3.3.3 采用多功能四管制機組作為凈化空調冷熱源

也可以采用多功能四管制機組作為凈化空調冷熱源，該機組通過內置輔助換熱器，可實現全年同時制冷和制熱，達到冷熱平衡時的能效比可到8 以上。但是在設置時要注意盡量充分利用制冷時產生的熱量，提高機組能效，建議可采用以下兩種方式：

1）如果用于再熱，需要核算總再熱量后權衡是否所有凈化機組都采用四管制機組。根據工程經驗一般凈化空調的再熱總量占夏季制冷總量的30%～40%，所以建議不用全部采用四管制機組，可采用多臺多種風冷機組搭配的方式。

2）如果熱量用于生活熱水預熱一次水，建議設置水箱，儲水量滿足生活熱水至少1 小時用量，以緩解生活熱水負荷波動較大帶來的影響。

4 總結

總而言之，如果想降低大型綜合醫院的能耗，需要對不同地區不同等級的醫院做深入調查，并進一步分析研究，針對醫院特點選擇合理的能源形式并制定運行模式，才能降低醫院的投資和運行成本，不斷促進我國醫院建設的良性循環和長遠發展。