武漢市普仁醫院能耗及冷熱源經濟性分析

劉華斌 王羽珊

中南建筑設計院股份有限公司

近十年來醫療建筑迅速發展，新建醫院不僅數量多，而且體量大，至2015 年全國醫院數量超過27000家，近幾年全國每年新增醫院數量超過1000 家，單個醫院建筑面積有的達到50 萬m2左右。醫院建筑是民用建筑的能耗大戶，單位建筑面積綜合能耗甚至達到150 kgce/(m2·a)[1]。而醫院空調能耗約占整個建筑能耗的40%～60%，因此醫院建筑空調系統的節能設計是建筑節能重要的環節之一。《綠色醫院建筑評價標準》GB/T51153-2015 作為國家標準已在2016 年發布，設計者應根據標準要求結合項目所在地能源情況，在實現醫院綠色、高效、優質可持續發展過程中積極探索，總結經驗，從設計源頭上做好醫療建筑的節能工作。本文根據普仁醫院2017～2018 年實際運行數據分析該醫院全年能耗指標，并比對夏熱冬冷地區三省市相關能耗定額標準及部分類似醫院的能耗數據，認為合理的空調冷熱源系統是該院全年綜合能耗較低的關鍵因素，文中并對該空調系統的經濟性作了相關分析。

1 工程概況

武漢市普仁醫院門診和住院部大樓項目位于武漢市青山區，項目占地面積為1168 m2，建筑物地下室為汽車庫，設備用房及部分醫技用房，主樓主要功能為住院部及手術室，共20 層，建筑高度為76.20 m，裙樓為門診樓，共五層，主要功能為門診及部分醫技用房，建筑高度21 m。大樓總建筑面積約50060 m2，其中地上建筑面積約42200 m2，屬一類高層公共建筑。

本項目鄰近長江，地下水豐富，回灌情況良好，經技術經濟分析采用水源熱泵空調系統具有較好的經濟性，最終該項目采用“水源熱泵+冰蓄冷”的空調冷熱源方式，并采用熱回收技術在大樓供冷季節“免費”提供醫院住院部衛生熱水，共設有四臺水源熱泵機組，額定工況制冷量1097 kW，其中兩臺為“供冷、供熱及蓄冰”的三工況機組，兩臺帶全熱回收功能的熱回收型水源熱泵機組。

該項目已作為武漢市可再生能源建筑應用示范項目，示范工程技術類型為水源熱泵系統，并已通過可再生能源建筑應用示范項目驗收，獲得政府節能項目支持基金100 多萬元。

2 空調冷熱源系統

2.1 室內設計參數

室內設計參數如表1 所示。

表1 室內設計參數

2.2 冷熱負荷

夏季空調計算冷負荷為4740 kW，冬季空調計算熱負荷為3260 kW，夏季空調設計日總冷負荷為58000 kWh。

2.3 冷熱源及水系統

1）設計采用四臺水源熱泵機組利用地下水制冷制熱，其中兩臺為三工況機組：制冷工況、制熱工況、蓄冰工況，另兩臺為熱回收機組，為醫院提供衛生熱水。熱回收型水源熱泵機組名義工況制冷量1100 kW，制熱量1200 kW。三工況水源熱泵機組名義工況制冷量1080 kW，制熱量1170 kW，蓄冰工況制冷量700 kW。制冷工況供回水溫度6/13℃，蓄冰工況供回水溫度-6/-2.6 ℃，供冷時乙二醇溶液供回水溫度4.5/9.5 ℃，選用二臺蓄冷量為60000 kWh 的蓄冰罐，選用一臺80 m3蓄熱水箱儲藏熱回收機組制備的衛生熱水，蓄冰罐及機組均設置在地下室內。

2）空調冷水設計供回水溫度6/13 ℃，空調熱水設計供回水溫度47/40 ℃，空調水系統采用一級泵變流量系統。

3）在本項目非建筑物場地處共設置17 口能量井，各井孔徑均為600 mm，管徑均為325 mm，單井取水量100 m3/h，單井回灌量38 m3/h，抽灌比采用1:3 的比例進行配置，17 口能量井中包括：抽水井4 口、回灌井12 口、監測井1 口，小時最大抽水量400 m3/h。

3 能耗分析

3.1 國內部分三甲醫院能耗現狀

現有醫療建筑由于科室多，用能單位多，計量設備不夠完善，并受統計源數據的準確性、統計方式等因素影響，導致醫療建筑能耗統計數據不夠完善，系統性分析數據缺失，為了分析的準確性，本文收集了夏熱冬冷地區及北京市三甲醫院的幾組能耗統計數據。根據文獻[2]介紹，上海市11 家三甲醫院2002～2007 單位面積年均能耗均超過200 kWh/(m2·a)。寧波地區25 家醫院電耗 在74～142 kWh/(m2·a)，其中床位數在1200～1600 床醫院的平均電耗在142 kWh/ (m2·a)，文獻[5]統計了上海市3 家三甲醫院的能耗，3 家醫院建筑面積在8.2～10 萬m2區間內，三家醫院單位面積年均能耗分別為212.9 kWh/ (m2·a)、196.4 kWh/(m2·a)、203.7 kWh/(m2·a)。文獻[6]對北京市21 家市屬醫院總能耗調研的數據，剔除療養性質的醫院,2012 年8 家三甲綜合醫院的總能耗各自分布在42～145 kgce/(m2·a)之間。文獻[7]對武漢12 家醫院2013 年的用能規模進行了統計，能耗分布在23～65.5 kgce/(m2·a)之間，三甲綜合性醫院能耗平均值約35 kgce/(m2·a)，三甲專業性醫院能耗平均值約23 kgce/(m2·a)，文獻[1]對浙江省30 家醫院2007 年的用能規模進行了統計，三甲醫院能耗平均值約63.36 kgce/(m2·a)，能耗范圍在28.3～150 kgce/(m2·a)之間。根據上述文獻調研數據，夏熱冬冷地區幾個城市的三甲醫院年均綜合能耗約在23～150 kgce/(m2·a)之間，部分醫院綜合能耗指標偏高，具有一定的節能潛力。

3.2 普仁醫院能耗分析

3.2.1 全院能耗

普仁醫院為一所三級甲等醫院，醫院總建筑面積約82000 m2，其中新建門診和住院部大樓地上建筑面積42200 m2，地下室建筑面積7860 m2，原有醫療生產用房約31940 m2，新建門診和住院部大樓采用集中空調，其它區域采用分體空調，用能場所有空調、照明、電梯、醫療設備、消毒等，全部采用電能，醫院2015 年～2018 年全院逐月電耗詳圖1；圖2、圖3 是醫院2017年～2018 年全院電耗與空調電耗對比圖。

圖1 2015-2018 年全院逐月耗電量

圖2 2017 年全院耗電與空調耗電對比

圖3 2018 年全院耗電與空調耗電對比

圖2、圖3 可以看出，醫院電耗與空調系統電耗成正相關關系，空調系統耗電增加，整個醫院能耗隨之增加，且本項目空調電耗約占全院電耗41%，因此空調節能是醫院建筑節能的主要因素。

2016 年、2017 年、2018 年全院電耗分別約954.4萬kWh、928.7 萬kWh、1069.1 kWh，2018 年電耗中因含二期醫院建設施工用電，電耗有小幅增高，整個醫院單位面積電耗指標小于130 W/(m2·a)，單位面積綜合能耗指標小于16 kgce/(m2·a)，遠低于三個氣候相近省份的地方標準達標值，達到湖南省地方標準DB43T-612-2015 先進值要求，具體對比數據詳表2。

1.3 采樣時間和地點 2018年冬季、夏季各采樣一次，生活垃圾樣品采集于海島垃圾轉運站，生活污水采集于海島污水處理廠。

表2 本項目單位面積綜合能耗與類似地區標準對比表

3.2.2 新建住門診院大樓冷熱源能耗分析

2017 年，2018 年門診和住院部大樓冷熱源機房電耗分別約206.52 萬kWh、224.19 萬kWh，含空調及衛生熱水兩部分電耗，全年單位面積電耗指標分別為48.9 kWh/(m2·a)、53.1 kWh/(m2·a)，折合標準煤約6 kgce/(m2·a)，空調及衛生熱水系統能耗值僅為“地方標準2”規定的醫院全部能耗定額值的20%，而常規空調系統占比一般在40%以上。夏季制冷（含衛生熱水）單位面積電耗指標分別為29.5 kWh/(m2·a)、28.8 kWh/(m2·a)，折合標準煤約3.6 kgce/(m2·a)，根據全年能耗計算結果，該醫院空調系統能耗占整個建筑能耗41%，而本項目空調末端采用常規的AHU 和FCU+PAU 空調系統，節能的主要來源為醫院空調系統的冷熱源，圖4 為2017-2018 年空調冷熱源及衛生熱水逐月耗電量，4、5、11 月份主要為衛生熱水用電。圖5、圖6 為新建住院大樓2017 年及2018 年冷熱源電耗，全樓空調電耗與全樓總電耗分析對比圖，夏季冷源耗電量不超過大樓總耗電量30%。

圖4 2017-2018 空調冷熱源及衛生熱水逐月耗電量

圖5 2017 年空調電耗與大樓總電耗對比

圖6 2018 年空調電耗與大樓總電耗對比

3.2.3 本醫院能耗與三地標準及部分醫院能耗對比

圖7、圖8 是本醫院綜合能耗與三地標準及部分醫院對比圖，圖7 能耗指標為標準煤，圖8 能耗指標為等效電。從圖7 可以看出，按標準煤指標考核本項目能耗水平很低，體現了可再生能源及熱泵系統有較好的節能環保效益；需要說明的是圖中“標準3”電能折標煤的參考系數是按等價值0.3 換算，不是按當量值換算，是導致標“準能3”能耗定額偏高的原因。這也說明了一個問題，各地在編制能耗定額時宜統一換算單位以利于橫向比較；從圖8 可以看出，按等效電指標考核本項目能耗水平也較低，低于統計中上海幾家醫院的能耗水平，因本項目采用冰蓄冷系統，在蓄冷工況，主機效率下降較多，導致制冷主機實際電耗有所提高，但總體能耗還是維持在一個較低的水平。

圖7 本項目與參照項目單位面積能耗（標準煤）對比

圖8 本項目與參照項目單位面積能耗（等效電）對比

4 經濟性分析

4.1 系統投資及預期效益

1）本工程采用水源熱泵空調系統，供冷季節為5月～10 月，共130 天左右，按門診運行10 小時，住院樓運行24 小時，按時間及負荷折算后夏季空調平均每天運行約14 小時，共計運行1820 小時，考慮0.65 的滿負荷等當量系數，共計約1180 小時。武漢地區供暖季節為11 月～2 月，共100 天左右，冬季共計運行1400小時，考慮0.7 的滿負荷等當量系數，共計約980 小時。冷熱源部分經濟分析數據詳表3，衛生熱經濟分析數據詳表4。

表3 冷熱源部分經濟性比較

表4 衛生熱水部分經濟性比較

2）系統投資：本項目水源熱泵空調供暖系統總投資約1037 萬元，與常規的“電制冷機組+鍋爐”相比，增量成本237 萬元。

3）年節省運行費用：本工程空調及衛生熱水部分每年共節約147.41 萬元的空調費用。

4）總體收益：水源熱泵空調系統壽命期按25 年計，則在壽命期內的總收益為：147.41 萬元/年×25 年=3685 萬元。

5）靜態投資回收期：2 年內回收水源熱泵及冰蓄冷空調系統增值費用。

6）空調系統節能節費原因簡析：Ⅰ、水源熱泵機組能效比高，尤其是冬季制熱能效比高于其他系統較多。采用該項技術年節省空調運行費用約67 萬元，節費占比45.5%。Ⅱ、采用冰蓄冷系統，利用夜間低谷電價制冷，制冷綜合電價不超過普通電價75%，采用該項技術年節省空調運行費用約38.15 萬元，節費占比25.8%。Ⅲ、采用全熱回收技術，供冷季回收機組冷凝熱，“免費”提供衛生熱水，其它季節采用高效能的水源熱泵機組供應住院樓全部衛生熱水，并可在夜間低谷電時蓄熱，采用該項技術年節省衛生熱水制備費用約42.26 萬元，節費占比28.7%。

4.2 環境效益

該項目每年預計可節約545 噸標準煤，每年減排1346 噸二氧化碳，減排10.9 噸二氧化硫，減排11.2 噸一氧化碳，減排5.45 噸煙塵。

5 結語

本項目通過水源熱泵技術，冰蓄冷技術及熱回收技術的應用，從而使得建筑能耗降低10%左右，空調及衛生熱水運行費用年節省140 多萬元，項目靜態投資回收期僅約1.7 年。項目實際能耗指標優于同類地區相關標準要求。

本文分析研究表明，可再生能源的應用，采用熱泵型空調系統，是降低醫院建筑能耗非常有效的手段之一。分析認為，建筑節能應從源頭抓起，醫院建筑空調系統、衛生熱水的節能是建筑節能的關鍵因素。在關注建筑能耗的同時，也應關注在降低能耗采用的新技術過程中帶來相關成本的增加，不要一味追求節能而給企業帶來過多的經濟負擔，應根據項目周邊的能源及資源條件，通過技術經濟分析確定合理的節能方案，用較低的代價起得最好的節能效果。