醫院能源站全生命周期節能改造與運維托管實踐探究

任 祺 洪詩婕 朱永松

同濟大學附屬第十人民醫院

0 引言

“碳達峰”和“碳中和”作為國家“十四五”八項重點任務之一，各行業都在為實現“雙碳”的目標努力，如何利用綠色的發展理念，開展持續有效的節能減排工作是各領域都亟待解決的問題之一。醫院建筑的屬性與其它公共建筑不同，醫院建筑使用的能源類型復雜，具有能耗高等特點[1]，且不同類型的醫院能耗情況差異較大[2]，影響醫院單位建筑面積能耗的因素也有所不同[3,4]，從單位建筑面積能耗來看，大型三甲綜合醫院的能耗水平最高[5]。因此，醫院后勤管理部門的重點工作都包含有節能降耗[6]，醫院開展節能工作不僅是在積極響應國家各項要求，而且為醫院全面發展起到很好的助推作用。

根據當前大型醫院能耗現狀調查結果，暖通空調系統的能耗在醫院各組成能耗占比中位列前茅[7]。因此，充分整合相關資源，在全面梳理醫院各系統用能水平及分布的基礎上，有針對性地開展專業化、精細化的能源站改造及后期運營管理，是醫院做好節能降耗工作的重點和關鍵。

1 能源站節能改造前用能狀況分析

1.1 改造前醫院主要用能系統

上海市第十人民醫院（暨同濟大學附屬第十人民醫院，以下簡稱“十院”）創建于1910 年，位于上海市靜安區，是衛生部首批三級甲等綜合醫院。實際總建筑面積約17.1萬m2，包括內科醫技綜合樓、外科醫技綜合樓、門急診樓、口腔樓、中醫樓、行政樓等十多棟主要單體建筑，院內建筑集中，其中內、外科醫技綜合樓建筑面積占醫院總建筑面積74%。能源站改造前主要的用能系統包括中央空調系統和蒸汽鍋爐系統。

1）中央空調系統

中央空調系統冷熱源由3 臺直燃型溴化鋰吸收式冷水機組和1 臺定頻螺桿式冷水機組組成，供應范圍為內、外科醫技綜合樓。供冷時，冷負荷低峰時段運行螺桿式冷水機組，高峰時段運行2臺直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組，其它時段運行1 臺直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組。依據冷源運行記錄數據計算出制冷季最大供冷量約為5 275 kW，單位建筑面積供冷量為44.5 W/m2。采暖時，熱負荷高峰時段運行2 臺直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組，其它時段運行1 臺直燃型溴化鋰吸收式冷熱水機組，機組設定出水溫度約為40 ℃。調研發現現場僅二次泵配有變頻裝置，但實際發現也只起到軟啟動作用，其它循環泵及冷卻塔均是工頻運行。冷卻塔四周封閉，散熱效果較差，運行噪聲大。

2）蒸汽鍋爐系統

蒸汽鍋爐系統由2 臺燃氣蒸汽鍋爐組成，供應外科醫技綜合樓生活熱水、中醫樓生活熱水、員工浴室熱水、食堂熱水、食堂蒸汽、供應室蒸汽。蒸汽鍋爐系統全年365 天運行，每天開啟時間為3:00-20:00，屬于1 用1 備的情況，隔天交替運行。設置的自動啟閉模式為工作壓力低于0.5 MPa時自動開啟，工作壓力高于0.77 Mpa時自動關閉。

1.2 改造前醫院用能水平

改造前，十院用能種類主要為電力和天然氣，圖1和圖2分別給出了改造前醫院逐月電和天然氣的使用量，由圖1可以看出醫院用電總量為2 359.1萬kWh，用電高峰在6-9 月，制冷季和采暖季的用電量要高于過渡季，圖2 可以看出醫院用天然氣總量為185.4萬m3，用天然氣高峰在7-9月以及12月至來年3 月，制冷季和采暖季用天然氣量明顯高于過渡季，分析可知制冷季和采暖季用天然氣量明顯更高的原因是冬夏季采暖或制冷使用的是直燃型溴化鋰機組。

圖1 改造前醫院逐月用電量

圖2 改造前醫院逐月用天然氣量

電力折標煤系數取0.288 kgce/kWh，天然氣折標煤系數取1.299 71 kgce/m3，最終計算能源站改造前的能耗總折標煤量為9 203.9 tce，單位建筑面積綜合能耗指標為57.4 kgce/(m2·a)。圖3 給出了改造前蒸汽鍋爐逐月用天然氣量及其折標煤量，可以看出蒸汽鍋爐用天然氣總量為50.7 萬m3，折合成標煤為659.0 tce，占總能耗折標煤量的7.2%，觀察發現夏季天然氣用量較冬季要少，這可能是因為夏季室外溫度高，生活熱水需求熱量減少，以及蒸汽在輸配過程中熱損失減少?？傮w來說，逐月天然氣用量較為平穩。

圖3 改造前醫院蒸汽鍋爐逐月用天然氣量及其折標煤量

2 能源站節能改造項目實施情況

醫院采用合同能源管理方式對能源站實施高效節能改造，實施過程分為需求梳理調研、前期策劃論證、工程項目管理三個階段。在需求梳理調研階段，首先對建筑基本信息和能耗數據進行梳理分析，再對室內環境及主要用能設備進行現場測試，找到空調冷熱源系統、生活熱水系統、蒸汽系統等主要用能系統可能存在的節能潛力，在充分分析現狀的情況下設計了針對十院能源站的綜合節能改造方案。在前期策劃論證階段，委托上海市質量監督檢驗技術研究院、上海市建筑科學研究院以及上海市計量院等專業評估機構對系統效率、節能量驗證方法等進行評估校驗，同時還組織專家論證會對改造方案進行討論，雙重評估保證了改造方案的專業性和可靠性，機構和專家一致認為方案合理可行、預期節能量測算依據充分，并建議后期由節能服務公司提供運營托管服務來保證節能效果。在工程項目管理階段，結合BIM技術輔助空間規劃和管線綜合的設計與施工，實現建筑空間的充分利用，減少不必要的空間浪費，并嚴格落實安全質量管理，重點加強對材料和焊縫等工程質量的檢驗與監督。

改造方案包括集中冷源系統、集中熱源系統、空調水系統、生活熱水系統和蒸汽系統，表1為改造新增設備的主要性能參數及臺數。

表1 改造新增主要設備性能參數

2.1 集中冷源改造

采用2臺磁懸浮離心式冷水機組與2臺變頻螺桿式冷水機組代替原有的3臺直燃型溴化鋰冷熱水機組（制冷），原有的1 臺定頻螺桿式冷水機組保留作為備用機組。磁懸浮離心式冷水機組具有超高能效、超低噪音、超低啟動電流、低尺寸重量、超長使用壽命以及少維護的優點，并且在部分負荷下機組能效（IPLV）要高于其它形式的冷水機組。

2.2 集中熱源改造

采用2 臺超低氮真空熱水機組（其中1 臺是冷凝鍋爐）代替原有的3 臺直燃型溴化鋰冷熱水機組（采暖）。超低氮冷凝真空熱水機組運用雙級冷凝（空氣預熱+煙氣冷凝）換熱技術，既吸收顯熱又吸收潛熱，大大提高了機組換熱效率。該機組不僅供熱效率高并且滿足最近NOx排放的環保要求，同時屬于免檢產品并且操作簡單，可以降低醫院的管理成本。

2.3 空調水系統改造

采用高效水泵替換原有的老舊水泵，原有冷卻塔被超低靜音型高效冷卻塔替代，二次泵、冷卻泵、冷卻塔風機變頻運行，優化系統整體運行策略。超低靜音型高效冷卻塔通過放大塔形和采用機翼型低轉速的專用風機葉片的方式來減少噪音污染，利用獨特的結構設計來有效增大水膜面積，增大換熱面積的同時也降低滴水的噪聲。

2.4 生活熱水系統改造

采用9臺空氣源熱泵機組加蓄熱水箱替換原有的蒸汽鍋爐系統來提供院區的生活熱水，利用夜間谷電的特點來運行空氣源熱泵機組，再利用蓄熱水箱儲存熱水以供白天使用。十院采用直熱式和循環式結合的新型加熱方式來減少循環加熱時間。一般地，空氣源熱泵機組熱效率可達3.0以上，依據近年來電價與燃料價格情況，預估空氣源熱泵機組運行費用較蒸汽鍋爐可節約50%以上。

2.5 蒸汽系統改造

采用2臺高效蒸汽發生器替換原有的蒸汽鍋爐系統（供蒸汽），全變頻運行。高效蒸汽發生器平均排煙溫度僅110 ℃，設計熱效率達92%以上。機組可以極速產蒸汽，從開機到正常供應蒸汽只需3 min，是常規蒸汽鍋爐啟動速度的10倍，節省了啟動能耗。

改造方案除了上述帶來的節能效益外，還通過合理的規劃布局，騰空建筑空間約1 000 m2，供醫院應急消毒供應中心、病史室等功能用房使用，騰出原消毒供應中心空間改為5 間手術室，緩解了醫療業務用房緊缺現狀，實現醫療建筑空間規劃最優化、效益最大化。

3 能源站節能改造后運營管理

從建筑設施全生命周期的角度來看，運營階段能耗在建筑總能耗中占比最大。因醫院建筑具有能耗高、耗能設備數量及種類多、耗能系統復雜等特性，所以在實施節能改造后開展高質量的能源運營管理，對降低建筑全生命周期的能耗水平尤為重要。能源運營管理質量與效益主要取決于能源運營管理模式和專業化管理水平。

3.1 能源運營管理模式的選擇

現有的醫院能源運營管理模式包括醫院自行管理、物業外包、節能服務公司托管三種。表2比較了這三種能源運營管理模式的優缺點，圖4 直觀展示了三種能源運營管理模式在團隊建設與凝聚力、專業能力等七個方面的特征表現，可以看出節能服務公司具有專業的技術人才、優良的運營管理團隊、豐富的工程經驗，能為醫院提供科學化、精細化、智能化的專業運營管理服務，既保障節能效果，又解決了醫院后勤能源運營技術水平較低、成本難以控制、銜接與協調耗時耗力等問題，可以全方位提升醫院后勤保障水平，因此針對醫院建筑用能的特殊性，對比三種能源運營管理模式可知節能服務公司托管模式更適合醫院。十院將采用合同能源管理方式實施改造的能源站交由原節能服務公司托管，以期實現能源設施管理的專業化、設備使用壽命與節能效益的最大化。

圖4 三種能源運營管理模式比較

表2 不同能源運營管理模式的優缺點

3.2 專業化運營管理的探索

當前，國內醫院后勤管理內容主要包括動力運維、物資供應、物業管理、餐飲服務等，涉及專業化能源管理內容的并不常見，原因與醫院后勤專業化人才缺乏、管理水平不高有關。醫院能源管理往往比較粗放，很難平衡好環境舒適度與節能管理的關系，從而影響了醫護人員和患者的體驗。與此同時，很多節能技改項目由于后勤運行、維護及調適水平不高而導致實施后節能效益不持續，設備使用壽命也難以得到保證。為此，十院探索將能源站交由專業節能服務公司管理，以期實現最優的設備運維管理、最佳的環境舒適度和最大的節能效益。

1）建立基于合作監督關系的運營管理組織

委托專業節能服務公司運營托管，不代表醫院撒手不管，為確保達到預期節能效益并有所提升，醫院必須與節能服務公司共同努力，方能達到理想目標。為此，醫院成立了節能工作領導小組（由后勤副院長擔任組長，相關職能部門處長擔任組員）、節能工作小組（由后勤保障處處長擔任組長，相關能源管理崗位負責人擔任組員），以及由節能服務公司與后勤動力保障部門共同組建的能源站運營班組。日常運維交由節能服務公司派駐的項目經理全權負責，同時節能工作小組每月對能源站運行與能耗情況進行評估，確保設備運行完好和節能效益的實現。

2）定期實施能源站運營績效考核

建立月度會議、季度考核、年度考核制度，每月后勤保障處組織召開能源站節能運行管理分析、評估及持續改進會議，每季度醫院節能工作小組對能源站運營班組服務情況進行檢查考核，考核結果與節能效益支付掛鉤，每年度節能服務公司項目部向院方提交節能效益分析、設備運行維護、故障維修分析、人員培訓情況總結報告，考核結果與托管服務合同續簽掛鉤。

3）建立專業化外包服務管理制度體系

通過建立設備運行維保管理制度、運營節能降耗管理制度、中央空調設備運行管理制度、蒸汽發生器應急措施、設備事故管理制度、維修材料出入庫規定等三十余項管理制度，以及系統化、科學化地培訓和管理運行操作人員等，提升能源站運營管理效率。通過管理制度體系的保障來進一步加強醫院和運營公司的用能行為管理。

4）實現精細化的設備管理

專業節能服務公司對設備有更深入的了解，會全方位分析不同維度的影響因素對系統的影響，如冷機換熱器結垢對能耗的影響、中央空調制冷控制邏輯及耗電設備參數、水泵開啟臺數和頻率對能耗的影響、生活熱水系統控制邏輯及耗電設備參數等，通過專業化分析實現對設備的精細化管理。

5）建立智能化能源管理平臺

為了提高運營管理水平，本項目中還引入了可視化管理、EDS系統、能源站智控平臺、TPM看板等管理手段（如圖5、6所示）。能源站遠程管理平臺可實現冷熱源系統遠程監控、能耗分項計量統計、能耗查詢（電、天然氣、冷／熱量、蒸汽量）、能耗對比分析、能源站能效管理等，還可利用監控平臺對系統控制邏輯參數進行設定、分類實時顯示計量儀表數據、能源設備臺賬調取等，在提高效率的同時，還大大提高了醫院后勤智能化管理水平。

圖6 智能化能源管理平臺

4 能源站全生命周期改造與運維托管實踐成效

圖7給出了十院能源站改造完成后運維托管第一年的用能數據分析，圖中展示制冷、采暖、生活熱水以及蒸汽系統逐月實際運行能耗折標煤量及占比情況。

圖7 用能系統逐月能耗折標煤量

分析可知在能源站運維托管一年后，全年能耗折標煤量為1 296.2 tce，而改造前僅3 臺直燃型溴化鋰機組和2臺蒸汽鍋爐的全年能耗折標煤量已有2 301.8 tce，對比十院能源站改造前后能耗，顯示改造及運營效果優良。

改造后，制冷系統、采暖系統、生活熱水系統、蒸汽系統全年能耗折標煤量分別為341.9 tce、514.7 tce、157.1 tce、282.6 tce，分別占能源站全年能耗折標煤量的26.4%、39.7%、12.1%、21.8%，可以看出空調系統能耗為能源站的主要能耗，應在今后運營中予以重點關注并實現精細化調控。

圖8 給出了運行一年后能源站制冷、采暖以及生活熱水系統逐月能效比的情況。制冷系統逐月能效比均在5.0 以上，全制冷季系統平均能效比為5.6；采暖系統逐月能效比均在0.8 以上，全采暖季系統平均能效比為0.87；生活熱水系統逐月能效比在2~4之間波動，冬季系統平均能效比為2.5，夏季系統平均能效比為3.6，過渡季節系統平均能效比為3.0，全年系統平均能效比為3.1。

圖8 用能系統逐月能效比

通過各用能系統能效比數據分析可知節能服務公司托管下十院能源站運行良好，實現了高效節能，改造后實際運行第一年節約費用約350萬元，節約1 441 tce，綜合節標煤率達15.7%，運行第二年節約費用約407 萬元，節約1 625 tce，綜合節標煤率達17.7%，達到“上海市公共建筑能效提升重點城市示范項目”的標準。項目于2020 年獲得了全國“藍天杯高效機房優秀工程—卓越節能技術獎”，并由于近年醫院后勤持續推動包括能源站節能改造在內的節能管理系列工作，醫院能耗水平始終位于全國和上海市同級同類醫院前列，2019年國家公立醫院績效考核能耗指標獲得滿分，2020年被國管局、國家發改委、財政部授予“公共機構能效領跑者”稱號。

5 總結與體會

通過實踐發現，采用合同能源管理（EMC）方式對能源站實施高效節能改造，并基于全生命周期的理念進行專業化運維托管，節能成效顯著，該模式可為其他醫院的節能改造與專業運維管理模式提供思路，有助于提升醫院節能管理的社會化、專業化、精細化水平。但在實踐過程中還應充分考慮醫院組織管理特點、實施環節控制、環境舒適需求與節能效益相平衡等實際情況，在改造前期準備階段和后期運維階段中值得關注的有以下5 點。

1）通過合同能源管理方式進行的節能改造項目，涉及的技術、經濟、管理等專業知識較多，過程中會有不同的部門、不同的技術或管理背景人員介入，需要溝通的事項和協調的部門也較多，因此醫院后勤部門需加強與節能技術服務公司、醫院內部各部門和醫院領導之間的有效溝通，避免出現因對節能知識了解不全面、對后勤現狀缺乏認識和對EMC 財務核算方式不理解等因素而導致的節能改造項目流產以及運營托管過程中的爭議。

2）要實現全生命周期的節能改造與運營管理目標，除了要有專業的節能服務公司與項目團隊外，必須在實施前明確醫院的改造需求、現場情況、效益目標和運營管理標準，通過各方專業機構或力量獲得準確的能耗計量和基準測算結果，并結合醫院實際對改造與運維方案進行科學論證，明晰實施效益與風險因素、提出合理化建議，確保項目的順利實施。

3）在能源站運營管理中需關注系統運行數據采集的精準度，定期對往期運行數據進行充分的分析與研究，深入探尋不同功能建筑、不同業務時段、不同季節天氣負荷需求下的最佳運行策略，包括機組運行方式、開啟臺數及運行時長等，基于理論知識并結合機組特性、環境參數，靈活運用自控技術，降低人為操控行為產生的不必要能耗。

4）在確保節能的同時，還需充分考慮各機組的最佳運行模式，并且制訂合理且嚴格的維護保養計劃，盡可能延長機組的壽命，以保證機組長期處于高效穩定的運行狀態，滿足醫院全年不間斷的用能需求。

5）合同能源管理在眾多行業的實踐運用中被證實是行之有效、值得大力推廣的節能改造模式，但國內對其開展的研究深度較淺，對該模式本身存在的一些弊端以及可能產生的風險分析還不夠全面。如何發揮出合同能源管理及運維托管模式的最大優勢，在保證醫院環境舒適的前提下取得節能效益最大化，避免出現節能服務公司過度追求經濟效益而背離節能改造初衷的情況，是值得雙方重點關注的。因此院方應加強對能源系統日常運行管理的監督，完善機組開啟運行操作規程，與運維管理人員共同探尋舒適與節能之間的最佳運行平衡點。