上海某醫院集中鍋爐系統節能改造技術路線研究

姚晶珊

復旦大學附屬華山醫院

0 引言

醫院作為城市典型公共建筑，也是城市的能耗大戶。其中建筑能耗占總能耗的27%左右，遠遠高于其他類型公共建筑能耗［1］。醫院在早期設計時充分考慮了余量和穩定性，未對節能性進行充分考慮和設計，使醫院用能存在巨大浪費，同時意味著節能潛力巨大。

醫院普遍的用能需求有制冷、采暖、供應室消毒蒸汽、照明、廚房用熱及生活熱水等。其中采暖、供應室蒸汽及生活熱水為用熱系統，很多醫院采用傳統做法，統一采用集中蒸汽鍋爐供給各個用能點，直接供應蒸汽或者進行汽水化熱給介質加熱。此供能形式在節能角度上存在較多弊端。上海某醫院采用了這種供熱方式，本文以此醫院為例進行集中鍋爐系統節能改造技術路線研究。

1 項目概況

1.1 醫院概況

某醫院為國家三級甲等醫院，建筑面積約110 752.48 m2。醫院核定床位1 216 張，擁有臨床科室和專業39 個，2019 年門急診量逾344 萬人次。上海某醫院建筑面積信息見表1。

表1 上海某醫院建筑面積信息表

1.2 用能概況

醫院建筑數量眾多，建筑面積較大的1、2、5、6號樓有制冷、采暖及生活熱水需求。采用水冷冷水機組供冷，采用集中蒸汽鍋爐，蒸汽經汽水換熱器換熱加熱采暖循環水供暖，采用集中蒸汽經汽水換熱器制備生活熱水。每棟建筑都有各自的制冷機房，配置了不同類型的冷水機組；集中熱源采用集中蒸汽鍋爐，鍋爐房安置在1號樓，集中蒸汽由蒸汽管道輸送到各個建筑用汽點換熱，供應建筑采暖及生活熱水。此外醫院供應室和廚房有直接蒸汽使用需求，用于消毒及炊事。其他建筑空調冷熱源采用分體式空調供應。某醫院各建筑用能需求及用能形式見表2。本文主要對蒸汽鍋爐供熱系統進行分析介紹。

表2 某醫院各建筑用能需求及用能形式統計

1.3 鍋爐供熱系統能耗分析

能耗分析是節能改造的第一步，也是節能潛力分析的基礎。2019 年鍋爐房燃氣消耗量約128.5 萬m3，逐月燃氣耗量如圖1 柱狀圖所示。將鍋爐房所用燃氣按照冬季采暖、生活熱水及蒸汽供應幾類用途進行拆分，結果見表3。由能耗拆分數據可知，非采暖季，僅供生活熱水和蒸汽的燃氣量不少于鍋爐房全年燃氣量的1/3，節能潛力較大。蒸汽鍋爐分項能耗占比見圖2。

圖1 蒸汽鍋爐逐月能耗柱狀圖

圖2 蒸汽鍋爐分項能耗占比

表3 蒸汽鍋爐供熱系統分項能耗拆分

2 改造方案

2.1 集中蒸汽鍋爐供能系統節能潛力分析

醫院集中鍋爐房設置在1 號門急診大樓B2 層，鍋爐房內配置3 臺燃氣蒸汽鍋爐，其中兩臺額定蒸發量為7 t/h，1臺額定蒸發量為10 t/h。鍋爐房集中蒸汽供應和集中空調采暖、生活熱水、廚房及供應室消毒。

根據現場踏勘，了解鍋爐的使用年限、設備運行狀態、設備管理現狀等情況，并根據其他醫院鍋爐節能改造項目上的經驗分析，雖然鍋爐已經采用煙氣余熱回收等局部節能措施，但集中蒸汽鍋爐仍具有較大的節能潛力：

1）鍋爐制備蒸汽平均能效約為69.7%

根據2020 年7-11 月統計鍋爐房外供蒸汽4 165.3 t，鍋爐房7-11月消耗燃氣量423 980 m3。以蒸汽熱值2 700 kJ/kg，燃氣熱值38 044 kJ/m3，估算鍋爐房全年外供蒸汽的平均能效約為69.7%。

鍋爐制備蒸汽外供的平均能效僅為69.7%，其中一個主要原因是鍋爐長期低負荷運行；蒸汽鍋爐的運行通常受管道內蒸汽壓力控制，為維持末端正常用熱，鍋爐需持續保持管道壓力。在低負荷時期，末端幾乎不用熱，管道如果保溫條件不好或存在泄漏，管道內壓力會緩慢降低；當壓力低于控制點，鍋爐啟動產生蒸汽，管道升壓。此時的加熱是短暫的，因為管道升壓蒸汽需求量低，于是造成了鍋爐的頻繁啟停；鍋爐每次啟停又會對爐膛進行吹掃，爐內熱量被吹走造成浪費。比如，院區內生活熱水24 h 供應不間斷，當最遠處某建筑有熱水需求時，必須運行一臺鍋爐，造成浪費，降低了整體供熱效率。

2）長距離蒸汽輸送，存在輸送損失及泄漏損失

集中鍋爐房蒸汽需要輸送至各個用汽點，根據現場踏勘，蒸汽管道輸送距離大約300～600 m。長距離蒸汽輸送且蒸汽管道使用年限較長，部分管段保溫破損；此外，長距離的正壓蒸汽管道不可避免地會有蒸汽泄漏點，估計的熱力損失約15%左右。

3）蒸汽制備熱水、供熱，存在換熱損失

大部分建筑采用蒸汽通過板式換熱器制備生活熱水，存在換熱損失約10%。蒸汽鍋爐供能系統現場照片見圖3。改造前集中鍋爐各用能系統綜合能效估算表見表4。

圖3 蒸汽鍋爐供能系統現場照片

表4 改造前集中鍋爐各用能系統綜合能效估算表

2.2 節能改造方案

由節能潛力分析中對蒸汽鍋爐供熱系統效率的分析可知，系統在鍋爐效率、載熱介質輸送、換熱方面均存在提升空間。鍋爐效率方面可以選用效率更高的新式熱源產品。載熱介質輸送方面，盡量減少蒸汽載熱的比例，可選用熱水供熱，按末端溫度要求直供熱水，減去汽水換熱的環節。對采暖、生活熱水及蒸汽三方面的供熱需求，將三種需求的供熱系統分別獨立，每個系統按照負荷特點配置設備，杜絕“大馬拉小車”工況。

1）采暖系統改造

采用超低氮真空熱水機組替代蒸汽鍋爐供采暖熱水，1 號樓、2 號樓、5 號樓、6 號樓總建筑面積為93 937 m2，建議配置2 臺單臺制熱量為2 800 kW的超低氮真空熱水機組，其中一臺為超低氮冷凝真空熱水機組，一臺為雙換熱器超低氮真空熱水機組（可同時供應采暖熱水及生活熱水）。上海醫院建筑常規單位建筑面積采暖負荷指標不超過40 W/m2，目前本方案單位建筑面積負荷指標為60 W/m2，已超過常規配置的50%，完全可滿足醫院空調供暖需求。

日常供暖開啟一臺超低氮冷凝真空熱水機組即可滿足需求，另一臺雙換熱器機組可作為采暖及生活熱水的備用機組。

2）生活熱水系統改造

根據鍋爐房能耗拆分結果，醫院生活熱水天然氣耗量約46.73 萬m3，日平均生活熱水用量約205 m3。建議安裝兩臺真空熱水機組，單臺換熱量為1 400 kW 超低氮真空熱水機組供應生活熱水，該機組每小時產生活熱水量為24 m3，完全可滿足醫院生活熱水使用。

3）蒸汽系統改造

根據鍋爐房能耗數據及鍋爐房運行記錄分析計算，醫院單位小時最大蒸汽需求量為0.8 t。考慮一用一備，配置2 臺1 t/h 蒸汽發生器，可滿足蒸汽使用要求和設備備用的要求。

3 節能改造預期效果

1）采暖系統：根據前述估算蒸汽鍋爐供采暖效率約為53.6%，選用真空熱水機組供采暖，根據經驗估算，平均供暖效率可達約89.3%。可實現單項節能率約40%。

2）生活熱水系統：生活熱水系統同采暖相似，改造前后供熱效率大致相同，可實現單項節能率約40%。

3）蒸汽系統：改用高效蒸汽發生器后，蒸汽設備專供蒸汽使用點使用，供蒸汽效率由59.5%可提升到約85.5% 左右。可實現單項節能率約30%。

各項節能數據測算結果見表5，鍋爐供熱系統改造各項節能量占鍋爐總能耗36.8%左右，全年約節約燃氣47.3 萬m3，折合標煤量614.77 tce。根據經驗，若實施改造，預計3-4 年節能量可收回投資成本。

表5 節能改造措施及節能效益計算表

4 結語

本文通過對上海某醫院蒸汽鍋爐供熱系統分析，提出了針對當前供能結構的改造建議，并估算了節能效益和投資回收期限。根據評估可見，該醫院鍋爐供能系統節能量可觀，建議盡早實施改造。