醫院建筑暖通空調節能改造設計方法

趙偉

（深圳市華陽國際工程設計股份有限公司，廣東深圳518000）

1 引言

建筑暖通空調系統的運行質量直接關乎室內環境舒適度，但同時暖通空調運行時的能源消耗量較大，加劇電力資源供應短缺的局面， 切實解決建筑暖通空調能源消耗偏高的問題迫在眉睫。 基于此， 需要深入研究建筑暖通空調的節能策略，以保證暖通空調功能得以正常實現為基本前提，改善能源消耗結構，最大限度減少能源消耗梁和污染物排放量，提高建筑綠色環保水平。

2 建筑暖通空調節能優化設計原則

1）低碳原則。 老舊暖通空調的能耗高，運行時的污染物排放量多，引起資源浪費和環境污染問題。 在建筑暖通空調優化設計中， 需要考慮資源利用最低化和污染物排放最小化的要求，確保設計的暖通空調達到國家規定標準，此舉是對建筑暖通空調系統的約束， 也是順應現代社會經濟以及生態環境發展趨勢的必行之舉。 根據低碳原則設計暖通空調系統時，設計人員必須嚴格把控材料質量、施工工藝，確保建造成型的暖通空調系統滿足低碳減排的要求。

2）協調設計原則。 建筑暖通空調系統集多類子系統于一體， 各子系統又由諸多零部件組成， 整體系統的組成錯綜復雜。 在設計暖通空調時，需要兼顧各子系統，保證子系統自身功能可正常實現的同時增強子系統間的協調性， 共同構成功能豐富、性能可靠的建筑暖通空調系統。 除內部協調外，還需要注重暖通空調系統與外部環境的協調， 盡可能通過設計手段減少外部環境受暖通空調系統的影響， 實現真正意義上的建筑暖通空調系統和周邊生態環境的協調發展。

3）可循環原則。 在資源緊缺的背景下，設計人員需要探索資源的可循環利用路徑，實現資源“變廢為寶”的效果。 在基于可循環原則的建筑暖通空調系統設計中， 設計人員需要考慮暖通空調的運行特性以及資源供應情況， 尋找可回收利用的資源點， 采用技術手段將空調運行時產生的能源和廢料進行轉換，保障資源利用價值最大化。 設計中，可在建筑暖通空調系統內部形成多個自循環系統，共同提高節能水平。

3 醫院暖通空調系統特點

1）醫院建筑規模大，暖通空調系統的服務范圍廣，同時各功能區對暖通空調的功能提出特殊的要求。 隨著醫療事業的發展以及居民生活水平的提高， 居民對健康狀況給予更多的關注，對醫療機構設施、醫療環境均有更高的要求。 醫院建筑除了為治療疾病提供空間外，還需集醫療、教學、科研等功能于一體，使得醫院建筑成為功能豐富的大型綜合建筑。 在此發展現狀下，醫院暖通空調的數量增加，用能結構復雜，暖通空調的能耗顯著增加[1]。

2）醫院屬于特殊場所，人員密集且對建筑內部環境有著特殊的要求，以室內環境的溫度、濕度、風速等參數為例，手術室、分娩室、病房等空間均對各項參數提出明確的要求，并且由于空間功能的不同，參數控制標準也有區別。 而大型醫療設備以及信息數據機房均是醫院的重要設施， 對暖通空調系統的功能穩定性有較高的要求，一旦暖通空調發生異常，室內環境難以滿足儀器設備的正常運行需求， 從而影響醫療工作的正常開展。 此外，行政辦公樓和住院病房對暖通空調系統的要求較為靈活，僅需提供常規的制冷和制熱服務即可。 暖通空調的配置需要視功能要求而定， 暖通空調系統的結構以及運行機制均復雜多樣。

4 醫院暖通空調系統節能改造案例分析

某醫院建筑面積約30 萬m2，包含門急診、病房、綜合辦公、科研、教學、大型醫技、生活用房及保障用房。建筑墻體采用空心磚和預制混凝土結構，外窗為雙層玻璃內遮陽。建筑消耗的資源類型有兩類，一是暖通空調系統、照明系統、綜合服務系統等消耗的電力資源，二是餐飲服務系統、供暖系統及特殊用能系統消耗的天然氣。 醫院暖通空調系統的運行時間長，運行負荷重，其中，制冷季節為5～9 月，制熱季節為11 月～次年4 月。 照明系統、 特殊用能系統全年運行。 根據節能環保的現代建筑發展理念，剖析該醫院建筑暖通空調系統的能源消耗現狀，進行節能改造，提高供暖系統和空調系統的節能水平。

5 醫院暖通空調系統節能改造設計

5.1 供暖系統的節能改造設計

燃氣鍋爐是重要的醫院內部供暖熱源， 其中≥2 臺2 t 的燃氣蒸汽鍋爐提供醫用蒸汽和生活熱水熱源，4 臺10 t 燃氣熱水鍋爐提供供暖熱源。冬季取暖期，供暖量攀升，10 t 鍋爐的運行數量達到3～4 臺，嚴寒時期4 臺10 t 鍋爐同步運行，初寒和末寒時期運行數量為2～3 臺。 非供暖期，蒸汽鍋爐的運行數量為1～2 臺，主要提供醫用蒸汽、生活熱水及洗衣房等熱服務。 從醫院鍋爐房硬件設施配置現狀來看，共設置12 臺循環水泵，但均未配置變頻控制裝置，導致水泵運行時的資源消耗量增加。 因此，提出增設氣候補償器系統的節能改造方案，實施精準調控策略，降低供暖系統的能源消耗量[2]。

供暖系統的供熱設備選型主要基于最大熱負荷進行，而硬件設施實際運行時出現最大熱負荷的時間短， 資源未被充分利用，在增設氣候補償器后，可以提升溫度調節的靈活性，在室外環境空氣的溫度發生改變后隨即進行調節。 關鍵調節機理在于通過對電動調節閥開度的改變來維持合適的供回水混合比例，以此優化換熱站的運行狀態，避免因供水溫度調節不及時、不精準而大量消耗資源。

5.2 空調系統的節能改造設計

醫院門診樓和診斷樓共配置2 套空調系統， 功能分配情況為：1 臺為舒適性空調系統， 用于調節非手術房間及樓內公共區域的空氣；1 臺為手術室潔凈空調系統， 用于調節手術室的環境。 舒適性空調系統的關鍵設施在于新風機組，經過溫濕度處理以及過濾處理后的新風被送至各房間， 提供新風送風功能。 風機盤管安裝在各房間，布置較為靈活，可單獨控制各房間。 潔凈空調系統主要分布在樓內設備夾層，采用的是定風量全空氣系統，在其調節作用下，使空間內的正壓與潔凈度均達到要求。 空調水系統有兩管制和四管制兩種形式，本建筑暖通空調系統采用的是如下配置方式： 樓內舒適性空調區域為兩管制，夏季冷凍水和冬季二次熱水連至分水器，通過閥門靈活切換供冷工況的冷凍水和供熱工況的二次熱水； 潔凈空調水系統采用四管制，根據手術室對冷源的需求，配置的是2 臺螺桿式冷水機組， 冷凍水與板式換熱器二次熱水連至供回水管道[3]。

根據本醫院建筑空調系統的配置現狀，進行節能改造設計。

1）水泵變頻控制改造設計。 按照最大負荷設計中央空調系統并配置硬件設施， 而醫院建筑暖通空調系統實際運行時的年平均負荷普遍低于設計負荷，根據既有運行資料可知，最大負荷出現的時間不超過總運行時長的10%， 常規方法是設置調節閥， 通過對此裝置開度的調節來達到提高管網阻力的效果，雖然此方法的流量控制效果良好，但存在能源消耗量偏高的問題，無法從根本上提高節能降耗水平。 因此，需以建筑實際運行負荷為準，根據當前的負荷變化動態調節空調系統。

2）水泵變頻控制改造設計。 （1）溫差控制方式。 關鍵控制參數為供回水鋼管溫差， 根據現有裝置的運行狀況和醫院暖通空調系統對水泵的要求設計供回水溫差的控制標準， 通常以5 ℃為宜。 溫差控制的工作機理為：為供回水管安裝溫度傳感器，及時監測溫度并對比分析供水管、回水管的測溫數據，確定兩者的溫差，再向控制裝置回傳溫差數據，將其與溫差控制標準做對比分析，根據偏差靈活調節水泵流量，從而減少不必要的能源消耗。 （2）壓差控制方式。 控制器的輸入信號采用的是水氣筒中壓差值，采用自拌熱，盡可能減少熱量損失，設置厚度為20 mm 的石棉繩和玻璃纖維布（保護層），在防護結構的基礎上，涂刷防腐漆，通過多層結構有效減少熱量損失。

6 醫院暖通空調系統節能改造前后的運行效果分析

以門診樓建筑空調系統為例， 分析用電量、 折合標準煤量、減少CO2排放量及單位建筑面積節電量，改造后的能耗數據如表1 所示。

表1 門診樓建筑空調系統改造后的能耗

每年5～8 月，冷水機組負荷均在50%以內，負荷率50%～80%， 離心式制冷劑COP 最高， 資源得到充分的利用。 機組COP 將由于長期保持負荷率低于50%的狀態而降低， 單位冷量耗電量增加，存在喘振現象，不利于機組的穩定運行以及資源消耗量的控制[4]。 針對該問題，用DN250 管道連接門診樓空調系統分水器和集水器，5～8 月使用門診樓1 臺冷機， 以較少的能源消耗來滿足門診樓的供冷要求。 制冷系統經過節能改造后的能耗情況，如表2 所示。

表2 制冷系統改造后的節能量

6 節能措施總結

醫院暖通空調系統的能耗較高， 實施節能改造策略是降低能耗的重要舉措。 在節能設計中，工作人員需評估現有暖通空調系統的運行狀況，重點分析能耗較高的裝置及運行環節，再從硬件配置、軟件升級等方面尋找突破口，提升暖通空調的節能降耗效果。 經過本文的分析，做如下總結。

1）非供暖季獨立設置小型燃氣鍋爐，裝置性能與此階段的負荷相適配，在正常實現功能的同時達到節能降耗的效果，僅以夏季為例，節能改造后可節省約5 萬m3的天然氣，減少約110 t 的CO2排放量。

2）冷水機組能耗偏高的問題可通過增加單臺冷水機組供冷面積的方式解決，但必須確保各設施均可協調運行。 在增加單臺冷水機組供冷面積后，機組保持高負荷率運行狀態，資源得到充分利用，較之于改造前，COP 大幅提高。

3）在原設計方案中，冷卻水水面采用敞開式的形式，隨著暖通空調系統運行時間的延長， 冷機組冷凝器水側結構堆積的雜質含量逐步增加， 引起愈發嚴重的堵塞問題， 導致COP降低，能耗增加，冷機組的服務品質降低，有關技術人員需予以高度的重視，調整結構配置方式、攔截雜質等，保證冷機冷凝器的正常運行。

7 結語

綜上所述， 暖通空調系統在建筑工程中取得廣泛應用，醫院建筑各空間的環境要求高， 設計人員需要根據功能可靠、節能環保等要求設計醫院建筑暖通空調，引入前沿的節能環保技術，配置節能減排的暖通設備。 經過本文的分析，闡述暖通空調節能設計的基本原則，并重點探討了醫院暖通空調節能改造設計策略，以期起到拋磚引玉的作用，為同仁的暖通空調節能改造設計工作提供參考。 同時，設計人員需持續深化設計理念，改進設計方法，提高醫院建筑暖通空調的節能改造設計水平。