夏熱冬冷地區醫院高效機房改造方案

曾思景，湯振博

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 420000）

0 引言

2021 年10 月28 日國務院印發了《2030 年前碳達峰行動方案》，明確提出了實施城市節能降碳工程，開展建筑、交通、照明、供熱等基礎設施節能升級改造，推進先進綠色建筑技術示范應用，推動城市綜合能效提升。推動既有設施綠色升級改造，積極推廣使用高效制冷、先進通風、余熱利用、智能化用能控制等技術，提高設施能效水平。

2009—2015 年我國民用建筑能耗年均增速為6.3%，而公共建筑能耗占比逐年增加，由17.6%增加至26.6%[1]。根據2020 年上海市公共建筑能耗監測平臺能耗數據分析，醫療衛生建筑和商場建筑的用電強度明顯高于其他類型的公共建筑，空調用電占比最好的建筑也為醫療衛生建筑[2]。因此通過對傳統的醫療衛生建筑的能源系統進行分析，提出經濟合理的能源供應方案，明確高效制冷機房設計方案，并對其進行全年能耗評估很有意義。

1 醫院概況

1.1 建筑概況

該醫院位于長沙市，一所集預防、保健、醫療、康復、科研和教學為一體三級甲等醫院。醫院包含住院樓、綜合樓（含副樓進修樓），開設病床600 張，總建筑面積約3.9 萬m2。

1.2 空調及生活熱水現狀

醫院的空調系統冷熱源機組及生活熱水熱源統一設置在綜合樓地下機房內。綜合樓面積23370m2，現狀采用分體水環熱泵系統，室內機總制冷量2280kW，夏季利用冷卻塔散熱，冬季由熱水鍋爐供熱，供熱量1.1MW。

住院樓面積15714m2，夏季由1 臺螺桿式地源熱泵機組、1 臺模塊式地源熱泵機組及4 組單冷模塊式水冷機供冷，總制冷量1732kW，熱泵機組供熱量539kW，熱水鍋爐供熱量0.7MW；原設計方案冬季采用地源熱泵進行供暖，由于季節性閥門切換，對于運行班組要求較高，實際運行時，冬季停用地源熱泵，采用熱水鍋爐供熱。由于系統運行10 年來，長期夏季向土壤排熱，土壤溫度升高，經過實測，夏季地埋側冷卻水出水溫度為34℃。

綜合樓及住院樓生活熱水采用熱水鍋爐，供熱量1.4MW。主要設備參數如表1 所示。

表1 主要設備參數

1.3 能源消耗現狀

醫院2018—2020 年用電量及天然氣消耗量如表2所示。2018—2020 年逐月用電量如圖1 所示。醫院2018—2020 年逐月用電量總體上呈現夏冬季高、春秋季低的趨勢，主要原因為醫院夏季空調、冬季采暖用電量高。數據變化趨勢符合夏熱冬冷地區醫院類公共建筑的用能特征。2020 年受到疫情的影響，年總用電略低于2019 年。耗電量及生物質燃料消耗量按照綜合能耗計算通則[3]折算，3 年平均用能強度按照等量折算為28.24kgce/（m2·a）。

圖1 2018—2020 年逐月用電量

表2 2018—2020 年用電量及天然氣消耗量

1.4 能源系統存在的問題

（1）冷熱源。①運行管理復雜，故障率高。目前住院樓冷源機組有3 種類型，6 臺機組，管路連接復雜，占用機房面積，目前有1 臺單冷模塊式水冷機已壞待修。②設備老舊，效率低。空調主機備額定COP，較低運行12 年，效率衰減嚴重，模塊機實測COP 為2.9，螺桿機實測COP 為3.3。

（2）循環水泵。①水泵設置不合理。住院樓冷凍水循環泵、地源側循環泵與制冷機組流量不匹配，水泵缺少變頻控制，無法根據負荷變化進行合理的運行調節，為定頻水泵長期處于低效運行。②設備老舊比較嚴重。水泵運行時間超10 年，老化嚴重，能效衰減嚴重。

（3）冷卻塔。設備老舊比較嚴重。冷卻塔使用年期超10 年，填料損壞嚴重，效率低，實測供回水溫差不足2℃。

（4）控制系統。醫院冷站主機、水泵等均由人工進行啟停及運行控制，系統無法根據負荷變化，實現主機、水泵的自動加機或減機運行，不利于系統節能運行及提升管理效率。由于缺乏自動控制系統，內科樓冬季舍棄高效的地源熱泵機組，采用熱水鍋爐供暖，一方面系統能耗高，另一方面影響夏季制冷效率。

冷站的運行參數經設定后未做調整，沒有根據末端負荷需求變化情況、室外環境溫度變化情況，合理的調整供回水溫度設定參數，存在較大的用冷浪費情況。

2 改造方案

2.1 負荷分析

由于住院樓和綜合樓為獨立的空調系統，且綜合樓為水環熱泵系統，對其進行改造難度較大且對醫院的運行有較大影響，因此本次方案主要針對內科樓機房系統進行改造。

由于缺乏建筑圍護結構設計資料，參考類似工程，住院樓冷指標取65W/m2，熱指標取35W/m2，則內科樓冷負荷為1021kW，熱負荷為550kW。內科樓兼有住院樓的功能，運行時間與賓館類似，其逐時冷負荷系數參考賓館類型建筑取值[4]，根據醫院運行記錄，醫院的供冷期取4 月28 日至10 月18 日，采暖期取11 月19 日至次年3 月18 日，全年負荷計算結果如圖2 所示。

圖2 住院樓全年負荷預測

2.2 改造方案

（1）冷熱源系統改造方案。考慮到現有土壤蓄熱比較嚴重，地源熱泵機組制冷效率較低。因此本次方案新增一臺制冷量1055kW 的高效變頻螺桿水冷機組，夏季供冷。

為充分利用土壤蓄熱，新增一臺制熱量367kW 螺桿地源熱泵機組，保留現狀制熱量400kW 螺桿地源熱泵機組聯合運行，總裝機容量767kW。現階段以地源熱泵機組供暖為主，待土壤溫度回落后，調整運行系統控制策略，保持土壤溫度穩定在當地正常區間內。

綜合樓、住院樓各新增2 臺制熱量為90kW，1 臺制熱量為40kW 的高效風冷熱泵機組，聯合1400kW 生活熱水鍋爐產生生活熱水。

（2）管網改造方案。現有機房管路拆除，對機房管網進行重新設計。在以下方面進行了優化：①水泵入口采用低阻力角通式自動反沖洗過濾器代替Y 型過濾器。②水泵出口，采用低阻力偏心球形止回閥。③采用順水三通、順水彎頭，45°彎頭替代90°彎頭。④提高水泵基礎，水泵中心線與機組中心線在同一高度。

（3）控制系統。增加冷熱源機房設群控系統，循環水泵采用變頻水泵，冷卻塔風機采用變頻風機。

3 改造效果

改造后的內科大樓空調系統與2023 年8 月投入運行，系統穩定運行一周后，機房制冷系統EER 維持在5.0 以上，達到高效制冷機房標準。機房制冷系統EER實測值如圖3 所示。

圖3 機房制冷系統EER 實測值

空調系統最大負荷為1054kW 與前期方案階段負荷測算保持一致。通過對逐時負荷進行統計得到，醫院住院樓冷負荷時變化系數。住院樓冷負荷時變化系數如表3 所示。

表3 住院樓冷負荷時變化系數

4 結語

通過對醫院空調系統的診斷，分析了空調系統在冷熱源、水系統、控制系統存在的問題。提出了高效機房的設計方案。根據改造后的實測數據，驗證了改造方案的實施效果，同時通過對醫院住院樓冷負荷進行實時監測，得到了醫院時變化曲線，為其他夏熱冬冷地區醫療類建筑的冷熱源選擇提供了依據。