医院建筑冷热源运行优化管理研究

医院建筑冷热源运行优化管理研究

0医院建筑冷热源能耗现状医院建筑具有使用功能复杂、能耗结构复杂、能源形式复杂的特点。因此，医院的能耗非常大，这被认为是行业内的一个愿景。有关资料表明,医院建筑空调系统的年一次能耗是办公建筑的1.6~2.0倍。文献统计得出,北京地区医院建筑2006年单位建筑面积全年总耗电量平均约为70kWh;文献的统计结果显示所调查的上海地区医院建筑2007年单位建筑面积全年总耗电量为76.0~109.1kWh,其中暖通空调系统耗能占到50%以上,而暖通空调系统的冷热源耗能又占到该系统总耗能的50%左右。在国外,ASHRAE的调查资料表明,与医院建筑空调通风系统相关的能耗约占医院建筑总能耗的67%;日本某典型医院建筑能耗情况也表明,空调冷热源和空调动力能耗占医院建筑总能耗的51.8%,与ASHRAE调查资料中空调通风系统所占能耗情况相近。由以上国外的调查分析结果可知,降低暖通空调系统冷热源的能耗是医院建筑节能的关键。本文针对医院建筑能耗特点和负荷变化情况,根据医院建筑大、小冷热源的配置特点,提出了医院建筑冷热源的设计优化原则和运行优化管理原则。另外,针对医院建筑的特殊性,对医院建筑冷热源采用可再生能源提出了应用原则,以提高冷热源系统的能源利用效率。1建筑用电数据分析在医院建筑中,电力消耗最大,其次为燃气(油)。以上海某典型医院为例,主要一次能源消耗如图1所示,可以看出,医院的耗能主要集中在电力和燃气(油),占医院总能耗的95%左右。医院建筑的用电主要由空调采暖系统用电、办公设备用电、照明用电、食堂用电、动力及大型医疗设备用电和其它用电6部分构成。以某典型医院建筑用电情况为例,根据用电设备的配制情况和设备运行记录,各用电部分耗电量的份额如图2所示。其中,空调采暖系统所占比例最大,达到54%,其次为办公设备和动力及大型医疗设备用电,达到25%。医院建筑燃气(油)消耗主要由冬季采暖、生活热水和工艺,以及食堂3部分构成。以某典型医院建筑耗燃气情况为例,调查分析燃气消耗份额如图3所示。生活热水和工艺和冬季采暖所占比例最大,约为96.4%。因此,暖通空调系统的冷热源优化是医院建筑节能的重点。2医院建筑的冷热悬带特性1空调负荷在家庭和门急诊楼上的使用时间医院建筑功能复杂,门诊、急诊、手术、医技、病房和后勤等各部门的使用时间与空调负荷特性并不相同。病房楼和门急诊楼等为季节性空调负荷,中央空调在春秋过渡季节一般均停止使用。而洁净手术部、无菌病房和重症监护病房等是全年空调负荷,若单独为这些区域开启整栋大楼的空调冷热源,其能耗将相当大,因此医院建筑这类区域一般设置独立冷热源。2冷热源系统配置对于医院建筑,主要服务区域为住院部、门诊医技楼和手术室,其中住院部和门诊医技楼采用集中冷热源,而手术室等分散且常年需要供冷(热)的区域采用独立冷热源。这样就形成了2种方式的冷热源系统配置,定义为集中冷热源(大冷热源)和分散冷热源(小冷热源)。根据医院不同区域的负荷需要,优化大、小冷热源运行,具有较大的节能潜力。3差异较大的室内空调环境医院建筑均为大体量、全空调系统且供冷(热)量大。医院建筑有2类差异较大的室内空调环境:一是量大面广的一般科室,如普通病房和诊室等,只需季节性舒适空调;二是数量相对较少的、有洁净无菌与严格的温湿度控制要求的功能区域,如手术室和无菌病房等,需要全年空调。4空调系统运行时间相对于一般的公共建筑,医院建筑空调系统的运行时间比较长。医院通常为全年全天无休,因此在一年中需要使用空调系统的时间段内,系统需要24h运行,同时随着病人源的多少变化,医院内人员高低峰差别很大,逐时负荷相差较大,特别是在夏季供冷时,这种现象更为明显。5年空调水系统偏转供热工况大型医院建筑的关键科室常常会处于空调内区,当全年空调水系统转为供热工况时,这些科室内部分房间仍需供冷。即使完全关闭供热水系统,房间温度仍超过要求,因此需要采用四管制空调水系统或另外考虑冷源。3医院建筑节能技术与设备的特殊功能医院建筑作为公共建筑的一种类型,和其它公共建筑的冷热源设计优化有一定的共同点,但由于医院建筑不同的功能与环境控制要求又有其特殊性。一般公共建筑常用的节能技术或措施不一定能应用到医院建筑中,特别是一些特殊功能的医疗科室。因此,针对医院建筑的冷热源优化设计,应考虑如下原则。1冷热源设备配置在设计选型时,应尽量推荐采用能效等级较高的冷热源设备,冷水机组和热源设备合理配置可以满足医院建筑不同时期和季节负荷变化的需求,同时应兼顾考虑冷热源设备在部分负荷下的运行效率。2不同负荷情况下大冷热源设置首先,为了满足不同功能区域的负荷需求,在大、小冷热源设计选型配置时,应优化全年运行方式。在全年高负荷情况下,尽量开启集中大冷热源,保证大冷热源在高负荷和高效率工况下运行;在部分负荷情况下,开启小冷热源,并根据优化策略合理确定大、小冷热源的适当容量。第二,根据所在地区的气候特征选择手术部供冷方案,精心分析其冷负荷特点。第三,制冷系统、加湿系统、过滤器等设施采用效率高和可控的设计方案。3冷水机组的设计优化冷水机组运行模式,保证每台冷水机组在高效率模式下运行,合理控制水泵的运行台数和方式;冷水机组根据室内外温度的要求和变化,设定合理的冷冻水供水温度;水系统合理运行,杜绝冷冻水和冷却水旁通现象;应对开启手术室和未开启手术室采用运行和值班控制方式,在保证室内正压的条件下,按照不同运行方式保证手术室的温、湿度要求,以达到节能目的。4冬季冷源的利用大型综合性门诊和急诊大楼会有一定的内区,按高标准舒适要求,冬季需要供冷。在冬季寒冷且低湿的地区,可利用冷却塔与板式换热器获得的冷水作为冷源。同时可合理利用夜间和过渡季新风消除蓄热负荷。51采用蓄冷技术由于医院建筑负荷的特性,适合蓄冷技术的应用。在执行峰谷电价的地区,可以降低医院建筑的冷源运行费用。6三冷能源技术医院建筑一般有自用发电机组,根据医院建筑的电力和空调负荷特性,在电力和空调负荷匹配的情况下,冷热源可以进行冷热电三联供技术优化设计。7热回收技术的合理利用应尽可能采用热回收技术,包括空气侧热回收与水侧热回收。同时有条件的医院建筑可将冷源设备产生的冷凝热回收,用于加热生活热水。8主要系统电量计量为了方便能源管理,建议在变压器低压侧配电柜各回路均装设电度表,进行主要系统的电量计量,将各个建筑物、各种不同性质用电量加以区分;建议增设热水流量表,统计热水使用规律。4空调冷热源设置的影响我国的三级医院基本上均设有手术室,根据手术的等级,除Ⅳ级以外都对室内空气温、湿度提出了要求,因此大部分手术室都需要冷热源。作为医院建筑有特殊运行要求的手术室的洁净空调系统,其冷热源的设置通常有以下几种模式:不设手术室用单独冷热源(小冷热源),与医院的集中冷热源(大冷热源)公用;手术室设单独冷热源,与医院的集中冷热源不发生联系;手术室设单独冷热源,与医院的集中冷热源统一考虑,优化大、小冷热源的配置和运行。在医院建筑中,由于手术室和门诊、病房等功能区域在空调使用方式和时间上有很大区别,若不设手术室用单独冷热源,在大冷热源没有启动的时段内,会存在手术室温、湿度环境不满足要求的情况,设计人员一般不采用第1种冷热源的设置模式。由于医院建筑功能分区的复杂性和使用功能的多样性,空调系统的划分日趋复杂,为了提高空调冷热源系统的效率,设计人员经常采用大、小冷热源的做法。笔者在此对大、小冷热源的关联性和独立性的优缺点用数据进行分析判断。以某医院建筑为例,该医院由门诊综合楼、病房楼、特需楼和10间手术室主要功能区域构成。其中,门诊综合楼、病房楼和特需楼共为1个空调水系统,总设计冷负荷为7830kW。手术室夏季空调设计冷负荷为541kW,仅占集中冷源的7%。下面把冷源分为2种情况进行分析对比。1其他区域采用集中冷源系统手术室采用风冷热泵机组独立冷源系统,其它区域采用集中式冷源系统。手术室的风冷热泵机组独立冷源系统与水冷冷水机组之间独立运行,不会交叉负担对方的冷负荷。2大冷源系统配置运行方案手术室采用风冷热泵机组独立冷源系统,且该系统仅在过渡季节使用。在夏季制冷季,停止使用手术室的风冷热泵机组独立冷源系统,手术室和其它空调区域共同使用水冷冷水机组。这种形式可称为手术室的独立冷源系统与整个医院建筑的水冷冷水机组之间关联运行。手术室夏季的冷负荷由建筑围护结构传热、室内人员和设备散热及新风冷负荷构成。考虑到手术室为内区,建筑围护结构传热稳定且手术室室内人员和设备的散热较为稳定,可以认为基本不变,因此过渡季节与夏季制冷季负荷差别最大的为新风冷负荷。经过计算分析,过渡季节手术室负荷为380kW,配置小冷源系统可以使冷机及输送系统容量减少,降低初投资。在夏季制冷季,集中冷源启动后,由大冷源负担手术室的冷负荷,可提高大冷源的负荷率,也可以提高能源利用效率。分别对大、小冷源在独立配置运行和关联配置运行2个方案的初投资和运行费用进行技术经济分析,结果如表1所示。可以看出,合理优化大、小冷源的配置和运行关系,初投资可以节约80万元,年运行费用可以节约12.5万元。5医院冷热源医院建筑冷热源的复杂性和功能性为可再生能源利用提供了很好的应用条件,可再生能源作为医院集中冷热源的辅助补充,将起到重要的作用。根据医院建筑的地理位置,因地制宜,采用太阳能、热泵系统等可再生资源,大力发展可再生能源在医院建筑冷热源中的比例。1方案二:设置热水系统医院建筑用水量的特点是生活热水耗量非常大。我国传统医院集中供热和生活热水热源采用锅炉房热水锅炉或蒸汽锅炉,建立庞大的热水或蒸汽管网,通过用户侧设置换热器供给用户使用。若将太阳能作为补充热源,太阳能热水系统可预热热水系统的全部冷水,不但可以解决太阳能的不稳定性问题,而且可以减少锅炉房的能耗。因此,在地理条件允许的情况下,应大力发展太阳能为辅助热源的生活热水系统的设计和应用。2污水源热泵系统利用医院建筑的绿化草坪和湖水等人工或天然景观,可使用土壤源或地表水源热泵系统;利用医院建筑比较恒定的生活污水(洗澡污水),可采用污水源热泵系统,作为手术室等区域的小冷热源。这些技术不仅可以提高小冷热源的能源利用效率,还可以节约运行费用。6医院建筑冷热源设计节能技术医院建筑能耗整体水平较高,而且各医院间差别较大,有较高的节能潜力。医院建筑设计不应盲目追求外型的独特和视觉的冲击,应以医院的功能要求作为前提。若医院建筑采用大面积的玻璃幕墙、屋顶采用大面积的透明屋面,设计将直接导致冷热源能耗的增加。在医院建筑的冷热源设计与选择过程中,应按照合理优化原则,对冷热源系统进行配置,合理进行医院建筑大、小冷热源